JP2005201546A - Freeze concentration system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、食塩水やブドウ糖液、あるいはジュースや牛乳、排液などのように水に溶解した水溶液、あるいは水に溶け合わない粒子を含んだ混合水(例えば微細なポリエチレン粒子を混合した水など)を、凍結濃縮現象を利用して希薄水と濃縮水とに分離するための構成に関する。 The present invention relates to an aqueous solution dissolved in water, such as saline solution, glucose solution, juice, milk, drainage solution, or mixed water containing particles that do not dissolve in water (for example, water mixed with fine polyethylene particles) ) Is separated into dilute water and concentrated water using the freeze concentration phenomenon.
凍結濃縮現象を利用して希薄水と濃縮水とに分離し、これを工業的に有効利用することに関しては下記の文献に記載されている。
従来の凍結濃縮システムは、パイプの周りに原水を厚く氷結をさせながら希薄水と濃縮水とに分離させるもので、濃縮分離に時間がかかるとともに、システム中において槽の数が多くなり、装置が大がかりとなっていた。これについて図7,図8を基にして、以下説明する。 The conventional freeze concentration system separates the raw water from the diluted water and the concentrated water while freezing the thick water around the pipe. It takes time for concentration and separation, and the number of tanks increases in the system. It was a big deal. This will be described below with reference to FIGS.
この従来の凍結濃縮システムはコイル状の製氷用冷却器2の周りに、原水21を流下液膜状に流してそれを凍結させ、厚く冷却器2の周りに結氷させながら原水を希薄な回収液41と、濃縮液21−aとに分離するもので、いわゆる流下液膜式のアイスオンコイル型凍結濃縮システムと称するものである。その主要構成は冷凍機1,受液槽20−a内にあるコイル状の製氷用冷却器2,熱交換器1−a、パイプ3,4、ポンプ5から成る冷凍装置100と、原水21を収納した原水槽20,ポンプ23、パイプ25、散水器26から成る原水循環部200と、回収液41を収納する回収槽40、放熱器45、熱交換器49と50、それらを熱的に結ぶパイプ46,47、ポンプ48から成る冷熱利用部300から構成されている。
In this conventional freeze concentration system, the
冷凍装置100部のパイプ3,4内には不凍液(エチレングリコールなど)が充填されていて、ポンプ5を駆動することにより、熱交換器1−aを介して、冷凍機1で発生した冷熱が、冷却器2内に供給される。一方原水槽20内の原水21は、ポンプ23を駆動することにより、パイプ24、バルブ37、パイプ25を介して散水器26からコイル状の冷却器2の外面に流下液膜状に流される。
The
図7は原水21を冷却器2の周りに流し始めた初期の状態を示している。このため冷却器2の周りには氷が成長していない。
FIG. 7 shows an initial state in which the
図8は時間が経過して、冷却器2の周りに凍結体(氷など)22が、厚く氷結した状態を示したもので、この状態になると原水槽20内の原水21が少なくなっている。
FIG. 8 shows a state in which a frozen body (ice or the like) 22 is thickly frozen around the cooler 2 as time passes. In this state, the
凍結濃縮の操作は夜間電力などを利用して、夜間に原水槽20内の原水21をポンプ23を駆動して散水器26から冷却器2に流下させた後、受液槽20−aで受け、その後その下部に連なるパイプ53からバルブ57,パイプ55を介して原水槽20内に戻す。この際、回収槽40とパイプ53とを結ぶパイプ54間のバルブ56は閉じておく。
The operation of freeze concentration uses nighttime electric power or the like to drive the
図8に示すように、凍結濃縮操作が終了すると冷却器2の周りには、原水21内に含有する溶質を分離して純水に近づいた凍結体22が厚く氷結する。このため、原水槽20内の液体21は濃縮液21−aとなる。この濃縮液21−aはパイプ30部のバルブ31を開いて外部に排出する。この濃縮液21−aは原水21が排液などの場合は、外部に排出して処理するものであるが、その量が濃縮されて少なくなるので処理量が削減でき、処理作業が容易であるという利点を生ずる。またジュース等の場合には濃縮されるため、付加価値が向上した品質の高い生産物として有効に利用される。
As shown in FIG. 8, when the freeze concentration operation is completed, a
冷却器2の周りに厚く氷結した凍結体(氷など)22は昼間、図8に示すような方法によって解氷しながら、冷熱利用部300においてその冷熱をプロセス冷却や空調に利用する。このためバルブ57を閉じ、バルブ56を開く。一方ポンプ23を駆動して、回収槽40内に溜る回収液41を、パイプ35、バルブ36を介して、パイプ25から散水器26を通して冷却器2の凍結体22の周りに供給する。その後、この回収液41を受液槽20−aから、パイプ53,バルブ56、パイプ54から回収槽40内へ戻すようにする。このためパイプ24部のバルブ37を閉じ、パイプ35部のバルブ36を開く。凍結体22が融解して回収槽40内へ溜った回収液41は低温度となっているので、ポンプ48を駆動して、パイプ46,47内の熱媒体(水など)を熱交換器50側から熱交換器49側へ輸送することによって、放熱器45からは冷熱が発生する。この冷熱は空調やプロセスの冷却に利用される。
A frozen body (ice or the like) 22 that is thickly frozen around the
この従来システムは、冷却器2がコイル状となっていて、その周りに氷を厚く結氷させて凍結濃縮操作を行うため、コイル間隔を大きくする必要があり、冷却器2の受液槽20−a内に大きな専有空間を常に確保しておく必要がある。また図7に示す夜間の凍結濃縮操作と、図8に示す日中の解氷・熱利用操作も、受液槽20−aを利用する必要があり、日中新たに工場のプロセスで生産される原水21、あるいは日中生ずる排水をこの受液槽20−a内へ適宜投入して活用することができない。このため日中生ずる原水21は別個の補助槽32を設けてポンプ27,パイプ28,バルブ29を介した後、それに溜めて保管しておく必要がある。このためシステムの配置スペースが大きくなるという難点がある。また日中の熱利用時においては、熱利用部300のポンプ48のほか、原水循環部200のポンプ23をも駆動することが必要で、省エネルギーの面でも好ましくない状態となっていた。
In this conventional system, the
前記課題を解決するため(1)冷凍装置を構成する冷却器を平板状として、この平板状の冷却器に原水を流下させて氷結させた後、一時的に冷却器を加熱して脱氷させる機能を持たせるものとする、(2)次に冷却器周りを流下する原水と、冷却器から離脱した砕氷を分離して、流下した原水を原水槽、砕氷を熱利用部の回収槽に移送する機構を設ける。(3)このような構成にすることによって原水槽の上部に冷却器を配設する場合には、原水槽は受液槽を兼ねたものとし、受液槽を省略する。(4)原水槽の上部に冷却器を配設できない場合には小型な受液槽を設け、この上部に流下後の原水と砕氷を分離する機構を設け、この機構の上部に冷却器を配設する。 In order to solve the above problems, (1) the cooler constituting the refrigeration apparatus is formed into a flat plate shape, and raw water is allowed to flow through the flat plate cooler to freeze, and then the cooler is temporarily heated to deice. (2) Next, the raw water flowing down the cooler and the crushed ice separated from the cooler are separated, and the flowed raw water is transferred to the raw water tank and the crushed ice is transferred to the recovery tank of the heat utilization section. A mechanism is provided. (3) When a cooler is provided in the upper part of the raw water tank by adopting such a configuration, the raw water tank also serves as a liquid receiving tank, and the liquid receiving tank is omitted. (4) If a cooler cannot be installed in the upper part of the raw water tank, a small liquid receiving tank is provided, and a mechanism for separating the raw water and crushed ice is provided in this upper part, and a cooler is provided in the upper part of this mechanism. Set up.
本発明によれば(1)日中の熱利用時間帯には回収槽に溜められた砕氷を融解して、この冷熱を放熱部に供給すればよく、熱利用部のポンプのみの駆動でよく、原水槽から散水器を介して冷却部に原水を輸送する必要はなく、これにともなうポンプは停止でき、省エネルギーとなる。(2)また原水槽内の濃縮液は排出して利用した後、空にし、その後日中生産プロセスから生ずる原水あるいは排水を、直接この原水槽に投入して貯蔵できるので、補助槽は不要となる。(3)また冷却器に結晶した凍結体を適宜脱氷してダイナミックに凍結と脱氷を行うためシステムの処理速度が高まり実用に供して便利となる。 According to the present invention, (1) during the daytime heat utilization time period, it is only necessary to melt the crushed ice stored in the recovery tank and supply this cold heat to the heat radiating section, and it is sufficient to drive only the heat utilization section pump. In addition, it is not necessary to transport raw water from the raw water tank to the cooling unit via the sprinkler, and the pump associated therewith can be stopped, thus saving energy. (2) Since the concentrated liquid in the raw water tank is discharged and used, it is emptied, and then raw water or wastewater generated from the daytime production process can be directly put into the raw water tank for storage, so an auxiliary tank is unnecessary. Become. (3) Since the frozen body crystallized in the cooler is appropriately deiced and dynamically frozen and deiced, the processing speed of the system is increased and it is useful for practical use.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
図1、図2は本発明の一実施例の構成図である。図1は凍結濃縮開始初期の状態、図2は凍結濃縮終了前の状態を示している。この実施例では、原水槽20の上部に板状の冷却器2が配設されていて、この冷却器2は、パイプ3,4、ポンプ5、熱交換器1−aとによって、冷凍機1と熱的に結合されている。また原水槽20と冷却器2との間には、原水21、濃縮液21−aを通すことのできる傾斜型の目皿44−aが設けてあり、その下部にはスライダー44が付いている。ポンプ5を駆動してパイプ3,4、熱交換器1−aを介して、冷却器2内に冷凍機1で発生するマイナス温度の冷媒を供給する。一方ポンプ23を駆動して原水槽20内の原水21を、パイプ24,25を介し散水器26を通して冷却器2の外面に流下液膜状に流す。この流下液膜流は冷却器2からのマイナス温度の冷熱により、徐々に冷却器2の周りに凍結し始める。この過程によって冷却器2の外面に凍結した凍結体(氷)22は精製された氷になり、冷却器2を流下して、その下部に落下し、目皿44−aを通過し、その下部の原水槽20に落下する液体(水)21は溶質分の多い濃縮水となる。一定時間、冷却器2の周りに凍結体(氷)22の成長をさせたなら、冷凍機1を停止して、冷却器2への冷熱の供給を停止する。ポンプ5を駆動し続けていると、徐々に外気の温熱が冷却器2へ供給され、冷却器2はプラス温度に上昇する。これによって凍結体(氷)22が冷却器2と接している部分が融解し、これによって凍結体(氷)22は下方部に落下し砕氷となる。この砕氷22−aは傾斜型の目皿44−aを滑り、さらにスライダー44を滑り、回収槽40内へ落下して貯蔵される。
1 and 2 are configuration diagrams of an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a state at the beginning of the start of freeze concentration, and FIG. 2 shows a state before the end of freeze concentration. In this embodiment, a plate-
冷却器2による製氷・脱氷操作が進行すると、図2に示すように、原水槽20内の原水21は溶質分が多く含まれた濃縮水となり、その量は図2に示すように、図1の初期状態の原水21よりは少ないものとなる。この濃縮された原水21はバルブ31を開いてパイプ30から外部へ排出する。一方回収槽40内に貯蔵される砕氷22−aの量は多くなる。この砕氷22−aは純水に近いものとなるが、この砕氷22−aの冷熱は冷熱利用部300にて融解して利用する。すなわちポンプ48を駆動して、パイプ46,47内の熱媒体(エチレングリコール等の不凍液)を熱交換器49と熱交換器50とを通して循環すると砕氷22−aは徐々に融解して希薄な回収液41となる。この時発生する冷熱は放熱器45にて放冷し、空調やプロセス冷却に利用される。融解された希薄な回収液41は、バルブ43を開いて、パイプ42を介して所望の場所に輸送され有効利用される。
When the ice making / deicing operation by the
このような熱利用操作は昼間行われるが、昼間はポンプ48のみ駆動しておけばよく、原水循環部200のポンプ23,及び冷凍装置100部のポンプ5は停止しておいてよく、このため極めて省エネルギーとなる。また原水槽20内の濃縮された原水21―aはパイプ30から排出してしまえば、昼間は空となっているので、ポンプ27を駆動してパイプ28,バルブ29を介して、この原水槽20内へ、昼間生産される原水21を直接投入することができ、そのまま夜間の凍結濃縮操作まで待機することができる。すなわち従来システムの図7,図8の補助槽32は不要となる。
Such heat utilization operation is performed in the daytime, but only the
また夜間の凍結濃縮操作においては、原水槽20は受液槽としても作用し、このため図7,図8に示す受液槽20−aは不要となる。
Further, in the nighttime freeze concentration operation, the
なおこの実施例において脱氷操作を促進するために、冷凍機1を停止するとともに、パイプ3の途中を分岐して他の熱交換器(図示せず)に熱的に接続し、この熱交換器に温熱を一時的に与えて、この熱を冷却器2に供給すると凍結体(氷など)22の脱水効果が高まる。
In this embodiment, in order to promote the deicing operation, the
図3は本発明の他の実施例の構成図である。これは原水槽20の上部に冷却器2を配設できず、それより離れた所に冷却器2を設けなければならない場合に有効な実施例である。スライダ44に連なる目皿44−aの下部に小型な受液槽20−aを設け、受液槽20−aと原水槽20とをパイプ51で連結する。必要に応じてパイプ51にバルブ52を設けてその戻り量を調節してもよい。夜間は目皿44−aの上部に配設した冷却器2の外面に、原水槽20内の原水21をポンプ23を駆動して供給して凍結濃縮操作を行う。原水21は原水槽20から、散水器26、冷却器2,目皿44−a、受液槽20−a、パイプ51を循環する間に、徐々に減少する。一方脱氷操作によって、目皿44−a、スライダー44を介して回収槽40内に移送される砕氷22−aは徐々に多くなる。このようにして回収槽40内に貯蔵された砕氷22−aは昼間融解して、その冷熱を空調・プロセス冷却に利用する。
FIG. 3 is a block diagram of another embodiment of the present invention. This is an embodiment effective in the case where the
図4は図3の変形実施例の構成図である。これはスライダー44の途中に目皿44−aを設け、この目皿44−aの下方部に受液槽20−aを設けたものである。このような構成においても、図3と同様の効果を奏する。
FIG. 4 is a block diagram of the modified embodiment of FIG. In this embodiment, an eye plate 44-a is provided in the middle of the
図5は図4の変形実施例の構成図である。これは回収槽40の上部に冷却器2が配設されている場合の例である。冷却器2の下部に傾斜した目皿44−aとスライダー44を設け、目皿44−aの下部に受液槽20−aを設け、濃縮液21−aを溜めることができるようにしてある。このような例においても図4と同様にバルブ52の付いたパイプ51を設けて、原水槽20内に原水21を供給するようにしてよい。しかし原水槽20と回収槽40が図5のように近接して設置できる場合には、原水槽20と回収槽40との間の壁20−bを一体化して設け、その壁20−bに開孔51−aを設けて、この開孔51−aから受液槽20−a内の濃縮液21−aを原水槽20内に戻してもよい。このようにすると、装置は簡素化される。
FIG. 5 is a block diagram of the modified embodiment of FIG. This is an example in the case where the
図6は図3の変形実施例の構成図である。これは図3の受液槽20−aとパイプ51の代わりに、原水戻し板44−bをスライダー44とは逆勾配で設けたものである。このようにすると受液槽20−aとパイプ51を省略でき、かつ細いパイプ51を利用しなくてよく、大量の濃縮水21−aを原水槽20へ戻すことができる。またこの実施例は、冷凍装置100部は直膨方式として、間接熱交換に必要な不凍液(エチレングリコールなど)はパイプ3,4に流す必要はなく、ポンプ5も不要とした構成としている。このためパイプ3と4との間に圧縮機6,凝縮器7,減圧機構(膨張弁)8を、パイプ11,12を利用して連結する。圧縮機6によって断熱圧縮された冷媒(フロンなど)はパイプ11を通って凝縮器7に入り、ここで凝縮の潜熱を放出して液化する。その後、パイプ12、バルブ9を通って減圧機構(膨張弁)8を通る間に断熱膨張して低温度となり、パイプ4を通って冷却器2に入る。これによって冷却器2はマイナス温度に冷却され、その後パイプ3を通って圧縮機6に入り、前と同じサイクルをくり返す。冷却器2の周りに成長した凍結体(氷)22を離脱させるにはパイプ12部のバルブ9を閉じ、パイプ11とパイプ4とを結ぶパイプ13部のバルブ10を一時的に開く、これによって圧縮機6によって断熱圧縮された高温冷媒がパイプ13のバルブ10を通った後、減圧機構8を介さずしてパイプ4から冷却器2内へ直接注入される。このため冷却器2は一時的に加熱され、その周りに成長した凍結体(氷)22は離脱して脱氷22−aとなって回収槽40内へ移送される。この脱氷操作が終了したなら、再びバルブ10を閉じ、バルブ9を開いて元の冷凍操作に入る。このシステムによれば短時間に脱氷できる。
FIG. 6 is a block diagram of the modified embodiment of FIG. In this embodiment, instead of the liquid receiving tank 20-a and the
本発明の平板状の冷却器を用い製氷・脱氷操作をくり返し行っていくダイナミック式の方法と、従来のコイル状の冷却器の周りに氷を厚く成長させていくアイスオンコイル式の方法の製氷量の違いについて図9と図10を用いて明らかにしておく。 A dynamic method in which ice making / deicing operations are repeated using the flat plate cooler of the present invention and an ice-on-coil method in which ice is grown thickly around a conventional coiled cooler. The difference in the ice making amount will be clarified with reference to FIG. 9 and FIG.
図9は横軸に時間t、縦軸に無次元氷厚さをとって、円管式と平板式の氷厚さの相違を示したものである。どちらも、時間tに対して氷厚さは放物線状に成長し、時間とともに成長率は減少する。これは氷の厚さが増大し、氷の結晶層の熱抵抗が時間とともに増大することによる。平板式の場合にも、脱氷操作を行わないで、そのまま氷を冷却器に成長させ続けると、大きな製氷量は期待できない。このため本発明に用いるダイナミック式は、短時間に成長した氷を脱氷しながら製氷を続けるものである。すなわち図9の平板式の曲線の原点近傍で、氷が成長し始めた直後においては、放物線の時間に対する氷厚さの勾配(成長率)は大きく、成長速度が速い。一例として20min製氷/2min脱氷の例を採り、成長した氷の厚さを時間に対して積分すると、一点鎖線のように時間に対する積算氷厚さは著しく増大させることができる。このようなダイナミック式は、脱氷なしの平板式に対して、著しく氷の収穫量を大きくすることができ、凍結濃縮システムに利用すると相乗効果が高いものである。 In FIG. 9, the horizontal axis represents time t, and the vertical axis represents dimensionless ice thickness. In both cases, the ice thickness grows parabolically with respect to time t, and the growth rate decreases with time. This is because the ice thickness increases and the thermal resistance of the ice crystal layer increases with time. Even in the case of the flat plate type, if ice is continuously grown on the cooler without performing the deicing operation, a large amount of ice making cannot be expected. For this reason, the dynamic type used in the present invention continues ice making while deicing ice grown in a short time. That is, immediately after the start of ice growth in the vicinity of the origin of the flat curve in FIG. 9, the gradient of the ice thickness (growth rate) with respect to the parabolic time is large and the growth rate is fast. Taking an example of 20 min ice making / 2 min deicing as an example, if the thickness of the grown ice is integrated with respect to time, the integrated ice thickness with respect to time can be remarkably increased as indicated by a dashed line. Such a dynamic type can significantly increase the yield of ice compared to a flat plate type without deicing, and has a high synergistic effect when used in a freeze concentration system.
図10は図9の結果を用いて、横軸に時間t、縦軸に無次元製氷量をとって示したもので、円管式(実線)に対し、ダイナミック式の本発明(一点鎖線)は著しく製氷量が大きく、円管式に対して約1/2の時間で、同一の製氷量を得ることが可能となることを示したものである。 FIG. 10 shows the result of FIG. 9 with time t on the horizontal axis and dimensionless ice making on the vertical axis. The present invention is a dynamic type (one-dot chain line) versus a circular pipe type (solid line). Indicates that the ice making amount is remarkably large, and the same ice making amount can be obtained in about half the time of the circular tube type.
1…………冷凍機
1−a………熱交換器
2…………冷却器(平板、製氷コイル)
3,4……パイプ
5…………ポンプ
6…………圧縮機
7…………凝縮器
8…………減圧機構(膨張弁)
9,10…………バルブ
11,12,13…………パイプ
20………原水槽
20−a……受液槽
21………原水
21−a…………濃縮液
22………凍結体(氷など)
22−a…………砕氷
23………ポンプ
24,25…パイプ
26…………散水器
27…………ポンプ
28…………パイプ
29…………バルブ
30…………パイプ
31…………バルブ
32…………補助槽
33…………パイプ
34…………バルブ
35…………パイプ
36,37…バルブ
40…………回収槽
41…………回収液(希薄液)
42…………パイプ
43…………バルブ
44…………スライダー
44−a………目皿(メッシュ、パンチ穴付板)
44−b…………原水戻し板
45…………放熱器
46,47……パイプ
48…………ポンプ
49,50……熱交換器
51…………パイプ
51−a…………開孔
52…………バルブ
53,54,55……パイプ
56,57……バルブ
100…………冷凍装置
200…………原水循環部
300…………冷熱利用部
1 …………
3, 4 ……
9, 10 …………
22-a …………
42 …………
44-b ………… Raw
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