JP2005270888A - 溶液の濃縮方法とこの方法に使用される濃縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶液から目的物質をより効率よく回収する。
【解決手段】溶液の濃縮方法は、目的物質を含む溶液を、超音波霧化室４で超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを、回収室５で目的物質を凝集させて回収して、目的物質を溶液から分離する。さらに、溶液の濃縮方法は、回収室５の気相圧力を大気圧以上に保ち、気相中の目的物質の飽和蒸気分圧を大気圧下における飽和蒸気分圧よりも低下させている。
【効果】回収室を加圧して、目的物質の飽和蒸気分圧を大気圧下における飽和蒸気分圧よりも低下させることにより、目的物質をより効果的に凝集させて回収できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、速やかに表面に移行して表面過剰となる物性の目的物質、主として酒や酒原料等のアルコール溶液から、更に高濃度のアルコールを分離して濃縮する溶液の濃縮方法と装置に関する。

本発明者は、表面過剰となる物性を示す目的物質であるアルコールを分離する装置を開発した。（特許文献１参照）
特開２００１−３１４７２４号公報

この分離装置は、アルコール溶液を閉鎖構造の超音波霧化室に充填し、この超音波霧化室のアルコール溶液を超音波振動子で超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを凝集させて回収して高濃度のアルコール溶液を分離する。この分離装置が目的物質として高濃度のアルコールを分離できるのは、以下の動作による。

速やかに表面に移行して表面過剰となる物性を示すアルコールは、表面の濃度が高くなっている。この状態で超音波振動させると、表面の溶液が超音波振動のエネルギーで空気中にミストとなって微細な粒子で放出される。空気中に放出されたミストはアルコール濃度が高くなっている。アルコール濃度の高い表面の溶液がミストとなるからである。したがって、ミストを凝集して回収すると、高濃度のアルコール溶液が分離される。この方法は、溶液を加熱しないで高濃度のアルコール溶液を分離できる。このため、少ないエネルギー消費で高濃度に目的物質を分離できる。また、加熱しないので目的物質を変質させることなく分離できる特長もある。

この装置は、超音波振動で得られたミストを効率よく回収することが大切である。超音波振動で空気中に飛散されたミストは、目的物質の濃度が溶液よりも高くなっている。微細な粒子のミストは一部が気化して気体となる。気体になった目的物質を回収しないと、回収効率が悪くなる。このため、気体になった目的物質は冷却して回収している。冷却すると飽和蒸気分圧が低下するので、気体となった目的物質を過飽和な状態として液化できるからでる。冷却温度を低くするほど、目的物質の飽和蒸気分圧は低くなる。このため、目的物質が過飽和となる量が増加して回収効率を高くできる。ただ、飽和蒸気分圧は温度に比例して小さくならない。低温になるほど温度を低下させても飽和蒸気分圧が低下する割合が小さくなる。このため、温度低下させる方式では、目的物質を残らず高効率に回収するのが難しくなる。

本発明は、目的物質をより効率よく回収することを目的に開発されたもので、本発明の重要な目的は、回収室を加圧して目的物質を高効率に回収する溶液の濃縮方法と装置を提供することにある。

本発明の溶液の濃縮方法は、目的物質を含む溶液を、超音波霧化室４で超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを、回収室５で目的物質を凝集させて回収して、目的物質を溶液から分離する。さらに、本発明の溶液の濃縮方法は、回収室５の気相圧力を大気圧以上に保ち、気相中の目的物質の飽和蒸気分圧を大気圧下における飽和蒸気分圧よりも低下させている。

本発明の溶液の濃縮方法は、超音波霧化室４で発生されるミストを含む気体を圧縮機３５で回収室５に移送して回収室５を大気圧以上に加圧することができる。本発明の溶液の濃縮方法は、回収室５内を冷却して、ミストを凝集させて回収することができる。

本発明の溶液の濃縮方法は、回収室５のミストをサイクロン、パンチング板、デミスター、シェブロン、スクラバー、スプレー塔のいずれかで機械的に回収し、あるいはミストを静電気で凝集させて電気的に回収することができる。さらに、本発明の溶液の濃縮方法は、回収室５のミストを機械的又は電気的に回収しつつ、かつ回収室５内を冷却してミストを回収することができる。

本発明の溶液の濃縮方法は、回収室５の排出側において、ミストの通過を阻止ないし制限し、かつ気体の通過抵抗を大きくして、ミストの排出を制限しながら回収室５を大気圧以上に加圧することができる。

本発明の溶液の濃縮装置は、目的物質を含む溶液が供給される超音波霧化室４と、この超音波霧化室４の内部において、溶液を超音波振動でミストに霧化する超音波振動子２と、この超音波振動子２に接続されて超音波振動子２に高周波電力を供給して超音波振動させる超音波電源３と、超音波振動子２で霧化されたミストを凝集させて回収する回収室５とを備え、超音波霧化室４で霧化されたミストを回収室５で回収して目的物質を溶液から分離する。さらに、濃縮装置は、超音波霧化室４の排出側と回収室５の流入側との間に、超音波霧化室４のミストを吸収して回収室５に供給する圧縮機３５を接続している。この濃縮装置は、圧縮機３５で回収室５を大気圧以上に加圧し、回収室５において気相中の目的物質の飽和蒸気分圧を大気圧下における飽和蒸気分圧よりも低下させてミストを凝集させて回収する。

本発明の溶液の濃縮装置は、回収室５に冷却用熱交換器３３を設けて、この冷却用熱交換器３３でミストを冷却、凝集して回収することができる。

本発明の溶液の濃縮装置は、超音波霧化室４に、サイクロン、パンチング板、デミスター、シェブロン、スクラバー、スプレー塔、静電回収機のいずれを連結してミストを回収することができる。

本発明の溶液の濃縮装置は、回収室５の排出側に絞り弁３６を連結すると共に、この絞り弁３６の排出側と、圧縮機３５の排出側であって回収室５の流入側とを熱交換する排熱用熱交換器３７を設けることができる。

本発明の溶液の濃縮装置は、冷却用熱交換器３３の冷媒循環路に、冷媒を冷却して液化させる放熱用熱交換器４０を連結して、この放熱用熱交換器４０を絞り弁３６の排出側に連結している排熱用熱交換器３９に熱結合し、排熱用熱交換器３９で放熱用熱交換器４０を冷却することができる。

本発明の溶液の濃縮方法と濃縮装置は、目的物質をより効率よく回収できる特長がある。それは、本発明の濃縮方法と濃縮装置が、目的物質を含む溶液を超音波霧化室で超音波振動させてミストに霧化すると共に、霧化されたミストを回収する回収室の気相圧力を大気圧以上に加圧して、目的物質を溶液から分離して回収するからである。回収室の気相圧力を大気圧以上に加圧することによって、回収室の気相中の目的物質の飽和蒸気分圧は、大気圧下における飽和蒸気分圧よりも低下する。したがって、本発明では、大気圧以上に加圧されて、飽和蒸気分圧が低下された回収室において、目的物質を効率よく凝集させて回収できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための溶液の濃縮方法と濃縮装置を例示するものであって、本発明は溶液の濃縮方法と濃縮装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

本発明の溶液の濃縮装置は、液面に移行して表面過剰となる物性を有する目的物質を含む溶液から目的物質を分離する。本発明は溶液の溶媒と溶質を特定するものではないが、溶媒は、主として水であるが、水以外にもアルコール等の有機溶媒も使用できる。目的物質を含む溶液は、例えば以下のものである。
(1) 清酒、ビール、ワイン、食酢、みりん、スピリッツ、焼酎、ブランデー、ウイスキー、リキュール
(2) ピネン、リナロール、リモネン、ポリフェノール類などの香料、芳香成分ないし香気成分を含む溶液
(3) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合した物質を含む溶液
(4) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をハロゲンによって置き換えた物質を含む溶液
(5) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基を水酸基によって置き換えた物質を含む溶液
(6) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をアミノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(7) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボニル基によって置き換えた物質を含む溶液
(8) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボキシル基によって置き換えた物質を含む溶液
(9) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をニトロ基によって置き換えた物質を含む溶液
(10) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をシアノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(11) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をメルカプト基によって置き換えた物質を含む溶液
(12) 前述の(3)〜(11)の目的物質に含まれるいずれか一つ以上の原子を金属イオンによって置換した物質を含む溶液
(13) 先述の(3)〜(11)の目的物質に含まれる分子のうち任意の水素原子、炭素原子もしくは官能基を(3)〜(11)の分子のうち任意の分子で置き換えた物質を含む溶液

以上の溶液に含まれる目的物質は、表面に移行して表面過剰となる物性がある。この目的物質は、表面濃度が高くなるので、これを超音波振動させて表面の溶液をミストにして霧化させると、ミストは目的物質の濃度が高くなる。したがって、このミストを凝集して回収すると、目的物質の濃度を高くできる。すなわち、溶液から高濃度の目的物質を含むものを分離できる。

以下、目的物質をアルコールとする溶液から高濃度にアルコールを分離する装置と方法を示す。ただし、本発明は目的物質をアルコールに特定せず、表面に移行して表面過剰となる全ての目的物質を分離できる。

図１ないし図３に示す濃縮装置は、溶液が供給される閉鎖構造の超音波霧化室４と、この超音波霧化室４の溶液を超音波振動させてミストに霧化する複数の超音波振動子２と超音波電源３を備える超音波霧化機１と、超音波霧化室４で霧化されたミストを凝集させて回収する回収室５と、超音波霧化室４で霧化されたミストを搬送気体と共に回収室５に大気圧以上に加圧する状態で供給する圧縮機３５とを備える。搬送気体は空気である。ただ、搬送気体には窒素ガスや炭酸ガス等の不活性ガスを使用することもできる。

溶液はポンプ１０で超音波霧化室４に供給される。超音波霧化室４は、供給される全ての溶液をミストとして霧化させない。全ての溶液を霧化して回収室５で回収すると、超音波霧化室４に供給する溶液と、回収室５で回収される溶液のアルコール等の目的物質濃度が同じになるからである。超音波霧化室４に供給された溶液は、ミストとして霧化して容量が少なくなるにしたがって、目的物質の濃度が低下する。このため、ミストに含まれる目的物質の濃度も次第に低下する。超音波霧化室４の溶液は、目的物質濃度が低下すると新しいものに入れ換えられる。

超音波霧化室４は、たとえば、目的物質の濃度が１０〜５０重量％である溶液を霧化して、目的物質の濃度が低下した後、溶液を新しいものに入れ換える。一定の時間経過すると溶液を新しいものに入れ換える方法、すなわちバッチ式に溶液を交換する。ただ、超音波霧化室４に、ポンプ１０を介して溶液を蓄えている原液槽１１を連結し、原液槽１１から連続的に溶液を供給することもできる。この装置は、超音波霧化室４の溶液を排出しながら、原液槽１１から溶液を供給して、超音波霧化室４の溶液のアルコール等の目的物質濃度が低下するのを防止する。また、図２の矢印Ｂで示すように、超音波霧化室４の溶液を原液槽１１に循環することなく外部に排出して、原液槽１１に含まれる目的物質の濃度が低下するのを防止することもできる。

超音波霧化室４の溶液は、超音波霧化機１でミストに霧化される。超音波霧化機１で霧化されたミストは、溶液よりも目的物質濃度が高くなる。したがって、超音波霧化機１で溶液をミストに霧化し、ミストを凝集して回収することで、高濃度な溶液を効率よく分離できる。

超音波霧化室４の溶液は、超音波振動されて、超音波霧化室４の溶液よりも高濃度なミストとなって溶液面Ｗから飛散する。溶液を超音波振動させると、溶液面Ｗに液柱Ｐができ、この液柱Ｐの表面からミストが発生する。図４に示す超音波霧化機１は、溶液を充填している超音波霧化室４の底に、超音波霧化機１の超音波振動子２を上向きに配設している。超音波振動子２は、底から溶液面Ｗに向かって上向きに超音波を放射して、溶液面Ｗを超音波振動させて、液柱Ｐを発生させる。超音波振動子２は、垂直方向に超音波を放射する。

図の超音波霧化機１は、複数の超音波振動子２と、これ等の超音波振動子２を超音波振動させる超音波電源３とを備える。超音波振動子２は、超音波霧化室４の底に水密構造に固定される。複数の超音波振動子２が溶液を超音波振動させる装置は、より効率よく溶液をミストに霧化する。

複数の超音波振動子２は、図５と図６に示すように、防水構造で脱着プレート１２に固定される。複数の超音波振動子２を固定している脱着プレート１２は、図７と図８に示すように、防水構造で脱着できるように超音波霧化室４のケーシング１３に装着される。この脱着プレート１２が超音波霧化室４のケーシング１３に装着されて、各々の超音波振動子２は超音波霧化室４の溶液を超音波振動する。

図５と図６に示す脱着プレート１２は、表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂを備えており、表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂを積層して、表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂの間に超音波振動子２を防水構造で挟着している。表面プレート１２Ａは貫通孔１２ａを開口しており、この貫通孔１２ａに振動面２Ａを位置させて超音波振動子２を表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂに挟着して固定している。裏面プレート１２Ｂは、超音波振動子２を嵌入する凹部１２ｂを設けて、この凹部１２ｂに超音波振動子２を嵌入している。図５の脱着プレート１２は、裏面プレート１２Ｂに凹部１２ｂを設けているが、表面プレートに凹部を設けて、この凹部に超音波振動子を嵌入することもできる。

超音波振動子２と表面プレート１２Ａとの間を防水構造とするために、表面プレート１２Ａと超音波振動子２との間にパッキン１６を挟着している。図５に示す超音波霧化機１は、超音波振動子２と裏面プレート１２Ｂとの間にもパッキン１６を挟着して防水構造としている。ただし、超音波霧化機は、必ずしも超音波振動子と裏面プレートとの間を防水構造とする必要はない。それは、超音波振動子と表面プレートとの間を防水構造とする脱着プレートを超音波霧化室のケーシングの下面に固定して、超音波霧化室の溶液が漏れるのを阻止できるからである。パッキン１６は、ゴム状弾性体のＯリングである。Ｏリングのパッキン１６は、超音波振動子２の振動面２Ａの外周縁と表面プレート１２Ａとの対向面に配設されて、超音波振動子２の振動面２Ａと表面プレート１２Ａとの間を防水構造として、この間から水が漏れるの阻止する。さらに、超音波振動子２の外周と裏面プレート１２Ｂとの間を防水構造で連結する。

パッキン１６は、テフロン（登録商標）、シリコン、天然または合成ゴム等のゴム状弾性体である。このパッキン１６は、超音波振動子２と表面プレート１２Ａとの間、超音波振動子２と裏面プレート１２Ｂとの間に、弾性変形して押しつぶされる状態で挟着されて、超音波振動子２と表面プレート１２Ａ及び裏面プレート１２Ｂの表面に隙間なく密着して連結部分を防水構造とする。ただし、パッキン１６には、銅、シンチュウ、アルミニウム、ステンレス等の金属をリング状に加工した金属パッキンも使用できる。

図５と図６に示す脱着プレート１２は、表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂの片側縁を蝶番１７で連結している。この脱着プレート１２は、裏面プレート１２Ｂと表面プレート１２Ａとを開いて、超音波振動子２を簡単に脱着できる。超音波振動子２を交換するとき、裏面プレート１２Ｂと表面プレート１２Ａが開かれる。この状態で、古い超音波振動子を取り出して新しい超音波振動子２とパッキン１６を所定の位置に入れる。その後、裏面プレート１２Ｂと表面プレート１２Ａを閉じて、超音波振動子２が交換される。閉じられた裏面プレート１２Ｂと表面プレート１２Ａは、蝶番１７の反対側を止ネジ（図示せず）で連結し、あるいは超音波霧化室４のケーシング１３に固定して連結される。

以上の超音波霧化機１は、パッキン１６を使用して防水構造としているが、パッキンの位置にコーキング材を充填して防水構造とすることもできる。さらに、図５に示す超音波霧化機１は、脱着プレート１２を表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂからなる２枚の金属プレート、あるいは非金属の硬質プレートで構成しているが、脱着プレート１２は図９ないし図１１に示すように１枚のプレートとすることもできる。この脱着プレート１２は、金属プレートあるいは非金属硬質プレートで、超音波振動子２を配設する凹部１２ｂを上方に、あるいは貫通孔１２ａを開口して設けている。

図９の超音波霧化機１は、脱着プレート１２の凹部１２ｂに超音波振動子２を入れて、超音波振動子２の外周部分の上下にパッキン１６を配置している。さらに、脱着プレート１２の開口部にリングプレート１８を固定している。リングプレート１８は、超音波振動子２の上面に配置しているパッキン１６を押圧して、超音波振動子２を凹部１２ｂに防水構造で固定する。凹部１２ｂは底に貫通孔１２ｃを設けて、リード線１９を外部に引き出している。

図１０の超音波霧化機１は、パッキンとリングプレートを使用することなく、脱着プレート１２の凹部１２ｂに入れた超音波振動子２をコーキング材２０で接着して防水構造で固定している。この超音波振動子２もリード線１９を凹部１２ｂの底部に開口している貫通孔１２ｃから外部に引き出している。貫通孔１２ｃとリード線１９との間にもコーキング材２０を充填して、水漏れしない防水構造としている。

図１１の超音波霧化機１は、脱着プレート１２に貫通孔１２ａを開口しており、この貫通孔１２ａに振動面２Ａを位置させて、超音波振動子２を脱着プレート１２の下面に固定している。超音波振動子２を脱着プレート１２に固定するために、脱着プレート１２の底面には固定具２１を固定している。超音波振動子２は、外周部分の上下に配置したパッキン１６を介して防水構造で脱着プレート１２に固定している。固定具２１は段差凹部を有するリング状で、外周縁部を貫通する固定ネジ２２が脱着プレート１２にねじ込まれて脱着プレート１２に固定されている。固定具２１は、段差凹部の底面で超音波振動子２の下面に配置しているパッキン１６を押圧して、超音波振動子２を脱着プレート１２に防水構造で固定する。固定具２１は、段差凹部の底面に貫通孔２１Ａを設けており、ここからリード線１９を外部に引き出している。

図７と図８は、超音波霧化機１を固定する超音波霧化室４を示す。これ等の図に示す超音波霧化室４は、ケーシング１３の底面に開口部１３Ａを設けて、この開口部１３Ａを防水構造で閉塞するように脱着プレート１２を固定している。脱着プレート１２は、パッキン２３を介して防水構造でケーシング１３に固定される。脱着プレート１２を固定するために、ケーシング１３の底面には固定金具２４を固定している。固定金具２４はＬ字状で、これを貫通する止ネジ２５で脱着プレート１２を押圧して超音波霧化室４のケーシング１３に固定する。この構造で超音波霧化室４に固定される複数の超音波振動子２は、ケーシング１３の底面から上面に向かって溶液を超音波振動させる。この脱着プレート１２は、超音波霧化室４のケーシング１３の底面に、開口部１３Ａを閉塞するように、しかも脱着できるように装着される。

脱着プレート１２は、図１２に示すように、超音波霧化室４の溶液中に浸漬して、溶液を超音波振動させることもできる。この構造は、簡単に脱着プレート１２を超音波霧化室４に脱着できるように配置できる。溶液中に浸漬される超音波霧化機１は、たとえば図１０に示す構造として、超音波振動子２の振動面２Ａを除く部分を防水構造として脱着プレート１２に固定している。

超音波霧化室４の溶液が超音波振動子２や超音波電源３で高温に加熱されると、品質が低下することがある。この弊害は、超音波振動子２を強制的に冷却して解消できる。さらに、好ましくは超音波電源３も冷却する。超音波電源３は直接には溶液を加熱することはないが、周囲を加熱して間接的に溶液を加熱する。超音波振動子２や超音波電源３は、これ等に冷却パイプを熱結合する状態で配設、すなわち、冷却パイプを接触させる状態で配設して冷却できる。冷却パイプは、冷却機で冷却した液体や冷媒、あるいは地下水や水道水等の冷却水を流して超音波振動子と超音波電源を冷却する。

さらに、図３の濃縮装置は、超音波霧化室４の溶液に気泡を供給する気泡装置２８を設けている。気泡装置２８は、超音波霧化室４の溶液中に気泡供給部２８Ａを配設しており、この気泡供給部２８Ａから溶液に気泡を供給している。このように、超音波霧化室４の溶液に微細な気泡を供給する濃縮装置は、溶液中のガス溶解度を上昇させることにより、溶液中で発生するキャビテーションを促進して、溶液を超音波振動で効率よくミストに霧化できる特長がある。

さらに、図３に示す濃縮装置は、超音波霧化室４の溶液温度を制御する温度制御機構７５を備える。温度制御機構７５は、溶液の温度が所定の温度となるように溶液を冷却する冷却器７６を備える。この温度制御機構７５は、超音波霧化室４に貯溜された溶液の温度を温度センサー７７で検出すると共に、冷却器７６を制御して溶液の温度を３０℃以下に保持する。このように、温度制御機構７５で溶液の温度を制御する濃縮装置は、気泡装置２８から供給される気泡の溶解度を高くできる。

溶液の温度は、超音波振動で溶液をミストに霧化する効率に影響を与える。溶液の温度が低くなると、ミストに霧化する効率が低下する。溶液は温度を低くして、品質の低下を少なくできる。ただ、溶液温度が低いとミストに霧化する効率が低下するので、溶液の温度は、目的物質が温度で変化する特性を考慮しながら、効率よくミストに霧化できる温度に設定される。温度が高くなっても品質の低下が少なく、あるいは問題にならない目的物質は、溶液の温度を高くして効率よくミストに霧化することができる。

さらに、図２と図３に示す濃縮装置は、超音波霧化室４において、超音波振動されて溶液面Ｗにできる液柱Ｐに送風機構２７から風を吹き付けている。図の送風機構２７は、液柱Ｐに風を吹き付けるファン２９を備えている。このように、送風機構２７で液柱Ｐに風を吹き付ける濃縮装置は、液柱Ｐの表面から効率よくミストに霧化できる特長がある。ただ、本発明の濃縮装置は、図１に示すように、必ずしも送風機構を設けて液柱に風を吹き付ける必要はない。

超音波霧化室４で霧化された溶液のミストは、搬送気体を介して回収室５に移送される。ミストを含む搬送気体は、圧縮機３５で回収室５に供給される。圧縮機３５は、超音波霧化室４から搬送気体を回収室５に供給するために、超音波霧化室４の排出側と回収室５の流入側との間に連結している。この圧縮機３５は、搬送気体を超音波霧化室４から吸収して回収室５に供給して、超音波霧化室４のミストを回収室５に供給する。圧縮機３５は、搬送気体を大気圧以上に加圧して回収室５に供給する。圧縮機３５が搬送気体を大気圧以上に加圧して回収室５に供給するのは、回収室５において、気相中の目的物質の飽和蒸気分圧を大気圧下における飽和蒸気分圧よりも低下させて、ミストをより効果的に凝集させて回収するためである。

圧縮機３５には、ピストン式の圧縮機、ロータリー式の圧縮機、ダイヤフラム式の圧縮機、リショルム式の圧縮機等を使用できる。圧縮機３５には、好ましくは搬送気体を０．２〜１ＭＰａの圧力に圧送できるタイプのものを使用する。

図の装置は、回収室５の圧力を高くするために、回収室５の排出側に絞り弁３６を連結している。ただし、圧縮機が回収室に供給する搬送気体の流量が多い場合、必ずしも回収室の排出側に絞り弁を設ける必要はない。回収室の排出側の通過抵抗が大きい場合、圧縮機が多量の搬送気体を回収室に供給して、回収室の圧力を大気圧以上にできるからである。ただ、回収室５の排出側に絞り弁３６を連結して、効率よく回収室５を大気圧以上に加圧できる。絞り弁３６は、ミストの通過を阻止ないし制限しながら回収室５から排出される搬送気体の通過抵抗を大きくして、回収室５の圧力を高くする。絞り弁３６には、開度を調整して搬送気体の通過抵抗を調整できる弁、あるいはキャピラリチューブ等の細管でもって搬送気体の通過抵抗を大きくしてなる配管、あるいはまた配管内に搬送気体の通過抵抗を大きくする抵抗材を充填しているもの等を使用できる。絞り弁３６が通過抵抗を大きくするほど、回収室５の圧力は高くなる。

図１３は、回収室５が大気圧以上に加圧されるにしたがって、搬送気体である空気に含まれる目的物質のエタノール量が減少する状態を示している。このグラフからわかるように、搬送気体の空気は、温度が高くなるにしたがって、気体の状態で含有できるエタノール量が増加する。しかしながら、圧力が高くなると気体の状態で含有できるエタノール量は急激に減少する。たとえば、３０℃において、乾燥空気に含有できるエタノール量は、圧力を大気圧の０．１ＭＰａから０．５ＭＰａと高くすると、含有できるエタノール量は約１／５と著しく少なくなる。気体の状態で含有できる最大エタノール量が少なくなると、最大エタノール量よりも多量のエタノールは、全て過飽和なミストの状態となって、効率よく回収できる。気体の状態で含有されるエタノールは、これをミストにしないかぎり凝集して回収できない。また、超音波振動が目的物質をミストの状態に霧化しても、これが気体の状態に気化してしまうと、凝集して回収できなくなる。このため、超音波振動でミストになった目的物質は、これを気化させることなく、ミストの状態として回収することが大切である。また、ミストが気化しても、過飽和な状態として再び液化させて回収できる。すなわち、目的物質を効率よく回収するためには、ミストになった目的物質を搬送気体に気化させる量をできるかぎり少なくすることが大切である。本発明は、ミストを含む搬送気体を大気圧以上に加圧して、目的物質の飽和蒸気分圧を低くし、これによって搬送気体に含まれる目的物質を気体の状態でなくてミストの状態として効率よく回収する。搬送気体を冷却することで飽和蒸気分圧を低くすることもできるが、加圧する方法は、圧縮機３５でもって極めて簡単に、しかも少ないエネルギーで効率よく飽和蒸気分圧を低くできる特徴がある。さらに、冷却しながら加圧することで、目的物質の飽和蒸気分圧をさらに低くして、目的物質をさらに効率よく回収するとも可能となる。

圧縮機３５が搬送気体を圧縮すると、搬送気体は断熱圧縮されて発熱する。また、搬送気体が絞り弁３６を通過すると、断熱膨張して冷却される。圧縮機３５から回収室５に供給される搬送気体は、ミストを効率よく回収するために冷却するのがよく、発熱すると回収効率が悪くなる。この弊害を少なくするために、図１の装置は、絞り弁３６の排出側と、圧縮機３５の排出側であって回収室５の流入側とを熱交換する排熱用熱交換器３７を設けている。この排熱用熱交換器３７は、絞り弁３６の排出側で断熱膨張して冷却される搬送気体でもって、圧縮機３５で断熱圧縮して加熱された搬送気体を冷却する。

排熱用熱交換器３７は、循環パイプ３８の内部に冷媒を循環させている。循環パイプ３８は、一方を絞り弁３６の排出側に熱結合して、他方を圧縮機３５の排出側に熱結合している。循環パイプ３８を循環する冷媒は、絞り弁３６の排出側で冷却される。ここで冷却された冷媒が圧縮機３５の排出側を冷却する。循環パイプ３８は、図１４に示すように、熱結合させる部分を二重管構造として、搬送気体と冷媒とを熱結合している。

さらに、図１に示す装置は、絞り弁３６の排出側を、冷却用熱交換器３３を冷却する放熱用熱交換器４０に連結する第２排熱用熱交換器３９を備える。この第２排熱用熱交換器３９は、前述の排熱用熱交換器３７と同じ構造で、絞り弁３６の排出側で冷媒を冷却し、この冷却された冷媒で放熱用熱交換器４０を冷却して、放熱用熱交換器４０の内部を循環する冷媒を液化させる。

図１ないし図３の装置は、回収室５と超音波霧化室４を循環ダクト３０で連結して、搬送気体を回収室５と超音波霧化室４とに循環させる。

図２と図３の回収室５は、ミストを冷却して凝集させる冷却用熱交換器３３を内蔵している。冷却用熱交換器３３は、熱交換パイプ３４にフィン（図示せず）を固定している。熱交換パイプ３４に冷却用の冷媒や冷却水を循環させて、冷却用熱交換器３３を冷却する。超音波霧化室４で霧化されたミストは、一部が気化して気体となるが、気体は回収室５の冷却用熱交換器３３で冷却され、結露して凝集されて回収される。回収室５に流入されるミストは、冷却用熱交換器３３に衝突し、あるいは互いに衝突して大きく凝集し、または冷却用熱交換器３３のフィン等に衝突して大きく凝集して溶液として回収される。ミストと気体を冷却用熱交換器３３で凝集して回収した空気は、循環ダクト３０を介して再び超音波霧化室４に循環される。

回収室５において、ミストをより速やかに回収するために、図１５の回収室５は、溶液を散水するノズル６を備える。ノズル６は、循環ポンプ１５を介して回収室５の底部に連結される。循環ポンプ１５は、回収室５に回収された溶液を吸入して、ノズル６から噴霧させる。

図の濃縮装置は、回収室５の上部にノズル６を配設している。上部のノズル６は、下向きに溶液を噴霧する。ノズル６から噴霧される溶液は、超音波霧化機１で霧化されたミストに比較して充分に大きな水滴であって、回収室５の内部を速やかに落下し、落下するときに、回収室５の内部に浮遊しているミストに衝突して、ミストを回収しながら落下する。したがって、回収室５に浮遊するミストを効率よく速やかに回収できる。

図の濃縮装置は、ノズル６を上部に配設しているが、回収室５の下部にノズルを配設することもできる。下部のノズルは、上向きに溶液を噴霧する。このノズルは、回収室の天井に溶液を衝突させる速度で、あるいは、天井の近傍まで上昇する速度で溶液を噴霧する。天井の近傍まで上昇するように噴霧される溶液は、天井の近傍で下向きに方向を変えて落下するので、上昇するときと降下するときにミストに接触して、ミストを効率よく回収する。

図１６の回収室５は、内部に複数枚の邪魔板７を配設している。邪魔板７は、隣接するものとの間にミストを通過できる隙間を設けて、垂直の姿勢で配設している。垂直の邪魔板７は、ミストを表面に衝突させて付着する溶液を自然に流下させて回収できる。図の邪魔板７は、表面を凹凸面として、ミストをより効率よく接触させて回収できるようにしている。

さらに、図１６の回収室５は、ミストを強制送風して撹拌するファン９を設けている。ファン９は、回収室５のミストを撹拌する。撹拌されるミストは、互いに衝突して凝集し、あるいは、邪魔板７の表面に衝突して凝集する。凝集するミストは、速やかに落下して回収される。図のファン９は、回収室５のミストを下向きに送風して循環させる。

図１７の回収室５は、ミストを振動して互いに衝突する確率を高くするミスト振動器８を設けている。ミスト振動器８は、回収室５の気体を振動させる電気振動−機械振動変換器と、この電気振動−機械振動変換器を駆動する振動電源とを備える。電気振動−機械振動変換器は、可聴周波数の音を放射するスピーカーや、可聴周波数よりも高い超音波を放射する超音波振動子等である。電気振動−機械振動変換器が、ミストを効率よく振動させるために、電気振動−機械振動変換器から放射される振動を回収室５で共振させる。このことを実現するために、電気振動−機械振動変換器は、回収室５で共振する周波数で振動させる。いいかえると、回収室５を電気振動−機械振動変換器から放射される振動に共振する形状に設計する。

超音波は人間の可聴周波数を越える高い周波数であるので、耳には聞こえない。このため、超音波を放射するミスト振動器８は、回収室５の気体を激しく振動させて、いいかえると、電気振動−機械振動変換器の出力を極めて大きくして、人間に音の害を与えることがない。このため、超音波はミストを激しく振動して、効率よく衝突させて、速やかに回収できる特長がある。

以上の濃縮装置は、回収室５に、ミストを効率よく凝集させる装置を配設するので、ミストをより速やかに凝集させて高濃度の溶液とすることができる。さらに、図示しないが、本発明の濃縮装置は、回収室に、溶液を噴霧するノズルと、ミストを撹拌するファンと、ミストを振動させる振動器の全てを内蔵させて、最も効率よくミストを凝集できる。また、ミストを凝集させるふたつの装置を内蔵して、ミストを効率よく凝集させることもできる。

超音波霧化室４と回収室５は、好ましくは不活性ガスを充填する。この装置は、不活性ガスによって、超音波霧化室４や回収室５における溶液の変質が防止される。このため、より高品質な状態で高濃度の溶液を得ることができる。

さらに、本発明の濃縮装置は、図示しないが、超音波霧化室に、サイクロン、パンチング板、デミスター、シェブロン、スクラバー、スプレー塔、静電回収機のいずれかを連結してミストを回収することができる。これらの機構は、たとえば、超音波霧化室と圧縮機との間に配置し、あるいは、圧縮機と回収室との間に配置して、回収室と両方で効率よくミストを回収できる。

本発明の一実施例にかかる溶液の濃縮装置を示す概略構成図である。 本発明の他の実施例にかかる溶液の濃縮装置を示す概略構成図である。 本発明の他の実施例にかかる溶液の濃縮装置を示す概略構成図である。 超音波霧化室と超音波霧化機の一例を示す概略断面図である。 超音波振動子と脱着プレートの連結構造の一例を示す拡大断面図である。 図５に示す脱着プレートの平面図である。 脱着プレートを超音波霧化室に装着した状態を示す断面図である。 図７に示す脱着プレートと超音波霧化室の連結構造を示す拡大断面図である。 超音波振動子と脱着プレートの連結構造の他の一例を示す拡大断面斜視図である。 超音波振動子と脱着プレートの連結構造の他の一例を示す拡大断面図である。 超音波振動子と脱着プレートの連結構造の他の一例を示す拡大断面図である。 脱着プレートを超音波霧化室に配置する他の一例を示す断面図である。 加圧下における空気中の絶対エタノール量を示すグラフである。 循環パイプと循環ダクトを熱結合させる構造の一例を示す拡大断面図である。 回収室の一例を示す概略断面図である。 回収室の他の一例を示す概略断面図である。 回収室の他の一例を示す概略断面図である。

符号の説明

１…超音波霧化機
２…超音波振動子 ２Ａ…振動面
３…超音波電源
４…超音波霧化室
５…回収室
６…ノズル
７…邪魔板
８…ミスト振動器
９…ファン
１０…ポンプ
１１…原液槽
１２…脱着プレート １２Ａ…表面プレート １２Ｂ…裏面プレート
１２ａ…貫通孔 １２ｂ…凹部
１２ｃ…貫通孔
１３…ケーシング １３Ａ…開口部
１５…循環ポンプ
１６…パッキン
１７…蝶番
１８…リングプレート
１９…リード線
２０…コーキング材
２１…固定具 ２１Ａ…貫通孔
２２…固定ネジ
２３…パッキン
２４…固定金具
２５…止ネジ
２７…送風機構
２８…気泡装置 ２８Ａ…気泡供給部
２９…ファン
３０…循環ダクト
３３…冷却用熱交換器
３４…熱交換パイプ
３５…圧縮機
３６…絞り弁
３７…排熱用熱交換器
３８…循環パイプ
３９…排熱用熱交換器
４０…放熱用熱交換器
７５…温度制御機構
７６…冷却器
７７…温度センサー
Ｗ…溶液面
Ｐ…液柱

Claims (11)

1. 目的物質を含む溶液を、超音波霧化室(4)で超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを回収室(5)で目的物質を凝集させて回収して、目的物質を溶液から分離する溶液の濃縮方法において、
   回収室(5)の気相圧力を大気圧以上に保ち、気相中の目的物質の飽和蒸気分圧を大気圧下における飽和蒸気分圧よりも低下させることを特徴とする溶液の濃縮方法。
2. 超音波霧化室(4)で発生されるミストを含む気体を圧縮機(35)で回収室(5)に移送して回収室(5)を大気圧以上に加圧する請求項１に記載される溶液の濃縮方法。
3. 回収室(5)内を冷却してミストを凝集させて回収する請求項１に記載される溶液の濃縮方法。
4. 回収室(5)のミストをサイクロン、パンチング板、デミスター、シェブロン、スクラバー、スプレー塔のいずれかで機械的に回収し、あるいはミストを静電気で凝集させて電気的に回収する請求項１に記載される溶液の濃縮方法。
5. 回収室(5)のミストを機械的又は電気的に回収しつつ、かつ回収室(5)内を冷却してミストを回収する請求項４に記載される溶液の濃縮方法。
6. 回収室(5)の排出側において、ミストの通過を阻止ないし制限し、かつ気体の通過抵抗を大きくして、ミストの排出を制限しながら回収室(5)を大気圧以上に加圧する請求項１に記載される溶液の濃縮方法。
7. 目的物質を含む溶液が供給される超音波霧化室(4)と、この超音波霧化室(4)の内部において、溶液を超音波振動でミストに霧化する超音波振動子(2)と、この超音波振動子(2)に接続されて超音波振動子(2)に高周波電力を供給して超音波振動させる超音波電源(3)と、超音波振動子(2)で霧化されたミストを凝集させて回収する回収室(5)とを備え、超音波霧化室(4)で霧化されたミストを回収室(5)で回収して目的物質を溶液から分離する装置であって、
   超音波霧化室(4)の排出側と回収室(5)の流入側との間に、超音波霧化室(4)のミストを吸収して回収室(5)に供給する圧縮機(35)を接続し、この圧縮機(35)で回収室(5)を大気圧以上に加圧し、回収室(5)において気相中の目的物質の飽和蒸気分圧を大気圧下における飽和蒸気分圧よりも低下させてミストを凝集させて回収する溶液の濃縮装置。
8. 回収室(5)に冷却用熱交換器(33)を設けており、この冷却用熱交換器(33)でミストを冷却、凝集して回収する請求項７に記載される溶液の濃縮装置。
9. 超音波霧化室(4)に、サイクロン、パンチング板、デミスター、シェブロン、スクラバー、スプレー塔、静電回収機のいずれを連結してミストを回収する請求項７に記載される溶液の濃縮装置。
10. 回収室(5)の排出側に絞り弁(36)を連結し、この絞り弁(36)の排出側と、圧縮機(35)の排出側であって回収室(5)の流入側とを熱交換する排熱用熱交換器(37)を設けている請求項７に記載される溶液の濃縮装置。
11. 冷却用熱交換器(33)の冷媒循環路に、冷媒を冷却して液化させる放熱用熱交換器(40)を連結しており、この放熱用熱交換器(40)を絞り弁(36)の排出側に連結している排熱用熱交換器(39)に熱結合し、排熱用熱交換器(39)で放熱用熱交換器(40)を冷却する請求項８に記載される溶液の濃縮装置。
    

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