JP3308030B2

JP3308030B2 - 溶液の淡水化システム

Info

Publication number: JP3308030B2
Application number: JP09369393A
Authority: JP
Inventors: 義人柴田
Original assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Current assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Priority date: 1993-03-29
Filing date: 1993-03-29
Publication date: 2002-07-29
Anticipated expiration: 2017-07-29
Also published as: JPH06277655A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、凍結濃縮を利用して海
水を始めとする各種溶液を濃縮する淡水化システムに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】溶液の一部を凍結し、純粋な氷の部分だ
けを分離して溶液を濃縮するいわゆる凍結濃縮法につい
ては、従来多くの提案がなされているが、蒸発濃縮法や
膜濃縮法と較べると装置の開発や普及が遅れているのが
実状である。その原因は従来の凍結濃縮技術にみられる
装置の大型化や処理に要するエネルギーの膨大化に問題
がある。

【０００３】具体的に従来の凍結濃縮法をみると大別し
て、遠心分離法、洗浄塔法、加圧法の３つの方法が挙げ
られる。まず遠心分離法は、溶液を部分的に凍結させて
得た氷結晶と濃厚液からなるシャーベット状のスラリー
を、遠心分離器にかけて固：液分離を行うものである。
また洗浄塔法は、熟成させた大粒径の氷を塔状の移動層
でゆっくりと洗浄液と交流させながら洗浄して、氷晶中
の溶質濃度を低下させる方法である。最後の加圧法は、
氷スラリーを加圧し、融解した濃厚液部分をメッシュな
どを通して系外に排出させて固：液分離操作を行うもの
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の方
法では、装置全体、とりわけが固：液分離を実施するた
めの分離装置が大型化してしまい、実用上問題があっ
た。しかも上記従来の方法は、いずれもエネルギー所要
量が多くてコストがかさみ、この点からも上記従来の方
法での凍結濃縮方法は普及していなかったのである。

【０００５】本発明はそのような点に鑑みてなされたも
のであり、基本的には凍結濃縮の原理を利用しつつ、さ
らに固：液分離が容易でかつ連続処理が可能な淡水化シ
ステムを提供して、上記問題の解決を図ることを目的と
するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、まず請求項１においては、濃縮対象とする溶液を過
冷却状態にする過冷却手段と、この過冷却手段から吐出
される過冷却状態の溶液の落下経路に配置したベルトコ
ンベアと、当該ベルトコンベアの搬送経路下方に位置す
る水槽と、当該水槽から取水した水を前記ベルトコンベ
アに向けて散水する散水手段とを有し，前記ベルトコン
ベアには透水孔が多数設けられていることを特徴とす
る，溶液の淡水化システムが提供される。ここでいう透
水孔とは、過冷却状態が解除された際に生成される氷・
水スラリーのうち、氷をトラップして水のみを通過させ
る適宜の貫通孔をいう。この場合，前記散水手段から散
水する前に水槽から取水した前記水を、溶液と熱交換さ
せる熱交換手段とを有していてもよい。

【０００７】ここでいう過冷却手段の例としては、例え
ば本出願人の開示による特開昭６３−２１７１７１号公
報、特開昭６３−２３１１５７号公報、特開平１−１１
４６８２号公報などに記載されている、過冷却水を連続
的に生成する過冷却器などが挙げられる。

【０００８】

【０００９】

【００１０】

【００１１】また本発明によれば，溶液を過冷却状態に
する過冷却手段と、この過冷却手段から吐出される過冷
却状態の溶液の該過冷却状態を解除する過冷却解除手段
と、この過冷却解除手段によって生成された氷・水スラ
リーから氷を分離する分離手段と、当該分離手段によっ
て分離された氷を他の場所に搬送する搬送手段と、搬送
された氷を融解する融解手段と，前記過冷却状態を槽内
で解除するための水槽と，前記水槽から取水した液体を
前記溶液と熱交換させる熱交換手段とを有し，前記熱交
換手段を経た後の前記液体の一部も前記過冷却手段に送
られるように構成されたことを特徴とする，溶液の淡水
化システムが提供される。

【００１２】本発明においては，濃縮対象とする溶液
が，海水であってもよい，

【００１３】

【作用】本発明によれば，過冷却手段によって生成され
るのが氷と濃縮水とのスラリー状態であるから、その
固：液分離が容易であり、しかも開放系でのプロセスと
なるから、目的溶液を凍結濃縮の原理を用いて、効率よ
くかつ連続して溶液を淡水化することが可能である。

【００１４】

【００１５】

【００１６】そして本発明によれば，過冷却状態の液体
がベルトコンベアに衝突した際の衝撃でその過冷却状態
が解除され、その結果微細な氷がベルトコンベア上に析
出する。またベルトコンベアには、透水孔が多数設けら
れているので，そのようにして析出した氷のみをトラッ
プして残りの水（濃縮溶液）をそのまま水槽内に落下さ
せることができる。さらに析出した氷の融解は散水手段
からの散水によって行われる。そして請求項２の発明に
よれば，この融解に使用される水槽内の水は、氷の融解
によって生成された淡水であって、かつ溶液との熱交換
によって昇温されたものであるから、融解に使用される
熱エネルギーを別途確保する必要がない。しかも当該熱
交換によって低温化された溶液を原水として過冷却器に
供給することにより、過冷却器の負担も軽減され、省エ
ネに合致した極めて効率のよいシステムを構築できる。

【００１７】また請求項３のように，溶液を過冷却状態
にする過冷却手段と、この過冷却手段から吐出される過
冷却状態の溶液の該過冷却状態を解除する過冷却解除手
段と、この過冷却解除手段によって生成された氷・水ス
ラリーから氷を分離する分離手段と、当該分離手段によ
って分離された氷を他の場所に搬送する搬送手段と、搬
送された氷を融解する融解手段と，前記過冷却状態を槽
内で解除するための水槽と，前記水槽から取水した液体
を前記溶液と熱交換させる熱交換手段とを有し，前記熱
交換手段を経た後の前記液体の一部も前記過冷却手段に
送られるように構成してもよい。かかる発明によれば，
氷と濃縮水との固：液分離が容易であり、効率よく連続
して処理することができる。しかも例えば前記水槽内に
落下した氷がそのまま取水中に流入しても、前記熱交換
手段における熱交換によって、当該氷は融解する。従っ
て水槽内の水を取水して前記過冷却手段に送る場合，氷
核による管路閉塞等が防止される，という効果をさらに
有するものである。したがって前記熱交換手段は，濃縮
溶液からの冷熱の回収と、過冷却手段での凍結の原因と
なる氷核を消すための加熱の役割を兼用している。

【００１８】

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
れば、図１は本実施例の系統フローを示しており、ポン
プ１によって取水された海水（原水）は、まず第１熱交
換器２を経由して流路３を通じてさらに第２熱交換器４
へと移送される用に構成されている。そしてこの第２熱
交換器４を経た海水（原水）はそのまま流路６を経て過
冷却器７へと供給されるようになっている。

【００２０】過冷却器７は、円筒形のシェル内の軸方向
に複数のチューブ（伝熱管）８を配設した所謂シェルア
ンドチューブ型熱交換器の構成を有し、これらチューブ
８の一端は過冷却器７の入口ヘッダ部９内に開口し、他
端は大気中に開口している。そしてシェル内には冷凍ブ
ラインが流通し、上記チューブ８内に通水される液体
（本実施例では海水）が当該冷凍ブラインとの熱交換に
よって過冷却状態にされるように構成されている。

【００２１】本実施例において、上記冷凍ブラインは、
ＬＮＧから都市ガスや発電用燃焼ガスを生産するＬＮＧ
基地において大量に廃棄されるＬＮＧの気化潜熱を冷凍
源としている。即ち、地下等に設置されているＬＮＧ貯
蔵タンク１１から供給されるＬＮＧは一般的に−１５０
゜Ｃ程度の低温であるが、これを例えばフロン２２など
の一次ブラインと、ＬＮＧ／フロン熱交換器１２によっ
て一旦熱交換させて例えば−２５゜Ｃまで昇温させる。
そしてさらにその後ヒータ１３によって所望温度例えば
０゜Ｃにまで昇温してから、その後の加臭処理などに付
されるようになっている。

【００２２】本実施例では、上記ＬＮＧ／フロン熱交換
器１２によって熱交換された一次ブライン（例えば−６
０゜Ｃ）を、さらにフロン／ブライン熱交換器１４によ
って、二次ブラインと熱交換させ、当該二次ブラインを
前記過冷却器７の冷凍ブラインに適する温度、例えば−
１５゜Ｃまで昇温させ、この二次ブラインを前記過冷却
器７のシェル内に供給するようにしている。なおその際
の冷凍ブラインの温度調整は、二次ブラインの流通量を
制御するバルブ１５に付設されているサーモコントロー
ラ１６によってなされるようになっている。

【００２３】前記過冷却器７は、隔壁２１を介してＡ
槽、Ｂ槽を隣接して有する独立二槽型の水槽２２におけ
る前記Ａ槽側の上方近傍に設置されており、吐出口とな
るチューブ８の大気側開口端は、このＡ槽上部で水平に
向けられ、当該吐出口から落下する過冷却状態の液体
（海水）は、このＡ槽内に落下するようになっている。

【００２４】上記水槽２２の上方空間には、Ａ槽とＢ槽
に跨り、かつ隔壁２１に設けられた搬送口２３内を通過
するように、ベルトコンベア２４が設置されており、上
記の如く、過冷却器７から吐出されてＡ槽内に落下する
過冷却状態の液体は、Ａ槽内で上記ベルトコンベア２４
に衝突するように配置されている。従って過冷却状態の
液体は、このベルトコンベア２４に衝突した際の衝撃で
その過冷却状態が解除され、その結果微細な氷がベルト
コンベア２４上に析出するものである。なおこのベルト
コンベア２４には、そのようにして析出した氷をのみを
トラップして残りの水（濃縮海水）をそのままＡ槽内に
落下させるための透水孔が多数設けられている。

【００２５】そしてベルトコンベア２４から跳ね落ちた
り、上記透水孔を通過してＡ槽内に溜まった濃縮海水
は、取水ポンプ２５によって既述の第２熱交換器４へと
移送され、その後一部は流路５を経て流路６から過冷却
器７へと送られ、残りの一部は流路２６を通じて排水さ
れるようになっている。この第２熱交換器４は、濃縮海
水からの冷熱の回収と、過冷却器７での凍結の原因とな
る氷核を消すための加熱の役割を兼用しているものであ
る。

【００２６】水槽２２の上方にはＢ槽並びにＡ槽におけ
る搬送口２３近傍にまで渡り、かつ上記ベルトコンベア
２４の上方に位置する散水装置２７が設けられ、この散
水装置２７には、取水ポンプ２８によって取水されたＢ
槽内の一部の水が、既述の第１熱交換器２を経て供給さ
れるようになっている。さらに上記取水ポンプ２８によ
って取水されたＢ槽内の残りの水は、そのまま流路２を
経て、その後の使用に供されるようになっている。

【００２７】本実施例にかかる海水の淡水化システム
は、以上のように構成されており、次にその淡水化プロ
セスについて説明すると、淡水化しようとする例えば２
０゜Ｃの海水（原水）は、ポンプ１によって第１熱交換
器２を経て、後述の氷が融解したときの、例えば５゜Ｃ
の淡水との熱交換によって８゜Ｃまで温度が下げられ、
その後第２熱交換器４へと移送される。

【００２８】この第２熱交換器４では、後述の過冷却状
態が解除されたときに生成される氷・水スラリーのうち
の０゜Ｃの濃縮海水との熱交換が行われ、水温はさらに
２゜Ｃまで下げられる。そしてそのように低温化された
海水（原水）の一部はそのまま流路５を経て排水される
が、残りの一部は流路６を経て過冷却器７の入口ヘッダ
部９へと供給される。

【００２９】過冷却器７では、既述のＬＮＧ基地からの
冷廃熱を利用した冷凍ブラインが供給され、この冷凍ブ
ラインとの熱交換によって入口ヘッダ部９に供給された
海水（原水）は、−７゜Ｃ〜−１０゜Ｃの過冷却状態と
なって吐出口から吐出され、そのまま水槽２２のＡ槽内
に向けて落下する。

【００３０】ところが落下途中には、ベルトコンベア２
４が位置しているので、上記過冷却状態の海水はこのベ
ルトコンベア２４に衝突し、その衝撃によって該海水の
過冷却状態は解除され、微細な氷がベルトコンベア２４
上に析出する。このとき当該氷の析出によって結果的に
濃縮された残りの０゜Ｃの海水は、そのままベルトコン
ベア２４にある透過孔を通じて水槽２２のＡ槽内に落下
し、以後取水ポンプ２５によって取水されて既述の第２
熱交換器４へと送られ、ポンプ１によって移送されてく
る２０゜Ｃ海水（原水）との熱交換に付され、その後流
路２６を経て排水される。

【００３１】一方ベルトコンベア２４上に析出した氷
は、搬送口２３を通過してそのまま水槽２２のＢ槽側へ
と搬送される。このとき予めＢ槽内にあった水が取水ポ
ンプ２８によって取水され、さらに第２熱交換器２で２
０゜Ｃの海水（原水）と熱交換されて例えば１７゜Ｃま
で昇温されて、槽上部に設置されている散水装置２７に
よってベルトコンベア２４上の氷に散水されるので、当
該氷は融解し、５゜Ｃ程度の淡水となってＢ槽内に落下
する。またそのようにベルトコンベア２４上には常に散
水されているから、析出した氷がベルトコンベア２４上
に氷結固着することはない。そして融解せずにベルトコ
ンベア２４上に残存した氷も、ベルトコンベア２４の復
動時における上下面逆転の際に、Ｂ槽内に落下し、槽内
に溜まっている淡水によって完全に融解する。

【００３２】以上のようにして氷が融解して生成された
淡水は、取水ポンプ２８によって取水され、その一部は
上述の如く第１熱交換器２において海水（原水）との熱
交換に付されて１７゜Ｃまで昇温され、その後散水装置
２７に供給されるが、残りの一部は流路２９を経てその
ままその後の利用に供されるのである。

【００３３】以上のプロセスからわかるように、上記淡
水化システムは凍結現象を利用した淡水化システムであ
るものの、一過式のフローによる開放系のプロセスであ
り、連続して海水を淡水化することが可能となってい
る。従って大量の処理を極めて効率よく実施することが
可能である。

【００３４】例えば叙上のような温度設定で運転すると
き、海水（原水）の取水を５１ｍ³／minとし、過冷却器
７は過冷却度が−２゜Ｃで氷生成率が０．０２５のもの
を使用することにより、上記実施例では毎分７ｍ³、１
日当たり約１０，０００ｍ³の淡水を製造することが可
能である。

【００３５】しかも固：液分離にあたっても、例えば上
記実施例で図ったような、単純なベルトコンベア方式で
実現することができる。なお上記の実施例においては、
過冷却解除手段と搬送手段とを１つの装置、即ちベルト
コンベア２４によって兼用しているので、装置のコンパ
クト化、システムの簡素化が大いに図られている。もち
ろんそれに代えて、それぞれの機能を別の独立した装置
に負担させてもよい。

【００３６】その場合においても、例えば過冷却解除手
段を適宜の衝撃板や縦パイプとして構成し、それらによ
って発生した氷・水スラリーを一旦そのままＡ水槽に落
下させ、その後は浮力によって水面上に上昇した氷のみ
を、金網やパンチングメタル等の材質を使用した単純な
掻取り装置のようなもので、掻き取ることにより、容易
に固：液分離が行える。そして以後そのようにして分離
した氷を別の場所に移送してこれを融解するようにして
もよい。いずれにしろ、従来凍結濃縮を利用した濃縮／
浄化方法においてとかく問題の多く、装置の構成が難し
い過程であった固：液分離が、極めて容易に実施できる
ものである。

【００３７】また上記実施例では、比較的温度の高い
（２０゜Ｃ）海水（原水）を第１熱交換器２に送って、
氷の融解用に供するＢ槽の水と熱交換させているから、
無駄なくかつ海水の顕熱を有効利用して氷の融解を実施
することができる。

【００３８】さらに上記の第１熱交換器２での熱交換に
よってある程度温度が下がった海水（原水）は、今度は
０゜ＣになっているＡ槽の海水と第２熱交換器４によっ
て熱交換されるので、過冷却器７に導入する時点では、
かなり温度の低い（上記実施例では２゜Ｃ）ものとなっ
ているので、過冷却器７の負担は軽減している。

【００３９】しかもそのようにＡ槽から取水される水
は、一旦上記第２熱交換器４によって海水（原水）と熱
交換されて昇温されるので、例えばＡ槽内に落下した氷
がそのまま取水中に流入しても、この第２熱交換器４に
おける熱交換によって、当該氷は融解する。従ってＡ槽
内の水を取水するにあたり、氷核による管路閉塞等の弊
害は防止されている。即ち、第２１熱交換器４は、氷核
消去装置としても機能しているものである。以上のよう
に各処理過程において要する熱エネルギーは極めて効率
よく使用されており、システム全体に要するエネルギー
は、従来の凍結濃縮システムにおいて要するエネルギー
と比較すればかなり小さくて済むものである。

【００４０】また上記実施例においては、散水装置２７
による散水が、Ａ槽内における隔壁２１の搬送口２３近
傍においても行われているので、ベルトコンベア２４上
に滞留する濃縮海水を洗い流すことができ、氷の融解に
よって生成される淡水に海水が混入することが防止され
ている。

【００４１】加えて上記実施例においては、過冷却器７
の冷熱源となる冷凍ブラインは、ＬＮＧ基地から従来海
に廃棄されていた冷熱によって生成されているものであ
るから、冷廃熱の有効利用が図れ、極めて省エネルギー
なシステムとなっている。

【００４２】なお上記実施例において、例えばＢ槽内の
水をそのままＲＯ逆浸透圧式淡水化装置に供給するよう
に構成すれば、極めて効率よく純度の高い淡水を生成す
ることができる。

【００４３】またそのように全く他の方式の淡水化装置
を用いずに淡水のグレード自体を上げる（塩分濃度を下
げる）には、例えば水槽をさらに増加し、Ｂ槽内の水を
原水としてさらに上記と同様なプロセスを繰り返せばよ
い。

【００４４】なお上記のようなシステム構成に則り、か
つ上記実施例における海水（原水）を濃縮対象とする溶
液とみて、これを濃縮するシステムとして構成する場合
には、散水装置２７によるＡ槽側での散水を停止すると
ともに、好ましくは析出した氷がベルトコンベア２４か
らＡ槽内に落下しないように適宜の氷核捕獲フェンス等
を設ければ、Ａ槽には溶液が効率よく濃縮された状態で
蓄えられ、取水ポンプ２５によってこれを取水すること
ができることになる。この場合、濃縮グレードを高める
には、Ａ槽内の水をさらに原水として上記フローと同様
な処理を繰り返していけばよい。

【００４５】

【発明の効果】請求項１によれば、過冷却器手段によっ
て生成されるのが氷と濃縮水とのスラリー状態であるか
ら、その固：液分離が容易であり、しかも開放系でのプ
ロセスとなるから、目的溶液を効率よく連続して淡水化
することが可能である。そして過冷却状態の液体がベル
トコンベアに衝突した際の衝撃でその過冷却状態が解除
され、微細な氷がベルトコンベア上に析出する。またそ
のようにして析出した氷のみをトラップして残りの水
（濃縮溶液）をそのまま水槽内に落下させることができ
る。

【００４６】請求項２の発明によれば，搬送中に融解処
理を実施することができるので、効率のよい融解処理が
可能である。また融解に使用される熱エネルギーを別途
確保する必要がない。しかも過冷却器の負担も軽減さ
れ、省エネに合致した極めて効率のよいシステムを構築
できる。

【００４７】請求項３では，氷と濃縮水との固：液分離
が容易であり、効率よく連続して処理することができ
る。しかも氷核による管路閉塞等が防止される。

【００４８】請求項４によれば、効率よく連続して海水
を淡水化することが可能である。

【００４９】

【００５０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例かかる海水の淡水化システムの
系統フローを示した説明図である。

【符号の説明】

２第１熱交換器４第２熱交換器７過冷却器１１ＬＮＧ貯蔵タンク１２ＬＮＧ／フロン熱交換器１４フロン／ブライン熱交換器２２水槽２４ベルトコンベア２５取水ポンプ２７散水装置２８取水ポンプＡＡ槽ＢＢ槽

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】溶液を過冷却状態にする過冷却手段と、この過冷却手段から吐出される過冷却状態の溶液の落下
経路に配置したベルトコンベアと、当該ベルトコンベアの搬送経路下方に位置する水槽と、当該水槽から取水した水を前記ベルトコンベアに向けて
散水する散水手段とを有し，前記ベルトコンベアには透水孔が多数設けられているこ
とを特徴とする，溶液の淡水化システム。
【請求項２】前記散水手段から散水する前に水槽から
取水した前記水を、溶液と熱交換させる熱交換手段とを
有することを特徴とする、請求項１に記載の溶液の淡水
化システム。
【請求項３】溶液を過冷却状態にする過冷却手段と、この過冷却手段から吐出される過冷却状態の溶液の該過
冷却状態を解除する過冷却解除手段と、この過冷却解除手段によって生成された氷・水スラリー
から氷を分離する分離手段と、当該分離手段によって分離された氷を他の場所に搬送す
る搬送手段と、搬送された氷を融解する融解手段と，前記過冷却状態を槽内で解除するための水槽と，前記水槽から取水した液体を前記溶液と熱交換させる熱
交換手段とを有し，前記熱交換手段を経た後の前記液体の一部も前記過冷却
手段に送られるように構成されたことを特徴とする，溶
液の淡水化システム。
【請求項４】前記溶液が海水であることを特徴とす
る，請求項１，２又は３に記載の溶液の淡水化システ
ム。