JP2003225653A - 水溶液の低温濃縮法とこれを利用した海水淡水化法及び吸着式海水淡水化法 - Google Patents

水溶液の低温濃縮法とこれを利用した海水淡水化法及び吸着式海水淡水化法

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JP2003225653A
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condenser
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Hideji Yanagi
秀治 柳
Kazuyuki Iwase
和之 岩瀬
Masamitsu Ikeuchi
正充 池内
Original Assignee
Mayekawa Mfg Co Ltd
株式会社前川製作所
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    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124Water desalination

Abstract

(57)【要約】 【課題】 食品工業、薬品工業、汚泥処理、海水淡水化
などに必要とされている濃縮において、変質を起こす熱
処理を伴なうことのなく、エネルギ効率の高い水溶液の
低温濃縮法とこれを利用した海水淡水化法及び吸着式海
水淡水化法を提供する。 【構成】 本発明の水溶液の低温濃縮法を形成する水和
反応系ケミカルヒートポンプは、密閉容器の反応器10
と真空蒸発器11と密閉容器の凝縮器12とよりなり、
反応器10には水和反応性吸着剤10aを充填してあ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、反応器、蒸発器、
凝縮器を備えたケミカルヒートポンプの反応器に充填す
る吸着剤に水和反応性吸着剤を使用した水溶液の低温濃
縮法と該方法を利用した、海水淡水化方法及び吸着式海
水淡水化法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より工場廃液の減量化や、産業排水
からの原材料や副産物の回収、果汁からのエキスの取出
し、溶液に溶解している化学薬品の除去などには、それ
ぞれの目的に適合した濃縮手段が使用されている。
【0003】前記濃縮手段には、下記濃縮法が使用され
ている。 a、常圧蒸発濃縮法;通常の容器を使用し、加熱して水
分を蒸発させる。 b、減圧蒸発濃縮法;密閉容器を使用し、減圧下で水分
の蒸発効率を高める。 (多重効用缶の使用) c、凍結濃縮法;種々の物質が溶け込んだ水溶液を冷却
し、水を純粋な結晶として析出し、溶質と分離し、析出
した氷晶を洗浄後濃縮された溶液と分離する。 d、逆浸透圧法;半透膜を介して水溶液をその浸透圧以
上に加圧することで、水溶液側から膜を通して水を取り
出し、水溶液の濃縮を図る方法。
【0004】前記a及びb項記載の濃縮法は従来より果
汁など食品の濃縮に使用されてきたが、加熱処理のため
加熱・蒸発に伴い、品質の変化は避けることができず、
具体的には加熱臭の生成、芳香成分の分解や逸散、退色
や褐変及びビタミンCなどの栄養成分の減少が見られ、
果汁のように加熱による香味の減少や変質の起こりやす
い嗜好飲料、コーヒー、ワイン、ビール、食酢等の付加
価値の高い食品の分野では、加熱を伴わない後記する凍
結濃縮が使用されている。
【0005】前記c項記載の凍結濃縮法は、工場廃液の
減量化や食品、薬品の濃縮、天然調味料の濃縮に使用さ
れ下記特徴を持っている。 1、燃焼を伴わないので安全性が高い。 2、有害ガスや悪臭の発生が少ない。 3、省エネルギ的である。 4、風味や栄養分の破壊が極めて少ない。
【0006】また、前記逆浸透圧濃縮法は、半透膜を使
用したもので、粘度や浸透圧の面で濃縮限界があるが相
変化が無く品質向上が図れるという利点がある。
【0007】なお海水より淡水を得る淡水化システムと
しては、大きく分けて、多段蒸発法と逆浸透膜法があ
り、前者は真空室内にて海水を加熱し海水中の水分を蒸
発させ、該蒸気を凝縮して淡水を得る方法で、良質な淡
水が得られる。後者は、半透膜を介して海水をその浸透
圧以上に加圧することで、海水側から膜を通して淡水を
得るようしている。前者の必要エネルギは約2741J
/1mol真水 蒸発段階で大量のエネルギを使用す
る。後者の必要エネルギは約 45J/1mol真水
エネルギの消費量は少ない。上記何れの方法も海水の
前処理、メンテナンスが難しく、専門知識を持つ技術者
が必要である。上記以外の方法には電気透析法、冷凍法
がある。
【0008】上記問題点より、濃縮の際加熱処理を伴う
ことなく、しかも高価な溶質を含む水溶液の凍結濃縮で
問題となる氷内への溶質の取り込みの回避を可能とする
とともに省エネ効果のある低温濃縮の出現が期待されて
いる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところで、水和反応を
伴うケミカルヒートポンプについては、特願平10−0
89799号公報に開示された「温・冷熱生成ケミカル
ヒートポンプ」の提案がある。該提案によれば、温・冷
熱を反応器及び蒸発・凝縮器の外部に出力することので
きるCaO/Ca(OH)系の温・冷熱生成ケミカル
ヒートポンプの提供を目的としたもので、反応温熱を発
生する反応器と蒸発潜熱による冷熱を発生する蒸発・凝
縮器にはそれぞれ熱交換器を設け、該熱交換器を介して
外部に連続的に取り出せるようにしたものである。
【0010】上記提案においては、発生する冷温熱の利
用及び利用の仕方についての記載は無い。
【0011】また、前記凍結濃縮法は、食品の品質を保
持したままの濃縮が可能であるが下記欠点を内蔵する。
例えば、液状食品の場合、凍結点より低い温度条件下に
置き水だけを晶析し氷の結晶の生成を促し、大きく凍ら
ない状態で溶質部の取出しを繰り返し行なって液濃度を
高める方法であり、熱に敏感なものあるいは構成部分が
化学的に不安定な液状食品や薬品などを対象としてい
る。則ち、凍結濃縮は操作が複雑であり、装置コストが
大で、且つ溶質部分が晶析した氷の中に含まれ分離が困
難である等の問題がある。
【0012】また、海水淡水化法においても、省資源、
省エネルギ型造水方法の確立が要務で、安定した運転、
造水量・水質の保障、運転の容易さ、低造水コストが要
求されている。
【0013】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、食品工業、薬品工業、汚泥処理、海水淡水化などに
必要とされている濃縮において、変質を起こす熱処理を
伴なうことがなく、エネルギ効率の高い水溶液の低温濃
縮法とこれを使用した海水淡水化法及び吸着式海水淡水
化法の提供を目的とするものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明の第1の
発明である水溶液の低温濃縮法は、反応器、蒸発器、凝
縮器とを備えた水和反応系ケミカルヒートポンプにおい
て、反応器における水和反応により蒸発器での水の低温
蒸発をさせる冷熱生成操作と、該冷熱生成操作についで
行なわれる排熱による再生操作により水溶液の低温濃縮
を行なうようにしたことを特徴とする。
【0015】前記発明は、冷熱生成操作時に、水和反応
を起こす反応器、収容した水溶液に水蒸気蒸発を誘発さ
せるとともに冷熱を発生する蒸発器と、再生操作時に排
熱を介して前記反応器より導出された脱着水蒸気を、前
記冷熱により凝縮して水を生成する凝縮器とにより、水
和反応系ケミカルヒートポンプを構成し、前記蒸発器に
おいて、導入する水溶液の水蒸気蒸発を加熱を伴うこと
なく行なわせ、被濃縮液の変質を皆無とすべく、反応器
に充填した水和反応性吸着剤に水和反応を起こさせ、該
反応により蒸発器内の水溶液に対し水蒸気の強制的低温
蒸発を誘発させるようにしたものである。
【0016】上記構成により、濃縮水溶液は加熱を与え
ることなく蒸発をさせるため、変質を受けることもな
く、また、前記強制的水蒸気蒸発には凍結濃縮のように
溶質を取り込むことがないため、凝縮器では純水を得る
ことができる。
【0017】また、前記低温濃縮法の前記反応器の反応
熱は、蒸発前の水溶液の予熱をするようにした方が好ま
しい。
【0018】前記発明により、蒸発器における水溶液は
予熱処理されているため、高効率の水蒸気蒸発を行なう
ことができる。
【0019】前記発明は、前記反応器の再生用熱源に付
き記載したもので、外部より導入した工場排熱などの再
生用熱源(約60〜70℃)により行なうようにしたも
のである。
【0020】また、前記低温濃縮法における凝縮器は蒸
発器を内蔵して蒸発器で発生した冷熱の効率的利用を図
るようにした方が好ましい。
【0021】前記発明は、凝縮器と蒸発器の構造に付き
記載したもので、凝縮器内に蒸発器を内蔵して一体構造
とし、蒸発器で生成された冷熱を凝縮器と蒸発器との間
の空間に閉じ込め、凝縮器内に導入された脱着水蒸気の
凝縮を冷熱輸送をすることなく直接効率的に行なう構成
にしたものである。
【0022】そして、前記第1の発明である水溶液の低
温濃縮法を利用した第2の発明である海水淡水化法は、
吸着剤を充填した反応器と、水溶液を蒸発させて冷熱を
生成する真空蒸発器と、生成された冷熱により脱着水蒸
気を凝縮させる凝縮器とを備えたケミカルヒートポンプ
を使用した海水の淡水化法において、前記反応器におい
て充填した水和反応性吸着剤の水和反応を利用して、前
記蒸発器に導入した海水に強制的な低温蒸発を誘発させ
冷熱を生成させる冷熱生成操作と、前記冷熱生成操作に
ついで行なわれる排熱による反応器の再生操作により、
脱着した前記吸着剤の脱着水蒸気を前記冷熱により凝縮
器で凝縮させ淡水を得るようにしたことを特徴とする。
【0023】前記発明は、本発明の第2の発明である海
水淡水化法に付き記載したもので、該海水淡水化法を本
発明の第1の発明の水溶液の低温濃縮法を利用して好適
に形成したものである。則ち、第1の発明における水溶
液の代わりに海水を使用したもので、凝縮器からは純水
を得る。そして、使用する熱エネルギは約60℃前後の
低温排熱だけで済み、前記したように吸着剤の水和反応
により強制的蒸発を誘発させる構成にしてあるため、エ
ネルギ効率は真空ポンプによる冷熱生成効率に比較して
約5倍以上の試算が得られ、機械的駆動部を持たない低
温駆動の安定運転を可能とする省エネ海水淡水化法を得
ることができる。
【0024】また、前記海水淡水化法の凝縮器は、蒸発
器を内蔵して蒸発器で発生した冷熱の効率的利用を図る
ようにした方が好ましい。
【0025】前記発明は、凝縮器と蒸発器との間の一体
構造に付き記載したもので、第1の発明の水溶液の低温
濃縮法に見るように、効率的凝縮を可能とする構成にし
てある。
【0026】そしてまた、本発明の第3の発明である吸
着式海水淡水化法は、シリカゲル吸着剤を充填して水蒸
気を吸着または脱着する吸脱着器と、海水を排熱により
蒸発させる真空蒸発器と、脱着水蒸気を凝縮させる凝縮
器とを備えた吸着式海水淡水化法において、前記真空蒸
発器において排熱によりシャワーリングされた海水を蒸
発させ、蒸発した水蒸気を吸脱着器内の海水により冷却
された吸着剤により吸着させ、吸着した水蒸気は吸着剤
の排熱加熱により脱着させ、脱着水蒸気を凝縮器での海
水冷却により凝縮させて淡水を得るようにしたことを特
徴とする。
【0027】前記発明は、シリカゲル吸着剤の水蒸気吸
脱着を利用した海水淡水化法で、海水の蒸発は真空蒸発
器における約70〜60℃の排熱の導入により行い、蒸
発した水蒸気の吸着は海水による吸着剤の冷却により行
い、吸着した水蒸気の脱着は前記排熱による吸着剤の加
熱により行い、脱着水蒸気の凝縮は海水の冷却により行
なって淡水を得るようにした、低コスト、省エネ効率の
高い海水淡水化法である。
【0028】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施例
を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載され
る構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特
に特定的記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに
限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。図1
は、本発明の第1の発明の水溶液の低温濃縮法の概略の
構成を示す水和反応系ケミカルヒートポンプのサイクル
フロー図で、図2は図1の低温濃縮法を利用した第2の
発明の海水淡水化法の概略構成を示すサイクルフロー図
で、図3は第3の発明である吸着式海水淡水化法の概略
構成示すサイクルフロー図である。
【0029】図1は本発明の第1の発明である水溶液の
低温濃縮法の概略構成を示す水和反応系ケミカルヒート
ポンプのサイクルフロー図である。図に示すように、水
和反応系ケミカルヒートポンプは、密閉容器の反応器1
0と真空蒸発器11と密閉凝縮器12とよりなり、反応
器10には水和反応系吸着剤10aを充填してある。上
記構成の水和反応系ケミカルヒートポンプは、実線で示
す冷熱生成サイクル時には冷熱生成操作により前記反応
器10に設けた開閉バルブ11aを開放し開閉バルブ1
2aを閉鎖して、反応器10に充填した水和反応性吸着
剤10aと真空蒸発器11に導入してある水溶液13と
の間に水和反応を惹起させ、前記水溶液13に強制的蒸
発を誘起させて、水蒸気13aを前記反応器10内の水
和反応性吸着剤10aに吸着させるとともに冷熱Q
生成する。ついで、次の点線で示す再生サイクルでの再
生操作により、前記開閉バルブ11aを閉鎖し開閉バル
ブ12aを開放して、反応器10内における水蒸気13
aの吸着反応を終了形成された水和物に排熱Qを与
え、該排熱により前記水和物の熱分解反応を進行脱着さ
せ、脱着水蒸気13bを凝縮器12へ導入する。凝縮器
12へ導入された脱着水蒸気13bは前記冷熱生成サイ
クルで生成された冷熱Qを導入して凝縮し、蒸発時に
加熱操作を伴う事無く水溶液の低温濃縮を行い前記水溶
液13より水13cを分離生成する。
【0030】上記低温濃縮法による冷熱生成のエネルギ
効率(生成熱量/再生熱量)は、真空ポンプにおける生
成熱量/仕事量で表せるエネルギ効率に対し約5倍程度
の値が試算されており、且つ、本低温濃縮法による場合
は、被濃縮物の熱的変質をもたらす事無く高効率の濃縮
を可能とするとともに、凍結濃縮に見られた氷内への溶
質の取り込みと分離の問題は解消され、水溶液中の溶質
は、分離した水に混入することはない。
【0031】図2は前記低温濃縮法を利用した海水淡水
化法の概略構成を示すサイクルフロー図である。図に見
るように、本発明の低温濃縮法を利用した海水淡水化法
は、水和反応性の吸着剤20aを充填した反応器20
と、真空蒸発器21と、該蒸発器11を内蔵して一体構
造とした凝縮器22とよりなり、且つ実線で示す冷熱生
成サイクルと点線で示す再生サイクルとよりなるサイク
ルフローにより形成される。上記構成の水和反応系ケミ
カルヒートポンプは、冷熱生成サイクル時には実線で示
す冷熱生成操作により前記反応器20に設けた開閉バル
ブ21aを開放し開閉バルブ22aを閉鎖して、反応器
20に充填した水和反応性吸着剤20aと真空蒸発器2
1に導入してある海水23との間に水和反応を惹起さ
せ、前記海水23に強制的蒸発を誘起させ、水蒸気23
aを前記水和反応性吸着剤20aに吸着させるとともに
冷熱Qを生成する。ついで、次の点線で示す再生サイ
クルでの再生操作により、前記開閉バルブ21aを閉鎖
し開閉バルブ22aを開放して、反応器20内の前記水
蒸気23aを吸着し吸着反応を終了した吸着剤20aの
水和物に排熱Qを与え、熱分解反応を進行脱着させ、
脱着水蒸気23bを凝縮器22へ導入する。凝縮器22
へ導入された脱着水蒸気23bは前記冷熱生成サイクル
で生成された冷熱Qにより凝縮され、蒸発に加熱操作
を伴う事無く海水23の低温濃縮を行い淡水23cを分
離生成する。なお、海水は蒸発器21への導入の前段で
反応器20における反応熱による予熱を行い、蒸発効率
を上げるようにしてある。
【0032】また、上記海水淡水化法による場合は、前
記水溶液の低温濃縮法と同様、省エネルギ型造水方法を
確立することができ、安定した運転、水質の保障ができ
る。
【0033】図3は第3の発明である吸着式海水淡水化
法の概略構成を示すサイクルフロー図である。図に見る
ように、本吸着式海水淡水化法は、シリカゲル吸着剤3
0aを内蔵する吸脱着器30と、真空蒸発器31と、凝
縮器32とよりなり、且つ実線で示す吸着サイクルと点
線で示す再生脱着サイクルとよりなるサイクルフローに
より形成される。そして、実線で示す吸着サイクル時に
は、前記吸脱着器30に設けた開閉バルブ31aを開放
するとともに、真空蒸発器31内では排熱Qによりシ
ャワーリングされた海水33が水蒸気を蒸発する。蒸発
した水蒸気33aは吸脱着器30で冷熱Qにより冷却
されるとともに吸着剤のシリカゲル30aに吸着され
る。ついで、次の点線で示す再生サイクル時には、前記
吸脱着器30内の吸着剤のシリカゲル30aは排熱Q
により脱着され脱着水蒸気33bは、開閉バルブ32a
を介して凝縮器32へ導入され、該凝縮器内で海水によ
り冷却凝縮され淡水33cを生成する。この吸着式海水
淡水化法の場合は、100℃以下の低温源のみでの駆動
が可能で、例えば排熱による駆動が最適である。また可
逆性に富み、再生に必要なエネルギは小さくてすみ、且
つ稼働時における副生成物が発生しない。
【0034】
【発明の効果】本発明は上記構成により、食品工業、薬
品工業、汚泥処理、海水淡水化などに必要とされている
濃縮において、変質を起こす熱処理を伴なうことがな
く、エネルギ効率の高い水溶液の低温濃縮法を得ること
ができ、併せて前記低温濃縮法を利用した海水淡水化法
及び吸着式海水淡水化法においても省ネルギ型造水方法
が確立でき、安定した運転、水質の保障ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の発明の水溶液の低温濃縮法の
概略の構成を示す水和反応系ケミカルヒートポンプのサ
イクルフロー図である。
【図2】 図1の低温濃縮法を利用した第2の発明の海
水淡水化法の概略構成を示すサイクルフロー図である。
【図3】 第3の発明である吸着式海水淡水化法の概略
構成を示すサイクルフロー図である。
【符号の説明】
10、20 反応器 10a、20a 水和反応性吸着剤 11、21、31 真空蒸発器 11a、12a、21a、22a、31a、32a
開閉バルブ 12、22、32 凝縮器 13 水溶液 13a、23a、33a 水蒸気 13b、23b、33b 脱着水蒸気 13c 水 23、33 海水 23c、33c 淡水
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池内 正充 東京都江東区牡丹2丁目13番1号 株式会 社前川製作所内 Fターム(参考) 3L093 NN04 PP01 PP04 PP06 PP15 PP19 QQ01 QQ05 4D034 AA01 BA03 CA13 DA02

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 反応器、蒸発器、凝縮器とを備えた水和
    反応系ケミカルヒートポンプにおいて、 反応器における水和反応により蒸発器での水の低温蒸発
    をさせる冷熱生成操作と、該冷熱生成操作についで行な
    われる排熱による再生操作により水溶液の低温濃縮を行
    なうようにしたことを特徴とする水溶液の低温濃縮法。
  2. 【請求項2】 前記反応器の反応熱は、蒸発前の水溶液
    の予熱をするようにしたことを特徴とする請求項1記載
    の水溶液の低温濃縮法。
  3. 【請求項3】 前記凝縮器は蒸発器を内蔵して蒸発器で
    発生した冷熱の効率的利用を図るようにしたことを特徴
    とする請求項1記載の水溶液の低温濃縮法。
  4. 【請求項4】 吸着剤を充填した反応器と、水溶液を蒸
    発させて冷熱を生成する真空蒸発器と、生成された冷熱
    により脱着水蒸気を凝縮させる凝縮器とを備えたケミカ
    ルヒートポンプを使用した海水の淡水化法において、 前記反応器において充填した水和反応性吸着剤の水和反
    応を利用して、前記蒸発器に導入した海水に強制的な低
    温蒸発を誘起させ冷熱を生成させる冷熱生成操作と、 前記冷熱生成操作についで行なわれる排熱による反応器
    の再生操作により、脱着した前記吸着剤の脱着水蒸気を
    前記冷熱により凝縮器で凝縮させ淡水を得るようにした
    ことを特徴とする水溶液の低温濃縮法を利用した海水淡
    水化法。
  5. 【請求項5】 前記凝縮器は蒸発器を内蔵して蒸発器で
    発生した冷熱の効率的利用を図るようにしたことを特徴
    とする請求項4記載の水溶液の低温濃縮法を利用した海
    水淡水化法。
  6. 【請求項6】 シリカゲル吸着剤を充填して水蒸気を吸
    着または脱着する吸脱着器と、海水を排熱により蒸発さ
    せる真空蒸発器と、脱着水蒸気を凝縮させる凝縮器とを
    備えた吸着式海水淡水化法において、 前記真空蒸発器において排熱によりシャワーリングされ
    た海水を蒸発させ、蒸発した水蒸気を吸脱着器内の海水
    により冷却された吸着剤により吸着させ、吸着した水蒸
    気は吸着剤の排熱加熱により脱着させ、脱着水蒸気を凝
    縮器で海水により凝縮させて淡水を得るようにしたこと
    を特徴とする吸着式海水淡水化法。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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