JP4880192B2 - 溶液の超音波分離方法とこの方法に使用される超音波分離装置 - Google Patents
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Description
本発明は、主として酒や酒原料等のアルコール溶液から更に高濃度のアルコールを分離する溶液の超音波分離方法と装置に関する。
本発明者は、表面過剰となる物性を示す目的物質であるアルコールを分離する装置を開発した。（特許文献１参照）
特開２００１−３１４７２４号公報
この分離装置は、アルコール溶液を閉鎖構造の超音波霧化室に充填し、この超音波霧化室のアルコール溶液を超音波振動子で超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを凝集させて回収して高濃度のアルコール溶液を分離する。この分離装置が目的物質として高濃度のアルコールを分離できるのは、以下の動作による。
速やかに表面に移行して表面過剰となる物性を示すアルコールは、表面の濃度が高くなっている。この状態で超音波振動させると、表面の溶液が超音波振動のエネルギーで搬送気体中にミストとなって微細な粒子で放出される。搬送気体中に放出されたミストはアルコール濃度が高くなっている。アルコール濃度の高い表面の溶液がミストとなるからである。したがって、ミストを凝集して回収すると、高濃度のアルコール溶液が分離される。この方法は、溶液を加熱しないで高濃度のアルコール溶液を分離できる。このため、少ないエネルギー消費で高濃度に目的物質を分離できる。また、加熱しないので目的物質を変質させることなく分離できる特長もある。
図１は、溶液を超音波振動させてミストとし、これを回収部で凝集させて回収する装置のブロック図である。この図の超音波分離装置は、超音波霧化室４で発生するミストを回収部５で凝集させて回収する。この装置を使用して高濃度のアルコールを分離する場合、ミストのアルコール濃度は変化する。ミストのアルコールは、超音波霧化室４で発生した直後に高く、その後次第に低下して回収部５に移送される。超音波霧化室４から回収部５に移送される途中で、ミストに含まれるアルコールが気化して蒸気となるからである。ミストからはアルコールと水の両方が気化して蒸気となる。ただ、アルコールは水よりも蒸気になりやすい。このため、ミストが気化されると、水よりもアルコールがより多く気化されて、ミストのアルコール濃度は低下する。したがって、超音波霧化室４で発生したミストは、次第にアルコール濃度が低下しながら回収部５に移送される。
移送されるミストのアルコールは気化されて蒸気となるので、回収部５に供給されるアルコールは 微細な液滴であるミストの状態と、気化された蒸気の状態となる。ミストの状態で供給されるアルコールは、回収部５で凝集して回収され、蒸気のアルコールは、搬送気体を冷却し、結露させて回収される。アルコール蒸気は、結露させて回収できるが、結露させて回収できるアルコール量は制限される。冷却された搬送気体が多少のアルコールと水を気体の状態で含むことができるからである。図２は空気が水を蒸気の状態で含むことができる飽和水蒸気量曲線である。いいかえると湿度１００％である飽和状態における空気に含まれる水の総量と温度の関係を示すグラフである。この図は空気に含まれる水の量を示しているが、空気は水とアルコールとをトータルで含むことができる量が、この図に示すように温度によって変化し、温度が高くなると増加し、温度が低くなると減少する。
この図から明らかなように、搬送気体として使用される空気は、温度が低くなると含むことができるの水の量が少なくなるので、空気を冷却すると過飽和な水とアルコールが気体から液体となって結露する。ただ、このグラフから明らかなように、空気温度がたとえ０℃となっても、水を蒸気の状態で含むことができるので、全てのアルコールを結露して回収できない。
とくに困ったことに、ミストから気化されて搬送気体に含まれるアルコールと水は、結露して回収すると、アルコールよりも水が結露して回収されやい。すなわち、ミストからは水よりもアルコールが気化しやすく、気化した後は、水がアルコールよりも結露しやすい。このため、搬送気体に含まれるアルコール濃度は、搬送気体を冷却してアルコールと水を回収した後は、さらに高くなる。アルコールが気化しやすく、結露し難いからである。たとえば、超音波霧化室で発生したミストのアルコールのモル濃度が３０モル、回収部に供給されたミストのアルコール濃度が２５モルと低下するが、搬送気体に含まれる蒸気のアルコールのモル濃度は、回収部に供給される状態で５０モル、回収部から排出される状態では７０モルと極めて高くなる。このことから、超音波霧化室で高濃度のアルコールをミストとしながら、これを有効に回収できていないことがわかる。この弊害は、たとえば、搬送気体を冷却する温度を低くして、アルコールと水をさらに効率よく結露させて回収することで解消できる。ただ、搬送気体の温度を低くすると、冷却のために消費するエネルギーが大きくなってランニングコストが高くなる。さらに、超音波霧化室に低温の搬送気体を供給すると、溶液をミストにする効率が著しく低下するので、低温の搬送気体は加温して超音波霧化室に供給する必要がある。このとき、搬送気体の温度が低いほど、加温のために大きなエネルギーを必要とする欠点もある。
したがって、従来の超音波分離装置は、超音波霧化室でアルコール濃度の高いミストを発生させながら、これを効率よく有効に回収するのが難しい欠点があった。本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、溶液から発生するミストに含まれる目的物質を効率よく回収できる溶液の超音波分離方法と超音波分離装置を提供することにある。
本発明の溶液の超音波分離方法は、目的物質を含む溶液を、超音波霧化室４で超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを回収部５に移送し、回収部５で目的物質を凝集させて回収して、目的物質を溶液から分離する。さらに、超音波分離方法は、搬送気体を回収部５で冷却して、搬送気体中に含まれる目的物質の蒸気を結露させて回収部５でミストを回収した後、２次回収部３６でもって、目的物質の蒸気を吸着剤３８に吸着させて回収すると共に、２次回収部３６から排出される搬送気体を超音波霧化室４に循環させる。
ただし、目的物質を含む溶液は、以下のものである。
(1) 清酒、ビール、ワイン、食酢、みりん、スピリッツ、焼酎、ブランデー、ウイスキー、リキュール
(2) ピネン、リナロール、リモネン、ポリフェノール類などの香料、芳香成分ないし香気成分を含む溶液
(3) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合した物質を含む溶液
(4) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をハロゲンによって置き換えた物質を含む溶液
(5) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基を水酸基によって置き換えた物質を含む溶液
(6) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をアミノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(7) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボニル基によって置き換えた物質を含む溶液
(8) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボキシル基によって置き換えた物質を含む溶液
(9) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をニトロ基によって置き換えた物質を含む溶液
(10) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をシアノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(11) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をメルカプト基によって置き換えた物質を含む溶液
(12) 前述の(3)〜(11)の目的物質に含まれるいずれか一つ以上の原子を金属イオンによって置換した物質を含む溶液
(13) 先述の(3)〜(11)の目的物質に含まれる分子のうち任意の水素原子、炭素原子もしくは官能基を(3)〜(11)の分子のうち任意の分子で置き換えた物質を含む溶液
ただし、目的物質を含む溶液は、以下のものである。
(1) 清酒、ビール、ワイン、食酢、みりん、スピリッツ、焼酎、ブランデー、ウイスキー、リキュール
(2) ピネン、リナロール、リモネン、ポリフェノール類などの香料、芳香成分ないし香気成分を含む溶液
(3) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合した物質を含む溶液
(4) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をハロゲンによって置き換えた物質を含む溶液
(5) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基を水酸基によって置き換えた物質を含む溶液
(6) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をアミノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(7) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボニル基によって置き換えた物質を含む溶液
(8) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボキシル基によって置き換えた物質を含む溶液
(9) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をニトロ基によって置き換えた物質を含む溶液
(10) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をシアノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(11) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をメルカプト基によって置き換えた物質を含む溶液
(12) 前述の(3)〜(11)の目的物質に含まれるいずれか一つ以上の原子を金属イオンによって置換した物質を含む溶液
(13) 先述の(3)〜(11)の目的物質に含まれる分子のうち任意の水素原子、炭素原子もしくは官能基を(3)〜(11)の分子のうち任意の分子で置き換えた物質を含む溶液
本発明の超音波分離方法は、霧化されたミストを搬送気体と共に移送し、回収部５でミストが回収された搬送気体を２次回収部３６に移送して、搬送気体に含まれる目的物質の蒸気を２次回収部３６で回収する。本発明の超音波分離方法は、搬送気体を回収部５で冷却して、搬送気体中に含まれる目的物質の蒸気を結露させて回収することができる。さらに、本発明の請求項２の超音波分離方法は、２次回収部３６から排出される搬送気体を加温して超音波霧化室４に循環させることができる。
さらに、本発明の請求項３の溶液の超音波分離装置は、目的物質を含む溶液が供給される超音波霧化室４と、この超音波霧化室４の内部において、溶液を超音波振動でミストに霧化する超音波振動子２と、この超音波振動子２に接続されて超音波振動子２に高周波電力を供給して超音波振動させる超音波電源３と、超音波振動子２で霧化されたミストを移送して、ミストを凝集させて回収する回収部５と、この回収部５から排出される目的物質の蒸気を吸着剤３８に吸着させて回収する２次回収部３６とを備える。超音波分離装置は、回収部５に搬送気体を冷却する冷却用熱交換器３３を備えており、冷却用熱交換器３３で搬送気体を冷却して搬送気体に含まれる目的物質を分離して、超音波霧化室４で霧化されたミストを回収部５で凝集させて回収し、さらに２次回収部３６で目的物質の蒸気を吸着剤３８に吸着させて回収すると共に、２次回収部３６から排出される搬送気体を超音波霧化室４に循環させる。
ただし、目的物質を含む溶液は、以下のものである。
(1) 清酒、ビール、ワイン、食酢、みりん、スピリッツ、焼酎、ブランデー、ウイスキー、リキュール
(2) ピネン、リナロール、リモネン、ポリフェノール類などの香料、芳香成分ないし香気成分を含む溶液
(3) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合した物質を含む溶液
(4) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をハロゲンによって置き換えた物質を含む溶液
(5) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基を水酸基によって置き換えた物質を含む溶液
(6) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をアミノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(7) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボニル基によって置き換えた物質を含む溶液
(8) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボキシル基によって置き換えた物質を含む溶液
(9) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をニトロ基によって置き換えた物質を含む溶液
(10) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をシアノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(11) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をメルカプト基によって置き換えた物質を含む溶液
(12) 前述の(3)〜(11)の目的物質に含まれるいずれか一つ以上の原子を金属イオンによって置換した物質を含む溶液
(13) 先述の(3)〜(11)の目的物質に含まれる分子のうち任意の水素原子、炭素原子もしくは官能基を(3)〜(11)の分子のうち任意の分子で置き換えた物質を含む溶液
ただし、目的物質を含む溶液は、以下のものである。
(1) 清酒、ビール、ワイン、食酢、みりん、スピリッツ、焼酎、ブランデー、ウイスキー、リキュール
(2) ピネン、リナロール、リモネン、ポリフェノール類などの香料、芳香成分ないし香気成分を含む溶液
(3) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合した物質を含む溶液
(4) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をハロゲンによって置き換えた物質を含む溶液
(5) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基を水酸基によって置き換えた物質を含む溶液
(6) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をアミノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(7) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボニル基によって置き換えた物質を含む溶液
(8) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボキシル基によって置き換えた物質を含む溶液
(9) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をニトロ基によって置き換えた物質を含む溶液
(10) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をシアノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(11) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をメルカプト基によって置き換えた物質を含む溶液
(12) 前述の(3)〜(11)の目的物質に含まれるいずれか一つ以上の原子を金属イオンによって置換した物質を含む溶液
(13) 先述の(3)〜(11)の目的物質に含まれる分子のうち任意の水素原子、炭素原子もしくは官能基を(3)〜(11)の分子のうち任意の分子で置き換えた物質を含む溶液
本発明の超音波分離装置は、超音波霧化室４で霧化されたミストを搬送気体と共に移送して回収部５で凝集させて回収し、回収部５でミストが回収された搬送気体を２次回収部３６に移送して、搬送気体に含まれる目的物質の蒸気を２次回収部３６で回収する。本発明の超音波分離装置は、回収部５が搬送気体を冷却する冷却用熱交換器３３を備えており、この冷却用熱交換器３３で搬送気体を冷却して搬送気体に含まれる目的物質を分離する。
本発明の請求項５の超音波分離装置は、２次回収部３６が回転されるローター３９を備えており、このローター３９が回転軸の方向に搬送気体を通過できる空隙を有すると共に、この空隙には吸着剤３８を設けている。このローター３９は、吸着領域３９Ａと再生領域３９Ｂとに移動するように回転されている。ローター３９が吸着領域３９Ａに移動されると、目的物質の蒸気を含む搬送気体が空隙に通過されて、搬送気体に含まれる目的物質が吸着剤３８に吸着され、ローター３９が再生領域に移動させると、吸着した目的物質を排出し、排出された目的物質を回収する。
本発明の請求項６の超音波分離装置は、ローター３９の吸着領域３９Ａを通過させた搬送気体を、２次回収部３６に通過させて超音波霧化室４に循環させている。
本発明の請求項７の超音波分離装置は、ローター３９の再生領域３９Ｂに、吸着剤３８に吸着された目的物質を分離する回収経路４１を連結しており、この回収経路４１には、回収気体を加温する加温器４２と、この加温器４２で加温された回収気体をローター３９再生領域３９Ｂの通路に通過させる送風機構４３と、ローター３９の再生領域３９Ｂの隙間を通過して、目的物質を含む回収気体を冷却して目的物質を回収する凝結熱交換器４４とを連結している。この超音波分離装置は、加温器４２で加温された回収気体を再生領域３９Ｂに通過させ、再生領域３９Ｂを通過した回収気体を凝結熱交換器４４で冷却して、気体に含まれる目的物質を凝固させて回収する。
本発明の請求項８の超音波分離装置は、搬送気体を冷却する冷却用熱交換器３３と、回収経路４１に設けられて回収気体を冷却する凝結熱交換器４４をひとつの冷却用チラー４５で冷却している。さらに、本発明の請求項９の超音波分離装置は、回収部５に設けている冷却用熱交換器３３と、回収経路４１に設けている凝結熱交換器４４とを一体構造の熱交換器としている。
本発明の請求項１０の超音波分離装置は、２次回収部３６と超音波霧化室４との間に、超音波霧化室４に循環させる搬送気体を加温する加温用熱交換器４６を設けている。さらに、本発明の請求項１１の超音波分離装置は、搬送気体を加温する加温用熱交換器４６を、回収気体を加温する加温器４２に併用し、加温用熱交換器４６で搬送気体と回収気体の両方を加温している。
本発明の請求項１２の超音波分離装置は、２次回収部３６と超音波霧化室４との間に、２次回収部３６から超音波霧化室４に循環させる搬送気体を加温する加温用熱交換器４６を設けると共に、この加温用熱交換器４６を凝結熱交換器４４に連結し、凝結熱交換器４４で吸収した熱を加温用熱交換器４６から放熱するようにしている。
さらに、本発明の請求項１３の超音波分離装置は、吸着剤３８として、ゼオライト、活性炭、酸化リチウム、シリカゲルのいずれか、もしくはこれらの混合物を使用している。
本発明は、溶液から発生するミストに含まれる目的物質を効率よく回収できる特長がある。それは、本発明の超音波分離方法と超音波分離装置が、超音波振動で霧化されたミストを回収部に移送し、回収部で目的物質を凝集させて回収すると共に、目的物質の蒸気を２次回収部で吸着剤に吸着させて回収しているからである。本発明は、超音波振動で霧化されたミストを回収部で凝集して回収することに加えて、蒸気として含まれる目的物質であって、回収部で回収されなかった目的物質を２次回収部で回収する。したがって、超音波霧化室で高濃度に霧化された目的物質を回収部で回収しながら、蒸気として含まれる目的物質をも有効に回収できる。
とくに、本発明は、回収部を冷却する温度を低くして目的物質をより多く結露させるのではなく、回収部とは別回路の２次回収部において、目的物質の蒸気を吸着剤に吸着させて回収することを特徴としている。このため、霧化されたミストを搬送気体と共に移送する請求項２の超音波分離方法と請求項６の超音波分離装置においても、回収部で搬送気体を冷却のために消費するエネルギーを大きくすることなく、また、超音波霧化室で溶液を効率よくミストに霧化するために、搬送気体を加温するエネルギーを大きくすることなく、搬送気体を理想的に循環できる。したがって、本発明では、ランニングコストを低減しながら、搬送気体に含まれる目的物質を極めて効率よく回収できる。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための溶液の超音波分離方法とこの方法に使用される超音波分離装置を例示するものであって、本発明は超音波分離方法と超音波分離装置を下記のものに特定しない。
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解し易いように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
本発明の溶液の超音波分離装置は、目的物質を含む溶液から目的物質を分離する。溶液の溶媒と溶質を特定するものではないが、溶媒は、主として水であるが、水以外にもアルコール等の有機溶媒も使用できる。目的物質を含む溶液は、以下のものである。
(1) 清酒、ビール、ワイン、食酢、みりん、スピリッツ、焼酎、ブランデー、ウイスキー、リキュール
(2) ピネン、リナロール、リモネン、ポリフェノール類などの香料、芳香成分ないし香気成分を含む溶液
(3) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合した物質を含む溶液
(4) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をハロゲンによって置き換えた物質を含む溶液
(5) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基を水酸基によって置き換えた物質を含む溶液
(6) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をアミノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(7) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボニル基によって置き換えた物質を含む溶液
(8) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボキシル基によって置き換えた物質を含む溶液
(9) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をニトロ基によって置き換えた物質を含む溶液
(10) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をシアノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(11) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をメルカプト基によって置き換えた物質を含む溶液
(12) 前述の(3)〜(11)の目的物質に含まれるいずれか一つ以上の原子を金属イオンによって置換した物質を含む溶液
(13) 先述の(3)〜(11)の目的物質に含まれる分子のうち任意の水素原子、炭素原子もしくは官能基を(3)〜(11)の分子のうち任意の分子で置き換えた物質を含む溶液
(1) 清酒、ビール、ワイン、食酢、みりん、スピリッツ、焼酎、ブランデー、ウイスキー、リキュール
(2) ピネン、リナロール、リモネン、ポリフェノール類などの香料、芳香成分ないし香気成分を含む溶液
(3) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合した物質を含む溶液
(4) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をハロゲンによって置き換えた物質を含む溶液
(5) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基を水酸基によって置き換えた物質を含む溶液
(6) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をアミノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(7) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボニル基によって置き換えた物質を含む溶液
(8) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボキシル基によって置き換えた物質を含む溶液
(9) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をニトロ基によって置き換えた物質を含む溶液
(10) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をシアノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(11) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をメルカプト基によって置き換えた物質を含む溶液
(12) 前述の(3)〜(11)の目的物質に含まれるいずれか一つ以上の原子を金属イオンによって置換した物質を含む溶液
(13) 先述の(3)〜(11)の目的物質に含まれる分子のうち任意の水素原子、炭素原子もしくは官能基を(3)〜(11)の分子のうち任意の分子で置き換えた物質を含む溶液
以上の溶液に含まれる目的物質は、表面に移行して表面過剰となる物性がある。この目的物質は、表面濃度が高くなるので、これを超音波振動させて表面の溶液をミストにして霧化させると、ミストは目的物質の濃度が高くなる。したがって、このミストを凝集して回収すると、目的物質の濃度を高くできる。すなわち、溶液から高濃度の目的物質を含むものを分離できる。
以下、目的物質をアルコールとする溶液から高濃度にアルコールを分離する装置と方法を示す。ただし、本発明は目的物質をアルコールに特定せず、上述の溶液に含まれる全ての目的物質を分離できる。
図３ないし図６に示す超音波分離装置は、溶液を供給する閉鎖構造の超音波霧化室４と、この超音波霧化室４の溶液を超音波振動させてミストに霧化する、１個または複数の超音波振動子２と超音波電源３を備える超音波霧化機１と、超音波霧化機１で霧化されたミストを凝集させて回収する回収部５と、この回収部５に連結している２次回収部３６と、回収部５と２次回収部３６と超音波霧化室４とにミストと搬送気体を循環させるブロア３７とを備える。これらの図に示す装置は、超音波霧化室４で霧化されたミストを、ブロアで３７もって搬送気体と共に回収部５と２次回収部３６に循環させている。ただ、超音波分離装置は、図示しないが、静電場や超音波を利用してミストを移送する構造とすることもできる。
図３ないし図６に示す超音波分離装置は、超音波霧化室４で霧化された溶液のミストを、閉鎖構造の回収部５に流入させる。回収部５は微細なミストを凝集させ、さらにミストから気化した蒸気を結露させて高濃度のアルコール溶液として回収する。
溶液はポンプ１０で超音波霧化室４に供給される。超音波霧化室４は、供給される全ての溶液をミストとして霧化させない。全ての溶液を霧化して回収部５で回収すると、超音波霧化室４に供給する溶液と、回収部５で回収される溶液のアルコール等の目的物質濃度が同じになるからである。超音波霧化室４に供給された溶液は、ミストとして霧化して容量が少なくなるにしたがって、目的物質の濃度が低下する。このため、ミストに含まれる目的物質の濃度も次第に低下する。超音波霧化室４の溶液は、目的物質濃度が低下すると新しいものに入れ換えられる。
超音波霧化室４は、たとえば、目的物質の濃度が１０〜５０重量％である溶液を霧化して、目的物質の濃度が低下した後、溶液を新しいものに入れ換える。一定の時間経過すると溶液を新しいものに入れ換える方法、すなわちバッチ式に溶液を交換する。ただ、超音波霧化室４に、ポンプ１０を介して溶液を蓄えている原液槽１１を連結し、原液槽１１から連続的に溶液を供給することもできる。この装置は、超音波霧化室４の溶液を排出しながら、原液槽１１から溶液を供給して、超音波霧化室４の溶液のアルコール等の目的物質濃度が低下するのを防止する。
超音波霧化室４の溶液は、超音波霧化機１でミストに霧化される。超音波霧化機１で霧化されたミストは、溶液よりも目的物質の濃度が高くなる。したがって、超音波霧化機１で溶液をミストに霧化し、ミストを凝集して回収し、さらにミストから気化した蒸気を回収して、高濃度な溶液を効率よく分離できる。
超音波霧化室４の溶液は、超音波振動されて、超音波霧化室４の溶液よりも高濃度なミストとなって溶液面Ｗから飛散する。溶液を超音波振動させると、溶液面Ｗに液柱Ｐができ、この液柱Ｐの表面からミストが発生する。図７に示す超音波霧化機１は、溶液を充填している超音波霧化室４の底に、超音波霧化機１の超音波振動子２を上向きに配設している。超音波振動子２は、底から溶液面Ｗに向かって上向きに超音波を放射して、溶液面Ｗを超音波振動させて、液柱Ｐを発生させる。超音波振動子２は、垂直方向に超音波を放射する。
図の超音波霧化機１は、複数の超音波振動子２と、これ等の超音波振動子２を超音波振動させる超音波電源３とを備える。超音波振動子２は超音波霧化室４の底に水密構造に固定される。複数の超音波振動子２が溶液を超音波振動させる装置は、より効率よく溶液をミストに霧化する。
複数の超音波振動子２は、図８と図９に示すように、防水構造で脱着プレート１２に固定される。複数の超音波振動子２を固定している脱着プレート１２は、図１０と図１１に示すように、防水構造で脱着できるように超音波霧化室４のケーシング１３に装着される。この脱着プレート１２が超音波霧化室４のケーシング１３に装着されて、各々の超音波振動子２は超音波霧化室４の溶液を超音波振動する。
図８と図９に示す脱着プレート１２は、表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂを備えており、表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂを積層して、表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂの間に超音波振動子２を防水構造で挟着している。表面プレート１２Ａは貫通孔１２ａを開口しており、この貫通孔１２ａに振動面２Ａを位置させて超音波振動子２を表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂに挟着して固定している。裏面プレート１２Ｂは、超音波振動子２を嵌入する凹部１２ｂを設けて、この凹部１２ｂに超音波振動子２を嵌入している。図８の脱着プレート１２は、裏面プレート１２Ｂに凹部１２ｂを設けているが、表面プレートに凹部を設けて、この凹部に超音波振動子を嵌入することもできる。
超音波振動子２と表面プレート１２Ａとの間を防水構造とするために、表面プレート１２Ａと超音波振動子２との間にパッキン１６を挟着している。図８に示す超音波霧化機１は、超音波振動子２と裏面プレート１２Ｂとの間にもパッキン１６を挟着して防水構造としている。ただし、超音波霧化機は、必ずしも超音波振動子と裏面プレートとの間を防水構造とする必要はない。それは、超音波振動子と表面プレートとの間を防水構造とする脱着プレートを超音波霧化室のケーシングの下面に固定して、超音波霧化室の溶液が漏れるのを阻止できるからである。パッキン１６は、ゴム状弾性体のＯリングである。Ｏリングのパッキン１６は、超音波振動子２の振動面２Ａの外周縁と表面プレート１２Ａとの対向面に配設されて、超音波振動子２の振動面２Ａと表面プレート１２Ａとの間を防水構造として、この間から水が漏れるの阻止する。さらに、超音波振動子２の外周と裏面プレート１２Ｂとの間を防水構造で連結する。
パッキン１６は、テフロン（登録商標）、シリコン、天然または合成ゴム等のゴム状弾性体である。このパッキン１６は、超音波振動子２と表面プレート１２Ａとの間、超音波振動子２と裏面プレート１２Ｂとの間に、弾性変形して押しつぶされる状態で挟着されて、超音波振動子２と表面プレート１２Ａ及び裏面プレート１２Ｂの表面に隙間なく密着して連結部分を防水構造とする。ただし、パッキン１６には、銅、シンチュウ、アルミニウム、ステンレス等の金属をリング状に加工した金属パッキンも使用できる。
図８と図９に示す脱着プレート１２は、表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂの片側縁を蝶番１７で連結している。この脱着プレート１２は、裏面プレート１２Ｂと表面プレート１２Ａとを開いて、超音波振動子２を簡単に脱着できる。超音波振動子２を交換するとき、裏面プレート１２Ｂと表面プレート１２Ａが開かれる。この状態で、古い超音波振動子を取り出して新しい超音波振動子２とパッキン１６を所定の位置に入れる。その後、裏面プレート１２Ｂと表面プレート１２Ａを閉じて、超音波振動子２が交換される。閉じられた裏面プレート１２Ｂと表面プレート１２Ａは、蝶番１７の反対側を止ネジ（図示せず）で連結し、あるいは超音波霧化室４のケーシング１３に固定して連結される。
以上の超音波霧化機１は、パッキン１６を使用して防水構造としているが、パッキンの位置にコーキング材を充填して防水構造とすることもできる。さらに、図８に示す超音波霧化機１は、脱着プレート１２を表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂからなる２枚の金属プレート、あるいは非金属の硬質プレートで構成しているが、脱着プレート１２は図１２ないし図１４に示すように１枚のプレートとすることもできる。この脱着プレート１２は、金属プレートあるいは非金属硬質プレートで、超音波振動子２を配設する凹部１２ｂを上方に、あるいは貫通孔１２ａを開口して設けている。
図１２の超音波霧化機１は、脱着プレート１２の凹部１２ｂに超音波振動子２を入れて、超音波振動子２の外周部分の上下にパッキン１６を配置している。さらに、脱着プレート１２の開口部にリングプレート１８を固定している。リングプレート１８は、超音波振動子２の上面に配置しているパッキン１６を押圧して、超音波振動子２を凹部１２ｂに防水構造で固定する。凹部１２ｂは底に貫通孔１２ｃを設けて、リード線１９を外部に引き出している。
図１３の超音波霧化機１は、パッキンとリングプレートを使用することなく、脱着プレート１２の凹部１２ｂに入れた超音波振動子２をコーキング材２０で接着して防水構造で固定している。この超音波振動子２もリード線１９を凹部１２ｂの底部に開口している貫通孔１２ｃから外部に引き出している。貫通孔１２ｃとリード線１９との間にもコーキング材２０を充填して、水漏れしない防水構造としている。
図１４の超音波霧化機１は、脱着プレート１２に貫通孔１２ａを開口しており、この貫通孔１２ａに振動面２Ａを位置させて、超音波振動子２を脱着プレート１２の下面に固定している。超音波振動子２を脱着プレート１２に固定するために、脱着プレート１２の底面には固定具２１を固定している。超音波振動子２は、外周部分の上下に配置したパッキン１６を介して防水構造で脱着プレート１２に固定している。固定具２１は段差凹部を有するリング状で、外周縁部を貫通する固定ネジ２２が脱着プレート１２にねじ込まれて脱着プレート１２に固定されている。固定具２１は、段差凹部の底面で超音波振動子２の下面に配置しているパッキン１６を押圧して、超音波振動子２を脱着プレート１２に防水構造で固定する。固定具２１は、段差凹部の底面に貫通孔２１Ａを設けており、ここからリード線１９を外部に引き出している。
図１０と図１１は、超音波霧化機１を固定する超音波霧化室４を示す。これ等の図に示す超音波霧化室４は、ケーシング１３の底面に開口部１３Ａを設けて、この開口部１３Ａを防水構造で閉塞するように脱着プレート１２を固定している。脱着プレート１２は、パッキン２３を介して防水構造でケーシング１３に固定される。脱着プレート１２を固定するために、ケーシング１３の底面には固定金具２４を固定している。固定金具２４はＬ字状で、これを貫通する止ネジ２５で脱着プレート１２を押圧して超音波霧化室４のケーシング１３に固定する。この構造で超音波霧化室４に固定される複数の超音波振動子２は、ケーシング１３の底面から上面に向かって溶液を超音波振動させる。この脱着プレート１２は、超音波霧化室４のケーシング１３の底面に、開口部１３Ａを閉塞するように、しかも脱着できるように装着される。
脱着プレート１２は、図１５に示すように、超音波霧化室４の溶液中に浸漬して、溶液を超音波振動させることもできる。この構造は、簡単に脱着プレート１２を超音波霧化室４に脱着できるように配置できる。溶液中に浸漬される超音波霧化機１は、たとえば図１３に示す構造として、超音波振動子２の振動面２Ａを除く部分を防水構造として脱着プレート１２に固定している。
超音波振動子２や超音波電源３が超音波霧化室４の溶液を加熱すると、溶液の品質が低下する。この弊害は、超音波振動子２を強制的に冷却して解消できる。さらに、好ましくは超音波電源３も冷却する。超音波電源３は直接には溶液を加熱することはないが、周囲を加熱して間接的に溶液を加熱する。超音波振動子２や超音波電源３は、図７に示すように、これ等に冷却パイプ１４を熱結合する状態で配設、すなわち、冷却パイプ１４を接触させる状態で配設して冷却できる。冷却パイプ１４は、冷却機で冷却した液体や冷媒、あるいは地下水や水道水等の冷却水を流して超音波振動子２と超音波電源３を冷却する。
超音波霧化室４で霧化された溶液のミストは、回収部５に流入される。ミストを回収部５に流入させるために、回収部５を循環ダクト３０で超音波霧化室４に連結している。
回収部５は、ミストを冷却して凝集させる冷却用熱交換器３３を内蔵している。冷却用熱交換器３３は、熱交換パイプ３４にフィン（図示せず）を固定している。熱交換パイプ３４に冷却用の冷媒や冷却水を循環させて、冷却用熱交換器３３は冷却される。超音波霧化室４で霧化されたミストは、一部が気化して蒸気となって搬送気体に含まれる。搬送気体が回収部５の冷却用熱交換器３３で冷却されると、搬送気体に含まれる蒸気は結露、凝集されて回収される。回収部５に搬送気体と共に流入されるミストは、冷却用熱交換器３３に衝突し、あるいは互いに衝突して大きく凝集し、または冷却用熱交換器３３のフィン等に衝突して大きく凝集して溶液として回収される。ミストと蒸気を冷却用熱交換器３３で凝集して回収した搬送気体は、２次回収部３６に移送される。搬送気体は、２次回収部３６を介して再び超音波霧化室４に循環される。
回収部は、内部に複数枚の邪魔板（図示せず）を配設することができる。邪魔板は、隣接するものとの間にミストを通過できる隙間を設けて、垂直の姿勢で配設される。垂直の邪魔板は、ミストを表面に衝突させて付着する溶液を自然に流下させて回収できる。邪魔板は、表面を凹凸面として、ミストをより効率よく接触させて回収できるようにできる。
さらに、回収部は、搬送気体を強制送風して撹拌するファン（図示せず）を設けることができる。ファンは、回収部の搬送気体を送風して、ミストと蒸気を撹拌する。撹拌されるミストは、互いに衝突して凝集し、あるいは、邪魔板の表面に衝突して凝集される。凝集するミストは、速やかに落下して回収される。
さらに、回収部は、ミストを振動させて衝突する確率を高くするミスト振動器（図示せず）を設けることもできる。ミスト振動器は、回収部の搬送気体を振動させる電気振動−機械振動変換器と、この電気振動−機械振動変換器を駆動する振動電源とを備える。電気振動−機械振動変換器は、可聴周波数の音を放射するスピーカーや、可聴周波数よりも高い超音波を放射する超音波振動子等である。電気振動−機械振動変換器が、ミストを効率よく振動させるために、電気振動−機械振動変換器から放射される振動を回収部で共振させる。このことを実現するために、電気振動−機械振動変換器は、回収部で共振する周波数で振動させる。いいかえると、回収部を電気振動−機械振動変換器から放射される振動に共振する形状に設計する。
超音波は人間の可聴周波数を越える高い周波数であるので、耳には聞こえない。このため、超音波を放射するミスト振動器は、回収部の気体を激しく振動させて、いいかえると、電気振動−機械振動変換器の出力を極めて大きくして、人間に音の害を与えることがない。このため、超音波はミストを激しく振動して、効率よく衝突させて、速やかに回収できる特長がある。
以上の超音波分離装置は、回収部５に、ミストを効率よく凝集させる装置を配設するので、ミストをより速やかに凝集させて高濃度の溶液とすることができる。さらに、図示しないが、本発明の超音波分離装置は、回収部に、溶液を噴霧するノズルと、ミストを撹拌するファンと、ミストを振動させる振動器の全てを内蔵させて、最も効率よくミストを凝集できる。また、ミストを凝集させるふたつの装置を内蔵して、ミストを効率よく凝集させることもできる。
超音波霧化室４と回収部５は、好ましくは搬送気体として不活性ガスを充填する。この装置は、不活性ガスによって、超音波霧化室４や回収部５における溶液の変質が防止される。このため、より高品質な状態で高濃度の溶液を得ることができる。ただし、搬送気体には空気も使用できる。
２次回収部３６は、搬送気体に含まれる目的物質であるアルコール等の蒸気を吸着剤３８に吸着させて回収する。２次回収部３６は、加熱された回収気体で吸着剤３８に吸着されたアルコールを排出し、回収気体を冷却して排出されたアルコールを結露させて回収する。
図３ないし図６の２次回収部３６は、回転されるローター３９と、このローター３９を回転させる回転駆動機構４０とを備える。回転駆動機構４０は、ローター３９を所定の速度で回転させる減速モーターやサーボモーターである。ローター３９は、回転軸の方向に搬送気体を通過できる空隙を有するハニカムローターである。このローター３９は、空隙に吸着剤３８を設けている。吸着剤３８には、たとえば、ゼオライト、活性炭、酸化リチウム、シリカゲルのいずれか、もしくはこれらの混合物が使用できる。さらに、ローター３９は、蒸気を吸着させる吸着領域３９Ａと、吸着した蒸気を排出する再生領域３９Ｂとに移動するように回転される。図のローター３９は、上部を吸着領域３９Ａとして、下部を再生領域３９Ｂとしている。
ローター３９は吸着領域３９Ａに移動されると、目的物質であるアルコールの蒸気を含む搬送気体が空隙に通過されて、搬送気体に含まれる目的物質のアルコールが吸着剤３８に吸着される。ローター３９が回転して再生領域３９Ｂに移動されると、吸着した目的物質のアルコールを排出する。排出された目的物質のアルコールは、回収気体を冷却して回収される。ローター３９の吸着領域３９Ａを通過した搬送気体は、再び超音波霧化室４に移動される。
ローター３９の吸着剤３８に吸着された目的物質のアルコールを吸着剤３８から回収するために、ローター３９の再生領域３９Ｂには、目的物質のアルコールを分離する回収経路４１を連結している。この回収経路４１には、加温器４２と送風機構４３と凝結熱交換器４４を連結している。加温器４２は、ローター３９に供給する回収気体を加温する。送風機構４３は、加温器４２で加温された回収気体をローター３９の再生領域３９Ｂの通路に通過させる。凝結熱交換器４４は、ローター３９の再生領域３９Ｂを通過して、目的物質のアルコールを含むようなった回収気体を冷却して、目的物質のアルコールを結露させて回収する。
回収気体は、加温器４２で加温されてローター３９の再生領域３９Ｂを通過するときに、吸着剤３８に吸着されている目的物質のアルコールを吸着剤３８から分離する。再生領域３９Ｂを通過して目的物質のアルコール蒸気を含むようになった回収気体は、凝結熱交換器４４で冷却される。冷却される回収気体は、含有できる目的物質が少なくなり、過飽和になった目的物質のアルコールを結露させる。すなわち、凝結熱交換器４４は、回収気体に含まれる目的物質のアルコールを蒸気から液体とし、あるいは蒸気から固体として回収する。
図４の超音波分離装置は、回収気体を冷却する凝結熱交換器４４と、回収部５にあって搬送気体を冷却する冷却用熱交換器３３をひとつの冷却用チラー４５で冷却している。この構造は、一つの冷却用チラー４５でふたつの熱交換器を冷却できるので、全体の構造を簡単にできる。
さらに、図５と図６の超音波分離装置は、回収部５に設けられて搬送気体を冷却する冷却用熱交換器３３と、回収経路４１の回収気体を冷却する凝結熱交換器４４とを一体構造の熱交換器３３としている。すなわち、ひとつの熱交換器で、搬送気体と回収気体とを冷却している。搬送気体と回収気体とは混合しないように、互いに区画された領域を通過する。
さらに、図６の超音波分離装置は、２次回収部３６と超音波霧化室４との間に、２次回収部３６から超音波霧化室４に循環させる搬送気体を加温する加温用熱交換器４６を設けている。この超音波分離装置は、超音波霧化室４に供給する搬送気体を加温できるので、超音波霧化室４で能率よくミストを発生できる。超音波霧化室４において溶液がミストに霧化される程度は、溶液と搬送気体の温度によって変化し、搬送気体と溶液の温度が高くなるとミストの発生量が増加するからである。加温用熱交換器４６は、搬送気体を２５〜３０℃に加温する。ただし、加温用熱交換器４６は、搬送気体を１５〜４０℃に加温して超音波霧化室４に供給することもできる。超音波霧化室４に供給される搬送気体の温度が高くなるとミストの発生量は多くなるが、温度が高すぎると、アルコール等の目的物質を変質させる。反対に温度が低いと目的物質をミストにする効率が低下する傾向がある。
図６の超音波分離装置は、搬送気体を加温するための加温用熱交換器４６を回収気体を加温する加温器４２に併用して、搬送気体の加温用熱交換器４６で回収気体を加温する。この構造の装置は、ひとつの加温用熱交換器４６で搬送気体と回収気体の両方を加温できる。この加温用熱交換器４６は、搬送気体と回収気体を分離して、混合しないように加温する。
１…超音波霧化機
２…超音波振動子 ２Ａ…振動面
３…超音波電源
４…超音波霧化室
５…回収部
１０…ポンプ
１１…原液槽
１２…脱着プレート １２Ａ…表面プレート １２Ｂ…裏面プレート
１２ａ…貫通孔 １２ｂ…凹部
１２ｃ…貫通孔
１３…ケーシング １３Ａ…開口部
１４…冷却パイプ
１６…パッキン
１７…蝶番
１８…リングプレート
１９…リード線
２０…コーキング材
２１…固定具 ２１Ａ…貫通孔
２２…固定ネジ
２３…パッキン
２４…固定金具
２５…止ネジ
３０…循環ダクト
３３…冷却用熱交換器
３４…熱交換パイプ
３６…２次回収部
３７…ブロア
３８…吸着剤
３９…ローター ３９Ａ…吸着領域 ３９Ｂ…再生領域
４０…回転駆動機構
４１…回収経路
４２…加温器
４３…送風機構
４４…凝結熱交換器
４５…冷却用チラー
４６…加温用熱交換器
Ｗ…溶液面
Ｐ…液柱
２…超音波振動子 ２Ａ…振動面
３…超音波電源
４…超音波霧化室
５…回収部
１０…ポンプ
１１…原液槽
１２…脱着プレート １２Ａ…表面プレート １２Ｂ…裏面プレート
１２ａ…貫通孔 １２ｂ…凹部
１２ｃ…貫通孔
１３…ケーシング １３Ａ…開口部
１４…冷却パイプ
１６…パッキン
１７…蝶番
１８…リングプレート
１９…リード線
２０…コーキング材
２１…固定具 ２１Ａ…貫通孔
２２…固定ネジ
２３…パッキン
２４…固定金具
２５…止ネジ
３０…循環ダクト
３３…冷却用熱交換器
３４…熱交換パイプ
３６…２次回収部
３７…ブロア
３８…吸着剤
３９…ローター ３９Ａ…吸着領域 ３９Ｂ…再生領域
４０…回転駆動機構
４１…回収経路
４２…加温器
４３…送風機構
４４…凝結熱交換器
４５…冷却用チラー
４６…加温用熱交換器
Ｗ…溶液面
Ｐ…液柱
Claims (13)
- 目的物質を含む溶液を、超音波霧化室(4)で超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを回収部(5)に移送し、回収部(5)で目的物質を凝集させて回収して、目的物質を溶液から分離する方法において、
霧化されたミストを搬送気体と共に移送し、回収部(5)でミストが回収された搬送気体を２次回収部(36)に移送して、搬送気体に含まれる目的物質の蒸気を２次回収部(36)で回収すると共に、
搬送気体を回収部(5)で冷却して、搬送気体中に含まれる目的物質の蒸気を結露させて回収部(5)でミストを回収した後、２次回収部(36)でもって、目的物質の蒸気を吸着剤(38)に吸着させて回収すると共に、２次回収部(36)から排出される搬送気体を超音波霧化室(4)に循環させることを特徴とする溶液の超音波分離方法。
ただし、目的物質を含む溶液は、以下のものである。
(1) 清酒、ビール、ワイン、食酢、みりん、スピリッツ、焼酎、ブランデー、ウイスキー、リキュール
(2) ピネン、リナロール、リモネン、ポリフェノール類などの香料、芳香成分ないし香気成分を含む溶液
(3) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合した物質を含む溶液
(4) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をハロゲンによって置き換えた物質を含む溶液
(5) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基を水酸基によって置き換えた物質を含む溶液
(6) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をアミノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(7) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボニル基によって置き換えた物質を含む溶液
(8) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボキシル基によって置き換えた物質を含む溶液
(9) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をニトロ基によって置き換えた物質を含む溶液
(10) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をシアノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(11) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をメルカプト基によって置き換えた物質を含む溶液
(12) 前述の(3)〜(11)の目的物質に含まれるいずれか一つ以上の原子を金属イオンによって置換した物質を含む溶液
(13) 先述の(3)〜(11)の目的物質に含まれる分子のうち任意の水素原子、炭素原子もしくは官能基を(3)〜(11)の分子のうち任意の分子で置き換えた物質を含む溶液 - ２次回収部(36)から排出される搬送気体を加温して超音波霧化室(4)に循環させる請求項１に記載される溶液の超音波分離方法。
- 目的物質を含む溶液が供給される超音波霧化室(4)と、この超音波霧化室(4)の内部において、溶液を超音波振動でミストに霧化する超音波振動子(2)と、この超音波振動子(2)に接続されて超音波振動子(2)に高周波電力を供給して超音波振動させる超音波電源(3)と、超音波振動子(2)で霧化されて移送されるミストを凝集させて回収する回収部(5)と、この回収部(5)から排出される目的物質の蒸気を吸着剤(38)に吸着させて回収する２次回収部(36)とを備え、
前記超音波霧化室(4)で霧化されたミストが搬送気体と共に移送されて回収部(5)で凝集させて回収され、回収部(5)でミストの回収された搬送気体に含まれる目的物質の蒸気が２次回収部(36)で回収されると共に、
前記回収部(5)が搬送気体を冷却する冷却用熱交換器(33)を備えており、冷却用熱交換器(33)で搬送気体を冷却して搬送気体に含まれる目的物質が分離され、
超音波霧化室(4)で霧化されたミストを回収部(5)で凝集させて回収し、さらに２次回収部(36)で目的物質の蒸気を吸着剤(38)に吸着させて回収すると共に、２次回収部(36)から排出される搬送気体を超音波霧化室(4)に循環させる溶液の超音波分離装置。
ただし、目的物質を含む溶液は、以下のものである。
(1) 清酒、ビール、ワイン、食酢、みりん、スピリッツ、焼酎、ブランデー、ウイスキー、リキュール
(2) ピネン、リナロール、リモネン、ポリフェノール類などの香料、芳香成分ないし香気成分を含む溶液
(3) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合した物質を含む溶液
(4) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をハロゲンによって置き換えた物質を含む溶液
(5) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基を水酸基によって置き換えた物質を含む溶液
(6) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をアミノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(7) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボニル基によって置き換えた物質を含む溶液
(8) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボキシル基によって置き換えた物質を含む溶液
(9) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をニトロ基によって置き換えた物質を含む溶液
(10) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をシアノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(11) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をメルカプト基によって置き換えた物質を含む溶液
(12) 前述の(3)〜(11)の目的物質に含まれるいずれか一つ以上の原子を金属イオンによって置換した物質を含む溶液
(13) 先述の(3)〜(11)の目的物質に含まれる分子のうち任意の水素原子、炭素原子もしくは官能基を(3)〜(11)の分子のうち任意の分子で置き換えた物質を含む溶液 - 前記２次回収部(36)が、目的物質の蒸気を含む搬送気体が空隙に通過されて、搬送気体に含まれる目的物質を吸着剤(38)に吸着させる吸着領域と、吸着した目的物質を排出する再生領域とを有し、
再生領域(39B)に、吸着剤(38)に吸着された目的物質を分離する回収経路(41)を連結しており、この回収経路(41)には、回収気体を加温する加温器(42)と、この加温器(42)で加温された回収気体を再生領域(39B)の通路に通過させる送風機構(43)と、再生領域(39B)の隙間を通過して、目的物質を含む回収気体を冷却して目的物質を回収する凝結熱交換器(44)とを連結しており、加温器(42)で加温された回収気体を再生領域(39B)に通過させ、再生領域(39B)を通過した回収気体を凝結熱交換器(44)で冷却して、気体に含まれる目的物質を凝固させて回収する請求項３に記載される超音波分離装置。 - ２次回収部(36)が回転されるローター(39)を備え、このローター(39)は回転軸の方向に搬送気体を通過できる空隙を有すると共に、この空隙には吸着剤(38)を設けており、ローター(39)は吸着領域(39A)と再生領域(39B)とに移動するように回転され、ローター(39)が吸着領域(39A)に移動されると、目的物質の蒸気を含む搬送気体が空隙に通過されて、搬送気体に含まれる目的物質が吸着剤(38)に吸着され、ローター(39)が再生領域(39B)に移動されると、吸着した目的物質を排出し、排出された目的物質を回収するようにしてなる請求項３に記載される超音波分離装置。
- ローター(39)の吸着領域(39A)を通過させた搬送気体を、２次回収部(36)に通過させて超音波霧化室(4)に循環させる請求項５に記載される超音波分離装置。
- ローター(39)の再生領域(39B)に、吸着剤(38)に吸着された目的物質を分離する回収経路(41)を連結しており、この回収経路(41)には、回収気体を加温する加温器(42)と、この加温器(42)で加温された回収気体をローター(39)の再生領域(39B)の通路に通過させる送風機構(43)と、ローター(39)の再生領域(39B)の隙間を通過して、目的物質を含む回収気体を冷却して目的物質を回収する凝結熱交換器(44)とを連結しており、加温器(42)で加温された回収気体を再生領域(39B)に通過させ、再生領域(39B)を通過した回収気体を凝結熱交換器(44)で冷却して、気体に含まれる目的物質を凝固させて回収する請求項５記載される超音波分離装置。
- 搬送気体を冷却する冷却用熱交換器(33)と、回収経路(41)に設けられて回収気体を冷却する凝結熱交換器(44)をひとつの冷却用チラー(45)で冷却する請求項７に記載される超音波分離装置。
- 回収部(5)に設けている冷却用熱交換器(33)と、回収経路(41)に設けている凝結熱交換器(44)とが一体構造の熱交換器である請求項７に記載される超音波分離装置。
- ２次回収部(36)と超音波霧化室(4)との間に、超音波霧化室(4)に循環させる搬送気体を加温する加温用熱交換器(46)を設けている請求項３に記載される超音波分離装置。
- 搬送気体を加温する加温用熱交換器(46)を、回収気体を加温する加温器(42)に併用し、加温用熱交換器(46)で搬送気体と回収気体の両方を加温する請求項１０に記載される超音波分離装置。
- ２次回収部(36)と超音波霧化室(4)との間に、２次回収部(36)から超音波霧化室(4)に循環させる搬送気体を加温する加温用熱交換器(46)を設けると共に、この加温用熱交換器(46)を凝結熱交換器(44)に連結し、凝結熱交換器(44)で吸収した熱を加温用熱交換器(46)から放熱するようにしてなる請求項７に記載される超音波分離装置。
- 吸着剤(38)がゼオライト、活性炭、酸化リチウム、シリカゲルのいずれか、もしくはこれらの混合物であることを特徴とする請求項３記載される超音波分離装置。
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