JP5604742B2 - 蒸留水製造装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸留水製造装置および方法に関し、より詳しくは、多重効用型の蒸留水製造装置および方法に関する。

従来の多重効用型の蒸留水製造装置（ＭＥＤ）として、例えば非特許文献１に開示されているように、後段の効用缶で発生した蒸気の一部をサーモコンプレッサを用いて圧縮し、加熱蒸気として利用する熱蒸気圧縮式の構成（ＭＥＤ−ＴＶＣ）が知られており、例えば海水淡水化に利用されている。

Energy 35 (2010),2694-2702

上記従来の蒸留水製造装置によれば、熱源となる蒸気量を低減することができ、サーモコンプレッサを使用しない場合と比較して造水比（造水量／加熱蒸気量）を高めることができる。

ところが、近年においては省エネルギーに対する取り組みが一層重要視されるようになっており、造水比は以前よりも高い値（例えば、１０程度）が求められている。このため、従来の装置では効用段が多くなり過ぎて伝熱面積が過大となり、製造コスト高を招いていた。

そこで、本発明は、装置の小型化および低コスト化を図ることができ、蒸留水を効率良く製造することができる蒸留水製造装置および方法の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、原料水を加熱して蒸気を生成する熱交換器を有する蒸発缶を複数備え、複数の前記蒸発缶は、前段で生成された蒸気を後段の前記熱交換器の熱源として導入するように順次接続されており、原料水と熱交換した蒸気を凝縮して蒸留水を生成する蒸留水製造装置であって、一の前記蒸発缶で生成された蒸気の一部を第１の駆動蒸気により吸引混合して第２の駆動蒸気を生成する第１のサーモコンプレッサと、他の前記蒸発缶で生成された蒸気の一部を前記第２の駆動蒸気により吸引混合して加熱用蒸気を生成する第２のサーモコンプレッサとを備え、前記加熱用蒸気を、前記第１のサーモコンプレッサおよび前記第２のサーモコンプレッサが蒸気を吸引する前記蒸発缶よりも前段側の前記蒸発缶における前記熱交換器の熱源として導入するように構成された蒸留水製造装置により達成される。

この蒸留水製造装置において、前記第１のサーモコンプレッサおよび第２のサーモコンプレッサは、いずれも最前段および最後段以外の前記蒸発缶で生成された蒸気を吸引することが好ましい。

また、前記第１のサーモコンプレッサにより蒸気が吸引される前記蒸発缶は、前記第２のサーモコンプレッサにより蒸気が吸引される前記蒸発缶よりも後段側に配置されていることが好ましい。

また、本発明の前記目的は、原料水を加熱して蒸気を生成する熱交換器をそれぞれ有する複数の蒸発室を、前段の前記蒸発室で生成された蒸気が後段の前記蒸発室における前記熱交換器の熱源として導入されるように順次接続し、原料水と熱交換した蒸気を凝縮して蒸留水を生成する蒸留水製造方法であって、第１のサーモコンプレッサを用いて、一の前記蒸発室で生成された蒸気の一部を第１の駆動蒸気により吸引混合して第２の駆動蒸気を生成するステップと、第２のサーモコンプレッサを用いて、他の前記蒸発室で生成された蒸気の一部を前記第２の駆動蒸気により吸引混合して加熱用蒸気を生成するステップとを備え、前記加熱用蒸気を、前記第１のサーモコンプレッサおよび前記第２のサーモコンプレッサが蒸気を吸引する前記蒸発室よりも前段側の前記蒸発室における前記熱交換器の熱源として導入する蒸留水製造方法により達成される。

本発明によれば、装置の小型化および低コスト化を図ることができ、蒸留水を効率良く製造することができる蒸留水製造装置および方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る蒸留水製造装置の概略構成図である。 図１の蒸留水製造装置の変形例を示す概略構成図である。 図１の蒸留水製造装置の他の変形例を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る蒸留水製造装置の概略構成図である。図１に示す蒸留水製造装置１は、第１効用缶１０ａ、第２効用缶１０ｂ、第３効用缶１０ｃ、第４効用缶１０ｄ、第５効用缶１０ｅおよび第６効用缶１０ｆの６つの蒸発缶が順次接続された６重効用型である。

第１効用缶１０ａは、内部に形成された蒸発室に、水平に延びる複数の伝熱管１１ａを備える熱交換器１２ａが配置されている。熱交換器１２ａは、伝熱管１１ａの両端に入口ヘッダ１３ａおよび出口ヘッダ１４ａを備えており、入口ヘッダ１３ａに導入された加熱用蒸気が伝熱管１１ａの内部を通過して、出口ヘッダ１４ａに排出されるように構成されている。伝熱管１１ａの表面には散布ノズル１５ａから原料水が散布され、伝熱管１１ａの表面で加熱されて一部が蒸発し、原料水の蒸気が生成される。出口ヘッダ１４ａには、伝熱管１１ａを通過する蒸気が原料水との熱交換により凝縮した蒸留水が貯留される。

他の蒸発缶（すなわち、第２効用缶１０ｂから第６効用缶１０ｆ）も、蒸発室の内部にそれぞれ熱交換器１２ｂ〜１２ｆを備えている。第２効用缶１０ｂから第６効用缶１０ｆの構成は、第１効用缶１０ａと同様であるため、図１においては、第１効用缶１０ａと同様の構成部分の符号を、同じ数字で添え字のアルファベットのみを変えて表している。熱交換器１２ｂ〜１２ｆを構成する伝熱管１１ｂ〜１１ｆの外表面には、それぞれ散布ノズル１５ｂ〜１５ｆから原料水が散布される。

各蒸発缶の出口ヘッダ（例えば、第１効用缶１０ａの出口ヘッダ１４ａ）は、１つ後段の入口ヘッダ（例えば、第２効用缶１０ｂの入口ヘッダ１３ｂ）と、蒸留水移送管２１により接続されている。各蒸発缶の出口ヘッダに貯留された蒸留水は、最後段の出口ヘッダ（すなわち、第６効用缶１０ｆの出口ヘッダ１４ｆ）に接続された蒸留水取出管２２により外部に排出される。

また、各蒸発缶は、前段で生成された原料水の蒸気を、１つ後段の熱交換器の熱源として導入するように、蒸気移送管２３により順次接続されている。例えば、第１効用缶１０ａで生成された原料水の蒸気は、蒸気移送管２３を経て第２効用缶１０ｂの入口ヘッダ１３ｂに導入され、第２効用缶１０ｂで生成された原料水の蒸気は、蒸気移送管２３を経て第３効用缶１０ｃの入口ヘッダ１３ｃに導入される。最後段の蒸発缶（すなわち、第６効用缶１０ｆ）で生成された原料水の蒸気は、蒸気移送管２３を経て凝縮器３０に導入されて蒸留水となり、蒸留水取出管２２を通過する蒸留水と共に外部に排出される。原料水は、凝縮器３０において蒸気との熱交換により予熱され、必要な量が原料水移送管２４により各蒸発缶の散布ノズル１５ａ〜１５ｆに案内される。

各蒸発缶の底部は、１つ後段の底部と濃縮水移送管２５により接続されている。各蒸発缶の底部には、散布ノズル１５ａ〜１５ｆから散布された原料水の一部が蒸発せずに濃縮水として貯留され、最後段（すなわち、第６効用缶１０ｆ）に接続された濃縮水取出管２６により外部に排出される。この濃縮水は、例えば、原料水として再び各蒸発缶に散布することができる。

本実施形態の蒸留水製造装置１は、最前段の蒸発缶である第１効用缶１０ａの入口ヘッダ１３ａに導入する加熱用蒸気を生成するための第１のサーモコンプレッサ３２および第２のサーモコンプレッサ３４を備えている。第１のサーモコンプレッサ３２は、高圧（例えば、２〜８ａｔａ）の蒸気の噴射により低圧蒸気を吸引混合して混合蒸気を生成する公知の構成である。また、第２のサーモコンプレッサ３４の駆動蒸気の圧力は、後述するように第１のサーモコンプレッサ３２の吐出圧であり、例えば０．５〜０．２ａｔａ程度の低圧である。第１のサーモコンプレッサ３２および第２のサーモコンプレッサ３４は、それぞれ異なる蒸発缶１０ａ〜１０ｆで生成された蒸気の一部を吸引する。

第１のサーモコンプレッサ３２には、パワープラント等の蒸気供給源（図示せず）から供給される水蒸気等の第１の駆動蒸気によって、第３効用缶１０ｃで生成された蒸気の一部が、蒸気移送管２３から分岐する分岐管２７を経て吸引され、第１の駆動蒸気と混合されて第２の駆動蒸気が生成される。また、第２のサーモコンプレッサ３４には、第１のサーモコンプレッサ３２から駆動蒸気導入管２８により導入された第２の駆動蒸気によって、第２効用缶１０ｂで生成された蒸気の一部が、蒸気移送管２３から分岐する分岐管２７を経て吸引され、第２の駆動蒸気と混合されて加熱用蒸気が生成される。生成された加熱用蒸気は、加熱用蒸気導入管２９により第１効用缶１０ａの入口ヘッダ１３ａに導入され、熱交換器１２ａの熱源として利用される。第１のサーモコンプレッサ３２は、通常のサーモコンプレッサと同様に、第１の駆動蒸気を噴射する噴射ノズルが先細形状の先端に末広がり部を有しており、第１の駆動蒸気を超音速まで加速して噴射する構成を好ましく採用することができる。一方、第２のサーモコンプレッサ３４の噴射ノズルは、末広がり部を備えずに先細形状の先端からミキシングチャンバに第２の駆動蒸気を噴射するように構成することが好ましい。吸入蒸気は噴射ノズルを取り囲むように導入され、ミキシングチャンバの断面積は、流れ方向に沿って徐々に減少することが好ましい。ミキシングチャンバの先端には、断面積が一定の喉部と、断面積が流れ方向に沿って次第に拡大するディフューザが接続される。

このように、本実施形態の蒸留水製造装置１によれば、第１のサーモコンプレッサ３２および第２のサーモコンプレッサ３４を直列に接続し、異なる蒸発缶で生成された蒸気をそれぞれ吸引して、第１の駆動蒸気と共に最前段の蒸発缶で原料水を加熱するための熱源として利用するように構成しているため、小さな伝熱面積で多量の蒸留水を製造することができる。したがって、装置のコンパクト化および低コスト化を図ることができ、蒸留水を効率良く製造することができる。

例えば、原料水として海水を使用し、第１のサーモコンプレッサ３２および第２のサーモコンプレッサ３４の駆動蒸気圧、吸入比および出口圧力が、それぞれ表１に示す値であるとした場合に、第１の駆動蒸気量１００に対して各蒸発室で生成される蒸留水の量は、表２に示すとおりとなる。各蒸発室の運転温度（蒸気の凝縮温度）は、凝縮器３０における冷却水（本実施形態では原料水）の温度が通常は２５〜３５℃であることから、最後段である第６蒸発缶１０ｆの運転温度を４５〜５０℃として、最前段である第１蒸発缶１０ａの運転温度を６０〜７０℃とするのが一般的である。更に、表１に示す第１のサーモコンプレッサ３２および第２のサーモコンプレッサ３４の性能を考慮して、各蒸発室の運転温度が、表２に示すとおり決定される。

表１において、吸入比εは、１の駆動蒸気量に対して吸入する低圧蒸気量の比率である。一般には、吸入比εを大きくするほど、同じ造水比に対する効用数を低減できる一方、サーモコンプレッサの出口圧力が低くなるために第１効用缶１０ａの運転温度が低下して、伝熱面積を増加させる必要があることから、蒸発缶の数および熱交換器の伝熱面積のバランスを考慮して、吸入比εを決定することが好ましい。

表１によれば、第１の駆動蒸気量が１００である場合に、第１のサーモコンプレッサ３２から吐出される第２の駆動蒸気量は、１００×（１＋０．７７）＝１７７となる。また、第２の駆動蒸気量が１７７である場合に、第２のサーモコンプレッサ３４から吐出される加熱用蒸気量は、１７７×（１＋０．５）＝２６５．５となる。したがって、表２に示すように、第１効用缶１０ａに供給される加熱用蒸気量は、２６５．５となる。

各蒸発缶で原料水を加熱することにより発生する蒸気量（蒸留水生成量）は、加熱蒸気量にほぼ等しいとすると、第１効用缶１０ａの蒸留水生成量は、２６５．５となる。第２効用缶１０ｂには、第１効用缶１０ａで発生した蒸気が全て加熱用蒸気として導入されることから、第２効用缶１０ｂの蒸留水生成量も２６５．５となる。

第２効用缶１０ｂで発生した蒸気は、一部が第２のサーモコンプレッサ３４に吸引され、残部が第３効用缶１０ｃに導入されることから、第３効用缶１０ｃに導入される加熱用蒸気量は、２６５．５−１７７×０．５＝１７７となり、蒸留水生成量も１７７となる。また、第３効用缶１０ｃで発生した蒸気は、一部が第１のサーモコンプレッサ３２に吸引され、残部が第４効用缶１０ｄに導入されることから、第４効用缶１０ｄに導入される加熱用蒸気量は、１７７−１００×０．７７＝１００となり、蒸留水生成量も１００となる。第５効用缶１０ｅおよび第６効用缶１０ｆにおいては、途中で蒸気が吸引されることがないため、いずれも蒸留水生成量は１００となり、凝縮器３０においては、第６効用缶１０ｆで発生した蒸気が全て蒸留水となるため、蒸留水生成量は１００となる。

こうして、各蒸発缶および凝縮器で生成された蒸留水生成量を合計すると、１１０８となり、ここから第１の駆動蒸気量１００を差し引くと、造水量は１００８となる。したがって、造水比（造水量／第１の駆動蒸気量）は、約１０が達成される。このように、本実施形態の蒸留水製造装置１を海水淡水化装置として使用する場合には、６つの蒸発缶を備える６効用方式によって目標とする造水比１０を達成することができ、従来よりも効用数および伝熱面積を低減することができる。

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、本実施形態においては、６つの蒸発缶を備える６効用方式の蒸留水製造装置としているが、効用数は特に限定されるものではなく、目的等に応じて適宜の効用数とすればよい。

また、本実施形態においては、第１のサーモコンプレッサ３２および第２のサーモコンプレッサ３４が、それぞれ第３効用缶１０ｃおよび第２効用缶１０ｂで生成された蒸気を吸引するように構成しているが、それぞれが吸引する蒸気は、これ以外の蒸発缶で生成されたものであってもよい。この場合、蒸気を吸引する蒸発缶が前段側になるほど、加熱用蒸気量が少ない蒸発缶が増加して蒸留水合計量が少なくなる一方(表２参照）、蒸気を吸引する蒸発缶が後段側になるほど、第１の蒸発缶１０ａに導入される加熱用蒸気が低温になり易いことから、最前段および最後段以外（すなわち、本実施形態では第１の蒸発缶１０ａおよび第６の蒸発缶１０ｆ以外）の蒸発缶で生成された蒸気を吸引することが好ましい。

また、本実施形態においては、第１のサーモコンプレッサ３２により蒸気が吸引される蒸発缶（すなわち、第３効用缶１０ｃ）が、第２のサーモコンプレッサ３４により蒸気が吸引される蒸発缶（すなわち、第２効用缶１０ｂ）よりも後段側に位置しており、これによって、第１のサーモコンプレッサ３２および第２のサーモコンプレッサ３４で吸引される蒸気の合計量の増大を図っているが、例えば第１のサーモコンプレッサ３２の出口圧力を高めるために、図２に示すように、第１のサーモコンプレッサ３２により蒸気が吸引される蒸発缶（図２では第２効用缶１０ｂ）が、第２のサーモコンプレッサ３４により蒸気が吸引される蒸発缶（図２では第４効用缶１０ｄ）よりも前段側に位置するような構成であってもよい。

また、本実施形態においては、第１のサーモコンプレッサ３２から吐出される第２の駆動蒸気の全てを第２のサーモコンプレッサ３４に導入するように構成しているが、図３に示すように、駆動蒸気導入管２８から分岐管２８１を介して第２の駆動蒸気の一部を蒸気移送管２３に合流させ、いずれかの蒸発缶（図３では第３効用缶１０ｃ）の加熱用蒸気として用いるように構成してもよい。あるいは、駆動蒸気導入管２８から分岐させた第２の駆動蒸気を、第３のサーモコンプレッサに導入していずれかの蒸発缶の蒸気を吸引混合し、この混合蒸気を他の蒸発缶における加熱用蒸気として用いるように構成することも可能である。

また、本実施形態においては、第２のサーモコンプレッサ３４から吐出される加熱用蒸気を、最前段の蒸発缶である第１の蒸発缶１０ａに導入するように構成しているが、第１の蒸発缶１０ａにおける熱交換器１２ａの熱源となる蒸気の供給源が他に存在する場合には、第２のサーモコンプレッサ３４から吐出される加熱用蒸気の全部または一部を、他の蒸発缶に導入するように構成してもよい。この場合、第１のサーモコンプレッサ３２および第２のサーモコンプレッサ３４が蒸気を吸引する蒸発缶よりも前段側の蒸発缶に、加熱用蒸気を導入するように構成することが好ましい。

また、上記の説明においては、蒸留水製造装置１を海水淡水化装置として用いる場合を想定しているが、この用途に限定されるものではなく、例えば、原料水である水溶液を蒸発濃縮する装置として使用することも可能である。

１ 蒸留水製造装置
１０ａ〜１０ｆ 蒸発缶（効用缶）
１２ａ〜１２ｆ 熱交換器
３２ 第１のサーモコンプレッサ
３４ 第２のサーモコンプレッサ

Claims (5)

1. 原料水を加熱して蒸気を生成する熱交換器を有する蒸発缶を複数備え、
   複数の前記蒸発缶は、前段で生成された蒸気を後段の前記熱交換器の熱源として導入するように順次接続されており、
   原料水と熱交換した蒸気を凝縮して蒸留水を生成する蒸留水製造装置であって、
   一の前記蒸発缶で生成された蒸気の一部を第１の駆動蒸気により吸引混合して第２の駆動蒸気を生成する第１のサーモコンプレッサと、
   他の前記蒸発缶で生成された蒸気の一部を前記第２の駆動蒸気により吸引混合して加熱用蒸気を生成する第２のサーモコンプレッサとを備え、
   前記加熱用蒸気を、前記第１のサーモコンプレッサおよび前記第２のサーモコンプレッサが蒸気を吸引する前記蒸発缶よりも前段側の前記蒸発缶における前記熱交換器の熱源として導入するように構成された蒸留水製造装置。
2. 前記第１のサーモコンプレッサおよび第２のサーモコンプレッサは、いずれも最前段および最後段以外の前記蒸発缶で生成された蒸気を吸引する請求項１に記載の蒸留水製造装置。
3. 前記第１のサーモコンプレッサにより蒸気が吸引される前記蒸発缶は、前記第２のサーモコンプレッサにより蒸気が吸引される前記蒸発缶よりも後段側に配置されている請求項１または２に記載の蒸留水製造装置。
4. 前記第１のサーモコンプレッサで生成された前記第２の駆動蒸気が、前記蒸発缶内を通過することなく前記第２のサーモコンプレッサに導入される請求項１から３のいずれかに記載の蒸留水製造装置。
5. 原料水を加熱して蒸気を生成する熱交換器をそれぞれ有する複数の蒸発室を、前段の前記蒸発室で生成された蒸気が後段の前記蒸発室における前記熱交換器の熱源として導入されるように順次接続し、原料水と熱交換した蒸気を凝縮して蒸留水を生成する蒸留水製造方法であって、
   第１のサーモコンプレッサを用いて、一の前記蒸発室で生成された蒸気の一部を第１の駆動蒸気により吸引混合して第２の駆動蒸気を生成するステップと、
   第２のサーモコンプレッサを用いて、他の前記蒸発室で生成された蒸気の一部を前記第２の駆動蒸気により吸引混合して加熱用蒸気を生成するステップとを備え、
   前記加熱用蒸気を、前記第１のサーモコンプレッサおよび前記第２のサーモコンプレッサが蒸気を吸引する前記蒸発室よりも前段側の前記蒸発室における前記熱交換器の熱源として導入する蒸留水製造方法。

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