JP3690797B2 - 凍結濃縮方法およびその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃水の減容化、海水の淡水化のほか、食品、発酵、化学工業、製薬における濃縮処理、排水・汚水の処理等に用いられる、凍結濃縮方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、かかる凍結濃縮はその重要性が増してきており、各種の提案がなされている。凍結濃縮とは、水溶液の水分のみを凍結させて、生成する氷結晶を未凍結の濃縮液と分離することにより濃縮を達成する技術であり、基本的には所定量の原液を所定の濃縮限度まで凍結濃縮するとともに、濃縮限度まで濃縮された処理済液と氷分とを分離するものである。
【０００３】
凍結濃縮は、処理済液と氷分との分離の観点からは、濃縮限度までの一回の濃縮処理を終えた後に分離操作行う回分型と、濃縮過程で連続的に分離する連続型とに大別される。また氷の生成・成長形態の観点からは、冷却伝熱面に氷を付着・成長させる前進凍結法と、溶液中に粒状の氷を生成・成長させる懸濁結晶法とに大別される。
【０００４】
特に前進凍結法の例としては、本出願人が先の特開２００１−４７０３４号公報において提案している凍結濃縮（凍結分離）装置がある。この凍結濃縮装置は、晶析槽内に冷却コイルを設け、その上方に散水器を設け、冷却コイルの下方に貯水部を設け、被処理液を散水器から冷却コイルに対して散水し、この被処理液は各冷却コイルと接触しながら下段側へ順次落下し、冷却コイルと液膜状態で接触しながら流下する過程で被処理液が冷却凍結されるように構成されたものである。また、凍結せずに貯水部に至った被処理液は散水器に対して循環供給され、再度冷却される。これを繰り返すことによって、所定量の原液を濃縮限度（約１０倍）まで濃縮することができるというものである。濃縮限度に達した処理済液は系外に排出される。なお、以下ではこの技術を流下液膜式凍結濃縮という。
【０００５】
また、特開平１０−５４６２９号公報記載のものも前進凍結法の範疇に入るものである。この先行技術は、冷却体表面における氷生成に際し、過冷却度が大きすぎることによる氷結晶中への溶質取込を解決しようとするものであり、このために蒸留水を用いて冷却体表面に純氷を予め生成させておくことで、冷却体近傍の処理液の過度な過冷却を抑制するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の凍結濃縮技術には下記のような問題点があった。
第１に、上記第１の問題点と関連して濃縮分離性能を向上するために、前述の特開平１０−５４６２９号公報記載の技術を採用することも考えられるが、蒸留水およびこれを用いて冷却体表面に純氷を予め生成するための機器・操作・エネルギーが必要になり、装置が複雑になる、およびコストが嵩む等の問題点が発生する。
【０００７】
他方、第２に、上記本出願人による凍結濃縮装置では、散水器からの落液量を多くする程、氷表面の洗浄効果が高くなり濃縮分離効率が高くなる。また特に製氷初期における濃縮分離性能が全体としての分離性能に重大に影響する。しかるに落液量が多いほど、また製氷初期ほど、散水器からの被処理液が各冷却コイルと接触しながら下段側へ順次落下する際、部分的に被処理液が冷却コイルに接触せずに落下する現象が発生し易くなり、上記洗浄効果が低下する。したがって、かかる現象を防止することが望まれた。
【０００８】
そこで、本発明の主たる課題は、高濃度原液であっても高い濃縮分離性能を発揮し、高純度の氷の製造を可能とすること、および流下液膜式凍結濃縮における冷却管と流下液との接触を確実にし、濃縮分離効率を向上すること等にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明は次記のとおりである。
＜請求項１記載の発明＞
原液を凍結濃縮処理により所定レベルまで濃縮して氷分と処理済液とを得る工程、を繰り返し行う凍結濃縮方法において、
各工程で製造した氷の一部を次工程の凍結濃縮処理の種晶として利用する、ことを特徴とする凍結濃縮方法。
なお、以下の説明からも容易に理解されるように、本発明の用語「処理済液」は、用語「被処理液」とは概念的に異なるものである。用語「被処理液」は原液または濃縮処理中の中途濃縮液を意味する。
【００１０】
（作用効果）
このように、各工程で製造された氷の一部を次工程の凍結濃縮処理の種晶として利用すると、次工程の濃縮処理において新たに種晶を生成する必要がなくなる。
特に前進凍結法に対してこれを適用した場合、特開平１０−５４６２９号公報記載のような蒸留水による種晶生成を行う場合と比べて、種晶生成のための特別な機器、操作、エネルギーを不要としながらも、前工程において生成した種晶の存在によって処理液の過度な過冷却を抑制できるようになるという利点がある。
【００１１】
＜請求項２記載の発明＞
同一の濃縮槽内に、相互独立に前記工程を可能な複数の凍結部を設け、
前記氷の一部を次工程の種晶として利用するための再利用処理を行う凍結部を、前記各工程毎に切り替えて、同一の凍結部が複数工程連続して前記再利用処理を行わないようにする、請求項１記載の凍結濃縮方法。
【００１２】
（作用効果）
このように、同一の濃縮槽内に、相互独立に前記工程を可能な複数の凍結部を設けた装置においては、片方の凍結部に氷が残存していれば濃縮槽内全体が当該残氷により適温に保たれる。したがって、同一の凍結部が複数工程連続して前記再利用処理を行わないようにしても、常に、濃縮槽内全体が当該残氷により適温に保たれ、どの凍結部においても前述の過冷却防止効果が発揮されることになる。
しかも、この場合、各工程で製造された氷の一部を次工程の凍結濃縮処理の種晶として利用したとしても、氷相互の一体化による過大な氷の生成や、それにより氷分の取出しが困難となること等が発生し難くなる。
【００１３】
＜請求項３記載の発明＞
原液を凍結濃縮処理により所定レベルまで濃縮して氷分と処理済液とを得る工程、を繰り返し行う凍結濃縮装置において、
各工程で製造された氷の一部を次工程の凍結濃縮処理の種晶として利用する手段を備えた、ことを特徴とする凍結濃縮装置。
【００１４】
（作用効果）
請求項１記載の発明と同様の作用効果を奏する。
【００１５】
＜請求項４記載の発明＞
複数の冷却管が上下方向に所定の間隔をおいて平行に配置され、これらの冷却管の上方に設けられた落液口から被処理液が落下供給され、この被処理液は各冷却管と接触しながら下段側の冷却管へ順次落下供給され、冷却管と接触しながら流下する過程で被処理液が冷却凍結されるように構成された凍結濃縮装置であって、
前記落液口が、前記冷却管の径方向両側部の各上方位置および前記冷却管の径方向中央部の上方位置にそれぞれ設けられ、これら落液口相互における落液量が実質的に等しくされた、ことを特徴とする凍結濃縮装置。
【００１６】
（作用効果）
前述のとおり、本出願人らが提案した特開２００１−４７０３４号公報に記載の凍結濃縮のように冷却管に対して被処理液を落下供給する場合、落液量が多いほど、また製氷初期ほど、散水器からの被処理液が各冷却コイルと接触しながら下段側へ順次落下する際、部分的に被処理液が冷却コイルに接触せずに落下するようになり、主に氷表面の洗浄効果の低下により濃縮分離性能が低下する。
【００１７】
例えば図２（ａ）に示すように、冷却管Ｃの径方向中央部の上方位置から被処理液を落液させると、管上部に達した被処理液Ｌ１は管Ｃの両側をそれぞれ周り伝って下部に至りそこで合流した後に下段の冷却管側に落下する。このように液体を自由落下させた場合、その量的または位置的な揺らぎや、液体が管Ｃ表面を伝う速度の差によって、管Ｃの一方側を周る液の遠心力と他方側を回る液の遠心力量との差が大きくなると、図示のように上段の冷却管Ｃから落下する被処理液Ｌ２は直下の下段の冷却管Ｃへ向かう方向から逸れてしまうことが多い。この原理からも理解できるように、落液量が多いほど上記遠心力差が大きくなるため、この現象が発生し易くなる。
【００１８】
しかるに、本発明に従って、冷却管Ｃの径方向両側部の各上方位置および冷却管Ｃの径方向中央部の上方位置に落液口をそれぞれ設けると、図２（ｂ）に示すように、被処理液は各落液口Ｆｓ，Ｆｃ，Ｆｓの位置と対応して３列で落下するようになる。すなわち、中央落液口Ｆｃからの被処理液Ｌｃは管Ｃの上部に至りその後管Ｃの両側をそれぞれ周り伝って移動しようとする。ここで、管Ｃの両側部に向う被処理液Ｌｃに対して、両側の側部落液口Ｆｓ，Ｆｓから落下してくる、下方に沿って移動しようとする被処理液Ｌｓ，Ｌｓが合流する。しかる後に、合流した被処理液Ｌａはそのまま真下に落下するものＬｓと、管Ｃの下端部に回り込み他方側からの被処理液と合流して真下に落下するものＬｃとに分かれる。この傾向は下段の冷却管Ｃにおいても同様の落下形態となる。
【００１９】
この理由は定かではないが、おそらく、中央の落液口Ｆｃからの被処理液Ｌｃが管Ｃの両側に回りこむときに、管Ｃの両側部において両側の落液口Ｆｓ，Ｆｓからの被処理液Ｌｓ，Ｌｓの合流により矯正されるためであると考えられる。かくして、全体としての分離性能に重大な影響を及ぼす製氷初期にあって、落水量の増加による分離性能の向上を確実に図ることができるようになる。
【００２０】
他方、冷却管に氷が付着しある程度まで成長し、両側の落液口Ｆｓ，Ｆｓからの被処理液Ｌｓ，Ｌｓが氷の両側ではなく中央寄りの位置に落液するようになると、かかる作用効果は発揮されない。しかし、かかるレベルまで氷が大きくなると、上下段の氷間の距離が小さくなることも相まって、多少落液方向がずれたとしても下段の氷と接触しないような事態にはならない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、先ず凍結濃縮の一例を示し、この例との比較の基で本発明の実施形態について詳説する。
＜比較例＞
図３は、凍結濃縮装置の例１を示している。この凍結濃縮装置１は、原液を一時的に貯留する原液タンク２と、処理済液タンク３と、冷却手段を備えた凍結濃縮槽４と、冷凍機５と、冷水取出装置６とで構成されたものである。
【００２２】
凍結濃縮槽４としては特に限定されるものではないが、図示例では冷凍機５からの製氷用冷媒が流通する冷却コイル４ｃが内部に設けられ、冷却コイル４ｃの上方に離間して散水パン４ｐが設けられ、この散水パンの底部には冷却コイル４ｃと対応して図示しない落液口が設けられ、一方、冷却コイル４ｃの下方に貯液部４ｗが設けられ、貯液部４ｗの貯留液面が冷却コイル４ｃの下方に離間するように維持する構成のものが好適に使用できる。この凍結濃縮槽４自体は、本出願人による特開２００１−４７０３４号公報に記載のものと基本的に同じであり、流下液膜式のものである。
【００２３】
貯液部４ｗの下部と散水パン４ｐとは第１循環路ｒ１を介して接続されている。第１循環路ｒ１の貯液部４ｗ側および散水パン４ｐ側にはそれぞれバルブａ１，ａ４が介在され、またこれらの間に第１循環ポンプＰ１が介在されている。
【００２４】
原液タンク２の上部は、導入流路２ｉを介して第１循環路ｒ１におけるバルブａ４と第１循環ポンプとの間に接続され、下部は送出流路２ｘを介して貯液部４ｗの上部に接続されている。これらの導入流路２ｉおよび送出流路２ｘにはバルブａ３，ａ２がそれぞれ介在されている。
【００２５】
処理済液タンク３も同様な接続形態となっている。すなわち、その上部は導入流路３ｉを介して第１循環路ｒ１におけるバルブａ４と第１循環ポンプとの間に接続され、下部は送出流路３ｘを介して貯液部４ｗの上部に接続されている。これらの導入流路３ｉおよび送出流路３ｘにはバルブａ５，ａ６がそれぞれ介在されている。
【００２６】
他方、本実施形態の凍結濃縮槽は冷却体表面に氷を付着させる前進凍結法の範疇に属するものであるので、一般に製造した氷はそのまま取り出さずに解氷して取り出す（回分型）。したがって、本実施形態では熱交換器７と清浄水タンク８とから主に構成された冷水取出装置６が設けられている。
【００２７】
熱交換器７は、貯液部４ｗの下部と散水パン４ｐとを接続する第２循環路ｒ２に介在されている。第２循環路ｒ２にはバルブｂ４が介在されている。また、第２循環路ｒ２における熱交換器７と貯液部４ｗとの間にはバルブｂ１が配され、このバルブｂ１と熱交換器７との間に第２循環ポンプＰ２が介在されている。
【００２８】
清浄水タンク８は主に凍結濃縮槽４を洗浄するための清水を貯留しておくものであり、その上部は導入流路８ｉを介して第２循環路ｒ２におけるバルブｂ４と第２循環ポンプＰ２との間に接続され、下部は送出流路８ｘを介して貯液部４ｗの上部に接続されている。これらの導入流路８ｉおよび送出流路８ｘにはバルブｂ３，ｂ２がそれぞれ介在されている。
【００２９】
かくして構成された凍結濃縮装置１は、例えば次のように動作させることができる。先ず、装置１の運転を開始すると、図示しない制御装置によって解氷運転を行うか、製氷運転を行うかが決定される。この判別は時刻によって、例えば安価な夜間電力を使用して製氷運転を行う場合には夜間になると製氷運転を開始し、昼間になると解氷運転を行うようにしたり、また冷却コイル４ｃの貯留氷量を適宜の方法で検出し、検出結果に応じて製氷を行うか解氷を行うかを決定するように構成することもできるし、これらを併用することもできる。ちなみに、上記のような流下液膜式凍結濃縮槽４では原液供給量と貯液部４ｗの貯液量を計測することによって貯留氷量を簡易かつ正確に計測できるので、かかる制御に好適である。
【００３０】
さて、いま製氷コイル４ｃに全く氷が蓄えられていない初期状態にあるとする。装置１の運転を開始すると制御装置により自動的に製氷運転に入る。製氷運転においては、先ず図４に示すように、バルブａ２が開かれて原液タンク２に予め蓄えられている原液が凍結濃縮槽４の貯液部４ｗ内に供給される。なお、図４から後述する図１６までの図面においては、理解を容易にするために各状態で利用されている流路を相対的に太い線で示してあることに留意されたい。
【００３１】
貯液部４ｗ内に所定量の原液が供給されると、図５に示すようにバルブａ２が閉じ、バルブａ４が開かれるとともに、第１循環ポンプＰ１が始動される。また冷凍機５も始動され、冷却コイル４ｃに対して製氷用冷媒が循環供給される。かくして、貯液部４ｗ内の原液は第１循環路を介して散水パン４ｐに供給され、散水パン４ｐから冷却コイル４ｃに向って落下供給され、冷却コイル４ｃに接触し且つこれを伝って流下する過程で冷却され、一部は氷ｉｃとなって冷却コイル４ｃに付着し、残部は冷却後に貯液部に戻される。かかる循環を繰り返すことによって冷却コイル４ｃに付着した氷ｉｃが次第に成長し、かつ循環される被処理液が氷ｉｃの成長に伴い濃縮される。
【００３２】
ここで、凍結濃縮槽４の被処理液循環可能量よりも氷貯留量が著しく大きい場合など必要に応じて、図６に示すように上記凍結濃縮処理を行いながらバルブａ２を開き、原液タンク２の貯留原液を凍結濃縮槽４の貯液部４ｗに補給することも可能である。
【００３３】
次いで、循環している被処理液の濃縮度が所定レベル、例えば凍結濃縮手法に応じて定まる濃縮限度（図示形態のような流下液膜式の場合で濃縮倍率約１０倍以下）に達したら冷凍機５、冷媒循環ポンプＰ３および第１循環ポンプをそれぞれ停止させ製氷運転を停止する。この停止時期は製氷量により決定することができる。
【００３４】
続いて、本比較例では貯液部４ｗ内の処理済液の排出及び貯留を行う。具体的には図７に示すように、バルブａ４を閉じるとともにバルブａ１，ａ５を開け、第１循環ポンプを利用して貯液部４ｗ内の処理済液を処理済液タンクに供給し貯留する。
【００３５】
ここで、凍結濃縮槽４内を含む被処理液の循環経路、および冷却コイルに蓄えられた氷ｉｃには処理済液と同レベルの濃縮液が残存付着しているため、これをそのまま解氷すると濃縮倍率が低下する上、例えば廃水の凍結濃縮等のように氷分を清浄水として得る必要がある場合には清浄度が低下する。そこで、好適には解氷運転に入る前に洗浄運転を行う。
【００３６】
具体的には図８に示すように、バルブａ２，ａ４を開き、原液タンク２の貯留原液を凍結濃縮槽４の貯液部４ｗに補給するとともに、第１循環ポンプＰ１を作動させて、新たに原液を凍結濃縮槽４内に供給し、製氷時と同様に原液を循環させる。ただし、このとき冷凍機４および冷媒ポンプＰ３は動作させないほうが好ましい（動作させても良い。後述の清水洗浄においても同じ）。かくして、新たな原液により第１循環路ｒ１および凍結濃縮槽４内を含む被処理液の循環経路全体とともに、冷却コイル４ｃの付着氷ｉｃが洗浄される。洗浄が終了したならば、図９に示すようにバルブａ２，ａ４を閉じるとともにバルブａ３を開けて、貯液部４ｗに貯留された洗浄使用原液を第１循環ポンプＰ１を利用して原液タンク２に返送するのが望ましい。
【００３７】
さらに循環経路の清浄化が必要な場合には、次いで冷水取出装置６を利用して清水による洗浄を行う。すなわち、図１０に示すように、バルブｂ２のみを開けて清浄水タンク８内に貯留された清水を凍結濃縮槽４の貯液部４ｗに所定量供給した後、図１１に示すようにバルブｂ２を閉じるとともに、バルブａ１，ａ４を開け第１循環ポンプＰ１を始動する。これにより清水が第１循環路ｒ１および凍結濃縮槽４内を介して循環され、当該循環経路が清水により洗浄されるとともに、冷却コイル４ｃの付着氷ｉｃが更に清浄化される。洗浄が終了したならば、図１２に示すようにバルブａ４を閉じるとともに、バルブａ３を開けて、貯液部４ｗに貯留された洗浄使用清水を第１循環ポンプＰ１を利用して原液タンク２に返送するのが望ましい。
【００３８】
必要に応じてかかる洗浄運転を行ったならば、次に解氷運転に入る。先ず、好適には凍結濃縮槽４における貯液部４ｗの液位を確認し、清水を補給する。すなわち、本形態のように循環経路に散水パン４ｐのようなバッファが存在すると循環液量が不足することがあるので、循環系統に一時的な貯留を行う。具体的な動作は前述の図１０の場合と同様である。
【００３９】
そして、必要に応じてかかる清水補給を行った後に、図１３に示すように、バルブｂ１，ｂ４のみを開けるとともに第２循環ポンプＰ２を始動させ、貯液部の清水を第２循環路を介して散水パン４ｐに循環供給する。散水パン４ｐに供給された清水は冷却コイル４ｃに向って落下供給され、冷却コイル４ｃに蓄えられた氷ｉｃの表面を液膜状をなして伝いながら流下し、この過程で氷ｉｃとの直接熱交換により冷却されて冷水となり、また氷ｉｃが溶解されて冷水が生成され、これらがともに貯液部４ｗに落下供給される。また図示形態のように熱交換器７を設けることによって循環される冷水の冷熱を取出し、空調等のように冷熱を必要とする外部機器に供給することができる。
【００４０】
ここに、貯液部４ｗの容量が処理水量よりも小さい場合、かかる解氷運転中に冷水循環量を例えば貯液部の冷水貯留量により監視し、また冷水温度を例えば貯液部４ｗに温度測定装置を設ける等して監視し、冷水循環量が所定レベルを超えたときには、循環効率を上げるためにバルブｂ３を開けて、循環する冷水の一部を清浄水タンクに排出するようにし、所定レベル以下となったときにはバルブｂ３を閉じて清浄水タンク８への循環清水の排出は行わないようにするのが好ましい。これにより、常に循環系内の清水量が適切に保たれる。この状態が図１４に示されている。
【００４１】
かくして、所望のレベルでの冷熱の取出しを確実かつ効率的に行うことができる。解氷が終了したならば、バルブｂ４を閉じることにより貯液部４ｗに残された清水を第２循環ポンプを利用して清浄水タンク８に排出させることができる。上記の解氷制御により逐一循環冷水を清浄水タンクに排出しておくと、解氷が終了した時の循環冷水量は非常に少ないため、かかる清浄水の排出は極めて短時間で実行できる。
【００４２】
ただし、基本的に上記の解氷制御は必須ではない。したがって、例えば図示形態において、上記の解氷制御を行わずに、冷却コイル４ｃに蓄えられた氷を全て解氷してから循環系内の清水を取り出すようにすることもできる。
【００４３】
かくして解氷運転が終了したならば、必要に応じて前述の製氷運転に戻り、製氷を行う。すなわち、必要に応じて製氷運転と解氷運転とを交互に繰り返し行う。
【００４４】
他方、かかる基本的な運転形態において、例えば図１５に示すように、製氷運転中にバルブａ６を開き、処理済液タンク３に貯留しておいた前工程の処理済液を、凍結濃縮槽４の貯液部４ｗに供給し、凍結濃縮途中の中途濃縮液に追加することができる。また処理済液は原液に追加することもでき、例えば上記実施形態において、処理済液を排出するにあたり直接原液タンク２に供給し、処理済液タンクを省略することもできる。また原液追加および中途濃縮液に対する追加の両方を併用することもできる。このことからも判るように、同一の製氷工程において処理済液を一度に追加することもできるし、複数回に分けて追加することもできる。追加する処理済液は直前の工程のもののほか複数回にわたる処理済液を貯留混合しておいたものを使うこともできる。
【００４５】
かくして、追加前の工程と追加先の工程とを全体としてみれば、濃縮倍率は、各工程単体で見た場合の濃縮倍率より大きく２倍未満となり、高倍率濃縮が可能となる。しかも、処理済液の追加先工程における被処理液の濃度が増加したとしても、当該追加先工程における凍結濃縮処理開始時の濃度は、当該追加した処理済液の濃度と比べれば著しく低くて済む。
【００４６】
かかる原理を模式的に示したのが図１である。同図では理解を容易にするために、原液が処理済液となるまでの濃縮倍率を１０倍とし、かつ処理済液を原液に追加することとしている。いま、図示のように第１工程において溶質濃度１．０％，量１００ｍ 3 の原液を凍結濃縮により１０倍濃縮した場合を考えると、得られる処理済液の溶質濃度は１０％で量は１０ｍ 3 であり、得られる氷は９０ｍ 3 である。次いで第２工程において、本発明に従って第１工程の処理済液を当該第２工程の新たな原液（量９０ｍ 3 ）に追加し凍結濃縮により１０倍濃縮を行うと、処理開始時の濃度は１．９％以下であり、被処理液の濃度は１．９％であり、得られる処理済液の溶質濃度は１９％で量は１０ｍ 3 である。以降同様の工程を繰り返すことによって、更に高濃度への濃縮が可能となる。しかも各工程における凍結濃縮処理開始時の溶質濃度は第５工程に至っても、第１工程の処理済液濃度の半分以下である。かくして、濃縮分離性能を維持しながらも高倍率濃縮が可能となるのである。
【００４７】
さらに、処理済液を後の工程における凍結濃縮途中の中途濃縮液に追加すると、全ての工程において濃縮処理開始時は溶質濃度の低い原液での処理が可能となり、もって溶質取込のおそれを実質的に無くすことができる。このことからも判るように、追加時期を、中途濃縮液の濃度が処理済液タンク内の処理済液と略等しくなった時点とするのも好ましい形態である。この場合、処理済液の追加による濃度変化は実質的に存在しなくなる。
【００４８】
＜第１の実施形態：請求項１〜３記載の発明に関する＞
本発明においては、機器構成は基本的に上記比較例のものを用いることができるが、制御形態は異なる。具体的には、上記比較例における解氷運転に際し、冷却コイル４ｃに蓄えられた氷ｉｃを完全に解氷せずに一部を残したまま、次工程の製氷運転に移行する。かくして、製造氷の一部を次工程の凍結濃縮処理の種晶として利用することができるようになる。この場合、次工程の製氷運転において高濃度の被処理液を凍結濃縮する場合であっても、前述したような過度な過冷却による溶質取込の問題は発生し難くなる。
【００４９】
ただし、別の観点からみると問題もある。すなわち、上記のような氷の再利用を行うと次工程で氷が過大に成長する（例えばいくつかの氷の塊が一体化し大きな塊となるなど）おそれがある。しかしこれは予測不能であるため、定常運転を行っているつもりでも氷の塊が次第に成長し、氷をそのまま凍結濃縮槽外へ取り出す場合にはそれが不能になったり、解氷して取り出す場合には解氷効率が著しく低下したりすることが発生しうる。これは、前進凍結法であろうと懸濁結晶法であろうと、また氷分の取り出しが回分式であろうと連続式であろうと発生する問題点である。
【００５０】
図１６は、かかる問題点を解決するために、請求項２記載の発明の凍結濃縮手法を比較例の装置に応用した例を示している。すなわち図示形態では、同一の濃縮槽４内に凍結部Ａ，Ｂを一組設け、各凍結部が、原液を凍結濃縮処理により所定レベルまで濃縮して氷分と処理済液とを得る工程を相互独立に行いうるように散水パンを相互独立に形成し、これらに対する液体の供給の開始及び停止を相互独立に制御できるように構成している。符号ＯＬは被処理液を示し、符号ＣＬは清水を示している。各凍結部Ａ，Ｂの他の構成は、比較例と同様であるので共通の符号４，４ｃ，４ｐを用い、説明は省略する。
【００５１】
いま、図１６に状態（ａ）として示すように、凍結部Ａ及びＢのいずれにも氷が蓄えられていない初期状態（の左上図の状態）で製氷を開始したとする。これによって、（ｂ）に示すように両凍結部Ａ，Ｂともに実質的に同量の均一な氷が蓄えられる。
【００５２】
次いで第１回目の解氷運転を開始し、状態（ｃ）として示すようにいずれか一方の槽、ここでは先ず凍結部Ａから解氷を開始する。状態（ｄ）として示すように凍結部Ａの解氷の途中（例えば、凍結部Ａの解氷により取り出した冷水の温度が上昇し始めたとき）で、凍結部Ｂの解氷を開始する。これにより状態（ｅ）として示すように、凍結部Ａは完全に解氷を終えたときには凍結部Ｂは未だ解氷途中となる。凍結部Ｂについては状態（ｆ）に示されるように下部の一部の氷ｉｃ２を蓄えた状態で解氷を終了する。かくして、両凍結部が並列的に解氷運転を行いながらも、解氷開始時間をずらして順番に解氷を開始することにより、容易に、最後に解氷を開始したものだけに氷の一部を残すことができる。かくして解氷運転が終了する。
【００５３】
しかる後、再び製氷運転に入り、状態（ｆ）として示すように、両凍結部Ａ，Ｂ同時に且つ同様の条件で製氷を行う。この際、凍結部Ｂの残氷により濃縮槽４内全体が適温に保持され、残氷の存在する凍結部Ｂのみなら残氷の存しない凍結部Ａについても適温に保たれ、両凍結部Ａ，Ｂともに過度の過冷却が効果的に防止される。この製氷により状態（ｇ）として示すように、凍結部Ａの全体および凍結部Ｂの上部については通常量の製氷となるが、凍結部Ｂ下部の残氷存在部は通常よりも大きな氷に成長する。
【００５４】
続く、解氷運転においては図１７に状態（ｈ）として示すように、残氷に基づく成長氷を有する凍結部Ｂから解氷を開始し、次いで所定レベル（前述）まで解氷が進行したならば、状態（ｉ）として示すように凍結部Ａの解氷を開始する。これにより状態（ｊ）として示すように、前述状態（ｅ）とは反対に凍結部Ｂが完全に解氷を終えたときには凍結部Ａは未だ解氷途中となる。そして先の場合と同様に解氷を遅らせた方の凍結部、この場合凍結部Ａについては状態（ｋ）に示されるように下部の一部の氷ｉｃ２を蓄えた状態で解氷を終了する。
【００５５】
かくして解氷運転を終了したならば、再び製氷運転を開始し、状態（ｋ）として示すように両凍結部Ａ，Ｂ同時に且つ同様の条件で製氷を行う。この際にも前述の過冷却防止効果が発揮される。これにより、状態（ｍ）として示すように、凍結部Ａの下部にのみ通常よりも大きな氷ｉｃ３が成長する。
【００５６】
製氷運転を終えたならば、残氷に基づく成長氷ｉｃ３を有する槽、すなわち今回は凍結部Ａから解氷を開始し、次いで凍結部Ｂの解氷を開始する。これにより凍結部Ａの氷全てを確実に解氷することができ、また各凍結部Ａ，Ｂが並列的な解氷運転を行うにもかかわらず凍結部Ｂに氷の一部を残すことができる。
【００５７】
以降はこの繰り返しである。かくして、氷の一部を次工程の種晶として利用するための再利用処理を行う槽が各工程毎に切り替えられ、同一の槽が複数工程連続して氷を残すことがなくなる。よって、本発明に従って各工程で製造した氷を次工程で種晶として利用し、通常よりも大きな氷が製造されたとしても、その氷は当該次工程中で確実に解氷されることになるため、前述のような問題は発生しなくなる。
【００５８】
（その他）
上記例からも明らかなように、本再利用処理は比較例への適用が可能である。さらに本再利用処理は、流下液膜式のみならず他の前進凍結法にも応用でき、また懸濁結晶法にも応用が可能であり、また図示形態のように氷の取り出しを一連の工程毎に行う回分型のほか、同一工程中に連続的な取出しを行う連続型にも適用可能である。
【００５９】
＜第２の実施形態：請求項７記載の発明に関する＞
第２の実施形態は、図２（ａ）に示すように、複数の冷却管Ｃ，Ｃが上下方向に所定の間隔をおいて平行に配置され、これらの冷却管Ｃ，Ｃの上方に設けられた落液口から被処理液Ｌ１が落下供給され、この被処理液Ｌ１は各冷却管Ｃと接触しながら下段側の冷却管Ｃへ順次落下供給され、冷却管Ｃと接触しながら流下する過程で被処理液が冷却凍結されるように構成された凍結濃縮装置を対象とするものである。かかる凍結濃縮装置の例については比較例において示したとおりである。また、本発明の主要ポイントについては図２を用いて既に説明したとおりである。したがって、以下では各種応用形態についてのみ説明する。
【００６０】
図２で示す例では冷却管Ｃ，Ｃを上下方向に沿って一列配置した部分しか示していないが、本発明において、冷却管Ｃ，Ｃを水平方向に間隔をおいて複数列設ける場合は、各列毎に、側部落液口Ｆｓ，Ｆｓおよび中央落液口Ｆｃを一組以上設けることができる。また冷却管Ｃは平行に配置される限り、水平方向に沿っていても傾斜していても適用できる。
【００６１】
また、冷却管のいずれか一方の端部が上段の冷却管と、および他方の端部が下段の冷却管とそれぞれ連結され一体的な冷却コイル４ｃが形成されている場合にも本発明は適用できる。反対に、各段の冷却管が相互に独立している場合にももちろん適用できる。
【００６２】
＜本発明の利用分野＞
前述したとおり、本発明は、廃水の減容化、海水の淡水化のほか、食品、発酵、化学工業、製薬における濃縮処理、排水・汚水の処理等に用いることができる。特に第１実施形態のように、解氷による冷熱を取り出すときには、取り出した冷水を空調等の外部装置の冷媒として利用できる。
【００６３】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば次記の利点がもたらされる。
第１に、請求項１〜３記載の発明によれば、高濃度原液であっても高い濃縮分離性能が発揮され、高純度の氷の製造が可能となる。
第２に、請求項４記載の発明によれば、流下液膜式凍結濃縮における冷却管と流下液との接触が確実となり、濃縮分離性能が向上するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 比較例における原理説明図である。
【図２】 従来の落液状態と本発明の落液状態とを対比して示した縦断面図である。
【図３】 凍結濃縮装置例を示す概要図である。
【図４】 原液供給ステップを示す概要図である。
【図５】 製氷運転ステップを示す概要図である。
【図６】 製氷運転中における原液補給ステップを示す概要図である。
【図７】 処理済液取出しステップを示す概要図である。
【図８】 原液による洗浄ステップを示す概要図である。
【図９】 原液に基づく洗浄液の回収ステップを示す概要図である。
【図１０】 清水供給ステップを示す概要図である。
【図１１】 清水による洗浄ステップを示す概要図である。
【図１２】 清水に基づく洗浄液の回収ステップを示す概要図である。
【図１３】 解氷運転ステップを示す概要図である。
【図１４】 解氷運転中の清水回収ステップを示す概要図である。
【図１５】 本発明のポイントである処理済液追加ステップを示す概要図である。
【図１６】 第１の実施形態の処理ステップを示した説明図である。
【図１７】 第１の実施形態の処理ステップを示した説明図である。
【符号の説明】
１…凍結濃縮装置、２…原液タンク、３…処理済液タンク、４…凍結濃縮槽、５…冷凍機、６…冷水取出装置、７…熱交換器、８…清浄水タンク。
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃水の減容化、海水の淡水化のほか、食品、発酵、化学工業、製薬における濃縮処理、排水・汚水の処理等に用いられる、凍結濃縮方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、かかる凍結濃縮はその重要性が増してきており、各種の提案がなされている。凍結濃縮とは、水溶液の水分のみを凍結させて、生成する氷結晶を未凍結の濃縮液と分離することにより濃縮を達成する技術であり、基本的には所定量の原液を所定の濃縮限度まで凍結濃縮するとともに、濃縮限度まで濃縮された処理済液と氷分とを分離するものである。
【０００３】
凍結濃縮は、処理済液と氷分との分離の観点からは、濃縮限度までの一回の濃縮処理を終えた後に分離操作行う回分型と、濃縮過程で連続的に分離する連続型とに大別される。また氷の生成・成長形態の観点からは、冷却伝熱面に氷を付着・成長させる前進凍結法と、溶液中に粒状の氷を生成・成長させる懸濁結晶法とに大別される。
【０００４】
特に前進凍結法の例としては、本出願人が先の特開２００１−４７０３４号公報において提案している凍結濃縮（凍結分離）装置がある。この凍結濃縮装置は、晶析槽内に冷却コイルを設け、その上方に散水器を設け、冷却コイルの下方に貯水部を設け、被処理液を散水器から冷却コイルに対して散水し、この被処理液は各冷却コイルと接触しながら下段側へ順次落下し、冷却コイルと液膜状態で接触しながら流下する過程で被処理液が冷却凍結されるように構成されたものである。また、凍結せずに貯水部に至った被処理液は散水器に対して循環供給され、再度冷却される。これを繰り返すことによって、所定量の原液を濃縮限度（約１０倍）まで濃縮することができるというものである。濃縮限度に達した処理済液は系外に排出される。なお、以下ではこの技術を流下液膜式凍結濃縮という。
【０００５】
また、特開平１０−５４６２９号公報記載のものも前進凍結法の範疇に入るものである。この先行技術は、冷却体表面における氷生成に際し、過冷却度が大きすぎることによる氷結晶中への溶質取込を解決しようとするものであり、このために蒸留水を用いて冷却体表面に純氷を予め生成させておくことで、冷却体近傍の処理液の過度な過冷却を抑制するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の凍結濃縮技術には下記のような問題点があった。
第１に、上記第１の問題点と関連して濃縮分離性能を向上するために、前述の特開平１０−５４６２９号公報記載の技術を採用することも考えられるが、蒸留水およびこれを用いて冷却体表面に純氷を予め生成するための機器・操作・エネルギーが必要になり、装置が複雑になる、およびコストが嵩む等の問題点が発生する。
【０００７】
他方、第２に、上記本出願人による凍結濃縮装置では、散水器からの落液量を多くする程、氷表面の洗浄効果が高くなり濃縮分離効率が高くなる。また特に製氷初期における濃縮分離性能が全体としての分離性能に重大に影響する。しかるに落液量が多いほど、また製氷初期ほど、散水器からの被処理液が各冷却コイルと接触しながら下段側へ順次落下する際、部分的に被処理液が冷却コイルに接触せずに落下する現象が発生し易くなり、上記洗浄効果が低下する。したがって、かかる現象を防止することが望まれた。
【０００８】
そこで、本発明の主たる課題は、高濃度原液であっても高い濃縮分離性能を発揮し、高純度の氷の製造を可能とすること、および流下液膜式凍結濃縮における冷却管と流下液との接触を確実にし、濃縮分離効率を向上すること等にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明は次記のとおりである。
＜請求項１記載の発明＞
原液を凍結濃縮処理により所定レベルまで濃縮して氷分と処理済液とを得る工程、を繰り返し行う凍結濃縮方法において、
各工程で製造した氷の一部を次工程の凍結濃縮処理の種晶として利用する、ことを特徴とする凍結濃縮方法。
なお、以下の説明からも容易に理解されるように、本発明の用語「処理済液」は、用語「被処理液」とは概念的に異なるものである。用語「被処理液」は原液または濃縮処理中の中途濃縮液を意味する。
【００１０】
（作用効果）
このように、各工程で製造された氷の一部を次工程の凍結濃縮処理の種晶として利用すると、次工程の濃縮処理において新たに種晶を生成する必要がなくなる。
特に前進凍結法に対してこれを適用した場合、特開平１０−５４６２９号公報記載のような蒸留水による種晶生成を行う場合と比べて、種晶生成のための特別な機器、操作、エネルギーを不要としながらも、前工程において生成した種晶の存在によって処理液の過度な過冷却を抑制できるようになるという利点がある。
【００１１】
＜請求項２記載の発明＞
同一の濃縮槽内に、相互独立に前記工程を可能な複数の凍結部を設け、
前記氷の一部を次工程の種晶として利用するための再利用処理を行う凍結部を、前記各工程毎に切り替えて、同一の凍結部が複数工程連続して前記再利用処理を行わないようにする、請求項１記載の凍結濃縮方法。
【００１２】
（作用効果）
このように、同一の濃縮槽内に、相互独立に前記工程を可能な複数の凍結部を設けた装置においては、片方の凍結部に氷が残存していれば濃縮槽内全体が当該残氷により適温に保たれる。したがって、同一の凍結部が複数工程連続して前記再利用処理を行わないようにしても、常に、濃縮槽内全体が当該残氷により適温に保たれ、どの凍結部においても前述の過冷却防止効果が発揮されることになる。
しかも、この場合、各工程で製造された氷の一部を次工程の凍結濃縮処理の種晶として利用したとしても、氷相互の一体化による過大な氷の生成や、それにより氷分の取出しが困難となること等が発生し難くなる。
【００１３】
＜請求項３記載の発明＞
原液を凍結濃縮処理により所定レベルまで濃縮して氷分と処理済液とを得る工程、を繰り返し行う凍結濃縮装置において、
各工程で製造された氷の一部を次工程の凍結濃縮処理の種晶として利用する手段を備えた、ことを特徴とする凍結濃縮装置。
【００１４】
（作用効果）
請求項１記載の発明と同様の作用効果を奏する。
【００１５】
＜請求項４記載の発明＞
複数の冷却管が上下方向に所定の間隔をおいて平行に配置され、これらの冷却管の上方に設けられた落液口から被処理液が落下供給され、この被処理液は各冷却管と接触しながら下段側の冷却管へ順次落下供給され、冷却管と接触しながら流下する過程で被処理液が冷却凍結されるように構成された凍結濃縮装置であって、
前記落液口が、前記冷却管の径方向両側部の各上方位置および前記冷却管の径方向中央部の上方位置にそれぞれ設けられ、これら落液口相互における落液量が実質的に等しくされた、ことを特徴とする凍結濃縮装置。
【００１６】
（作用効果）
前述のとおり、本出願人らが提案した特開２００１−４７０３４号公報に記載の凍結濃縮のように冷却管に対して被処理液を落下供給する場合、落液量が多いほど、また製氷初期ほど、散水器からの被処理液が各冷却コイルと接触しながら下段側へ順次落下する際、部分的に被処理液が冷却コイルに接触せずに落下するようになり、主に氷表面の洗浄効果の低下により濃縮分離性能が低下する。
【００１７】
例えば図２（ａ）に示すように、冷却管Ｃの径方向中央部の上方位置から被処理液を落液させると、管上部に達した被処理液Ｌ１は管Ｃの両側をそれぞれ周り伝って下部に至りそこで合流した後に下段の冷却管側に落下する。このように液体を自由落下させた場合、その量的または位置的な揺らぎや、液体が管Ｃ表面を伝う速度の差によって、管Ｃの一方側を周る液の遠心力と他方側を回る液の遠心力量との差が大きくなると、図示のように上段の冷却管Ｃから落下する被処理液Ｌ２は直下の下段の冷却管Ｃへ向かう方向から逸れてしまうことが多い。この原理からも理解できるように、落液量が多いほど上記遠心力差が大きくなるため、この現象が発生し易くなる。
【００１８】
しかるに、本発明に従って、冷却管Ｃの径方向両側部の各上方位置および冷却管Ｃの径方向中央部の上方位置に落液口をそれぞれ設けると、図２（ｂ）に示すように、被処理液は各落液口Ｆｓ，Ｆｃ，Ｆｓの位置と対応して３列で落下するようになる。すなわち、中央落液口Ｆｃからの被処理液Ｌｃは管Ｃの上部に至りその後管Ｃの両側をそれぞれ周り伝って移動しようとする。ここで、管Ｃの両側部に向う被処理液Ｌｃに対して、両側の側部落液口Ｆｓ，Ｆｓから落下してくる、下方に沿って移動しようとする被処理液Ｌｓ，Ｌｓが合流する。しかる後に、合流した被処理液Ｌａはそのまま真下に落下するものＬｓと、管Ｃの下端部に回り込み他方側からの被処理液と合流して真下に落下するものＬｃとに分かれる。この傾向は下段の冷却管Ｃにおいても同様の落下形態となる。
【００１９】
この理由は定かではないが、おそらく、中央の落液口Ｆｃからの被処理液Ｌｃが管Ｃの両側に回りこむときに、管Ｃの両側部において両側の落液口Ｆｓ，Ｆｓからの被処理液Ｌｓ，Ｌｓの合流により矯正されるためであると考えられる。かくして、全体としての分離性能に重大な影響を及ぼす製氷初期にあって、落水量の増加による分離性能の向上を確実に図ることができるようになる。
【００２０】
他方、冷却管に氷が付着しある程度まで成長し、両側の落液口Ｆｓ，Ｆｓからの被処理液Ｌｓ，Ｌｓが氷の両側ではなく中央寄りの位置に落液するようになると、かかる作用効果は発揮されない。しかし、かかるレベルまで氷が大きくなると、上下段の氷間の距離が小さくなることも相まって、多少落液方向がずれたとしても下段の氷と接触しないような事態にはならない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、先ず凍結濃縮の一例を示し、この例との比較の基で本発明の実施形態について詳説する。
＜比較例＞
図３は、凍結濃縮装置の例１を示している。この凍結濃縮装置１は、原液を一時的に貯留する原液タンク２と、処理済液タンク３と、冷却手段を備えた凍結濃縮槽４と、冷凍機５と、冷水取出装置６とで構成されたものである。
【００２２】
凍結濃縮槽４としては特に限定されるものではないが、図示例では冷凍機５からの製氷用冷媒が流通する冷却コイル４ｃが内部に設けられ、冷却コイル４ｃの上方に離間して散水パン４ｐが設けられ、この散水パンの底部には冷却コイル４ｃと対応して図示しない落液口が設けられ、一方、冷却コイル４ｃの下方に貯液部４ｗが設けられ、貯液部４ｗの貯留液面が冷却コイル４ｃの下方に離間するように維持する構成のものが好適に使用できる。この凍結濃縮槽４自体は、本出願人による特開２００１−４７０３４号公報に記載のものと基本的に同じであり、流下液膜式のものである。
【００２３】
貯液部４ｗの下部と散水パン４ｐとは第１循環路ｒ１を介して接続されている。第１循環路ｒ１の貯液部４ｗ側および散水パン４ｐ側にはそれぞれバルブａ１，ａ４が介在され、またこれらの間に第１循環ポンプＰ１が介在されている。
【００２４】
原液タンク２の上部は、導入流路２ｉを介して第１循環路ｒ１におけるバルブａ４と第１循環ポンプとの間に接続され、下部は送出流路２ｘを介して貯液部４ｗの上部に接続されている。これらの導入流路２ｉおよび送出流路２ｘにはバルブａ３，ａ２がそれぞれ介在されている。
【００２５】
処理済液タンク３も同様な接続形態となっている。すなわち、その上部は導入流路３ｉを介して第１循環路ｒ１におけるバルブａ４と第１循環ポンプとの間に接続され、下部は送出流路３ｘを介して貯液部４ｗの上部に接続されている。これらの導入流路３ｉおよび送出流路３ｘにはバルブａ５，ａ６がそれぞれ介在されている。
【００２６】
他方、本実施形態の凍結濃縮槽は冷却体表面に氷を付着させる前進凍結法の範疇に属するものであるので、一般に製造した氷はそのまま取り出さずに解氷して取り出す（回分型）。したがって、本実施形態では熱交換器７と清浄水タンク８とから主に構成された冷水取出装置６が設けられている。
【００２７】
熱交換器７は、貯液部４ｗの下部と散水パン４ｐとを接続する第２循環路ｒ２に介在されている。第２循環路ｒ２にはバルブｂ４が介在されている。また、第２循環路ｒ２における熱交換器７と貯液部４ｗとの間にはバルブｂ１が配され、このバルブｂ１と熱交換器７との間に第２循環ポンプＰ２が介在されている。
【００２８】
清浄水タンク８は主に凍結濃縮槽４を洗浄するための清水を貯留しておくものであり、その上部は導入流路８ｉを介して第２循環路ｒ２におけるバルブｂ４と第２循環ポンプＰ２との間に接続され、下部は送出流路８ｘを介して貯液部４ｗの上部に接続されている。これらの導入流路８ｉおよび送出流路８ｘにはバルブｂ３，ｂ２がそれぞれ介在されている。
【００２９】
かくして構成された凍結濃縮装置１は、例えば次のように動作させることができる。先ず、装置１の運転を開始すると、図示しない制御装置によって解氷運転を行うか、製氷運転を行うかが決定される。この判別は時刻によって、例えば安価な夜間電力を使用して製氷運転を行う場合には夜間になると製氷運転を開始し、昼間になると解氷運転を行うようにしたり、また冷却コイル４ｃの貯留氷量を適宜の方法で検出し、検出結果に応じて製氷を行うか解氷を行うかを決定するように構成することもできるし、これらを併用することもできる。ちなみに、上記のような流下液膜式凍結濃縮槽４では原液供給量と貯液部４ｗの貯液量を計測することによって貯留氷量を簡易かつ正確に計測できるので、かかる制御に好適である。
【００３０】
さて、いま製氷コイル４ｃに全く氷が蓄えられていない初期状態にあるとする。装置１の運転を開始すると制御装置により自動的に製氷運転に入る。製氷運転においては、先ず図４に示すように、バルブａ２が開かれて原液タンク２に予め蓄えられている原液が凍結濃縮槽４の貯液部４ｗ内に供給される。なお、図４から後述する図１６までの図面においては、理解を容易にするために各状態で利用されている流路を相対的に太い線で示してあることに留意されたい。
【００３１】
貯液部４ｗ内に所定量の原液が供給されると、図５に示すようにバルブａ２が閉じ、バルブａ４が開かれるとともに、第１循環ポンプＰ１が始動される。また冷凍機５も始動され、冷却コイル４ｃに対して製氷用冷媒が循環供給される。かくして、貯液部４ｗ内の原液は第１循環路を介して散水パン４ｐに供給され、散水パン４ｐから冷却コイル４ｃに向って落下供給され、冷却コイル４ｃに接触し且つこれを伝って流下する過程で冷却され、一部は氷ｉｃとなって冷却コイル４ｃに付着し、残部は冷却後に貯液部に戻される。かかる循環を繰り返すことによって冷却コイル４ｃに付着した氷ｉｃが次第に成長し、かつ循環される被処理液が氷ｉｃの成長に伴い濃縮される。
【００３２】
ここで、凍結濃縮槽４の被処理液循環可能量よりも氷貯留量が著しく大きい場合など必要に応じて、図６に示すように上記凍結濃縮処理を行いながらバルブａ２を開き、原液タンク２の貯留原液を凍結濃縮槽４の貯液部４ｗに補給することも可能である。
【００３３】
次いで、循環している被処理液の濃縮度が所定レベル、例えば凍結濃縮手法に応じて定まる濃縮限度（図示形態のような流下液膜式の場合で濃縮倍率約１０倍以下）に達したら冷凍機５、冷媒循環ポンプＰ３および第１循環ポンプをそれぞれ停止させ製氷運転を停止する。この停止時期は製氷量により決定することができる。
【００３４】
続いて、本比較例では貯液部４ｗ内の処理済液の排出及び貯留を行う。具体的には図７に示すように、バルブａ４を閉じるとともにバルブａ１，ａ５を開け、第１循環ポンプを利用して貯液部４ｗ内の処理済液を処理済液タンクに供給し貯留する。
【００３５】
ここで、凍結濃縮槽４内を含む被処理液の循環経路、および冷却コイルに蓄えられた氷ｉｃには処理済液と同レベルの濃縮液が残存付着しているため、これをそのまま解氷すると濃縮倍率が低下する上、例えば廃水の凍結濃縮等のように氷分を清浄水として得る必要がある場合には清浄度が低下する。そこで、好適には解氷運転に入る前に洗浄運転を行う。
【００３６】
具体的には図８に示すように、バルブａ２，ａ４を開き、原液タンク２の貯留原液を凍結濃縮槽４の貯液部４ｗに補給するとともに、第１循環ポンプＰ１を作動させて、新たに原液を凍結濃縮槽４内に供給し、製氷時と同様に原液を循環させる。ただし、このとき冷凍機４および冷媒ポンプＰ３は動作させないほうが好ましい（動作させても良い。後述の清水洗浄においても同じ）。かくして、新たな原液により第１循環路ｒ１および凍結濃縮槽４内を含む被処理液の循環経路全体とともに、冷却コイル４ｃの付着氷ｉｃが洗浄される。洗浄が終了したならば、図９に示すようにバルブａ２，ａ４を閉じるとともにバルブａ３を開けて、貯液部４ｗに貯留された洗浄使用原液を第１循環ポンプＰ１を利用して原液タンク２に返送するのが望ましい。
【００３７】
さらに循環経路の清浄化が必要な場合には、次いで冷水取出装置６を利用して清水による洗浄を行う。すなわち、図１０に示すように、バルブｂ２のみを開けて清浄水タンク８内に貯留された清水を凍結濃縮槽４の貯液部４ｗに所定量供給した後、図１１に示すようにバルブｂ２を閉じるとともに、バルブａ１，ａ４を開け第１循環ポンプＰ１を始動する。これにより清水が第１循環路ｒ１および凍結濃縮槽４内を介して循環され、当該循環経路が清水により洗浄されるとともに、冷却コイル４ｃの付着氷ｉｃが更に清浄化される。洗浄が終了したならば、図１２に示すようにバルブａ４を閉じるとともに、バルブａ３を開けて、貯液部４ｗに貯留された洗浄使用清水を第１循環ポンプＰ１を利用して原液タンク２に返送するのが望ましい。
【００３８】
必要に応じてかかる洗浄運転を行ったならば、次に解氷運転に入る。先ず、好適には凍結濃縮槽４における貯液部４ｗの液位を確認し、清水を補給する。すなわち、本形態のように循環経路に散水パン４ｐのようなバッファが存在すると循環液量が不足することがあるので、循環系統に一時的な貯留を行う。具体的な動作は前述の図１０の場合と同様である。
【００３９】
そして、必要に応じてかかる清水補給を行った後に、図１３に示すように、バルブｂ１，ｂ４のみを開けるとともに第２循環ポンプＰ２を始動させ、貯液部の清水を第２循環路を介して散水パン４ｐに循環供給する。散水パン４ｐに供給された清水は冷却コイル４ｃに向って落下供給され、冷却コイル４ｃに蓄えられた氷ｉｃの表面を液膜状をなして伝いながら流下し、この過程で氷ｉｃとの直接熱交換により冷却されて冷水となり、また氷ｉｃが溶解されて冷水が生成され、これらがともに貯液部４ｗに落下供給される。また図示形態のように熱交換器７を設けることによって循環される冷水の冷熱を取出し、空調等のように冷熱を必要とする外部機器に供給することができる。
【００４０】
ここに、貯液部４ｗの容量が処理水量よりも小さい場合、かかる解氷運転中に冷水循環量を例えば貯液部の冷水貯留量により監視し、また冷水温度を例えば貯液部４ｗに温度測定装置を設ける等して監視し、冷水循環量が所定レベルを超えたときには、循環効率を上げるためにバルブｂ３を開けて、循環する冷水の一部を清浄水タンクに排出するようにし、所定レベル以下となったときにはバルブｂ３を閉じて清浄水タンク８への循環清水の排出は行わないようにするのが好ましい。これにより、常に循環系内の清水量が適切に保たれる。この状態が図１４に示されている。
【００４１】
かくして、所望のレベルでの冷熱の取出しを確実かつ効率的に行うことができる。解氷が終了したならば、バルブｂ４を閉じることにより貯液部４ｗに残された清水を第２循環ポンプを利用して清浄水タンク８に排出させることができる。上記の解氷制御により逐一循環冷水を清浄水タンクに排出しておくと、解氷が終了した時の循環冷水量は非常に少ないため、かかる清浄水の排出は極めて短時間で実行できる。
【００４２】
ただし、基本的に上記の解氷制御は必須ではない。したがって、例えば図示形態において、上記の解氷制御を行わずに、冷却コイル４ｃに蓄えられた氷を全て解氷してから循環系内の清水を取り出すようにすることもできる。
【００４３】
かくして解氷運転が終了したならば、必要に応じて前述の製氷運転に戻り、製氷を行う。すなわち、必要に応じて製氷運転と解氷運転とを交互に繰り返し行う。
【００４４】
他方、かかる基本的な運転形態において、例えば図１５に示すように、製氷運転中にバルブａ６を開き、処理済液タンク３に貯留しておいた前工程の処理済液を、凍結濃縮槽４の貯液部４ｗに供給し、凍結濃縮途中の中途濃縮液に追加することができる。また処理済液は原液に追加することもでき、例えば上記実施形態において、処理済液を排出するにあたり直接原液タンク２に供給し、処理済液タンクを省略することもできる。また原液追加および中途濃縮液に対する追加の両方を併用することもできる。このことからも判るように、同一の製氷工程において処理済液を一度に追加することもできるし、複数回に分けて追加することもできる。追加する処理済液は直前の工程のもののほか複数回にわたる処理済液を貯留混合しておいたものを使うこともできる。
【００４５】
かくして、追加前の工程と追加先の工程とを全体としてみれば、濃縮倍率は、各工程単体で見た場合の濃縮倍率より大きく２倍未満となり、高倍率濃縮が可能となる。しかも、処理済液の追加先工程における被処理液の濃度が増加したとしても、当該追加先工程における凍結濃縮処理開始時の濃度は、当該追加した処理済液の濃度と比べれば著しく低くて済む。
【００４６】
かかる原理を模式的に示したのが図１である。同図では理解を容易にするために、原液が処理済液となるまでの濃縮倍率を１０倍とし、かつ処理済液を原液に追加することとしている。いま、図示のように第１工程において溶質濃度１．０％，量１００ｍ 3 の原液を凍結濃縮により１０倍濃縮した場合を考えると、得られる処理済液の溶質濃度は１０％で量は１０ｍ 3 であり、得られる氷は９０ｍ 3 である。次いで第２工程において、本発明に従って第１工程の処理済液を当該第２工程の新たな原液（量９０ｍ 3 ）に追加し凍結濃縮により１０倍濃縮を行うと、処理開始時の濃度は１．９％以下であり、被処理液の濃度は１．９％であり、得られる処理済液の溶質濃度は１９％で量は１０ｍ 3 である。以降同様の工程を繰り返すことによって、更に高濃度への濃縮が可能となる。しかも各工程における凍結濃縮処理開始時の溶質濃度は第５工程に至っても、第１工程の処理済液濃度の半分以下である。かくして、濃縮分離性能を維持しながらも高倍率濃縮が可能となるのである。
【００４７】
さらに、処理済液を後の工程における凍結濃縮途中の中途濃縮液に追加すると、全ての工程において濃縮処理開始時は溶質濃度の低い原液での処理が可能となり、もって溶質取込のおそれを実質的に無くすことができる。このことからも判るように、追加時期を、中途濃縮液の濃度が処理済液タンク内の処理済液と略等しくなった時点とするのも好ましい形態である。この場合、処理済液の追加による濃度変化は実質的に存在しなくなる。
【００４８】
＜第１の実施形態：請求項１〜３記載の発明に関する＞
本発明においては、機器構成は基本的に上記比較例のものを用いることができるが、制御形態は異なる。具体的には、上記比較例における解氷運転に際し、冷却コイル４ｃに蓄えられた氷ｉｃを完全に解氷せずに一部を残したまま、次工程の製氷運転に移行する。かくして、製造氷の一部を次工程の凍結濃縮処理の種晶として利用することができるようになる。この場合、次工程の製氷運転において高濃度の被処理液を凍結濃縮する場合であっても、前述したような過度な過冷却による溶質取込の問題は発生し難くなる。
【００４９】
ただし、別の観点からみると問題もある。すなわち、上記のような氷の再利用を行うと次工程で氷が過大に成長する（例えばいくつかの氷の塊が一体化し大きな塊となるなど）おそれがある。しかしこれは予測不能であるため、定常運転を行っているつもりでも氷の塊が次第に成長し、氷をそのまま凍結濃縮槽外へ取り出す場合にはそれが不能になったり、解氷して取り出す場合には解氷効率が著しく低下したりすることが発生しうる。これは、前進凍結法であろうと懸濁結晶法であろうと、また氷分の取り出しが回分式であろうと連続式であろうと発生する問題点である。
【００５０】
図１６は、かかる問題点を解決するために、請求項２記載の発明の凍結濃縮手法を比較例の装置に応用した例を示している。すなわち図示形態では、同一の濃縮槽４内に凍結部Ａ，Ｂを一組設け、各凍結部が、原液を凍結濃縮処理により所定レベルまで濃縮して氷分と処理済液とを得る工程を相互独立に行いうるように散水パンを相互独立に形成し、これらに対する液体の供給の開始及び停止を相互独立に制御できるように構成している。符号ＯＬは被処理液を示し、符号ＣＬは清水を示している。各凍結部Ａ，Ｂの他の構成は、比較例と同様であるので共通の符号４，４ｃ，４ｐを用い、説明は省略する。
【００５１】
いま、図１６に状態（ａ）として示すように、凍結部Ａ及びＢのいずれにも氷が蓄えられていない初期状態（の左上図の状態）で製氷を開始したとする。これによって、（ｂ）に示すように両凍結部Ａ，Ｂともに実質的に同量の均一な氷が蓄えられる。
【００５２】
次いで第１回目の解氷運転を開始し、状態（ｃ）として示すようにいずれか一方の槽、ここでは先ず凍結部Ａから解氷を開始する。状態（ｄ）として示すように凍結部Ａの解氷の途中（例えば、凍結部Ａの解氷により取り出した冷水の温度が上昇し始めたとき）で、凍結部Ｂの解氷を開始する。これにより状態（ｅ）として示すように、凍結部Ａは完全に解氷を終えたときには凍結部Ｂは未だ解氷途中となる。凍結部Ｂについては状態（ｆ）に示されるように下部の一部の氷ｉｃ２を蓄えた状態で解氷を終了する。かくして、両凍結部が並列的に解氷運転を行いながらも、解氷開始時間をずらして順番に解氷を開始することにより、容易に、最後に解氷を開始したものだけに氷の一部を残すことができる。かくして解氷運転が終了する。
【００５３】
しかる後、再び製氷運転に入り、状態（ｆ）として示すように、両凍結部Ａ，Ｂ同時に且つ同様の条件で製氷を行う。この際、凍結部Ｂの残氷により濃縮槽４内全体が適温に保持され、残氷の存在する凍結部Ｂのみなら残氷の存しない凍結部Ａについても適温に保たれ、両凍結部Ａ，Ｂともに過度の過冷却が効果的に防止される。この製氷により状態（ｇ）として示すように、凍結部Ａの全体および凍結部Ｂの上部については通常量の製氷となるが、凍結部Ｂ下部の残氷存在部は通常よりも大きな氷に成長する。
【００５４】
続く、解氷運転においては図１７に状態（ｈ）として示すように、残氷に基づく成長氷を有する凍結部Ｂから解氷を開始し、次いで所定レベル（前述）まで解氷が進行したならば、状態（ｉ）として示すように凍結部Ａの解氷を開始する。これにより状態（ｊ）として示すように、前述状態（ｅ）とは反対に凍結部Ｂが完全に解氷を終えたときには凍結部Ａは未だ解氷途中となる。そして先の場合と同様に解氷を遅らせた方の凍結部、この場合凍結部Ａについては状態（ｋ）に示されるように下部の一部の氷ｉｃ２を蓄えた状態で解氷を終了する。
【００５５】
かくして解氷運転を終了したならば、再び製氷運転を開始し、状態（ｋ）として示すように両凍結部Ａ，Ｂ同時に且つ同様の条件で製氷を行う。この際にも前述の過冷却防止効果が発揮される。これにより、状態（ｍ）として示すように、凍結部Ａの下部にのみ通常よりも大きな氷ｉｃ３が成長する。
【００５６】
製氷運転を終えたならば、残氷に基づく成長氷ｉｃ３を有する槽、すなわち今回は凍結部Ａから解氷を開始し、次いで凍結部Ｂの解氷を開始する。これにより凍結部Ａの氷全てを確実に解氷することができ、また各凍結部Ａ，Ｂが並列的な解氷運転を行うにもかかわらず凍結部Ｂに氷の一部を残すことができる。
【００５７】
以降はこの繰り返しである。かくして、氷の一部を次工程の種晶として利用するための再利用処理を行う槽が各工程毎に切り替えられ、同一の槽が複数工程連続して氷を残すことがなくなる。よって、本発明に従って各工程で製造した氷を次工程で種晶として利用し、通常よりも大きな氷が製造されたとしても、その氷は当該次工程中で確実に解氷されることになるため、前述のような問題は発生しなくなる。
【００５８】
（その他）
上記例からも明らかなように、本再利用処理は比較例への適用が可能である。さらに本再利用処理は、流下液膜式のみならず他の前進凍結法にも応用でき、また懸濁結晶法にも応用が可能であり、また図示形態のように氷の取り出しを一連の工程毎に行う回分型のほか、同一工程中に連続的な取出しを行う連続型にも適用可能である。
【００５９】
＜第２の実施形態：請求項７記載の発明に関する＞
第２の実施形態は、図２（ａ）に示すように、複数の冷却管Ｃ，Ｃが上下方向に所定の間隔をおいて平行に配置され、これらの冷却管Ｃ，Ｃの上方に設けられた落液口から被処理液Ｌ１が落下供給され、この被処理液Ｌ１は各冷却管Ｃと接触しながら下段側の冷却管Ｃへ順次落下供給され、冷却管Ｃと接触しながら流下する過程で被処理液が冷却凍結されるように構成された凍結濃縮装置を対象とするものである。かかる凍結濃縮装置の例については比較例において示したとおりである。また、本発明の主要ポイントについては図２を用いて既に説明したとおりである。したがって、以下では各種応用形態についてのみ説明する。
【００６０】
図２で示す例では冷却管Ｃ，Ｃを上下方向に沿って一列配置した部分しか示していないが、本発明において、冷却管Ｃ，Ｃを水平方向に間隔をおいて複数列設ける場合は、各列毎に、側部落液口Ｆｓ，Ｆｓおよび中央落液口Ｆｃを一組以上設けることができる。また冷却管Ｃは平行に配置される限り、水平方向に沿っていても傾斜していても適用できる。
【００６１】
また、冷却管のいずれか一方の端部が上段の冷却管と、および他方の端部が下段の冷却管とそれぞれ連結され一体的な冷却コイル４ｃが形成されている場合にも本発明は適用できる。反対に、各段の冷却管が相互に独立している場合にももちろん適用できる。
【００６２】
＜本発明の利用分野＞
前述したとおり、本発明は、廃水の減容化、海水の淡水化のほか、食品、発酵、化学工業、製薬における濃縮処理、排水・汚水の処理等に用いることができる。特に第１実施形態のように、解氷による冷熱を取り出すときには、取り出した冷水を空調等の外部装置の冷媒として利用できる。
【００６３】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば次記の利点がもたらされる。
第１に、請求項１〜３記載の発明によれば、高濃度原液であっても高い濃縮分離性能が発揮され、高純度の氷の製造が可能となる。
第２に、請求項４記載の発明によれば、流下液膜式凍結濃縮における冷却管と流下液との接触が確実となり、濃縮分離性能が向上するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 比較例における原理説明図である。
【図２】 従来の落液状態と本発明の落液状態とを対比して示した縦断面図である。
【図３】 凍結濃縮装置例を示す概要図である。
【図４】 原液供給ステップを示す概要図である。
【図５】 製氷運転ステップを示す概要図である。
【図６】 製氷運転中における原液補給ステップを示す概要図である。
【図７】 処理済液取出しステップを示す概要図である。
【図８】 原液による洗浄ステップを示す概要図である。
【図９】 原液に基づく洗浄液の回収ステップを示す概要図である。
【図１０】 清水供給ステップを示す概要図である。
【図１１】 清水による洗浄ステップを示す概要図である。
【図１２】 清水に基づく洗浄液の回収ステップを示す概要図である。
【図１３】 解氷運転ステップを示す概要図である。
【図１４】 解氷運転中の清水回収ステップを示す概要図である。
【図１５】 本発明のポイントである処理済液追加ステップを示す概要図である。
【図１６】 第１の実施形態の処理ステップを示した説明図である。
【図１７】 第１の実施形態の処理ステップを示した説明図である。
【符号の説明】
１…凍結濃縮装置、２…原液タンク、３…処理済液タンク、４…凍結濃縮槽、５…冷凍機、６…冷水取出装置、７…熱交換器、８…清浄水タンク。
Claims (4)
- 原液を凍結濃縮処理により所定レベルまで濃縮して氷分と処理済液とを得る工程、を繰り返し行う凍結濃縮方法において、
各工程で製造した氷の一部を次工程の凍結濃縮処理の種晶として利用する、ことを特徴とする凍結濃縮方法。 - 同一の濃縮槽内に、相互独立に前記工程を可能な複数の凍結部を設け、
前記氷の一部を次工程の種晶として利用するための再利用処理を行う凍結部を、前記各工程毎に切り替えて、同一の凍結部が複数工程連続して前記再利用処理を行わないようにする、請求項１記載の凍結濃縮方法。 - 原液を凍結濃縮処理により所定レベルまで濃縮して氷分と処理済液とを得る工程、を繰り返し行う凍結濃縮装置において、
各工程で製造された氷の一部を次工程の凍結濃縮処理の種晶として利用する手段を備えた、ことを特徴とする凍結濃縮装置。 - 複数の冷却管が上下方向に所定の間隔をおいて平行に配置され、これらの冷却管の上方に設けられた落液口から被処理液が落下供給され、この被処理液は各冷却管と接触しながら下段側の冷却管へ順次落下供給され、冷却管と接触しながら流下する過程で被処理液が冷却凍結されるように構成された凍結濃縮装置であって、
前記落液口が、前記冷却管の径方向両側部の各上方位置および前記冷却管の径方向中央部の上方位置にそれぞれ設けられ、これら落液口相互における落液量が実質的に等しくされた、ことを特徴とする凍結濃縮装置。
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