JP3526582B2 - 汚れが低減される蒸留プロセス - Google Patents

汚れが低減される蒸留プロセス

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は非常に効率的な水の蒸留プロセスおよびその
ための装置に関し、本発明は、より詳しくは、長期間の
運転にわたって運転装置の汚れ（fouling）およびスケ
ーリング（またはスケール形成）を最小化する非常に効
率的な水の蒸留プロセスに関する。
背景技術 水の蒸留は概して、純水の留出物を蒸発させ、かつ不
揮発性成分を多量に含む濃縮液を回収する非常に効率的
な方法である。このプロセスは、汚染された（または不
純物を含む）供給源からクリーンな純水を回収するため
の効果的な方法であり得る。しかしながら、水の蒸留プ
ロセスは典型的にはいくつかの問題を有し、その問題の
少なからずは、蒸留される流体に由来する無機物または
他の成分による装置の汚れまたはスケーリングであり得
る。一般的なスケーリングを生じさせる化合物は、カル
シウム、マグネシウム、およびケイ素からなる。伝熱面
の汚れまたは多くの場合はスケーリングは、伝熱要素の
能力について有害な影響を与え、常套の蒸留プロセスを
運転不能にする。
典型的な水の蒸留プロセスについてのもう一つの一般
的な問題は、多くのエネルギーを加える必要があるとい
うことである。加えたエネルギーを効果的に回収する手
段がない場合には、必要とされるエネルギーは、その圧
力／温度での水の蒸発潜熱に等しい。この条件下におけ
る水の蒸留は、水質改善の用途に対して産業的に実現可
能でない。
この技術に関する従来技術の方法論は、米国特許第4,
566,947号および仏国特許第2,482,979号に述べられてい
る。これらの参照文献は、蒸留または他の精製技術によ
る汚染物質の除去についての一般的な参照文献であり、
本発明によって解決される問題に取り組んでいない。
常套の蒸留方法における問題を克服するために、変数
をいくつかを考慮しなければならない。以下の３つの等
式は、水の蒸留システムにおける基本的な伝熱関係を記
述し： Ｑ（全体）＝Ｕ×Ａ×LMTD （１） Ｑ（顕熱）＝ｍ×CP×（T1−T2） （２） Ｑ（潜熱）＝ｍ×Ｌ （３） ここで Q ＝伝熱量（BTU hr-1） U ＝総括伝熱係数またはシステムの伝熱能（BTU hr
-1ft-2F-1） A ＝伝熱面積（ft2） LMTD ＝システムの熱推進力または対数平均温度差
（Ｆ） m ＝液体または気体状態の流体の質量流量（1b h
r-1） Cp ＝流体比熱（BTU hr-1F-1） T1,T2＝システムに入るまたは出る流体の温度（Ｆ） L ＝気化または凝縮の潜熱（BTU 1b-1） である。
効果的な蒸留システムを実現するためには、交換およ
び回収される熱量（上記の等式によってＱで表される）
を最大化し、その一方で同時に残りの変数についての実
際的な制限に従い、スケーリングおよび汚れを防止しな
ければならない。熱交換装置における流体および流体力
学について、変数Ｕ、CpおよびＬは比較的変化しない。
従って、汚染された水の蒸留に関する問題を克服するた
めに、変数Ａ、QA-1、LMTD、ｍ、並びにT1およびT2に注
意深い考慮がなされるべきである。
汚染された水の蒸留に関する問題を完全に克服し、ス
ケーリングを排除するために、他の必須の因子が上述の
基本的等式にわたって考慮されなければならない： ・熱流束またはQA-1として知られる、蒸留システム内で
熱が伝達される速度（BTU hr-1ft-2）； ・濃縮物中の汚染（または不純）物質レベル； ・蒸気流れの飽和温度に対する濃縮物の最終沸点； ・過飽和の程度および濃縮物の析出レベル；ならびに ・蒸発する流れの気化レベル。
本発明の前には、水の蒸留プロセスで伝達および回収
される熱量を最大化することは、汚れまたはスケーリン
グなしに、長い連続期間にわたって実現することができ
なかった。
エネルギー効率が良好で、かつ、汚染された水（特に
有機物、無機物、金属で汚染された水）の蒸留において
以前から存在しているスケーリングの問題を排除するプ
ロセスが開発されてきた。
産業上の利用可能性 本発明は、蒸留技術に利用可能である。
発明の開示 本発明は、別個の２つの概念の結合に基づき、これら
の両方は従来技術において個々に識別されるが、本発明
によって得られる相乗的な効果を有して独自に構成され
たことはない。常套の蒸気再圧縮サーキットを独自に構
成された強制対流式熱回収および伝達サーキットと共に
用いることによって、伝熱を最大化し、熱交換器のスケ
ーリング（これは標準的な蒸留方法を実施する際に典型
的に現れる）を招かない所望の強制対流サーキットを保
持するという点で非常に望ましい結果を得ることができ
るということが解った。
本発明の１つの目的は、有機物、無機物、金属、また
は他の汚染物質の化合物を含む水を蒸留して汚染物質が
ない精製水フラクション（画分）を得、そのうえ蒸留装
置のスケーリングを伴わない、改善された効果的なプロ
セスを提供することにある。
本発明の更なる目的は、リボイラー（熱）交換器およ
び加熱分離器を用いて汚染物質を含む流体原料ストリー
ムから汚染物質を除去する方法であって： ａ）原料ストリームを供給する工程； ｂ）原料ストリームから汚染物質のいくらかを少なくと
も部分的に除去するために、第一の工程において原料ス
トリームを加熱し、加熱により生じた濃縮物と留出物と
からエネルギーを回収する工程； ｃ）第二の加熱する工程において原料ストリームを加熱
分離器内で加熱して、蒸気フラクションと濃縮液汚染物
質フラクションとを生じさせる工程； ｄ）リボイラー交換器内で温度差を生じさせるために、
工程ｃ）からの蒸気フラクションを圧縮する工程； ｅ）蒸気フラクションをリボイラー交換器に通過させて
接触させて、リボイラー交換器から凝縮留出物を得る工
程； ｆ）蒸気質量（または重量）に対する循環質量（または
重量）の比を約300〜約２近くに維持するように、リボ
イラー交換器および加熱分離器を通して濃縮物の少なく
とも一部を循環させる工程；および ｇ）汚染物質が実質的にない凝縮留出物を集める工程を
含み、それによってリボイラー交換器および加熱分離器
の加熱面でのスケール形成および汚れを防止することを
特徴とする方法を提供することにある。
循環質量の比を圧縮される蒸気フラクションの質量の
300倍未満〜約２倍未満の範囲内に精密にコントロール
することによって、好ましい利点がいくつか実現される
ことが解った： 1.リボイラーの蒸発側を通る循環濃縮物が、循環濃縮物
の質量の約１％〜50％の精密にコントロールされた蒸発
フラクションを含む； 2.この蒸気フラクションを精密に制御することによっ
て、循環濃縮物の温度上昇は、非常に小さい（約1F）ま
まであり、循環流体の温度付近の温度にある低温の熱交
換面は濡れたままである。これは、これらの面の汚れの
危険性を低減する； 3.この制御された小さい蒸気フラクションによって、交
換器内の濃縮流体は1.1未満の付加的な局所濃縮ファク
ター（率）となり、スケーリングを生じさせる化合物の
局所的な析出を回避する； 4.リボイラーを通過する間に蒸気フラクションが増加
し、濃縮ファクターが増加するので、流れの速度が著し
く増加し、これによって汚れの危険性を低減する； 5.蒸発する流体において蒸気フラクションをコントロー
ルし得ることによって、顕著な伝熱が潜熱によってスケ
ーリングなしで実現され得る； 6.リボイラーの蒸発側の温度上昇が非常に小さく保たれ
るので、リボイラーのLMTDが維持され、これにより圧縮
エネルギーを非常に低く保つ；ならびに 7.熱流速を調節することによって、凝縮および蒸発のた
めの濡れ表面の温度を飽和水蒸気の条件温度の近くに維
持する。生じる沸騰のタイプは、主として強制された対
流から濡れ表面を有する安定な核沸騰の範囲である。
本発明の１つの目的は、加熱分離器および熱交換器を
用いて汚染物質を含む原料ストリームから汚染物質を除
去し、分離器および熱交換器の汚れおよびスケール形成
を防止する方法であって、以下のことを含むことを特徴
とする方法を提供することにある： ａ）加熱分離器に曝された原料ストリームの、汚染物質
が実質的にない蒸気フラクションと、分離した濃縮汚染
物質含有フラクションとを生じさせること； ｂ）汚染物質含有フラクションの温度を加熱分離器の温
度よりも上昇させるために、蒸気フラクションを圧縮す
ること； ｃ）蒸気フラクションを熱交換器に通過させて接触させ
て、凝縮留出物を生じさせること；および ｄ）約300〜約２の蒸気質量に対する循環質量の比で濃
縮汚染物質フラクションを加熱分離器および熱交換器に
通して連続的に循環させることによって、加熱分離器お
よび熱交換器の加熱面を濃縮汚染物質フラクションと少
なくとも接触させて維持して、加熱面のスケール形成お
よび汚れを防止すること。
本発明の更なる目的は、リボイラー交換器および加熱
分離器を用いて揮発性および不揮発性の汚染物質を含む
流体原料ストリームから汚染物質を除去する方法であっ
て、以下の工程を含むことを特徴とする方法を提供する
ことにある： ａ）原料ストリームを供給する工程； ｂ）原料ストリームから汚染物質のいくらかを少なくと
も部分的に除去するために、第一の工程において原料ス
トリームを加熱し、加熱により生じた濃縮物と留出物と
からエネルギーを回収する工程； ｃ）第二の加熱する工程において原料ストリームを加熱
分離器内で加熱して、蒸気フラクションと濃縮液汚染物
質フラクションとを生じさせる工程； ｄ）蒸気フラクションを回収（repair）フラクションの
留出物還流と接触させながら蒸留塔を通過させる工程； ｅ）リボイラー交換器内に温度差を生じさせるために、
蒸気フラクションを圧縮する工程； ｆ）蒸気フラクションをリボイラー交換器に接触させて
通過させて、リボイラー交換器から凝縮留出物を得る工
程； ｇ）凝縮留出物の一部を留出物還流として蒸留塔に再循
環させる工程； ｈ）蒸気質量に対する循環質量の比を約300〜約２に維
持するように、リボイラー交換器および加熱分離器を通
して濃縮物の少なくとも一部を循環させる工程；および ｉ）汚染物質が実質的にない凝縮留出物を集める工程。
装置に関して、本発明の更にもう１つの目的は、少な
くとも１種の汚染物質を含む原料ストリームを処理し
て、少なくとも１種の汚染物質を含まない流出物を得る
ための流体処理装置であって： 原料ストリームを加熱するための第一の加熱手段を含
む蒸気再圧縮手段と； 第一の加熱手段と流体連通する、蒸気フラクションお
よび濃縮フラクションを生じさせるための加熱分離手段
と； 蒸気フラクションを圧縮するための圧縮手段と； 圧縮手段と流体連通する、蒸気の凝縮物から潜熱を回
収するための熱交換手段と； 強制循環サーキット（または回路）であって： ポンプ手段と； ポンプ手段が加熱分離手段と熱交換手段との間で流体
連通する、熱交換手段と； 熱交換手段と加熱分離手段との間で強制循環サーキッ
トを形成する流体連通手段と； を含み、ポンプ手段は交換手段を通る流体の循環流量
を選択的に変化させ、交換手段は交換手段を通る蒸気フ
ラクションの量を選択的に変化させる、強制循環サーキ
ットと を組み合わせて含むことを特徴とする装置を提供するこ
とにある。
概略的には、１つの可能な実施態様においては、留出
する水を蒸発させて、メッシュ・パッド（mesh pad）に
通し、圧縮機に入る前に同伴された水を除去する。圧縮
機は蒸気流れの圧力および温度を上昇させて加熱分離器
のそれより大きくし、リボイラー熱交換器を横断する効
果的な伝熱を可能にする。蒸気流れはその後リボイラー
に入り、そこで「過熱戻し（desuperheated）」され、
留出させるために凝縮される。熱エネルギーは、蒸気流
れに対する循環濃縮物の質量を300未満〜約２の範囲で
制御することによって、50％未満の蒸気、より厳密には
10％未満の蒸気を循環濃縮物流れ中に生じさせ、これに
より加熱分離器から循環濃縮物へ伝導される。この蒸気
相は蒸発潜熱によって伝導された熱を吸収しつつ、同時
に循環濃縮物に約1Fより大きい温度上昇をもたらさな
い。凝縮温度および圧力の状態にあるクリーンな留出水
は、流入する原料流れに対してシステムの顕熱部分を回
収するために予熱器を通過する。同時に濃縮物流れの一
部は、汚染物質の所望の濃度を制御するために加熱分離
器から除去される。加熱分離器の温度および圧力にある
この濃縮物のブローダウン流れは、残りの顕熱エネルギ
ーを原料流れに与えるために追加の予熱器を追加する。
付加的な前処理および後処理の技術が、蒸留操作の間に
汚染物質を除去または含有（contain）するためにバッ
チ式または連続的にプロセス方法として用いられ得、pH
コントロール方法は、対象である蒸留プロセスを更に増
強させるために、濃縮物において揮発性成分をイオン化
するか溶解条件を変えるために使用できる。
回収される留出水は、プロセス水として再使用される
か、蒸留水として再使用されるか、自然の貯水池に放出
され得る純度および温度に制御され得、実質的に全ての
水質環境基準に合致するか、これより優れている。
このプロセスの範囲に関しては、精油業、石油化学
業、パルプおよび製紙業、食品業、鉱業、自動車業／他
の輸送産業、ならびに製造業などの工業処理水の汚染物
（または不純物）を除去するために同様のプロセスが容
易に用いられ得る。加えて、埋立地の浸出水、脱塩化、
地下水の水質改善、井戸水の浄化、湖沼の水質改善、油
田の廃水回収、ならびに任意の形態のボイラー原料水の
生成、および希薄流れからの有価成分の濃縮についての
用途が考えられる。この列挙は決して全てを挙げるもの
ではなく、むしろ例示的なものである。
上述のように本発明を説明してきたが、次に、本発明
の好ましい実施態様を例示する添付の図面について言及
する。
図面の簡単な説明 図１は、記述する本発明の１つの実施態様の全体のプ
ロセスの概略図である。
図２は、図１の別の実施態様である。
図３は、図１の更に別の実施態様である。
図４は、蒸発要素の周辺の代表的な圧力および温度条
件を概略的に示す。
図５は、システム・リボイラー交換器についてのプロ
セスの凝縮／蒸発曲線である。
図６は、プレート／プレート式リボイラー熱交換器に
ついてのフロー・パターンの概略を例示する。
図７は、蒸気質量に対する循環流体質量の比に関して
循環流体で生じる、リボイラーにおける蒸発レベルを例
示するグラフである。
図８は、蒸気フラクションの変化に対する、リボイラ
ー中で得られる局所濃縮効果（localized concentratio
n effect）を例示するグラフである。
図９は、パイロット蒸留装置から得られた試験データ
を示すグラフである。
本明細書において使用される類似の番号は類似の部材
を示す。
発明を実施するための形態 図１を参照して、本発明の１つの実施態様の例を示
す。
概して番号10で示される汚染された水の原料流れを、
不溶性物質および揮発性物質を除去するために、ならび
に／あるいは原料流れ10を調製するための他のpHまたは
コンディショニング工程のために、概して12で示される
前処理工程に導入する。揮発性成分は14で原料流れから
排出され、それほど揮発性でない成分が16で原料流れか
ら排出される。前処理された原料流れは12を出て、その
後予熱器18に入り、顕熱の回収を増強するために、原料
流れの温度を上昇させその後加熱分離器20に導入され
る。原料流れは、複数の流れに分割され得、ユニットの
十分な回収ポテンシャルを最大化するために、別の副顕
熱回収予熱器を通過する。このような配置は当業者に理
解されるであろう。複数の予熱器は、単一のマルチ・サ
ービス（multi−service）予熱器あるいは18および26で
示される個別のユニットとして構成され得る。個別の原
料流れは加熱分離器20に入る前に、再び混合され、加熱
分離器の温度付近にまで加熱される。所望であれば、リ
ボイラーで局所希釈効果（local dilution effect）を
得るために、原料流れはまた強制循環流れに導入され得
る。加熱分離器は、サイクロン分離器のような複数の分
離ユニットを含んでもよい。番号22でおおまかに示され
る下部は、濃縮物中に固形物質を懸濁させ、配管24で示
されるように「ブローダウン」と呼ばれるものまたは濃
縮物を排出するサイクロン作用を有する。連続式または
バッチ式のブローダウン24の割合は、加熱分離器20にお
ける成分の濃度を制御し、これにより、加熱分離器20に
おける濃縮物の飽和度、過飽和度、続く固形物の析出、
および沸点を調節する。加熱分離器20の温度にあるブロ
ーダウン24、原料流れに熱を回収するために、配管28を
介して副予熱器26を通過する。ブローダウン流れ24は、
26における原料流れに対して約3F以内の温度に下がる。
加熱分離器20の上部は、主として飽和した水蒸気を含
み、蒸気／液分離に供され、蒸気流れからの液滴を合体
させるためにメッシュ・パッド（図示せず）のような特
徴を含み得る。加熱分離器20を出た蒸気（概して配管30
で示される）は、環境品質の留出物を構成し、原料流れ
に存在する成分に依存して飲用水またはボイラー用原料
水となり得る。蒸気は圧縮機32へ移送され、蒸気流れの
圧力および温度を上昇させ加熱分離器20のそれよりも高
くする。蒸気流れは、加熱分離器をどのような圧力（真
空を含む）で出てもよい。この蒸気は加熱分離器20の条
件で主として飽和されるが、濃縮物が蒸気の沸点を上昇
させるのに十分な濃度で成分を含む場合には、蒸気は過
飽和となり得る。この概念は沸点上昇またはBPRとして
知られ、従って、圧縮が適切に補償され得ることが理解
されるべきである。蒸気流れに与えられる付加的なエネ
ルギーが、概して番号34で示されるリボイラー熱交換器
において伝熱を実施するのに必要な熱推進力またはLMTO
要件を形成する。
番号32で示される圧縮機またはブロワは、当業者に知
られる任意の装置であり得、これは蒸気に約３〜10psi
の頭（またはヘッド）を生じさせ、所望のレベルの蒸気
質量を流す。圧縮機32に必要な実際の頭は、特に加熱分
離器20における蒸発条件とリボイラー34についてのLMTD
要件とによって各ユニットについて決定される。圧縮機
32を出る蒸気は、主として過熱された水蒸気である。過
熱の程度は排出圧力と圧縮装置32の効率とに依存する。
リボイラー交換器34は、圧縮機32から受け取った圧縮
蒸気を、リボイラー34から番号36で示される凝縮物レシ
ーバを通してドレーン排出される留出物へ凝縮させるよ
うに機能する。この工程は、蒸気流れの過熱分および潜
熱分を捕捉し、これを番号38で示される濃縮物循環流れ
への熱推進力によって受け取る。レシーバ36に蓄積され
た留出物は、概して特定の温度および圧力条件にある飽
和液体である。留出物に含まれる付加的な顕熱は、ポン
プ40を使用して熱い留出物を予熱器18へ戻して通過させ
ることによって回収され、ここで、出て行く流れは12か
ら流入する原料流れに対して約3Fの範囲内まで冷却され
る。
加熱分離器20から規定量の濃縮物を循環させるために
濃縮物循環ポンプ42を用い、リボイラー交換器34を通す
ことによって、交換器の表面の汚れまたはスケーリング
の危険性がない顕著な結果が実現され得ることが見出さ
れた。循環濃縮物の質量は、300未満〜約２の範囲から
特に選択され、これにより、リボイラー交換器34を出る
流れ38において１％近く〜50％未満の蒸気割合を精密に
生成させる。この質量流量は変化し得、概して番号44で
示される制御デバイスを使用して所望のパラメータで設
定される。より詳細には、汚染が最もひどい原料流れを
考慮する場合、出てくる循環流れ38の蒸気割合について
の所望の目標は10％未満の蒸気割合である。流れ38で生
じた蒸気は、圧縮機を通り、留出物として46で回収され
る量に質量が等しい。リボイラー交換器34で生じた蒸気
は、ごく少量の質量割合（循環質量の約１〜10％）であ
ってもリボイラー34の凝縮側から伝導された熱の大部分
を吸収する。蒸気割合および濃縮物循環率の選択は、汚
れおよびスケール付着を減らす場合に重要な因子であ
る。ほとんどの場合、リボイラー交換器34で温度交差が
起きることなく、濃縮物循環流体の非常に小さい温度上
昇を確立し、効果的なLMTDを維持するために、このパラ
メータは最も重要である。温度上昇は迅速にLMTDを無く
し、伝熱は停止する。例えば、流体が蒸気をいくらも生
じさせることができないように循環濃縮物の圧力がリボ
イラーで上昇した場合、顕熱の吸収によってLMTDがなく
なるまで温度が上昇し、従って伝熱が減少する。静圧頭
損失および摩擦頭損失からなる濃縮物循環システムの背
圧は最小に設計される。実際に背圧は、交換器の動的圧
力降下が最小化されるので、直立交換器の静圧頭損失に
本来等しい。循環濃縮物流れは、その後、配管38におい
て約１％〜10％の蒸気割合を得るように選択される。得
られた温度上昇は非常に小さく、LMTDはその設計値のま
まである。
次に図２を参照して、代替のプロセス概略図を示す。
ここで、システムの総括濃縮作用または濃縮ファクター
（CF）が析出を起こす１種またはそれ以上の成分に対し
て過飽和濃度となるように、加熱分離器20からのブロー
ダウン24を調節することが可能である。加熱分離器20に
おいて固形物が生じ、形成されるので、固形物またはス
ラッジを除去するために概して番号50で示される固／液
分離デバイスにブローダウン24を通す。あるいは、固／
液分離デバイス50はリボイラー・ポンプ42と交換器34と
の間で分岐流または全体流に配置されてもよい。回収し
た液体を更に、52で示すように加熱分離器20へ戻して再
循環させ、ブローダウン量に対応する部分を熱回収のた
めに予熱器26に更に通し、約3Fにまで冷却する。固／液
分離デバイス50は液体サイクロン、遠心沈降機、重力沈
降機、遠心分離機、デカンテーション分離機（decantin
g separator）などの当業者に知られる任意の形態であ
ってよい。このプロセスは、主要な目的が化合物を固形
物として回収することにある場合、または化合物が顕著
な商業的価値を有する場合に特に魅力がある。
図３を参照して、蒸気流れが原料流れに由来する特定
の汚染物質の一部を含み得る、更なるプロセスのバリエ
ーションを示す。加熱分離器20は、圧縮機32および圧縮
機吸引配管30の手前に分留カラム54を備える。カラム54
は、番号56で示すクリーンな低温の水の還流と共に多段
を用いて、汚染物質を分留し、洗浄除去するために使用
される。還流は、必要な還流温度に応じて、予熱機18の
上流または下流のいずれかあるいはそれらを組み合わせ
て取り出され得る。このプロセスのバリエーションは、
原料流れが例えば、炭化水素、グリコール、アンモニア
などの揮発性物質を含む場合に魅力がある。
図４は、本発明のプロセスの蒸発部の周辺にある種々
の流れの代表的な圧力と温度との関係を例示する。この
説明について、参照番号は図１〜３で使用したものであ
る。例示のために特定のプロセス・パラメータを示す
が、これらはいずれの特定の蒸留用途にも適合するよう
に改変され得る。この概略図は、沸点上昇のない流体
と、大気圧よりもわずかに高い16psiaで、212.5Fで運転
される加熱分離器20とに基づく条件を示す。循環濃縮物
の温度上昇は、2.5psiのリボイラーの圧力降下に対して
1F未満である。循環流れの蒸気割合は約10％である。リ
ボイラー交換器34の付近の条件は、図５に示す蒸発／凝
縮曲線で表され得る。交換器の凝縮側において、過熱水
蒸気が約250Fおよび21.5psiaにてＣ点で入り、約231.8F
および21.4psiaにてC'点で蒸気の飽和圧力で凝縮され
る。この領域は、過熱戻し領域として一般的に呼ばれ、
交換器面積の約２％からなり、残りの領域は凝縮の潜熱
が放散される面積となる。圧力および温度のわずかな降
下は、熱交換器の本来的な圧力降下によって、交換器34
を通じて起こり得る。出口条件は、約231.6Fおよび21.4
psiaとなる。凝縮側における表面温度は、流入する蒸気
の飽和温度未満であり、これにより、熱交換面に凝縮物
膜を形成する。従って、熱伝達が、膜の有効温度を蒸気
飽和温度に維持する濡れた壁から起こる。留出物はＤ点
で交換器から凝縮器レシーバ36へドレン抜きされ、リボ
イラーに液体が存在しない状態に保持し、熱交換器の全
面を凝縮プロセスに曝す。
蒸発側では、濃縮物は循環ポンプ42を出た後、約212.
5Fおよび18.6psiaにてＡ点で、底部から向流的に交換器
に入る。濃縮物質量の比が蒸気流量の少なくとも10倍と
なるように、循環流量が調節される。濃縮物流体の温度
はA'点まで上昇し始め、その後横ばいになってＢ点であ
る約213.2Fに達する。ここで、静圧頭は打ち消され、圧
力は16.1psiaまで減少する。濃縮物が交換器34を上昇す
る間、蒸気が強制対流によって生じ始め、伝導された潜
熱を吸収する。蒸気質量に対する循環質量の比が所望の
範囲内となるまで蒸発側において流体質量を増加させる
ことによって、沸騰の影響を強制対流および安定な核沸
騰領域の範囲内に制御する。流体の質量流量が大きいの
で、伝熱面は、新たに生じた蒸気の飽和温度に等しい温
度において濡れたままである。交換器についての流束速
度（QA-1）が6000BTU hr-1ft-2未満となることを更に確
保することにより、蒸発側の温度上昇を1F未満に維持
し、濡れた膜表面を維持し、これによりスケーリングの
危険性を排除し得る。流束速度が大きすぎる場合、瞬間
的に蒸気が促進する圧力降下は、その場の静圧頭を一時
的に上回り、不安定な一次的な逆流および濡れた伝熱面
の破壊を招く可能性がある。これは、伝熱面の汚れを招
き得る。流束6000BTU hr-1ft-2未満および蒸気質量に対
する循環濃縮物質量が300未満の範囲において、液体お
よび蒸気が安定操業で共存することができ、リボイラー
の蒸発側において十分に濡れた伝熱面を維持でき、汚れ
およびスケーリングの危険性がなくなる。
Ａ〜Ｄ点の参照符号を図６にもまた用いる。
図６は、当業者にプレート・アンド・フレーム式（pl
ate and frame）熱交換器として知られている高効率伝
熱交換器58の立面図を例示する。ここで、垂直に積み重
ねられたガスケット付きプレート60の列が、２つの固い
フレーム62および64の間に配置されている。これらの装
置は、それらがコンパクトなサイズを有し、非常に高い
Ｕ値または総括伝熱係数を有し得るものとして周知であ
る。単一流路型向流式流れ配置として構成されるこの様
式の交換器は、本発明によく適合し、本発明の実施に際
して特に以下の利点を提供する： 1.プレート式交換器は、濃縮物循環流体または蒸発側に
小さい決まった静圧頭および非常に小さい圧力降下を与
えつつ、比較的大きな伝熱係数を提供する； 2.熱流束は、所定のフレームにより多くの表面積または
プレートを追加することによって容易に調節され得る； 3.プレート・フレーム構造の凝縮側はドレーンが存在せ
ず、小さい圧力降下を有しつつ、比較的大きな伝熱係数
を維持する； 4.非常に効果的な伝熱係数は、表面温度を両方の流体流
れの温度に非常に近くすることができ、汚れの危険性を
低減する； 5.激しい乱流および同等に大きい流速は、汚れを少なく
し、固形物が交換器を通過するときに固形物を均質な浮
遊物の状態に保持する； 6.ホット・スポットまたはコールド・スポットがなく、
プレート・フレーム構造に由来するデッド・フロー（de
ad flow）領域がなく、汚れまたはスケーリングの危険
性を低減する； 7.プレートは滑らかで、十分に仕上げられ、汚れの危険
性を低減する；ならびに 8.流体滞留時間が短く、平衡に達してスケーリング汚染
物質を生じるのに十分な時間がないので、析出の危険性
を低減する。
より一般的に、プレート式熱交換器は非常にコンパク
トであり、脱塩化型の適用によくある流体腐蝕および応
力腐蝕亀裂に耐えるために、費用の点で有効な新種の合
金プレートを備えてもよい。シェル・アンド・チューブ
（shell and tube）型、二重管型、フィン付き管型、ス
パイラル型などの他の様式の交換器もまた、本発明の特
定の要件が維持されるかぎりにおいて当業者に考慮され
得る。
図７は、蒸気の質量流量に対する循環濃縮物の質量流
量の比についての好ましい設計範囲（包括的に66で示さ
れる）を示すグラフである。約10〜100の望ましい範囲
では、蒸気割合が10％未満から１％近くまでとなる。
図８は、熱交換器内での更なる過飽和および析出の危
険性に関する局所濃縮ファクター（local concentratio
n factor）CF交換器に与える影響を示すグラフである。
概して、システムの濃縮ファクターは以下のように表さ
れる； CF全体＝CFブローダウン・CF交換器 加熱分離器において定常状態に達する濃度は、加熱分
離器からの連続的なブローダウンとバランスがとれてい
る蒸気の定常的除去に由来する。CF全体の値は、原料流
れ中の汚染物質のレベルおよび種類に依存し、代表的に
は５倍〜約20倍より少ないオーダーである。リボイラー
を出る蒸気質量のレベルにも依存して、得られるCF
交換器が決定され（1.0〜1.1の間）、リボイラーにおい
て望ましい濃縮レベルを超えないようにブローダウンレ
ートを調節する。代表的な例を以下に示し得る： ・原料流れが20,000TDSを含み、濃縮物中で100,000TDS
を超えないことが望ましい。
・最も効果的な質量比が20であると決定され、図７より
５％の蒸気割合となる。
・図８より、CF交換器は約1.07にある。CF全体は（100,
000/20000）＝５と計算される。
・CFブローダウンは、（5/1.07）＝4.7と計算される。
・従って、修正されたブローダウンレートは、入口の原
料流れの（1/4.7）＝21％となる。
従って、強制対流伝熱システムと共に蒸気再圧縮プロ
セスを使用することによって、ならびに、300未満〜約
２の蒸気流れ質量流量に対する循環システムの質量流量
の比、より詳細には約10〜100の比を注意深く選択する
工程と、6000BTU hr-1ft-2未満の熱流束を選択する工程
と、所望の濃縮作用（CF）を達成するためにブローダウ
ン流れをコントロールする工程とによって、長時間の運
転にわたって汚れおよびスケーリングが起こりにくい非
常に効果的な水の蒸留装置が得られる。知られている２
つのプロセス・スキームを独自の熱交換構成と組み合わ
せることによって、より実際的には、従来技術によって
前もって教示されていない特定の濃縮物循環比となるよ
うに構成することによって、本発明は、汚れおよびスケ
ーリングの危険性なしで、汚染物質がない水の効果的な
蒸留方法を提供することができる。
本発明を例示するために以下の実施例を示す。
実施例１ この実施例の計算は、リボイラー交換器の周囲の熱収
支を説明するものである。この実施例は、汚染された供
給源から53,000USGPDのクリーンな留出物を回収するよ
うに設計された蒸留装置の設計のベースを示す。
交換器の情報 表面積 3200ft2 様式 ガスケット付きプレート−フレーム式 Ｕ 542BTU hr-1 ft-2 F-1 修正LMTD 10.33F 運転能力（service duty）の計算値 （3,200）＊（542）＊（10.33） 17,908,217BTU hr-1 熱流束の計算値 （17,908,217）／（3200） 5596BTU hr-1 ft-2 凝縮側 入口条件 21.5psiaにおいて250F（過熱状態） 出口条件 21.4psiaにおいて231.6F 飽和凝縮温度 21.5psiaにおいて231.8F 凝縮潜熱 21.5psiaにおいて957.6BTU lb-1 水蒸気流れ 36.7USgpm＝18,352lb hr-1 Ｑ過熱戻し （18,352）＊（1.0）＊（250−231.8） 334,006BTU hr-1 Ｑ凝縮 （17,908,217−334,006） 17,574,211BTU hr-1 流れの計算値 （17,574,211）／（957.6） 18,352lb hr-1 蒸発側 入口条件 18.6psiaにおいて212.5F 出口条件 16.1psiaにおいて213.2F 蒸発潜熱 16.1psiaにおいて968.7BTU hr-1 蒸気質量に対する循環質量の比 10 濃縮物の循環流量 370USgpm 184,926lb hr-1 蒸気流れ 18,352lb hr-1 蒸気％ （18,352/184,926）＝10％ Ｑ蒸発 （18,352）＊（968.7） 17,778,769BTU hr-1 Ｑ顕熱（sensible） （184,926）＊（1.0）＊（213.2−212.5） 129,448BTU hr-1 Ｑ全体 （17,775,747）＋（129,448） 17.908,217BTU hr-1 この実施例は、循環流体において形成された10％の蒸
気フラクションが凝縮側から伝導された熱の99％を捕捉
し、10倍の循環液体質量がある場合でも循環流体の温度
を1F未満しか上昇させない。
実施例２ 埋立地の浸出液貯水池から10,000USgpdのクリーンな
留出物を回収するために、試作装置を組み立てた。装置
を長期間にわたってテストし、この期間に詳細な性能テ
ストのデータをとった。４ヶ月の長い期間にわたってパ
イロット装置は首尾よく操作され、検査の際に、リボイ
ラーおよび加熱分離器において汚れは無視できる程度の
ものであった。パイロット・テストにおいて使用した装
置は、3.0psiの差圧をもたらすスペンサーTM・モデル・
GF36204E・ブロワ・コンプレッサー（SpencerTM Model
GF36204E Blower Compressor）を含んでいた。テストの
間、標準的な単一パスのプレート−フレーム式熱交換器
を使用した。
浸出液原料、濃縮されたブローダウン、および処理さ
れた流出物の特性は以下の通りである： 流出物は、地表水本体へ放出され得るような実際的に
全ての規定された基準（regulatory guideline）より優
れた品質を有する。圧縮機の消費電力を、圧縮機なしの
条件および再循環条件を含む種々の運転状態について測
定および記録した。消費電力の測定値を、種々の流出物
流量について1,000USgalあたりの消費電力として図９に
プロットした。試験データ曲線を流量範囲にわたって圧
縮機の効率（inefficiency）について修正すると、50KW
−hr/1000USgalの均一な消費電力値が導かれた。約77％
の標準的な圧縮機効率とすれば、高効率な蒸留装置に必
要とされる消費電力は、約65KW−hr/1000USgalである。
ブローダウン流れは、テスト期間全体の平均で原料流れ
の約10％となり、10個の濃縮ファクター（CF）の平均で
４となった。視認検査をテストの後に行い、加熱分離器
およびリボイラー装置においてスケーリングの徴候を示
していなかった。
本発明のシステムに利用可能な装置に関して、加熱分
離器、予熱器、リボイラー、ポンプ、圧縮機／ブロワな
どの最も望ましい例が当業者に容易に理解されるであろ
う。他の改変例が本発明の範囲を逸脱することなく容易
に理解されるであろう。
本発明の実施態様を上述したが、本発明はこれに限定
されず、請求の範囲および記述の本発明の概念、性質お
よび範囲から逸脱しないかぎりにおいて、多数の改変例
が本発明の一部をなすことが当業者には明白であろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラザギ，ミヌー カナダ、ティ２ダブリュー・４エックス ９、アルバータ、カルガリー、サウス・ ウエスト、サウスポート・ロード10201 番、ナンバー400 (72)発明者 スピーリング，ロバート カナダ、ティ２ダブリュー・４エックス ９、アルバータ、カルガリー、サウス・ ウエスト、サウスポート・ロード10201 番、ナンバー400 (56)参考文献 特開 平１−299687（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−275894（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−163973（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−59289（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−130701（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4566947（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C02F 1/04

Claims (23)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】汚染物質を含む水原料ストリームから汚染
    物質を除去する方法であって： ａ）水原料ストリームを供給する工程； ｂ）該水原料ストリームから該汚染物質のいくらかを少
    なくとも部分的に除去し、濃縮物と留出物とからエネル
    ギーを回収するために、第一の加熱する工程において該
    水原料ストリームを予め加熱する工程； ｃ）第二の加熱する工程において該水原料ストリームを
    加熱分離器内で加熱して、蒸気フラクションと濃縮汚染
    物質フラクションとを生じさせる工程； ｄ）リボイラー交換器内で温度差を生じさせるために、
    該蒸気クラクションを圧縮する工程； ｅ）核沸騰を維持し、よって、濡れ表面を該リボイラー
    交換器内で維持するように、濃縮物温度および該リボイ
    ラー交換器での温度差を制御する工程； ｆ）蒸気フラクションに対する濃縮物の質量比を300〜
    ２に維持し、よって、該リボイラー交換器を出る蒸気フ
    ラクションが、循環する濃縮物を基準として約１質量％
    〜50質量％未満となるように、該リボイラー交換器およ
    び該加熱分離器を通して該濃縮物の少なくとも一部を循
    環させる工程；および ｇ）汚染物質が実質的にない凝縮留出物を集める工程 を含む方法。
  2. 【請求項２】前記汚染物質のレベルを制御するために、
    前記加熱分離器から前記濃縮物の少なくとも一部を除去
    する工程を更に包含することを特徴とする、請求の範囲
    第１項に記載の方法。
  3. 【請求項３】前記濃縮物の循環流量を変化させる工程を
    更に包含する、請求の範囲第１項に記載の方法。
  4. 【請求項４】前記水原料ストリームが、加熱に先立って
    前処理手順に供されることを特徴とする、請求の範囲第
    １項に記載の方法。
  5. 【請求項５】前記前処理手順が、濾過、イオン交換、蒸
    留、沈殿、および蒸発の少なくとも１つを含むことを特
    徴とする、請求の範囲第４項に記載の方法。
  6. 【請求項６】前記濃縮液汚染物質フラクションを再循環
    させる工程を更に包含する、請求の範囲第１項に記載の
    方法。
  7. 【請求項７】前記蒸気フラクションの温度を圧縮によっ
    て上昇させる工程を更に包含する、請求の範囲１項に記
    載の方法。
  8. 【請求項８】圧縮後の前記蒸気フラクションの前記温度
    が、前記加熱分離器内での該蒸気フラクションの温度よ
    りも高いことを特徴とする、請求の範囲第７項に記載の
    方法。
  9. 【請求項９】前記凝縮蒸気を後処理手順に供する工程を
    更に包含する、請求の範囲第１項に記載の方法。
  10. 【請求項１０】前記後処理手順が、濾過、イオン交換、
    蒸留、沈殿、および蒸発の少なくとも１つを含むことを
    特徴とする、請求の範囲第９項に記載の方法。
  11. 【請求項１１】前記水原料ストリームによって熱を取り
    出すために、蒸気の凝縮物を前記第一の工程に再循環さ
    せる工程を更に包含する、請求の範囲第10項に記載の方
    法。
  12. 【請求項１２】スケール形成および汚れを低減するため
    に前記加熱分離器および前記リボイラー交換器の加熱面
    において濡れ表面を維持する工程を更に含む、請求の範
    囲第１項に記載の方法。
  13. 【請求項１３】蒸気フラクションを凝縮し、留出物を集
    め、前記汚染物質のレベルを低減するために前記リボイ
    ラーから前記濃縮物の少なくとも一部を除去する工程を
    含む、請求の範囲第12項に記載の方法。
  14. 【請求項１４】工程ａ）の後に： ａ）前記濃縮物を過飽和にさせて、少なくとも１種の選
    択された固形物を析出させる工程； ｂ）該濃縮物を濾過する工程；および ｃ）該少なくとも１種の選択された固形物を回収する工
    程 を更に包含する、請求の範囲第１項に記載の方法。
  15. 【請求項１５】前記循環させる工程が、スケール形成お
    よび汚れを低減するために前記加熱分離器および前記リ
    ボイラーの加熱面上の濡れを保持することを特徴とす
    る、請求の範囲第１項に記載の方法。
  16. 【請求項１６】加熱分離器および熱交換器を用いて汚染
    物質を含む水原料ストリームから汚染物質を除去し、該
    分離器および該熱交換器の汚れおよびスケール形成を防
    止する方法であって： ａ）該加熱分離器から、汚染物質が実質的にない蒸気フ
    ラクションと、分離した濃縮汚染物質フラクションとを
    生じさせること； ｂ）該蒸気フラクションの温度を該加熱分離器の温度よ
    りも上昇させるために、該蒸気フラクションを圧縮する
    こと； ｃ）該蒸気フラクションを該熱交換器に通過させて接触
    させて、凝縮留出物を生じさせること；および ｄ）蒸気フラクションに対する濃縮物の質量比を300〜
    ２として、該濃縮汚染物質フラクションを該加熱分離器
    および該熱交換器に通して連続的に循環させることによ
    って、該熱交換器を出る蒸気フラクションを循環する濃
    縮物を基準として約１質量％〜50質量％未満とし、よっ
    て、該加熱分離器および該熱交換器の加熱面を該濃縮汚
    染物質フラクションと少なくとも接触させて維持して、
    該加熱面のスケール形成および汚れを防止すること を含む方法。
  17. 【請求項１７】前記循環質量が約10質量％の濃度の蒸気
    を含むことを特徴とする、請求の範囲第16項に記載の方
    法。
  18. 【請求項１８】前記蒸気がプレート−プレート式熱交換
    器において凝縮されることを特徴とする、請求の範囲第
    16項に記載の方法。
  19. 【請求項１９】揮発性および不揮発性の汚染物質を含む
    水原料ストリームから汚染物質を除去する方法であっ
    て： ａ）水原料ストリームを供給する工程； ｂ）該水原料ストリームから該汚染物質のいくらかを少
    なくとも部分的に除去し、濃縮物と留出物とからエネル
    ギーを回収するために、第一の加熱する工程において該
    水原料ストリームを予め加熱する工程； ｃ）第二の加熱する工程において該水原料ストリームを
    加熱分離器内で加熱して、蒸気フラクションと濃縮液汚
    染物質フラクションとを生じさせる工程； ｄ）該蒸気フラクションを留出物還流と接触させながら
    蒸留塔を通過させる工程； ｅ）リボイラー交換器内に温度差を生じさせるために、
    該蒸気フラクションを圧縮する工程； ｆ）該蒸気フラクションを該リボイラー交換器に接触さ
    せて通過させて、該リボイラー交換器から凝縮留出物を
    得る工程； ｇ）該凝縮留出物の一部を留出物還流として該蒸留塔に
    再循環させる工程； ｈ）蒸気フラクションに対する濃縮物の質量比を300〜
    ２に維持し、よって、該リボイラー交換器を出る蒸気フ
    ラクションが循環する濃縮物を基準として約１質量％〜
    50質量％未満となるように、該リボイラー交換器および
    該加熱分離器を通して該濃縮物の少なくとも一部を循環
    させる工程；および ｉ）該汚染物質が実質的にない凝縮留出物を集める工程 を含む方法。
  20. 【請求項２０】少なくとも１種の汚染物質を含む原料ス
    トリームを処理して、該少なくとも１種の汚染物質を含
    まない流出物を得るための流体処理装置であって： 該原料ストリームを加熱するための第一の加熱手段を含
    む蒸気再圧縮手段と； 該第一の加熱手段と流体連通する、蒸気フラクションお
    よび濃縮フラクションを生じさせるための加熱分離手段
    と； 該蒸気フラクションを圧縮するための圧縮手段と； 該圧縮手段と流体連通する、蒸気の凝縮物から潜熱を回
    収するための熱交換手段と； 強制循環サーキットであって： ポンプ手段と； 該ポンプ手段が該加熱分離手段と熱交換手段との間で流
    体連通する、熱交換手段と； 該熱交換手段と該加熱分離手段との間で強制循環サーキ
    ットを形成する流体連通手段と； を含み、該ポンプ手段は該交換手段を通る流体の循環流
    量を選択的に変化させ、該交換手段は該交換手段を通る
    蒸気フラクションの量を選択的に変化させる、強制循環
    サーキットと を組み合わせて含むことを特徴とする装置。
  21. 【請求項２１】前記装置がセルフ・クリーニング型であ
    ることを特徴とする、請求の範囲第20項に記載の装置。
  22. 【請求項２２】前記ポンプ手段が、前記流体において、
    循環する濃縮物を基準として約１質量％〜約50質量％の
    蒸気を維持するために該流体を連続的に循環させること
    を特徴とする、請求の範囲第20項に記載の装置。
  23. 【請求項２３】前記加熱分離手段が、汚染物質が実質的
    にない蒸気フラクションと濃縮汚染物質フラクションと
    を生じさせることを特徴とする、請求の範囲第20項に記
    載の装置。
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