JP5758638B2

JP5758638B2 - 真空蒸発式ｖｏｃ回収装置及び方法

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Publication number: JP5758638B2
Application number: JP2011018538A
Authority: JP
Inventors: 藤岡　完; 完藤岡; 田中　茂; 茂田中
Original assignee: Anest Iwata Corp; Keio University
Current assignee: Anest Iwata Corp; Keio University
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2031-01-31
Also published as: US20120193301A1; FR2970878A1; CN102614754B; JP2012157808A; CN102614754A

Description

本発明は、ＶＯＣ（ＶｏｌａｔｉｌｅＯｒｇａｎｉｃＣｏｍｐｏｕｎｄｓ：揮発性有機化合物）を除去するために用いられたＶＯＣ除去液（以下、除去液と称する）から、そこに含まれるＶＯＣを除去し、除去液を回収するためのＶＯＣ除去液再生・回収装置及び再生・回収方法に関するものである。

例えば塗装や印刷工程において発生する排気ガスにはＶＯＣが含まれ、ＶＯＣが含まれる排気ガスを直接大気中に放出すると、二次汚染を引き起こすことが知られている。そこで、排気ガスからＶＯＣを除去するための技術が検討されてきている。

排気ガスからＶＯＣを除去する技術として、例えば特許文献１に開示された技術がある。
特許文献１に開示された技術においては、ＶＯＣ（排気ガス）に接触させて吸収させた除去液（吸収液）を回収する吸収液回収槽が設けられている。前記吸収液回収槽にはヒータが設けられており、ヒータの加温によって除去液からＶＯＣを蒸発除去するように構成されているものである。

また、排気ガスからＶＯＣを除去する別の技術として、脱気膜を用いた除去液回収機構に関する技術が特許文献２に開示されている。
特許文献２に開示された技術は、処理すべき液体を気体透過膜の一方の側に導入し、他方の側の気相を減圧することにより、液中に含有される気体ないし揮発性物質を気相室へ除去するモジュールにより構成されている。特許文献２に開示された技術においては、さらに、減圧した気相室に搬送ガスとしての空気を導入するためのエアブリーダーが設けられている。該エアブリーダーは、脱気を促進するための手段であって、そこから導入されたガスが、気体透過膜を透過した揮発性物質を効率よく運び去るような位置に設けられることが好ましく、さらに、気体透過膜として、平膜、中空糸膜、管状膜の非多孔質膜や多孔質膜を適用することができる。

特開２００２−２７３１５７号公報特許第２９４９７３２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、除去液（吸収液）回収のためにヒータを用いているため、消費電力が大きくその分だけ余計にＣＯ_２を排出するという課題がある。また、特許文献２に開示された技術においては、気体透過膜を必要とするので、透過する際に揮発物質等が受ける悪影響により処理効率が悪いという課題がある。

従って、本発明においては、ヒータが不要であるため、ヒータの使用に係る電力を消費しない分だけＣＯ_２の排出量を削減することができ、気体透過膜を必要としないため、気体透過膜を透過する際に揮発物質等が悪影響を受けることがないＶＯＣ除去液再生・回収装置及び再生・回収方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明においては、ＶＯＣ除去液中に含まれるＶＯＣを除去してＶＯＣ除去液を再生・回収するＶＯＣ除去液再生・回収装置であって、ＶＯＣ除去液を噴霧する送液ポンプ及びノズルと、前記ノズルを内部に配置した真空容器と、前記真空容器内部を減圧してＶＯＣ除去液に含まれるＶＯＣを真空蒸発させる真空ポンプと、前記真空容器内に蒸発促進気体を導入する気体導入機構と、前記真空容器から処理後のＶＯＣ除去液を排出する排液機構と、を有し、外部からの空気を圧縮して熱エネルギー及び圧力エネルギーを有する圧縮空気を生成する圧縮機を備え、前記送液ポンプからノズルに至る通路上に熱交換器を設け、該熱交換器で前記ＶＯＣ除去液と前記圧縮空気を熱交換して、前記熱エネルギーを前記ＶＯＣ除去液に供給し、前記送液ポンプは空気圧を動力源として駆動するエアー駆動型ポンプであって、該送液ポンプの動力源として前記圧縮空気の圧力エネルギーを利用する。

これにより、前記送液ポンプによって圧送されたＶＯＣ除去液が、真空容器内においてノズルから噴霧される。真空ポンプの働きにより真空容器内は減圧され、これによってＶＯＣ除去液からＶＯＣが真空蒸発する。ＶＯＣ除去液は噴霧によって霧状になっているので単に貯留してあるものに比べてその表面積が飛躍的に拡大している。これと相まって、気体導入機構を介した蒸発促進気体の導入が、真空蒸発の効率をよくする。すなわち、ＶＯＣ除去液の再生・回収が効率よく行われる。ここで、「真空蒸発」とは、気相の圧力を減圧してＶＯＣ除去液から揮発性物質等を分離する方法のことをいう。

さらに、前記圧縮空気の熱エネルギーをＶＯＣ除去液の加熱に利用することで、ＶＯＣ除去液が加熱されて真空蒸発をさらに効率的に行うことができる。これは、コンプレッサで生成された高温高圧の圧縮空気の熱エネルギーを、熱交換器を使用してＶＯＣ除去液に伝えることにより可能となる。

さらに、前記熱交換後の降温した圧縮空気の圧力エネルギーを、ＶＯＣ除去液を真空容器内に圧送するための前記送液ポンプの駆動源として利用するため、コンプレッサにより生成された圧縮空気が持つ圧力エネルギーを無駄なく有効に使用することができる。

従って、ヒータが不要であるため、ヒータの使用に係る電力を消費しない分だけＣＯ_２の排出量を削減することができ、気体透過膜を必要としないため、気体透過膜を透過する際に揮発物質等が悪影響を受けることもない。しかも高効率でＶＯＣ除去液から、そこに含まれるＶＯＣを除去し、除去液を回収することができる。

また、前記排液機構から排出されたＶＯＣ除去液を貯留する貯液槽を有し、前記熱交換器で熱交換した後の圧縮空気を、前記貯液槽内に導入する圧縮空気導入手段を設けるとよい。前記貯液槽は２つ設け除去液の貯留を交互に行えるようにしてもよい。
これにより、コンプレッサにより生成された圧縮空気が持つ圧力エネルギーをさらに有効に活用することができる。

また、前記熱交換器で熱交換した後の圧縮空気を貯留する空気タンクを設けるとよい。
これにより、前記空気タンクが前記圧縮空気のバッファとなり、圧縮空気の圧力エネルギーをさらに無駄なく活用することができる。

また、前記蒸発促進気体は大気の代わりに前記圧縮機からの圧縮空気を用いてもよい。加温空気を真空タンク内に直接導入することで真空タンク内の急激な冷却を抑えることができる。

また、課題を解決するための方法の発明として、ＶＯＣ除去液中に含まれるＶＯＣを除去してＶＯＣ除去液を再生・回収するＶＯＣ除去液再生・回収方法であって、コンプレッサによって生成された圧縮気体と熱交換して昇温されたＶＯＣ除去液を真空容器内部に噴霧しながら該真空容器内部を真空ポンプによって減圧し、さらに、蒸発促進気体を該真空容器内に導入することによってＶＯＣ除去液に含まれるＶＯＣを真空蒸発させ、前記熱交換した後の圧縮空気を、前記ＶＯＣ除去液を噴霧するための送液ポンプの駆動源として使用する。

また、前記ＶＯＣを真空蒸発させた後のＶＯＣ除去液を、前記真空容器外部に設けた貯液槽に貯留し、前記熱交換した後の圧縮空気の圧力により、前記貯液槽から前記ＶＯＣ除去液を排出するとよい。

本発明によれば、ヒータが不要であるため、ヒータの使用に係る電力を消費しない分だけＣＯ_２の排出量を削減することができ、気体透過膜を必要としないため、気体透過膜を透過する際に揮発物質等が悪影響を受けることがないＶＯＣ除去液再生・回収装置及び再生・回収方法を提供することができる。

実施例におけるＶＯＣ除去液再生・回収装置を示す系統図である。ＶＯＣ再生・回収実験の結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、実施例におけるＶＯＣ除去液再生・回収装置を示す系統図である。
ＶＯＣ除去液再生・回収装置１（以下、再生・回収装置１と称する）は、ＶＯＣが含まれたＶＯＣ除去液（以下、被処理除去液と称する）からＶＯＣを除去して、ＶＯＣ除去液（以下、再生除去液と称する）を再生・回収するものである。

まず、図１に基づいて実施例における再生・回収装置の構造について説明する。
図１に示す再生・回収装置１は、貯留タンク３、送液ポンプ５、噴霧ノズル７、真空容器９、真空ポンプ１１、気体導入機構１３、排液機構１５、貯液槽１７、コンプレッサ１９、熱交換器２１、空気タンク２３を有して構成される。

貯留タンク３は、外部から抽入されたＶＯＣ除去液（被処理除去液Ｌｄ）を貯留するタンクである。貯留タンク３を設けず、貯留タンク３の代わりにＶＯＣ除去装置（図示省略）から直接被処理除去液Ｌｄを取り出したり、被処理除去液Ｌｄの送液管（図示省略）の途中に送液ポンプ５を設けたりすることもできる。送液ポンプ５は、貯留タンク３に貯留されている被処理除去液Ｌｄを取り出してノズル７へ圧送するためのものである。ノズル７は圧送された被処理除去液Ｌｄを真空容器９内で噴霧するためのものである。真空ポンプ１１の排気側にはＶＯＣ処理機構である冷却凝縮装置２７が設けられている。コンプレッサ１９は高温高圧の圧縮空気を生成するものである。熱交換器２１は、コンプレッサ１９で生成された圧縮空気と送液ポンプ５からノズル７へ圧送される被処理除去液Ｌｄとを熱交換して被処理除去液Ｌｄを昇温するためのものである。0空気タンク２３は、熱交換器２１で被処理除去液Ｌｄと熱交換した圧縮空気を貯留するためのタンクである。

真空容器９は、接続した真空ポンプ１１によって内部が減圧されるようになっている筒状容器である。真空容器９内の上部にはノズル７が配されており、その下部には気体導入機構１３、最下部には排液機構１５が配されている。さらに、真空容器９内部の高さ方向の途中であってノズル７の下方且つ気体導入機構の上方に霧トラップ２５が設けられており、真空容器９上部であってノズル７より上方に霧トラップ２５’が設けられている。また、霧トラップ２５より下方には熱交換器２１が設けられている。尚、本実施例では熱交換器２１は真空容器９の内部に設けたが真空容器の外に設けても良い。

本実施例においては、霧トラップ２５は、連続気泡フォームであるポリウレタンフォームとそれを下支えする支持体とから構成されている。ポリウレタンフォームは、軽量且つ安価に手に入れることができる。さらにポリウレタンフォームは、その一辺を１ｍの立方体である場合（即ち容積１立方メートル）に、その単位容積あたり１４９０ｍ^２という膨大な表面積（セル壁の総面積）を有し、空隙率も０．９７でＶＯＣ除去液の通過抵抗もほとんどないという利点を有している。これに伴い、そのセル壁に付着する被処理除去液Ｌｄの総面積も膨大となり、これが効率の良いＶＯＣの真空蒸発を実現する。従来のセラミック製ガス吸着用多孔体と比較して軽量・安価（概ね１／１０以下）であり、ポリウレタンフォームは非常に使い勝手がよい。もっとも隣接気泡間のセル壁が相互に連通している気泡構造の気包体であって、被処理除去液Ｌｄがそのセル壁に付着可能なものであれば、ポリウレタンフォーム以外のフォームを採用することもできる。なお、霧トラップ２５’は、霧トラップ２５と同様にポリウレタンフォームを採用しているが、霧トラップの目的が達成できれば他の連続気泡フォームその他の部材を採用することもできる。

霧トラップ２５を構成する前記支持体は、網状の部材であって真空容器９内部を横断するように取り付けてある。前記支持体を網状にすることで、被処理除去液Ｌｄが過度に滞留せずに前記連続気泡フォームから滴下できる。従って、前記支持体の網目は、前記連続気泡フォームを下支えするのに十分であり、かつＶＯＣ除去液の滴下が円滑に行われる程度の粗さであることが必要である。そのような目的が達成できるものであれば、前記支持体は、網状以外の例えば簀の子状のもの、パンチングメタルのような多数の小穴を形成した板部材等によって構成することもできる。なお、前記連続気泡フォームが十分に自立可能な硬さを持っている場合や、連続気泡フォーム以外の自立可能な部材を霧トラップとして採用した場合等、前記支持体が不要である場合には支持体は省略可能である。

ノズル７は、前述の通り霧トラップ２５の上方に位置し、噴霧した被処理除去液Ｌｄが真空容器９内に満遍なく行き渡るように噴霧角や霧トラップ２５との距離、噴霧圧力、噴霧粒径等を調整する。ノズル７の個数は、本実施例においては１個としているが、真空容器９の容積や被処理除去液Ｌｄの単位時間あたりの処理量等に応じて２つ以上設けることもできる。

気体導入機構１３は、リーク弁である。真空ポンプ１１を駆動させて真空容器９内を減圧した状態でこのリーク弁を開放すると、蒸発促進用気体（本実施例の図１においては大気導入を図示したが、コンプレッサ１９からの加温された圧縮空気を直接導入しても良い）を真空容器９内へ吸引導入するようになっている。なお、リーク弁を設ける代わりに、ノズル７を介して蒸発促進用気体を真空容器９内に導入するように構成してもよい。また、リーク弁とノズル７の両者によって蒸発促進用気体の導入を行ってもよい。これらの場合には、ノズル７は、被処理除去液を噴霧する機能と気体導入機構１３の機能を兼ね備えることになる。

次に、図１に基づいて実施例における再生・回収装置の動作について説明する。
再生・回収装置１によれば、貯留タンク３内に貯留されている被処理除去液Ｌｄは、送液ポンプ５によって圧送され、熱交換器２１でコンプレッサ１９からの圧縮空気と熱交換して昇温された後、ノズル７から真空容器９内に噴霧される。一方、熱交換器２１で前記被処理除去液Ｌｄと熱交換することで高圧を保持したまま降温した圧縮空気は、空気タンク２３に貯留される。
なお、送液ポンプ５は、駆動源が圧縮空気であるエアー駆動型のポンプである。送液ポンプの駆動源として、空気タンク２３に貯留された圧縮空気を、減圧弁３１によって適度な圧力に降圧して利用する。

また、真空ポンプ１１を駆動させることにより真空容器９内は減圧され、該減圧によりノズル７から噴霧された被処理除去液ＬｄからＶＯＣが真空蒸発する。被処理除去液Ｌｄは噴霧によって霧状になっているので単に貯留してあるものに比べてその表面積が飛躍的に拡大している。さらに、被処理除去液Ｌｄは、熱交換器２１で昇温されているため、さらに蒸発しやすくなっている。

そして、霧状の被処理除去液Ｌｄは霧トラップ２５を構成する連続気泡フォームに到着してそのセル壁に付着する。前記セル壁に付着した被処理除去液Ｌｄは、その表面積をさらに拡大する。拡大を重ねた被処理除去液Ｌｄの表面積は膨大なものとなる。これらと相まって、気体導入機構１３を介した蒸発促進気体（空気）の導入が、真空蒸発の効率をよくする。すなわち、被処理除去液Ｌｄの回収（再生除去液Ｌｃへの転換）が効率よく行われる。被処理除去液Ｌｄは、前記連続気泡フォームを通過（下降）しながら再生除去液Ｌｃとなり、前記連続気泡フォーム及び支持体を通過して滴下する。

滴下した再生除去液Ｌｃは、排液機構１５を介して真空容器９外へ排出され、貯液槽１７に貯留される。貯液槽１７に貯留された再生除去液Ｌｃは、適宜貯液槽１７から排出される。貯液槽１７からの再生除去液Ｌｃの排出に際しては、貯液槽１７の下部に設けた排出バルブ１８を開放し、空気タンク２３に貯留された圧縮空気を配管３３を介して貯液槽１７に導入し、貯液槽１７の内圧を上げることで、再生除去液Ｌｃを容易に外部に排出することができる。なお、配管３３には、減圧弁３５、スピードコントローラ３７、圧縮空気導入弁３９が設けられている。空気タンク２３から貯液槽１７に導入する圧縮空気の圧力及び導入量を減圧弁３５及びスピードコントローラ３７で調整することができるとともに、空気タンク２３から貯液槽１７への圧縮空気の導入の必要がないときには圧縮空気導入弁３９を閉止することで導入を停止することができる。

尚、貯液槽１７の手前には排液バルブ４０が設けられていて、空気タンク２３からの圧縮空気を用いたエアオペレート式切換制御弁とすることで真空容器９から排出される除去液を２つの貯液槽１７に交互に貯留することができる。

気体導入機構１３について付け加えて説明する。
前提として従来の技術によるＶＯＣ除去液からのトルエン回収率の結果について説明する。
ＶＯＣを含んだＶＯＣ除去液を再生させる従来の方法としては膜分離によるＰＶ法（パーベーパレーション法）がある。しかし、この方法ではＶＯＣ除去液からのトルエン回収率０．０２７％程度と非常に低い値となりリアルタイムでのＶＯＣ除去液の再生は困難である。

そこで、図２（ａ）に示すように膜の透過抵抗を小さくするために多孔質の膜を用いた真空蒸発法によりＶＯＣ蒸発量を多くすることができる。前述のＰＶ法によるトルエンの蒸発濃度は約７０ｐｐｍで安定し、回収率は０．０２７％程度であったのに対し、図２（ａ）に示すような多孔膜を用いた真空蒸発法によるトルエン蒸発濃度は約２００ｐｐｍで安定し、回収率は０．０７７％であり、ＰＶ法と比較して３倍に向上している。しかし、図２（ａ）に示すような多孔膜を用いた真空蒸発法であっても、リアルタイムでのＶＯＣ除去液の再生は困難である。

即ち、前述のように従来の方法では、数十Ｐａ以下と高真空にするため空気の流動がなく蒸発したＶＯＣを効率よく回収することが出来なかったと考えられる。これに対し空気流動真空蒸発法は、図２（ｂ）に示すように、真空容器をリークして空気を導入して真空度を低くした状態で空気の流動によって蒸発したＶＯＣをぬぐって回収する方法である。この方法においては、トルエン蒸発には数千Ｐａ程度の比較的低い真空とするとＶＯＣの回収を効率的におこなうことができることが確認できた。また、気体透過膜を用いず除去液を噴霧する本発明の空気流動真空蒸発法によればトルエン蒸発濃度は約２９００ｐｐｍで安定し、回収率は９３．５％であった。

つまり、本発明によれば、ＶＯＣ回収率９３．５％と従来と比較して飛躍的に上昇し、リアルタイムでの除去液の再生が可能となった。

また、本発明によれば、前記圧縮空気の熱エネルギーを被処理除去液Ｌｄの加熱に利用することで、被処理除去液Ｌｄが加熱されて真空蒸発をより効率的に行うことができる。しかも、コンプレッサで生成された高温高圧の圧縮空気の熱エネルギーを、真空容器内に設けた熱交換器を使用して被処理除去液Ｌｄに伝える場合は、被処理除去液Ｌｄの加熱を真空容器外部で行うことなく安全で効率よく被処理除去液Ｌｄの加熱が可能となる。

さらに、前記熱交換後の降温した圧縮空気の圧力エネルギーを、被処理除去液Ｌｄを真空容器内に圧送するための送液ポンプ５の駆動源として利用するとともに、分離後の除去液を貯液槽から効率よく排出するための圧送機能として使用するため、コンプレッサにより生成された圧縮空気が持つエネルギーを無駄なく有効に使用することができる。

従って、被処理除去液Ｌｄの加熱手段として圧縮空気を利用することで、被処理除去液Ｌｄの加熱にヒータを用いる必要がなく、ヒータの使用に係る電力の削減、ＣＯ_２の排出の削減が可能であるとともに、ヒータによる引火の危険性を回避することができる。つまり空圧を利用した装置なので防爆構造を考慮する必要もなく安全である。

さらに、被処理除去液Ｌｄとの熱交換後の降温した圧縮空気の圧力エネルギーを利用することで、エアー駆動式ポンプ及び空気圧を利用した分離後の再生除去液Ｌｃの排出を一連のシステムとして有効活用し、装置全体のエネルギー効率を高めることができる。

ヒータが不要であるため、ヒータの使用に係る電力を消費しない分だけＣＯ_２の排出量を削減することができ、気体透過膜を必要としないため、気体透過膜を透過する際に揮発物質等が悪影響を受けることがないＶＯＣ除去液再生・回収装置及び再生・回収方法として利用することができる。

１ＶＯＣ除去液再生・回収装置
３貯留タンク
５送液ポンプ
７ノズル
９真空容器
１１真空ポンプ
１３気体導入機構
１５排液機構
１７貯液槽
１９コンプレッサ（圧縮機）
２１熱交換器
２３空気タンク
２５、２５’ 霧トラップ

Claims

ＶＯＣ除去液中に含まれるＶＯＣを除去してＶＯＣ除去液を再生・回収するＶＯＣ除去液再生・回収装置であって、
ＶＯＣ除去液を噴霧する送液ポンプ及びノズルと、
前記ノズルを内部に配置した真空容器と、
前記真空容器内部を減圧してＶＯＣ除去液に含まれるＶＯＣを真空蒸発させる真空ポンプと、
前記真空容器内に蒸発促進気体を導入する気体導入機構と、
前記真空容器から処理後のＶＯＣ除去液を排出する排液機構と、を有し、
外部からの空気を圧縮して熱エネルギー及び圧力エネルギーを有する圧縮空気を生成する圧縮機を備え、
前記送液ポンプからノズルに至る通路上に熱交換器を設け、該熱交換器で前記ＶＯＣ除去液と前記圧縮空気を熱交換して、前記熱エネルギーを前記ＶＯＣ除去液に供給し、
前記送液ポンプは空気圧を動力源として駆動するエアー駆動型ポンプであって、該送液ポンプの動力源として前記圧縮空気の圧力エネルギーを利用することを特徴とするＶＯＣ除去液再生・回収装置。
前記排液機構から排出されたＶＯＣ除去液を貯留する貯液槽を有し、
前記熱交換器で熱交換した後の圧縮空気を、前記貯液槽内に導入する圧縮空気導入手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のＶＯＣ除去液再生・回収装置。
前記貯液槽を２つ設け除去液の貯留を交互に行えるようにしたことを特徴とする請求項２記載のＶＯＣ除去液再生・回収装置。
前記熱交換器で熱交換した後の圧縮空気を貯留する空気タンクを設けたことを特徴とする請求項２記載のＶＯＣ除去液再生・回収装置。
前記蒸発促進気体に前記圧縮機からの圧縮空気を用いることを特徴とする請求項４記載のＶＯＣ除去液再生・回収装置。
ＶＯＣ除去液中に含まれるＶＯＣを除去してＶＯＣ除去液を再生・回収するＶＯＣ除去液再生・回収方法であって、
コンプレッサによって生成された圧縮気体と熱交換して昇温されたＶＯＣ除去液を真空容器内部に噴霧しながら該真空容器内部を真空ポンプによって減圧し、さらに、蒸発促進気体を該真空容器内に導入することによってＶＯＣ除去液に含まれるＶＯＣを真空蒸発させ、
熱交換した後の圧縮空気を、前記ＶＯＣ除去液を噴霧するための送液ポンプの駆動源として使用することを特徴とするＶＯＣ除去液再生・回収方法。
前記ＶＯＣを真空蒸発させた後のＶＯＣ除去液を、前記真空容器外部に設けた貯液槽に貯留し、
熱交換した後の圧縮空気の圧力により、前記貯液槽から前記ＶＯＣ除去液を排出することを特徴とする請求項６記載のＶＯＣ除去液再生・回収方法。