JP5055260B2 - 多重効用蒸発装置 - Google Patents

Description

本発明は、蒸留設備と蒸留方法、特に多重効用蒸発装置を使用する方法に関する。

水の蒸留は、塩、汚染物等のような様々な可溶性の物質を、これら物質を含有する水から除去し、清浄な、通常の飲料水を残す工程である。このような蒸留を達成するための１つの既知の方法は水の蒸発に依存しており、塩およびスケールが、水が蒸発した後に電気湯沸かし器の底に集積されることに酷似している。この工程においては水の蒸発中に、通常は塩及びスケールの形態にある揮発性を有さない可溶性物質が固体状態の残渣の態様で残留し、廃棄される。次いで、蒸気は液体状態に凝縮され、汚染物質を含まない水となる。

本出願人による特許文献１は多重効用蒸発システムを開示しており、このシステムは、ハウジングと互いに直列に接続された複数の蒸発缶（ｅｆｆｅｃｔ）とを備え、それぞれの蒸発缶は複数のチューブの束を有している。システムは、高温の蒸気が第１の蒸発缶のチューブの中に導入され、蒸留されていない水がチューブの外側に対してスプレーされ、蒸留されていない水の一部分が蒸発する間にチューブ中の蒸気が凝集するように構成されている。第１の蒸発缶のチューブからの蒸気の残りは、チューブの外側の蒸発した水とともに隣接する下流の蒸発缶のチューブに入り、蒸発しなかった蒸留されていない水の残りは、濃縮物の形で蒸発缶ハウジングの底に集積されるとともに、隣接する蒸留の蒸発缶のチューブの外側にスプレーされる。これは、順次繰り返される。

いったん水が蒸留システムの全ての蒸発缶の通過を完了すると、工程は蒸発装置の下流端において蒸留水を精製し、下流端において、可溶性物質が高度に濃縮された水溶液の形態の暖かい濃縮物を生成する。
米国特許第３８６８３０８号明細書

本発明によれば、直列に接続され、最も上流のグループと後続の下流のグループとを含むグループの中に配置された複数の蒸発缶を備え、それぞれの前記グループは最も上流の前記蒸発缶と最も下流の前記蒸発缶とを有するとともに前記グループ内のすべての前記蒸発缶に供給水を供給するために設けられた共通の平行な水供給入口を有し、前記蒸留装置は、前記最も上流のグループと流体連通している主水供給ラインと、前記ラインに沿って配置され、前記最も上流のグループの蒸発缶の中へ前記供給水が入る前に前記供給水を加熱するために設けられた一連の加熱装置と、をさらに含み、それぞれの前記蒸発缶は、流入蒸気を受け取り前記供給水から第１の流出蒸気を生産しつつ、前記供給水の残りを濃縮水として排出し、前記流入蒸気の一部分を凝縮して蒸留水を生産しつつ、前記流入蒸気の残りを第２の流出蒸気として排出するために設けられた熱移動手段を備え、それぞれの前記蒸発缶は、前記第１の流出蒸気を隣接する下流の蒸発缶へ導くための手段であって、前記流入蒸気を構成する手段と、前記第２の流出蒸気を、前記供給水を加熱するための前記加熱装置のうちの１つの中に導くための手段とをさらに備え、それぞれの前記グループは、前記グループの蒸発缶から濃縮水を引き出し、該濃縮水を隣接する下流のグループの前記共通の平行な水供給管の中に吸い上げるために設けられたポンプと、蒸留水を収集するための手段とをさらに備える、水の蒸留のために設けられた多重効用蒸発装置が提供されている。

本発明の１つの実施形態においては、それぞれの蒸発缶内の前記熱移動手段は、間にチューブ間空隙を有する複数のチューブを備え、前記チューブは前記流入蒸気を受け取り、前記供給水に接触させ、前記流入蒸気と前記供給水との間の熱移動を生じさせるように設けられ、チューブ間空隙内の供給水の一部を蒸発させて前記第１の流出蒸気を生成するとともに、前記供給水の残りを濃縮水として残し、前記チューブ内の流入蒸気の一部を凝縮させて前記蒸留水を生成するとともに、前記流入蒸気の残りを前記第２の流出蒸気として残している。チューブはさらに、濃縮水と、蒸発缶の一方の側から他方への第２の流出蒸気とを接続するために設けられている。

蒸発缶のグループそれぞれ内の前記平行な供給水入口は、前記供給水を前記グループの前記蒸発缶のそれぞれの中に導入するように設けられた散布手段を備えることができ、よって前記供給水の前記チューブとの接触を可能としている。供給水は、例えば薄いフィルム状の形態のような様々な形態で散布手段の中に導入することができ、熱移動及び全体的な脱塩工程の最適化を可能としている。

１つのグループの中に備えられている前記蒸発缶の数は、水の供給速度、水温、及び追加的な要因に従って変化させることができる。グループの構成は、高い効率係数を維持するように、３０の蒸発缶までを保持することができる。

チューブの束は、チューブの内側の蒸気とチューブの外側の水との間の適当な熱移動を可能とする、アルミニウム、又は他の金属、若しくは金属合金のようないずれの材料から作ることができる。操業の際には、チューブは水平に、若しくはチューブ内の凝縮した蒸気が重力によって蒸発缶の反対側の端部へ流下するように角度をつけて配置することができる。チューブの形状は、円形状の断面に限定されず、例えば楕円形状などの別の形状とすることができる。

濃縮チューブのガルバニゼーション、イオントラップの追加、濃縮チューブに対する様々な金属の使用など、さらなる変型を蒸発装置に行うことができる。

本発明を理解するため、及び実際にどのように行えば良いかを示すために、本発明の１つの実施形態が、添付の図面を参照しつつ、それに限定されるわけではない例示の方法で以下に記載される。

図１及び２は、多重効用蒸発システム１０を、蒸留装置１０に沿ってその上に下流端１０ｂから上流端１０に延在している主水供給ライン１１及び蒸留装置１０の上流端１０ａに関連する主蒸気供給ライン１２とともに示している。蒸留装置１０は、主蒸気供給ライン１２から蒸留装置に入る蒸気を使用する、主水供給ライン１１から蒸留装置に入る水の蒸留のために設けられている。

蒸留装置１０は、ハウジング８と、このハウジングの中に配置された、２０ａ〜２０ｄによって示される蒸発缶の４つのグループとを備え、グループ２０ａは最も上流のグループとされ、グループ２０は最も下流のグループとされている。蒸留装置１０は、蒸留工程からの残留する蒸気を凝縮するために設けられた凝縮装置１３と、蒸留装置によって生成された蒸留水を収集するように設けられた蒸留水主ライン１６と、蒸留装置から蒸留された水を引き出すために設けられた生成物ポンプ１４と、蒸留の後に残った塩水を蒸留装置から引き出すために設けられた塩水ポンプ１５とをさらに備えている。凝縮装置及び両方のポンプは、システムの下流端に配置されている。

水供給ライン１１は、複数の加熱器２４を有して設けられ、それぞれの過熱器は、それぞれのグループ２０からの蒸気を受け取り、この蒸気によって供給ライン１１内の水を加熱するように設けられた加熱蒸気入口４１を有している。それぞれの加熱器２４は、凝縮されていないガス（ＮＣＧ）及び残留蒸気を除去するために使用され、ＮＣＧ及び蒸気除去ライン１７と流体連通している第１の出口２７（図３及び図１には、最も上流及び下流の加熱器のみがそれぞれ示されている）と、水の引き出しのための第２の出口４４とをさらに備えている。

蒸発缶２０ａ〜２０ｄのそれぞれのグループは、複数の蒸発缶３０と、それぞれの蒸発缶３０がその上流側に入口チャンバ４０を有するように、蒸発缶と直列に接続された複数の入口チャンバ４０を備えている。蒸発缶はＥ１〜Ｅ２０で示されており、それぞれの蒸発缶グループ２０の最も上流及び下流の蒸発缶は、３０ｈ及び３０ｔでそれぞれ示されている。グループ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、及び２０ｄは、それぞれの中にＥ１〜Ｅ６、Ｅ７〜Ｅ１１、Ｅ１２〜Ｅ１６、及びＥ１７〜Ｅ２０をそれぞれ保持している。

また、蒸発缶グループ２０のそれぞれは、散布手段２６に分割された共通かつ平行な水入口２５を備え、それぞれの散布手段２６は、蒸発缶３０のうちの１つの中に薄いフィルム状の形態で供給水を導入するように設けられている。それぞれのグループ２０は、濃縮水排出ライン２３と、この排出ラインに接続された濃縮水ポンプ２１とをさらに備え、これら濃縮水排出ライン２３と濃縮水ポンプ２１との両方は、グループ２０からの濃縮水を引き出すために設けられ、ポンプ２１は後続の下流のグループの水入口２５の中に濃縮水を導入するために設けられている。

それぞれの蒸発缶３０は、蒸留される水を散布手段２６から受け取るために蒸発缶の上部に設けられた主水入口３１と、蒸発缶の下流側に配置された蒸気入口３２と、蒸発缶のグループの濃縮水排水ライン２３と流体連通している蒸発缶の底に設けられた濃縮水収集装置３３とを備えている。第１のグループ２０ａの最も上流の蒸発缶３０ｈの蒸気入口３２は、主蒸気ライン１２と流体連通しており、それぞれのグループの他の蒸発缶それぞれの蒸気入口３２は、先行の入口チャンバ４０を介して、直前の隣接する上流の蒸発缶３０から蒸気を受け取るように設けられている。

チューブの束３５は、蒸発缶３０内に配置され、間に空隙３５ｂを有する楕円形状又は円形状の断面の水平に延在する凝縮チューブ３５ａから構成されている。チューブ３５ａの上流端は、蒸発缶の蒸気入口３２を構成し、チューブ３５ａの下流端は、チューブから出る蒸気及び蒸留水のための、蒸発缶の水及び蒸気の第１の出口３４と、チューブ３５ａの間の空隙３５ｂの中の供給水から生成される蒸気のための、蒸発缶の第２の蒸気の出口３６を構成している。チューブは蒸発缶の上流側からその下流側に向かってわずかに下向きに傾斜しており、重力によって中を水が流れることを可能にしている。チューブは主入口３１の下に配置されて、散布手段２６からの供給水がチューブ上にスプレーされるのを可能にしており、チューブの中を流れる蒸気とスプレーされる水との間の熱交換を可能にしている。チューブ３５の端部は垂直チューブシート３９によって支持されるとともにこの垂直チューブシートの中に配置されている。

それぞれの蒸発缶は、濃縮水排水ライン２３を有するそれぞれの蒸発缶３０の濃縮水収集装置３３に接続された濃縮水流出ライン３７をさらに備えている。それぞれのグループ２０の濃縮水ポンプ２１は、排水ライン２３の下流端に接続されている。

上述のように、入口チャンバ４０は２つの隣接する蒸発缶３０のそれぞれの対の間に配置され、蒸発缶３０の対のうちの一方はチャンバの上流側にあり、他方はチャンバの下流にある。チャンバ４０は、チャンバの上流側に配置された蒸発缶の第１及び第２の出口３４及び３６からの水と蒸気とを受け取るように適用されている。チャンバは、出口３４からの蒸気が、チャンバの下流側に配置された蒸発缶の蒸気入口３２の中に流れるのを可能にするように設計されている。また、チャンバは、その上部に蒸気出口４３を有し、この蒸気出口４３を介して、出口３６からの蒸気が対応する加熱器２４の蒸気入口４１へと方向を転換されている。チャンバ４０は、それぞれの蒸発缶の蒸気出口３４、３６に配置された水滴分離器３８と、チャンバの底部に配置され、チャンバの上流側の蒸発缶の第１の出口３４からの蒸留水を受け取るように設けられた蒸留水収集装置４２とをさらに備えている。それぞれの蒸留水収集装置４２には、蒸留水主ライン１６につながる蒸留水排出ライン４７が接続されている。

ここには、濃縮水及び蒸留水の両方のための共通の平行な排出ラインが記載されているが、濃縮水収集装置３３は互いに直列に接続することができ、蒸留水収集装置４２もまた互いに直列に接続することができることが理解される。

加熱器２４は、図面に示すように、それぞれを１つのグループ２０に関連させることができるか、又はそれぞれのグループ２０の１つの入口チャンバ４０に関連させることができる。

主水供給ライン１１及び蒸気供給ライン１２は、第１のグループ２０ａの第１の蒸発缶３０ｈに接続されている。凝縮装置１３は、最終のグループ２０ｄの最終の蒸発缶３０ｔの水及び蒸気出口３４に、パイプライン１３ａを介して流体連通しており、塩水ポンプ１５は、最終のグループ２０ｄの濃縮水排水ライン２３に、パイプライン１５ａを介して流体連通している。

操業の際には、供給水は、外部の供給源から約２５℃で、システムの下流端において供給ライン１１の中に導入され、加熱器２４へ供給ライン１１を通過する。加熱器２４は、供給水を第１のグループ２０ａの共通の平行な水入口２５及び散布手段２６の中に導入されるまで徐々に加熱する。水の加熱は、水が第１のグループ２０ａの第１の蒸発缶３０ｈに、８２〜８５℃に達する場合のある最も高い温度で到達するように行われる。同時に、約８５℃より少し高い温度で、蒸気が第１の蒸発缶の蒸気入口３２の中に、すなわち第１のグループ２０ａのチューブ３５ａの上流端の中に導入される。

供給ラインからの水は、主水入口２５から第１のグループ２０ａの蒸発缶３０のそれぞれのチューブ３５ａ上に、例えば約０．２〜０．３ｍｍの薄いフィルム状の形態で水をスプレーする散布手段２６を使用して下方にスプレーされる。チューブ３５ａへの水フィルムの接触の際に、熱伝達の工程がこのフィルムとチューブ３５ａ内を流れている蒸気との間で行われ、チューブ３５内の蒸気の部分的な凝縮とチューブの間の空隙３５ｂ中の供給水の部分的な蒸発が生じる。

チューブ３５ａの中で凝縮した蒸気は蒸留水を構成し、傾斜しているチューブをチューブの下流端に配置された入口チャンバ４０の中へ重力によって下方へ流れ、そこで蒸留水収集装置４２へ滴下する。蒸留水は、それぞれの入口チャンバ４０の収集装置４２から流出ライン４７を介して蒸留水主ライン１６へ流下する。チューブ３５ａの中で凝縮しなかった蒸気の残りは、入口チャンバ４０の中へ流れ、蒸気出口４３を介して、高温の蒸気を主水供給ライン１１の中の供給水を加熱するために使用する、それぞれの加熱器２４の蒸気入口４１の中に吸い込まれる。

蒸発缶のチューブ３５ａの間の間隙３５ｂ中の蒸気に変化した供給水は、チャンバ４０を介して蒸気入口３２と、次のすぐ隣接する蒸発缶のチューブ３５ａの上流端とへ導かれる。蒸発しなかった供給水、すなわち濃縮水は、蒸発缶３０の底部の濃縮水収集装置３３に滴下し、この収集装置３３から濃縮水は第１のグループ２０ａの濃縮水排水ライン２３の中に流下している。

次いで、濃縮水は、パイプライン２２を介して濃縮水ポンプ２１を使用して、濃縮水排水ライン２３から第２のグループ２０ｂの共通の平行な水入口２５の中に吸い込まれ、工程はこのグループ及び後続のグループにおいて繰り返される。第１のグループ２０ａと後続のグループ２０ｂ〜２０ｄの間の唯一の違いは、第１のグループ２０ａは主水供給ライン１１からの供給水を受け取るのに対して、他のグループは濃縮水ポンプ２１からの供給水を受け取ることである。このようにして、共給水及び蒸気の両方は、工程中下流へと移動し、よって、蒸留システムは、前方供給式多段蒸留装置となる。

図３に示す供給水加熱装置２４は、入口１１ａを通じた供給水と、入口４１を通じたＮＣＧを有する高温の蒸気とを受け取るように設けられ、これら供給水と蒸気との間の熱移動を可能としている。この工程は、出口リブを通じて加熱装置２４から出る加熱された供給水と、出口４４を通じて加熱装置２４から出る蒸留水を構成する凝縮された蒸気とを生産する。凝縮されなかった蒸気は、ＮＣＧ及び蒸気のライン１７を介して出口２７を通じて除去される。出口４４は、入口チャンバ４０の蒸留水収集装置４２、又は蒸留水主ライン１６と流体連通させることができる。

上述の工程は蒸留水を生産し、塩水が最も高い温度で生産される後方供給式とは反対の前方供給式の故に、その最も低い温度で最も高い濃縮率の塩水を得る。低温の塩水によって、設備のスケール及び腐食の危険を防止することができる。塩水は、最終の濃縮水排水管２３ｄに接続されたパイプライン１５ａを介して、塩水ポンプを使用してシステムから除去される。システムの下流端において、蒸留水主ライン１６からの蒸留水は、パイプライン１３ａを介して凝縮装置１３の中に導入され、凝縮装置１３は、最終のグループ２０ｄの最終の蒸発缶３０ｔから来る蒸気を凝縮するために使用される。生産ポンプ１４は、パイプライン１４ａを使用して、凝縮装置１３から蒸留水を吐出する。

上述の多段蒸留装置１０の操作は、重金属に対するイオントラップ、チタンチューブ中での水の予備脱気、エラストマーグロメットによるチューブプレートからのチューブのガルバニック絶縁、及びそれぞれの蒸発缶の浸漬部分におけるアルミニウム−マグネシウム犠牲アノードの組み込みのような様々な方法によるさらなる変型及び拡張が行われても良い。さらに、様々なタイプの水をこの工程に対して使用することができ、最も普通には海水が使用される。また、異なる結果を生じさせるために、それぞれのグループに対して様々な数の蒸発缶を使用することができ、様々な数の蒸発缶を一緒に使用することもできる。

この発明の属する分野における当業者は、多くの変更、変型、及び修正が、必要な変更を加えることによって本発明の技術的範囲から離れることなく行われ得ることを容易に理解できるであろう。

本発明の１つの実施形態による多重効用蒸発装置の図であり、それぞれのグループの最初蒸発缶と最後の蒸発缶とのみを示している。 図１に示した蒸発装置の、隣接するグループ２０ｂ、２０ｄの上流及び下流の蒸発缶を有するグループ２０ｃの拡大図である。 図１及び図２に示された多重効用蒸発装置に使用される給水加熱器の図である。

符号の説明

１０・・・多重効用蒸発装置
１１・・・主水供給ライン
１２・・・主蒸気供給ライン
１３・・・凝縮装置
１４・・・生成物ポンプ
１５・・・塩水ポンプ
１６・・・蒸留水主ライン
２０ａ〜２０ｄ・・・グループ
２１・・・濃縮水ポンプ
２３・・・濃縮水排水ライン
２４・・・加熱装置
２６・・・散布手段
３０・・・蒸発缶
３５ａ・・・チューブ
３５ｂ・・・空隙
３７・・・濃縮水流水ライン
４０・・・入口チャンバ

Claims (16)

1. 直列に接続され、最も上流のグループと後続の下流のグループとを含むグループの中に配置された複数の蒸発缶を備え、
   それぞれの前記グループは、最も上流の前記蒸発缶と、最も下流の前記蒸発缶と、前記グループ内のすべての前記蒸発缶に供給水を供給するために設けられた共通の水供給入口と、を有し、
   前記最も上流のグループの共通の水供給入口と流体連通している主水供給ラインと、
   前記主水供給ラインに沿って配置され、前記最も上流のグループの共通の水供給入口の中へ前記供給水が入る前に前記供給水を加熱するために設けられた一連の加熱装置と、
   をさらに含み、
   それぞれの前記蒸発缶は、前記水供給入口からの供給水と流入蒸気を受け取り、前記流入蒸気から前記供給水へ熱を移動し、前記供給水から第１の流出蒸気を生産しつつ、前記供給水の残りを濃縮水とし、前記流入蒸気の一部分を凝縮して蒸留水を生産しつつ、前記流入蒸気の残りを第２の流出蒸気とするために設けられた熱移動手段を備え、
   それぞれの前記蒸発缶は、前記第１の流出蒸気を前記流入蒸気として隣接する下流の蒸発缶へ導くための手段と、前記第２の流出蒸気を、前記主水供給ラインの供給水を加熱するための前記加熱装置のうちの１つの中に導くための手段とをさらに備え、
   それぞれの前記グループは、前記グループの蒸発缶から前記濃縮水を引き出し、該濃縮水を隣接する下流のグループの前記共通の水供給入口の中に吸い上げるために設けられたポンプと、前記蒸留水を収集するための手段と、をさらに備える、水の蒸留のために設けられた多重効用蒸発装置。
2. 前記それぞれの蒸発缶内の前記熱移動手段は、間にチューブ間空隙を有する複数の水平なチューブを備え、前記チューブは、前記流入蒸気を受け取り、前記供給水に接触し、前記流入蒸気と前記供給水との間の熱移動を生じさせるために設けられており、前記チューブ間空隙内の供給水の一部を蒸発させて、前記第１の蒸気を生成し、前記供給水の残りを濃縮水とし、前記チューブ内の流入蒸気の一部を凝縮させて前記蒸留水を生成し、前記流入蒸気の残りを前記第２の流出蒸気とし、前記チューブは、水平又はある角度傾斜して設けられ、前記チューブ内の前記凝縮された蒸気を重力により前記蒸発缶の反対側端部に流すように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の多重効用蒸発装置。
3. 前記チューブは、さらに前記凝縮水と、蒸発缶の一方の側から他方への前記第２の流出蒸気とを搬送するために設けられていることを特徴とする請求項２に記載の多重効用蒸発装置。
4. 前記蒸発缶のグループそれぞれ内の前記水供給入口は、前記供給水を前記グループの前記蒸発缶のそれぞれの中に導入するように設けられた散布手段を備え、前記供給水の前記チューブとの接触を可能にしていることを特徴とする請求項１に記載の多重効用蒸発装置。
5. 前記散布手段は、薄いフィルム状で前記供給水を導入するように設けられていることを特徴とする請求項４に記載の多重効用蒸発装置。
6. １つのグループの中に備えられている前記蒸発缶の数は可変であることを特徴とする請求項１に記載の多重効用蒸発装置。
7. 前記蒸発缶の総数は、２０以上であることを特徴とする請求項１に記載の多重効用蒸発装置。
8. 前記蒸発装置は、ＮＣＧ除去ラインを備えていることを特徴とする請求項１に記載の多重効用蒸発装置。
9. 前記チューブは、金属又は金属合金からなることを特徴とする請求項２に記載の多重効用蒸発装置。
10. 前記それぞれのグループは、前記ポンプと流体連通している濃縮水排水ラインをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の多重効用蒸発装置。
11. 前記それぞれの蒸発缶は上流端と下流端とを有し、前記チューブは傾斜していて、前記チューブ内の前記蒸留水を前記蒸発缶の前記下流端へ重力によって流下させていることを特徴とする請求項２に記載の多重効用蒸発装置。
12. 前記チューブは、エラストマー製グロメットにより前記チューブのプレートからガルバーニ絶縁されていることを特徴とする請求項２に記載の多重効用蒸発装置。
13. 前記チューブは、楕円形であることを特徴とする請求項２に記載の多重効用蒸発装置。
14. 重金属を前記水から除去するために使用されるイオントラップをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の多重効用蒸発装置。
15. 前記供給水を予備脱気するためのチタンチューブをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の多重効用蒸発装置。
16. 前記それぞれの蒸発缶は、前記蒸発缶の浸漬部分を構成する収集装置と、この収集装置の中に組み込まれた電気防食用のアルミニウムーマグネシウム陽極とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の多重効用蒸発装置。

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