JP4155460B2 - 液体原料の濃縮方法並びにその装置 - Google Patents

Description

本発明は各種調味料、各種エキスあるいは工場廃液等を濃縮するために用いられる装置に関するものであって、特にランニングコストを低減することができるとともに、加熱缶における液体成分の蒸発速度を高めることのできる濃縮方法並びにその装置に係るものである。

従来より、漢方薬生薬エキス、各種調味料、動物エキス、魚介エキス、植物エキス、醗酵液等の各種液体物質や、アミノ酸、酵母、蛋白質等の水溶液あるいは各種廃液等を液体原料とし、この液体原料の濃縮を行う場合には、種々の装置が用いられている。
この種の装置は大別して、図６に示す縦型の加熱缶１′を使用したヒートポンプ式の濃縮装置Ｃ′と、図７に示す横型の加熱缶１′を使用したヒートポンプ式の濃縮装置Ｃ′とに分けられるが、いずれのタイプの装置も、加熱缶１′内に具えた管路１１′内で液体原料Ｌ０の溶媒成分を蒸発させるものであり、このための熱源として加熱缶１′の外に排出された蒸気成分Ｓ０を圧縮器７′によって昇温して蒸気Ｓ１とした後、前記管路１１′の外側を通過させている。

そして前記液体原料Ｌ０に熱を供給した後の蒸気Ｓ１の一部は未凝縮ガスＳ２として外部に排出されるものであり、また蒸気Ｓ１の一部は凝縮してドレンＤとなって外部に排出されるため、これら未凝縮ガスＳ２及びドレンＤの持つ熱エネルギーによって液体原料Ｌ０を昇温して加熱缶１′に投入することにより蒸発効率を高めることが試みられている。
具体的にはまず図６に示した装置では、ベントコンデンサを適用した予熱器５′によって、加熱缶１′から排出された未凝縮ガスＳ２を冷却して凝縮させるものであり、この予熱器５′を通過する液体原料Ｌ０は蒸気潜熱を受けて昇温されるものである（特許文献１参照）。
また図７に示した装置は、長管１１′内において凝縮したドレンＤを予熱器５′に導いて液体原料Ｌ０を昇温し、この昇温された液体原料Ｌ０を加熱缶１′に投入するものである（特許文献２参照）。

しかしながら、上述したように加熱缶１′から排出される未凝縮ガスＳ２あるいはドレンＤのいずれかを用いて液体原料Ｌを予熱する試みは成されているものの、熱回収効率は十分なものであるとはいえなかった。
またこのため長管１１′に入った時点での液体原料Ｌ０の温度が低く、長管１１′内において液体原料Ｌ０が沸騰するまでに時間がかかってしまうため、図５中に仮想線で示すように熱伝導率の低い液体領域が多くなり、加熱缶１′の処理能力を低下させてしまう要因となっている。
特許第３２２６３１６号公報（第３〜４頁、図１） 実公平２−３９５２１号公報（第３〜４頁、図１）

本発明はこのような背景を認識してなされたものであって、加熱缶から排出される加熱媒体が有する熱エネルギーを高効率で有効利用とするとともに、加熱缶における液体原料の蒸発速度を高めて濃縮効率を高めることのできる、新規な液体原料の濃縮方法並びにその装置の開発を技術課題としたものである。

すなわち請求項１記載の液体原料の濃縮方法は、加熱缶と蒸発缶との間を吹込管路及び戻り管路によって接続することにより循環経路を形成し、前記蒸発缶内に供給された後、戻り管路を通じて前記加熱缶内に配した長管内に流入した液体を、この長管の外側に供給した蒸気からの加熱によって沸騰させることにより溶媒成分を蒸発させ、濃度の高まった液体成分と蒸気成分とを前記蒸発缶内に吹き込み、この蒸発缶内においてこれら液体成分と蒸気成分とを分離して高濃度の液体を得る方法において、前記長管内の液体に熱を供給した後、加熱缶から排出された加熱媒体を予熱器に送り込み、この予熱器において前記蒸発缶に供給する前の液体原料を昇温するものであり、前記予熱器に送り込まれる加熱媒体は、加熱缶内において蒸気成分が凝縮して生成されたドレンと未凝縮ガスとであることを特徴として成るものである。
この発明によれば、液体原料を加熱した未凝縮ガスは凝縮する際に潜熱を放出するため、この潜熱によって更に液体原料を加熱することができる。また未凝縮ガスとドレンとの双方から液体原料に対して熱エネルギーを供給することができるため、液体原料を高温にすることができる。

また請求項２記載の液体原料の濃縮方法は、前記要件に加え、前記予熱器における加熱媒体の入口の前段に温度センサを具え、この温度センサの検出値に基づいて加熱媒体中の空気量を判断し、この空気量に応じて予熱器と真空ポンプとの間を繋ぐ管路に具えたバルブの開度調節を行うことにより、予熱器からの排気量を調節することを特徴として成るものである。
この発明によれば、予熱器内の加熱媒体の温度低下を回避することができる。

更にまた請求項３記載の液体原料の濃縮方法は、前記要件に加え、前記予熱器によって昇温された液体原料を更に第二の予熱器によって昇温して蒸発缶に供給することを特徴として成るものである。
この発明によれば、蒸発缶に液体原料が投入されることによって引き起こされる液体成分の温度低下を少なくさせ、長管内において液体成分が沸騰するまでの時間を短くすることができる。

また請求項４記載の液体原料の濃縮装置は、加熱缶と蒸発缶との間を吹込管路及び戻り管路によって接続することにより循環経路を形成し、前記蒸発缶内に供給された後、戻り管路を通じて前記加熱缶内に配した長管内に流入した液体を、この長管の外側に供給した蒸気からの加熱によって沸騰させることにより溶媒成分を蒸発させ、濃度の高まった液体成分と蒸気成分とを前記蒸発缶内に吹き込み、この蒸発缶内においてこれら液体成分と蒸気成分とを分離して高濃度の液体を得る装置において、前記加熱缶における加熱媒体の排出口の後段に、前記蒸発缶に供給する前の液体原料を昇温するための予熱器を具えるものであり、この予熱器は、シェル内に液体原料を通過させるための管路を具え、この管路の外側に加熱媒体を通過させるものであり、前記シェルに形成されるドレンの排出口よりも下方を、ドレンによって液体原料を昇温するエリアとし、一方、上方を未凝縮ガスによって液体原料を昇温するエリアとすることを特徴として成るものである。
この発明によれば、液体原料を加熱した未凝縮ガスは凝縮する際に潜熱を放出するため、この潜熱によって更に液体原料を加熱することができる。また未凝縮ガスとドレンとの双方から液体原料に対して熱エネルギーを供給することができるため、液体原料を高温にすることができる。

更にまた請求項５記載の液体原料の濃縮装置は、前記請求項４記載の要件に加え、前記予熱器における加熱媒体の入口の前段に温度センサを具え、更に予熱器と真空ポンプとの間を繋ぐ管路にバルブを具えたことを特徴として成るものである。
この発明によれば、温度低下を検出することにより、加熱媒体中の空気量を検知することができ、予熱器内の温度低下を回避することができる。

更にまた請求項６記載の液体原料の濃縮装置は、前記４または５記載の要件に加え、前記予熱器と蒸発缶との間には、液体原料を更に昇温するための第二の予熱器を具えたことを特徴として成るものである。
この発明によれば、蒸発缶に液体原料が投入されることによって引き起こされる液体成分の温度低下を少なくさせ、長管内において液体成分が沸騰するまでの時間を短くすることができる。
そしてこれら各請求項記載の発明の構成を手段として前記課題の解決が図られる。

本発明によれば、第一の予熱器において加熱缶から排出される熱エネルギーを高効率で有効利用して蒸発缶に投入される前の液体原料を昇温し、更に第二の予熱器において液体原料を昇温するため、加熱缶における液体原料の蒸発速度を高めることができる。この結果、濃縮装置のランニングコストを下げるとともに、濃縮液の生産効率を高めることができる。

以下本発明の液体原料の濃縮方法並びにその装置について、図面を参照しながら説明するものであり、まずはじめに液体原料の濃縮装置についてその構成を説明した後、この装置の作動態様と併せて液体原料の濃縮方法について説明する。

図中符号Ｃで示すものが本発明の濃縮装置であり、このものは加熱缶１と蒸発缶２との間を吹込管路３及び戻り管路４によって接続して成るものである。そして前記加熱缶１内に配した長管１１内に流入させた液体原料Ｌ０を、この長管１１の外側に供給した蒸気Ｓ１からの加熱によって沸騰させることにより溶媒成分を蒸発させ、濃度の高まった状態の液体成分Ｌ１と蒸気成分Ｓ０とを前記蒸発缶２内に吹き込み、この蒸発缶２内においてこれら液体成分Ｌ１と蒸気成分Ｓ０との分離を行う装置である。
なおこの実施例では前記蒸気Ｓ１として、蒸発缶２において分離された蒸気成分Ｓ０を圧縮ポンプ７によって昇温して用いている。

以下濃縮装置Ｃを構成する諸部材について詳しく説明する。
まず前記加熱缶１について説明すると、このものは図２に示すように機密性が確保された筐体１０内に、金属等の耐熱素材から成る管路である長管１１を複数本具えるものであり、この長管１１の下端部を筐体１０下部に形成した給液口１２と連通状態とし、一方、長管１１の上端部を筐体１０上部に形成した排出口１３に連通状態として成るものである。
また前記筐体１０の側周部分には、蒸気口１４及びドレン口１５が形成される。なお給液口１２から長管１１を通って排出口１３に至る流路と、蒸気口１４から筐体１０内を通ってドレン口１５に至る流路とは、双方を流れる流体が互いに干渉しないようになっており、双方の流路間では熱エネルギーのみが移動するものである。
更にまた前記加熱缶１に形成された蒸気口１４には蒸気供給装置９が接続される。

次に前記蒸発缶２について説明すると、このものは図２に示すように一例として円筒部の下部に逆円錐部を接続した形状の中空部材である筐体２０の上部に排気口２１が形成され、側周部上部側に流入口２２が形成されて成るものである。
また筐体２０内にはノズル８２が配されるものであり、このノズル８２内から給液タンク８に貯留された液体原料Ｌ０が噴出されるものである。なおこの液体原料Ｌ０の噴出量は、バルブ８１の開度を調節することにより調節される。

そして前記加熱缶１における排出口１３と、蒸発缶２における流入口２２との間は吹込管路３によって連通状態に接続され、また前記加熱缶１における給液口１２と、蒸発缶２の下部との間は戻り管路４によって連通状態に接続される。この結果、蒸発缶２、戻り管路４、長管１１及び吹込管路３を要素とした循環経路が形成されるものである。
なお前記戻り管路４には濃縮液排出口４１が形成されるものであり、バルブ４２を開放することにより、濃縮された液体成分Ｌ１を外部に排出できるように構成されている。

また前記蒸発缶２における排気口２１は、管路７１によって圧縮ポンプ７に接続されるものであり、この管路７１における圧縮ポンプ７と蒸発缶２側との間にはデミスタ７２が具えられる。また前記圧縮ポンプ７の出力側は加熱缶１における蒸気口１４に接続される。

そして前記蒸発缶２内に供給する液体原料Ｌ０を、第一の予熱器５及び第二の予熱器６によって昇温するように構成される。
ここで前記予熱器５について説明すると、このものは図３に示すように、中空状のシェル５０内に液体原料Ｌ０を通過させるための管路５１を具え、この管路５１の外側に加熱媒体を通過させるものであり、原料液流入口５２に投入された液体原料Ｌ０は、管路５１を通過する過程で加熱媒体から熱エネルギーを受け、昇温した状態で原料液流出口５３から排出される。
また予熱器５には、前記蒸発缶２から排出される加熱媒体たる未凝縮ガスＳ２によって液体原料Ｌ０を昇温する個所と、同じく前記蒸発缶２から排出される加熱媒体たるドレンＤによって液体原料Ｌ０を昇温する個所とが形成されるものであり、前記シェル２０の側壁部に形成される排出口５６よりも下方がドレンＤによって液体原料Ｌ０を昇温するエリアＥ１と成り、一方、排出口５６よりも上方が未凝縮ガスＳ２によって液体原料Ｌ０を昇温するエリアＥ２となる。
すなわちシェル５０の上部に形成された熱媒投入口５４からシェル５０内に供給される熱媒体は未凝縮ガスＳ２とドレンＤであり、前記排出口５６からは真空ポンプＰによってドレンＤが排出されるため、この排出口５６よりも上方部分が未凝縮ガスＳ２が溜まるスペースとなるものである。なお排出口５６と真空ポンプＰとの間にはバルブ５７が具えられる。また加熱缶１におけるドレン口１５と予熱器５における熱媒投入口５４との間を結ぶ管路には温度センサＴが具えられる。

更に前記シェル５０の上部に形成された脱気口５５は、適宜の管路によって真空ポンプＰに接続されるものであり、この管路は途中で二路に分岐しており、それぞれの経路にバルブ５８、バルブ５９が具えられる。
そして図１に示すように、前記第一の予熱器５と、蒸発缶２との間には、一例として電気ヒータを適用した第二の予熱器６が具えられるものである。

なお図４に示すように、シェル５０内に管路を位置させ、この管路の先端を排出口５６とすることもできる。

本発明の濃縮装置Ｃは、一例として上述したように構成されるものであり、以下この装置の作動態様と併せて本発明の液体原料の濃縮方法について説明する。
〔初期運転〕
まず真空ポンプＰを起動して濃縮装置Ｃの系内の減圧を図るものであり、適宜バルブ５７、５８、５９を操作して蒸発缶２、加熱缶１及び予熱器５とこれらを結ぶ管路内を減圧しておく。
次いで蒸気供給装置９から加熱缶１内に蒸気を供給するものであり、長管１１の外側を通過した蒸気は凝集してドレンＤとなり、ドレン口１５から排出されて予熱器５に至る。

この状態でバルブ８１の開度を調節して、漢方薬生薬エキス、各種調味料、動物エキス、魚介エキス、植物エキス、醗酵液等の各種液体物質や、アミノ酸、酵母、蛋白質等の水溶液あるいは各種廃液等を液体原料Ｌ０として蒸発缶２に投入するものであり、液体原料Ｌ０は第一の予熱器５及び第二の予熱器６を通過する際に昇温されることとなる。なお予熱器５による液体原料Ｌ０の昇温原理については後ほど詳しく説明する。
そしてノズル８２から蒸発缶２内に供給された液体原料Ｌ０は、戻り管路４を経由して加熱缶１における長缶１１内に供給され、蒸気から伝導される熱によって長管１１内部で沸騰し、発生した蒸気成分Ｓ０が長管１１内を上昇する際に液体成分Ｌ１を引き上げることとなる。これら蒸気成分Ｓ０と液体成分Ｌ１とは長管１１内を上昇して排出口１３に至りここから吹込管路３内に入り込み、続いて蒸発缶２における流入口２２から筐体２０内に流入する。

そしてこの筐体２０内において蒸気成分Ｓ０と液体成分Ｌ１とは分離されるものであり、蒸気成分Ｓ０は排気口２１から圧縮ポンプ７に至り、ここで昇温されて蒸気Ｓ１となって加熱缶１における蒸気口１４に供給される。なおこの際、蒸気成分Ｓ０中に含まれるミストや粉塵などはデミスタ７２によって除去される。
一方、前記液体成分Ｌ１は筐体２０の下部に溜まり、ここから戻り管路４を経由して蒸発缶１における給液口１２に供給される。
このような運転を継続することにより、濃縮された液体成分Ｌ１は前記ノズル８２から供給された新たな液体原料Ｌ０を伴って再び加熱缶１における長管１１内に位置することとなり、更なる濃縮が行われるものである。

やがて系内の温度が十分に上昇した時点で蒸気供給装置９を停止し、バルブ５８、５９を閉鎖して定常運転に移行するものである。

〔定常運転〕
以下、定常運転の状態にあるときの濃縮装置Ｃの作動態様について説明する。
まず給液タンク８内に貯留されていた液体原料Ｌ０（温度２０℃）は、予熱器５における原料液流入口５２に供給され、管路５１を通過する際に約７０℃まで昇温されて原料液流出口５３から排出されることとなる。
ここで予熱器５による液体原料Ｌ０の昇音原理について説明すると、シェル５０の内部は図３に示すように半分ほどの高さまでドレンＤが貯留され、その上方に未凝縮ガスＳ２が充満した状態となっている。すなわちシェル５０の側壁部分に設けられた排出口５６には真空ポンプＰが接続されており、この真空ポンプＰの作用によってドレンＤが排出されるため、排出口５６の位置がドレンＤの上限レベルとなるものであり、排出口５６よりも下方がドレンＤによって液体原料Ｌ０を昇温するエリアＥ１と成り、一方、排出口５６よりも上方が未凝縮ガスＳ２によって液体原料Ｌ０を昇温するエリアＥ２と成る。
そして液体原料Ｌ０は、管路５１を通過する過程で、まずドレンＤから熱エネルギーを受けて昇温され、続いて未凝縮ガスＳ２から熱エネルギーを受けて更に昇温されるものである。

なお前記エリアＥ２においては、加熱缶１において長管１１内の液体原料Ｌ０を加熱した未凝縮ガスＳ２が凝縮する際に潜熱を放出するため、この潜熱によって液体原料Ｌ０は更に加熱されることとなる。また未凝縮ガスＳ２は凝縮してドレンＤとなるため、このものはエリアＥ１において更に長管１１内の液体原料Ｌ０を加熱するものである。
なお加熱缶１におけるドレン口１５から排出されて予熱器５に取り込まれるドレンＤと未凝縮ガスＳ２との比率は約９５：５であり、これらドレンＤと未凝縮ガスＳ２との双方を熱源とすることにより、ドレンＤのみを熱源としたときと比べて約２倍の熱量が得られるものである。
また液体原料Ｌ０中には空気が含まれており、更に装置自体のリークがあるため、ドレン口１５から排出されるドレンＤと未凝縮ガスＳ２とには空気が含まれるものであり、この空気の量が多くなると温度センサＴの検出値が下がる。そこでこの検出値に応じてバルブ５７の開度を調節し、更にバルブ５８を開いて脱気口５５からシェル５０内の空気を外部に放出する。このような操作によってシェル５０内の加熱媒体の温度低下が回避されることとなる。

続いて第一の予熱器５によって約７０℃まで昇温された液体原料Ｌ０は、第二の予熱器６によって８０〜８５℃まで昇温された後、ノズル８２から蒸発缶２内に投入される。
そして液体原料Ｌ０は蒸発缶２の下部において濃縮された液体成分Ｌ１と混合され、その後加熱缶１における長管１１に至ってここで溶媒が蒸発するものであるが、このとき液体原料Ｌ０と濃縮された液体成分Ｌ１との混合液は８０〜８５℃と高温状態を維持することができるため、長管１１内において直ちに沸騰するものである。このため図５に示すように、熱伝導率の低い液状領域が僅かとなって蒸発速度が速くなり、加熱缶１の処理能力が増大することとなるものである。
なお加熱缶１から排出される加熱媒体、すなわち未凝縮ガスＳ２とドレンＤとの温度はそれぞれ１００℃、７０℃となる。

そして以上のような操作を継続し、液体成分Ｌ１が所望の濃度となった時点でバルブ４２を開放し、濃縮された状態の液体成分Ｌ１が外部に排出されるものである。
上述したように本発明によれば、予熱器５内において液体原料Ｌ０を加熱した未凝縮ガスＳ２は凝縮する際に潜熱を放出するため、この潜熱によって更に液体原料Ｌ０を加熱することができる。また未凝縮ガスＳ２とドレンＤとの双方から液体原料Ｌ０に対して熱エネルギーを供給することができるため、液体原料Ｌ０を高温にすることができる。
また温度低下を検出することにより、空気の異常増加を検知することができ、予熱器５内の加熱媒体の温度低下を回避することができる。
更にまた蒸発缶２に液体原料Ｌ０が投入されることによって引き起こされる液体成分Ｌ１の温度低下を少なくさせ、長管１１内において液体成分Ｌ１が沸騰するまでの時間を短くすることができる。

本発明の濃縮装置全体を骨格的に示す側面図である。 加熱缶及び蒸発缶を一部透視して示す側面図である。 第一の予熱器を一部透視して示す側面図である。 排出口をシェル内に具えた第一の予熱器を透視して示す側面図である。 蒸発缶における長管を透視して示す側面図である。 既存の濃縮装置全体を骨格的に示す側面図である。 既存の濃縮装置全体を骨格的に示す側面図である。

符号の説明

Ｃ 濃縮装置
１ 加熱缶
１０ 筐体
１１ 長管
１２ 給液口
１３ 排出口
１４ 蒸気口
１５ ドレン口
２ 蒸発缶
２０ 筐体
２１ 排気口
２２ 流入口
３ 吹込管路
３１ ダクト
４ 戻り管路
４１ 濃縮液排出口
４２ バルブ
５ 予熱器（第一）
５０ シェル
５１ 管路
５２ 原料液流入口
５３ 原料液流出口
５４ 熱媒投入口
５５ 脱気口
５６ 排出口
５７ バルブ
５８ バルブ
５９ バルブ
６ 予熱器（第二）
７ 圧縮ポンプ
７１ 管路
７２ デミスタ
８ 給液タンク
８１ バルブ
８２ ノズル
９ 蒸気供給装置
Ｄ ドレン
Ｅ１ エリア
Ｅ２ エリア
Ｌ０ 液体原料
Ｌ１ 液体成分
Ｐ 真空ポンプ
Ｓ０ 蒸気成分
Ｓ１ 蒸気
Ｓ２ 未凝縮ガス

Claims (6)

1. 加熱缶と蒸発缶との間を吹込管路及び戻り管路によって接続することにより循環経路を形成し、前記蒸発缶内に供給された後、戻り管路を通じて前記加熱缶内に配した長管内に流入した液体を、この長管の外側に供給した蒸気からの加熱によって沸騰させることにより溶媒成分を蒸発させ、濃度の高まった液体成分と蒸気成分とを前記蒸発缶内に吹き込み、この蒸発缶内においてこれら液体成分と蒸気成分とを分離して高濃度の液体を得る方法において、前記長管内の液体に熱を供給した後、加熱缶から排出された加熱媒体を予熱器に送り込み、この予熱器において前記蒸発缶に供給する前の液体原料を昇温するものであり、前記予熱器に送り込まれる加熱媒体は、加熱缶内において蒸気成分が凝縮して生成されたドレンと未凝縮ガスとであることを特徴とする液体原料の濃縮方法。
2. 前記予熱器における加熱媒体の入口の前段に温度センサを具え、この温度センサの検出値に基づいて加熱媒体中の空気量を判断し、この空気量に応じて予熱器と真空ポンプとの間を繋ぐ管路に具えたバルブの開度調節を行うことにより、予熱器からの排気量を調節することを特徴とする請求項１記載の液体原料の濃縮方法。
3. 前記予熱器によって昇温された液体原料を更に第二の予熱器によって昇温して蒸発缶に供給することを特徴とする請求項１または２記載の液体原料の濃縮方法。
4. 加熱缶と蒸発缶との間を吹込管路及び戻り管路によって接続することにより循環経路を形成し、前記蒸発缶内に供給された後、戻り管路を通じて前記加熱缶内に配した長管内に流入した液体を、この長管の外側に供給した蒸気からの加熱によって沸騰させることにより溶媒成分を蒸発させ、濃度の高まった液体成分と蒸気成分とを前記蒸発缶内に吹き込み、この蒸発缶内においてこれら液体成分と蒸気成分とを分離して高濃度の液体を得る装置において、前記加熱缶における加熱媒体の排出口の後段に、前記蒸発缶に供給する前の液体原料を昇温するための予熱器を具えるものであり、この予熱器は、シェル内に液体原料を通過させるための管路を具え、この管路の外側に加熱媒体を通過させるものであり、前記シェルに形成されるドレンの排出口よりも下方を、ドレンによって液体原料を昇温するエリアとし、一方、上方を未凝縮ガスによって液体原料を昇温するエリアとすることを特徴とする液体原料の濃縮装置。
5. 前記予熱器における加熱媒体の入口の前段に温度センサを具え、更に予熱器と真空ポンプとの間を繋ぐ管路にバルブを具えたことを特徴とする請求項４記載の液体原料の濃縮装置。
6. 前記予熱器と蒸発缶との間には、液体原料を更に昇温するための第二の予熱器を具えたことを特徴とする請求項４または５記載の液体原料の濃縮装置。

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