JP6397300B2 - 濃縮システム - Google Patents

Description

蒸気によって加熱される蒸発面を有し、この蒸発面に被処理液を接触させることにより溶媒成分を蒸発させ被処理液を濃縮する濃縮装置を備えた濃縮システムに関する。

酵素、抗生物質抽出液、蛋白水溶液、発酵液、各種調味料、各種エキス、油脂、ビタミン類、合成化学製品、排液等の各種液体を濃縮する濃縮システムが知られている。以下、濃縮システムにおいて濃縮される液体を被処理液と称することがある。

濃縮システムは、被処理液の溶媒成分を蒸発させる濃縮装置や、被処理液から蒸発した溶媒を冷却するコンデンサ等を備えたものが一般的である。濃縮装置は、ボイラ等から供給された蒸気によって加熱される蒸発面を有しており、この加熱された蒸発面に被処理液を接触させることで溶媒成分を蒸発させる。溶媒成分が蒸発することによって濃縮された被処理液は、濃縮装置からタンク等に回収される。以下、蒸発面を加熱する蒸気と区別して、被処理液から蒸発した溶媒を溶媒蒸気と称することがある。

ところで、濃縮装置には、例えば液膜上昇式、流下式、遠心式等の各種形態のものが採用されている。液膜上昇式の濃縮装置は、加熱缶と蒸発缶を有するものである。加熱缶は、例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器（多管円筒式熱交換器）からなり、上下方向に延在した伝熱管がケーシング内に多数設けられている。これら伝熱管は、被処理液が流入するものである。液膜上昇式の濃縮装置では、ケーシング内に蒸気を供給することによって伝熱管を加熱し、伝熱管に流入した被処理液から溶媒成分を蒸発させる。すなわち、液膜上昇式の濃縮装置は、蒸気によって加熱される伝熱管の内周面に被処理液を接触させることにより被処理液から溶媒成分を蒸発させるものであり、伝熱管の内周面が蒸発面になる。なお、溶媒蒸気と濃縮された被処理液は蒸発缶内に吹き込まれ、蒸発缶内において溶媒蒸気と被処理液が分離される。

流下式の濃縮装置は、例えばケーシング内に、水平方向に対し所定角度傾斜した状態で配置された蒸発板を有するものであり、蒸発板の下面側に蒸気を供給することによって蒸発板を加熱する。この加熱された蒸発板の上面に被処理液を流下させることによって被処理液から溶媒成分を蒸発させる。すなわち、流下式の濃縮装置は、蒸気によって加熱される蒸発板の上面に被処理液を接触させることにより被処理液から溶媒成分を蒸発させるものであり、蒸発板の上面が蒸発面になる。

また、遠心式の濃縮装置は、例えばケーシング内に、水平方向に延在する回転軸を中心にして高速回転する蒸発板を有するものであり、この蒸発板は、例えばすり鉢状に形成されている。遠心式の濃縮装置では、蒸発板を回転させながら蒸発板の外周面側のジャケット部に蒸気を供給することによって蒸発板を加熱し、蒸発板の内側面における、回転中心側に向けて被処理液を供給する。供給された被処理液は、加熱された蒸発板の内側面を、蒸発板の高速の回転により発生する遠心力によって外側に向かって液膜状態を維持して流れるため、蒸発板の内側面を流れる間に溶媒成分が効果的に蒸発する。すなわち、遠心式の濃縮装置は、蒸気によって加熱されながら高速回転する蒸発板の内側面に被処理液を接触させることにより被処理液から溶媒成分を蒸発させるものであり、蒸発板の内側面が蒸発面になる。

これらの濃縮装置を備えた濃縮システムでは、コンデンサにおいて溶媒蒸気が冷却水で冷却される。溶媒蒸気と熱交換することによって温度上昇した冷却水は、一般的にクーリングタワーで冷却され、溶媒蒸気から冷却水に移動した熱が大気に放出される。なお、温度上昇した冷却水を冷凍機によって冷却する場合があるが、この場合にはエネルギーを消費して冷却することになる。また、ボイラ等から供給された蒸気が凝縮することで得られるドレンは、熱を回収せずにそのまま排水される場合がある。これらのように、従来の濃縮システムでは、捨てている熱量が多く、熱効率の観点で改善の余地がある。

そこで、溶媒蒸気およびドレンの熱を利用することにより、熱効率の改善を図ろうとする濃縮システムが提案されている（例えば、特許文献１等参照）。特許文献１に記載された濃縮システムは、遠心式の濃縮装置、コンデンサ、ヒートポンプおよび水タンクを備えている。ヒートポンプは、コンデンサに接続した吸熱用熱交換器と、水タンクに接続した放熱用熱交換器を有している。また、濃縮装置は、コンデンサと水タンクそれぞれに接続している。濃縮装置で被処理液から蒸発した溶媒はコンデンサに送られ、吸熱用熱交換器からコンデンサに供給された冷却水によって冷却される。これによって、溶媒蒸気は凝縮し、溶媒蒸気の顕熱と凝縮する際の潜熱が冷却水に移動して冷却水は温度上昇する。温度上昇した冷却水は、吸熱用熱交換器に供給され、溶媒蒸気から移動した熱が吸熱用熱交換器に回収される。濃縮装置内で凝縮することで得られるドレンは、一旦水タンクに貯留された後、水タンクから放熱用熱交換器に供給される。放熱用熱交換機では、吸熱用熱交換器で回収した熱を利用してドレンが温度上昇する。この温度上昇したドレンを水タンク内に噴霧することで蒸気が生成される。この蒸気が濃縮装置の蒸発板に供給され、蒸発面が加熱される。このようにして、特許文献１に記載された濃縮システムでは、溶媒蒸気およびドレンの熱を利用することにより、熱効率の向上を図ろうとしている。

特開２０１２−２０６０３５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された濃縮システムでは、ドレンを水タンク内に噴霧することで蒸気を生成する際に液滴（ミスト）が生じ、この液滴が蒸気と一緒に濃縮装置に入り込んでしまう場合がある。濃縮装置に入り込んだ液滴が蒸発板に付着すると蒸発面への伝熱効率が低下してしまう。また、特許文献１に記載された濃縮システムでは、濃縮装置から回収され、水タンクに一旦貯留されたドレンを、放熱用熱交換器の熱媒体として利用している。ドレンには、濃縮装置から、あるいは水タンクにおいて、ダストに代表される様々な汚れの成分（以下、ダスト等と略す）が混入する可能性があり、そのドレンを熱媒体として利用していることから放熱用熱交換器が汚れてしまう場合がある。

本発明は上記事情に鑑み、熱効率の向上を図りつつ、蒸発面への伝熱効率の低下と放熱用熱交換器の汚れを防ぐ工夫がなされた濃縮システムを提供することを目的とする。

上記目的を解決する本発明の濃縮システムは、蒸気によって加熱される蒸発面を有し該蒸発面に被処理液を接触させることにより溶媒成分を蒸発させ該被処理液を濃縮する濃縮装置と、
前記被処理液から蒸発した溶媒を冷却するコンデンサと、
前記蒸気が前記濃縮装置内で凝縮することで得られるドレンが供給され、供給されたドレンを加熱して該蒸気を生成する蒸発器と、
吸熱用熱交換器および放熱用熱交換器を有するヒートポンプと、
前記コンデンサにおいて前記溶媒と熱交換することによって温度上昇した第１熱媒体の流路であって、前記コンデンサと前記吸熱用熱交換器を結んだ第１循環流路と、
前記放熱用熱交換器において温度上昇した第２熱媒体の流路であって、該放熱用熱交換器と前記蒸発器を結んだ第２循環流路とを備え、
前記蒸発器は、供給されたドレンから前記蒸気を生成する生成空間内に、前記第２熱媒体が通過する通過経路が別途設けられ、該通過経路を通過する第２熱媒体によって該生成空間内のドレンを加熱するものであることを特徴とする。

ここで、前記蒸発器は、前記生成空間の他、ドレンを貯留する貯留空間を有するものであり、前記通過経路は、前記生成空間内および前記貯留空間内に別途設けられたものであってもよい。ここにいう別途とは、生成空間および貯留空間とは仕切られて設けられた別の系（独立した系）であることを意味する。また、前記濃縮装置は、液膜上昇式のものであってもよく、前記蒸発面は、該濃縮装置の伝熱管における内周面であってもよい。さらに、前記濃縮装置は、流下式のものであってもよく、前記蒸発面は、前記被処理液を流下させる蒸発板の上面であってもよい。前記蒸発器は、シェルアンドチューブ式熱交換器であってもよい。

本発明の濃縮システムによれば、前記コンデンサでは、前記溶媒と前記第１熱媒体との間で熱交換がなされ、前記溶媒の顕熱と該溶媒が凝縮する際の潜熱が移動して該第１熱媒体は温度上昇する。温度上昇した前記第１熱媒体は、前記第１循環流路を流れて前記吸熱用熱交換器に供給され、前記溶媒から移動した熱が該吸熱用熱交換器に回収される。前記放熱用熱交換器では、前記溶媒から回収した熱によって前記第２熱媒体が温度上昇する。温度上昇した前記第２熱媒体は前記第２循環流路を流れて前記蒸発器に供給される。前記蒸発器では、前記第２熱媒体によって前記ドレンを加熱することで前記蒸気を生成する。このように、前記溶媒の熱および前記ドレンの熱を利用して前記蒸気を生成することで、熱効率の向上を図ることができる。また、前記通過経路を通過する前記第２熱媒体によって前記蒸発器内のドレンを加熱し前記蒸気を生成するため、特許文献１に記載された濃縮システムのように液滴が生じにくくなり、液滴が付着することで前記蒸発面への伝熱効率が低下することが大幅に抑制される。さらに、前記第２熱媒体の流路の一部である前記通過経路は、前記生成空間内に別途設けられたものであるため、前記第２熱媒体の流路は、前記通過経路と前記第２循環流路とからなる閉じた流路になり、該第２熱媒体にダスト等が混入しにくく前記放熱用熱交換器が汚れることを防ぐことができる。

また、本発明の濃縮システムにおいて、前記濃縮装置は、前記蒸発面が回転するものであり、該蒸発面の回転中心側に向けて前記被処理液が供給され、供給された前記被処理液が、該蒸発面の回転による遠心力によって外側に向かって液膜状に流れるものであってもよい。

こうすることで、前記被処理液が液膜状に流れる間に、該被処理液から前記溶媒成分を蒸発させることができ、特に、熱変性を受けやすい被処理液を濃縮する場合に好適である。なお、特許文献１に記載された濃縮システムのように、蒸気を生成する際に液滴が生じてしまう構成では、この液滴が、前記蒸発面を構成する部材に付着し、該蒸発面が回転する際の回転のバランスを崩してしまう場合がある。前述したように、本発明の濃縮システムは、前記蒸気を生成する際に液滴が生じることがないため、前記蒸発面が回転する構成であっても不都合は生じない。

さらに、本発明の濃縮システムにおいて、前記生成空間から、前記蒸気を前記蒸発面に供給するまでの空間を減圧する減圧手段を備えてもよい。

前記減圧手段によって、前記生成空間から、前記蒸気を前記蒸発面に供給するまでの空間を減圧することで、該生成空間においてドレンの沸点が下がり、低温で蒸気を発生させやすくなる。

また、本発明の濃縮システムにおいて、前記蒸発器で生成された蒸気を、前記蒸発面に供給される前に圧縮する圧縮機を備えてもよい。

前記圧縮機によって前記蒸気を圧縮することで該蒸気を温度上昇させ、より高温の蒸気によって前記蒸発面を加熱することができる。

本発明によれば、熱効率の向上を図りつつ、蒸発面への伝熱効率の低下と放熱用熱交換器の汚れを防ぐ工夫がなされた濃縮システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に相当する濃縮システムの一例を示す系統図である。 （ａ）は、図１に示す濃縮装置を拡大して示す図であり、（ｂ）は、図１に示す蒸発器の内部構造を模式的に示す図である。 （ａ）は、濃縮装置の第１変形例を模式的に示す図であり、（ｂ）は、濃縮装置の第２変形例を模式的に示す図である。 本発明の濃縮システムにおける第２実施形態を示す系統図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。本発明の一実施形態である濃縮システムは、酵素、抗生物質抽出液、蛋白水溶液、発酵液、各種調味料、各種エキス、油脂、ビタミン類、合成化学製品、排液等の各種液体を被処理液として、この被処理液を濃縮するものである。

図１は、本発明の一実施形態に相当する濃縮システムの一例を示す系統図である。

図１に示すように、濃縮システム１０は、濃縮装置２、蒸発器３、コンデンサ４、ヒートポンプ５、被処理液タンクＴ１、濃縮液タンクＴ２および蒸留液タンクＴ３を備えている。濃縮システム１０では、被処理液タンクＴ１から熱交換器８を介して濃縮装置２に被処理液が供給され、供給された被処理液は、蒸発器３から供給された蒸気によって加熱されることで、溶媒成分が蒸発する。溶媒成分が蒸発して濃縮された被処理液は、濃縮液タンクＴ２に回収される。以下、溶媒成分が蒸発して濃縮された被処理液を濃縮液と称することがある。被処理液から蒸発した溶媒（溶媒蒸気）は、コンデンサ４において、ヒートポンプ５から供給される冷却水によって冷却されて凝縮する。凝縮した溶媒は、蒸留液として蒸留液タンクＴ３に回収される。濃縮装置２内で凝縮することで得られるドレンは、蒸発器３において、ヒートポンプ５から供給される加熱水によって加熱される。これによって蒸気が生成され、生成された蒸気が濃縮装置２に供給される。

次に、図２（ａ）も参照しつつ、濃縮装置２について詳細に説明する。

図２（ａ）は、図１に示す濃縮装置を拡大して示す図である。なお、図２（ａ）では、濃縮装置２の内部構造を示している。また、図２（ａ）における、濃縮装置２の左側を正面側と称し、濃縮装置２の右側を背面側と称し、正面側と背面側を結ぶ方向を前後方向と称することがある。

図２（ａ）に示すように、濃縮装置２は、ケーシング２１、回転体２２、被処理液供給管２３、濃縮液回収管２４およびドレン回収管２５を有している。ケーシング２１は、中空円柱状のものであり、その背面側部分に排気部２１１が設けられている。排気部２１１は、溶媒蒸気をケーシング２１から排出する部分である。なお、ケーシング２１は、接続部２１２において前後方向に分割することができ、また、内部を目視確認するための点検窓２１３が正面側部分に設けられている。

回転体２２は、蒸発板２２１、ジャケット部２２２、堰部２２３、軸部材２２４および飛散防止部材２２５を有するものであり、ケーシング２１内に収容されている。軸部材２２４は、前後方向に延在し、その背面側部分に接続したモータＭによって回転駆動するものである。蒸発板２２１は、例えば薄鋼板をしぼり加工で成型されることによって、正面側に向けて拡がったすり鉢状のものであり、その中心部分に軸部材２２４が貫通した状態で軸部材２２４に固定されている。これにより、モータＭを駆動して軸部材２２４が回転駆動すると蒸発板２２１も回転する。ジャケット部２２２は、蒸発板２２１の背面側にジャケット状に設けられたものであり、蒸発板２２１とジャケット部２２２の間にジャケット空間Ｓ１が形成されている。ジャケット部２２２には、蒸気供給口２２２１とドレン排出口２２２２が設けられている。蒸気供給口２２２１には蒸発器３（図１参照）が接続され、蒸発器３で生成された蒸気が蒸気供給口２２２１からジャケット空間Ｓ１に供給される。堰部２２３は、蒸発板２２１の正面側の端部から蒸発板２２１の回転中心側に向いた姿勢に設けられ、堰部２２３と蒸発板２２１との間に周状の接続部２２１３が形成されている。

被処理液供給管２３は、先端に吐出口２３ａを有し、被処理液タンクＴ１（図１参照）から供給された被処理液を吐出口２３ａから吐出するものである。吐出口２３ａは、軸部材２２４における、蒸発板２２１との接続部分に向けて配置されている。後述するように、軸部材２２４および蒸発板２２１を回転させた状態で被処理液供給管２３から被処理液を吐出させると、吐出された被処理液は、蒸発板２２１の回転による遠心力によって、蒸発板２２１の正面側の面を外側に向かって液膜状に流れる。すなわち、蒸発板２２１の正面側の面は、本発明における蒸発面の一例に相当し、以下、蒸発面２２１ａと称する。また、蒸発面２２１ａはすり鉢状に形成された蒸発板２２１の内側面に相当する。なお、吐出口２３ａの近傍には、吐出口２３ａから吐出した被処理液の飛散を防止する飛散防止部材２２５が設けられている。

濃縮液回収管２４は、先端に吸込口２４ａを有し、濃縮液を吸込口２４ａから吸込むものである。吸込口２４ａは、蒸発板２２１と堰部２２３との接続部２２１３における概ね接線方向に向けて開口している。ドレン回収管２５は、先端にドレン吸込口２５ａを有し、ジャケット空間Ｓ１に供給された蒸気が凝縮することで得られたドレンをドレン吸込口２５ａから吸込むものである。ドレン吸込口２５ａは、ジャケット空間Ｓ１における正面側の端部領域に配置されている。また、ドレン回収管２５は、ドレン排出口２２２２に接続し、ドレン吸込口２５ａから吸込んだドレンは、ドレン排出口２２２２から排出される。

濃縮装置２では、モータＭを駆動して軸部材２２４および蒸発板２２１を回転させ、蒸気供給口２２２１からジャケット空間Ｓ１に蒸気を供給する。この蒸気によって蒸発板２２１を加熱した状態で被処理液供給管２３から蒸発板２２１の回転中心側に向けて被処理液を吐出する。吐出された被処理液は、蒸発面２２１ａを外側に向かって液膜状に流れ、堰部２２３によって堰止められる。被処理液が蒸発面２２１ａを流れる、例えば１秒程度の間に、被処理液から溶媒成分が蒸発し、被処理液から蒸発した溶媒蒸気は、排気部２１１から排気される。堰部２２３に堰止められた濃縮液は、接続部２１２に開口した濃縮液回収管２４に吸い込まれる。一方、ジャケット空間Ｓ１に供給された蒸気は、蒸発板２２１を加熱することで凝縮しドレンが生じる。このドレンは、ドレン回収管２５に吸い込まれ、ドレン排出口２２２２から排出される。なお、ジャケット空間Ｓ１に供給された蒸気の一部は凝縮することなくドレン回収管２５に吸込まれ、ドレン排出口２２２２からドレンとともに排出される。

次に、濃縮装置２に接続した装置や機器について説明する。図１に示すように、被処理液供給管２３には、ポンプＰと熱交換器８を介して被処理液タンクＴ１が接続している。被処理液タンクＴ１には、濃縮装置２で濃縮される被処理液が貯留されている。熱交換器８には、コンデンサ４および蒸留液タンクＴ３も接続している。熱交換器８には、被処理液タンクＴ１から被処理液が供給されるとともに、後述するようにコンデンサ４で生じた蒸留液が供給される。熱交換器８では、被処理液と蒸留液との間で熱交換がなされ、被処理液が温度上昇し、蒸留液が温度低下する。温度上昇した被処理液は被処理液供給管２３に供給され、温度低下した蒸留液は蒸留液タンクＴ３に回収される。このように、本実施形態の濃縮システム１０では、蒸留液の熱を利用して被処理液の温度を上昇させ、濃縮装置２における、溶媒成分の蒸発を促進する態様を採用している。

濃縮液回収管２４には、ポンプＰを介して濃縮液タンクＴ２が接続している。濃縮液は、ポンプＰの作用によって濃縮液回収管２４に吸い込まれ、濃縮液タンクＴ２に回収される。

コンデンサ４は、溶媒蒸気受入口４１、蒸留液排出口４２、冷却水供給口４３、冷却水排出口４４および排気口４５を有している。濃縮装置２の排気部２１１は、コンデンサ４の溶媒蒸気受入口４１に接続し、排気部２１１から排出された溶媒蒸気が溶媒蒸気受入口４１からコンデンサ４に受け入れられる。コンデンサ４に受け入れられた溶媒蒸気は、冷却水供給口４３から供給された冷却水によって冷却される。冷却された溶媒蒸気は凝縮し、蒸留液となって蒸留液排出口４２から排出される。蒸留液排出口４２から排出された蒸留液は、ポンプＰによって熱交換器８に供給され、前述したように、熱交換器８において被処理液と熱交換した後、蒸留液タンクＴ３に回収される。また、排気口４５には真空ポンプＶＰ１が接続され、この真空ポンプＶＰ１を駆動することで、溶媒蒸気を濃縮装置２からコンデンサ４まで吸引するとともに、濃縮装置２のケーシング２１内の空気を排出してケーシング２１内を真空状態にする。これにより、被処理液における溶媒成分の沸点が下がり、蒸発面２２１ａを流れる被処理液から溶媒が蒸発しやすくなる。

ヒートポンプ５は、吸熱用熱交換器５１、放熱用熱交換器５２、コンプレッサ５３、膨張弁５４を備えている。本実施形態のヒートポンプ５では、冷媒として二酸化炭素を用いており、この冷媒が、吸熱用熱交換器５１からコンプレッサ５３を通って放熱用熱交換器５２に流れ、放熱用熱交換器５２から膨張弁５４を通って吸熱用熱交換器５１に流れる。

コンデンサ４と吸熱用熱交換器５１は、ポンプＰを有する第１循環流路６１によって結ばれており、この第１循環流路６１は、冷却水がコンデンサ４と吸熱用熱交換器５１とを循環する流路になる。また、第１循環流路６１には、コンデンサ４から吸熱用熱交換器５１に供給する冷却水を一時的に貯留するクッションタンク７２が配置されている。クッションタンク７２には、電気ヒータ、ボイラからの加熱蒸気配管、あるいは熱を発生する機器から廃熱を回収した廃水を通過させる廃熱回収配管等が設けられている。後述するように、濃縮システム１０の駆動開始時等に、この電気ヒータ等によってクッションタンク７２内に貯留された冷却水を所定温度に加熱する。なお、クッションタンク７２に代えて、第１循環流路６１の配管に電気ヒータをリボン状に直接巻き付けて、第１循環流路６１を流れる冷却水を加熱する態様としてもよい。また、熱を発生する機器から廃熱を回収した廃水をタンクに貯留し、この廃水と冷却水とを熱交換器によって熱交換させる態様としてもよい。

前述したように、コンデンサ４において溶媒蒸気から熱を回収することで、例えば２０℃程度に温度上昇した冷却水は、冷却水排出口４４から排出されてクッションタンク７２を介して吸熱用熱交換器５１に供給される。吸熱用熱交換器５１では、溶媒蒸気から回収した熱が冷却水から吸熱され、冷媒に回収される。吸熱用熱交換器５１において吸熱されることによって、例えば１５℃程度に温度低下した冷却水は、冷却水供給口４３からコンデンサ４に供給され、溶媒蒸気の冷却に用いられる。すなわち、冷却水は、本発明における第１熱媒体の一例に相当する。一方、吸熱用熱交換器５１において、冷却水から熱を回収した冷媒は、コンプレッサ５３によって圧縮されることで高圧高温のガスになり、放熱用熱交換器５２に流れる。

次いで、蒸発器３、および蒸発器３と放熱用熱交換器５２を結ぶ第２循環流路６２について説明する。蒸発器３は、ドレン受入口３１、蒸気排出口３２、加熱水供給口３３および加熱水排出口３４を有している。第２循環流路６２は、放熱用熱交換器５２から蒸発器３の加熱水供給口３３に接続し、加熱水排出口３４からポンプＰを介して放熱用熱交換器５２に接続している。第２循環流路６２は、加熱水が放熱用熱交換器５２と蒸発器３とを循環する流路になる。この加熱水は、本発明における第２熱媒体の一例に相当する。放熱用熱交換器５２に供給された、例えば８０℃程度の加熱水は、冷媒から熱を回収することで、例えば９０℃程度に温度上昇し、温度上昇した加熱水が、加熱水供給口３３から蒸発器３に受け入れられる。

図２（ｂ）は、図１に示す蒸発器の内部構造を模式的に示す図である。

図２（ｂ）に示すように、蒸発器３の内部には、加熱部材３５が配置されている。加熱部材３５は、上下一対の管板３５２と、上下方向に延在した複数の伝熱管３５１を有するものである。複数の伝熱管３５１それぞれは、上端部分が、上側の管板３５２に設けられた孔３５２ａに挿通され、下端部分が、下側の管板３５２に設けられた孔３５２ａに挿通された状態で、横方向に所定の間隔をあけて配置されている。複数の伝熱管３５１の管内部Ｓ２にはドレン受入口３１から受入れられたドレンが流入し、胴側Ｓ３（伝熱管３５１の外面側）には、伝熱管３５１の下部側にある加熱水供給口３３から加熱水が供給され、伝熱管３５１の上部側にある加熱水排出口３４から排出される。胴側Ｓ３は、図２（ｂ）にドットにより示した様に、加熱水によりほぼ満たされた状態になる。ドレン受入口３１から蒸発器３に受け入れられた例えば８０℃程度のドレンは、各伝熱管３５１の下端から管内部Ｓ２に流入する。伝熱管３５１の管内部Ｓ２に流入したドレンは、胴側Ｓ３を流れる加熱水によって加熱され蒸発する。これによって、蒸発器３に受け入れられたドレンは、主に伝熱管３５１の管内部Ｓ２で蒸気となる。本実施形態では、この蒸気が生成される、伝熱管３５１の管内部Ｓ２と胴側Ｓ３を併せた領域（蒸発器３内における、上下一対の管板３５２において仕切られた領域）が、本発明における生成空間の一例に相当し、以下、生成空間Ｓ４と称することがある。なお、ドレンの沸点が８０℃〜９０℃程度になるように、蒸発器３内は、真空ポンプＶＰ２によって減圧されている。真空ポンプＶＰ２による減圧についての詳しい説明は後述する。また、胴側Ｓ３は、生成空間Ｓ４内に別途設けられた、加熱水が通過する経路であり、本発明における通過経路の一例に相当する。このように、蒸発器３では、胴側Ｓ３を流れる加熱水によってドレンが加熱されることで蒸気が生成される。このため、特許文献１に記載の濃縮システムのように、ドレンを水タンク内に噴霧することで蒸気を生成するような態様と異なり、液滴を生じさせずに蒸気を生成することができる。また、放熱用熱交換器５２に供給される加熱水は、第２循環流路６２および胴側Ｓ３からなる閉じた経路を循環する。このため、加熱水にダスト等の汚れが混入しにくく、ドレンを放熱用熱交換器５２に直接供給する態様と比べ、放熱用熱交換器５２が汚れることを防ぐことができる。一方で、ドレンが接する蒸発器３は、伝熱管３５１という清掃が容易な構成をとることが可能となり、システムとしてのメンテナンス性に優れる。

この蒸発器３は、図１に示すように、第３循環流路６３によって濃縮装置２と結ばれている。第３循環流路６３は、蒸発器３の蒸気排出口３２と、濃縮装置２の蒸気供給口２２２１を接続し、濃縮装置２のドレン排出口２２２２と、蒸発器３のドレン受入口３１を、セパレータ７１、電磁弁ＳＶおよびポンプＰを介して接続している。また、セパレータ７１には、排気流路を介して真空ポンプＶＰ２が接続している。真空ポンプＶＰ２を駆動すると、蒸発器３の生成空間Ｓ４で生成された蒸気が蒸気排出口３２から排出され、排出された蒸気が蒸気供給口２２２１からジャケット空間Ｓ１内に供給される。また、蒸発器３の生成空間Ｓ４からジャケット空間Ｓ１の領域が減圧される。これにより、生成空間Ｓ４内においてドレンの沸点が下がることにより蒸気が生成されやすくなる。さらに、前述したように、蒸発器３では液滴が生じにくいため、蒸発板２２１に液滴が付着することで蒸発面２２１ａへの伝熱効率が低下するという不都合や、蒸発板２２１に液滴が付着して蒸発板２２１が高速回転する際の回転のバランスを崩してしまうといった不都合も生じにくい。

ジャケット空間Ｓ１で蒸気が凝縮することによって得られたドレンと、ジャケット空間Ｓ１で凝縮しなかった蒸気は、ドレン排出口２２２２から一緒に排出された後、セパレータ７１においてドレンと、第３循環流路６３の外部から漏れ込む空気が分離される。セパレータ７１で分離された空気は、真空ポンプＶＰ２によって排気される。一方、ドレンは、ポンプＰによって、ドレン受入口３１から蒸発器３内に受け入れられ、前述したように、溶媒蒸気の熱を回収した加熱水によって加熱されることで蒸気が生成される。このように、溶媒蒸気の熱とドレンの熱を利用して蒸気を生成することで、熱効率の向上を図ることができる。

次いで、濃縮システム１０の作動状態の一例について説明する。まず、コンデンサ４に接続された真空ポンプＶＰ１を駆動し、濃縮装置２のケーシング２１内の空気を排出してケーシング２１内を真空状態にする。次いで、モータＭおよび第１循環流路６１のポンプＰを駆動し、冷却水を第１循環流路６１に循環させるとともに、クッションタンク７２に配置されたヒータ等を駆動させることでクッションタンク７２内に貯留された冷却水を加熱する。これにより、濃縮システム１０の起動時においては、クッションタンク７２内の加熱された冷却水が、吸熱用熱交換器５１に供給されるためシステムが定常状態に至るまでの時間の短縮が可能となる。次に、第２循環流路６２のポンプＰを駆動し、加熱水を第２循環流路６２に循環させるとともに、ヒートポンプ５を駆動させる。これにより、吸熱用熱交換器５１から回収された熱が放熱用熱交換器５２において加熱水に回収されることで、蒸発器３内のドレンが加熱され、例えば９０℃程度まで温度上昇する。また、セパレータ７１に接続した真空ポンプＶＰ２を駆動させ、蒸発器３の生成空間Ｓ４からジャケット空間Ｓ１の領域を減圧する。これにより、生成空間Ｓ４内においてドレンの沸点が下がり、蒸発器３の生成空間Ｓ４でドレンの蒸発が盛んに始まる。生成空間Ｓ４で生成された蒸気は、蒸気排出口３２から排出され、排出された蒸気が蒸気供給口２２２１からジャケット空間Ｓ１内に供給される。

蒸気がジャケット空間Ｓ１内に供給され始めた後、被処理液タンクＴ１に接続されたポンプＰ、および濃縮液タンクＴ２に接続されたポンプＰを駆動する。これらにより、蒸発板２２１が蒸気によって加熱された状態で回転し、被処理液供給管２３から蒸発板２２１の回転中心側に向けて被処理液が吐出する。吐出した被処理液は、蒸発面２２１ａを外側に向かって液膜状に流れる間に溶媒成分が蒸発し、蒸発した溶媒蒸気は、排気部２１１から排気される。堰部２２３に堰止められた濃縮液は、接続部２２１３に開口した濃縮液回収管２４に吸い込まれ、濃縮液タンクＴ２に回収される。

次に、図１および図２（ａ）に示す濃縮システム１０における濃縮装置の変形例について説明する。

図３（ａ）は、濃縮装置の第１変形例を模式的に示す図である。第１変形例では、図１および図２（ａ）に示す遠心式の濃縮装置２に代えて、液膜上昇式の濃縮装置２’を採用している。

図３（ａ）に示すように、濃縮装置２’は、加熱缶２６、蒸発缶２７、吹込管２８１および導管２８２を有するものである。加熱缶２６は、中空円柱状のケーシング２６１と、ケーシング２６１に設けられた、蒸気供給口２６１１およびドレン排出口２６１２と、ケーシング２６１内に収容された複数の第２伝熱管２６２を有している。複数の第２伝熱管２６２それぞれは、上下方向に延在した状態で配置されている。蒸発缶２７は、下部側部分が逆円錐状に形成された中空円柱状のものであり、下端部分に流出口２７１が設けられ、上端側部分に排気部２７２が設けられている。吹込管２８１は、加熱缶２６の上端側部分と蒸発缶２７とを接続するものであり、第２伝熱管２６２から、吹込管２８１を介して蒸発缶２７内が連通した状態になっている。また、吹込管２８１は、蒸発缶２７の接線方向に向けて蒸発缶２７に接続されている。導管２８２は、蒸発缶２７の流出口２７１と加熱缶２６の下端側部分とを接続するものであり、蒸発缶２７内から、導管２８２を介して第２伝熱管２６２が連通した状態になっている。また、導管２８２には、濃縮液排出口２８２１が設けられている。蒸発缶２７には、被処理液供給管２７３が接続されている。この被処理液供給管２７３の上流側部分は、不図示の電磁弁を介して被処理液タンクＴ１（図１参照）に接続されている。

第１変形例の濃縮装置２’では、被処理液を、被処理液供給管２７３から蒸発缶２７内に供給すると、供給された被処理液は、流出口２７１から導管２８２を通って第２伝熱管２６２に流れ込む。加熱缶２６内には、蒸発器３（図１参照）で生成された蒸気が蒸気供給口２６１１から供給されており、この蒸気によって第２伝熱管２６２が加熱され、第２伝熱管２６２の管内面２６２ａに接触している被処理液から溶媒成分が蒸発する。すなわち、第２伝熱管２６２の管内面２６２ａが、本発明における蒸発面の一例に相当する。溶媒成分が蒸発して濃縮された濃縮液は、第２伝熱管２６２内を上昇する溶媒蒸気によって引き上げられ、濃縮液と溶媒蒸気は、吹込管２８１を流れて蒸発缶２７内に吹き込まれる。蒸発缶２７内に吹き込まれた、濃縮液と溶媒蒸気は、蒸発缶２７内で旋回し、これによって濃縮液と溶媒蒸気が分離される。分離された溶媒蒸気は、排気部２７２から排出され、コンデンサ４（図１参照）に受け入れられる。分離された濃縮液は、被処理液供給管２７３から供給された被処理液と混ざり合い、導管２８２を流れて加熱缶２６に供給される。このような操作を繰り返し、濃縮液が所望の濃度になった時点で不図示の電磁弁を開放することで、濃縮液排出口２８２１から濃縮液を排出し、濃縮液タンクＴ２（図１参照）に回収する。一方、加熱缶２６内に供給された蒸気は、第２伝熱管２６２を加熱することで凝縮しドレンが生じるとともに、蒸気の一部は凝縮することなく蒸気の状態が維持される。これらドレンと蒸気は、ドレン排出口２６１２から排出される。

図３（ｂ）は、濃縮装置の第２変形例を模式的に示す図である。第２変形例では、流下式の濃縮装置２’’を採用している。

図３（ｂ）に示すように、濃縮装置２’’は、ケーシング２９と、このケーシング２９内に設けられた、加熱器２９１、蒸発板２９２、濃縮液貯留槽２９３および被処理液ノズル２９４を有している。ケーシング２９には、蒸気供給口２９５、ドレン排出口２９６、濃縮液排出口２９７および排気部２９８が設けられている。

加熱器２９１は、内部に蒸気を流すことができる平面視矩形状の部材であり、この加熱器２９１の上面に蒸発板２９２が重ねた状態で設けられている。また、加熱器２９１および蒸発板２９２は、蒸発板２９２の上面２９２ａが、図３（ｂ）では、右から左に向かうに従い下方に傾斜する姿勢で配置されている。以下、加熱器２９１および蒸発板２９２における、上方に位置する端部側を上流側と称し、下方に位置する端部側を下流側と称することがある。蒸発板２９２における上流側の端部の上方には、被処理液ノズル２９４が配置されている。また、蒸発板２９２における下流側の端部付近には、濃縮液貯留槽２９３が配置されている。濃縮液貯留槽２９３は、濃縮液排出口２９７に接続されている。加熱器２９１における上流側の端部には、蒸気供給口２９５が接続され、加熱器２９１における下流側の端部には、ドレン排出口２９６が接続されている。

第２変形例の濃縮装置２’’では、蒸気供給口２９５から取り入れた蒸気を加熱器２９１に供給することで蒸発板２９２を加熱し、加熱された蒸発板２９２の上面２９２ａに被処理液ノズル２９４から被処理液を供給する。供給された被処理液は、加熱された蒸発板２９２の上面２９２ａに接触しながら流下することで、溶媒成分が蒸発する。すなわち、蒸発板２９２の上面２９２ａは、本発明における蒸発面の一例に相当する。溶媒成分が蒸発して濃縮された濃縮液は、濃縮液貯留槽２９３に収容された後、濃縮液排出口２９７から排出され、濃縮液タンクＴ２（図１参照）に回収される。なお、濃縮液貯留槽２９３に収容された濃縮液を、再び蒸発板２９２の上面２９２ａに噴霧する循環構造を設けてもよい。被処理液から蒸発した溶媒蒸気は、排気部２９８から排出され、コンデンサ４（図１参照）に受け入れられる。一方、加熱器２９１内に供給された蒸気は、蒸発板２９２を加熱することで凝縮しドレンが生じるとともに、蒸気の一部は凝縮することなく蒸気の状態が維持される。これらドレンと蒸気は、ドレン排出口２９６から排出される。

次に、本発明の濃縮システムの第２実施形態について説明する。第２実施形態の説明では、図１および図２に示す、濃縮システムの第１実施形態との相違点を中心に説明し、これまで説明した構成要素の名称と同じ名称の構成要素には、これまで用いた符号を付して説明し、重複する説明は省略することがある。

図４は、本発明の濃縮システムにおける第２実施形態を示す系統図である。

図４に示すように、第２実施形態の濃縮システム１１は、第３循環流路６３における、蒸発器３と濃縮装置２との間に、圧縮機９が設けられている。本実施形態では、圧縮機９にルーツ式の圧縮機を採用している。この圧縮機９により蒸発器３内が減圧され、例えばドレンの沸点が８０℃程度になるように圧力が調整される。蒸発器３の蒸気排出口３２から圧縮機９に供給された、例えば８０℃程度の蒸気は、圧縮機９において圧縮されることにより例えば１００℃程度に温度上昇し、この温度上昇した蒸気が蒸気供給口２２２１からジャケット空間Ｓ１に供給される。これにより、蒸発面２２１ａがより高い温度に加熱され、蒸発面２２１ａを流れる被処理液からより効率的に溶媒成分を蒸発させることができる。

また、本実施形態では、第３循環流路６３における、圧縮機９と濃縮装置２との間に補助蒸気供給管６３１が接続されている。この補助蒸気供給管６３１は、第１実施形態の濃縮システム１０におけるクッションタンク７２に代えて設けられたものであるが、クッションタンク７２と併設してもかまわない。本実施形態では、濃縮システム１１の駆動開始時に、工場内の他の装置等で生じた余剰蒸気等を補助蒸気供給管６３１から第３循環流路６３に供給するものであり、特に濃縮システム１１の起動時において積極的に第３循環流路６３に供給されることによりシステムが定常状態に至るまでの時間の短縮が可能となる。なお、第３循環流路６３には、補助蒸気供給管６３１から第３循環流路６３に供給された補助蒸気が圧縮機９側に逆流することを防ぐために逆止弁が設けられている。また、セパレータ７１には、レベルコントロールＬＣによって駆動制御されるポンプＰが接続されている。本実施形態では、補助蒸気供給管６３１から供給される蒸気量の分、第３循環流路６３を循環する液量（水量）が増加してしまう。このため、セパレータ７１に貯留されたドレンが所定量以上になったことをレベルコントロールＬＣが検知すると、ポンプＰを駆動させドレンを排水するものである。さらに、セパレータ７１に接続された真空ポンプＶＰ２は、圧縮機９からセパレータ７１にかけての経路が大気圧より高い圧力に維持されるなら省略することも可能であり、また、前述のレベルコントロールＬＣとこれに連動するポンプＰの代わりに、セパレータ７１のドレンを排出する構成として単なる排水用のバルブを開閉したり、あるいはセパレータ７１にオーバーフロー口を設ける構成でもよい。ジャケット空間Ｓ１で蒸気が凝縮することで得られたドレンと、凝縮することなく状態が維持された蒸気は、ドレン排出口２２２２から排出され、セパレータ７１によってドレンと外部から漏れ込む空気が分離される。分離された空気は、真空ポンプＶＰ２から排気され、分離されたドレンは、ポンプＰによって蒸発器３に供給される。また、本実施形態では、コンデンサ４の蒸留液排出口４２に蒸留液排出ポンプＰ１が接続されており、蒸留液排出口４２から排出された蒸留液は、蒸留液排出ポンプＰ１によって蒸留液タンクＴ３に回収される。

以上説明した濃縮システム１０，１１によれば、熱効率の向上を図りつつ、蒸発面への伝熱効率の低下と放熱用熱交換器の汚れを防ぐことができる。

本発明は前述の実施の形態に限られることなく特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変更を行うことができる。例えば、前述の実施形態では、第１循環流路６１および第２循環流路６２を流れる熱媒体として液体を用いているが、いずれか一方の熱媒体に気体を用いてもよいし、あるいは、第１循環流路６１と第２循環流路６２の両方に流れる熱媒体に気体、例えば空気を用いてもよい。この場合、第１循環流路６１や第２循環流路６２にはファンまたはブロワを用いて気体の吸引吐出を行う。また、第１循環流路６１のクッションタンク７２と当該タンクに貯留する冷却水の代わりに、例えば、電気ヒータを内蔵した容器体を第１循環流路６１に設け、当該容器体内で空気を加熱してからファンまたはブロワを用いて吸熱用熱交換器５１に供給する態様を採用してもよい。あるいは、濃縮システム１０以外から常時高温の空気が得られるならば、当該高温空気を適宜除塵等してから吸熱用熱交換器５１に供給し、吸熱用熱交換器５１で冷却し、その後コンデンサ４に供給してコンデンサ４から排出された後は、循環させずに大気に放出する態様としてもよい。

なお、以上説明した各実施形態や各変形例の記載それぞれにのみ含まれている構成要件であっても、その構成要件を、他の実施形態や他の変形例に適用してもよい。

１０，１１ 濃縮システム
２ 濃縮装置
２１ ケーシング
２２１ 蒸発板
２２１ａ 蒸発面
３ 蒸発器
３５ 加熱部材
４ コンデンサ
５ ヒートポンプ
５１ 吸熱用熱交換器
５２ 放熱用熱交換器
６１ 第１循環流路
６２ 第２循環流路
６３ 第３循環流路
９ 圧縮機
Ｓ１ ジャケット空間
Ｓ２ 管内部
Ｓ３ 胴側
Ｓ４ 生成空間
ＶＰ１，ＶＰ２ 真空ポンプ

Claims (4)

1. 蒸気によって加熱される蒸発面を有し該蒸発面に被処理液を接触させることにより溶媒成分を蒸発させ該被処理液を濃縮する濃縮装置と、
   前記被処理液から蒸発した溶媒を冷却するコンデンサと、
   前記蒸気が前記濃縮装置内で凝縮することで得られるドレンが供給され、供給されたドレンを加熱して該蒸気を生成する蒸発器と、
   吸熱用熱交換器および放熱用熱交換器を有するヒートポンプと、
   前記コンデンサにおいて前記溶媒と熱交換することによって温度上昇した第１熱媒体の流路であって、前記コンデンサと前記吸熱用熱交換器を結んだ第１循環流路と、
   前記放熱用熱交換器において温度上昇した第２熱媒体の流路であって、該放熱用熱交換器と前記蒸発器を結んだ第２循環流路とを備え、
   前記蒸発器は、供給されたドレンから前記蒸気を生成する生成空間内に、前記第２熱媒体が通過する通過経路が別途設けられ、該通過経路を通過する第２熱媒体によって該生成空間内のドレンを加熱するものであることを特徴とする濃縮システム。
2. 前記濃縮装置は、前記蒸発面が回転するものであり、該蒸発面の回転中心側に向けて前記被処理液が供給され、供給された前記被処理液が、該蒸発面の回転による遠心力によって外側に向かって液膜状に流れるものであることを特徴とする請求項１記載の濃縮システム。
3. 前記生成空間から、前記蒸気を前記蒸発面に供給するまでの空間を減圧する減圧手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の濃縮システム。
4. 前記蒸発器で生成された蒸気を、前記蒸発面に供給される前に圧縮する圧縮機を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の濃縮システム。