JP4920020B2 - 水溶液の蒸発濃縮装置および蒸発濃縮方法 - Google Patents

Description

本発明は、水溶液の蒸発濃縮装置および蒸発濃縮方法に関する。

水との共沸性を有する成分を含む水溶液を蒸発濃縮する装置として、例えば特許文献１の構成が知られている。図２に示すように、この蒸発濃縮装置２００は、一次蒸発器２１０、二次蒸発器２２０および水蒸発器２３０を備えており、水蒸発器２３０で加熱されて生成された熱媒蒸気がエゼクター２４０により圧縮されて、加熱源として一次蒸発器２１０の加熱器２１２に供給される。一次蒸発器２１０で加熱されて生成された水溶液の蒸気は、加熱源として二次蒸発器２２０の加熱器２２２に供給される。二次蒸発器２２０で加熱されて生成された水溶液の蒸気は、加熱源として水蒸発器２３０の熱交換器２３２に供給され、水蒸発器に貯留された熱媒液を加熱して熱媒蒸気を生成する。生成された熱媒蒸気はエゼクター２４０に導入されて再循環される。

この蒸発濃縮装置２００は、一次蒸発器２１０における加熱、蒸発により濃縮された水溶液が移送管２０２を介して二次蒸発器２２０に供給され、二次蒸発器２２０における加熱、蒸発により更に濃縮されて、排出管２０４から排出される。こうして、水溶液と熱媒液とが混合することなく、水溶液を高濃度に濃縮することができる。
特開２０００−２４４０３号公報

ところが、水溶液が、共沸性成分と共に、アルミニウムイオンなどの金属イオンや無機塩類のように沸点上昇を大きくさせる成分を含んでいる場合には、蒸発濃縮により濃度が高くなるにつれて沸点上昇が大きくなるため、上記従来の蒸発濃縮装置においては、特に高濃度の濃縮を行う二次蒸発器で必要とされる加熱源の熱エネルギーが大きなものとなっており、省エネルギー化の観点から更に改良の余地があった。

そこで、本発明は、水溶液を低コストで効率良く高濃度に蒸発濃縮することができる水溶液の蒸発濃縮装置および蒸発濃縮方法の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、水溶液を加熱蒸発させる水溶液蒸発器と、前記水溶液蒸発器で生成された水溶液の蒸気を加熱源として熱媒液を加熱することにより、熱媒蒸気を生成する熱媒蒸発器と、前記熱媒蒸発器で生成された熱媒蒸気を圧縮し、前記水溶液蒸発器に加熱源として供給する圧縮装置とを備え、前記水溶液蒸発器は、供給された水溶液を蒸発濃縮する一次濃縮部と、前記一次濃縮部で濃縮された水溶液を更に蒸発濃縮する二次濃縮部とを備え、前記圧縮装置は、前記熱媒蒸発器から供給された熱媒蒸気を圧縮する一次圧縮機と、前記一次圧縮機で圧縮された熱媒蒸気を更に圧縮する二次圧縮機とを備えており、前記二次圧縮機で圧縮された熱媒蒸気を前記二次濃縮部に導入すると共に、前記一次圧縮機で圧縮された熱媒蒸気を分岐して前記一次濃縮部に導入するように構成された水溶液の蒸発濃縮装置により達成される。

この水溶液の蒸発濃縮装置において、前記熱媒蒸発器は、底部に貯留された熱媒液を汲み上げて上方から散布する熱媒液散布ノズルと、前記一次濃縮部で生成された水溶液の蒸気が通過する第１の伝熱管群と、前記二次濃縮部で生成された水溶液の蒸気が通過する第２の伝熱管群とを備えており、前記第１の伝熱管群および第２の伝熱管群の外表面に熱媒液が供給されるように構成されることが好ましい。更に、前記第１の伝熱管群および第２の伝熱管群を通過して生成された水溶液の凝縮液を分離して排出することが好ましい。

また、本発明の前記目的は、水との共沸性を有する成分を含む水溶液を蒸発濃縮する方法であって、水溶液蒸発器内での加熱により生成された水溶液の蒸気を加熱源として、熱媒蒸発器において熱媒液を加熱することにより、熱媒蒸気を生成する蒸発ステップと、前記熱媒蒸発器で生成された熱媒蒸気を圧縮装置において圧縮し、前記水溶液蒸発器に加熱源として供給する圧縮ステップとを備え、前記蒸発ステップは、供給された水溶液を蒸発濃縮する一次濃縮ステップと、前記一次濃縮ステップで濃縮された水溶液を更に蒸発濃縮する二次濃縮ステップとを備え、前記圧縮ステップは、前記熱媒蒸発器から供給された熱媒蒸気を圧縮する一次圧縮ステップと、前記一次圧縮ステップで圧縮された熱媒蒸気を更に圧縮する二次圧縮ステップとを備えており、前記二次圧縮ステップで圧縮された熱媒蒸気を前記二次濃縮ステップの加熱源として利用すると共に、前記一次圧縮ステップで圧縮された熱媒蒸気の一部を前記一次濃縮ステップの加熱源として利用する水溶液の蒸発濃縮方法により達成される。

本発明の水溶液の蒸発濃縮装置および蒸発濃縮方法によれば、水溶液を低コストで効率良く高濃度に蒸発濃縮することができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る蒸発濃縮装置の概略構成図である。図１に示すように、蒸発濃縮装置１は、水溶液を加熱蒸発させる水溶液蒸発器１０と、熱媒液を加熱蒸発させる熱媒蒸発器４０と、熱媒蒸発器４０で生成された熱媒蒸気を圧縮して水溶液蒸発器１０に供給する圧縮装置５０とを備えている。

水溶液蒸発器１０は、水溶液供給管路１１を介して外部から供給される水溶液を蒸発濃縮する一次蒸発缶２０と、一次蒸発缶２０で蒸発濃縮された水溶液を更に蒸発濃縮する二次蒸発缶３０とを備えており、それぞれ一次濃縮部および二次濃縮部を構成している。水溶液としては、アルコール水溶液や、塩酸廃水、アンモニア廃水などのように、水との共沸性を有する成分を含むものを例示することができ、更に、アルミニウムイオンなどの金属イオンや無機塩類のように沸点上昇を増大させる成分を含む場合に特に効果的である。但し、水溶液の種類は、ここで例示したものには限定されない。

一次蒸発缶２０および二次蒸発缶３０は、いずれも同様の構成からなり、水溶液散布装置２１，３１、間接式加熱器２２，３２、水溶液蒸気移送管路２３，３３および熱媒液移送管路２４，３４を備えている。間接式加熱器２２，３２は、１または複数の伝熱管からなる伝熱管群２９，３９を備えており、入口ヘッダ２９ａ，３９ａに導入された熱媒蒸気が、伝熱管群２９，３９を通過する際に水溶液と熱交換され、出口ヘッダ２９ｂ，３９ｂに熱媒液として貯留されるように構成されている。

水溶液散布装置２１，３１は、一次蒸発缶２０および二次蒸発缶３０の底部に貯留されている水溶液を、それぞれ伝熱管群２９，３９の外表面に向けて供給する供給装置であり、蒸発缶内の上部に配置され水溶液を散布する水溶液散布ノズル２５，３５と、水溶液散布ノズル２５，３５と蒸発缶底部とを接続する循環管路２６，３６とを備えている。一次蒸発缶２０および二次蒸発缶３０の底部に貯留された水溶液は、循環ポンプ２６ａ，３６ａの作動により循環管路２６，３６を介して汲み上げられ、水溶液散布ノズル２５，３５から伝熱管群２９，３９に向けて散布される。

一次蒸発缶２０の循環管路２６には、一次濃縮された水溶液を二次蒸発缶３０に導入する水溶液移送管１２が分岐接続されている。また、二次蒸発缶３０の循環管路３６には、二次濃縮された濃縮液を外部に排出する水溶液排出管１３が分岐接続されている。

熱媒蒸発器４０は、蒸発缶４４の内部に、蒸発缶熱媒液散布装置４１、間接式加熱器４２および熱媒蒸気移送管路４３を備えている。間接式加熱器４２は、いずれも１または複数の伝熱管からなる第１の伝熱管群４８および第２の伝熱管群４９を備えている。

第１の伝熱管群４８および第２の伝熱管群４９は、それぞれ一次蒸発缶２０および二次蒸発缶３０に対応して設けられており、内部を通過する水溶液の蒸気が混合しないように両者は分離されている。第１の伝熱管群４８は、一次蒸発缶２０から水溶液蒸気移送管路２３を経て入口ヘッダ４８ａに導入された水溶液蒸気が、内部を通過する際に熱媒液と熱交換され、出口ヘッダ４８ｂに低濃度の凝縮液として貯留されるように構成されている。また、第２の伝熱管群４９は、二次蒸発缶３０から水溶液蒸気移送管路３３を経て入口ヘッダ４９ａに導入された水溶液蒸気が、内部を通過する際に熱媒液と熱交換され、出口ヘッダ４９ｂに高濃度の凝縮液として貯留されるように構成されている。出口ヘッダ４８ｂ，４９ｂにそれぞれ貯留された凝縮液は、回収ポンプ１６ａ，１７ａの作動により、回収管路１６，１７を介して外部に排出される。

熱媒液散布装置４１は、熱媒液供給管路１４から供給されて蒸発缶４４の底部に貯留された熱媒液を、第２の伝熱管群４９の外表面に向けて供給する供給装置であり、蒸発缶４４の上部に配置され熱媒液を散布する熱媒液散布ノズル４５と、熱媒液散布ノズル４５と蒸発缶４４の底部とを接続する循環管路４６とを備えている。蒸発缶４４の底部に貯留された熱媒液は、循環ポンプ４６ａの作動により循環管路４６を介して汲み上げられ、熱媒液散布ノズル４５から間接式加熱器４２に散布される。循環管路４６には、熱媒液の一部を排出するブロー管１５が接続されている。

第１の伝熱管群４８および第２の伝熱管群４９は、熱媒液散布ノズル４５から双方の外表面に熱媒液を供給可能に配置されていればよく、本実施形態においては、第１の伝熱管群４８の上方に第２の伝熱管群４９が設けられているが、第１の伝熱管群４８の下方に第２の伝熱管群４９を設けた構成や、管内を左右に分割して第１の伝熱管群４８および第２の伝熱管群４９が一体化された構成にすることも可能である。

圧縮装置５０は、熱媒蒸気移送管路４３に介在された一次圧縮機５１および二次圧縮機５２を備えており、熱媒蒸気移送管路４３を通過する熱媒蒸気を圧縮する。一次圧縮機５１および二次圧縮機５２は、ブロワやコンプレッサなど気体を機械的に圧縮する装置を使用することができ、制御が容易な電動式のものが好ましい。また、一次圧縮機５１および二次圧縮機５２は、所望の圧縮比が得られるように単段または多段のいずれであってもよい。本実施形態では、一次圧縮機５１として２段式のブロワ（ヒートポンプ）を使用し、二次圧縮機５２として単段式のブロワ（ヒートポンプ）を使用している。一次圧縮機５１および二次圧縮機５２は、必ずしも機械的な圧縮装置に限定されるものではなく、例えば、一次圧縮機５１をエゼクタに置き換えて、このエゼクタに駆動蒸気を導入することにより、熱媒蒸気移送管路４３に熱媒蒸気を吸引して圧縮することが可能である。

熱媒蒸気移送管路４３は、一次圧縮機５１と二次圧縮機５２との間から分岐する分岐管路５４を備えており、二次圧縮機５２を通過せずに分岐管路５４に供給される熱媒蒸気が、一次蒸発缶２０の入口ヘッダ２９ａに供給される一方、二次圧縮機５２を通過して熱媒蒸気移送管路４３をそのまま流れる熱媒蒸気が、二次蒸発缶３０の入口ヘッダ３９ａに供給される。

次に、上記の構成を備える蒸発濃縮装置１の作動を説明する。まず、一次蒸発缶２０に、水溶液供給管路１１から塩酸廃液などの水溶液を供給する。一次蒸発缶２０の底部に貯留された水溶液は、循環ポンプ２６ａの作動により循環管路２６を通過して水溶液散布ノズル２５に供給され、伝熱管群２９の外表面に散布される。

伝熱管群２９の内部は、熱媒蒸発器４０で生成されて一次圧縮機５１で圧縮された後に、分岐管路５４を経て供給される水蒸気などの高温の熱媒蒸気が通過する。こうして、伝熱管群２９の内外における熱交換により水溶液の一部が蒸発する。こうして生成された水溶液の蒸気は、一次蒸発缶２０の上部から排出され、水溶液蒸気移送管路２３を経て熱媒蒸発器４０の第１の伝熱管群４８に供給される。

伝熱管群２９の外表面において蒸発しなかった水溶液は、伝熱管群２９の外表面に沿って流下して一次蒸発缶２０の底部に貯留され、再び循環管路２６を経て水溶液散布ノズル２５から散布される。こうして、一次蒸発缶２０で水溶液の蒸発濃縮が行われる。濃縮された水溶液は、循環管路２６の途中から一部を水溶液移送管１２に分流させることにより、二次蒸発缶３０に供給される。

二次蒸発缶３０の底部に貯留された水溶液は、循環ポンプ３６ａの作動により循環管路３６を通過して水溶液散布ノズル３５に供給され、伝熱管群３９の外表面に散布される。

伝熱管群３９の内部は、一次圧縮機５１で圧縮後に二次圧縮機５２で更に圧縮された熱媒蒸気が通過し、伝熱管群３９の内外における熱交換により水溶液の一部が蒸発する。生成された水溶液の蒸気は、二次蒸発缶３０の上部から排出され、水溶液蒸気移送管路３３を経て熱媒蒸発器４０の第２の伝熱管群４９に供給される。

伝熱管群３９の外表面において蒸発しなかった水溶液は、伝熱管群３９の外表面に沿って流下して二次蒸発缶３０の底部に貯留され、再び循環管路３６を経て水溶液散布ノズル３５から散布される。こうして、二次蒸発缶２０で更に水溶液の蒸発濃縮が行われる。濃縮された水溶液は、循環管路３６の途中から一部を水溶液排出管１３に分流させることにより、外部に排出することができる。

熱媒蒸発器４０においては、蒸発缶４４の底部に貯留された熱媒液が、循環ポンプ４６ａの作動により熱媒液散布ノズル４５から第１の伝熱管群４８および第２の伝熱管群４９の外表面に供給される。第１の伝熱管群４８および第２の伝熱管群４９の内部は、それぞれ一次蒸発缶２０および二次蒸発缶３０から供給された水溶液の蒸気が通過し、第１の伝熱管群４８および第２の伝熱管群４９の内外における熱交換により熱媒液の一部が蒸発する。生成された熱媒蒸気は、蒸発缶４４の上部から熱媒蒸気移送管路４３に排出され、一次圧縮機５１により圧縮されて昇温された後、一部が分岐管路５４を経て一次蒸発缶２０の入口ヘッダ２９ａに導入される。残りの熱媒蒸気は、二次圧縮機５２により更に圧縮されて昇温された後、二次蒸発缶３０の入口ヘッダ３９ａに導入される。循環管路４６を通過する熱媒液の一部は、ブロー管１５を介して外部に排出することができる。

このように、熱媒蒸発器４０は、水溶液蒸発器１０の一次蒸発缶２０および二次蒸発缶３０で生成された水溶液の蒸気を加熱源として、熱媒液を加熱して熱媒蒸気を生成する。一方、一次圧縮機５１および二次圧縮機５２で圧縮された熱媒蒸気は、水溶液蒸発器１０の一次蒸発缶２０および二次蒸発缶３０において水溶液を蒸発させるための加熱源として利用される。

第１の伝熱管群４８および第２の伝熱管群４９を通過した水溶液の蒸気は、それぞれ出口ヘッダ４８ｂ，４９ｂで凝縮液となって貯留される。これらの出口ヘッダ４８ｂ，４９ｂは、同一の真空ポンプ（図示せず）により吸引して減圧することが好ましく、これによって、第１の伝熱管群４８および第２の伝熱管群４９を通過する水蒸気を、同じ温度・圧力に維持することができる。

第２の伝熱管群４９を通過する蒸気は、第１の伝熱管群４８を通過する蒸気よりも高濃度の水溶液を蒸発させたものであるため、回収ポンプ１６ａ，１７ａの作動により、回収管路１６からは低濃度の凝縮液が排出され、回収管路１７からは高濃度の凝縮液が排出される。

本実施形態に係る蒸発濃縮装置１によれば、二次圧縮機５２で圧縮された熱媒蒸気を二次蒸発缶３０に導入すると共に、一次圧縮機５１で圧縮された熱媒蒸気を分岐して一次蒸発缶２０に導入するように構成されているので、一次蒸発缶２０および二次蒸発缶３０で濃縮される水溶液の濃度に応じた伝熱温度差を確保することができる。

すなわち、二次蒸発缶３０で加熱蒸発される水溶液は、一次蒸発缶２０で加熱蒸発される水溶液よりも濃度が高く、このために沸点上昇が大きいことから、一次蒸発缶２０の伝熱管群２９に供給する熱媒蒸気の温度よりも、二次蒸発缶３０の伝熱管群３９に供給する熱媒蒸気の温度を高くする必要がある。そこで、二次蒸発缶３０に供給される熱媒蒸気のみを二次圧縮機５２により更に圧縮して昇温することにより、一次蒸発缶２０および二次蒸発缶３０の各水溶液濃度に応じた必要最小限の熱媒熱量で、それぞれ水溶液の蒸発濃縮を行うことができるので、省エネルギー化を図ることができ、水溶液を低コストで効率良く高濃度に蒸発濃縮することができる。

一次蒸発缶２０および二次蒸発缶３０のそれぞれに供給される熱媒蒸気の温度は、一次圧縮機５１および二次圧縮機５２の圧縮比や分岐管路５４の分流割合等を調整することにより、沸点上昇の増大分に応じた所望の温度差を確保することが可能である。また、一次蒸発缶２０および二次蒸発缶３０における水溶液の濃度が略一定となるように、水溶液移送管１２や水溶液排出管１３を通過する水溶液の流量等を調整することで、大量の水溶液を連続的に処理することができる。

また、熱媒蒸発器４０においては、一次蒸発缶２０および二次蒸発缶３０で生成された水溶液の蒸気を、第１の伝熱管群４８および第２の伝熱管群４９に通過させて一体的に凝縮することができるので、低コスト化を図りつつ、水溶液と熱媒液とを完全に分離することができる。

更に、水溶液の蒸気が第１の伝熱管群４８および第２の伝熱管群４９を通過して生成される凝縮液は、回収管路１６，１７を介して分離して排出されるので、例えば、水溶液が塩酸廃液の場合には、酸濃度が異なる２種類の凝縮液を得ることができ、高濃度の酸溶液のみを効率良く回収することができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明の具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、水溶液蒸発器１０の一次濃縮部および二次濃縮部を、それぞれ別個に設けられた一次蒸発缶２０および二次蒸発缶３０により構成しているが、一次濃縮部および二次濃縮部を１つの蒸発缶内に設けて一体化することも可能である。

また、水溶液蒸発器１０は、一次濃縮部および二次濃縮部に加えて更に高次の濃縮部を備えていてもよく、濃縮部の数に合わせて圧縮機を配置して、高濃度の濃縮部ほど高圧縮された熱媒蒸気が導入されるように構成してもよい。

本発明の一実施形態に係る蒸発濃縮装置の概略構成図である。 従来の蒸発濃縮装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 蒸発濃縮装置
１０ 水溶液蒸発器
２０ 一次蒸発缶（一次濃縮部）
３０ 二次蒸発缶（二次濃縮部）
４０ 熱媒蒸発器
４５ 熱媒液散布ノズル
４８ 第１の伝熱管群
４９ 第２の伝熱管群
５０ 圧縮装置
５１ 一次圧縮機
５２ 二次圧縮機
５４ 分岐管路

Claims (4)

1. 水溶液を加熱蒸発させる水溶液蒸発器と、
   前記水溶液蒸発器で生成された水溶液の蒸気を加熱源として熱媒液を加熱することにより、熱媒蒸気を生成する熱媒蒸発器と、
   前記熱媒蒸発器で生成された熱媒蒸気を圧縮し、前記水溶液蒸発器に加熱源として供給する圧縮装置とを備え、
   前記水溶液蒸発器は、供給された水溶液を蒸発濃縮する一次濃縮部と、前記一次濃縮部で濃縮された水溶液を更に蒸発濃縮する二次濃縮部とを備え、
   前記圧縮装置は、前記熱媒蒸発器から供給された熱媒蒸気を圧縮する一次圧縮機と、前記一次圧縮機で圧縮された熱媒蒸気を更に圧縮する二次圧縮機とを備えており、
   前記二次圧縮機で圧縮された熱媒蒸気を前記二次濃縮部に導入すると共に、前記一次圧縮機で圧縮された熱媒蒸気を分岐して前記一次濃縮部に導入するように構成された水溶液の蒸発濃縮装置。
2. 前記熱媒蒸発器は、底部に貯留された熱媒液を汲み上げて上方から散布する熱媒液散布ノズルと、前記一次濃縮部で生成された水溶液の蒸気が通過する第１の伝熱管群と、前記二次濃縮部で生成された水溶液の蒸気が通過する第２の伝熱管群とを備えており、
   前記第１の伝熱管群および第２の伝熱管群の外表面に熱媒液が供給されるように構成された請求項１に記載の水溶液の蒸発濃縮装置。
3. 前記第１の伝熱管群および第２の伝熱管群を通過して生成された水溶液の凝縮液を分離して排出する請求項２に記載の水溶液の蒸発濃縮装置。
4. 水との共沸性を有する成分を含む水溶液を蒸発濃縮する方法であって、
   水溶液蒸発器内での加熱により生成された水溶液の蒸気を加熱源として、熱媒蒸発器において熱媒液を加熱することにより、熱媒蒸気を生成する蒸発ステップと、
   前記熱媒蒸発器で生成された熱媒蒸気を圧縮装置において圧縮し、前記水溶液蒸発器に加熱源として供給する圧縮ステップとを備え、
   前記蒸発ステップは、供給された水溶液を蒸発濃縮する一次濃縮ステップと、前記一次濃縮ステップで濃縮された水溶液を更に蒸発濃縮する二次濃縮ステップとを備え、
   前記圧縮ステップは、前記熱媒蒸発器から供給された熱媒蒸気を圧縮する一次圧縮ステップと、前記一次圧縮ステップで圧縮された熱媒蒸気を更に圧縮する二次圧縮ステップとを備えており、
   前記二次圧縮ステップで圧縮された熱媒蒸気を前記二次濃縮ステップの加熱源として利用すると共に、前記一次圧縮ステップで圧縮された熱媒蒸気の一部を前記一次濃縮ステップの加熱源として利用する水溶液の蒸発濃縮方法。
   
   
   
   

Images