JP2014087727A - 蒸発缶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト上昇を抑えつつ、複数の凝縮面による加熱を個別に停止することができる蒸発缶装置の提供。
【解決手段】蒸発缶装置１００は、蒸発缶１の底部外表面から加熱容器２の底部内表面方向に突出するように同心リング状に形成された補助仕切り板４ａ〜４ｃおよび、加熱容器２の底部内表面から蒸発缶１の底部外表面方向に突出するように、補助仕切り板４ａ〜４ｃの径方向に間隙９ａ〜９ｃを介して同心リング状に形成された仕切り板３ａ〜３ｃを有し、間隙９ａ〜９ｃを介して互いに連通する通路８ａ〜８ｃを蒸気通路８内で区画する仕切り壁群と、通路８ａ〜８ｃで凝縮して生じた凝縮液を排出するドレン配管１１ａ〜１１ｄと、各ドレン配管１１ａ〜１１ｄから排出される凝縮液の排出量を調整して、間隙９ａ〜９ｃを凝縮液で封止するための複数の流量調整バルブ１２ａ〜１２ｄと、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、化学プラントなどで用いられ、被処理液から低沸点成分を蒸発させる蒸発缶装置に関する。

化学プラントなどで用いられる蒸発缶には、蒸発缶内部または外部(以下、内外部と称す)を高温の流体（飽和蒸気等）で加熱するものがある。加熱容器で蒸発缶を取り囲み、蒸発缶と加熱容器の間に形成される空間に流体を流入させて蒸発缶を加熱する。蒸発缶内部の被処理液(以下、缶液と称す)は蒸発缶内外部で加熱されて密度が小さくなり浮力が作用して蒸発缶内部を上昇する。一方、缶液の液面では、缶液の蒸発により液面近傍の熱が蒸発潜熱として奪われ、温度が低下して密度が大きくなり、蒸発缶内部を下降する。

蒸発缶内では、このように缶液が上昇して下降する自然対流を発生させつつ、液面において缶液を蒸発させる。この蒸発過程において、不純物（錆等）が発生する場合があり、錆等は熱伝導率が金属に比べて小さいため、この不純物が蒸発缶内壁に付着すると缶壁から缶液への熱輸送を阻害するため缶壁の温度が上昇する。

一般的に、缶液が腐食性溶液の場合、温度が上昇すると蒸発缶構造材の腐食の進行が早くなる場合があり、加熱を停止して温度を下げる、さらに、運転を停止して缶液を取り除き、蒸発缶内を洗浄する等の対策が必要となる。

蒸発缶壁の温度が上昇するのは不純物の付着部分のみであり、全体の加熱を停止する必要はない。部分的に加熱を停止するための構造としては、例えば特許文献１に記載のような構造が知られている。特許文献１に記載の蒸発缶装置では、蒸発缶の側面周囲に設けられた加熱容器を仕切り板により仕切り、分割された複数の加熱部を有する多段構造としている。

特開２００３−１２６６０２号公報

しかしながら、凝縮面を分割するために仕切り板を設置する構造の場合、一般的に凝縮面は人が入れるほど大きくないため、溶接作業は困難を極める。そのため、特許文献１に記載のような多段構造で溶接作業を容易とするためには、それぞれの加熱部を分割して製作し、分割した加熱部を順に溶接して積み上げる必要があり、工数が多くなりコストが上昇する。また、加熱用蒸気を供給するための配管を、各加熱部毎に設ける必要がある。

本発明に係る蒸発缶装置は、被処理液が収容され、外側に凸状に形成された底部を有する第１容器と、第１容器の少なくとも底部を含む外表面を加熱する加熱用凝縮性気体が流通する加熱空間を、第１容器の外表面との間に形成する第２容器と、第１容器の底部外表面から第２容器の底部内表面方向に突出するように同心リング状に形成された複数の第１仕切り壁、および、第２容器の底部内表面から第１容器の底部外表面方向に突出するように、複数の第１仕切り壁の径方向に隙間を介して同心リング状に形成された複数の第２仕切り壁を有し、隙間を介して互いに連通する複数の部分加熱空間を加熱空間内で区画する仕切り壁群と、加熱用凝縮性気体が前記複数の部分加熱空間で凝縮して生じた凝縮液を、複数の部分加熱空間からそれぞれ排出する複数の排出部と、複数の排出部から排出される凝縮液の排出量を調整して、複数の隙間を凝縮液で封止するための複数のバルブと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、隙間を凝縮液で封止することで凝縮面に面する通路への加熱用凝縮性気体の供給を停止できる構成としているので、蒸発缶装置のコスト上昇を抑えつつ、複数の凝縮面による加熱を個別に停止することができる。

図１は、本発明による蒸発缶装置における蒸発缶１および加熱容器２の概略形状を示す断面図である。 図２は、図１に示した蒸発缶装置１００の一部（下部構成）をより詳細に示す図である。 図３は、複数の仕切り板３ａ〜３ｃ、補助仕切り板４ａ〜４ｃおよび加熱容器２の底部内表面を蒸発缶１側から見た図である。 図４は、流量計測の他の構成を示す図である。 図５は、加熱停止の手順の一例を示す図である。 図６は、第２の実施の形態の蒸発缶装置１００を説明する図である。 図７は、仕切り板３ａ〜３ｃ、補助仕切り板４ａ〜４ｃ、温度センサ３１ａ〜３１ｃおよび案内管３０ａ〜３０ｃを説明する図である。 図８は、第３の実施の形態における蒸発缶装置１００を示す図である。 図９は、通路８ａにおける案内管３０ａを示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、本発明による蒸発缶装置における蒸発缶１および加熱容器２の概略形状を示す断面図である。図１に示す蒸発缶装置１００は、蒸発缶１と、蒸発缶１を取り囲むように設けられた加熱容器２とを備えている。蒸発缶１には、濃縮する成分（以下、「濃縮物」と呼ぶ）を含んだ缶液６が被処理液として収められる。加熱容器２と蒸発缶１との間には蒸気通路８が形成されている。

蒸気通路８に加熱用飽和蒸気（一般的には水蒸気が用いられるが、以下では、加熱蒸気と呼ぶ）を供給すると、加熱蒸気が蒸発缶１の外表面で凝縮することにより、凝縮潜熱分の熱によって蒸発缶１の外部から缶液６が加熱される。凝縮した凝縮液は、加熱容器２の底部に設けられたドレン配管１１を通して加熱容器２の外部に排出される。加熱蒸気を供給する空間（蒸気通路８）は一定の圧力に保持されており、凝縮した分だけ、供給口２ａから加熱蒸気が供給されるようになっている。

加熱蒸気の凝縮により缶液６に熱が加えられると、缶液６の濃縮物よりも飽和蒸気圧の低い成分が缶液上面から蒸発し、排気口１ｂから排出される。その結果、缶液６中の濃縮物の割合が多くなる。なお、蒸発した量だけ供給口１ａから缶液６を補充し、蒸発缶１内の液位を一定に保ちながら濃縮を行う。

加熱された缶液６は、密度が低下し周囲から浮力を受けて上昇流が発生する。上昇した缶液６は、液面に到達すると蒸発し、潜熱が奪われて温度が低下する。その結果、缶液６は密度が増加し、蒸発缶１の中心軸付近では下降流が発生する。このように、蒸発缶内では缶壁部で上昇流、缶中心部で下降流となる自然対流が発生する。蒸気で加熱されている蒸発缶１の壁部は、この自然対流により冷却されることになり、蒸発缶壁部はある一定温度で安定する。

なお、缶液６が腐食性溶液の場合、蒸発缶壁部が缶液６によって腐食されるので、蒸発缶壁部の温度が腐食速度が大きくならない温度となるように、加熱に関する運転パラメータが調整される。

ところで、濃縮過程において不純物（例えば、錆等）が発生する場合があり、不純物が蒸発缶１の内表面に付着することがある。錆等の付着物５は、蒸発缶壁部を構成する金属と比べて熱伝導率が低い。そのため、付着物５が蒸発缶内表面に付着すると、自然対流している缶液６による蒸発缶壁部の冷却効率が低下し、蒸発缶壁部の温度が上昇する。その際、缶液６が腐食性溶液であって、温度上昇により蒸発缶壁部の腐食速度が増加することが懸念される場合には、加熱を停止する必要が生じる場合がある。

また、腐食速度評価のためには、蒸発缶壁部の内面温度を多点で計測して、内表面温度を直接監視できることが望ましい。しかし、多くの温度計を蒸発缶１内に設置する場合にはコストの増加が問題となる。

図２は、図１に示した蒸発缶装置１００の一部（下部構成）をより詳細に示す図である。また、図３は、複数の仕切り板３ａ，３ｂ，３ｃ、補助仕切り板４ａ，４ｂ，４ｃおよび加熱容器２の底部内表面を蒸発缶１側から見た図である。本実施の形態の蒸発缶１は、底部形状が外側に凸状の曲面形状（例えば、半球状）となっている。図２に示す例では、蒸発缶１の底部は、外表面の半径がｒoで、内表面の半径がｒiの半球面となっている。また、加熱容器２の底部も、蒸発缶１と同様に外側に凸状となっている。上述したように、蒸発缶１と加熱容器２との間には蒸気通路８が形成されている。蒸発缶１の底部の外表面には、複数の補助仕切り板４（４ａ，４ｂ，４ｃ）が加熱容器２の底部内表面方向に突出するように形成されている。一方、加熱容器２の底部内表面には、複数の仕切り板３（３ａ，３ｂ，３ｃ）が蒸発缶１の底部方向に突出するように形成されている。

本実施の形態では３つの仕切り板３ａ，３ｂ，３ｃと３つの補助仕切り板４ａ，４ｂ，４ｃとが、同心形状に形成されている。３つの仕切り板３ａ，３ｂ，３ｃと３つの補助仕切り板４ａ，４ｂ，４ｃとはそれぞれ対となっており、各補助仕切り板４ａ，４ｂ，４ｃは対を構成する各仕切り板３ａ，３ｂ，３ｃの外周側に、それぞれ間隙９ａ，９ｂ，９ｃを介して隣接するように配置されている。

蒸発缶１の外表面は、補助仕切り板４ａ，４ｂ，４ｃによって複数の凝縮面７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄに区切られている。凝縮面７ａは、補助仕切り板４ａおよび仕切り板３ａによって形成される通路８ａに面している。凝縮面７ｂは、補助仕切り板４ａ，４ｂおよび仕切り板３ａ，３ｂによって形成される通路８ｂに面している。凝縮面７ｃは、補助仕切り板４ｂ，４ｃおよび仕切り板３ｂ，３ｃによって形成される通路８ｃに面している。凝縮面７ｄは、補助仕切り板４ｃおよび仕切り板３ｃの外側の通路８ｄに面している。

補助仕切り板４ａ，４ｂ，４ｃの各先端は、対となっている仕切り板３ａ，３ｂ，３ｃの各先端よりも加熱容器２側に位置している。通路８ｄに導入された加熱蒸気は、各間隙９ａ，９ｂ，９ｃを通過して通路８ｃ，８ｂ，８ａの順に供給される。このように、本実施の形態では、仕切り板３ａ，３ｂ，３ｃおよび補助仕切り板４ａ，４ｂ，４ｃから成る仕切り板群によって、間隙９ａ〜９ｃを介して互に連結された複数の通路８ａ〜８ｃが蒸気通路８内に区画される。

さらに、本実施の形態の蒸発缶装置１００においては、図２に示すように、各通路８ａ〜８ｄに対して、個別にドレン配管１１ａ〜１１ｄが設けられている。中心軸を含む通路８ａでは、中心軸上にドレン配管１１ａが配置されている。その他の通路８ｂ〜８ｄにおいては、仕切り板３の根元付近の中心軸から遠ざかる側に、ドレン配管１１ｂ〜１１ｄが配置されている。

ドレン配管１１ａ〜１１ｄには、流量計１３ａ〜１３ｄおよび流量調整バルブ１２ａ〜１２ｄが設けられている。流量計１３ａ〜１３ｄによって、ドレン配管１１ａ〜１１ｄを流れる凝縮液の流量を計測することができる。流量計１３ａ〜１３ｄには、オリフィス流量計、電磁流量計等が使用される。凝縮液の流量が少なくてオリフィス流量計や電磁流量計による計測が難しい場合には、図４に示すように、各ドレン配管１１ａ〜１１ｄの先に液面計１５ａ〜１５ｄを備えた凝縮液タンク１４ａ〜１４ｄを設けるような構成としても良い。この場合、液面計１５ａ〜１５ｄによって計測される液面位置の変化から、凝縮液の流量を求める。

また、通路８ａには、気体注入配管２１を介してボンベ等の気体供給源２０から非凝縮性気体（例えば、空気や窒素が用いられ、以下では気体と呼ぶことにする）が注入できるような構成となっている。気体注入配管２１にはバルブ２２が設けられており、バルブ２２を開閉することにより気体注入のオンオフを制御することができる。

各通路８ａ〜８ｄに流入した加熱蒸気は、蒸発缶１の凝縮面７ａ〜７ｄで冷却されて凝縮する。例えば、図２の凝縮面７ｂについて考えると、凝縮面７ｂで凝縮した加熱蒸気の凝縮液は、蒸発缶１の底部が下に凸の曲面なので、凝縮面７ｂを伝って下方へ流れ、補助仕切り板４ａで堰き止められる。補助仕切り板４ａで堰き止められた凝縮液は、補助仕切り板４ａに沿って下方に流れ、加熱容器２の内表面に流れ落ちる。通常状態では、図２の凝縮面７ｂに示すような状態とならないように、すなわち、仕切り板３ａで堰き止められた凝縮液の液面が補助仕切り板４ａの先端位置よりも上方とならないように、ドレン配管１１ｂにより容器外へ排出される。加熱蒸気の凝縮に伴い蒸気通路８内の圧力が低下しても、供給口２ａから加熱蒸気が供給されるので、各凝縮面７ａ〜７ｄを継続して加熱することができる。

次に、図２に示すように蒸発缶１の底部内表面に付着物５が付着した場合について説明する。付着物５が蒸発缶底部に付着すると、その部分では缶液６の自然対流による蒸発缶底部の冷却が阻害されて、付着部分における蒸発缶底部の温度が上昇する。蒸発缶底部の温度が上昇すると、蒸発缶底部と加熱蒸気との温度差が縮小し、蒸気加熱による熱流束が減少する。本実施の形態の蒸発缶装置１００は、凝縮熱伝達を利用した加熱方法であるため、熱流束と蒸気凝縮量は相関関係がある。ここで、蒸気凝縮量は凝縮によって生じる凝縮液の単位時間あたりの量であり、言い換えると凝縮速度である。熱流束は計測している蒸気凝縮量を用いて次式（１）で算出することができる。式（１）において、Ｑは熱流束[W/m2]、Ｗslは凝縮量[kg/s]、Ｌは凝縮潜熱[J/kg]、Ａは凝縮面（凝縮面領域）の蒸発缶側表面積[m2]である。
Ｑ＝Ｗsl・Ｌ／Ａ ・・・（１）

前述したように、缶液６が腐食性溶液で蒸発缶壁１の温度上昇によって腐食速度の増加が懸念される場合、加熱を停止する必要が生じることがある。しかしながら、加熱容器が１つしかない蒸発缶装置の場合には、加熱蒸気による加熱を停止すると、缶液６の濃縮を継続することができなくなり、所定の濃縮度に到達できない可能性がある。また、特許文献１に記載のように加熱容器を多段で設ける構成の蒸発缶装置の場合には、装置が大型化するとともに、製造コストが大幅に増加するという欠点があった。

一方、本実施の形態では、図２に示すような構成としているので、蒸発缶１の底部に複数の補助仕切り板４を溶接するとともに、複数の仕切り板３が溶接された加熱容器２を、従来の加熱容器の場合と同様に蒸発缶１に溶接することで、容易に蒸発缶装置１００とすることができる。そのため、製造コストの上昇を抑えつつ、凝縮面７ａ〜７ｃにおける加熱を個別に停止することができる。

図５は、加熱停止の手順の一例を示す図である。付着物５の付着により蒸発缶内部における自然対流による冷却が阻害され始めると、付着物５が付着した部分の蒸発缶壁部の温度が上昇し、加熱蒸気との温度差が小さくなる。その結果、熱流束が低下し、付着物５が付着した部分の凝縮面７ａにおいて凝縮速度が減少し始める。

図５の手順１では、流量計１３ａの計測値から、凝縮面７ａにおける凝縮速度低下を検知する。このように、流量計１３ａを用いて凝縮速度の変化を監視することにより、付着物５の付着に伴う蒸発缶１の壁部の温度上昇を検知することができる。蒸発缶装置１００を監視しているオペレータは、凝縮面７ａにおける凝縮速度の低下が規定値以上となって、加熱蒸気による加熱を停止する必要があると判断した場合に、隣接する通路８ｂのドレン配管１１ｂに設けられた流量調整バルブ１２ｂの開度を調整する（手順２）。

流量調整バルブ１２ｂの開度を調整することによって、仕切り板３ａと仕切り板３ｂとの間の通路８ａに溜まっている凝縮液の液面を、補助仕切り板４ａの先端が液面下に没するまで上昇させる。補助仕切り板４ａの先端が液面下に没すると、間隙９ａが凝縮液によって塞がれ、通路８ｂから通路８ｃへの加熱蒸気の流れが遮断される。流量調整バルブ１２ｂの開度は、液面が常に補助仕切り板４ａの先端よりも上側となるように調整される。例えば、凝縮面７ｂにおける推定凝縮速度に基づいて、補助仕切り板４ａの先端が液面下に没するまでに要する所定時間だけ流量調整バルブ１２ｂを閉じ、その後、推定凝縮速度と排出流量とが釣り合うように流量調整バルブ１２ｂの開度を調整する。

通路８ａの凝縮液の液面位置が図２に示すような位置になると、間隙９ａが凝縮液によって封止され、通路８ｂから通路８ａへの加熱蒸気の供給が停止する。加熱蒸気が供給されなくなった凝縮面７ａでは、通路８ａに残った加熱蒸気がさらに凝縮するため、隣接する通路８ｂよりも圧力が低下し、圧力差により間隙９ａに溜まっている凝縮液が通路８ａ側に押し流される可能性がある。

そこで、通路８ａの圧力が加熱蒸気と同じ圧力に維持されるように、手順２のバルブ開度調整を行ったならば（すなわち、凝縮液により間隙９ａが封止されたならば）、バルブ２２を開けて、気体供給源２０からの非凝縮性気体を気体注入管２１を介して通路８ａに注入する（手順３）。なお、この際、流量調整バルブ１２ａは閉じた状態とされる。これにより、隣接する通路８ｂの加熱蒸気が圧力差により通路８ａに流れ込んで、凝縮液による間隙９ａの封止が破られるのを防止することができ、凝縮面７ａの加熱停止状態を維持することができる。通路８ａの圧力が加熱蒸気と同じ圧力になって安定したならば、バルブ２２を閉じる。または、バルブ２２の下流側にチェックバルブを設けて、バルブ２２は開けたままとする。通路８ａ側の圧力が加熱蒸気圧力よりも低下すると、チェックバルブが開いて気体供給源２０から通路８ａ側に非凝縮性気体が供給される。

なお、図２では、気体注入管２１を介して非凝縮性気体を通路８ａに注入したが、ドレン配管１１ａを気体供給源２０に接続し、ドレン配管１１ａを介して非凝縮性気体を注入するようにしても良い。この場合、気体注入系の配管類を削減することができる。

さらに、不純物が増加し、隣接する凝縮面７ｂの加熱も停止する必要がある場合には、次のような手順で加熱を停止する。凝縮面７ａに続いて凝縮面７ｂの加熱を停止する場合、まず、通路８ｃに接続されているドレン配管１１ｃの流量調整バルブ１２ｃの開度を調整して、仕切り板３ｂと仕切り板３ｃとの間（通路８ｂ）の凝縮液の液面を上昇させ、間隙９ｂを凝縮液で封止する。間隙９ｂが凝縮液により封止されると、通路８ｃから通路８ｂへの蒸気供給が止まるので、凝縮面７ｂでの凝縮が停止してこの部分の加熱が停止する。

一方、通路８ｂのドレン配管１１ｂに設けられた流量調整バルブ１２ｂの開度を大きくして、仕切り板３ａと仕切り板３ｂとの間の凝縮液の液面位置を補助仕切り板４ａの先端よりも下側に低下させる。その結果、間隙９ａを介して通路８ａと通路８ｂとが連通する。

加熱蒸気の供給が止まった通路８ｂでは、残存する加熱蒸気が凝縮面７ｂにより凝縮されて圧力が低下するので、バルブ２２を開いて気体供給源２０から非凝縮性気体を通路８ａに供給する。通路８ａに供給された非凝縮性気体は、隣接する通路間の圧力バランスが取れるまで間隙９ａを通して通路８ｂに供給される。同様の手順で、凝縮面７ｃの加熱を停止することができる。さらに凝縮面７ｄの加熱も停止する場合には、加熱容器２への加熱蒸気の供給を停止すれば良い。

以下のような手順で流量調整バルブの開度を調整することにより、凝縮速度変化に基づく凝縮面７ｂ等の加熱停止を行うことができる。まず、凝縮面７ｂの温度が上昇すると、凝縮面７ｂにおける凝縮速度が低下し、凝縮液の液面が低下する。

凝縮液の液面が低下すると水頭圧が低下するため、流量計１３ｂで計測される流量が減少する。オペレータは、流量減少が確認されたならば、隣接する通路８ｃに設けられた流量調整バルブ１２ｃの開度を調整して、凝縮液の流出量を小さくする。その結果、通路８ｃの凝縮液の液面が上昇する。その後、補助仕切り板４ｂの先端が液面下に没すると、間隙９ｂが凝縮液によって封止され、通路８ｂと通路８ｃとが遮断される。その結果、凝縮面７ｂの加熱が停止する。オペレータは流量調整バルブ１２ｂを開けて、仕切り板３ａと仕切り板３ｂとの間に溜まった凝縮液を液面が補助仕切り板４ａの先端よりも下になるまで排出して通路８ａと通路８ｂとを連通させ、通路８ａより通路８ｂに非凝縮性気体を供給する。

以上のように、本実施の形態の蒸発缶装置１００では、ドレン配管１１に設けた流量調整バルブ１２の開度を調整することにより、付着物５の付着で温度が上昇した凝縮面のみの加熱停止を行うことが可能となる。加熱を停止した凝縮面の温度は低下し、蒸発缶壁部の腐食を抑制することができる。一方、その他の領域では加熱を継続することができるため、付着物５が付着して局所的に蒸発缶壁部の温度が上昇した場合でも、濃縮運転を止めることなく、濃縮工程を継続することができる。

また、第１実施形態の構成においては、蒸発缶１の底部に複数の補助仕切り板４を溶接し、複数の仕切り板３が溶接された加熱容器２を、従来の加熱容器の場合と同様に蒸発缶１に溶接することで、容易に蒸発缶装置１００とすることができ、蒸発缶装置１００の製造コストの上昇を抑えることができる。

また、流量変化を利用して付着物５が付着した領域を濃縮運転中に特定することができるので、濃縮運転後のメンテナンス時に蒸発缶１内の不純物付着場所を特定する点検工程を短縮することができる。さらに、メンテナンス作業前に不純物除去のための準備が予めできるため、メンテナンス期間を短縮し、メンテナンス費用を抑制することができる。

−第２の実施の形態−
図６は、第２の実施の形態の蒸発缶装置１００を説明する図であり、第１実施形態の図２に対応する図である。また、図７は、仕切り板３ａ〜３ｃ、補助仕切り板４ａ〜４ｃ、温度センサ３１ａ〜３１ｃおよび案内管３０ａ〜３０ｃを説明する図であり、蒸発缶１の外表面と同様の曲面に沿った断面図である。本実施形態では、第１実施形態の構成に加えて、各凝縮面７ａ〜７ｃの温度を計測する温度センサ３１ａ〜３１ｃ、および、それらを保護する案内管３０ａ〜３０ｃを設けた。図６では、温度センサ３１ｃおよび案内管３０ｃのみを記載した。温度センサ３１ａ〜３１ｃとしては熱電対やサーミスタ等が用いられるが、以下では熱電対を用いた場合を例に説明する。なお、凝縮面７ｄに対して、案内管および温度センサを設けても構わない。

第２の実施の形態では、温度計測に関係する構成以外は、上述した第１の実施の形態と同様な構成なので、付着物５の付着による凝縮面７ｃの温度上昇を、凝縮速度の低下として検知することもできる。すなわち、複数の凝縮面７ａ〜７ｄに区切って、各凝縮面７ａ〜７ｄで凝縮された凝縮液の流量を測定しているので、第１の実施の形態と同様に、局所的な不純物の付着を検知することができる。このように、濃縮運転中に不純物が付着した領域を特定することができるため、濃縮運転後のメンテナンス時に蒸発缶１内の不純物付着場所を特定する点検工程を短縮することができる。さらに、メンテナンス作業前に不純物除去のための準備が予めできるため、メンテナンス期間を短縮し、メンテナンス費用を抑制することができる。

加えて、第２の実施の形態では、熱電対（温度センサ）３１ａ〜３１ｃを蒸発缶１の外表面に設置し、各凝縮面７ａ〜７ｃの温度（外表面温度）を計測するようにしたので、前述した式（１）と各凝縮面７ａ〜７ｃにおける凝縮速度とから熱流束を算出することができる。さらに、計測した外表面温度と算出した熱流束から、熱伝導方程式を解いて蒸発缶１の内表面温度を次式（２）で求めることができる。なお、ここでは、球体の熱伝導方程式を用いた。式（１）において、Tiは内表面温度[℃]、Toは外表面温度[℃]、λは缶壁の熱伝導率[W/mK]、riは缶内表面の半径[m]、roは缶外表面の半径[m]である。
Ｔi＝Ｔo−（Ｑ／４πλ）×（１／ｒi−１／ｒo） ・・・（２）

缶液６が腐食性溶液の場合、不純物の付着により付着部における蒸発缶壁部の温度が上昇すると、そのときの条件によっては蒸発缶１の内表面が腐食される可能性がある。腐食は化学反応であるため、温度上昇に対して反応速度の感度が比較的大きい。そのため、蒸発缶１の内表面温度を計測できれば、腐食速度を精度よく評価することができる。本実施の形態では、式（２）で算出された内表面温度を用いることにより、腐食速度を精度良く評価することができる。

なお、熱電対を蒸発缶１の内表面に設置することでも内表面温度は計測可能であるが、腐食性溶液による熱電対自体の腐食を考慮する必要がある。そのため、熱電対を腐食から保護するための措置や、定期的な熱電対の交換が必要となるため、コストが増加するという欠点がある。

熱電対３１ａ〜３１ｃは、故障等に備えて交換可能とする必要がある。本実施の形態の蒸発缶装置１００では、蒸発缶１と加熱容器２との間の蒸気通路８に補助仕切り板４ａ〜４ｃおよび仕切り板３ａ〜３ｃを設置しているので、この蒸気通路８に作業員が入って交換作業をすることは困難である。また、熱電対交換用の道具やロボット等を外部から蒸気通路８に入れることも困難である。

そのため、本実施形態では図５に示すように熱電対用の案内管３０ａ〜３０ｃを設けている。案内管３０ａ〜３０ｃは熱電対３１ａ〜３１ｃが通過可能な中空構造を有しており、蒸発缶１の外表面に沿って各補助仕切り板４ａ〜４ｃを貫通するように配置されている。補助仕切り板４ａ〜４ｃの貫通部は、蒸気が通過しないように溶接等により隙間が埋められている。

案内管３０ａ〜３０ｃの先端は閉じており、案内管３０ａ〜３０ｃの先端部分は各凝縮面７ａ〜７ｃに溶接等により固着されている。案内管３０ａ〜３０ｃの他端は、図７に示すように加熱容器２の外部に引き出されている。熱電対３１ａ〜３１ｃは、他端側から案内管３０ａ〜３０ｃに挿入され、熱電対３１ａ〜３１ｃの先端（センサ部３００）が案内管３０ａ〜３０ｃの先端に当接するまで押し込まれる。センサ部３００に接続された信号線３０１は、案内管３０ａ〜３０ｃの他端側から外部に引き出され、制御装置４０に接続されている。

このように熱電対３１ａ〜３１ｃの先端（センサ部３００）を案内管３０ａ〜３０ｃの先端に当接させることで、蒸発缶１の外表面温度を精度良く計測することができる。また、案内管３０ａ〜３０ｃの内部に挿入するように熱電対３１ａ〜３１ｃを配置する構成とすることで、熱電対３１ａ〜３１ｃが故障した場合に容易に交換することができる。なお、図７では各凝縮面７ａ〜７ｃの代表的な位置に関して温度計測をしているが、一つの凝縮面に複数の熱電対を配置して、複数の場所の温度を計測するようにしても良い。

制御装置４０には、流量計１３の信号ケーブル４２も接続されている。なお、図６では、熱電対３１ｂ，３１ｃの信号線３０１および流量計１３ｂ，１３ｃの信号ケーブル４２については図示を省略した。制御装置４０内に設けられた演算部４０ａは、式（２）で表される蒸発缶壁部の内表面温度を算出する。演算部４０ａで算出された内表面温度が予め決められた設定値を超えた場合には、警報部４０ｂにより警報を発生する。警報発生により、オペレータは加熱停止操作を行う。

第２の実施の形態では、熱電対３１ａ〜３１ｃを設けて蒸発缶外表面温度を計測し、その計測結果を用いて付着物５が付着している蒸発缶内表面温度を算出し、その算出された蒸発缶内表面温度に基づいて警報を発するようにした。

一方、第１の実施の形態では、加熱蒸気の凝縮速度（流量計１３による流量計測値）の変化から温度上昇を検出する構成であり、蒸発缶外表面温度を測定していないため、蒸発缶内表面温度を予測する場合、適切な凝縮熱伝達式を選択して蒸発缶外表面温度を推定する必要がある。凝縮熱伝達式の誤差を考慮する必要があるため、腐食の反応速度から規定される温度管理値（上限温度）Ｔmaxに対して、ある程度の余裕を持った温度に対応する凝縮速度変化（流量計測値の変化）を、管理値として採用せざるを得ない。すなわち、温度管理値Ｔmaxよりも低い温度において、警報が発せられることになる。

しかしながら、第２の実施の形態では、腐食の反応速度に直接影響する蒸発缶内表面温度を正確に算出できるので、警報の発生タイミングを温度管理値Ｔmaxにより近い値とすることが可能となる。その結果、付着物５が付着した部分の加熱を可能な限り継続することができる。また、第１の実施の形態のように凝縮液の流量変化が規定値を超えたならば、すなわち、付着物の付着による温度上昇が発生したと確認したならば警報を発生し、オペレータが蒸発缶内表面温度の算出温度を監視しながら、適当なタイミングで加熱停止操作を開始するようにしても良い。いずれの場合においても、第１の実施の形態の場合と比べて、より適切な加熱停止操作を行うことができる。

−第３の実施の形態−
図８，９は、第３の実施の形態の蒸発缶装置を説明する図である。図８は蒸発缶装置１００を示す図であり、第１の実施の形態の図２に対応する図である。本実施形態では、第２実施形態の構成に加えて、案内管３０ａ〜３０ｃを利用して通路８ａ〜８ｃへの非凝縮気体の注入、および通路８ａ〜８ｃからの非凝縮気体の排気を行うような構成とした。そのために、第３の実施の形態では、案内管３０ａ〜３０ｃに接続される配管５２、バルブ５１、排気用ポンプ５０をさらに設けた。

図８に示す例では、一つの配管５２の一端に排気用ポンプ５０が接続され、その配管５２の途中にバルブ５２が設けられている。気体注入配管２１は配管５２の途中に接続されている。配管５２の他端は３つの分岐管に分岐されており、各分岐管はバルブ５３ａ〜５３ｃを介して案内管３０ａ〜３０ｃにそれぞれ接続されている。なお、図８では、案内管３０ｂ，３０ｃ、案内管３０ｂ，３０ｃに接続されるバルブ５３ｂ，５３ｂは図示を省略した。

図９は、通路８ａにおける案内管３０ａを示す図である。案内管３０ａの先端付近には、１つ以上の貫通孔３２が形成されている。この貫通孔３２を介して案内管３０ａから通路８ａに非凝縮性気体が供給される。図示は省略するが、通路８ｂ、８ｃにおける案内管３０ｂ、３０ｃの構造も、図９に示す案内管３０ａと同様の構造である。

次に、案内管３０ａ〜３０ｃを介した通路８ａ〜８ｃへの非凝縮性気体の導入について説明する。非凝縮性気体の導入は、第１の実施の形態で説明したように、所定通路への加熱蒸気供給の停止（すなわち、凝縮面の加熱停止）後に、当該通路と隣接する通路との圧力バランスを維持するために行われる。図８に示す例では、凝縮面７ａは加熱が停止されており、通路８ａに隣接する通路８ｂには凝縮液が間隙９ａを塞ぐように溜まっている。そのため、案内管３０ａを介して通路８ａに非凝縮性気体を供給することになる。

各凝縮面７ａ〜７ｃを加熱している時の各バルブ２２、５１、５３ａ〜５３ｃは全て閉状態となっている。例えば、凝縮面７ａの加熱を停止する場合には、上述したように、ドレン配管１１ｂに設けられた流量調整バルブ１３ｂの開度を調整し、凝縮液の液面を上昇させて間隙９ａを封止する。間隙９ａが封止された後も、通路８ａに残留する加熱蒸気は凝縮面７ａにおいて凝縮されるため、通路８ａ内の圧力が低下する。そのため、隣接する、通路８ｂとの圧力バランスを維持するために、バルブ２２およびバルブ５３ａを開いて、気体供給源２０から案内管３０ａに非凝縮性気体を導入する。

案内管３０ａに導入された非凝縮性気体は、案内管３０ａ内を先端方向に流れ、先端付近に形成された貫通孔３２から通路８ａに流れ込む。その結果、通路８ａ内の圧力と通路８ｂ内の圧力とがバランスし、通路８ｂ側の凝縮液が通路８ａへと流れ込むのを防止し、間隙９ａの封止状態を維持することができる。なお、説明は省略するが、案内管３０ｂ，３０ｃについても同様である。

加熱停止後の非凝縮性気体の注入は、通路８ａ，８ｂの圧力バランスを保ちながら行う必要がある。そのため、残留加熱蒸気の凝縮速度に合わせてガス注入を行う必要があるが、凝縮速度が速い場合ほど圧力バランスを保つのが難しい。例えば、このガス注入時に圧力バランスが崩れて、通路８ａに注入した非凝縮性気体が隣接する通路８ｂに混入した場合、隣接する凝縮面７ｂにおける凝縮熱伝達率が低下し、蒸発缶内への熱流束が低下する。そのため、非凝縮性気体を注入するときに、圧力バランスを保ちやすくして、加熱停止しない凝縮面への気体の混入を抑制することが望ましい。

本実施の形態では、案内管３０ａを介して非凝縮性気体を通路８ａの凝縮面７ａ付近に供給するようにしている。そのため、蒸発缶外表面（凝縮面７ａ）付近に注入された気体は、分子運動により通路８ａ内を拡散しようとする。一方、凝縮面７ａで凝縮が発生しているため、凝縮面７ａに向かって加熱蒸気が流れている。この加熱蒸気の流れの速度に対し、非凝縮性気体の拡散速度は十分小さいため、凝縮面７ａ付近に注入した非凝縮性気体は、通路８ａ内を拡散することなく凝縮面７ａ近傍に留まることになる。

このように凝縮面近傍に非凝縮性気体が存在すると加熱蒸気の分圧が下がり、残留加熱蒸気の凝縮速度が低下する。その結果、非凝縮性気体の注入速度を加熱蒸気の凝縮速度に合わせやすくなる。また、上述のように凝縮面近傍から注入された非凝縮性気体が拡散しにくいということは、凝縮液によって間隙９ａが封止される前から通路８ａに非凝縮性気体を注入しても、隣接する通路８ｂに非凝縮性気体が混入する可能性が低い。そのため、通路８ａへの蒸気供給が停止する前から通路８ａに非凝縮性気体を注入して、凝縮面７ａにおける凝縮速度を低下させることで、非凝縮性気体注入による圧力バランス維持を容易にすることが可能となる。

なお、通路８ａが非凝縮性気体で満たされると、凝縮面７ａによって非凝縮性気体が加熱されることになる。通路８ａ内の非凝縮性気体は密度差により温度成層化し対流しないため、非凝縮性気体の熱伝導により凝縮面７ａの熱が加熱容器２の外部に放熱されることになる。そのため、凝縮面７ａを積極的に冷却したい場合には、ドレン配管１１ａの流量調整バルブ１２ａを開放し、通路８ａ内の圧力を維持しながら、案内管３０ａを通して非凝縮性気体を注入すれば良い。

注入された非凝縮性気体は通路８ａの凝縮面７ａ近傍の高温の気体と混合し、凝縮面７ａ近傍の気体温度が低下する。混合して温度が上昇した非凝縮性気体は、ドレン配管１１ａを通じて外部に排出される。このように、通路８ａに非凝縮性気体を流すことにより、加熱停止した凝縮面７ａを非凝縮性気体により積極的に冷却することも可能となる。

ところで、濃縮工程を終了して濃縮液を取り出し、新たに濃縮工程を開始する場合、蒸気通路８に非凝縮性気体が残存していると凝縮熱伝達率が低下し、濃縮効率が低下する。加熱蒸気の凝縮が始まると、非凝縮性気体は冷却面（蒸発缶外表面）に集まりやすい。そこで、蒸気供給開始直後に排気用ポンプ５０を起動し、バルブ５１，５３ａ〜５３ｃを開けて、案内管３０ａ〜３０ｃを介して加熱蒸気と一緒に非凝縮性気体を吸引することにより、効率的に非凝縮性気体を通路８ａ〜８ｃから除去することができる。その結果、残留する非凝縮性気体による凝縮熱伝達率の低下を防止し、濃縮効率を向上させることができる。

このように、第２の実施の形態では、熱電対３１ａ〜３１ｃの案内管３０ａ〜３０ｃが気体注入配管としての機能も兼用しているため、図２や図６に示した蒸発缶装置１００のような各通路８ａ〜８ｃに対する気体注入配管系を削除することができ、コストを低減することができる。さらに、排気ポンプ５０を設けることで、新たに濃縮工程を開始する際に、蒸気通路８に残存している非凝縮性気体を効率良く除去することができる。

以上説明したように、本発明による蒸発缶装置は、以下のような作用効果を奏する。
（１）蒸発缶装置１００は、蒸発缶１の底部外表面から加熱容器２の底部内表面方向に突出するように同心リング状に形成された複数の補助仕切り板４ａ〜４ｃおよび、加熱容器２の底部内表面から蒸発缶１の底部外表面方向に突出するように、補助仕切り板４ａ〜４ｃの径方向に間隙９ａ〜９ｃを介して同心リング状に形成された複数の仕切り板３ａ〜３ｃを有し、間隙９ａ〜９ｃを介して互いに連通する通路８ａ〜８ｃを蒸気通路８内で区画する仕切り壁群と、加熱用凝縮性気体が複数の通路８ａ〜８ｃで凝縮して生じた凝縮液を、通路８ａ〜８ｃからそれぞれ排出するドレン配管１１ａ〜１１ｄと、各ドレン配管１１ａ〜１１ｄから排出される凝縮液の排出量を調整して、間隙９ａ〜９ｃを凝縮液で封止するための複数の流量調整バルブ１２ａ〜１２ｄと、を備える。

このような構成とすることにより、例えば通路８ａに面する凝縮面７ａによる加熱を停止する場合には、凝縮面７ａにより凝縮されて通路８ａに溜まった凝縮液によって隙間９ａが封止されるように流量調整バルブ１２ｂの開度を調整すれば良い。間隙９ａが凝縮液で封止されると、通路８ａへの加熱蒸気の供給が停止し、凝縮面７ａによる加熱が停止する。凝縮面７ｂ，７ｃについても同様であり、加熱領域７ｄに関しては、加熱容器２への加熱蒸気の供給を停止することで、加熱停止となる。その結果、各加熱領域７ａ〜７ｄによる加熱を個別に停止することができる。さらに、仕切り板３ａ〜３ｃおよび補助仕切り板４ａ〜４ｃの固定は、蒸発缶１に加熱容器２を取り付ける前に容易にできるので、従来のように個別の加熱部を多段に組み立てる場合に比べて、加工コストを低減することができる。

（２）好ましくは、通路８ａに、気体供給源２０からの非凝縮性気体（空気や窒素ガス等）を導入する気体注入配管２１を備える。気体注入配管２１にはバルブ２２が設けられており、例えば、図２に示す状況において、バルブ２２を開けて非凝縮性気体を通路８ａに注入することにより、通路８ａ内の圧力と通路８ｂ内の圧力とがバランスし、凝縮液による間隙９ａの封止を維持することができる。その結果、凝縮面７ａの加熱停止状態を維持することができる。通路８ｂに非凝縮性気体を導入する場合には、隣接する通路８ａから間隙９ａを介して非凝縮性気体を導入する。通路８ｃに非凝縮性気体を導入する場合には、隣接する通路８ｂから間隙９ｂを介して非凝縮性気体を導入する。

（３）また、凝縮面７ａ〜７ｄの温度上昇に応じて変化する凝縮速度に関する物理量を計測する計測部、例えば、ドレン配管１１ａ〜１１ｄから排出される凝縮液の流量を計測する流量計１３ａ〜１３ｄを、凝縮面７ａ〜７ｄにそれぞれ備えるようにしても良い。流量計１３ａ〜１３ｄで計測される流量の変化から、凝縮面７ａ〜７ｄの温度上昇を知ることができ、加熱停止を適切に行うことが可能となる。なお、流量計１３ａ〜１３ｄに代えて、図４に示すような、液面計１５ａ〜１５ｄを備えた凝縮液タンク１４ａ〜１４ｄを設けるようにしても良い。液面位置の変化から、流量変化を推測することができる。

（４）また、開いた一端が加熱容器２の外部に配置され、閉じた他端が凝縮面７ａ〜７ｃに接している管状部材である案内管３０ａ〜３０ｃと、センサ部３００が案内管３０ａ〜３０ｃの閉じた他端に配置され、センサ部３００に接続された信号線３０１が一端側から引き出される温度センサ３１ａ〜３１ｃと、流量計１３ａ〜１３ｃの計測値と温度センサ３１ａ〜３１ｃの計測値とに基づいて蒸発缶１の内表面温度を算出する演算部４０ａと、を備えるようにしても良い。蒸発缶１の内表面温度を算出することにより、缶液６が腐食性溶液の場合における腐食速度の評価をより正確に行うことができ、蒸発缶装置１００の信頼性向上を図ることができる。

さらに、演算部４０ａで演算された内表面温度が所定温度を超えた場合に、警報４０ｂにより警報を発するようにしても良い。警報によりオペレータが停止操作を行うことで、加熱停止を確実に行うことができる。

（５）また、案内管３０ａ〜３０ｃの各々において、一端側に気体供給源２０を接続するとともに、先端部に凝縮性気体を排出する少なくとも一つの貫通孔３２を形成し、ガス導入部を兼ねるようにしても良い。このような構成をすることで、通路８ａ〜８ｃに非凝縮性ガスを導入するガス導入配管を省略することができる。さらに、通路への蒸気供給が停止する前から通路に非凝縮性気体を注入して、凝縮面における凝縮速度を低下させることで、非凝縮性気体注入による圧力バランス維持を容易にすることが可能となる。

（６）さらに、案内管３０ａ〜３０ｃの一端側にそれぞれ接続され、案内管３０ａ〜３０ｃを介して通路８ａ〜８ｃ内の気体をそれぞれ排気する排気用ポンプ５０と、案内管３０ａ〜３０ｃに対して気体供給源２０および排気用ポンプ５０の一方を選択的に切り替え接続するバルブ２２，５１と、を備えるようにしても良い。蒸気供給開始直後に、排気用ポンプ５０により案内管３０ａ〜３０ｃを介して加熱蒸気と一緒に非凝縮性気体を吸引することで、効率的に非凝縮性気体を通路８ａ〜８ｃから除去することができる。その結果、残留する非凝縮性気体による凝縮熱伝達率の低下を防止し、濃縮効率を向上させることができる。

なお、上述した第１の実施の形態では、オペレータが流量計１３ａの計測値を確認して加熱停止操作を行ったが、例えば、第２の実施の形態のように流量計１３ａの計測値を制御装置４０に入力し、凝縮量の低下が規定値以上となったならば、警報部４０ｂにより警報を発生するようにしても良い。このような警報を発生することにより、オペレータによる加熱停止操作を確実に行わせることができる。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。

１：蒸発缶、２：加熱容器、３，３ａ〜３ｃ：仕切り板、４，４ａ〜４ｃ：補助仕切り板、５：付着物、６：缶液、７ａ〜７ｄ：凝縮面、８：蒸気通路、８ａ〜８ｃ：通路、９ａ〜９ｃ：間隙、１１，１１ａ〜１１ｄ：ドレン配管、１２ａ〜１２ｄ：流量調整バルブ、１３ａ〜１３ｄ：流量計、１４ａ〜１４ｄ：凝縮液タンク、１５ａ〜１５ｄ：液面計、３０ａ〜３０ｃ：案内管、３１ａ〜３１ｃ：熱電対、４０制御装置、４０ａ：演算部、４０ｂ：警報部、５０：排気ポンプ、１００：蒸発缶装置、３００：センサ部、３０１：信号線

Claims (9)

1. 被処理液が収容され、外側に凸状に形成された底部を有する第１容器と、
   前記第１容器の少なくとも前記底部を含む外表面を加熱する加熱用凝縮性気体が流通する加熱空間を、前記第１容器の前記外表面との間に形成する第２容器と、
   前記第１容器の底部外表面から前記第２容器の底部内表面方向に突出するように同心リング状に形成された複数の第１仕切り壁、および、前記第２容器の底部内表面から前記第１容器の底部外表面方向に突出するように、前記複数の第１仕切り壁の径方向に隙間を介して同心リング状に形成された複数の第２仕切り壁を有し、前記隙間を介して互いに連通する複数の部分加熱空間を前記加熱空間内で区画する仕切り壁群と、
   前記加熱用凝縮性気体が前記複数の部分加熱空間で凝縮して生じた凝縮液を、前記複数の部分加熱空間からそれぞれ排出する複数の排出部と、
   前記複数の排出部から排出される前記凝縮液の排出量を調整して、前記複数の隙間を前記凝縮液で封止するための複数のバルブと、を備える蒸発缶装置。
2. 請求項１に記載の蒸発缶装置において、
   気体供給源からの非凝縮性気体を前記部分加熱空間に導入する気体導入部を備えることを特徴とする蒸発缶装置。
3. 請求項２に記載の蒸発缶装置において、
   前記第１容器の前記外表面の温度上昇に応じて変化する凝縮速度に関する物理量を計測する計測部を、前記複数の部分加熱空間に対してそれぞれ備えることを特徴とする蒸発缶装置。
4. 請求項３に記載の蒸発缶装置において、
   開いた一端が前記第２容器の外部に配置され、閉じた他端が前記部分加熱空間に面する前記外表面に接している管状部材と、
   センサ部が前記管状部材の前記閉じた他端に配置され、前記センサ部に接続された信号線が前記一端側から引き出される温度センサと、
   前記複数の計測部の計測値と前記複数の温度センサの計測値とに基づいて前記第１容器の内表面温度を算出する演算部と、を備えることを特徴とする蒸発缶装置。
5. 請求項４に記載の蒸発缶装置において、
   前記複数の管状部材の各々は、前記一端側に前記気体供給源が接続されると共に、前記他端側に前記凝縮性気体を排出するための貫通孔が少なくとも一つ形成され、前記ガス導入部を兼ねていることを特徴とする蒸発缶装置。
6. 請求項５に記載の蒸発缶装置において、
   前記複数の管状部材の一端側にそれぞれ接続され、
   前記複数の管状部材を介して前記複数の部分加熱空間内の気体をそれぞれ排気する排気装置と、
   前記複数の管状部材に対して前記気体供給源および前記排気装置の一方を選択的に切り替え接続する切替部と、を備えることを特徴とする蒸発缶装置。
7. 請求項３乃至６のいずれか一項に記載の蒸発缶装置において、
   前記計測部は、前記排出部から排出される凝縮液の流量を計測する流量計であることを特徴とする蒸発缶装置。
8. 請求項６に記載の蒸発缶装置において、
   前記計測部は、前記排出部から排出された凝縮液を溜める貯留容器と、前記貯留容器に溜まった凝縮液の液面位置の変化を計測する液面計とを有することを特徴とする蒸発缶装置。
9. 請求項４乃至８のいずれか一項に記載の蒸発缶装置において、
   前記演算部で演算された前記内表面温度が所定温度を超えた場合に警報を発する警報部を備えることを特徴とする蒸発缶装置。

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