JP2014188399A - 海水の淡水化システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮蒸気と海水との熱交換温度差を一定にして熱交換効率を高めることができる海水の淡水化システム及び方法を提供する。
【解決手段】海水の淡水化システム１は、始端に位置する始端蒸発ユニット２及び下流に向けて直列接続される一又は複数の後側蒸発ユニット３を備え、始端及び後側蒸発ユニットは、蒸発器５と、蒸気又は蒸留水が流通する蒸発物流路８と、蒸気を圧縮する圧縮機１１と、蒸発器内に配された熱交換部１２と、濃縮物が流通する濃縮物流路１０とを有し、始端蒸発ユニットが有する蒸発器は海水が流通する海水供給流路１３に接続され、後側蒸発ユニットが有する蒸発器は上流側に位置する始端蒸発ユニット又は後側蒸発ユニットが有する蒸発器から延びる濃縮物流路と接続され、海水供給流路を流通する海水、蒸発物流路を流通する蒸留水、終端蒸発ユニットから延びる濃縮物流路を流通する濃縮水とで熱交換を行うための予熱器１５をさらに有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、海水を淡水化するための淡水化システム及び方法に関するものである。

海水を淡水化する方法としては、多段フラッシュ法やＲＯ膜法等が用いられている。多段フラッシュ法は、加熱された海水を減圧された蒸発器で沸騰蒸発させ、その発生蒸気を凝縮して淡水を生産する海水の淡水化方法である。この多段フラッシュ法は、海水の品質を問わず使用でき、大量の淡水を作成できるが、熱効率が悪く、そのために多量のエネルギを必要とする。ＲＯ膜法は、半透膜を通して海水から淡水を得るものである。このＲＯ膜法は、半透膜が海水中の微生物や析出物で目詰まりしないように入念に前処理をする必要があり、その整備にコストがかかり、さらには製造した淡水の塩濃度が高いこと等の難点がある。

一方で、蒸発器での蒸気を圧縮させる蒸気圧縮法による海水の淡水化方法が実用化されている。一般的な蒸気圧縮法は例えば特許文献１に記載されている。すなわち、蒸気を圧縮して断熱温度上昇させ、この温度をもって熱交換に用いるための温度差を得るものである。この蒸気圧縮法は上述した多段フラッシュ法と同様、蒸発法に属するが、多段フラッシュ法に比して半分程度のエネルギで運転が可能である。

特開２００８−１８８５１４号公報

しかしながら、蒸発器で海水を蒸発させる場合、高温の蒸気側では水蒸気の凝縮が、低温の海水側では海水中の水の蒸発が起こっている。蒸発器で水蒸気と海水とを熱交換すると、水蒸気は潜熱を回収されるため温度が一定であるが、海水は塩濃度が高くなるため沸点上昇が起こり、出口温度が入口温度よりも高くなる。そのため、熱交換での互いの温度差を一定に保つことができない。この沸点上昇の問題は、海水の濃縮率を高くするほど顕著になる。

本発明は、上記従来技術を考慮したものであり、圧縮蒸気と海水との熱交換温度差を一定にして熱交換効率を高めることができる海水の淡水化システム及び方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明では、貯留されている海水中の水分を蒸発させて蒸気と濃縮水に分離し、始端に位置する始端蒸発ユニット及び該始端蒸発ユニットを上流として下流に向けて直列接続される一又は複数の後側蒸発ユニットを備え、前記始端及び後側蒸発ユニットは、前記海水又は前記濃縮水を貯留する蒸発器と、該蒸発器によって発生した前記海水又は前記濃縮水の蒸気又は蒸留水が流通する蒸発物流路と、該蒸発物流路に配設され、前記蒸気を圧縮する圧縮機と、前記蒸発物流路の一部を形成し、前記圧縮機の下流の前記蒸発器内に配された熱交換部と、前記蒸発器によって発生した前記海水又は前記濃縮水の濃縮物が流通する濃縮物流路とを有し、前記始端蒸発ユニットが有する前記蒸発器は前記海水が流通する海水供給流路に接続され、前記後側蒸発ユニットが有する前記蒸発器は上流側に位置する前記始端蒸発ユニット又は後側蒸発ユニットが有する蒸発器から延びる前記濃縮物流路と接続され、前記海水供給流路を流通する前記海水、前記蒸発物流路を流通する前記蒸留水、前記後側蒸発ユニットのうち、終端に位置する終端蒸発ユニットから延びる前記濃縮物流路を流通する濃縮水とで熱交換を行うための予熱器をさらに有することを特徴とする海水の淡水化システムを提供する。

また、本発明では、蒸発器を有する始端蒸発ユニット及び該始端蒸発ユニットと直列接続される一又は複数の後側蒸発ユニットで海水の蒸発を繰り返し、該蒸発の繰り返しによって前記後側蒸発ユニットのうち終端に位置する終端蒸発ユニットで発生した濃縮水と、前記海水と、前記始端及び後側蒸発ユニットで発生した蒸留水とで熱交換を行う海水の淡水化方法も提供する。

本発明では、複数の蒸発ユニットを備えたので、圧縮蒸気と海水との熱交換温度差を一定にして熱交換効率を高めることができる。

本発明に係る海水の淡水化システムの一例を示す概略図である。 本発明に係る海水の淡水化システムの別の例を示す概略図である。 蒸発ユニットを２段にしたときのＴＱ線図である。 図３の一部拡大図である。 蒸発ユニットを３段にしたときのＴＱ線図である。 図５の一部拡大図である。 蒸発ユニットを１段、２段、３段としたときの効果を比較した表である。

本発明が適用される淡水化システムについて説明する。
図１に示すように、この淡水化システム１は、始端蒸発ユニット２と、この始端蒸発ユニット２を上流側として下流側に配される後側蒸発ユニット３とを備えている。図１の例では、後側蒸発ユニット３は一のみ配されているため、実際は終端蒸発ユニット４として機能している。これらユニット２、３（４）は、海水中の水分を蒸発させて蒸気と濃縮水に分離するためのものである。なお、後側蒸発ユニット３が複数配される場合は、図２に示すように、各ユニット２、３（４）は直列接続される（図２では２つの後側蒸発ユニット３が配された例を示している）。

各ユニット２、３（４）は、蒸発器５をそれぞれ有している。この蒸発器５には、海水又は濃縮水が貯留されている。具体的には、始端蒸発ユニット２が有する蒸発器５には海水６が、後側蒸発ユニット３が有する蒸発器５には濃縮水７が貯留されている。蒸発器５にて、海水６又は濃縮水７中の水分は蒸発され、蒸気となる。なお、濃縮水７中の水分はもともと海水６中の水分と同じであるため、蒸気となる水分は海水中の水分と総称することができる。蒸気は、蒸発器５に接続された蒸発物流路８の一部を形成する蒸気流通部９を通る。一方で、濃縮水７は蒸発器５に接続された濃縮物流路１０を通る。具体的には、蒸発器５は気液分離器（不図示）に接続されている。蒸発器５で生じた蒸気及び濃縮水７は、気液分離器にてそれぞれ分離され、蒸気は蒸発物流路８に、濃縮水は濃縮物流路１０にそれぞれ導かれる。

始端蒸発ユニット２が有する蒸発器５には海水供給流路１３が接続され、この流路１３を介して海水６が供給される。また、後側蒸発ユニット３が有する蒸発器５には上流側に位置する始端蒸発ユニット２又は後側蒸発ユニット３が有する蒸発器５から延びる濃縮物流路１０が接続され、この流路を介して濃縮水７が供給される。図１の例では、後側蒸発ユニット３である終端蒸発ユニット４の上流側には始端蒸発ユニット２が配されているため、海水の濃縮水が供給される。図２の例では、終端蒸発ユニット４の上流側には始端蒸発ユニット２の下流に位置する後側蒸発ユニット３が配されているため、海水の濃縮水をさらに濃縮した濃縮水が供給される。

蒸発物流路８には、圧縮機１１が配設されている。この圧縮機１１では、蒸気が圧縮される。圧縮蒸気はさらに蒸発物流路８を通り、蒸発器５内を通る。この蒸発物流路８の一部を形成し、蒸発器５内に配された部分が熱交換部１２である。この熱交換部１２では、蒸発器５内に貯留された海水６又は濃縮水７と圧縮蒸気とが熱交換される。具体的には圧縮蒸気の蒸発潜熱が熱交換に利用される。この熱交換により、上述した蒸気は発生し、圧縮蒸気は蒸留水となる。これともに、蒸発器５内の海水６又は濃縮水７が濃縮されて濃縮物となり、この濃縮物は濃縮物流路１０を流通する。

ここで、蒸発物流路８は、収集管１４を有し、各ユニット２、３（４）で熱交換されて発生した蒸留水を集めてまとめている。淡水化システム１はさらに予熱器１５を有している。海水供給流路１３、終端蒸発ユニット４から延びる濃縮物流路１０、及び蒸発物流路８の収集管１４はそれぞれ予熱器１５を通過している。この予熱器１５にて、海水と濃縮水及び蒸留水とで熱交換し、海水を予熱している。

図１を参照して海水から淡水化への流れを概説すると、海水供給流路１３を流れる海水は、予熱器１５で濃縮水及び蒸留水と熱交換されて予熱されてから始端蒸発ユニット２の蒸発器５に導かれる。この蒸発器５で海水６（中の水分）は蒸発される。蒸発された海水６は蒸気と濃縮水に分離される。蒸気は蒸発物流路８の蒸気流通部９を通り、圧縮機１１によって圧縮されて圧縮蒸気となる。圧縮蒸気はそのまま蒸発物流路８を通り、蒸発器５内の熱交換部１２を通る。このとき、圧縮蒸気は蒸発器５内に貯留されている海水６との熱交換により液状の蒸留水となる。蒸留水は蒸発物流路８の収集管１４に集められ、予熱器１５にて再び海水の予熱に用いられる。一方で海水６から発生した濃縮水は濃縮物流路１０を通り、後側蒸発ユニット３（終端蒸発ユニット４）の蒸発器５に導入される。濃縮水７は、再び後側蒸発ユニット３にて蒸気と濃縮水とに分離される。図２の例では、発生した濃縮水はさらに下流側の蒸発ユニットにて濃縮される。

本発明では、海水を蒸発させるためのユニットを複数設けたことが特徴となっている。すなわち、例えば図１で示すように始端蒸発ユニット２の下流側に後側蒸発ユニット３を設けたことである。例えば海水を５０％濃縮させようとする場合、まず海水は予熱器１５においてその飽和温度（１atm、約１０１℃）まで加熱される。そして蒸発器５にて圧縮蒸気と熱交換され、５０％まで濃縮される。このとき、水分の蒸発により濃縮水は沸点上昇を起こし、飽和温度（１atm、約１０２℃）まで加熱されている。したがって、蒸発器５での熱交換温度差を５℃と設定した場合は、海水蒸発のために用いられた蒸気は熱交換後１０７℃になって凝縮されるように設定される。

このような海水の蒸発を一つの蒸発ユニットで行う場合、飽和温度が１０７℃の蒸留水を得るためには、圧縮機１１で蒸気を２８ＭＰａＧまで圧縮する。この圧力は、飽和蒸気圧表を用いて求められる。しかしながら圧縮の加熱により圧縮蒸気の温度は１２２℃となってしまい、１０７℃に対して１５℃も高くなってしまう。これがエネルギーロスとなる。このエネルギーロスは濃縮率を高めれば顕著になり、熱交換温度差を５℃とした場合、８０％濃縮時では設定より２７℃、９０％濃縮時には設定より３５℃も高くなってしまう。したがって、蒸発ユニットを複数（多段）とすることで、圧縮により加熱を抑え、熱交換温度差を一定に保つことが効率的である。

すなわち、蒸発ユニット２、３を複数設けて多段とすることで、一つのユニットにおける蒸発器５での沸点上昇を抑えることが可能となり、これに伴い蒸気の圧縮率も低くすることができる。したがって圧縮蒸気の温度も低く抑えることができ、海水との温度差を少なくすることができる。圧縮率を低くすることができるため、圧縮機の動力も抑えることができ、省エネルギー化にも寄与できる。

図１のように蒸発ユニットを２段にしたときは、図３に示すようなＴＱ線図となる。線Ａと線Ｂは予熱器１５での蒸留水と海水との熱交換の様子を表している。また、線Ｃと線Ｄは予熱器１５での濃縮水と海水との熱交換の様子を表している。具体的には、線Ａは蒸留水を、線Ｃは濃縮水を、線Ｂ及びＤは海水を示している。予熱器１５ではこれらは同時に熱交換されるが、便宜上蒸留水と濃縮水とを分けて記載している。予熱器１５で飽和温度１０１℃まで加熱された海水は、蒸発器５で熱交換される。このときに海水は濃縮されて沸点上昇を起こし、蒸発器５の入口温度に対して出口温度は沸点上昇分温度が上がっている。この様子は図３の線Ｅで示すが、よりわかりやすく図４で拡大して示すように、線Eは熱交換とともに温度が上昇している。

蒸発器５での海水との熱交換をする圧縮蒸気は、潜熱回収中は温度が一定である。１段目、すなわち始端蒸発ユニット２での圧縮蒸気の温度は線Fで示される。そして２段目、すなわち図１における終端蒸発ユニット４での圧縮蒸気の温度は線Ｇで示される。このように蒸発ユニットを２段にすることで各ユニットにおける圧縮蒸気の温度と海水との温度差を一定に近づけることができる。この効果は、蒸発ユニットをさらに増加させれば顕著となり、例えば図５及び図６に示すように、蒸発ユニットを３段にすれば各ユニットでの圧縮蒸気の温度を示す線Ｈ、Ｉ、Ｊと海水の温度を示す線Ｅとはさらに温度差が一定に近づくようになる。しかしながら、蒸発ユニットを増加させることは圧縮機の数が増えることになり、イニシャルコストの増大につながる。このため、２段若しくは３段程度での実施が実際は望ましいといえる。

実際に、蒸発ユニットを１段、２段、３段の場合で圧縮動力、圧縮機出口温度、圧縮機出口圧力、海水出口温度、蒸発器での高温側熱交換温度差を検証した。図７に示すように、圧縮動力は合計で３段の場合が最も低く抑えられていて、エネルギー効率が高まっていることが確認できる。具体的には、１段の場合は６．６５ｋＷであるが、２段は６．５１ｋＷ、３段は６．４６ｋＷと蒸発ユニットを増加させれば圧縮機の動力を低く抑えられていることが確認できている。これは、圧縮機の出口温度、すなわち圧縮蒸気の温度を多段にすることで上流側のユニットでは動力を低く抑えることができていることに起因している。例えば、１段の場合は１台の圧縮機で蒸気を１２６．０℃まで昇温させなければならないが、２段の場合は１段目の圧縮機では１２４．７℃まで昇温させればよい。

また、圧縮機での出口圧力も上流側のユニットで低く抑えることができる。例えば、１段の場合は１台の圧縮機で２２．０ｋＰａＧまで圧力を高めなければならないが、２段の場合は１段目の圧縮機では２１．０ｋＰａＧまで圧力を高めるのみでよい。

海水の出口温度はこの例では沸点上昇後の温度として１００．６℃を示しているが、１段の場合は一つの蒸発器で沸点上昇の幅が０．６℃であるのに対し、２段の場合は１段目の蒸発器では０．４℃の沸点上昇しか起こしていない。蒸発ユニットを複数設けて濃縮率をそれぞれ低く設定できるため、沸点上昇温度を低く抑えることができている。

高温側の熱交換温度差は、１段の場合は沸点上昇温度が高いことから必然的に蒸気の圧縮率を高めなければならず、したがって温度差も大きくなってしまっている。多段とすることで、沸点上昇温度を抑制し、したがって温度差も低く設定できている。例えば、２段の場合は１段目の温度差は２４．４℃、３段の場合は１段目の温度差は２４．０℃まで低く設定できている。

１：海水の淡水化システム、２：始端蒸発ユニット、３：後側蒸発ユニット、４：終端蒸発ユニット、５：蒸発器、６：海水、７：濃縮水、８：蒸発物流路、９：蒸気流通部、１０：濃縮物流路、１１：圧縮機、１２：熱交換部、１３：海水供給流路、１４：収集管、１５：予熱器

Claims (2)

1. 貯留されている海水中の水分を蒸発させて蒸気と濃縮水に分離し、始端に位置する始端蒸発ユニット及び該始端蒸発ユニットを上流として下流に向けて直列接続される一又は複数の後側蒸発ユニットを備え、
   前記始端及び後側蒸発ユニットは、
   前記海水又は前記濃縮水を貯留する蒸発器と、
   該蒸発器によって発生した前記海水又は前記濃縮水の蒸気又は蒸留水が流通する蒸発物流路と、
   該蒸発物流路に配設され、前記蒸気を圧縮する圧縮機と、
   前記蒸発物流路の一部を形成し、前記圧縮機の下流の前記蒸発器内に配された熱交換部と、
   前記蒸発器によって発生した前記海水又は前記濃縮水の濃縮物が流通する濃縮物流路と
   を有し、
   前記始端蒸発ユニットが有する前記蒸発器は前記海水が流通する海水供給流路に接続され、
   前記後側蒸発ユニットが有する前記蒸発器は上流側に位置する前記始端蒸発ユニット又は後側蒸発ユニットが有する蒸発器から延びる前記濃縮物流路と接続され、
   前記海水供給流路を流通する前記海水、前記蒸発物流路を流通する前記蒸留水、前記後側蒸発ユニットのうち、終端に位置する終端蒸発ユニットから延びる前記濃縮物流路を流通する濃縮水とで熱交換を行うための予熱器をさらに有することを特徴とする海水の淡水化システム。
2. 蒸発器を有する始端蒸発ユニット及び該始端蒸発ユニットと直列接続される一又は複数の後側蒸発ユニットで海水の蒸発を繰り返し、
   該蒸発の繰り返しによって前記後側蒸発ユニットのうち終端に位置する終端蒸発ユニットで発生した濃縮水と、前記海水と、前記始端及び後側蒸発ユニットで発生した蒸留水とで熱交換を行うことを特徴とする海水の淡水化方法。

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