JP2007021300A - 液体の加温・減温装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被処理液４を加温して処理し、ついでその処理液を減温する必要がある液体の加温・減温装置において、その熱効率を上昇させること。
【解決手段】 加温後の処理液１を蒸発器２に供給し、フラッシュ蒸発により蒸発させ、処理液１を減温する。蒸発器２で発生した処理液１の蒸気と被処理液４とを直接接触型熱交換器５に供給し、蒸気を凝縮して被処理液４に混入させ、被処理液４を加温する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一例として排水を処理するため、それを加熱して排水中の有害成分を反応させて固形化し、それを分離・除去した後に環境に悪影響をおよぼさない温度まで排水を減温する装置に関する。

ダムなどの土木工事現場やセメント製品等を製造する設備やプラントなどから排出する排水をろ過して清浄な処理水とする場合、その処理水をろ過材で捕捉していた。ところが、そのセメント中の炭酸カルシウムがろ過材に付着し、それが硬化してろ過材を使用不能にする問題があった。そこで、本発明者らは、すでに特許文献１の排水処理装置として、処理水中の炭酸カルシウムの水和反応を早めて、ろ過材の上流側で、炭酸カルシウムを取り除き、ろ過装置の目詰まりを防止する方法を提案している。

また、他の例として、ジャガイモから澱粉を製造するプラントにおいて、その排水中にはジャガイモに含まれていたたんぱく質その他が混入されている。このような排水は、たんぱく質を除き微生物によって分解処理し無害化することができる。たんぱく質は、各種の問題が生じるため、微生物による分解処理の前段階でそれを取り除く必要がある。その一例として、たんぱく質を含む排水に凝固材を混入し、たんぱく質を凝固してそれを排水表面に浮上させて、すくい取る方法が考えられている。他の方法としては、たんぱく質の変性温度以上に排水を加熱し、たんぱく質を固化させて、それを除去する方法が提案されている。

特開２００３−２３６５６１号公報

セメント系建材などのセメント製品を製造する設備プラントは、その製造装置の内部を頻繁に清掃するする必要がある。これらの濁水中には、微細なセメント硬化粒子（水和物粒子）に加えてセメントの未水和物も含まれている。このような不純物を含む排水をそのまま排水路に排出すると環境を汚染するので、従来から排水処理装置により処理し無害化してから外部に排出している。

そこで、本発明者らがすでに提案した排水処理装置は、排水供給源とろ過部との間に熱交換器を配置し、その熱交換器により排水を加熱し、次いで滞留部で、セメント中の未水和物の水和反応を促進させて、水和物を取り除くものである。このような熱交換装置において、特に目詰まりが生じ難く且つ、エネルギーコストの少ないものが望まれている。さらには、熱交換器の伝熱面へセメント中の炭酸カルシウムの付着のない方法が望まれている。即ち、従来のシェル＆チューブ型熱交換器やプレート型熱交換器を用いると、その伝熱面に水和物が付着し、それが硬化して伝熱性能を低下させるおそれがある。

また、たんぱく質を含む排水に凝固材を混入し、たんぱく質を凝固してそれを排水表面に浮上させて、すくい取る方法は多量の凝固剤を必要とし、経済的でない。たんぱく質を含む排水を加熱して、それを変性し固化させて除去する場合においても、熱交換器の伝熱面にそれが付着して硬化し、熱交換器の性能を極端に低下させたり、流路を閉塞させる問題が生じる。更には他の排水等においても加熱によって排水中に含まれる成分を反応させ、それを固形化して分離・除去するものにおいても、伝熱面への反応生成物の付着に伴う問題が発生する。
そこで本発明はこれらの問題を解決することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、被処理液(4) を加温して処理し、次いでその処理液(1) を減温する液体の加温・減温装置において、
加温状態の前記処理液(1) が供給され、その処理液(1) の一部がフラッシュ蒸発されて、その蒸発に伴い処理液(1) が減温される蒸発器(2) と、
前記蒸発器(2) で発生された蒸気および、加温前の前記被処理液(4) が供給され、その被処理液(4) と前記蒸気とを直接接触させ、蒸気を凝縮して被処理液に混入させることにより、その凝縮に伴い被処理液(4) を加温する直接接触型熱交換器(5) と、
を具備することを特徴とする液体の加温・減温装置である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
上側に前記直接接触型熱交換器(5) が設けられ、下側に前記蒸発器(2) が設けられ、両者のケーシング(5a)(2a)が一体に連結された液体の加温・減温装置である。
請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２において、
低温側の前記加温・減温装置と、高温側のそれとが複数設けられ、
被処理液(4) が低温側の直接接触型熱交換器(6) を通過して高温側の前記直接接触型熱交換器(5) に導かれ、
処理液(1) が高温側の前記蒸発器(2) を通過して低温側の蒸発器(3) に導かれることを特徴とする液体の加温・減温装置である。

請求項４に記載の本発明は、請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、
前記蒸発器(2) は、そのケーシング(2a)内が大気圧に対して減圧（負圧）状態に維持されると共に、前記処理液(1) がノズル(23)を介して下方から上方に噴射される液体の加温・減温装置である。
請求項５に記載の本発明は、請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、
前記直接接触型熱交換器(5) は、多数の充填物が収納された充填層(34)を有し、その各充填物の隙間に、前記被処理液(4) および前記処理液(1) の蒸気が供給され、それらが直接接触するように構成された液体の加温・減温装置である。

請求項６に記載の本発明は、請求項１〜請求項５のいずれかにおいて、
前記直接接触型熱交換器(5) は、前記被処理液(4) が上方から下方に液膜状または多数の液柱状に流下し、それらと前記処理液(1) の蒸気とが直接接触するように構成された液体の加温・減温装置である。
請求項７に記載の本発明は、請求項１〜請求項６のいずれかにおいて、
前記被処理液(4) を加温により排水中の成分を固形化させ、その固形分を取り除いて前記処理液(1) とするものであって、
前記被処理液(4) を前記直接接触型熱交換器(5) で加温する上限温度は、前記成分の変成温度未満とし、その下流側の処理装置(39)で変成温度以上に再加温して、固形分を生成することとした液体の加温・減温装置である。

本発明の液体の加温・減温装置は、蒸発器２と直接接触型熱交換器５とによって、被処理液４を加温するとともに、処理液１を減温するものであるから、構造が簡単で且つ、故障のない装置となりうる。しかも、処理液１の減温と被処理液４の加温とが関連し、互いに影響して、それらが促進される。即ち、蒸発器２で処理液を減温した熱エネルギーは蒸気に吸収され、その熱エネルギーが被処理液４に吸収される。それにより、熱効率のよい、経済的な装置を提供できる。

上記構成において、直接接触型熱交換器５を上側にし、蒸発器２を下側に配置して、両者のケーシング2a，5aを一体に連結した場合には、コンパクトで効率がよく、低コストな装置を供給できる。
上記構成において、低温側と高温側とに複数の加温・減温装置を設け、被処理液４を低温側の直接接触型熱交換器６を通過して、高温側の直接接触型熱交換器５に導き、処理液１を高温側の蒸発器２を通過して、低温側の蒸発器３に導いた場合には、より効率のよい装置となる。即ち、被処理液４は段階的に暖められ、処理液１は段階的に減温され、各直接接触型熱交換器６、５における熱交換を効率よく促進するとともに、蒸発器２,３における熱交換も効率よく促進される。したがって、全体としてコンパクトで効率のよい装置となりうる。

上記構成において、蒸発器２はそのケーシング2a内が大気圧に対して減圧（負圧）状態に維持されるとともに処理液１がノズル23を介して下方から上方に噴射されるものにおいては、蒸発器２内における処理液１の蒸発を効率よく行うことができる。
上記構成において、直接接触型熱交換器５は多数の充填物が収納された充填層34を有し、その各充填物の隙間に被処理液４および処理液１の蒸気が供給され、それらが直接接触するように構成したものにおいては、接触部の表面積が大きく効率のよい直接接触型熱交換器５となりうる。
上記構成において、直接接触型熱交換器５内で被処理液４が上方から下方に液膜状又は多数の柱状に流下し、それと処理液１の蒸気とを直接接触するように構成したことにより、構造がより簡単で、故障し難い装置となりうる。

上記構成において、被処理液４が排水であり、加温により排水中の成分を固形化させ、その固形分を取り除いた処理液１の場合は、被処理液４を直接接触型熱交換器５で加温する上限温度を排水中の成分の変性温度未満とし、その下流側の処理装置39で変性温度以上に再加熱して、固形分を除去することにより、直接接触型熱交換器５の伝熱面の目詰まりを防ぎ、寿命の長い装置を提供できる。即ち、直接接触型熱交換器５内で排水中の成分の固形化が生じることを防止し、熱伝達性能の劣化防止や流路の閉塞防止を行うことができる。

次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の液体の加温・減温装置のブロック図であり、図２はその直接接触型熱交換器５、蒸発器２の縦断面説明図である。
この例では対象とする被処理液４は、その一例としてセメントの未水和物その他を含む排水がある。また、被処理液４の他の例としては、たんぱく質成分を含む食品プラントの排水が適用される。更には被処理液４として、加温により変性する流動性の食品自体にも適用される。いずれにしても、被処理液４を加温して処理し、ついでその処理液１を減温する必要のある液体が対象とされる。
図１の例では、直接接触型熱交換器６，５を二つ配置するとともに、蒸発器２，３を二つ配置している。このようにすることにより、各機器で順次加温または減温できるので一つの装置の熱交換量が少なくなり、一つの装置の大きさを小さくすることができる。

次に、図２は直接接触型熱交換器５、蒸発器２を一体化したものであり、蒸発器２が下側に配置されると共に、直接接触型熱交換器５が上側に配置され、それぞれのケーシング2a、5aがフランジを介してパッキンをはさみ、ボルト等で接続されている。このようにすることにより、機器全体の占有面積を減らすとともに、蒸発器２と直接接触型熱交換器５とを連結する従来の蒸気配管を省略することができる。蒸発器２は、そのケーシング2aの下部にヘッダ22が配置され、そのヘッダ22に処理液入口パイプ21が連通されている。ヘッダ22には多数のノズル23が上方に向けて突設され、そのヘッダ22の上方には液滴収集ロート36が設置されている。液滴収集ロート36の中央には被処理液出口パイプ37の先端が連通する。

次に直接接触型熱交換器５のケーシング5aの横断面は蒸発器２のケーシング2aのそれよりも小に形成されている。ケーシング5a内には、多数の短管状のラシヒリング（充填物）等が充填され、充填層34を形成する。充填層34の上方には、ヘッダ32が配置され、それが被処理液入口パイプ31に連通する。ヘッダ32には多数のノズル33が設けられている。また、ケーシング5aの上端には非凝縮性ガス出口パイプ38が設けられている。

ケーシング5aおよびケーシング2a内は図１に示す真空ポンプ７によって負圧に形成されている。処理液入口パイプ21から流入する処理液１は、ヘッダ22および多数のノズル23を介し、下方から上方に吹き上げられて多数の噴液24を形成する。このときケーシング2a内が負圧に維持されているため、処理液１の一部はフラッシュ蒸発により蒸発し、それに伴い処理液１から蒸発熱を奪って減温し、減温された処理液１がケーシング2aの貯留部25に溜められる。その量はケーシング2a内で蒸発された分だけ減少する。貯留部25内の処理液１は、処理液出口パイプ26を介して下流側の蒸発器３（図１）に第１ポンプ８を介して導かれる。蒸発した蒸気は、ケーシング5aの充填層34の各充填物の隙間を上昇する。

また、被処理液４が被処理液入口パイプ31を介しヘッダ32に導かれ、多数のノズル33より下方に噴射し、充填層34の各充填物の隙間をそれが上方から下方へと流通する。そして、被処理液４と前記の蒸気とが直接接触し、蒸気は被処理液４より冷却されて凝縮する。このときの凝縮熱は被処理液４に吸収され、加温されて充填層34の下方から液滴収集ロート36に液滴35となって滴下する。液滴収集ロート36に収集され、加温された被処理液４は被処理液出口パイプ37を介し、図１に示す処理装置39の再加温装置40に導かれる。その再加温装置40には再加温用蒸気42が導入され、被処理液４を加温し、たんぱく質を変性して固形化させる。ついで、その固形分を含む被処理液４はフィルタ41に導かれ、そのフィルタ41で排水中の固形成分が取り除かれる。なお、固形成分はすでに固形化した後のものであるから、後にフィルタ41から分離することが容易である。固形分が除かれた処理液１は、先の蒸発器２に通じる処理液入口パイプ21に導かれる。そしてケーシング5aの上端に連通した非凝縮性ガス出口パイプ38からは非凝縮性ガス43が外部に導かれる。

充填層34内では、発生した水蒸気が非凝縮性ガスなどとともに、充填層34内を上昇するこのケーシング5a内も第１減圧弁13を介して真空ポンプ７によって負圧に形成されているので、効率よく上昇し、上方から流下する被処理液４に直接接触して次第に凝縮しながら、その流量が減少していく。減圧弁13で設定された圧力は、ケーシング2a及び直接接触型熱交換器５内の水蒸気および温度、被処理液４の温度を規定する。即ち、その圧力は飽和蒸気圧近くになるので被処理液４とケーシング5a内の蒸気それぞれの温度をその圧力で決まる飽和温度に設定され、非凝縮性ガス出口パイプ38に到達するときは、ほとんど全ての水蒸気が凝縮し、その上端では非圧縮性ガスと被処理液４の入り口温度の飽和水蒸気圧程度の水蒸気を含む流れとなって外部に排出される。ケーシング5a内は予め真空ポンプ７で真空引きしているため、装置内の溶存空気は僅かである。そのため非凝縮性ガス出口パイプ38からのガス排出量は極めて少ない。

また、ケーシング2a内では、多数のノズル23経て比較的高温の処理液１が負圧のケーシング2a内に噴出する。このときケーシング2aの負圧によって、盛んにフラッシュし水蒸気が発生する。このとき上方に噴出するノズル23内はケーシング2a内より圧力が高いため、そのノズル23内でキャビテーションを起こすことがなくノズル23内部の損傷を防ぐことができ噴液24を安定して保持することができる。

なお、直接接触型熱交換器５から処理装置39に導かれるとき、その上限温度は排水中の被除去物が変性して固化する温度未満である。この温度制御は前述のように圧力の調整によって行われる。
そして、処理装置39の再加温装置40で変性温度以上に加温され、被除去物を変性して固形化させ、それをフィルタ41で取り除き、処理液１として蒸発器２に供給し、そこで減温して、その処理液１を蒸発器３に供給し、その蒸発器３でその一部を蒸発させ、さらに処理液１を減温する。充分低温に低下した処理液１は、水質検査の後、下水や河川へ排水が可能である。

また、図１において、各装置の上端にはエアー配管が連通され、それが第１減圧弁13および第２減圧弁14を介し真空ポンプ７に連通する。その真空ポンプ７を駆動して、蒸発器２、蒸発器３内で処理液１のフラッシュ蒸発が可能な負圧に減圧している。通常、第１の蒸発器２の減圧の程度は、第２の蒸発器３のそれより小さい。第１の蒸発器２に供給される処理液１の温度がより高温であるから、比較的減圧が小であっても、充分フラッシュ蒸発が起こる。又、圧力を飽和蒸気圧に設定することにより、それぞれの液温（蒸気温度と等しい）を飽和温度に制御することができる。図１において補助熱交換器12は各装置によって、被処理液４の加温が少ないとき、あるいは処理液１の減温が少ないときに補助的に使用される。

図１の例では本発明の加温・減温装置が二つ配置されているが、必要に応じそれを一段とすることも、あるいは三つ以上とすることもできる。
上記充填層34の充填物は一例として２インチ以上４インチ程度の大きめの物を選択することができる。それにより圧力損失を十分低くすることができる。なお、この充填物の大
きさも被処理液４の量により各種選択することができる。また、充填層34の代わりに、ケーシング5a内部を多段式に形成し、被処理液４を多数の膜状に流下させ、あるいは、多数の液柱状に流下させることもできる。特に濃度の高い被処理液４を加温する場合にこの多段式が有効である。

（実施例）
たんぱく質を含む食品プラントの廃水処理につき述べると、被処理液４は一例として15℃程度であり、それが図１に示すごとく、第３ポンプ10を介して第１の直接接触型熱交換器６、第２の直接接触型熱交換器５から処理装置39に導かれ、処理装置39で処理され、第２の蒸発器２、第１の蒸発器３を介して外部に排出される。
排水中のたんぱく質が変性して固化する温度は60℃以上である。そこで、この例では被処理液４は直接接触型熱交換器６によって先ず36℃程度に加温され、ついで直接接触型熱交換器５で57℃程度に加温される。即ち、直接接触型熱交換器で加温される上限温度を除去対象物の変性温度未満としている。そして、処理装置39の再加温装置40で変性温度以上の80℃程度に加温され、たんぱく質を変性して固形化させ、それをフィルタ41で取り除く。

ついで、80℃程度の処理液１を蒸発器３に供給する。蒸発器２に供給された処理水１は、そこで3.6％程度蒸発し、その蒸発に伴い処理液１から蒸発熱を奪って、それを60℃程度に減温させる。その蒸発器２によって発生する蒸気温度は60℃程度となり、それによって被処理液４が前記の如く57℃程度に昇温される。ついで、蒸発器３で処理液１が3.4％程度、40℃程度の蒸気を蒸発し、それに伴って処理液１を40℃程度に減温させる。40℃程度に低下した処理液１は、水質検査の後、下水や河川へ排水が可能である。3.4％程度蒸発した40℃の蒸気は被処理液４を前述のように15℃から36℃まで加温させる。
各装置は第１減圧弁13および第２減圧弁14を介し真空ポンプ７に連通し、蒸発が可能な負圧に減圧している。一例として、蒸発器２は19.9kPaとし、蒸発器３は4.7kPaとすることによって前述のような温度にすることができる。なお、これらの圧力は必要に応じて適宜変更できる。

上記の例で、直接接触型熱交換器５から流出する被処理液４の温度を57℃に保ったとき、処理装置39の再加温装置40はそれを57℃から80℃までの処理液出口パイプ26℃分加温すれば足りるから、処理装置39の加温装置で15℃から80℃まで直接加温する場合に比べ、本発明の装置を用いることにより処理装置39の熱量は３分の１程度で足りる。しかも、処理液の温度をその飽和蒸気圧に対応する温度である適温に減温できる。上記の例では排水について述べたが、本発明にそれに限らず、各種の液体にも実施可能である。

本発明の液体の加温・減温装置のブロック図。 同装置の直接接触型熱交換器５と蒸発器２との一例を示す縦断面説明図。

符号の説明

１ 処理液
２ 蒸発器
2a ケーシング
３ 蒸発器
４ 被処理液
５ 直接接触型熱交換器
5a ケーシング
６ 直接接触型熱交換器
７ 真空ポンプ
８ 第１ポンプ
９ 第２ポンプ
10 第３ポンプ

11 第４ポンプ
12 補助熱交換器
13 第１減圧弁
14 第２減圧弁
21 処理液入口パイプ
22 ヘッダ
23 ノズル
24 噴液
25 貯留部
26 処理液出口パイプ

31 被処理液入口パイプ
32 ヘッダ
33 ノズル
34 充填層
35 液滴
36 液滴収集ロート
37 被処理液出口パイプ
38 非凝縮性ガス出口パイプ
39 処理装置
40 再加温装置
41 フィルタ
42 再加温用蒸気
43 非凝縮性ガス

Claims (7)

1. 被処理液(4) を加温して処理し、次いでその処理液(1) を減温する液体の加温・減温装置において、
   加温状態の前記処理液(1) が供給され、その処理液(1) の一部がフラッシュ蒸発されて、その蒸発に伴い処理液(1) が減温される蒸発器(2) と、
   前記蒸発器(2) で発生された蒸気および、加温前の前記被処理液(4) が供給され、その被処理液(4) と前記蒸気とを直接接触させ、蒸気を凝縮して被処理液に混入させることにより、その凝縮に伴い被処理液(4) を加温する直接接触型熱交換器(5) と、
   を具備することを特徴とする液体の加温・減温装置。
2. 請求項１において、
   上側に前記直接接触型熱交換器(5) が設けられ、下側に前記蒸発器(2) が設けられ、両者のケーシング(5a)(2a)が一体に連結された液体の加温・減温装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   低温側の前記加温・減温装置と、高温側のそれとが複数設けられ、
   被処理液(4) が低温側の直接接触型熱交換器(6) を通過して高温側の前記直接接触型熱交換器(5) に導かれ、
   処理液(1) が高温側の前記蒸発器(2) を通過して低温側の蒸発器(3) に導かれることを特徴とする液体の加温・減温装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、
   前記蒸発器(2) は、そのケーシング(2a)内が大気圧に対して減圧（負圧）状態に維持されると共に、前記処理液(1) がノズル(23)を介して下方から上方に噴射される液体の加温・減温装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、
   前記直接接触型熱交換器(5) は、多数の充填物が収納された充填層(34)を有し、その各充填物の隙間に、前記被処理液(4) および前記処理液(1) の蒸気が供給され、それらが直接接触するように構成された液体の加温・減温装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかにおいて、
   前記直接接触型熱交換器(5) は、前記被処理液(4) が上方から下方に液膜状または多数の液柱状に流下し、それらと前記処理液(1) の蒸気とが直接接触するように構成された液体の加温・減温装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかにおいて、
   前記被処理液(4) を加温により排水中の成分を固形化させ、その固形分を取り除いて前記処理液(1) とするものであって、
   前記被処理液(4) を前記直接接触型熱交換器(5) で加温する上限温度は、前記成分の変成温度未満とし、その下流側の処理装置(39)で変成温度以上に再加温して、固形分を生成することとした液体の加温・減温装置。

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