JP2008082584A - 遠心薄膜乾燥機 - Google Patents

Abstract

【課題】種々の処理液性状に対して広範囲な流量範囲で対応することができ、処理液の良好な分散性を得ることができるようにする。
【解決手段】縦長円筒状の加熱胴２、加熱胴内の上部に処理液を導入する処理液入口３、加熱胴内での加熱により発生する処理液蒸気を外部に排出する処理液蒸気出口４、加熱胴の軸心位置に配置された回転軸６、回転軸と一体回転して処理液を加熱胴内で分散させる分散環１７、濃縮および乾燥により生成される粉体を加熱胴の内周面から掻落とすブレード７を備え、処理液入口を構成する管台１７の内部に、分散環の外周面に向って処理液を噴射する内挿管２２を交換可能に設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は廃液処理設備等に適用する遠心薄幕乾燥機に係り，特に原子力発電設備で発生する放射性廃液の乾燥粉体化処理に好適な遠心薄膜乾燥機に関する。

一般に廃液処理設備においては、廃液物量の減容を図ることが主要目的の一つとされており、特に敷地内への廃棄物貯蔵スペースが問題となる原子力発電プラントにおいては、放射性廃液を２０重量％程度に濃縮した後、減容固化（粉体化）し、極力廃棄物を少なくすることが望まれている。

従来では、このようなプラント廃液等の処理液を減容固化する装置として遠心薄膜乾燥機が多用されている。遠心薄幕乾燥機として、よく知られている構成は、縦長円筒状の加熱胴の軸心位置に回転軸を設け、この回転軸に放射状に取付けたブレードにより、加熱胴内に供給される処理液に遠心力を作用させ、処理液を加熱胴の内周面に薄膜状に形成するとともに、ブレードによって処理液の加熱、濃縮および乾燥により生成される粉体を加熱胴の内周面から掻落とすようにするものである。

原子力プラントで適用される放射性廃液処理用の遠心薄膜乾燥機の構成としては、縦長円筒状の加熱胴の上部に処理液を導入するための処理液入口および加熱により発生する処理液蒸気を排出するための処理液蒸気出口を有し、加熱胴の下部には処理液の乾燥によって生じる処理液乾燥紛体を排出するための円錐コーンからなる処理液乾燥粉体排出口を有している。

加熱胴の外周側は、蒸気出入口付きの蒸気ジャケットによって囲まれ、供給される熱媒体としての蒸気によって加熱されるようになっている。この蒸気ジャケットで囲まれる加熱胴の壁面が伝熱面となる。加熱胴の軸心位置に配置された回転軸は、上下端部がメカニカルシール付きの上部軸受および下部軸受によってそれぞれ支持されており、上端部が電動機にベルト等の動力伝導機構を介して連結されて回転駆動されるようになっている。

回転軸には、処理液入口にその外周面を対向させる配置で分散環が一体回転可能に設けられており、処理液入口から加熱胴内に供給される処理液を、この分散環のリング溝状の外周面で反射させて加熱胴内で遠心方向に分散させるようになっている。そして、回転軸の分散環下方部位、すなわち蒸気ジャケットによって囲まれる部位に、ブレードが放射状に、かつ軸方向に複数段、回転軸と一体回転可能に取付けられている。このブレードは、例えば回転軸の外周面に突出するブレード支持金具に固定ピンを介して取付けられ、ブレードの先端部がそれぞれ加熱胴の内周面に僅少な隙間をあけて対向している。

沸騰水型原子力発電プラントにおいては、溶解性固形分である硫酸ナトリウムを主成分とする廃液が発生し、この廃液が処理液として適用される。そして、運転時には加熱胴が蒸気ジャケットへの蒸気供給によって加熱されるとともに、回転軸が回転している状態で処理液が処理液入口から加熱胴内に供給され、分散環で衝突して周方向に均一に反射された後、重力により加熱胴の内周面に沿って流下する。

流下した処理液は、ブレードの回転により、加熱胴の内周面に遠心力で押付けられ、薄膜状になる。この薄膜状の処理液は、加熱胴の外側を覆うジャケット内を流れる蒸気で加熱されて濃縮され、硫酸ナトリウムなどの溶解成分が析出したスラリとなり、加熱胴の伝熱面途中でその流下が止まる。

このスラリの液膜を、ブレードの回転により伝熱面上で強制的に掻落とし、さらに乾燥して析出固化体（粉体）となった廃棄物を、所定の含水率以下とし、乾燥粉体排出口から排出して回収する。また、処理液の加熱により発生した蒸気は、加熱胴の下部に設けられた蒸気出口から排気される。

なお、供給された温水は伝熱面上で全量蒸発処理されることが要求されるため、コンパクトな遠心薄膜乾燥機とするためには分散性が非常に重要となる。従来では、加熱胴下部の電熱面上では液膜切れによるこげつき、電熱面積の減少等を防止するため分散環に堰を設けたり（特許文献１参照）、回転軸に傾斜状の分配流路を設けたり（特許文献２参照）、デストリビュータを設けること（特許文献３参照）等が開示されている。

また、電熱胴に開口部を設けて電熱胴全周に亘って均一に液を供給すること（特許文献４参照）、加熱胴の周壁に開口を形成すること（特許文献５参照）、分散環にフィンを設けること（特許文献６参照）、分散環をテーパ形状とすること（特許文献７参照）等が開示されている。

さらに、伝熱面の汚れ付着等による熱伝達率性能低下を防止するため、処理液に替えて定期的に温水を供給し、蒸発処理をしつつ伝熱面の洗浄を行う運転を採用すること、（特許文献８参照）、電熱胴内の処理液の挙動等についての解析（非特許文献１参照）等が開示されている。
実開昭５６−２９０１号公報 特開昭５９−３３０１号公報 特開昭６１−２２０７０１号公報 実開昭６３−４３６０１号公報 特開昭６４−７５００１号公報 実開平２−５７１０２号公報 特開２０００−２３０７７８号公報 特開平１−３０６０１号公報 「熱交換器設計ハンドブック」光学図書株式会社 ７９６頁〜８１７頁

上述した遠心薄膜乾燥機においては、適用する設備によって処理液性状、処理液流量が異なるため、適用設備に適した遠心薄膜乾燥機をその都度、設計し直さなければならなかった。

また、処理液入口から加熱胴内に供給される処理液が分散環のリング溝状の外周面で反射させて加熱胴内で遠心方向に分散させる際に均一に分散させる必要があるが、同一遠心薄膜乾燥機で異なる性状、流量の処理液を供給した場合には、一方の条件で良好な分散性が得られても、他方の条件では分散性が悪くなり、有効伝熱面積が減少し、粉体排出口から排出して回収される粉体は所定の含水率以下とならなくなり、後工程の装置での粉体移送中に閉塞事象が発生する問題があった。これは、粉体排出口から排出する粉体の許容含水率が小さいときには特に問題となる。

さらに、一般の遠心薄膜乾燥機では、定期的に内部を洗浄することで、伝熱面のスケールを除去し、熱伝達率の維持を図っているが、原子力施設の遠心薄膜乾燥機では、二次廃棄物となる洗浄廃液の発生をできる限り低減する必要があること、長期連続処理運転が要求されることから、徐々に蓄積する伝熱面の汚れ付着等による熱伝達率性能低下を防止するため、処理液に替えて定期的に温水を供給し、蒸発処理をしつつ伝熱面の洗浄を行う運転を採用している。

しかしながら、その場合には、下部に水分を持ち込むと後工程の装置での粉体移送中に閉塞事象が発生するため、供給された温水は伝熱面上で全量蒸発処理されることが要求されるため、コンパクトな遠心薄膜乾燥機とするためには分散性が非常に重要となる。

上述した従来技術においては、分散環形状、給液方法等で改善を図っているが、処理液性状によっては閉塞性、適用における利便性に課題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、種々の処理液性状に対して広範囲な流量範囲で対応することができ、処理液の良好な分散性を得ることができる遠心薄膜乾燥機を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、請求項１に係る発明では、縦長円筒状の加熱胴と、この加熱胴内の上部に処理液を導入する処理液入口と、前記加熱胴内での加熱により発生する処理液蒸気を外部に排出する処理液蒸気出口と、前記加熱胴の軸心位置に配置された回転軸と、前記処理液入口に外周面を対向させる配置で前記加熱胴内に設けられ、前記回転軸と一体回転して前記処理液を前記加熱胴内で分散させる分散環と、前記回転軸に放射状に設けられ、濃縮および乾燥により生成される粉体を前記加熱胴の内周面から掻落とすブレードとを備え、前記処理液入口を構成する管台の内部に、前記分散環の外周面に向って前記処理液を噴射する内挿管を交換可能に設けたことを特徴とする遠心薄膜乾燥機を提供する。

本発明に係る遠心薄膜乾燥機によれば、処理液乾燥時において遠心薄膜乾燥機に流入する廃液は、内挿管によって分散環に導かれ、処理液入口管台と外部配管とのフランジ間に挟持されている内装環を原液の処理量、性質等に応じて交換することにより、使用条件が異なる場合でも、分散環への当り方を最適な状態にすることができる。これにより、適用できる使用条件の範囲拡大が図れるようになり、種々の処理液性状に対して広範囲な流量範囲で対応することができ、処理液の良好な分散性を得ることができる。

以下、本発明に係る遠心薄膜乾燥機の一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態による遠心薄膜乾燥機の要部構成を説明するための横断面図（図２のＡ−Ａ線拡大断面図）である。図２は、同遠心薄膜乾燥機の全体構成を示す縦断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ線断面図（縦断面図）である。なお、本実施形態では、処理液として、原子力プラントで適用される放射性廃液処理用の遠心薄膜乾燥機について説明する。ただし、放射性廃液処理以外の各種処理液についても適用することができるのは勿論である。

まず、図２を参照して遠心薄膜乾燥機１の全体構成について説明する。この遠心薄膜乾燥機１は、原子力プラントで適用される放射性廃液処理用の遠心薄膜乾燥機であり、上下端が開口する縦長円筒状の加熱胴２を備えている。そして、加熱胴２の上部には処理液入口として廃液ｌを導入するための廃液入口３および処理液出口としての廃液蒸気出口４が設けられ、下部には廃液の乾燥によって生じる廃液乾燥紛体を排出するための円錐コーンからなる廃液乾燥粉体排出口５が設けられている。

また、縦長円筒状の加熱胴２の軸心位置には回転軸６が設けられ、この回転軸６に放射状に取付けられたブレード７により、加熱胴２内に供給される廃液ｌに遠心力を作用させ、廃液ｌを加熱胴２の内周面に薄膜状に形成するとともに、ブレード７によって廃液ｌの加熱、濃縮および乾燥により生成される粉体を加熱胴２の内周面から掻落とすようになっている。

加熱胴２の外周側は、蒸気入口８および蒸気出口９を有する蒸気ジャケット１０によって囲まれ、供給される熱媒体としての蒸気ｓ（約１７５℃）によって加熱されるようになっている。この蒸気ジャケット１０で囲まれる加熱胴２の壁面が伝熱面となる。加熱胴２の軸心位置に配置された回転軸６は、上下端部がメカニカルシール付きの上部軸受１１および下部軸受１２によってそれぞれ支持されており、上端部が電動機１３に動力伝導機構としての駆動プーリ１４、ベルト１５および従動プーリ１６を介して連結されて回転駆動されるようになっている。

回転軸６には、廃液入口３にその外周面を対向させる配置で分散環１７が一体回転可能に設けられており、廃液入口３から加熱胴２内に供給される廃液ｌを、この分散環１７のリング溝状の外周面１７ａで反射させて加熱胴２内で遠心方向に分散させるようになっている。そして、回転軸６の分散環１７下方部位、すなわち蒸気ジャケット１０によって囲まれる部位に、ブレード７が放射状に、かつ軸方向に複数段、回転軸６と一体回転可能に取付けられている。このブレード７は、例えば回転軸６の外周面に突出するブレード支持金具７ａに固定ピンを介して取付けられ、ブレード７の先端部がそれぞれ加熱胴２の内周面に僅少な隙間をあけて対向している。

沸騰水型原子力発電プラントにおいては、溶解性固形分である硫酸ナトリウムを主成分とする廃液ｌが発生し、この廃液ｌが処理液として適用される。そして、運転時には加熱胴２が蒸気ジャケット１０への蒸気供給によって加熱されるとともに、回転軸６が回転している状態で廃液ｌが廃液入口３から加熱胴２内に供給され、分散環１７で衝突して周方向に均一に反射された後、重力により加熱胴２の内周面に沿って流下する。なお、図２において、破線矢印ｐは処理液排出蒸気、ｍ、ｏは排出蒸気、ｎは入口蒸気を示している。

流下した廃液は、ブレード７の回転により、加熱胴２の内周面に遠心力で押付けられ、薄膜状になる。この薄膜状の廃液は、加熱胴２の外側を覆うジャケット内を流れる蒸気で加熱されて濃縮され、硫酸ナトリウムなどの溶解成分が析出したスラリとなり、加熱胴２の伝熱面途中でその流下が止まる。

このスラリの液膜を、ブレード７の回転により伝熱面上で強制的に掻落とし、さらに乾燥して析出固化体（粉体）となった廃棄物を、所定の含水率以下とし、乾燥粉体排出口５から排出して回収する。また、廃液の加熱により発生した蒸気は、加熱胴２の下部に設けられた蒸気出口９から排気される。

ところで、上述したように、供給された温水は伝熱面上で全量蒸発処理されることが要求されるため、コンパクトな遠心薄膜乾燥機１とするためには分散性が非常に重要となる。また、遠心薄膜乾燥機１においては、適用する設備によって廃液性状、廃液流量が異なる。

そこで、本実施形態では、図１および図３に示すように、種々の処理液性状に対して広範囲な流量範囲で対応し、処理液の良好な分散性を得るために、処理液入口としての廃液入口３を構成する管台、すなわち処理液入口管台２１の内部に、分散環１７の外周面に向って処理液（処理時における廃液または洗浄時における温水等）を噴射する内挿管２２を交換可能に設けた構成が採用されている。

具体的に説明すると、処理液入口管台２１は加熱胴２に溶接等により一体接合されており、先端部にフランジ２３が設けられている。この処理液入口管台２１のフランジ２３には、廃液または温水等の処理液を供給するための外部配管２４のフランジ２５がボルト２６およびナット２７により着脱可能に連結されている。

内挿管２２は両端部が開口し、外部配管２４側からの処理液を加熱胴２内の分散環１７側に供給できる構成のものである。そして、内挿管２２は処理液入口管台２１よりも小径な所定径のもので、その径は、処理液の異なる性状、流量等、各種処理液毎に対応して設定されている。また、処理液入口管台２１の内径は、複数種類の内挿管２１の異なる外径に対応して収容し得る設定とされ、例えば従来の処理液入口管台２１よりも大径とされている。

本実施形態では、この内挿管２２の先端部２２ａが、加熱胴２の内周面よりも分散環１７側に突出する設定とされている。すなわち、内挿管２２の先端は加熱胴２の内周面よりも分散環１７側に接近している。そして、内挿管２２の加熱胴２への挿入側先端形状は、鋭角に設定されている。

内挿管２２は加熱胴２への挿入側と反対側の端部２２ｂにフランジ部２８を有し、このフランジ部２８が処理液入口管台２１と、この処理液入口管台２１に連結される処理液導入用の外部配管２４との両フランジ２３，２５の接合面部間に挟持固定されている。この内挿管２２のフランジ部２８の両側面には、周方向に離間して内リング２９および外リング３０が設けられ、これら内リング２９および外リング３０の間には、例えば渦巻状のガスケット３１が配置されている。このようなフランジ結合により、内挿管２２が処理液入口管台２１内に液密かつ強固に固定されている。

内挿管２２の処理液噴射方向は、図１および図３に示すように、分散環１７の回転中心に対して偏心しており、かつ分散環１７の回転方向下流側に向けられている。

図４〜図８は本実施形態による作用を示す説明図である。

図４および図５は、加熱胴２の電熱面を軸心回りに３６０°展開した状態で、温度分布により分散状態を想定したものである。図４は内挿管２２を適用した本実施形態の場合を示し、図５は内挿管２２を適用しない従来例を示し、温度差を着色の濃淡にて示している。

図４に示した本実施形態の場合には、斜線矢印で示した給液方向に対し、温度分布が全体的に均等であり、分散が良好な状態と想定することができる。これに対し、図５に示した従来例の場合には、斜線矢印で示した給液方向に沿って層状に温度分布が極端に変化しており、分散不良による有効電熱面積の減少が想定される。すなわち、分散不良により極端な膜厚増加が起こり、これにより液膜のブレードによる飛散等が生じ、排出部温度低下が想定される。

また、図６は分散環１７を模擬した平面図であり、「１〜４」の数字は分散環１７を４分割した状態の各象限を示したものである。図７は従来例における複数流量の各象限での液排出率（縦軸）を、図６の各象限に対応して示したものである。図８は本実施形態における複数流量の各象限での液排出率（縦軸）を、図６の各象限に対応して示したものである。

図７に示したように、従来例においては流量が各象限で大きく相違しており、目標値に対してばらつきが大きいのに対し、図８に示した本実施形態の場合には、流量の相違が各象限で小さく、目標値に対してばらつきが小さい。このことから、本実施形態では分散状態の最適化（脈動抑制、分散性向上）が従来技術に比して向上していることがわかる。

このように、本実施形態によれば、処理液乾燥時においては、遠心薄膜乾燥機１に流入する廃液は、内挿管２２によって分散環１７に導かれる。そして、処理液入口管台２１と外部配管２４とのフランジ２３，２５間に挟持されている内装環２２を原液の処理量、性質等に応じて交換することにより、使用条件が異なる場合でも、分散環１７への当り方を最適な状態にすることができる。

また、本実施形態によれば、処理液入口管台２１の口径を従来構成に比して拡大したことにより、処理液入口管台２１と外部配管２４とのフランジ２３，２５間に挟持されている内装環２２の調整範囲を大きくすることができる。これにより、適用できる使用条件の範囲拡大が図れるようになる。

さらに、本実施形態では、内挿管２２の加熱胴２への挿入側先端形状は、鋭角に設定されるとともに、内挿管２２の先端部２２ａが加熱胴２の内周面よりも分散環１７側に突出する設定とされているため、特に原液の処理量が少ない使用条件において、流入した原液が表面張力により加熱胴２の表面を伝わり、分散環１７に到達できなくなることを防止できるようになる。

本発明の一実施形態による遠心薄膜乾燥機の要部構成を説明する横断面図（図２のＡ−Ａ線拡大断面図）。 本発明の一実施形態による同遠心薄膜乾燥機の全体構成を示す縦断面図。 図１のＢ−Ｂ線断面図（縦断面図）。 本発明の一実施形態による作用説明図。 従来例による作用説明図。 本発明の一実施形態による分散環を模擬した平面図。 従来例による液排出率を示すグラフ。 本発明の一実施形態による液排出率を示すグラフ。

符号の説明

１…遠心薄膜乾燥機、２…加熱胴、３…廃液入口、４…廃液蒸気出口、５…廃液乾燥粉体排出口、６…回転軸、７…ブレード、８…蒸気入口、９…蒸気出口、１０…蒸気ジャケット１０、１１…上部軸受、１２…下部軸受、１３…電動機、１４…駆動プーリ、１５…ベルト、１６…従動プーリ、１７…分散環、１７…処理液入口管台、２２…内挿管、２３…フランジ、２４…外部配管、２５…フランジ、２６…がボルト、２７…ナット、２８…フランジ部、２９…内リング、３０…外リング、３１…ガスケット。

Claims (6)

1. 縦長円筒状の加熱胴と、この加熱胴内の上部に処理液を導入する処理液入口と、前記加熱胴内での加熱により発生する処理液蒸気を外部に排出する処理液蒸気出口と、前記加熱胴の軸心位置に配置された回転軸と、前記処理液入口に外周面を対向させる配置で前記加熱胴内に設けられ、前記回転軸と一体回転して前記処理液を前記加熱胴内で分散させる分散環と、前記回転軸に放射状に設けられ、濃縮および乾燥により生成される粉体を前記加熱胴の内周面から掻落とすブレードとを備え、前記処理液入口を構成する管台の内部に、前記分散環の外周面に向って前記処理液を噴射する内挿管を交換可能に設けたことを特徴とする遠心薄膜乾燥機。
2. 前記内挿管の先端部は、前記加熱胴の内周面よりも前記分散環側に突出する設定とされている請求項１記載の遠心薄膜乾燥機。
3. 前記入口管台の内径は、外径が異なる複数種類の前記内挿管に対応し得る設定とされている請求項１記載の遠心薄膜乾燥機。
4. 前記内挿管の前記加熱胴への挿入側先端形状が鋭角に設定されている請求項１記載の遠心薄膜乾燥機。
5. 前記内挿管は挿入側と反対側の端部にフランジ部を有し、このフランジ部が前記入口管台とこの入口管台に連結される前記処理液導入用の外部配管との接合面部に挟持固定されている請求項１記載の遠心薄膜乾燥機。
6. 前記内挿管の処理液噴射方向は前記分散環の回転中心に対して偏心し、かつ前記分散環の回転方向下流側に向けられている請求項１記載の遠心薄膜乾燥機。

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