JP2008229424A - 減圧蒸留装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】海水の淡水化等に好適な新規な構成の減圧蒸留装置を提供すること。
【解決手段】液状原料を加熱して蒸発・凝縮させる蒸留塔12と、蒸留塔12内を減圧させるエジェクタ41とを備えた減圧蒸留装置。蒸留塔12は、首部14aを有するフラスコ状の蒸発缶14と、該蒸発缶14内の液状原料を蒸発させる加熱手段である加熱媒体流通部材30と、蒸発缶14の首部14a外周に配される凝縮器16とを備えている。凝縮器16の上方を塔頂カバー体20で密閉的に覆って蒸気流れ反転部22を形成するとともに、蒸発缶14の肩部14bと凝縮器16との間を中段筒体24で密閉的に覆って凝縮液受部26を形成する。凝縮液受部26には、凝縮液排出位置より上方にエジェクタ41の吸引口を接続する。
【選択図】図1
【解決手段】液状原料を加熱して蒸発・凝縮させる蒸留塔12と、蒸留塔12内を減圧させるエジェクタ41とを備えた減圧蒸留装置。蒸留塔12は、首部14aを有するフラスコ状の蒸発缶14と、該蒸発缶14内の液状原料を蒸発させる加熱手段である加熱媒体流通部材30と、蒸発缶14の首部14a外周に配される凝縮器16とを備えている。凝縮器16の上方を塔頂カバー体20で密閉的に覆って蒸気流れ反転部22を形成するとともに、蒸発缶14の肩部14bと凝縮器16との間を中段筒体24で密閉的に覆って凝縮液受部26を形成する。凝縮液受部26には、凝縮液排出位置より上方にエジェクタ41の吸引口を接続する。
【選択図】図1
Description
本発明は、固形成分を含有する液状原料を、加熱して液成分(蒸発成分)を減圧下で蒸発させて濃縮液若しくは固形分を一次製品とし、及び/又は、蒸発成分を凝縮液として回収分離して二次製品とする減圧蒸留装置に関する。
ここでは、海水の淡水化装置に適用する場合を例に採り説明する。本発明の減圧蒸留装置は、海水の淡水化にかぎらず、例えば、油や水の蒸留、廃液の濃縮減容、果汁や合成反応液の濃縮、その他各種液体の蒸留処理乃至蒸発処理に適用できる。
海水淡水化装置として、例えば、特許文献1〜4に示すようなものが提案されている。
特許文献1では、太陽熱集熱器からの熱源を利用する技術、高分子モジュール(高分子膜)に真空装置(水ジェットポンプ)を接続して塩水を脱気(腐食抑制及び伝熱悪化の防止の見地)する技術が記載されている。(要約等参照)
特許文献2では、減圧蒸発器で海水を蒸発させて、得られた水蒸気を凝縮器で凝縮させ淡水を得る方法において、減圧蒸発器内に導入した海水の一部を分岐して該蒸発器の上部からシャワーリングして蒸発効率を上昇させる技術が記載されている。本技術では、減圧装置への海水導入及び水蒸気の凝縮器への導入は、いずれも真空ポンプで行っている。(要約等参照)
特許文献3では、海水温排水を、減圧された容器内にノズルを介して噴出することによって、その一部を蒸発させる蒸発器と、海水を冷却水として使用する熱交換器である凝縮器(シェルプレート式)とを備え、蒸発器で発生した蒸気を減圧状態に維持すると同時に淡水を得る海水淡水化装置に係る改良技術が記載されている。(要約等参照)
特許文献4では、真空蒸発室内の海水を、加熱器にて加熱することによって沸騰蒸発させ、該水蒸気を多管式の凝縮器にて凝縮して淡水を製造する真空蒸発式造水装置に係る改良技術が記載されている。(要約等参照)
特開2000−325949号公報
特開平11−216459号公報
特開平9−108653号公報
特開平6−254534号公報
特許文献2では、減圧蒸発器で海水を蒸発させて、得られた水蒸気を凝縮器で凝縮させ淡水を得る方法において、減圧蒸発器内に導入した海水の一部を分岐して該蒸発器の上部からシャワーリングして蒸発効率を上昇させる技術が記載されている。本技術では、減圧装置への海水導入及び水蒸気の凝縮器への導入は、いずれも真空ポンプで行っている。(要約等参照)
特許文献3では、海水温排水を、減圧された容器内にノズルを介して噴出することによって、その一部を蒸発させる蒸発器と、海水を冷却水として使用する熱交換器である凝縮器(シェルプレート式)とを備え、蒸発器で発生した蒸気を減圧状態に維持すると同時に淡水を得る海水淡水化装置に係る改良技術が記載されている。(要約等参照)
特許文献4では、真空蒸発室内の海水を、加熱器にて加熱することによって沸騰蒸発させ、該水蒸気を多管式の凝縮器にて凝縮して淡水を製造する真空蒸発式造水装置に係る改良技術が記載されている。(要約等参照)
本発明は、上記従来技術に開示若しくは示唆されていない、海水の淡水化等に好適な新規な構成の減圧蒸留装置を提供することを目的とする。
本発明の減圧蒸留装置は、上記課題(目的)を、下記構成により解決する。
液状原料を加熱して蒸発・凝縮させる蒸留塔と、前記蒸留塔内を減圧させる減圧手段とを備えた減圧蒸留装置であって、
蒸留塔は、首部を有するフラスコ状の蒸発缶と、該蒸発缶内の液状原料を蒸発させる加熱手段と、蒸発缶の首部外周に配される凝縮器とを備え、
凝縮器の上方が塔頂カバー体で密閉的に覆われ蒸気流れ反転部が形成されているとともに、蒸発缶の肩部と凝縮器との間が中段筒体で密閉的に覆われ凝縮液受部が形成され、
凝縮液受部には、凝縮液排出位置より上方に減圧手段の吸引口が接続されている、ことを特徴とする。
蒸留塔は、首部を有するフラスコ状の蒸発缶と、該蒸発缶内の液状原料を蒸発させる加熱手段と、蒸発缶の首部外周に配される凝縮器とを備え、
凝縮器の上方が塔頂カバー体で密閉的に覆われ蒸気流れ反転部が形成されているとともに、蒸発缶の肩部と凝縮器との間が中段筒体で密閉的に覆われ凝縮液受部が形成され、
凝縮液受部には、凝縮液排出位置より上方に減圧手段の吸引口が接続されている、ことを特徴とする。
上記構成により蒸発缶で加熱により発生した蒸気はフラスコの首部で圧縮される。このため蒸気中に含まれる液滴があっても凝集落下して飛沫同伴が発生し難い。したがって、液滴を介して塩分(溶質)が凝縮器を通過する可能性が低減する。よって、凝縮器の腐食が促進されないとともに、蒸留効率(精製・分離効率)が良好となる。また、凝縮器を蒸発缶の首部外周に配することにより、装置全体のコンパクト化が可能となる。更に、首部から上昇流出する蒸気を凝縮器側へ、強制的に反転吸引することにより蒸留効率(蒸発・凝縮効率)が向上する。
本発明を、方法のカテゴリーで表現すると、下記のような構成となる。
液状原料を減圧蒸留する方法であって、蒸発缶に液状原料を投入して加熱することにより発生した蒸気を、一以上の縮径通路を通過させた後、該縮径通路の外周に設置した凝縮器に、該凝縮器下側からの吸引により導入して凝縮液を得ることを特徴とする。
以下、本発明の(減圧)蒸留塔を海水淡水化装置に適用した場合について、説明する(図1参照)。
減圧蒸留塔12は、基本的には、首部(縮径通路)14aを有するフラスコ状の蒸発缶(蒸気釜:ボイラー)14と、蒸発缶14の首部14a外周に配される凝縮器(表面凝縮器:熱交換器)16と、該凝縮器16の上方に配される散水ノズル(散液ノズル)18とを備えている。
具体的には、凝縮器16の上方が散水ノズル18を含めて塔頂カバー体20で密閉的に覆われ蒸気流れ反転部22が形成されているとともに、蒸発缶14の肩部14bと凝縮器16との間が中段筒体24で密閉的に覆われ凝縮水受部(凝縮液受部)26が形成されている。
ここで、減圧蒸留塔12は、円筒状とするが、多角筒状、矩形(異形)筒状であってもよい。また、首部14aは、図例では、1個であるが複数個であってもよい。
また、蒸発缶14の首部(縮径部)14aと胴部(大径部)14cとの縮径比は、首部が1個の場合、前者/後者=1/1.5〜1/5、より普通には、1/2〜1/3とする。
そして、首部14aの長さは、少なくとも胴部14cの高さより、長いものとする。長い方が、水蒸気中の水滴が蒸発缶14の外へ飛沫同伴されて凝縮器16へ流入するのを防ぐ作用を奏する。水滴のまま凝縮器16へ流入すると、水滴中に塩分が含まれているため、凝縮器16を腐食させ、さらには、凝縮水中に塩分が混入する(無塩分の純水を得難くなる。)。
また、水蒸気が圧縮されながら上方へ加速されて通過後、蒸留塔12頂部の蒸気流れ反転部22で、断熱的に膨張して蒸気の温度低下が生じて、蒸気の凝縮促進に若干の寄与も期待できる。
具体的には、蒸発缶14の胴部14c内径:0.5〜10m、首部14a内径:0.1〜2m、首部14a長さ:0.5〜15mの範囲で、原料液体の種類、要求処理量等に応じて、適宜、設定する。
蒸発缶14は、本体外壁28を断熱構造とし、本体外壁28の内側に加熱手段を配する。
具体的には、上記断熱構造は、セラミック等の断熱材でキャスター成形してもよいが、ステンレス板等で二重壁密閉構造(魔法瓶的構造)として空気層としたり、乃至、グラスファイバー、石膏等の断熱材を充填したりしてもよい。
なお、蒸発缶14の本体外壁28は、エネルギー効率(蒸発効率)の見地から断熱構造としてあるが、必然的ではない。例えば、首部(縮径通路)14aを断熱構造としない場合、首部14aの外周に凝縮器16が配されるため、蒸気が部分的に還流して蒸発缶14の胴部に戻りやすくなる。結果的に、飛沫同伴による液滴が凝縮器16に流入し難くなる。
加熱手段は、加熱媒体流通部材(熱接触管)30とされている。図例では、外壁の内側全面に形成された内側ジャケット30aと、該内側ジャケット30aの対向面間を縦横に連通管部30bで蒸発を阻害しない密度でつないだ構造としてある。連通管部30bの形態は、格子状、螺旋状、リング状、多孔板状、等任意であり、図例のものに限定されない。
なお、加熱媒体としては、水蒸気、熱風、温水、熱媒油、等任意である。図例では、蒸気配管と接続されるようになっている。
加熱手段は、上記加熱媒体流通部材30に限られず、慣用の加熱手段を使用できる。例えば、加熱媒体流通部材の形状の鋳込みヒータに置き換えたり、蒸発缶14を、バーナ、抵抗加熱、誘導加熱等で外部加熱したり、シールドヒータ、蒸気吹き込み、マイクロ波、等で内部加熱してもよい。
蒸発缶14の水位は、海水(液状原料)を投入する水位調節槽(液位調節槽)32と連通されて水位(液位)調節可能とされている。すなわち、水位調節槽32は、水封板(液封板:バッフルプレート)34により蒸発缶14との連通側が海水投入側から密封(水封:液封)され、海水投入側(大気側)に配された溢流管(オーバフロー管)36の受け口36aの高さで、水位(液位)を調節可能とされている。
散水ノズル(散液ノズル)18と凝縮水受部26との間は、一次凝縮水貯留槽38を介して、還流用ポンプP1を備えた部分還流配管27で接続されている。
この部分還流により、凝縮水(凝縮液)の純水化(純度向上)、及び、蒸気を凝縮水(冷却水)と接触させる混合冷却による凝縮促進を期待できる。ここで、還流比、即ち、凝縮水発生量に対する還流凝縮水の比率は、1/10〜1/4の範囲で適宜設定する。
凝縮水受部26から凝縮水を、一次凝縮水貯留槽38を経ずに、直接、散水ノズル18へ還流させてもよい。
また、散水ノズル18の形態も、図例のリング管の下面に所定ピッチで散水穴を形成したものでなくてもよい。例えば、散水穴を上面に設けたり、蒸発缶14の首部14aの上方中心部に上向きの散水ノズルを一個設けたりしてもよい。
一次凝縮水貯留槽38は、密閉構造の真空槽とされ、溢流管(オーバフロー管)40の受け口40aの高さで、液位(水位)を調節可能とされている。
更に、一次凝縮水貯留槽38の溢流管40から溢流する凝縮水は二次凝縮水貯留槽42で受け可能となっている。該二次凝縮水貯留槽42は、一次凝縮水貯留槽38からの溢流管40接続側が、凝縮水排出口(溢流口)44側と水封板(液封板)46で液封されて密閉構造とされている。
上記凝縮器16は、図例では、蒸気を通過させる多管(チューブ)16aを、冷却媒体を通過させるドーナツ体16b内に配した多管式となっている。そして、凝縮器16の出口が冷却塔(冷水搭)17の戻り口と戻り配管17aで、同入口が冷却塔17の吐出口と冷却媒体循環ポンプP2を備えた往き配管17bで接続されている。なお、冷却塔17に接続せずに、海水を冷却媒体として循環させてもよい。
凝縮器16の方式は上記多管式に限られない。ドーナツ式、プレート式、蛇腹式、シェルプレート式又はそれらの複合式、等、慣用の方式とすることができる。冷却媒体も、水に限られず、オイルや冷風であってもよい。さらに、凝縮器16を縦方向に水蒸気が流入可能な多管乃至多管プレートとし、該多管乃至多管プレートにエアを吹き付ける、いわゆる空冷ラジエータ構造としてもよい。
そして、減圧手段は、一次凝縮水貯留槽38に取り付けたエジェクタ(水ジェットポンプ)41とされている。該エジェクタ41の第一流体入口41aには、還流用ポンプP1で凝縮水を圧入可能に、部分還流配管27の分岐配管27aが接続されている。第二流体入口(吸引口)41bには、凝縮水受部26の外壁で凝縮水溢流口26aの上方に形成された位置に接続された吸引配管24の他端が接続されている。尚、部分還流配管27及び分岐配管27aには、それぞれ、流量調整弁v1、v2を備え、前述の還流比及び減圧度を調節可能となっている。
なお、本実施形態では、エジェクタ用ポンプは還流用ポンプP1と兼用としたが、それぞれのポンプを設けて別系統としてもよい。
上記エジェクタ41で得られる減圧度(真空度)は、エジェクタ用ポンプ(還流用ポンプ)P1の能力(仕様)にもよるが、例えばポンプとして、口径:50A、揚程:30m、吐出量:400L/min、動力:3.7kWで、真空容量:0.3 m3の場合、-600mmHg(約150mmHg:200 Pa)の減圧度が得られる。この場合の水の沸点は、約60℃である。このため、加熱エネルギーを節減できるとともに、液状原料中に熱変質のおそれがあるものを含んでいても濃縮分離が可能となる。
ここで、減圧手段は、エジェクタに限られず、コンプレッサやブロア等の機械式真空ポンプであってもよい。さらに、減圧手段の蒸発装置への取り付け口も、凝縮水受部26のみでなく、蒸気流れ反転部22に取り付けてもよい。
次に、凝縮分離装置を使用しての海水淡水化方法について説明する。
先ず、水位調整槽32に海水を連続供給する。すると、蒸発缶14内に流入する海水(被処理液)の高さが一定に維持される。
そして、還流用ポンプP1及び冷却媒体循環ポンプP2を起動させ、更に、加熱媒体流通部材(加熱手段)内に加熱媒体(水蒸気)を通過させる。
すると、蒸発缶14内の海水が加熱されるとともに、蒸発缶14内は減圧される。そして、蒸発缶14内が減圧度以上の蒸気圧を示す温度となると水蒸気が発生する。例えば、前述の減圧度200Paの場合、60℃で、海水は沸騰する。
このとき、加熱媒体流通部材30は、内側ジャケット30aの対向面間が縦横に連通部30bで張り巡らされて形成されているため、被処理液体(原料)である海水との熱交換効率が良好であり、蒸発が促進される。
そして、水蒸気は首部(縮径通路)14aを上昇しようとするが、首部14cでも加熱されるため、水蒸気は更に加熱加速されて上昇し、首部14c上端から蒸留塔12塔頂の蒸気流れ反転部22に流入する。このとき、水蒸気中に水滴が含まれていると、水蒸気が蒸発缶14の首部14aで圧縮されることにより水滴相互が凝集し胴部に落下する。こうして、蒸発缶14の首部14aの上端開口から水滴をほとんど含まない水蒸気が蒸気流れ反転部に流入する。
この蒸気流れ反転部22では、凝縮水の部分還流の凝縮水(冷却されている)が散水される。該凝縮水の散水により蒸気が冷やされるとともに水滴(塩分をほとんど含まない。)を多く含んだ状態、すなわち凝縮し易い状態で凝縮器16に流入する。
また、本実施形態では凝縮器16の下側から減圧吸引する構成なので、重力作用と相俟って水蒸気が円滑に凝縮器16内へ吸引されて流下する。こうして、水蒸気の凝縮が促進されることにより、更に、海水の蒸発(水蒸気化)も促進される。
こうして生成した凝縮水は、凝縮水受部26から溢流口26aを超えると、該溢流口26aを経て一次凝縮水貯留槽38に流入し、更に、一次凝縮水貯留槽38から、溢流管40を介して二次凝縮水貯留槽42に流入する。そして、二次凝縮水貯留槽からは、飲料水とすることができる純水を回収できる。
また、蒸発缶14の底部の濃縮液は、間欠的に濃縮液取出口21から取り出して天日乾したり、液成分がなくなるまで蒸発させたりすれば、容易に天然塩(結晶塩)を得ることができる。
上記では海水の淡水化を例に採り、装置及び方法について説明したが、本発明の減圧蒸留装置は、海水の淡水化に限らず、他の水溶液、更には、有機溶媒(油)等を分散媒とするものも原料液とすることができる。
また、蒸留塔12の塔頂カバー体20を取り外して(上部を開放にして)、固形分含有液状原料を投入して加熱すれば、濃縮・乾燥も可能となる。この場合は、減圧手段は作動させない。
図2〜5に本発明の別の実施形態を示す。なお、各図において、図1の蒸留装置と同一部分については、同一図符号を付して、それらの説明は省略する。
図2は、2段に配列した実施形態である。48は第一蒸留装置D1で発生した凝縮液を第二蒸留装置D2に移送する凝縮液移送管である。
この様に二段さらには多段に本発明の蒸留装置を配列した場合は、多段蒸留が可能となり、あらゆる混合液に適用可能となる。例えば、重質油から軽質油までのあらゆる原油の蒸留乃至分解まで可能である。
図3は、本発明の別の実施形態を示し、電気のない山奥等の僻地に適する蒸留装置である。
ソーラ発電機50にて発電し、太陽熱温水器52と併用する。そして、還流用ポンプP1、冷却媒体循環ポンプP2及び温水循環ポンプP3を、ソーラ発電機50で発生する電気でそれぞれ稼動させる。そして、温水循環ポンプP3を用いて、太陽熱温水器52と蒸留塔12Aの加熱媒体流通部材30との間で、太陽熱温水器52で生成する温水を循環させる。
図4は、蒸留塔12Bにおける加熱媒体流通部材30の下方にバーナ56を備えた加熱炉58を一体形成し、バーナ56の燃焼により発生させた熱風を該加熱媒体流通部材30内に流通させる。なお、60は熱風排気筒である。
12、12A、12B・・・減圧蒸留塔
14・・・蒸発缶(ボイラー)
14a・・・蒸発缶首部
14c・・・蒸発缶胴部
16・・・凝縮器
18・・・散水ノズル(散液ノズル)
20・・・塔頂カバー体
22・・・蒸気流れ反転部
24・・・中段筒体
26・・・凝縮水受部(凝縮液受部)
28・・・蒸発缶の本体外壁
30・・・加熱媒体流通部材
14・・・蒸発缶(ボイラー)
14a・・・蒸発缶首部
14c・・・蒸発缶胴部
16・・・凝縮器
18・・・散水ノズル(散液ノズル)
20・・・塔頂カバー体
22・・・蒸気流れ反転部
24・・・中段筒体
26・・・凝縮水受部(凝縮液受部)
28・・・蒸発缶の本体外壁
30・・・加熱媒体流通部材
Claims (8)
- 液状原料を加熱して蒸発・凝縮させる蒸留塔と、前記蒸留塔内を減圧させる減圧手段とを備えた減圧蒸留装置であって、
前記蒸留塔は、首部を有するフラスコ状の蒸発缶と、該蒸発缶内の液状原料を蒸発させる加熱手段と、蒸発缶の首部外周に配される凝縮器とを備え、
凝縮器の上方が塔頂カバー体で密閉的に覆われ蒸気流れ反転部が形成されているとともに、蒸発缶の肩部と凝縮器との間が中段筒体で密閉的に覆われ凝縮液受部が形成され、
該凝縮液受部には、凝縮液排出位置より上方に前記減圧手段の吸引口が接続されている、
ことを特徴とする減圧蒸留装置。 - 前記加熱手段が、前記蒸発缶の内壁に形成された内部ジャケットの相互間が縦横に連通管で接続され加熱媒体流通部材により形成されていることを特徴とする請求項1記載の減圧蒸留装置。
- 前記凝縮液受部から流出する凝縮液を密閉的に貯留する一次凝縮液貯留槽を、更に備え、該一次凝縮液貯留槽にエジェクタが取り付けられて減圧手段とされていることを特徴とする請求項1又は2記載の減圧蒸留装置。
- 蒸留塔で発生した凝縮液を部分還流させて散液する還流散液手段を、更に備え、該還流散液手段の散液ノズルが蒸気流れ反転部に配されていることを特徴とする請求項1、2又は3記載の減圧蒸留装置。
- 前記一次凝縮液貯留槽と前記散液ノズルとの間が還流配管で接続されていることを特徴とする請求項4記載の減圧蒸留装置。
- 前記蒸発缶は、首部も含めて外壁が断熱構造とされていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一記載の減圧蒸留装置。
- 液状原料を減圧蒸留する方法であって、
蒸発缶に液状原料を投入して加熱することにより発生した蒸気を、一以上の縮径通路を通過させた後、該縮径通路の外周に設置した凝縮器に、該凝縮器下側からの吸引により導入して凝縮液を得ることを特徴とする減圧蒸留方法。 - 更に、前記凝縮液を部分還流させて、該凝縮液を前記凝縮器の上方に散液することを特徴とする請求項7記載の減圧蒸留方法。
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