JP3941017B2

JP3941017B2 - 液体濃縮方法

Info

Publication number: JP3941017B2
Application number: JP27911596A
Authority: JP
Inventors: 道夫二川; 吉明原田; 末和山田; 健一山崎; 辰雄久米
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1996-10-22
Filing date: 1996-10-22
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: JPH10118402A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種液体の濃縮、蒸留などに好適な蒸気圧縮式濃縮技術の改良に関し、より詳しくは、原液中の水分を蒸発することによって原液の濃縮を行うに際し、原液からの発生蒸気を圧縮機により圧縮・昇温することによって、前記原液を蒸発するための熱源として利用する液体濃縮方法に関する。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】
例えば、特開昭59-26184号公報における図面に示されている従来の蒸気圧縮式蒸発装置は、下部に原液の溜室を備えた密閉型の蒸発器内の上部に多数本の伝熱管を設け、該各伝熱管の外側面に、原液ポンプによって送られて来る原液を散布器にて散布することにより蒸発させ、この蒸発により発生した蒸気をブロワー圧縮機で圧縮して昇温し、この昇温した蒸気をダクトを介して、前記各伝熱管内に供給することにより、各伝熱管の外側面に散布されている原液を加熱・蒸発させるとともに、前記各伝熱管内から空気等の非凝縮性ガスを真空ポンプなどの真空発生手段にて抽出することにより、前記蒸発器内を大気圧以下の減圧状態に保持している。
【０００３】
しかしながら、この形式の蒸気圧縮式蒸発装置には、以下の様な問題点がある。
【０００４】
イ．ブロワー圧縮機本体の圧縮効率が低く、単位原液量を圧縮するための必要電力量が大きくなり、運転経費が高くなり、設備も大きくなる。
【０００５】
ロ．原液は、散布器を介して、各伝熱管の外表面に散布されるので、液分散不良から生じる熱交換器伝熱係数の低下がある。
【０００６】
ハ．原液の濃縮倍率上昇または連続運転に伴い、液分散器ノズル部分でのスラッジによる詰まりおよび分散不良、各伝熱管外表面の汚れ、液比重または粘度の上昇などによる伝熱係数の低下に対し、有効に対処することができない。
【０００７】
また、各管の外表面付着スケールの除去は、液が分散されているため、伝熱管外面に対する液流速が遅いことなどから、困難となる場合が多い。
【０００８】
ニ．上記ロおよびハの結果、濃縮処理は、常に単位断面積当たりの蒸発量が低い状態で行わざるを得ない。従って、単位時間当たりの蒸発量を増大させるためには、伝熱面積を増大させるか、或いはブロワー圧縮機として圧縮比の高いものを使用しなければならないため、装置が大型化するとともに、運転経費が嵩むという問題がある。
【０００９】
ホ．また、原液の種類によっては、濃縮処理中に発泡を生じ、発生蒸気側に原液が飛散して、運転を継続できなくなることがある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、上記の様な従来技術の問題点を解消乃至軽減して、小型で、設備費および運転経費の安価な蒸気圧縮式濃縮技術を提供することを主な目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の様な技術の現状に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、カランドリア型の蒸発缶を使用する液体濃縮方法において、（１）原液と蒸発缶内伝熱管外側からの蒸気の凝縮液とを予熱器において熱交換させて、原液を予熱する工程、（２）予熱された原液を蒸発缶内の液面から伝熱管上部までの液深さの上方から１５〜５０％程度の位置に導入する工程、（３）蒸発缶内で発生した蒸気をスクリュー型圧縮機で圧縮・昇温する工程、（４）得られた圧縮蒸気を伝熱管外側に供給して、伝熱管内の液を加熱・蒸発させる工程、（５）伝熱管外側における蒸気の凝縮液面高さを一定に制御するための凝縮液槽から凝縮液を予熱器に導入する工程、および（６）蒸発缶内の液面高さを示す信号に対応して濃縮液を蒸発缶塔底から抜き出し、濃縮液貯槽に送る工程を備えることにより、新規な液体濃縮技術を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明は、下記の液体濃縮方法を提供するものである。
【００１３】
１．カランドリア型の蒸発缶を使用する液体濃縮方法において、（１）原液と蒸発缶内伝熱管外側からの蒸気の凝縮液とを予熱器において熱交換させて、原液を予熱する工程、（２）予熱された原液を蒸発缶内の液面から伝熱管上部までの液深さの上方から１５〜５０％程度の位置に導入する工程、（３）蒸発缶内で発生した蒸気をスクリュー型圧縮機で圧縮・昇温する工程、（４）得られた圧縮蒸気を伝熱管外側に供給して、伝熱管内の液を加熱・蒸発させる工程、（５）伝熱管外側における蒸気の凝縮液面高さを一定に制御するための凝縮液槽から凝縮液を予熱器に導入する工程、および（６）蒸発缶内の液面高さを示す信号に対応して濃縮液を蒸発缶塔底から抜き出し、濃縮液貯槽に送る工程を備えたことを特徴とする液体濃縮方法。
【００１６】
２．工程（２）において、蒸発缶内の液面の高さを調整するために蒸発缶塔底液をポンプで抜き取り、原液の導入ラインへ循環する上記項１に記載の液体濃縮方法。
【００１８】
３．工程（３）において、蒸発缶内発生蒸気量に対応してスクリュー型圧縮機のモーター回転数を制御する上記項１に記載の液体濃縮方法。
【００２０】
４．工程（５）の凝縮液槽の上部気相部と伝熱管外側の蒸気ラインとが接続されている上記項１に記載の液体濃縮方法。
【００２４】
５．スタートアップ時または長期運転時に予熱器および／または蒸発缶内伝熱管の汚れによる蒸発量の低下に対応するために、補助熱源を蒸発缶内底部または圧縮機出口ラインへ導入する上記項１に記載の液体濃縮方法。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明で使用する圧縮機は、従来の濃縮技術では用いられたことがなかったスクリュー型圧縮機であり、次の様な特性を備えている。
【００２７】
ａ．低速回転時から高圧力・高効率運転が可能である。
【００２８】
ｂ．高い応答性を持っている。
【００２９】
ｃ．小型、コンパクトで据え付けが容易である。
【００３０】
ｄ．発生蒸気量に対応して、スクリュー型圧縮機のモーター回転数を制御することができる。
【００３１】
本発明で使用するスクリュー型圧縮機は、通常アルミニウム合金製のケーシング部に一対の雄、雌シリンダーを内蔵する構造を有している。
【００３２】
上記の様な構造を有し、効果を発揮するスクリュー型圧縮機を使用する場合には、従来の圧縮機を使用する場合に比して、設備費および運転費が大幅に安価となる。
【００３３】
本発明で使用するスクリュー型圧縮機は、一例として、最大吐出圧力として160kPa、最高許容吐出温度として160℃、最大吸気量として760m³/hr（空気換算）、圧縮比として約2.3という高い特性を発揮することができる。
【００３４】
従来の圧縮機としてのルーツブロワーでの圧縮比限界が約1.8程度で、全断熱効率が約45〜60％であるのに対し、スクリュー型圧縮機は、圧縮比1.5で全断熱効率約65％、圧縮比2〜2.3で約70％と高い性能を発揮することができる。
【００３５】
スクリュー型圧縮機のローターは、熱膨張を少なくし、必要クリアランスを小さくするために、好ましくは、膨張係数の少ないアルミニウム合金を用い、ローターの表面にフッ素樹脂（たとえば、デュポン社から商標名「テフロン」として市販されている）系コーティング材を塗布する。圧縮機は、発生蒸気量に応じて、複数個設けることができる。
【００３６】
従来、蒸気発生量に対応して圧縮機により吸引および吐出を行い、蒸発缶内での蒸発を効率よく行わせることは、圧縮機の制御上困難であった。本発明においては、圧縮機の駆動源として高速回転型の誘導電動機からなるモーターを使用し、このモーターの回転数制御機構としてインバーター装置を用いる。すなわち、圧縮機前流側に設けたオリフィス式流量計、フロート式流量計などにより蒸気発生量を検出し、この入力信号を調節計に送り、この調節計からの出力信号をインバーターに入力して、蒸気発生量が一定となる様にするか、或いは蒸気発生量に対応してモーターの回転数を増減することができる。その結果、装置全体が簡略化され、始動時などのおける制御も容易となる。
【００３７】
また、本発明においては、装置の小型化とコスト低減のために、原液の予熱にプレート型熱交換器を用いることができる。この予熱器および原液導入ライン内の圧力を蒸発缶内圧力よりも高くすることにより、予熱器内での気泡生成による伝熱係数の低下を防ぐため、予熱器出口（カランドリア型蒸発缶入口）側に背圧弁を設けている。
【００３８】
原液中に濃縮条件下に発泡を生じる可能性がある成分（界面活性剤など）が含まれている場合には、あらかじめシリコーン系消泡剤を添加してもよい。消泡剤の添加量は、発泡性成分の含有量などを考慮して定めれば良く、特に限定されるものではないが、通常30〜500mg/l程度である。
【００３９】
本発明で使用するカランドリア型蒸発缶においては、従来技術で生じていた液分散不良などによる伝熱係数の低下を防ぐために、カランドリア型蒸発缶(以下単に「カランドリア」ということもある)内液面から伝熱管上部までの液深さの上方から15〜50％程度の位置に液を導入する。これにより、液は、伝熱管内に常時保持された状態で、伝熱管外の圧縮蒸気により加熱・蒸発される。従来の液供給方法では、発泡を促進することがあり、その結果濃縮処理が不能となることがあった。しかるに、本発明方法では、前記の液の分散による流速の低下ならびに発泡促進などの問題は、解消される。
【００４０】
また、必要に応じ、カランドリア内塔底液をポンプで抜き出し、原液導入位置へ循環することにより、伝熱管内の液流速を増大させて、伝熱係数を上げることができる。
【００４１】
伝熱管外の蒸気は、伝熱管内の液を加熱し、蒸発させた後、凝縮する。本発明においては、伝熱管外の蒸気の凝縮液面高さを一定に制御するために、凝縮液槽を設け、これにより、圧縮蒸気の系外への排出による損失を防いでいる。凝縮液槽内の液は、予熱器を経て液面制御弁から系外に排出され、再利用もしくは放流される。この凝縮液槽の上部気相部と伝熱管外側の蒸気ラインとの接続により、凝縮液槽内液面は安定して制御される。
【００４２】
圧縮機の効率、消費電力などに影響を与えるカランドリア内の空気などの非凝縮性ガスは、伝熱管外側の蒸気ラインに設けた電磁弁の開閉により、カランドリア外へ排出される。排出ガスは、ガス中の成分に対応して、必要ならば、活性炭吸着などにより所定成分を除去した後、或いは濃縮液タンク内の液にバブリングさせて所定成分を吸収除去した後、大気中に放出される。或いは、後述する補助熱源としての蒸気発生用のガスだきボイラーにおいて、空気と混合して、燃焼処理される。電磁弁の開閉は、カランドリア内圧力と連動させる方法や任意のタイマー設定などにより、自動的に行われる。
【００４３】
濃縮液は、濃縮器内の液面計からの信号を受け、塔底部から制御弁を通して排出される。
【００４４】
カランドリア内の運転圧力が減圧系である場合には、伝熱管外側の蒸気ラインに設けた電磁弁の後流側にこの電磁弁の開閉と連動する真空ポンプを設ける。
【００４５】
必要ならば、スタートアップ時の装置全体の昇温のために、或いは長期運転後の予熱器やカランドリア伝熱管の汚れによる蒸発量の低下に応じて、補助熱源(ガスだきボイラーからの蒸気など)を、カランドリア内底部または圧縮器出口ラインへ導入する。
【００４６】
以下図面を参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。なお、以下においては、廃水の濃縮について説明するが、前述の様に、本発明は、その他の液の濃縮にも適用できることはいうまでもない。
【００４７】
図1は、本発明による廃水の濃縮処理の一例を示すフローシートである。濃縮すべき廃水は、廃水タンク１から、ライン２を経て、廃水ポンプ３において所定圧力まで昇温された後、ライン４から予熱器５に送られ、ここで後述するライン１５からの凝縮液と熱交換される。廃水が発泡性成分を含んでいる場合には、消泡剤タンク２７から消泡剤を添加しておくことができる。
【００４８】
予熱器５を出た液は、ライン６から濃縮器(カランドリア型蒸発缶)８へ導入される。予熱器５と濃縮器８との間に背圧弁７を設けることにより、予熱器５内或いはライン6内などでの内圧を濃縮器８内の圧力より高めることができるので、予熱器５内での気泡生成を防止し、伝熱係数の低下を防ぐことができる。背圧弁７を出た液は、濃縮器8内の液面から伝熱管上部までの液深さの15〜50％の位置（液面から下方に向けての位置）で濃縮器に導入される。
【００４９】
濃縮器８内で発生した蒸気は、ライン９を経てスクリュー型圧縮機１０で圧縮され、昇温される。スクリュー型圧縮機は、先述の様に、アルミニウム合金製ケーシング内に一対の雄および雌ローターを内蔵した形式のものを使用することが好ましい。得られた圧縮蒸気は、ライン１１および２５を経て濃縮器8の伝熱管外側に供給され、伝熱管内の液を加熱し、蒸発させる。これにより、伝熱管外の蒸気自体は、凝縮・液化する。凝縮液は、伝熱管８の下部からライン１２を経て、凝縮液槽１３に溜められる。
【００５０】
未凝縮蒸気の系外への排出（ライン１４→ライン１９→電磁弁２０→ライン２１）による損失を防ぐため、凝縮液槽１３での液面は、濃縮器８から凝縮液槽１３への凝縮液取り出しライン１２の位置よりも高くなる様に、制御する。凝縮液は、ライン１５から予熱器５に送られ、ここで廃水と熱交換し、ライン１６上の液面制御弁（図示せず）を通り、凝縮液タンク１７へ送られた後、再利用または放流される。
【００５１】
凝縮液槽１３の気相部は、ライン１４を経て、伝熱管外側の蒸気ライン１９と接続されている。
【００５２】
圧縮機１０の効率および消費電力などに影響を与える濃縮器８内の空気などの非凝縮性ガスは、伝熱管外側の蒸気ライン１９に設けた電磁弁２０の開閉により蒸発缶外へ排出される。この電磁弁２０の開閉は、濃縮器８内圧力と連動させることにより行ってもよく、或いはタイマー設定により自動的に行ってもよい。必要ならば、排出ガスを活性炭などによる吸着処理に供したり、或いは濃縮液タンク２２内の液中にバブリングさせる。
【００５３】
濃縮器８内の濃縮液は、濃縮器８内の液面計（図示せず）からの信号により、濃縮器８の下部ライン２１および制御弁（図示せず）を通じて、濃縮液タンク２２に排出される。
【００５４】
また、必要に応じて、濃縮器８内の液を液抜き出しライン２１から循環ポンプ（図示せず）により抜き出し、原液ライン６へ循環することにより、伝熱管内の液流速を増大させ、伝熱係数を上げることができる
濃縮器８内の運転圧力が減圧系である場合には、電磁弁２０の後流側に電磁弁２０の開閉と連動する真空ポンプ（図示せず）を設ける。減圧系で運転する場合には、ライン１６上に凝縮液ポンプ（図示せず）を設け、ライン２１上に濃縮液ポンプ（図示せず）を設ける必要がある。
【００５５】
また、必要に応じ、スタートアップ時の加熱・昇温のために、或いは長期運転後に予熱器５、濃縮器８の伝熱管などの汚れによる蒸発量の低下に応じて、補助熱源として、例えばガスだきボイラー２３からの蒸気をライン２４を経て、ライン２５から、またはライン２５を経てライン２６から導入する。
【００５６】
なお、予熱器５、濃縮器８の伝熱管などの汚れとそれに伴う伝熱係数の低下を生じた場合には、運転中に廃水の供給を一時的に中断し、工業用水を供給することにより、汚れを洗浄・除去することができる。
【００５７】
本発明は、たとえば、各種の産業廃水、洗浄廃水、写真現像液、定着液および洗浄廃水などの濃縮・減容化、原液中の有用成分或いは不純物の蒸留分離、食品工業での溶液（だし汁、ジュース、ミルクなど）の濃縮などの広い分野で利用できる。本発明は、その他の分野でも利用可能であり、ここに例示した分野での利用に限定されるものではない。
【００５８】
【発明の効果】
本発明方法によれば、以下の様な顕著な効果が達成される。
【００５９】
（１）従来技術に比して、原液の濃縮プロセスが簡単であり、設備が小型化されるので、設備費、運転経費などが低減される。
【００６０】
（２）連続的に安定した運転が可能である。
【００６１】
（３）濃縮処理における発泡を抑制することができる。
【００６２】
【実施例】
以下に図面を参照しつつ実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明らかにする。
【００６３】
実施例１
図１に示すフローに従って本発明方法を実施した。すなわち、メッキ工場廃水（銅イオン濃度5100mg/l、比重1.01）を原液として、常圧下に表１に示す条件によりその濃縮処理を行った。
【００６４】
【表１】

【００６５】
本実施例において使用した電力は、24.7kwh/m³であり、ガスだきボイラーで補助熱源としての蒸気を発生させるために使用した都市ガス量は、2.3Nm³/m³であった。その結果、本発明方法における運転経費は、特開昭59-26184号公報記載の従来技術での運転経費の約1/4となり、大幅な経費削減が達成された。また、本発明方法による濃縮処理は、安定して継続することが可能であった。
【００６６】
また、所定時間経過後に得られた濃縮液の比重、銅イオン濃度などを表２に示す。
【００６７】
【表２】

【００６８】
表２に示す結果から、濃縮液中の成分は、運転後約20時間で約10倍に濃縮されており、銅イオンは全量濃縮液に移行していることが明らかである。これらの結果は、本発明によれば、測定容易な濃縮液の比重により、原液の濃縮工程を管理することができるので、煩雑な操作を必要とする液中含有成分の濃度分析を行う必要はないことを明らかにしている。その結果、廃水などの原液の処理コストが大幅に低下する。
【００６９】
実施例２
実施例１と同様の手法に準じて、減圧下にメッキ工場廃水の濃縮処理を行った。その条件を表３に示す。
【００７０】
【表３】

【００７１】
圧縮のための電力原単位は、実施例１に比して約1.4倍に増大したが、より一層安定した濃縮処理が可能であった。本実施例において、電力原単位が増加した理由は、蒸気の比容積が、760mmHgにおいて1.673m³/kgであるのに対し、200mmHgにおいては5.842m³/kgとなるため、減圧下では圧縮のための蒸気流量が増加することによる。
【００７３】
実施例３
実施例１と同様の銅メッキ工場廃水（但し、界面活性剤を約 3 ％含有する）にシリコーン系消泡剤をその濃度が200ppmとなる割合で添加した後、実施例１と同様にして処理を行ったところ、発泡現象を乗じることなく、実施例１とほぼ同様の良好な処理結果が得られた。
【００７４】
実施例４
実施例２と同様にして減圧下に写真廃水（現像液と定着液との混合廃液）の濃縮処理を行った。その条件を表４に示す。
【００７５】
【表４】

【００７６】
また、下記表５に濃縮処理に使用した廃水の性状と得られた凝縮液の性状とを併せて示す。なお、廃水と凝縮液のCODは、マンガン法により測定した値である。
【００７７】
【表５】

【００７８】
本実施例においては、凝縮液は、二次処理を行うこなく放流可能な水質を有している。また、濃縮処理は、安定して長時間継続することが可能であった。
【００７９】
実施例５
廃水として電気機器製造工場からの廃水を使用する以外は実施例１と同様にして濃縮処理を行った。その条件を表６に示し、廃水および得られた凝縮液の性状を表７に示す。
【００８０】
【表６】

【００８１】
【表７】

【００８２】
表７に示す結果から明らかな様に、廃水の約90％の割合で生成する凝縮水は、二次処理を行うことなく、そのまま放流し或いは再利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による廃水の濃縮処理の一例を示すフローシートである。
【符号の説明】
１…廃水タンク
３…廃水ポンプ
５…予熱器
７…背圧弁
８…濃縮器
１０…圧縮機
１３…凝縮液槽
１７…凝縮液タンク
２０…電磁弁
２２…濃縮液タンク
２３…ボイラー
２７…消泡液タンク

Claims

カランドリア型の蒸発缶を使用する液体濃縮方法において、（１）原液と蒸発缶内伝熱管外側からの蒸気の凝縮液とを予熱器において熱交換させて、原液を予熱する工程、（２）予熱された原液を蒸発缶内の液面から伝熱管上部までの液深さの上方から１５〜５０％程度の位置に導入する工程、（３）蒸発缶内で発生した蒸気をスクリュー型圧縮機で圧縮・昇温する工程、（４）得られた圧縮蒸気を伝熱管外側に供給して、伝熱管内の液を加熱・蒸発させる工程、（５）伝熱管外側における蒸気の凝縮液面高さを一定に制御するための凝縮液槽から凝縮液を予熱器に導入する工程、および（６）蒸発缶内の液面高さを示す信号に対応して濃縮液を蒸発缶塔底から抜き出し、濃縮液貯槽に送る工程を備えたことを特徴とする液体濃縮方法。
工程（２）において、蒸発缶内の液面の高さを調整するために蒸発缶塔底液をポンプで抜き取り、原液の導入ラインへ循環する請求項１に記載の液体濃縮方法。
工程（３）において、蒸発缶内発生蒸気量に対応してスクリュー型圧縮機のモーター回転数を制御する請求項１に記載の液体濃縮方法。
工程（５）の凝縮液槽の上部気相部と伝熱管外側の蒸気ラインとが接続されている請求項１に記載の液体濃縮方法。
スタートアップ時または長期運転時に予熱器および／または蒸発缶内伝熱管の汚れによる蒸発量の低下に対応するために、補助熱源を蒸発缶内底部または圧縮機出口ラインへ導入する請求項１に記載の液体濃縮方法。