JP2009172562A

JP2009172562A - 蒸発装置

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Publication number: JP2009172562A
Application number: JP2008016945A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Iida; 克己飯田
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Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2009-08-06
Anticipated expiration: 2028-01-28
Also published as: WO2009096370A1; JP5578767B2

Abstract

【課題】低設備費・運転費で、塩水の淡水化（脱塩水化処理）は勿論、各種液状物の気化分離処理（特に蒸留乃至固液分離）を効率よく行うことができる新規な構成の蒸発装置を提供すること。
【解決手段】温室効果を有するバラック構造の蒸発塔１８と、該蒸発塔１８内に被処理液の噴射手段が配置された蒸発装置１２。噴射手段は、多数の噴射ノズル３８を備えた上下噴射管４０、４０Ａを、各噴射ノズル３８から噴射される被処理液が衝突可能に対向して配置する。この蒸発装置１２は凝縮装置１４と組み合わせて淡水化装置１６等として使用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、新規な構成の被処理液の蒸発操作（加熱気化）をする際に使用する蒸発装置に関する。本発明の蒸発装置は、単独で、蒸発装置（狭義の）、濃縮装置、脱液乾燥装置等として、更には、適宜、凝縮装置等と組み合わせて、蒸留装置、固液分離装置等として使用可能なものである。

例えば、凝縮装置と組み合わせた場合、海水、地下かん水、かん湖水等の塩水から灌漑用水や飲料用水等を製造するのに好適な固液分離装置とすることが可能である。

本発明の蒸発装置の被処理液としては、噴射ノズルから噴射可能な液状物なら特に限定されない。すなわち、「被処理液」には、塩水等のような「溶液」ばかりでなく「懸濁液（サスペンション）」、「乳濁液（エマルション）」を含む。上記塩水の他に、例えば、果汁、各種薬品、余剰汚泥、下水、工場廃液（例えば、使用済塗料・食用油）等を挙げることができる。

ここでは、海水（塩水）を淡水化（脱塩水化処理）して淡水（脱塩水）及び塩（固形製品）を得る場合を、主として例に採り説明する。

なお、蒸発（装置）とは、溶液中の溶媒を蒸発させて溶質濃縮液を回収する工業的な濃縮処理（装置）を意味するばかりでなく、さらに、蒸留（装置）、乾燥（装置）等の蒸発（気化）操作を伴うあらゆる処理（装置）を含む。

上記の淡水化は、従来、イオン交換法、膜透過法、電気浸透法による方法が主流であった。

上記のような淡水化方法は、高コストであり、設備費（イニシャルコスト）とともに運転費（ランニングコスト）の低廉な淡水化法が要望されていた。特に、砂漠国においては、その必要性が高い（特許文献１段落０００１〜０００３参照）。

上記要望に応えるために、太陽熱を利用して塩分濃度の高い水を蒸留して淡水を得る下記構成の塩水蒸留方式（淡水化装置）が提案されている（特許文献１請求項２参照）。

「塩水が供給される蒸発槽と、該蒸発槽内に設置された循環ポンプ、スプレーポンプ、散水ポンプ及びスプリンクラーと、前記蒸発槽の開口部を覆うように組み立てられたビニールハウスと、該ビニールハウスの内面に設置された集水樋と、ビニールハウスの外部に設置された太陽熱温水器とを備え、昼間は、循環ポンプにより蒸発槽内の塩水を太陽熱温水器に循環させて温水を製造し、これをスプリンクラーに供給、散水させて蒸発させるとともに、散水ポンプによりビニールハウスの外壁面に塩水を供給して壁面を冷却させ、夜間は、蒸発槽内の水をスプリンクラーにより散水させて蒸発させ、ビニールハスの壁面内側に生じる結露を集水樋に集めることを特徴とする塩水蒸留方式。」
しかし、上記構成の塩水蒸留方式は、本発明における蒸発装置とは、原理・作用が異なり異質である。
特開平１０−２８６５５８号公報（特許請求の範囲等）

本発明は、上記特許文献等に開示は勿論示唆もされておらず、低設備費・運転費で、塩水の淡水化（脱塩水化処理）は勿論、各種液状物の蒸発操作を効率よく行うことができる新規な構成の蒸発装置を提供することを目的とする。

本発明の蒸発装置は、上記課題を、下記構成により解決するものである。

温室効果を有する装置本体（蒸発塔）と、該蒸発塔内に被処理液の噴射手段が配置された蒸発装置において、
前記噴射手段は、多数の噴射ノズルを備えた噴射管を備え、前記各噴射ノズルから被処理液（懸濁液を含む。）を前記蒸発塔の内側中央部寄りに噴射可能とされている。

温室効果の一番高い蒸発塔内側中央部寄りに向かって被処理液が噴射され、被処理液の蒸発乃至濃縮化、更には、固液分離が促進される。蒸発塔内側中央部よりが、外壁面全体からの熱エネルギーが集合するとともに、壁面からの放熱の影響を受けにくく、温度分布が安定して高くなる。

また、蒸発塔を、太陽を熱源とする温室効果を有するものを使用するため、運転費が低廉となる。

噴射手段は、多数の噴射ノズルを備えた噴射管が、前記各噴射ノズルから噴射される被処理液（懸濁液を含む。）が衝突可能に対向して配置させることができる。

被処理液を温室雰囲気内で噴射衝突させることにより、溶媒（液体）は微細化（通常、霧化）されて、蒸発（気化）が促進されると同時に、溶質（固体）も固体粒子の表面水（付着水）蒸発が促進されて、濃縮化乃至乾燥化が促進される。

上記噴射手段は、前記噴射管を上下に配し、前記上・下噴射管の各噴射ノズルの噴出方向を中間位置で衝突可能に斜め方向とする構成とすることができる。

また、上記構成とは別態様として、前記噴射管の噴射ノズルが、該噴射管の上方位置内側で渦噴射流を発生可能な湾曲状ノズルである構成とすることもできる。

この場合は、噴射渦流は、円滑に上昇し、高沸点成分、濃縮液乃至固形分離は自重落下して、一本の噴射管でも、蒸留・濃縮・固形分離操作をより円滑に行うことができる。

また、上記各構成において、底盤と骨材とで形成される骨組みと透明材で形成される外壁部とを備えたバラック構造とすることができる。バラック構造とした場合は，組立・解体が容易となり、設備費も低廉となる。

そして、上記各構成の蒸発装置は、凝縮装置と組み合わせ使用することができる。こうした場合は、淡水化装置、塩回収装置、蒸留装置、更には、乾燥装置等として多用な目的への使用が容易となる。

前記凝縮装置の凝縮塔を、凝縮液貯液部を形成する浴槽と骨材で形成される骨組みと、断熱材で形成される外壁部とを備えたバラック構造とすることができる。

蒸発塔をバラック構造とするのと同様に、組立・解体が容易となり、設備費も低廉となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（１）第一実施形態（第１図）
本実施形態は、蒸発装置（加熱気化装置）１２と凝縮装置１４とから構成された淡水化装置（固液分離装置）１６である。この淡水化装置１６は、当然、他の各種被処理液の気化（蒸発）処理を介しての蒸留、固液分離、脱液乾燥等の操作に使用することができる。

蒸発装置１２は、基本的には、温室効果を有する蒸発塔（装置本体）１８と、該蒸発塔１８内に液状物噴射手段２０が配設されている。

具体的には下記の通りである。

蒸発塔１８は、図例では、天井部円錐台状とされた円筒体とされている。蒸発塔１８は、図例の形態に限られず、角筒体、矩形箱体等形状は任意である。天井部は、通常、蒸発物を円滑に集合・排出（排気）可能に断面テーパ状乃至半球状とする。天井部は、上端に筒体で形成された排気口２２を備えている。

なお、蒸発塔１８の大きさは、例えば、底盤面積：1〜700ｍ²、高さ：3〜20ｍ程度のものとする。

そして、蒸発塔１８は、通常の温室（グリーンハウス）、と同様、下記のような、組立て・解体容易なバラック構造とする。バラック構造とすることにより、設備費が低廉となる。

底盤２４と、底盤２４上に形成される骨材２６とで本体形状を構成する骨組２８を形成し、該骨組（フレームワーク）に、可撓性を有する透明プラスチックシート（例えば、ビニルシート）を被せたり、透明無機・有機ガラス等の透明板材を組み付けたりして外壁部３０を形成する。

骨材２６としては、金属パイプ、プラスチックパイプ、木材、竹等、適宜選定できる。

上記外壁部３０は、断熱性、露結防止などの見地から薄手透明材で内張り３１をすることが望ましい。前記透明プラスチックシートや有機・無機ガラスで二重壁構造としてもよい。

なお、薄手透明材としては、断熱性透明布体（寒冷紗）を使用できる。寒冷紗は、断熱性、露結防止性に優れるとともに、クリップ・フック止めやカーテン式で取り付けることが容易にでき、取り替えも容易である。

また、本実施形態では、必然的ではないが、底盤２４が加熱ジャケット構造（加熱構造）とされるとともに、架台３２上に支持されている。

具体的には、底盤２４のジャケット部２４ａに加熱媒体（温水や蒸気）を導入可能に開閉弁付きの加温媒体導入口３４を備えるとともに、底部側に開閉弁付きのドレン口３６を備えている。さらに、前記排気口２２も二重管構造とされるとともに、前記ジャケット部２４ａと排気口２２とが、両者を接続する骨材２６をパイプで形成して連通可能とされている。こうして、底盤２４のジャケット部２４ａに導入された熱媒体が骨組２８を形成するパイプを経て排気口２２を形成する二重管の環状状空間に到達することにより加温可能となっている。なお、２３は開閉弁付きの蒸気用排気口である。

また、必然的ではないが、下噴射管４０Ａの若干上方外方位置で蒸発塔１８の内周壁近傍には加温管（補助加熱手段）１９が配されている。加温管１９の代わりに電熱ヒータ等であってもよい。

ここで、蒸発塔１８及び凝縮塔５０の大きさは、特に限定されない。例えば、処理量、設置場所等の環境に応じて、
蒸発塔１８：底面積１〜700ｍ²、高さ3〜20ｍ、
凝縮塔５０：床面積：3.5〜23ｍ²、高さ3.5〜23ｍ
の範囲から適宜選定する。

なお、蒸発塔を超大型、例えば、一辺約3ｍ以上の箱体（約25ｍ³以上）とする場合は、底盤をコンクリートや地面（土間、タタキ）からなるものとしてもよい。そのときは、加熱手段（加熱配管や電熱ヒータ等）を地中又は地表に配してもよい。

上記の如く加熱手段を配するのは、太陽熱を利用できない場合（夜間や曇・雨天時等）にも蒸発装置を連続的に稼動させたいときを想定したものである。

また、液状物噴射手段２０は、多数の噴射ノズル３８を備えた噴射管４０、４０Ａが、前記各噴射ノズル３８から噴射される被処理液（懸濁液を含む。）が衝突可能に対向して配置して構成する。衝突位置は、通常、温室効果蒸発塔の内側中央部寄りとする。

図例では、多数の噴射ノズル３８を備えたリング状の一対の上・下噴射管４０、４０Ａが、上下に配され、上・下噴射管４０、４０Ａの各噴射ノズル３８の噴出方向が中間位置で衝突可能に斜め方向（若干内側）とされている。これにより、被処理液の衝突位置が下噴射管４０Ａの内側に位置する結果となる。すなわち、海水から塩を回収するような場合、噴射ノズルの目詰まりを可及的に少なくすることができる。

ここで、噴射ノズルの先端傾斜角度（ノズル噴射）αは、被処理液体（被蒸発物）の粘度、濃度等により異なり、通常、5〜45°の範囲で適宜選定する。例えば、海水の場合、10〜30°、望ましくは15〜25°とする。

ここでは、噴射管４０、４０Ａはリング状としたが、複数本の噴射管を並列に配したり、格子状とした連通管を使用したりすることもできる。

なお、噴射管の対向形態は、上下としたが、対向形態を、左右や前後としたり、リング噴射管の内側に噴射ノズルを形成したりして、横方向で衝突させることも可能である。

そして、本実施形態では、蒸発装置１２は、被処理液から液体成分を蒸発させ、溶質（塩）を回収するための装置であるため、底盤２４の直上にかき寄せレーキ４２が配されている。該かき寄せレーキ４２は、減速モータ４４の駆動軸４４ａに連結さている。そして、底盤２４の掻き寄せレーキ（傾斜板）４２のかき寄せ部位には開閉弁付きの製品取り出し口４６が形成されている。該製品取り出し口４６の下方には、回収箱４８を配する。こうして、塩（固形物乃至濃縮スラリー）を回収可能となっている。

なお、掻き寄せレーキ４２の回転速度は、蒸発残留物の種類、堆積態様により異なる。通常、0.5〜3min^-1の範囲で適宜選定する。

そして、凝縮装置１４は、蒸発塔１８の排気口２２と、凝縮塔５０の上部に形成された蒸気導入口４９に、連結管５１を介して接続され、蒸発装置１２からの蒸気を導入可能とされている。

凝縮装置１４の凝縮塔（装置本体）５０内に、底部側が熱交換パイプ５２を配した凝縮液貯部（浴槽）５４とされ、該凝縮液貯部５４の上方には接触充填材５６が配され、更に、凝縮塔５０の蒸気導入口４９の上方位置に散水管５８が配されている。そして、該散水管５８の入口には前記凝縮液貯部５４からの凝縮液を循環散水可能に、循環ポンプ６０を備えた循環配管６２を介して接続されている。なお、凝縮液貯部５４の中間高さ位置には淡水回収のための溢流管５５が設けられている。該溢流管５５には、図示しないが、ホース等により貯水タンクや灌漑用ポンプが接続される。

なお、凝縮塔５０も、蒸発塔１８と同様、凝縮液貯部５４を形成する浴槽と骨材とで骨組みを形成し、アルミ箔や反射板等で外壁部３０を形成して組立て・解体容易なバラック構造とすることができる。

上記熱交換パイプ５２には、冷却熱媒体が通過可能とされている。なお、冷却熱媒体は、海水（被処理液）でもよく、さらには、クーリングタワーやチラーで冷却された冷却熱媒体であってもよい。

接触充填材（充填材）５６は、特に限定されず、通常の充填材として使用されるラシヒリング等でもよいが、特許第193139号に記載された下記構成のもの（充填物要素）が望ましい。他の充填材に比して接触効率が良好である。

「冷却塔の向流接触部の高さに対応して裁断した多数本の合成樹脂製の扁平網管を、独立揺動可能に並列させて少なくとも上端で連結した板状充填物要素。」
上記散水管から噴射される循環水の噴射圧を所定圧（例えば0.1MPa以上）とすれば、エジェクター効果（吸引効果）により、蒸発装置からの蒸気の導入が促進される。

本実施形態では、太陽熱温水器６４を介して被処理液（海水等）を蒸発装置１２に供給可能となっている。太陽熱温水器６４の設置場所は、本実施形態では、凝縮塔５０の天井部に設けられている。該太陽熱温水器６４は、その出口６４ｂと蒸発塔１８の噴射管４０、４０Ａの入口４０ａ、４０ａとの間に被処理供給配管を配設可能なら、設置位置は特に限定されない。また、太陽熱温水器６４の入口６４ａと被処理水（原料）の取水口との間に前記熱交換パイプ５２を介してもよい。

また、上記凝縮塔（凝縮装置本体）５０を、蒸発塔（蒸発装置本体）１８の北側又は西側に配するとともに、凝縮塔５０の外周面には反射処理膜を形成し又は反射フィルムで被覆しておくことが望ましい。蒸発装置１２の太陽熱利用率を増大させることができる。

上記反射処理膜としては、鏡面めっき等を、反射フィルムとしては、シルバービニルやアルミ蒸着遮熱・断熱シート等を使用できる。同様に、凝縮塔の外壁部３０の内周面に遮熱・断熱シートを配設したり、反射処理を施したりしてもよい。

これらの処理により、凝縮塔の冷却・保温効果の増大を期待できる。

上記凝縮塔本体の構造材（骨材）及び壁材は、前記蒸発塔１８におけるそれらと同様のもので形成することができる。

次に、上記淡水化装置の使用態様(実施例)について、説明する。

図１に示す淡水化装置において、蒸発塔１８として内径2ｍ、内高さ6ｍの、及び、凝縮塔５０として内径60ｃｍ、内高さ6.5ｍのものを用いて、海水の淡水化処理を秋季に行った。

下噴射管および上噴射管は、下記仕様のものを用いた。

下噴射管・・・環中心径：180ｃｍ、管内径：4ｃｍ、噴射ノズル（ノズル径0.4ｍｍ、ノズル傾斜角度α：10°）：70個、
上噴射管・・・環中心径：80ｃｍ、管内径：4ｃｍ、噴射ノズル（ノズル径0.4ｍｍ）：30個、
環境条件は、天気：晴れ、気温：25℃で、蒸発塔内温度：31℃、湿度（ＲＨ）48％のとき、海水を取水ポンプ(図示せず。)で加圧（0.15MPa）して噴射量：600 dm³ｈ^-1の条件で噴射させた。

なお、取水ポンプは、マグネット型で、口径：20A、揚程：18ｍ、吐出量：20 dm³min^-1の仕様のものを使用した。

また、循環ポンプ６０は、ライン型で、口径：32A、揚程：8ｍ、吐出量：150dm³min^-1の仕様のものを使用した。

その結果、凝縮塔５０の溢流管５５から573 dm³ｈ^-1の淡水が得られた。また、蒸発塔の製品取り出し口からは、1500ｇh^-1の海水塩が回収できた。

なお、上記において、噴射管を下噴射管４０Ａのみとしたり、上噴射管４０も上方へ噴射する構成としたりすることもできる。このとき、図２に示す如く、噴射管４０Ａの噴射ノズル３８を、該噴射管の上方位置内側で渦噴射流を発生可能な湾曲状ノズルとしてもよい。すなわち、先端傾斜角度αを5〜45°とするとともに、通常、北半球では、反時計回り（左旋回）に、南半球では時計回り（右旋回）の噴射渦流を発生可能にひねり加えた形状のノズルをリング状の噴射管に取り付ける。地球の自転によるコリオリ力を利用するためである。

こうして、蒸発塔の内側中央部に向かう渦流を発生させれば、水蒸気は円滑に上昇して排気口２２に向かい、連結管５１を経て凝縮装置１４の上記導入口４９へ導入される。一方、海水塩（含水物を含む。）は自重により底盤上に落下する。

（２）第二実施形態（図３）
図２に示すものは、図１に示す実施形態において、凝縮装置１４を廃し、蒸発装置１２Ａのみからなり、蒸発成分を回収せずに、大気に放出させて、製品取り出し口４６から固形成分（乾燥物）、スラリー成分、乃至、高沸点成分を回収するものである。

図１と同一部分については、同一図符号を付して、それらの説明を省略する。

以下、異なる部分について、説明をする。

蒸発塔１８の天井部はドーム状とされ、排気口２２の上端開放部は、雨水等が浸入しないように、陣笠状のキャップ６６が取り付けられている。なお、キャップ形状は陣笠状に限られず逆お椀形等でもよい。更には、排気口２２を形成する筒状体の先端を直角方向乃至下方に若干向ければ、雨水等の浸入防止のためのキャップは不要である。

そして、本実施形態では、蒸発装置（蒸発塔）の大きさに見合った反射鏡６８を１個（複数個でもよい。）設置する。

赤道直下から緯度が高くなるにつれて、太陽熱照射温度が低下傾向にあるためである。たとえば、北半球では、北西側の日当たりが悪くなり、全体的な温度上昇を望めない（良好な温室効果を得難い。）。

反射鏡６８は、角度調整治具６９を介して台車付き支持棒７０に支持されている。反射鏡６８の鏡面は、ガラス鏡、樹脂めっき板、鋼めっき板等任意である。

ちなみに、秋季晴天日に、プラスチック製のボール（φ8ｃｍ）を用いて反射鏡を日影部分に当てた場合と当てない場合について表面温度を測定したところ、前者：34℃、後者：26.5℃であった。同時にボールの日照部分表面温度：34.5℃であった。

なお、上記各実施形態において、蒸発塔１８が大型の場合は、噴射管は、一対乃至一個に限られず、複数対乃至複数個設けることもできる。

本発明の蒸発装置は、泥水や排水処理施設の余剰汚泥水、更には塗料等の懸濁液（スラリーを含む）の処理（固液分離）も可能となる。

すなわち、それらの被処理液を、凝集剤を使用する凝集操作を経て脱水機で脱水処理することなく固液分離が可能となる。

すなわち、噴射ノズル径を、スラリー中の固形分散粒子が通過可能なものとすれば、蒸発塔内に、固形分散粒子と液体を同時噴射させることにより、固形分散粒子は重力落下して床面に堆積するとともに、液体は蒸発する。

液体は凝縮装置で凝集させれば、被処理液が水系の場合は蒸留水として、被処理液が溶剤系の場合は、再生溶剤として回収可能となる。

特に、石油枯渇化が近い将来に到来することが予想される中近東のような砂漠地域においてはグリーン化が希求、すなわち、農作物の耕作限界地の拡大が希求されている。このような地域において、本発明の淡水化装置を使用すれば、塩水（海水、かん湖水、地下かん水）を低コストで脱塩水を得て灌漑用水に用い耕作限界地（グリーン化）拡大に対する寄与が期待できる。

本発明の蒸発装置を凝縮装置と組み合わせた蒸発／凝縮装置の一形態を示すモデル図である。図１において適用可能な噴射管の他の形態を示す斜視図である。同じく蒸発装置を反射装置と組み合わせた他の一形態を示すモデル図である。

符号の説明

１２、１２Ａ・・・蒸発装置、
１４・・・凝縮装置、
１６・・・淡水化装置、
１８・・・蒸発塔（蒸発装置本体）
３８・・・噴射ノズル
４０・・・上噴射管
４０Ａ・・・下噴射管
５０・・・凝縮塔（凝縮装置本体）

Claims

温室効果を有する装置本体（蒸発塔）と、該蒸発塔内に被処理液の噴射手段が配置された蒸発装置において、
前記噴射手段は、多数の噴射ノズルを備えた噴射管を備え、前記各噴射ノズルから被処理液（懸濁液を含む。以下同じ。）を前記蒸発塔の内側中央部寄りに噴射可能とされていることを特徴とする蒸発装置。
前記噴射管が、前記各噴射ノズルから噴射される被処理液が衝突可能に対向して配置されていることを特徴とする請求項１記載の蒸発装置。
前記噴射管が上下に配され、前記上・下噴射管の各噴射ノズルの噴出方向が中間位置で衝突可能に斜め内側方向とされて前記噴射手段とされていることを特徴とする請求項２記載の蒸発装置。
前記噴射管の噴射ノズルが、該噴射管の上方位置内側で渦噴射流を発生可能な湾曲状ノズルであることを特徴とする請求項１記載の蒸発装置。
前記蒸発塔が、底盤と骨材とで形成される骨組みと、透明材で形成される外壁部とを備えたバラック構造であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一記載の蒸発装置。
請求項１〜５いずれか一記載の蒸発装置に凝縮装置を組み合わせて使用することを特徴とする蒸発装置の使用方法。
前記凝縮装置の凝縮塔が、凝縮液貯液部を形成する浴槽と骨材で形成される骨組みと、断熱材で形成される外壁部とを備えたバラック構造であることを特徴とする請求項６記載の蒸発装置の使用方法。