JP6692058B2 - 海水淡水化装置および海水淡水化方法 - Google Patents
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Description
第2熱交換器と、
海水を前記第1熱交換器へ供給するとともに、更に、前記第1熱交換器から前記第2熱交換器へ供給する海水供給手段と、
前記第2熱交換器より流出した、前記海水から蒸発した蒸気に混入した水滴を分離する水滴分離手段と、
水滴を分離した蒸気の一部を加圧することで加圧蒸気を発生させる蒸気再圧縮機と、
前記第2熱交換器より流出した、前記海水から蒸発した前記蒸気を前記水滴分離手段を通過させ、通過することで前記水滴が分離された前記蒸気の一部を加圧することで発生した加圧蒸気を前記第2熱交換器に供給すると共に、前記水滴が分離された前記蒸気の残りを流動ガスとして前記第2熱交換器に供給する蒸気供給手段と、
前記第2熱交換器より、前記海水が濃縮された後の濃縮液、又は、前記海水より析出した塩、或いは、前記濃縮液及び前記塩の両方を外部へ排出する第1排出手段と、
前記第2熱交換器より、前記加圧蒸気が凝縮した後の淡水を外部へ排出する第2排出手段と、を備え、
前記蒸気再圧縮機は、前記蒸気を圧縮することで熱量を増加させ、この増加した熱量によって海水の蒸発を可能にするものであり、
前記第1熱交換器は、淡水化させる対象となる前記海水の顕熱熱量と、前記加圧蒸気が凝縮した後の淡水の顕熱熱量、及び前記海水が濃縮された後の前記濃縮液の顕熱熱量とを交換するものであり、
第2熱交換器は、加圧蒸気の熱量と、海水の蒸発潜熱熱量、及び海水から蒸発した蒸気の顕熱熱量とを交換し、且つ、海水を濃縮するものであり、更に、固相、気相、液相が流動する流動層である三相流動層による熱交換がされる金属製の三相流動層熱交換器を備える、海水を淡水化する海水淡水化装置。
前記第2熱交換器より流出した、前記海水から蒸発した蒸気に混入した水滴を分離する水滴分離工程と、
前記水滴を分離した前記蒸気の一部を加圧することで加圧蒸気を発生させる加圧蒸気発生工程と、
前記第2熱交換器より流出した、前記海水から蒸発した蒸気に混入した水滴を分離した蒸気の一部を加圧することで発生した前記加圧蒸気を前記第2熱交換器に供給すると共に、前記水滴が分離された前記蒸気の残りを流動ガスとして前記第2熱交換器に供給する蒸気供給工程と、
前記第2熱交換器より、前記海水が濃縮された後の濃縮液、又は、前記海水より析出した塩、或いは、前記濃縮液及び前記塩の両方を外部へ排出する第1排出工程と、
前記第2熱交換器より、前記加圧蒸気が凝縮した後の淡水を外部へ排出する第2排出工程と、
淡水化させる対象となる前記海水の顕熱熱量と、前記加圧蒸気が凝縮した後の前記淡水の顕熱熱量、及び前記海水が濃縮された後の前記濃縮液の顕熱熱量とを交換する、第1熱交換工程と、
前記加圧蒸気の熱量と、前記海水の蒸発潜熱熱量、及び前記海水から蒸発した前記蒸気の顕熱熱量とを交換し、且つ、前記海水を濃縮する、第2熱交換工程と、を有し、
前記第2熱交換工程において、固相、気相、液相が流動する流動層である三相流動層による熱交換がされる金属製の三相流動層熱交換器を備える第2熱交換器を用いる、海水を淡水化する海水淡水化方法。
本発明における海水淡水化装置は、概ね、蒸気再圧縮機、第1熱交換器、第2熱交換器、海水供給手段、蒸気供給手段、第1排出手段、第2排出手段、水滴分離手段とから構成され、海水を淡水化する海水淡水化装置である。上記「蒸気再圧縮機」は、蒸気を加圧した加圧蒸気を発生可能である。上記「第1熱交換器」は、淡水化させる対象となる海水の液体顕熱の熱量と、加圧蒸気が凝縮した後の液体の顕熱の熱量と、海水が濃縮された後の濃縮液の顕熱の熱量とを交換可能である。上記「第2熱交換器」は、加圧蒸気の熱量と、海水の蒸発潜熱の熱量、及び海水から蒸発した蒸気顕熱の熱量とを交換可能であり、且つ、海水を濃縮可能である。上記「海水供給手段」は、海水を第1熱交換器へ供給するとともに、更に、第1熱交換器から第2熱交換器へ供給する手段である。上記「蒸気供給手段」は、海水から蒸発した蒸気を第2熱交換器に供給する手段である。上記「第1排出手段」は、海水を濃縮した海水濃縮液、又は、海水より析出した塩、或いは、海水濃縮液及び塩の両方を外部へ排出する手段である。上記「第2排出手段」は、海水より分離した淡水を外部へ排出する手段である。上記「水滴分離手段」は、第2熱交換器より流出した、海水より蒸発した蒸気中に混入した水滴を分離する手段である。
本発明における蒸気再圧縮機(圧縮機)は、蒸気を加圧して加圧蒸気を発生させるものである。すなわち、蒸気再圧縮機は、海水淡水化装置の経路内に供給された蒸気を再圧縮するために用いられる。このような蒸気再圧縮機としては、たとえば、コンプレッサーや蒸気圧縮ブロワ等を挙げることができる。ただし、これらの構成に限定されるものではない。
本発明における「熱交換器」は、第1熱交換器及び第2熱交換器から構成され、当該「熱交換器」は、加圧蒸気の熱量と、淡水化させるための海水の熱量とを交換可能である。すなわち、海水淡水化装置への「原液である海水の供給」から、海水淡水化装置からの「濃縮した海水濃縮液」、又は、「海水より析出した塩」、或いは、「海水濃縮液及び塩の両方」及び「加圧蒸気が凝縮した後の液体」の排出までの経路における、「加圧蒸気の熱量」と「淡水化させるための海水」の各段階の熱量とを交換するために、上記「熱交換器」は、設けられている。
本発明における「第1熱交換器」は、淡水化させる対象となる海水の液体顕熱の熱量と、加圧蒸気が凝縮した後の液体の顕熱の熱量、及び海水が濃縮された後の濃縮液の顕熱の両方の熱量とを交換可能に構成されている。すなわち、海水淡水化装置への「淡水化させる対象となる海水の供給」から、海水淡水化装置から「海水を濃縮した海水濃縮液」、又は、「海水より析出した塩」の排出までの経路、或いは、「海水濃縮液及び塩の両方」、及び「加圧蒸気が凝縮した後の液体」の排出までの経路における、「淡水化させる対象となる海水の液体顕熱の熱量」と、「加圧蒸気が凝縮した後の液体の顕熱の熱量」と、「海水が濃縮された後の濃縮液、析出物の顕熱の熱量」の各段階の顕熱とを交換するために設けられる。
本発明における「第2熱交換器」は、加圧蒸気の熱量と、海水の蒸発潜熱の熱量、及び海水から蒸発した蒸気顕熱の熱量とを交換可能であり、且つ、前記海水を濃縮可能である。このように「第2熱交換器」が構成されることにより、上記「第1熱交換器」と合わせて、淡水化させる対象となる海水を濃縮させて、「海水を濃縮した海水濃縮液」、又は、「海水より析出した塩」、或いは、「海水濃縮液及び塩の両方」を外部へ排出するまでの過程において、生じる熱(熱量)の全てを熱交換することができる。そのため、高効率の熱交換操作を実現できる。さらに、淡水化させる対象となる海水を濃縮させて、「海水を濃縮した海水濃縮液」、又は、「海水より析出した塩」、或いは、「海水濃縮液及び塩の両方」、及び「加圧蒸気が凝縮した後の液体」を外部へ排出するまでの過程において、生じる熱(熱量)の全てを熱交換することができると、蒸気圧縮機の動力のみで熱交換に必要な温度差分のエネルギーを賄うことが可能となる。そのため、本発明の海水淡水化装置においては、加熱操作を一切使用しないことが可能となる。
さらに、上記「海水淡水化装置」では、海水を第1熱交換器へ供給するとともに、更に、第1熱交換器から第2熱交換器へ供給する海水供給手段を備えている。さらに、上記「海水淡水化装置」では、海水から蒸発した蒸気を第2熱交換器に供給する蒸気供給手段を備えている。このように構成されることにより、効率よく原料となる海水の供給、及び蒸気の供給を行える。そのため、海水の淡水化、海水の濃縮化、塩の析出化等を行える。
上記「海水供給手段」は、例えば、「原液」である「海水」を、「海水淡水化装置」の供給口となる、「海水吸入口」から取り込んだ海水を一時的に貯蔵するための「原液タンク17a」、海水を「海水淡水化装置」内へ送り込む(液送する)ためのポンプP、海水供給管等から構成される。ただし、これらの構成に限定されるものではない。
上記「蒸気供給手段」には、たとえば蒸気圧縮ブロワ、蒸気供給ポンプ、蒸気用コンプレッサー等が含まれる。蒸気供給手段を用いて第2熱交換器内に、海水から蒸発した蒸気を供給することで、効率よく熱交換を行うことが可能となる。
上記「海水淡水化装置」においては、「海水を濃縮した海水濃縮液」、又は、「海水より析出した塩」、或いは、「海水濃縮液及び塩の両方」を外部へ排出する、第1排出手段を備えている。さらに、海水より分離した淡水を外部へ排出する第2排出手段を備えている。このように構成されることにより、効率良く「海水を濃縮した海水濃縮液」、又は、「海水より析出した塩」、或いは、「海水濃縮液及び塩の両方」を外部へ排出することができるだけでなく、海水より分離した淡水を外部へ排出することができる。
上記「第1排出手段」は、たとえば、排出管、回収した「海水濃縮液」、「海水より析出した塩」等を貯蔵するタンク、ポンプ等を挙げることができる。さらに、上記「第1排出手段21」は、第1排出管とは、別の排出管を設けて、「海水濃縮液」、または「海水より析出した塩」を、別々に外部に排出してもよい。
上記「第2排出手段」は、たとえば、第2排出管、「海水より分離した淡水」を液送させるためのモータ及びポンプ、淡水回収タンク等の構成を挙げることができる。
上記「海水淡水化装置」においては、上記「第2熱交換器」より流出した、海水より蒸発した蒸気中に混入した水滴を分離する、「水滴分離手段」が設けられている。このように構成されることにより、効率良く、上記「第2熱交換器」より流出した、海水より蒸発した蒸気中に混入した「水滴」を分離することができる。そのため、海水より蒸発した蒸気中に混入した「水滴」を除去することにより、蒸気再圧縮器を安定的に、かつ所定の能力を発揮して運転することが可能となる。
本発明における海水淡水化装置では、三相流動層7内に、海水を供給するものである。原液供給装置としては、三相流動層7内の上部に設置されている二流体ノズルの他、加圧ノズル、加圧二流体ノズル等を挙げることができる。この他の海水供給装置としては、滴下式の供給管、滴下ノズル、流動層の内部に強制的に送液する送液管などを挙げることが出来る。
本発明における海水淡水化方法は、概ね、加圧蒸気発生工程、第1熱交換工程、第2熱交換工程を有し、さらに、海水供給工程、蒸気供給工程、第1排出工程、及び水滴分離工程を有し、海水を淡水化する海水淡水化方法である。上記「加圧蒸気発生工程」は、蒸気を加圧した加圧蒸気を発生させる工程である。上記「第1熱交換工程」は、淡水化させる対象となる海水の液体顕熱の熱量と、加圧蒸気が凝縮した後の液体の顕熱の熱量と、海水が濃縮された後の濃縮液の顕熱の熱量とを交換する、工程である。上記「第2熱交換工程」は、加圧蒸気の熱量と、海水の蒸発潜熱の熱量、及び海水から蒸発した蒸気顕熱とを交換可能であり、且つ、海水を濃縮可能である、工程である。上記「海水供給工程」は、海水を第1熱交換工程へ供給するとともに、更に、第1熱交換工程から第2熱交換工程へ供給する、工程である。上記「蒸気供給工程」は、海水から蒸発した蒸気を第2熱交換工程に供給する、工程である。上記「第1排出工程」は、海水を濃縮した海水濃縮液、又は、前記海水より析出した塩、或いは、海水濃縮液及び塩の両方を外部へ排出する、工程である。上記「水滴分離工程」は、第2熱交換工程より流出した、海水より蒸発した蒸気中に混入した水滴を分離する、工程である。
これまで説明した本発明の海水淡水化装置及び海水淡水化方法についての、具体的態様について説明する。ただし、以下で説明する海水淡水化装置及び海水淡水化方法に限定されるものではない。
なお、海水淡水化を効率良く行うために、海水淡水化処理前に、海水淡水化装置の経路内に余熱を持たせることが好ましい。海水の淡水化を効率よく行えるためである。この余熱処理としては、たとえば、熱水を経路に循環させた後に経路を乾燥させておくことを挙げることができる。さらに、蒸気又は熱風を経路内に循環させておくことを挙げることができる。その他の例としては、装置の外部よりヒーターなどを巻き付けて加熱することなどを挙げることができる。ただし、これらの例に限定されるものではない。
図1に示されるように、蒸気再圧縮機3、第1熱交換器5、第2熱交換器7、原液供給手段、蒸気供給手段、第1排出手段21、第2排出手段23、水滴分離手段25を配置し、海水淡水化装置1を用意した。原液タンクに貯蔵した液を送液ポンプで第1熱交換器5、第2熱交換器7へと供給した。この際、送液する液温度は25℃に設定した。また、送液ポンプで第1熱交換器5へ、30kg/hの条件で海水を供給させた。第1熱交換器出口では原料の状態は91℃となった。次に、潜熱および蒸気顕熱を熱交換する第2熱交換器出口での蒸気の状態は、101℃、0.1MPaであった。そこで水滴分離手段(セパレーター)により蒸気と濃縮液とに分離し、その蒸気を蒸気再圧縮機で加圧し120℃、0.16MPaとした。加圧された蒸気を再び第2熱交換器7へ供給し、新たに供給されてくる海水と熱交換を行った。また、一部蒸気を分離して第2熱交換器7の流動ガスとして使用した。蒸気再圧縮機3から第2熱交換器7へ供給された蒸気は、第2熱交換器7にて蒸気顕熱および潜熱が熱交換され、第2熱交換器7の出口での状態は110℃であり、その後第1熱交換器5にて顕熱を熱交換され、淡水回収タンクに淡水が回収された。当初は第2熱交換器7における伝熱領域の伝熱面積が不足しており、良好な熱交換が行われなかったが、その後、好適な伝熱面積を選定し、良好な運転をすることが可能となった。その結果、18kg/hの流量で、設計通りの淡水を得ることが出来た。本条件において蒸気再圧縮に要したエネルギーは1.8kWであった。
図1に示されるような海水淡水化装置から、蒸気再圧縮機3、第1熱交換器5、第2熱交換器7、蒸気供給手段を除外し、海水淡水化容器を用意した。送液ポンプにて送液温度25℃、流量30kg/hの条件にて海水淡水化容器に海水を送液した。液の加熱方式としてはヒーターを使用し、蒸気の再圧縮熱交換および熱交換を行う以外は実施例1と同様の運転を行った。本条件にて運転し、18kg/hの流量で淡水を得た。運転に要するエネルギーを算出したところ、原料液の蒸発に要する熱量は13kWであった。
実施例1では、原料の蒸発にかかる熱量が比較例1より劇的に低く、省エネルギー効果が十分に発揮された結果となった。そのため、本発明の効果を裏づけるものとなった。また、伝熱面積を変更することにより、消費エネルギーを最小に留める条件を選定することが可能となった。一方、比較例1では、省エネルギー性が悪く熱効率が低い値となった。
図1に示されるように、蒸気再圧縮機3、第1熱交換器5、第2熱交換器7、原液供給手段、蒸気供給手段、第1排出手段21、第2排出手段23、水滴分離手段25を配置し、海水淡水化装置を用意した。原液タンクに貯蔵した飽和NaCl溶液を送液ポンプで第2熱交換器へと供給した。この際、送液する液温度は25℃に設定した。この状態で熱交換器を作動させ、第2熱交換器内にて飽和NaCl溶液を流動させた。飽和NaCl溶液中の水分が蒸発し、海水淡水化操作が進行している状態であっても、第2熱交換器内部の流動部分と接している熱交換器表面はNaClの析出が見られなかった。
図1に示されるような海水淡水化装置から、蒸気供給手段を除外した海水淡水化装置を用意した。原液タンクに貯蔵した飽和NaCl溶液を送液ポンプで第2熱交換器へと供給した。この際、送液する液温度は25℃に設定した。この状態で熱交換器を作動させ、第2熱交換器内にて飽和NaCl溶液より水分を蒸発させた。飽和NaCl溶液中の水分の蒸発が進行するに伴い、第2熱交換器内部の飽和NaCl溶液と接している熱交換器表面に、NaClが析出した。
実施例2では、第2熱交換器7の内部の飽和NaCl溶液が流動することにより、熱交換器表面のスケール析出が見られず、伝熱効率の低下が抑制された結果となった。そのため、本発明の効果を裏づけるものとなった。一方、比較例2では、熱交換器表面のスケーリングにより、省エネルギー性が悪く安定的な運転が出来ない状況となった。
Claims (6)
- 第1熱交換器と、
第2熱交換器と、
海水を前記第1熱交換器へ供給するとともに、更に、前記第1熱交換器から前記第2熱交換器へ供給する海水供給手段と、
前記第2熱交換器より流出した、前記海水から蒸発した蒸気に混入した水滴を分離する水滴分離手段と、
水滴を分離した蒸気の一部を加圧することで加圧蒸気を発生させる蒸気再圧縮機と、
前記第2熱交換器より流出した、前記海水から蒸発した前記蒸気を前記水滴分離手段を通過させ、通過することで前記水滴が分離された前記蒸気の一部を加圧することで発生した加圧蒸気を前記第2熱交換器に供給すると共に、前記水滴が分離された前記蒸気の残りを流動ガスとして前記第2熱交換器に供給する蒸気供給手段と、
前記第2熱交換器より、前記海水が濃縮された後の濃縮液、又は、前記海水より析出した塩、或いは、前記濃縮液及び前記塩の両方を外部へ排出する第1排出手段と、
前記第2熱交換器より、前記加圧蒸気が凝縮した後の淡水を外部へ排出する第2排出手段と、を備え、
前記蒸気再圧縮機は、前記蒸気を圧縮することで熱量を増加させ、この増加した熱量によって海水の蒸発を可能にするものであり、
前記第1熱交換器は、淡水化させる対象となる前記海水の顕熱熱量と、前記加圧蒸気が凝縮した後の淡水の顕熱熱量、及び前記海水が濃縮された後の前記濃縮液の顕熱熱量とを交換するものであり、
第2熱交換器は、加圧蒸気の熱量と、海水の蒸発潜熱熱量、及び海水から蒸発した蒸気の顕熱熱量とを交換し、且つ、海水を濃縮するものであり、更に、固相、気相、液相が流動する流動層である三相流動層による熱交換がされる金属製の三相流動層熱交換器を備える、海水を淡水化する海水淡水化装置。 - 前記蒸気再圧縮機により、海水淡水化に必要な全熱量を生成する請求項1に記載の海水淡水化装置。
- 前記第2熱交換器は、前記海水を淡水化させるための伝熱領域を備え、前記伝熱領域の伝熱面積は、変更可能に形成される請求項1又は2に記載の海水淡水化装置。
- 前記第2熱交換器の経路に、蒸気を循環させる循環ラインを備える蒸気循環手段を、更に備える請求項1〜3のいずれか1項に記載の海水淡水化装置。
- 海水を第1熱交換器へ供給するとともに、更に、前記第1熱交換器から第2熱交換器へ供給する海水供給工程と、
前記第2熱交換器より流出した、前記海水から蒸発した蒸気に混入した水滴を分離する水滴分離工程と、
前記水滴を分離した前記蒸気の一部を加圧することで加圧蒸気を発生させる加圧蒸気発生工程と、
前記第2熱交換器より流出した、前記海水から蒸発した蒸気に混入した水滴を分離した蒸気の一部を加圧することで発生した前記加圧蒸気を前記第2熱交換器に供給すると共に、前記水滴が分離された前記蒸気の残りを流動ガスとして前記第2熱交換器に供給する蒸気供給工程と、
前記第2熱交換器より、前記海水が濃縮された後の濃縮液、又は、前記海水より析出した塩、或いは、前記濃縮液及び前記塩の両方を外部へ排出する第1排出工程と、
前記第2熱交換器より、前記加圧蒸気が凝縮した後の淡水を外部へ排出する第2排出工程と、
淡水化させる対象となる前記海水の顕熱熱量と、前記加圧蒸気が凝縮した後の前記淡水の顕熱熱量、及び前記海水が濃縮された後の前記濃縮液の顕熱熱量とを交換する、第1熱交換工程と、
前記加圧蒸気の熱量と、前記海水の蒸発潜熱熱量、及び前記海水から蒸発した前記蒸気の顕熱熱量とを交換し、且つ、前記海水を濃縮する、第2熱交換工程と、を有し、
前記第2熱交換工程において、固相、気相、液相が流動する流動層である三相流動層による熱交換がされる金属製の三相流動層熱交換器を備える第2熱交換器を用いる、海水を淡水化する海水淡水化方法。 - 前記第2熱交換工程に蒸気を循環させる蒸気循環工程を有する請求項5に記載の海水淡水化方法。
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