JP3689661B2 - 油水分離装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給油式圧縮機において圧縮空気等のドレンの油水分離装置に係り、特に、真空状態でドレンを加熱し低温沸騰させ、油と水の沸点の差を利用してドレン中の水分を気化蒸発させる真空チャンバー方式の油水分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
給油式圧縮機は圧縮空気をユーティリティとして使用する産業分野で広く使用されている一般的な圧縮機である。この種の圧縮機はスクリュ式およびレシプロ式が主流である。スクリュ式の場合、空気を圧縮する２本のスクリュロータ間の隙間をシールする目的と、圧縮プロセスで発生する圧縮熱を冷却する目的と、ロータ同士の接触部の潤滑を目的として、所要量の潤滑油を圧縮機内部に給油するようになっている。また、レシプロ圧縮機の場合、空気を圧縮するシリンダ、ピストンの接触部の潤滑を目的としてシリンダ内部に潤滑油を給油するようになっている。
【０００３】
この種の圧縮機で製造された圧縮空気は前述の潤滑油を含んでいる。そして、この圧縮空気は通常常温近傍まで冷却され空気機械に供給される。このため、冷却の過程で圧縮空気中の水分が凝縮し、油分を含んだドレンが発生する。このドレンは環境保全のため油分を除去し、法律で決められた油分濃度基準値以下に減量した上で排水が可能となる。ドレンの油水分離技術として一般的にフィルタによる油分除去、電気分解、浮選、真空蒸留方式などがとられている。
【０００４】
特に、特開平１１−３４３９７６号公報では、一定量のドレンが油水分離真空チャンバに溜まると油水送入弁が閉じ、加熱器による加熱と、真空ポンプの運転が開始し、油水真空チャンバ内は過熱真空状態になる。この結果ドレン中の水分は低温沸騰し、真空ポンプを通って大気に還元され、油水真空チャンバ内には油分濃度の高い凝縮されたドレンが残る。この段階で真空ポンプは停止し、加熱器が切れ、均圧弁、排油弁が開いて、油分濃度の減量されたドレンが排出される。その後、排油弁、均圧弁が閉となり、油水送油弁が開き、前述の動作を繰返すことにより、油水分離が継続的に実施される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、一連の運転制御を自動的に行うために、真空チャンバ内の液面高さの検出が必要である。一般的な液面高さの検出方法として真空チャンバ内にフロート式のレベルスイッチを設けるか、または真空チャンバの重量を重量センサで測定し、重量変化を液面高さに変換する方法が考えられる。これらの方法の場合下記の問題がある。
１．真空状態で加熱し沸騰したドレンは、蒸発現象の気泡が液中で発生し、成長した後液面で破裂を繰返し、液面変動が著しいためフロート式のレベルスイッチで液面を正確に検出することができない。
２．上述のように、液面変動に伴い真空チャンバが振動するため、重量センサで真空チャンバの重量を正確に検出することができない。
【０００６】
以上のことから、従来技術における一般的な検出方法を適用して真空チャンバ内の液面高さを検出することは困難であり、真空蒸留方式による油水分離装置の運転を自動化する上で課題である。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、真空チャンバ内の液面高さを正確に計測し、油水分離の自動運転を可能にした油水分離装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、液面高さが真空チャンバ内の液面高さと同じ液面高さになるようなサブタンクを設け、真空蒸留作業中に、真空チャンバとサブタンクとを切り離し、サブタンク内に所定量の空気を導入した時の圧力変化を計測し、それを用いて、サブタンク内の液面高さを求めて、真空チャンバ内の液面高さとしたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の油水分離装置の一実施形態の概略構成を示す。
【００１０】
本システムは次のように構成されている。図示していない圧縮機等で発生した油成分を含むドレンは、ドレンタンク８に溜められる。このドレンタンク８に溜められたドレンは、配管２１ｂと、電磁弁Ｅ１４と、配管２１ａを介して真空チャンバ１に送られる。また、同時に真空チャンバ１内に送られてきたドレンは、配管１６ａと、電磁弁Ａ１０と、配管１６ｂとを介してサブタンク２にも送られる。
【００１１】
真空タンク１の上部には配管１９が接続されており、この配管１９により、真空タンク１内を真空状態（減圧状態）にしたり、大気圧に戻すことをしている。更に、真空タンク１の上部とサブタンク２の上部は配管１７ａと、電磁弁Ｂ１１と、配管１７ｂとを介して接続されており、電磁弁Ｂ１１を開放することにより、サブタンク２と真空タンク１内の圧力が同じ圧力となるようにしてある。更に真空タンク１の下部の外側には、ヒータ７が設けてある。
【００１２】
また、サブタンク２の上部側には、圧力センサ９が設けられていると共に、定量空気タンク３と接続するための配管１８ａと、電磁弁Ｃ１２と、配管１８ｂとが設けてある。更に、定量空気タンク３の上部側には、電磁弁Ｄ１３が設けてある。
【００１３】
真空タンク１の上部側に設けた配管１９の真空タンク１側の端部には電磁弁Ｆ１５が設けて有り、この電磁弁１５を開放することで真空タンク１やサブタンク２内を大気圧に戻すことができる。更に、配管１９の他の端部側には凝縮機４が設けられ、凝縮機４には配管２０を介して真空ポンプ６が接続されている。なお、凝縮機４には冷却ファン５が設けてある。
【００１４】
次に、真空蒸留のプロセスについて説明する。
【００１５】
図示していない主電源スイッチの投入で、冷却ファン５と、真空ポンプ６が駆動され、電磁弁Ｃ１２、電磁弁Ｆ１５が閉となる。尚、他の電磁弁Ａ１０、電磁弁Ｂ１１、電磁弁Ｅ１４は開放状態としてある。このため、真空チャンバ１やサブタンク２内の空気は、配管１９と、凝縮器４と、配管２０及び真空ポンプ６を通って大気に放出される。そのため、真空チャンバ１とサブタンク２は徐々に真空度が上昇する。
【００１６】
真空度上昇に伴ってドレンタンク８に溜められたドレン（イ）が真空チャンバ１、およびサブタンク２に吸引される。その後、図示していない制御盤からの指令（信号）によって、主電源投入後予め設定された時間で電磁弁Ｅ１４が閉じられ、ヒータ７に通電される。
【００１７】
この状態では、真空チャンバ１にはドレン（ロ）が、サブタンク２にはドレン(ハ)が溜められている。また、真空チャンバ１とサブタンク２は、配管１６ａと、電磁弁Ａ１０と配管１６ｂ、及び配管１７ａと、電磁弁Ｂ１１と配管１７ｂにより連通しており、ドレン（ロ）とドレン（ハ）の液面高さは等しい。
【００１８】
ヒータ７を通電後、ドレン（ロ）の温度は上昇し、真空チャンバ１の真空度に応じて決まる水の沸点に達すると、ドレン（ロ）の水分の蒸発が開始する。真空タンク１内で発生した蒸気は、配管１９を通って凝縮器４に入り冷却ファン５で冷却され、蒸気から水分に還元された後、配管２０を介して真空ポンプ６を通って排出される。なお、シンクタンク１内のドレン（ロ）が減少すると、サブタンク２からドレン（ハ）が真空タンク１側に流れ込む。このため、ドレン（ロ）、ドレン（ハ）は蒸発によって水分が減量し、低温沸騰で蒸発しない油分が残留する。液面が所定量低下した段階で、図示していない制御盤からの指示で電磁弁Ｅ１４を開き，再度ドレンタンク８のドレン（イ）を真空チャンバ１とサブタンク２に吸引し、前述の蒸発工程を繰返す。
【００１９】
次に、液面制御について説明する。液面を求める方式としては次の２種類が考えられる。１つの方法は、外部から定量の空気を一定時間供給し、その間の圧力変化から求める方法である。もう１つの方法は、定量容器との連通による圧力変化から求める方法である。
【００２０】
まず１番目の方法では、空間容積をＶ、初期圧力をＰ１、最終圧力を；Ｐ２、供給空気圧力をＰ３、供給空気量をＱ、ガス定数をＲ、ガスの温度をＴ、ガスの重量をＧとする。また、初期と最終のガス定数、温度の変化は小さく無視できるものとする。
気体の状態方程式ＰＶ＝ＧＲＴから、
初期重量はＧ１＝（Ｐ１×Ｖ）／（Ｒ×Ｔ）
最終重量はＧ２＝（Ｐ２×Ｖ）／（Ｒ×Ｔ）
この差が外部から供給された空気量に等しいため、

として求められる。
【００２１】
次に２番の方法では、空間容積をＶ１、空間容積の初期圧力をＰ１、定量容器の容積をＶ２、定量容器の初期圧力をＰ２、空間容積と定量容器を連通後の到達圧力をＰ３、とし、気体の状態方程式における各記号は1項と同一とする。
空間容積中の初期重量 Ｇ１＝（Ｐ１×Ｖ１）／（Ｒ×Ｔ）
定量容器中の初期重量 Ｇ２＝（Ｐ２×Ｖ２）／（Ｒ×Ｔ）
連通後の流体重量 Ｇ３＝Ｐ３×（Ｖ１＋Ｖ２）／（Ｒ×Ｔ）
Ｇ３＝Ｇ１＋Ｇ２ より Ｖ１を求めると
∴ Ｖ１＝（Ｐ２−Ｐ３）×Ｖ２／（Ｐ３−Ｐ１） …式（２）
として求められる。
【００２２】
以上の説明のとおり、定期的に容器に計量可能な空気を導入し、容器内の状態変化として圧力を測定することにより計算により求める。空間容積は液面変動有無に関わらず計測時点の状態で一定である。また振動に影響されないため、計測中の状態を安定的に捉えることが出来る。
【００２３】
なおここでは、２番の方式で液面を求めて制御する方法を説明する。
【００２４】
通常運転中は電磁弁Ａ１０、電磁弁Ｂ１１が開いているため、配管１６ａ、１６ｂ、および配管１７ａ、１７ｂの連通により真空チャンバ１のドレン（ロ）とサブタンク２のドレン（ハ）の液面レベルは等しく保たれている。また、サブタンク２の内圧は真空チャンバ１内圧と等しく、真空圧Ｐ１となっている。この状態で、図示していない制御盤から、予め設定した時間間隔で信号を出し、電磁弁Ａ１０、電磁弁Ｂ１１、電磁弁Ｄ１３を閉じ、電磁弁Ｃ１２を開ける。
【００２５】
定量空気タンク３には大気圧Ｐ２状態の空気が容積Ｖ２充填されており、この空気が１８ｂと、電磁弁Ｃ１２と、配管１８ａとを通って圧力の低いサブタンク２側へ瞬時に流れる。これによって、サブタンク２と定量空気タンクの内圧はＰ３の状態となる。
【００２６】
この初期状態の圧力Ｐ１と最終状態の圧力Ｐ３は圧力センサ９で検知し、図示していない制御盤に入力される。また、大気圧Ｐ２は定数として演算式に織込まれている。以上のデータから、図示していない制御盤に組み込まれた前述の式（２）を用いて、サブタンク２の空間容積Ｖ１を求める。そして、サブタンク２の全容積Ｖ３からＶ１を除くことによりサブタンク２内の液量が求められる。更に、サブタンク２の底面積は定数であり、液量を底面積で割って液面高さの解を得る。一連の演算が終了し、予め設定された液面高さの下限値より計算結果が大きい場合は、電磁弁Ａ１０、電磁弁Ｂ１１、電磁弁Ｄ１３を開け、電磁弁Ｃ１２を閉じて蒸発工程を繰返す。また、下限値よりも計算結果が小さい場合は、電磁弁Ｅ１４を開いてドレンタンク８のドレン（イ）を真空チャンバ１、サブタンク２に吸引する。
【００２７】
以上のように、本実施形態ではサブタンクに加えて、定量空気タンクを設けた構成としたが、真空チャンバと切り離した時にサブタンクに導入する空気量を計測できできれば、定量空気タンクを設けずに、（１）式を用いて、液面高さを求めることができる。
【００２８】
本発明は、低圧沸騰している真空チャンバとは別に設けたサブタンクにて液面を計測する構成としていているために、液面の乱れがなく高精度に液面高さを計測でき、更に、フロートスイッチ等の稼動部がないためメンテナンスが不要となり長期間に渡って計測精度を保つことができる等の効果がある。
【００２９】
なお、上記実施形態では真空チャンバとは別にサブタンクを設ける構成としたが、真空チャンバを２つの部屋（室）に仕切る仕切り板と、その仕切り板の上下に弁を設ける構成としてもよい。この場合、一方側の部屋の下部にヒータを設けて加熱し、他方の部屋へは熱が伝わらないようにして、液面高さを測定する時は上下に設けた弁を閉じ他方の部屋に設けた大気供給弁を開放して、所定量の大気を所定時間導入することで、先に説明した式（１）、又は式（２）を用いて液面高を求めるようにしても良い。この構成では、先の実施形態で設けたサブタンクが不要となり、装置の小型が図れる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、
（１）低温沸騰現象に伴う液面変動の激しい場合においても、容積を測定することにより精度良く液面高さを検出できる。
（２）フロートスイッチのような可動部がなく、構造的信頼性が高い。
（３）制御する液面高さはスイッチを交換する必要がなく、制御盤の演算プログラムの設定値を変更するだけで容易に出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のフローと機器構成図
【符号の説明】
１…真空チャンバ
２…サブタンク
３…定量空気タンク
４…凝縮器
５…冷却ファン
６…真空ポンプ
７…ヒータ
８…ドレンタンク
９…圧力センサ
１０〜１５…電磁弁
１６〜２１…配管

Claims (2)

1. 圧縮空気系統から排出される油分と水分が懸濁したドレンを溜めるタンクと、真空状態で油と水の沸点の差を利用して水分を気化蒸発させる真空チャンバとを備えた油水分離装置において、
   前記真空チャンバの液面と同一高さを維持するサブタンクを設け、定期的に前記真空チャンバと前記サブタンクとの連通を切り離し、サブタンク内の空間に満たされた空気の量と圧力変化から液面高さを計測する構成としたことを特徴とする油水分離装置。
2. 請求項１記載の油水分離装置において、液面高さを計測する時にサブタンク内に流入する空気量を一定にするため、前記サブタンクに連通する定量空気タンクを設けたことを特徴とする油水分離装置。

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