JP2017203558A - Concentration drying apparatus and concentration drying method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、膜蒸留と噴霧乾燥による濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法に関する。 The present invention relates to a concentration drying apparatus and concentration drying method by membrane distillation and spray drying.
飲食品の製造、廃液処理、淡水化処理、化学工業等の各種分野において、液体を濃縮する操作が行われている。濃縮の方法としては、一般に、蒸発缶や加熱プレート等を用いる蒸発濃縮法が利用されている。また、その他の方法として、逆浸透膜(Reverse Osmosis;RO膜)を用いる膜濃縮法や、凍結濃縮法等も利用されている。 In various fields such as production of food and drink, waste liquid treatment, desalination treatment, and chemical industry, operations for concentrating liquids are performed. As a concentration method, an evaporation concentration method using an evaporator or a heating plate is generally used. As other methods, a membrane concentration method using a reverse osmosis (RO membrane), a freeze concentration method, and the like are also used.
蒸発濃縮法は、高い濃縮率を容易に実現し得る方法ではあるものの、液体を蒸発させるのに多大な加熱コストが掛かるという欠点を有している。また、蒸発濃縮法は、香気成分等の低沸点成分を加熱に伴って揮散させてしまうため、飲食品の製造等には適していない。一方、凍結濃縮法も、高吸熱量の冷凍能力を必要とするし、装置・操作が複雑であったり、懸濁液の濃縮が難しいといった課題を抱えている。 Although the evaporative concentration method is a method that can easily realize a high concentration rate, it has a disadvantage that it takes a large heating cost to evaporate the liquid. Further, the evaporation concentration method volatilizes low-boiling components such as aroma components with heating, and thus is not suitable for the production of food and drink. On the other hand, the freeze-concentration method also requires a high endothermic refrigeration capacity, and has problems such as complicated apparatus and operation and difficulty in concentrating the suspension.
このような状況の下、蒸発濃縮法等に代わる代替技術として、膜濃縮法の利用が拡大している。膜濃縮法では、分離膜を利用した濾過や透析の原理により濃縮が行われる。低分子以上が濃縮対象である場合の分離膜としては、逆浸透膜(Reverse Osmosis;RO膜)が一般的である。従来、特許文献1に開示されるように、逆浸透膜装置やナノ濾過膜装置を利用して糖化液を濃縮する技術等が知られている。 Under such circumstances, the use of the membrane concentration method is expanding as an alternative technology to replace the evaporation concentration method and the like. In the membrane concentration method, concentration is performed according to the principle of filtration or dialysis using a separation membrane. A reverse osmosis membrane (Reverse Osmosis; RO membrane) is generally used as a separation membrane when low molecules or more are to be concentrated. Conventionally, as disclosed in Patent Document 1, a technique for concentrating a saccharified solution using a reverse osmosis membrane device or a nanofiltration membrane device is known.
逆浸透法は、比較的低いコストで行うことができるし、低沸点成分を揮散させないで済むため、濃縮液の品質を損ない難いといった利点を持つ。しかしながら、逆浸透法では、操作圧力と耐圧の関係から濃縮率に限界がある。また、逆浸透膜は、特許文献1に記載されるように前処理を行ったとしても、依然としてファウリングを生じ易い。また、その洗浄に用いる化学薬品や殺菌剤によって容易に劣化する材質であることが少なくない。そのため、装置の運用や維持管理を考慮すると、必ずしも最良の方法とはなっていない。 The reverse osmosis method can be carried out at a relatively low cost and has the advantage that the quality of the concentrated liquid is hardly impaired because it is not necessary to volatilize low boiling components. However, in the reverse osmosis method, the concentration rate is limited due to the relationship between the operating pressure and the pressure resistance. Further, even if the reverse osmosis membrane is pretreated as described in Patent Document 1, fouling is still likely to occur. In addition, the material is often easily deteriorated by chemicals and disinfectants used for the cleaning. Therefore, it is not always the best method in consideration of operation and maintenance of the apparatus.
分離膜を利用する方法としては、膜蒸留法(Membrane Distillation;MD法)も知られている。膜蒸留法においては、液体を透過しない一方で気体を透過する性質を持つ疎水性多孔質膜が用いられる。膜蒸留の原理による濃縮では、液体が気体への相転移を伴って分離されて、元の液体が濃縮されることになる。膜蒸留法は、殺菌処理等を考慮しても装置の運用や維持管理を行い易いことから、溶質や濁質を含んだ液体を濃縮する方法としても優位性がある。 A membrane distillation method (MD method) is also known as a method using a separation membrane. In the membrane distillation method, a hydrophobic porous membrane is used that does not permeate liquid but permeates gas. In the concentration by the principle of membrane distillation, the liquid is separated with a phase transition to a gas, and the original liquid is concentrated. The membrane distillation method is advantageous as a method for concentrating liquids containing solutes and turbids because it is easy to operate and maintain the apparatus even in consideration of sterilization treatment and the like.
膜蒸留における物質移動は、膜の両側に掛かる蒸気圧差によって駆動される。そのため、濃縮操作は、原液を接触させる膜の片側と、蒸気を出させる膜の反対側との間に温度差を与え、飽和蒸気圧を異ならしめることにより行われる。膜蒸留法の具体的な形態としては、膜を透過した蒸気を、膜の反対側に離れた冷却面上で冷却する間接接触法と、膜を透過した蒸気を、膜の反対側を流れる冷却液に吸収させる直接接触法とがある。 Mass transfer in membrane distillation is driven by the vapor pressure differential across the membrane. For this reason, the concentration operation is performed by giving a temperature difference between one side of the membrane with which the stock solution is brought into contact and the opposite side of the membrane with which the vapor is emitted, and making the saturated vapor pressure different. Specific forms of the membrane distillation method include the indirect contact method in which the vapor that has permeated the membrane is cooled on a cooling surface remote from the membrane, and the cooling that has passed through the membrane on the opposite side of the membrane. There is a direct contact method in which the liquid is absorbed.
膜蒸留の原理による濃縮によると、蒸発濃縮法と比較して、低い加熱コストで液体を濃縮することが可能である。しかしながら、膜蒸留法においても、大量の液体に蒸発熱以上の熱量を与える必要があるため、加熱コストの削減の要求は依然として高い現状がある。 According to the concentration based on the principle of membrane distillation, it is possible to concentrate the liquid at a lower heating cost compared to the evaporation concentration method. However, even in the membrane distillation method, since it is necessary to give a large amount of liquid a heat amount equal to or greater than the heat of evaporation, there is still a high demand for a reduction in heating cost.
他方、液体を濃縮する操作を行う分野では、分散液を乾燥させて固形化する処理が付随して行われることもある。例えば、飲食品の製造の分野においては、希薄な原料液を濃縮し、濃縮された原料液を噴霧乾燥することにより、顆粒状ないし粉末状の加工飲食品を製造することがある。熱風による加熱を伴う噴霧乾燥では、熱を保った排風が排気されるため、廃熱を削減し、省エネルギ性を改善することが望まれている。 On the other hand, in the field of performing an operation of concentrating a liquid, a process of drying and solidifying the dispersion liquid may be accompanied. For example, in the field of manufacturing food and drink, granular or powdered processed food and drink may be manufactured by concentrating a dilute raw material liquid and spray-drying the concentrated raw material liquid. In spray drying accompanied by heating with hot air, exhaust air that retains heat is exhausted, so it is desired to reduce waste heat and improve energy saving.
そこで、本発明は、希薄な分散液からエネルギ効率良く噴霧乾燥物を得ることができる濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the concentration drying apparatus and concentration drying method which can obtain a spray-dried material from a diluted dispersion efficiently.
前記課題を解決するために本発明に係る濃縮乾燥装置は、原液が流される第1室と、蒸気を選択的に透過する多孔質膜によって前記第1室から隔てられた第2室と、を有する膜蒸留セルと、熱媒と前記第1室に流される前記原液との間で熱交換を行って前記原液を加熱する第1熱交換器と、前記第1室から排出された前記原液を熱風中に噴霧して乾燥する噴霧乾燥器と、前記噴霧乾燥器から排出された排風と前記熱媒との間で熱交換を行う第2熱交換器と、を備える。 In order to solve the above problems, a concentration drying apparatus according to the present invention includes a first chamber in which a stock solution is flowed, and a second chamber separated from the first chamber by a porous membrane that selectively transmits vapor. A membrane distillation cell having a first heat exchanger that heats the stock solution by exchanging heat between the heating medium and the stock solution that flows into the first chamber, and the stock solution discharged from the first chamber. A spray dryer that sprays and dries in hot air, and a second heat exchanger that exchanges heat between the exhaust air discharged from the spray dryer and the heat medium.
また、本発明に係る濃縮乾燥方法は、原液が流される第1室と、蒸気を選択的に透過する多孔質膜によって前記第1室から隔てられた第2室と、を有する膜蒸留セルと、前記第1室から排出された前記原液を熱風中に噴霧して乾燥する噴霧乾燥器と、を備える濃縮乾燥装置において、前記噴霧乾燥器から排出された排風と前記原液との間で熱交換を行って前記原液を加熱し、加熱された前記原液を前記膜蒸留セルにおいて濃縮し、濃縮された前記原液を前記噴霧乾燥器において噴霧乾燥する。 Further, the concentration drying method according to the present invention includes a membrane distillation cell having a first chamber in which a stock solution is flowed, and a second chamber separated from the first chamber by a porous membrane that selectively transmits vapor. A spray dryer for spraying and drying the undiluted solution discharged from the first chamber in hot air, and heat is generated between the unwinded air discharged from the spray dryer and the undiluted solution. Exchange is performed to heat the stock solution, the heated stock solution is concentrated in the membrane distillation cell, and the concentrated stock solution is spray dried in the spray dryer.
本発明によれば、希薄な分散液からエネルギ効率良く噴霧乾燥物を得ることができる濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the concentration drying apparatus and the concentration drying method which can obtain a spray-dried material energy efficient from a diluted dispersion liquid can be provided.
以下、本発明の一実施形態に係る濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法について説明する。なお、以下の各図において共通する構成については同一の符号を付し、重複した説明を省略する。 Hereinafter, a concentration drying apparatus and a concentration drying method according to an embodiment of the present invention will be described. In addition, about the structure which is common in each following figure, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、本発明の一実施形態に係る濃縮乾燥装置の概略構成を示す図である。
図1に示すように、本実施形態に係る濃縮乾燥装置1は、膜蒸留セル10と、原液ポンプP1と、加熱器(第1熱交換器)20と、気液熱交換器(第2熱交換器)30と、冷却器40と、冷却液ポンプP2と、濃縮液槽50と、濃縮液ポンプP3と、給気ファンF1と、空気加熱器60と、噴霧乾燥器70と、粉体分離器80と、集塵器90と、排風ファンF2と、原液流路110と、冷却液流路120と、濃縮液流路130と、排風路140と、熱媒管150と、第1熱媒タンクT10と、第2熱媒タンクT20と、第1熱媒ポンプ(流量調整手段)P4と、第2熱媒ポンプ(流量調整手段)P5と、制御器(制御部)200とを備えている。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a concentration drying apparatus according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the concentration drying apparatus 1 according to the present embodiment includes a
濃縮乾燥装置1は、希薄な分散液の濃度を高める濃縮操作を膜蒸留の原理により行い、濃縮された分散液を噴霧乾燥により乾燥させる装置である。濃縮乾燥装置1では、液体と固体との混成である、又は、液体に固体が溶解している希薄な分散液(原液)が、膜蒸留セル10に導入されて膜蒸留される。膜蒸留セル10においては、原液に含まれている分散媒等の低沸点成分が分離される一方で、元の原液に含まれている固形分が濃縮された濃縮液が生成される。そして、濃縮液は、噴霧乾燥器70に導入されて噴霧乾燥され、分散媒が除去された顆粒状ないし粉末状の噴霧乾燥物が回収される。
The concentration drying apparatus 1 is an apparatus that performs a concentration operation for increasing the concentration of a diluted dispersion liquid based on the principle of membrane distillation, and dries the concentrated dispersion liquid by spray drying. In the concentration drying apparatus 1, a dilute dispersion (stock solution) that is a mixture of a liquid and a solid or in which a solid is dissolved is introduced into the
膜蒸留セル10は、多孔質膜11と、冷却板12と、原液室(第1室)10aと、凝縮室(第2室)10bと、冷却室(第3室)10cとを有している。図1に示すように、膜蒸留セル10の内部は、多孔質膜11と冷却板12によって、原液室10aと凝縮室10bと冷却室10cとに仕切られている。
The
多孔質膜11は、多孔質の材料によって形成されており、原液室10aの壁部の一部分を成している。多孔質膜11は、液体を透過しない一方で気体を透過する性質を有しており、接触した原液中の蒸気を選択的に透過する作用を示す。すなわち、原液から蒸発した蒸気は、多孔質膜11を透過して、原液室10a側から凝縮室10b側に移動することができる。一方、蒸気が離脱した元の原液は、多孔質膜11を透過すること無く、原液室10aに濃縮される。
The
多孔質膜11としては、平膜、中空糸膜、管状膜等の各種の形態が適用される。また、多孔質膜11の組み付け方は、特に制限されるものでは無く、円管型、スパイラル型等の各種の形態を採ることができる。多孔質膜11の一例は、平均孔径が0.2μm、開口率が60%以上80%以下、厚さが50μm以上200μm以下である。
As the
多孔質膜11の好ましい材料は、高い疎水性を有する材料である。有機材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素化ポリオレフィンや、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィンを用いることができる。また、無機材料としては、例えば、疎水性のゼオライト、シリカ、カーボン等を用いることができる。
A preferred material for the
冷却板12は、熱伝導率が高い材料によって形成されており、凝縮室10b及び冷却室10cのそれぞれの壁部の一部分を成している。冷却板12は、冷却室10c側から冷却液によって冷却されるようになっており、多孔質膜11を透過してきた蒸気を凝縮室10b側の表面で凝縮させる。
The
冷却板12の好ましい材料は、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、銅、これらの合金、高熱伝導率の合成樹脂等である。より好ましい材料は、ステンレス鋼、チタン等のように高い熱伝導率と耐腐食性とを兼ね備えた材料である。
Preferred materials for the cooling
原液室10aは、原液が流される区画である。原液室10aの入口には、配管等によって形成された原液流路110が接続している。原液流路110上には、原液ポンプP1と、加熱器20が設置されている。原液は、原液ポンプP1が稼働することによって、系外から原液室10aに導入され、多孔質膜11が設置された原液室10aを流される。
The
加熱器20は、原液室10aに流される原液を熱媒との熱交換によって加熱する熱交換器である。多孔質膜11における物質移動は、原液と多孔質膜11の界面と、冷却板12の冷却面との間に生じる蒸気圧差によって駆動される。原液は高温であるほど飽和蒸気圧が増大し、飽和蒸気圧が増大するほど多孔質膜11の透過流束が大きくなる。また、飽和蒸気圧が増大するほど、顕熱に対する潜熱の移動比率が高くなって熱損失が小さくなる。そのため、原液は、所定温度まで加熱器20によって加熱されて原液室10aに導入される。
The
加熱器20には、図1に示すように、熱媒が通流する熱媒管150が接続されている。熱媒管150は、加熱器20と気液熱交換器30との間に循環路を形成している。熱媒としては、例えば、水分散液、水懸濁液等の水性の原液を濃縮対象とする場合には、純水、水道水、工水等を利用することができる。
As shown in FIG. 1, a
加熱器20から気液熱交換器30に向かう往き側の熱媒管150には、途中部に断熱性の第1熱媒タンクT10が設置されている。第1熱媒タンクT10には、原液との熱交換により放熱した熱媒が一時的に貯留されるようになっている。第1熱媒タンクT10の下流側の熱媒管150には、熱媒を定量移送可能な第1熱媒ポンプP4が設置されている。
A heat insulating first heat medium tank T <b> 10 is installed in the middle of the
また、気液熱交換器30から加熱器20に向かう戻り側の熱媒管150には、途中部に断熱性の第2熱媒タンクT20が設置されている。第2熱媒タンクT20には、気液熱交換器30において受熱した熱媒が一時的に貯留されるようになっている。第2熱媒タンクT20の下流側の熱媒管150には、熱媒を定量移送可能な第2熱媒ポンプP5が設置されている。
Further, in the return side
冷却室10cは、冷却液が流される区画である。冷却室10cは、冷却板12によって凝縮室10bから隔てられている。冷却室10cの出口から入口までは、室外で配管等を介して連通しており、冷却室10cに冷却液を循環させるための冷却液流路120が形成されている。冷却液流路120上には、冷却器40と、冷却液を循環させる冷却液ポンプP2とが設置されている。冷却液流路120は、冷却室10cの出口と入口との間を冷却器40を介して接続しており、冷却液を冷却室10cに循環的に流す。
The cooling
冷却液としては、熱容量や潜熱が高く、適度な粘度や相転移温度を有する適宜の流体が適用される。例えば、水分散液、水懸濁液等の水性の原液を濃縮対象とする場合には、純水、水道水、工水等の冷却水を用いることができる。 As the cooling liquid, an appropriate fluid having a high heat capacity and latent heat and having an appropriate viscosity and phase transition temperature is applied. For example, when an aqueous undiluted solution such as an aqueous dispersion or an aqueous suspension is to be concentrated, cooling water such as pure water, tap water, and industrial water can be used.
冷却器40は、冷却室10cに流される冷却液を冷却する。冷却液は、凝縮室10bの蒸気が凝縮可能な温度まで冷却器40によって冷却されて冷却室10cに導入される。通常、冷却液の温度は、原液側と冷却側との間の蒸気圧差を一定にする観点から、略一定温度に冷却される。冷却器40としては、例えば、開放型の冷却塔、密閉型の冷却塔、熱交換器等が用いられる。
The cooler 40 cools the coolant that flows into the cooling
凝縮室10bは、蒸気を凝縮させる区画である。凝縮室10bは、多孔質膜11によって原液室10aから隔てられている。原液室10aにおいて原液から蒸発した蒸気は、多孔質膜11を透過した後、多孔質膜11から冷却板12までを自然対流や拡散によって移動する。そして、冷却液流路120に流されている冷却液によって冷やされた冷却板12が、凝縮室10bの冷却を行い、凝縮室10bの蒸気を凝縮させる。凝縮室10bには、セル外に凝縮液を排出する排液路と、蒸気を排気する排気路とが接続されている。
The
膜蒸留セル10では、加熱された原液から低沸点成分が蒸発し、蒸気は多孔質膜11を透過して、凝縮室10bの冷却板12上で冷却されて凝縮液となる。凝縮液や、残った蒸気は、凝縮室10bから系外に排出される一方、蒸気が離脱して濃縮された原液(濃縮液)は、原液室10aから排出される。
In the
原液室10aの出口には、配管等によって形成された濃縮液流路130が接続している。濃縮液流路130上には、濃縮液槽50が設置されている。原液室10aにおいて濃縮された濃縮液は、濃縮液流路130を通じて濃縮液槽50に受けられ、濃縮液槽50において一時的に貯留されるようになっている。また、濃縮液槽50の下流側には、濃縮液ポンプP3が設置されており、濃縮液流路130の下流端は、噴霧乾燥器70に接続している。
A concentrated
噴霧乾燥器70は、分散液(濃縮液)を噴霧乾燥し、分散液中の固形分からなる噴霧乾燥物を造粒する。噴霧乾燥器70は、例えば、下部側が下端に向かってテーパ状に縮径した筒状の筺体と、筐体内に設けられ、筺体の内壁に向けて液滴を吐出する吐出機構とを備えて構成される。吐出機構は、加圧ノズルや回転ディスクによって構成され、濃縮液流路130と接続している。濃縮液流路130を通じて供給される濃縮液は、吐出機構によって液滴として吐出されるようになっている。また、濃縮液が吐出される筺体内には、濃縮液を乾燥させるための熱風が供給されるようになっている。
The
図1に示すように、熱風は、給気ファンF1によって吸引した空気を空気加熱器60によって加熱し、塵埃を捕集、除去した後に噴霧乾燥器70に供給する。空気加熱器60による加熱温度は、好ましくは100℃以上300℃以下の範囲である。なお、図1において、熱風を供給する方式は、塔頂から吐出される液滴に並行させる並流式とされているが、塔頂から吐出される液滴に下方から対向させる向流式、又は、塔頂に向けて吐出される液滴に上方から対向させる並向流式であってもよい。
As shown in FIG. 1, hot air is supplied to the
噴霧乾燥器70は、筺体内に、配管等によって形成された排気用の排風路140が接続されている。排風路140上には、粉体分離器80、集塵器90、排風ファンF2、気液熱交換器30が、この順に設置されており、排風路140の終端は、系外に連通している。濃縮液に熱を奪われた熱風は、排風ファンF2の稼働によって、排風路140を通じて一部の微小な噴霧乾燥物と共に排気され、粉体分離機80に導入される。
The
粉体分離器80は、所謂サイクロンであり、渦流を形成することにより遠心分離の原理で気体と粉体とを分離する。噴霧乾燥器70から排気された排風は、粉体分離器80の筒状の筺体内に渦流を形成し、気体と微小な噴霧乾燥物とが互いに分離される。分離された噴霧乾燥物は、筺体の下部から回収される一方、排風は、筐体の上部から排気された後、集塵器90に導入される。
The
集塵器90は、気体中の微粒子を捕集、分離する装置である。集塵器90は、例えば、濾過の原理で集塵するバグフィルタを備える。集塵器90に導入された排風は、バグフィルタを透過して、残存している噴霧乾燥物の微粒子を捕集、除去される。集塵された噴霧乾燥物は、圧縮空気のパルス、振動等により、バグフィルタから払い落とされて回収される。一方、微粒子が除去された排風は、集塵器90から排気され、気液熱交換器30に導入される。
The
気液熱交換器30は、加熱器20の熱媒と、噴霧乾燥器70が排出した排風との間で熱交換を行う。気液熱交換器30は、熱媒管150の一部により構成される受熱部と、排風路140の一部を構成する放熱部とを有している。気液熱交換器30の放熱部には、噴霧乾燥器70が排出し、余熱を保持している排風が導入され、受熱部には、加熱器20で放熱した熱媒が導入されて気液熱交換が行われる。気液熱交換器30の形態は、例えば、フィンチューブ式、プレートフィン式、シェルチューブ式、フィンレス多管式、直接接触式等の適宜の形態であってよい。
The gas-
制御器200は、第1熱媒ポンプP4や第2熱媒ポンプP5の吐出力を制御する。制御器200が、第1熱媒ポンプP4や第2熱媒ポンプP5を制御して熱媒の流量を調整することにより、加熱器20が原液に与える熱量(交換熱量)が制御される。制御器200は、例えば、気液熱交換器30の受熱部の入口温度及び出口温度、並びに、放熱部の入口温度及び出口温度の計測結果を取得し、所定の交換熱量や対数平均温度差に対応する熱交換が行われるように、第1熱媒ポンプP4の吐出力を制御して熱媒の流量を調整する。また、加熱器20の熱媒の入口温度及び出口温度、並びに、原液の入口温度及び出口温度の計測結果を取得し、所定の交換熱量や対数平均温度差に対応する熱交換が行われるように、第2熱媒ポンプP5の吐出力を制御して熱媒の流量を調整する。
The
次に、濃縮乾燥装置1の具体的な運転方法に基いて、本実施形態に係る濃縮乾燥方法について説明する。 Next, based on the specific operation method of the concentration drying apparatus 1, the concentration drying method according to the present embodiment will be described.
本実施形態に係る濃縮乾燥方法は、原液が流される原液室(第1室)と、蒸気を選択的に透過する多孔質膜によって原液室(第1室)から隔てられた凝縮室(第2室)と、を有する膜蒸留セルと、原液室(第1室)から排出された原液を熱風中に噴霧して乾燥する噴霧乾燥器と、を備える濃縮乾燥装置において、噴霧乾燥器から排出された排風と原液との間で熱交換を行って原液を加熱し、加熱された原液を膜蒸留セルにおいて濃縮し、濃縮された原液を噴霧乾燥器において噴霧乾燥する濃縮乾燥方法である。 The concentration drying method according to the present embodiment includes a condensate chamber (second chamber) separated from a stock solution chamber (first chamber) by a porous membrane that selectively transmits vapor and a stock solution chamber (first chamber) through which the stock solution flows. And a spray dryer for spraying and drying the stock solution discharged from the stock solution chamber (first chamber) in hot air, and then drying the spray solution from the spray dryer. This is a concentration drying method in which heat exchange is performed between the exhausted air and the stock solution to heat the stock solution, the heated stock solution is concentrated in a membrane distillation cell, and the concentrated stock solution is spray-dried in a spray dryer.
本実施形態に係る濃縮乾燥方法によると、溶質、濁質等の固形分を含む希薄な分散液を原液として処理に供することにより、顆粒状ないし粉末状の噴霧乾燥物が回収される。例えば、乳汁、果汁、野菜汁、医薬原料液、香料原料液等を原液として膜蒸留及び噴霧乾燥を行うことにより、粉乳、粉末果汁、粉末野菜汁、医薬粉末製剤、香料粉末等の噴霧乾燥物が得られる。 According to the concentration drying method according to the present embodiment, a granular or powdery spray-dried product is recovered by subjecting the dilute dispersion containing solids such as solute and turbidity as a stock solution to the treatment. For example, by performing membrane distillation and spray drying using milk, fruit juice, vegetable juice, pharmaceutical raw material liquid, fragrance raw material liquid, etc. as the original liquid, spray-dried products such as powdered milk, powdered fruit juice, powdered vegetable juice, pharmaceutical powder formulation, fragrance powder, etc. Is obtained.
濃縮乾燥装置1においては、原液は、原液ポンプP1の稼働によって、系外から原液流路110に導入される。そして、原液は、加熱器20において、熱媒管150を通流する熱媒と所定の交換熱量で熱交換を行い、目標の加熱温度まで加熱される。その後、原液は、膜蒸留セル10の原液室10aを流されて濃縮され、濃縮液は、濃縮液流路130を通じて濃縮液槽50に受けられる。
In the concentration drying apparatus 1, the stock solution is introduced into the
膜蒸留セル10の原液室10aでは、加熱された原液から低沸点成分が蒸発し、蒸気は多孔質膜11を透過して、凝縮室10bの冷却板12上で冷却されて凝縮液となる。膜蒸留セル10の原液室10aでは、原液が所定の濃縮率に濃縮されるように膜蒸留を行う。濃縮液の濃縮率(Cf)は、原液の量をQf、多孔質膜11を透過する透過液の量をQpとしたとき、膜蒸留セルにおける物質収支から、次の式(1)のように表すことができる。
Cf=Qf/(Qf−Qp)・・・(1)
In the
/ C f = Q f (Q f -Q p) ··· (1)
原液の量(Qf)については、膜蒸留セル10への導入量等として容易に把握することができる。例えば、原液流路110に流量センサを設置して計測したり、原液を原液流路110に導入する以前に、原液を貯留する貯槽等に設けたレベルセンサや重量センサで計測したりすることができる。一方、多孔質膜11を透過する透過液の量(Qp)については、多孔質膜11を隔てて生じる蒸気圧差を制御することで、所定量に調節することができる。
The amount (Q f ) of the stock solution can be easily grasped as the amount introduced into the
膜蒸留セル10における蒸気圧差は、主として、加熱器20による原液の加熱温度と、冷却器40による冷却板12の冷却温度との温度差を調節することにより制御すればよい。原液の加熱は、熱エネルギの投入により調節し、冷却板12の冷却は、常温域の水や空気で冷却した冷却液を利用して定温に維持する。例えば、原液や冷却液の液温を監視し、加熱器20や冷却器40をフィードバック制御すればよい。原液側と冷却側との温度差は、目標濃縮率(Cf)に応じて、多孔質膜11について適切な蒸気圧差が確保される温度に設定すればよい。加熱器20による加熱の目標温度は、水性の原液を濃縮対象とする場合には90℃未満とすることができる。或いは、凝縮室10bに生じる凝縮液の量を監視して、凝縮液の量を定量制御してもよい。多孔質膜11を透過する透過液の量(Qp)は、凝縮室10bに生じる凝縮液の量と同等であると見做せるためである。
The vapor pressure difference in the
膜蒸留セル10において濃縮された濃縮液は、原液室10aから排出されて濃縮液槽50に受けられ、濃縮液ポンプP3の稼働によって、濃縮液槽50から噴霧乾燥器70に移送される。噴霧乾燥器70では、熱風が供給される筺体内に噴霧された濃縮液は、乾燥して顆粒状ないし粉末状の噴霧乾燥物となる一方、濃縮液に熱を奪われた熱風が排風として排気される。噴霧乾燥物は、噴霧乾燥器70や、粉体分離器80や、集塵器90から回収されて、各種の用途に用いられる。
The concentrate concentrated in the
濃縮乾燥装置1の膜蒸留セル10においては、原液が、予め設定された所定の濃縮率に濃縮される。そのため、噴霧乾燥器70では、予め設定された定流量で濃縮液を吐出させて、安定的に略全乾させることができる。また、原液が所定の濃縮率に濃縮されているため、給気ファンF1は、予め設定された定流量で吸引した空気を空気加熱器60に供給し、空気加熱器60は、給気ファンF1から供給される定流量の空気を予め設定された所定温度まで加熱するように運転することができる。すなわち、濃縮乾燥装置1の運転中において、空気加熱器60を介した入熱量は、定流量で吐出される所定の濃縮率の濃縮液が乾燥する範囲で、略一定量に容易に管理することが可能である。このような定常的な運転を行う場合、排風は、略一定した熱エネルギを保持して気液熱交換器30の放熱部に導入され、熱媒管150を通流する熱媒との間で所定の交換熱量で熱交換を行うことができる。
In the
熱媒管150を通流する熱媒と、原液室10aに流される原液との熱交換は、原液室10aにおいて得られる濃縮液の量及び濃縮率を目標どおりにする観点からは、原液の受熱量が一定するように制御することが好ましい。そこで、濃縮乾燥装置1では、加熱器20が原液に与える熱量を、熱媒管150を通流する熱媒の流量を調整して制御する。空気加熱器60からの入熱量は略一定量とされ、排風は所定の交換熱量で熱交換するため、熱媒の流量を調整して行う間接的な熱交換により、原液が目標加熱温度まで加熱される。
The heat exchange between the heat medium flowing through the
具体的には、濃縮乾燥装置1においては、制御器200により第1熱媒ポンプP4が制御され、第1熱媒ポンプP4の熱媒の移送量が調整された流量に制御される。第1熱媒ポンプP4は、第1熱媒タンクT10に貯留されており、原液との熱交換により既に放熱した熱媒を、調整された流量で気液熱交換器30に導入する。これによって、原液を目標加熱温度まで加熱するのに必要な交換熱量が、排風との熱交換により得られることになる。例えば、制御器200は、所定の噴霧乾燥条件の下に予め求められた気液熱交換器30における排風の交換熱量と熱媒の入出条件とに基いて、排風から必要な交換熱量が得られるように第1熱媒ポンプP4の吐出力を制御する。
Specifically, in the concentration drying apparatus 1, the first heat medium pump P4 is controlled by the
また、濃縮乾燥装置1においては、制御器200により第2熱媒ポンプP5が制御され、第2熱媒ポンプP5の熱媒の移送量が調整された流量に制御される。第2熱媒ポンプP5は、第2熱媒タンクT20に貯留されており、排風との熱交換により既に受熱した熱媒を、調整された流量で加熱器20に導入する。これによって、原液を目標加熱温度まで加熱するのに必要な交換熱量が放熱されることになる。例えば、制御器200は、所定の濃縮条件の下に予め求められた原液の交換熱量と熱媒の入出条件とに基いて、目標蒸気圧差を実現するための交換熱量が原液に与えられるように第2熱媒ポンプP5の吐出力を制御する。
In the concentration drying apparatus 1, the
以上の実施形態に係る濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法によると、希薄な分散液を、噴霧乾燥器が排出した排風の廃熱を利用して蒸発させて、膜蒸留により濃縮することができる。また、膜蒸留により濃縮された分散液を既定条件下で噴霧乾燥させて、排風の熱を安定的に利用することができる。そのため、膜蒸留に必要な加熱コストが削減され、希薄な分散液からエネルギ効率良く噴霧乾燥物を得ることが可能である。また、排風の排気による排熱量も削減され、環境適合的な濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法を提供することができる。 According to the concentration drying apparatus and the concentration drying method according to the above embodiment, the diluted dispersion can be evaporated by using the waste heat of the exhaust air discharged from the spray dryer and concentrated by membrane distillation. Moreover, the dispersion liquid concentrated by membrane distillation can be spray-dried under predetermined conditions, and the heat of exhaust air can be utilized stably. Therefore, the heating cost required for membrane distillation can be reduced, and a spray-dried product can be obtained from a dilute dispersion with high energy efficiency. In addition, the amount of exhaust heat due to exhaust of exhaust air can be reduced, and an environment-friendly concentration drying apparatus and concentration drying method can be provided.
次に、変形例に係る濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法について説明する。 Next, a concentration drying apparatus and a concentration drying method according to a modification will be described.
図2は、本発明の変形例に係る濃縮乾燥装置の概略構成を示す図である。
図2に示すように、変形例に係る濃縮乾燥装置2は、前記の濃縮乾燥装置1と同様に、膜蒸留セル10と、原液ポンプP1と、加熱器(第1熱交換器)20と、気液熱交換器(第2熱交換器)30と、冷却器40と、冷却液ポンプP2と、濃縮液槽50と、濃縮液ポンプP3と、給気ファンF1と、空気加熱器60と、噴霧乾燥器70と、粉体分離器80と、集塵器90と、排風ファンF2と、冷却液流路120と、濃縮液流路130と、排風路140と、熱媒管150と、第1熱媒タンクT10と、第2熱媒タンクT20と、第1熱媒ポンプ(流量調整手段)P4と、第2熱媒ポンプ(流量調整手段)P5と、制御器(制御部)200とを備えている。
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a concentration drying apparatus according to a modification of the present invention.
As shown in FIG. 2, the
変形例に係る濃縮乾燥装置2が、前記の濃縮乾燥装置1と異なる点は、原液を原液室10aに導入する原液流路110に代えて、原液を原液室10aに循環させる原液循環流路210を備えている点である。なお、濃縮乾燥装置2におけるその他の構成は、前記の濃縮乾燥装置1と同様である。
The
原液循環流路210は、原液室10aの出口から入口までを、配管等を介して室外で連通しており、原液を原液室10aに循環させるための流路を形成している。原液循環流路210上には、原液ポンプP1と、加熱器20とが設置されている。また、原液循環流路210には、第1バルブV10が設けられた流路が接続している。原液循環流路210は、第1バルブV10が開放されることにより、系外から原液が導入されるようになっている。また、第1バルブV10が閉鎖されることにより、原液を循環させる流路が系外と切り離されるようになっている。
The stock
また、原液循環流路210には、第2バルブV20が設けられている。原液循環流路210は、第2バルブV20が開放されることにより、原液を循環させる流路が室外で連通し、第2バルブV20が閉鎖されることにより、原液を循環させる流路が閉じることで、原液室10aで濃縮された濃縮液を濃縮液流路130に排出するための一方向の流路を形成するようになっている。なお、図2においては、濃縮液流路130は、原液循環流路210と接続する分岐の下流側に、濃縮液の通流を開放及び閉鎖する第3バルブV30を備えている。
The stock
次に、濃縮乾燥装置2の具体的な運転方法に基いて、本実施形態に係る濃縮乾燥方法について説明する。
Next, based on the specific operation method of the
本実施形態に係る濃縮乾燥方法は、原液が流される原液室(第1室)と、蒸気を選択的に透過する多孔質膜によって原液室(第1室)から隔てられた凝縮室(第2室)と、を有する膜蒸留セルと、原液室(第1室)から排出された原液を熱風中に噴霧して乾燥する噴霧乾燥器と、熱媒と原液室(第1室)に流される原液との間で熱交換を行って原液を加熱する熱交換器と、を備える濃縮乾燥装置において、原液を原液室(第1室)と熱交換器との間で循環し、熱交換器において噴霧乾燥器から排出された排風と原液との間で熱交換を行って原液を加熱し、加熱された原液を膜蒸留セルにおいて濃縮し、濃縮された原液を噴霧乾燥器において噴霧乾燥する濃縮乾燥方法である。 The concentration drying method according to the present embodiment includes a condensate chamber (second chamber) separated from a stock solution chamber (first chamber) by a porous membrane that selectively transmits vapor and a stock solution chamber (first chamber) through which the stock solution flows. Chamber), a spray dryer for spraying and drying the stock solution discharged from the stock solution chamber (first chamber) into hot air, and the heat medium and the stock solution chamber (first chamber). And a heat exchanger that heats the stock solution by exchanging heat with the stock solution, wherein the stock solution is circulated between the stock solution chamber (first chamber) and the heat exchanger, and the heat exchanger Concentration by heating the stock solution by exchanging heat between the exhaust air discharged from the spray dryer and the stock solution, concentrating the heated stock solution in a membrane distillation cell, and spray-drying the concentrated stock solution in the spray dryer It is a drying method.
濃縮乾燥装置2において、原液は、原液ポンプP1の稼働によって、系外から原液循環流路210に導入される。そして、原液は、第1バルブV10及び第3バルブV30を閉鎖し、第2バルブV20を開放した状態で、原液循環流路210を循環される。原液循環流路210を循環する間に、原液は、熱器20において熱媒管150を通流する熱媒と熱交換を行うと共に、原液室10aにおいて膜蒸留により濃縮される。その後、原液が所定の目標濃縮率まで濃縮されると、第2バルブV20を閉鎖し、第3バルブV30を開放した状態に制御することで、濃縮液が濃縮液流路130を通じて濃縮液槽50に排液される。
In the
膜蒸留セル10における蒸気圧差は、前記の濃縮乾燥装置1と同様、主として、加熱器20による原液の加熱温度と、冷却器40による冷却板12の冷却温度との温度差を調節することにより制御すればよい。例えば、原液や冷却液の液温を監視し、加熱器20や冷却器40をフィードバック制御すればよい。また、凝縮室10bに生じる凝縮液の積算量を監視して、凝縮液の積算量を定量制御してもよい。
The vapor pressure difference in the
濃縮乾燥装置2において、噴霧乾燥器70は、前記の濃縮乾燥装置1と同様、定常的に運転することができる。そして、第1熱媒ポンプP4や第2熱媒ポンプP5の熱媒の移送量は、前記の濃縮乾燥装置1における移送量よりも低い流量に調整される。加熱器20においては、原液を単回の循環で目標加熱温度よりも低い中間温度まで昇温し、原液の循環を繰り返して目標加熱温度まで昇温させる。そのため、第1熱媒ポンプP4や第2熱媒ポンプP5による熱媒の吐出量は、原液が中間温度まで加熱される程度の交換熱量が、加熱器20や気液熱交換器30において熱交換されるように調整される。
In the
以上の変形例に係る濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法によると、前記の実施形態と同様、膜蒸留に必要な加熱コストが削減され、希薄な分散液からエネルギ効率良く噴霧乾燥物を得ることが可能である。また、原液が原液室(第1室)と熱交換器との間で循環されて加熱されるため、原液を所定の濃縮率に濃縮するにあたり、原液を目標温度まで確実に加熱することができる。また、熱交換器の伝熱面積を縮小した設計が許容されるといった利点も得ることが可能である。 According to the concentration drying apparatus and the concentration drying method according to the above modification, the heating cost necessary for the membrane distillation is reduced as in the above-described embodiment, and the spray-dried product can be obtained from the diluted dispersion with energy efficiency. It is. Further, since the stock solution is circulated and heated between the stock solution chamber (first chamber) and the heat exchanger, the stock solution can be reliably heated to the target temperature when the stock solution is concentrated to a predetermined concentration rate. . It is also possible to obtain an advantage that a design with a reduced heat transfer area of the heat exchanger is allowed.
なお、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置1、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置2は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形、構成の置換等をすることができる。
In addition, the concentration drying apparatus 1 which concerns on the said embodiment, and the
例えば、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置1、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置2は、冷却板によって凝縮室(第2室)から隔てられた冷却室(第3室)と、冷却室(第3室)の出口と冷却室(第3室)の入口との間を接続し、冷却室(第3室)に冷却液を循環させる冷却液流路と、冷却液を冷却する冷却器と、を備えている。しかしながら、凝縮室(第2室)の冷却を行う手段は、この形態に制限されるものではなく、従来知られている適宜の膜蒸留セルの形態を採用することができる。例えば、冷却板に代えて、冷却液相が蒸気に直接接触する形態等であってもよい。
For example, the concentration drying apparatus 1 according to the embodiment and the
また、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置1、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置2においては、原液室10aに導入される原液が、熱交換を行う加熱器20のみによって加熱されている。しかしながら、原液流路110や原液循環流路210には、熱交換を行う加熱器20の前段又は後段に、他の加熱器を設置してもよい。他の加熱器は、熱交換を行う物に制限されるものではなく、燃焼式、通電加熱式等の適宜の形態とすることができる。他の加熱器を備えることにより、濃縮乾燥装置1及び濃縮乾燥装置2の運転初期や、排風の熱エネルギが不足している場合にも、原液を目標温度に加熱することが可能である。
Moreover, in the concentration drying apparatus 1 which concerns on the said embodiment, and the
また、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置1、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置2においては、熱媒管150に、第1熱媒タンクT10と、第2熱媒タンクT20と、第1熱媒ポンプP4と、第2熱媒ポンプP5とが備えられている。しかしながら、第1熱媒タンクT10、第2熱媒タンクT20、第1熱媒ポンプP4及び第2熱媒ポンプP5の個数は、適宜のものとすることができる。また、第1熱媒タンクT10や、第2熱媒タンクT20を具備しない構成とし、熱媒を常時循環させる形態とすることもできる。
Moreover, in the concentration drying apparatus 1 which concerns on the said embodiment, and the
また、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置1、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置2においては、排風路140上に、粉体分離器80、及び、バグフィルタ式の集塵器90が備えられている。しかしながら、排風路140上で噴霧乾燥物を分離する機器は、適宜の構成とすることができる。例えば、サイクロン等の粉体分離器80を直列状に2器連結してもよいし、バグフィルタ式の集塵器90に代えて電気集塵器等を配置してもよい。
Further, in the concentration drying apparatus 1 according to the embodiment and the
また、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置1、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置2においては、加熱器20が膜蒸留セル10の外部に設けられており、原液流路110や原液循環流路210を流れる原液が加熱されるものとされている。しかしながら、これに代えて、加熱器20を原液室10aに設置し、原液室10aの内部において原液を加熱する形態としてもよい。
Moreover, in the concentration drying apparatus 1 which concerns on the said embodiment, and the
また、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置1、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置2においては、単一の膜蒸留セル10が備えられ、濃縮液流路130を通じて濃縮液を排出するものとされている。しかしながら、これに代えて、複数の膜蒸留セル10を直列状に連結し、濃縮液流路130を次の装置の膜蒸留セル10に連結した後に、噴霧乾燥器70に接続してもよい。
Further, in the concentration drying apparatus 1 according to the embodiment and the
また、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置1、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置2においては、排風と原液との間で行う熱交換は、熱媒管150を通流する熱媒を介して間接的に行われている。すなわち、噴霧乾燥器から排出された排風と熱媒との間で熱交換を行い、更に、熱媒と原液との間で熱交換を行って、原液室(第1室)に導入される原液を加熱している。しかしながら、排風と原液との間で行う熱交換は、熱媒を介さず直接的に行う構成としてもよい。
Moreover, in the concentration drying apparatus 1 which concerns on the said embodiment, and the
1 濃縮乾燥装置
10 膜蒸留セル
10a 原液室(第1室)
10b 凝縮室(第2室)
10c 冷却室(第3室)
11 多孔質膜
12 冷却板
20 加熱器(第1熱交換器)
30 気液熱交換器(第2熱交換器)
40 冷却器
50 濃縮液槽
60 空気加熱器
70 噴霧乾燥器
80 粉体分離器
90 集塵器
110 原液流路
120 冷却液流路
130 濃縮液流路
140 排風路
150 熱媒管
200 制御器(制御部)
F1 給気ファン
F2 排風ファン
P1 原液ポンプ
P2 冷却液ポンプ
P3 濃縮液ポンプ
P4 第1熱媒ポンプ(流量調整手段)
P5 第2熱媒ポンプ(流量調整手段)
T10 第1熱媒タンク
T20 第2熱媒タンク
1
10b Condensing chamber (second chamber)
10c Cooling room (third room)
11
30 Gas-liquid heat exchanger (second heat exchanger)
40
F1 Air supply fan F2 Exhaust fan P1 Raw liquid pump P2 Coolant pump P3 Concentrated liquid pump P4 First heat medium pump (flow rate adjusting means)
P5 Second heat medium pump (flow rate adjusting means)
T10 1st heat medium tank T20 2nd heat medium tank
Claims (3)
熱媒と前記第1室に流される前記原液との間で熱交換を行って前記原液を加熱する第1熱交換器と、
前記第1室から排出された前記原液を熱風中に噴霧して乾燥する噴霧乾燥器と、
前記噴霧乾燥器から排出された排風と前記熱媒との間で熱交換を行う第2熱交換器と、を備える濃縮乾燥装置。 A membrane distillation cell having a first chamber through which the stock solution is flowed, and a second chamber separated from the first chamber by a porous membrane that selectively permeates vapor;
A first heat exchanger that heats the stock solution by exchanging heat between the heat medium and the stock solution that flows into the first chamber;
A spray dryer for spraying and drying the stock solution discharged from the first chamber in hot air;
A concentration drying apparatus comprising: a second heat exchanger that exchanges heat between the exhaust air discharged from the spray dryer and the heat medium.
前記流量調整手段を制御する制御部と、をさらに備え、
前記制御部は、前記第1熱交換器が前記原液に与える熱量を、前記熱媒の流量を調整して制御する請求項1に記載の濃縮乾燥装置。 Flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the heat medium in the second heat exchanger;
A control unit for controlling the flow rate adjusting means,
The concentration drying apparatus according to claim 1, wherein the control unit controls the amount of heat given to the stock solution by the first heat exchanger by adjusting a flow rate of the heat medium.
前記第1室から排出された前記原液を熱風中に噴霧して乾燥する噴霧乾燥器と、を備える濃縮乾燥装置において、
前記噴霧乾燥器から排出された排風と前記原液との間で熱交換を行って前記原液を加熱し、
加熱された前記原液を前記膜蒸留セルにおいて濃縮し、
濃縮された前記原液を前記噴霧乾燥器において噴霧乾燥する濃縮乾燥方法。 A membrane distillation cell having a first chamber through which the stock solution is flowed, and a second chamber separated from the first chamber by a porous membrane that selectively permeates vapor;
A spray dryer for spraying and drying the stock solution discharged from the first chamber in hot air;
Heat exchange is performed by performing heat exchange between the exhaust air discharged from the spray dryer and the stock solution,
Concentrating the heated stock solution in the membrane distillation cell;
A concentration drying method in which the concentrated stock solution is spray dried in the spray dryer.
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CN108164120A (en) * | 2018-01-24 | 2018-06-15 | 广州研华环境科技有限公司 | A kind of sludge drier |
-
2016
- 2016-05-09 JP JP2016093599A patent/JP2017203558A/en active Pending
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