JP5557498B2 - 蒸発濃縮方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶液中の水分を蒸発させることによって濃縮する蒸発濃縮方法に関し、更に詳しくは、溶液中の水分を蒸発させることによって発生する蒸気を、圧縮、昇温して前記溶液を蒸発させるための熱源として利用する、いわゆる蒸気圧縮式の蒸発濃縮方法に関する。

従来、この種の蒸発濃縮装置として、例えば、特許文献１には、下部に溶液の液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、各伝熱管の外表面に、循環ポンプによって供給される溶液を散布器にて散布することによって蒸発させ、発生した蒸気を、ブロワー圧縮機または蒸気エゼクターで圧縮して昇温し、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って、各伝熱管の外表面に散布される溶液を加熱、蒸発させるようにした蒸発濃縮装置が開示されている。

かかる蒸気圧縮式の蒸発濃縮装置は、溶液から発生する蒸気を、ブロワー圧縮機または蒸気エゼクターで圧縮、昇温することによって、当該溶液を加熱、蒸発させるための熱源として利用する、すなわち、溶液から発生する蒸気の熱を回収して熱源として利用するものであるから、蒸気圧縮式でないものに比べてエネルギー効率が高い特長を備えている。

溶液を加熱蒸発させる場合における沸点上昇(Ｂ．Ｐ．Ｒ：boiling point rise)は、濃縮が進んで溶液の濃度が高くなるにつれて大きくなり、前記伝熱管の内側と外側との間における温度差も沸点上昇の分だけ大きくなる。

この伝熱管の内側と外側との間における温度差は、溶液から発生する蒸気を圧縮、昇温して伝熱管内に供給するブロワー圧縮機または蒸気エゼクターによる圧縮比、すなわち、圧縮温度差に対応したものとなる。したがって、ブロワー圧縮機または蒸気エゼクターによる圧縮温度差は、濃縮の目標とする最終濃度の溶液の沸点上昇度に対応させる必要があるが、ブロワー圧縮機よりも圧縮温度差が高い蒸気エゼクターであっても、その圧縮温度差は、４０℃程度が限界である。

このため、最終濃度の溶液の沸点上昇度が、蒸気エゼクターの圧縮温度差を上回る４０℃以上の場合には、溶液から発生する蒸気の熱を回収して熱源として利用することができない。

図２は、最終濃度の溶液の沸点上昇度が４０℃以上であって、蒸気エゼクターの圧縮温度差を上回るために、溶液から発生する蒸気の熱を回収できない従来例の蒸発濃縮装置の構成例を示す図である。

この蒸発濃縮装置では、下部に溶液の液溜室３１を備えた密閉型の蒸発器３２内の上部に、多数本の伝熱管３３を設け、これら伝熱管３３の一端には、各伝熱管３３内に連通する入口側のヘッダー３５ａが、他端には、同じく各伝熱管３３内に連通する出口側のヘッダー３５ｂがそれぞれ設けられ、入口側のヘッダー３５ａには、図示しないボイラー等の高圧蒸気源からの高圧蒸気が蒸気供給管路３７を介して供給される。

真空ポンプ３８によって減圧された蒸発器３２内の伝熱管３３の外表面に、循環ポンプ３４によって液溜室３１から汲み上げられた溶液を散布器３６にて散布することにより、溶液を加熱、蒸発させて濃縮する一方、蒸発器３２で蒸発した蒸気は、蒸気ダクト３９を介して凝縮器４０に導かれて冷却され、凝縮水は、凝縮水排出ポンプ４１によって排出される。

かかる蒸発濃縮装置では、溶液から発生する蒸気を、蒸気エゼクターによって圧縮、昇温して当該溶液を加熱、蒸発させるための熱源に利用するものではないので、その分、蒸気供給管路３７を介して多量の高圧蒸気を供給する必要があり、エネルギー効率が悪く、ランニングコストが増大するという課題がある。

なお、後述する図１の本発明の実施形態との比較のために、水酸化ナトリウム水溶液を、沸点上昇度が４０℃である５４重量％の高濃度まで蒸発濃縮する場合の蒸気温度、圧力および蒸気量の具体的な一例について説明すると、ボイラー等から供給される高圧蒸気は、例えば、圧力が、７ｋｇ／ｃｍ²であって、供給量が４２０ｋｇ／ｈｒである。また、蒸発器３２内の液温が８０℃であって、蒸発温度が４０℃であり、蒸発量が４２０ｋｇ／ｈｒであって、凝縮器４０には、蒸発器１から絶対圧、例えば、７．４ｋＰａ、４０℃の蒸気が、４２０ｋｇ／ｈｒの流量で供給される。

実公平７−１３７６３号公報

本発明は、上述のような課題に鑑みて為されたものであって、沸点上昇の高い強アルカリや強酸の高濃度溶液であっても、溶液の蒸発による蒸気の熱を回収して溶液を加熱蒸発させる熱源として利用できるようにした蒸発濃縮方法を提供することを目的とする。

本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。

本発明の蒸発濃縮方法は、溶液を減圧状態で加熱し、蒸発させて濃縮する蒸発濃縮方法において、前記溶液が、強アルカリまたは強酸の溶液であって、濃縮の目標である最終濃度の前記溶液は、その沸点上昇度が３７℃以上であり、前記強アルカリまたは強酸の溶液の蒸発によって発生した蒸気を、前段の第１の蒸気エゼクターで圧縮する第１の圧縮工程と、後段の第２の蒸気エゼクターで圧縮する第２の圧縮工程との少なくとも二段の圧縮工程を含み、前記少なくとも二段の圧縮工程で圧縮した蒸気を、前記強アルカリまたは強酸の溶液の加熱に用いるものであって、前記第１の圧縮工程では、前記強アルカリまたは強酸の溶液を溜める液溜室と加熱用の伝熱管とを有する単一の蒸発器で発生した蒸気を、前記第１の蒸気エゼクターによって圧縮し、前記蒸発器の前記液溜室内の前記溶液は、溶液循環手段によって前記伝熱管の外側に供給されて蒸発し、前記第２の圧縮工程では、前記第２の蒸気エゼクターは、前記第１の蒸気エゼクターで圧縮された蒸気を圧縮して前記伝熱管内に供給するものである。

蒸気エゼクターを更に追加して、三段以上の圧縮を行うようにしてもよい。

本発明の蒸発濃縮方法によると、第１，第２の蒸気エゼクターによる少なくとも二段の圧縮工程を含むので、圧縮温度差を大きくすることができ、これによって、沸点上昇が高い溶液に対しても、溶液の蒸発によって発生した蒸気の熱を、第１，第２の蒸気エゼクターによって回収して前記溶液の加熱に利用できるので、ランニングコストを削減することができる。特に単一の蒸気エゼクターのみによる一段の圧縮工程では、圧縮温度差を確保するのが困難な沸点上昇度が３７℃以上の強酸や強アルカリの高濃度溶液であっても、第１，第２の蒸気エゼクターによる二段の圧縮工程によって、圧縮温度差を確保することが可能となり、かかる沸点上昇度が高い溶液に対しても、溶液の蒸発によって発生した蒸気の熱を回収して濃縮することが可能となり、ランニングコストを削減することができる。

液溜室は、蒸発器の下部に、加熱用の伝熱管は、液溜室の上部に設けられるのが好ましい。

溶液循環手段は、溶液を加熱用の伝熱管の外表面に散布する散布器と、液溜室の溶液を前記散布器に供給する循環ポンプとを備えるのが好ましい。

本発明によれば、第１，第２の蒸気エゼクターによる少なくとも二段の圧縮工程を行うので、単一の蒸気エゼクターのみによる一段の圧縮工程では、圧縮温度差を確保するのが困難な沸点上昇度が３７℃以上の強アルカリや強酸の高濃度溶液であっても、二段の圧縮工程によって、圧縮温度差を確保することが可能となり、かかる沸点上昇度が高い溶液に対しても、溶液の蒸発によって発生した蒸気の熱を回収して濃縮することが可能となり、ランニングコストを削減することができる。

本発明の実施形態に係る蒸発濃縮装置の構成例を示す図である。 従来例の蒸発濃縮装置の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の蒸発濃縮方法の実施に適用する蒸発濃縮装置の構成を示す図である。

この実施形態の蒸発濃縮装置は、密閉型の蒸発器１を備え、この蒸発器１の下部には、原液供給管路２より供給される原液を溜める液溜室３が設けられ、その上部には、左右一対のヘッダー４，５と、両ヘッダー４，５の間を繋ぐ複数本の伝熱管６とが水平方向に設けられている。両ヘッダー４，５のうち、一方の入口側のヘッダー４内には、入口室４ａと折り返し室４ｂとを区画する仕切り板４ｃが設けられ、他方の出口側のヘッダー５内には、折り返し室５ａと出口室５ｂとを区画する仕切り板５ｃが設けられる。

液溜室３の溶液は、循環ポンプ７によって循環管路８を介して、蒸発器１内の上部に設けた散布器９に供給され、この散布器９から各伝熱管６の外表面に向かって散布したのち、蒸発器１内の下部の液溜室３に流下するという循環を行うように構成しており、循環管路８の途中には、濃縮した溶液を排出するための排出管路１０が設けられる。循環ポンプ７、循環管路８および散布器９によって、液溜室３内の水溶液を伝熱管６の外表面に供給して蒸発させる溶液循環手段が構成される。

蒸発器１の上部は、蒸気ダクト１１を介して凝縮器１２の上部に接続され、この凝縮器１２は、内部に複数の伝熱管を備え、冷却水供給管路１３から冷却水が供給され、伝熱管を介して冷却水排出管路１４から排出される。この凝縮器１２の下部には、蒸発器１の両ヘッダー４，５のうち出口側のヘッダー５が管路１５を介して接続される一方、凝縮水排出ポンプ１７が設けられた凝縮水排水管路１６が接続される。また、凝縮器１２には、該凝縮器１２および蒸発器１の内部を、大気圧以下の真空状態に保持するための真空ポンプ１８が接続される。

この実施形態では、目標とする最終濃度の水溶液の沸点上昇度が、４０℃以上の水溶液、例えば、沸点上昇度が４０℃である５４重量％まで水酸化ナトリウム水溶液を濃縮するとともに、水溶液中の水分の蒸発による蒸気の熱を回収して水溶液を加熱、蒸発させる熱源として利用できるようにするために、次のように構成している。

すなわち、蒸発器１の上部の蒸気出口管路１９からの水蒸気を、ボイラー等の高圧蒸気源（図示せず）から蒸気供給管路２０を介して供給される高圧蒸気にて駆動される前段の第１の蒸気エゼクター２１によって吸引、圧縮し、この第１の蒸気エゼクター２１によって圧縮された水蒸気を、同じく高圧蒸気にて駆動される後段の第２の蒸気エゼクター２２によって吸引、圧縮した後、蒸気ダクト２３を介して蒸発器１の両ヘッダー４，５のうち入口側のヘッダー４内に供給するようにしている。

このように第１，第２の蒸気エゼクター２１，２２による二段の圧縮を行うので、例えば、各蒸気エゼクター２１，２２で圧縮温度差２５℃の圧縮をそれぞれ行うことによって、両蒸気エゼクター２１，２２では、圧縮温度差５０℃の圧縮が可能となり、例えば、水酸化ナトリウム水溶液を、沸点上昇度が４０℃である５４重量％の高濃度まで蒸発濃縮することができる。

上記構成の蒸発濃縮装置では、蒸発器１内を真空ポンプ１８によって減圧するとともに、原液供給管路２から原液である比較的高濃度の水酸化ナトリウム溶液を蒸発器１内の液溜室３内に供給する。更に、蒸気供給管路２０を介して高圧蒸気を第１，第２の蒸気エゼクター２１，２２に対して駆動蒸気としてそれぞれ供給するとともに、循環ポンプ７を駆動して液溜室３内の水酸化ナトリウム水溶液を、蒸発器１内の各伝熱管６の外表面に散布する。

散布された水酸化ナトリウムの水溶液は、蒸発器１内の下部の液溜室３に流下する一方、各伝熱管６の外表面で加熱されて蒸発し、発生した水蒸気は、蒸気出口管路１９から第１の蒸気エゼクター２１に吸引され、この第１の蒸気エゼクター２１にて圧縮温度差２５℃まで圧縮され、更に、その後段の第２の蒸気エゼクター２２に吸引されて圧縮温度差２５℃まで圧縮された後、蒸発器１における各伝熱管６内に導かれて、当該各伝熱管６の外表面に散布される水溶液を加熱するための熱源として利用される。また、蒸発器１で発生した水蒸気は、蒸気ダクト１１を介して凝縮器１２に導かれて冷却されて凝縮する。液溜室３には、蒸発濃縮による減量分の原液が供給される。

ここで、水酸化ナトリウム水溶液を、沸点上昇度が４０℃である５４重量％の高濃度まで蒸発濃縮する場合の蒸気温度、圧力および蒸気量の具体的な一例について説明する。

高圧蒸気源から蒸気供給管路２０を介して、例えば、７ｋｇ／ｃｍ²の高圧蒸気が３７２ｋｇ／ｈｒの流量で供給され、第１，第２の蒸気エゼクター２１，２２には、駆動蒸気として、７ｋｇ／ｃｍ²高圧蒸気が、例えば、８６ｋｇ／ｈｒ，２８６ｋｇ／ｈｒの流量でそれぞれ供給される。

第１の蒸気エゼクター２１は、蒸発器１から絶対圧、例えば、７．４ｋＰａ、４０℃の蒸気を、４８ｋｇ／ｈｒの流量で吸引して圧縮し、第２の蒸気エゼクター２２に対して、１３４ｋｇ／ｈｒの流量で吐出する。

第２の蒸気エゼクター２２は、第１の蒸気エゼクター２１からの蒸気を圧縮して、絶対圧、例えば、６０．１ｋＰａ、８６℃の蒸気を、４２０ｋｇ／ｈｒの流量で入口側のヘッダー４を介して各伝熱管６に供給する。

蒸発器１内の液溜室３内の水酸化ナトリウム水溶液の液温は、例えば、８０℃となり、かかる水酸化ナトリウム水溶液を、循環ポンプ７によって散布器９から各伝熱管６に散布することによって、加熱され、蒸発温度４０℃、蒸発量４２０ｋｇ／ｈｒで蒸発し、その蒸気の一部が上述のように、第１の蒸気エゼクター２１に吸引される一方、蒸気ダクト１１を介して凝縮器１２に、３７２ｋｇ／ｈｒの流量で供給されて冷却される。

上述のように第１，第２の蒸気エゼクター２１，２２による二段の圧縮によって、蒸発器１の蒸気出口管路１９からの４０℃の蒸気を、８６℃まで圧縮昇温してヘッダー４を介して各伝熱管６に供給することができる、すなわち、圧縮温度差として４６℃まで圧縮できるので、水酸化ナトリウム水溶液を、沸点上昇度が４０℃の５４重量％の高濃度まで蒸発濃縮することができる。

しかも、水酸化ナトリウム水溶液の蒸発による蒸気の熱を回収して水溶液を加熱蒸発させる熱源として利用できるので、上述の図２の従来例では、高圧蒸気の供給量が４２０ｋｇ／ｈｒであったのに対して、この実施形態では、高圧蒸気の供給量が３７２ｋｇ／ｈｒと大幅に削減することができ、ランニングコストを低減することが可能となる。

１，３２ 蒸発器
３，３１ 液溜室
６，３３ 伝熱管
７，３４ 循環ポンプ
９，３６ 散布器
１２，４０ 凝縮器
１８，３８ 真空ポンプ
２１，２２ 第１，第２の蒸気エゼクター

Claims (1)

1. 溶液を減圧状態で加熱し、蒸発させて濃縮する蒸発濃縮方法において、
   前記溶液が、強アルカリまたは強酸の溶液であって、濃縮の目標である最終濃度の前記溶液は、その沸点上昇度が３７℃以上であり、
   前記強アルカリまたは強酸の溶液の蒸発によって発生した蒸気を、前段の第１の蒸気エゼクターで圧縮する第１の圧縮工程と、後段の第２の蒸気エゼクターで圧縮する第２の圧縮工程との少なくとも二段の圧縮工程を含み、
   前記少なくとも二段の圧縮工程で圧縮した蒸気を、前記強アルカリまたは強酸の溶液の加熱に用いるものであって、
   前記第１の圧縮工程では、前記強アルカリまたは強酸の溶液を溜める液溜室と加熱用の伝熱管とを有する単一の蒸発器で発生した蒸気を、前記第１の蒸気エゼクターによって圧縮し、
   前記蒸発器の前記液溜室内の前記溶液は、溶液循環手段によって前記伝熱管の外側に供給されて蒸発し、
   前記第２の圧縮工程では、前記第２の蒸気エゼクターは、前記第１の蒸気エゼクターで圧縮された蒸気を圧縮して前記伝熱管内に供給する、
   ことを特徴とする蒸発濃縮方法。

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