JP5760214B2 - 溶液の濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、アルコール水溶液などを濃縮する装置に関し、とくに溶液をノズルからミストに噴霧して低沸点成分と高沸点成分とを分離して濃縮する装置に関する。

オフセット印刷の洗浄廃液を濃縮して再生する装置は開発されている（特許文献１参照）。この装置は、洗浄廃液をミストに噴霧し、噴霧されたミストをサイクロンで分離して、洗浄液に含まれるインキやインキに含まれる可溶性成分、さらに輪転機の機械油などを除去して洗浄液を濃縮する。
特開２００５−１３１５４３号公報

特許文献１の装置は、洗浄廃液から機械油などを分離して再使用できるように再生して洗浄液を濃縮する。オフセット印刷の洗浄液には揮発性の溶剤が使用される。印刷機を洗浄した洗浄液は、インキ、インキに含まれる可溶性成分、輪転機の機械油等の汚れ成分が混合される。これらの汚れ成分は、洗浄液に比較して蒸発し難いことから、蒸発法で分離できる。特許文献１の装置は、図１に示すように、洗浄液をサイクロン状の蒸発室９２にミストとして噴霧する。噴霧されたミストは、蒸発しやすい溶剤が気化されてサイクロン状の蒸発室９２の上方から排出され、インキや機械油などは下方から排出される。サイクロン状の蒸発室９２の上方に排出される溶剤は、冷却熱交換器９４で冷却されてサイクロン状の凝集器９３で凝集して回収される。サイクロン状の凝集器９３の上方から排出される気体は、加温熱交換器９５で加温されて超音波霧化室９１に循環される。

さらに、特許文献１には、洗浄廃液を超音波振動してミストに霧化する構造と、図２に示すように、ノズル９６から噴射してミストに霧化する構造を記載している。超音波振動で洗浄廃液をミストに霧化する装置は、溶剤が機械油などの汚れ成分に比較してミストに霧化されやすく、霧化する過程で溶剤を分離できる作用がある。ただ、超音波振動でミストに霧化する装置は、超音波振動子やこれを駆動する高周波電源を必要とすることから設備コストが高くなる欠点がある。また、寿命が限られている超音波振動子を定期的に交換することからランニングコストも高くなる欠点がある。洗浄廃液をノズルから噴射してミストに霧化する装置は、製造コストとランニングコストを低減できる。ただ、ノズルは、全ての洗浄廃液をサイクロン状の蒸発室に噴射することから、ノズルからミストに噴射する過程では、溶剤と機械油などの汚れ成分を分離できない。すなわち、噴射されたミストは、洗浄廃液と同じ濃度で機械油などの汚れ成分を含有する。このように、ノズルは、全ての洗浄廃液をサイクロン状の蒸発室に噴射してミストとすることから、蒸発室で溶剤と汚れ成分とを効率よく分離できない欠点があった。

本発明は、さらにこの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、ノズルで溶液をミストに噴霧する簡単な構造で製造コストとランニングコストの両方を低減しながら、効率よく分離して、濃縮できる溶液の濃縮装置を提供することにある。

本発明の請求項１の溶液の濃縮装置は、溶液を微細な粒子のミストに噴霧する複数のノズル１と、ノズル１から噴霧する溶液を加圧状態でノズル１に供給するポンプ４と、ノズル１から噴霧されるミストに搬送気体を供給してミストを含むミスト混合気体として移送する気体供給器２と、この気体供給器２で移送されるミスト混合気体が供給されて低沸点成分と高沸点成分とを分離する分離機３とを備える。ノズル１は、ポンプ４から供給される加圧された溶液を搬送気体中に噴射してミストとする。気体供給器２は、複数のノズル１に搬送気体を供給する複数の開口部９を有し、隣接するノズル１の間に開口部９を設けて、各々の開口部９から供給される搬送気体に複数のノズル１がミストを噴霧するミスト混合気体の生成ダクト７を備える。生成ダクト７は、内部に閉塞プレート８を設けて流入側と排出側とに区画して、この閉塞プレート８には、排出側にミストを噴霧するように複数のノズル１を固定して、貫通孔からなる開口部９を設けており、複数の開口部９からミストに霧化される領域に搬送気体を均一に供給して、複数の開口部９から供給される搬送気体中に複数のノズル１がミストを噴霧している。

本発明の請求項２の溶液の濃縮装置は、溶液を微細な粒子のミストに噴霧する複数のノズル１と、ノズル１から噴霧する溶液を加圧状態でノズル１に供給するポンプ４と、ノズル１から噴霧されるミストに搬送気体を供給してミストを含むミスト混合気体として移送する気体供給器２と、この気体供給器２で移送されるミスト混合気体が供給されて低沸点成分と高沸点成分とを分離する分離機３とを備える。ノズル１は、ポンプ４から供給される加圧された溶液を搬送気体中に噴射してミストとする。気体供給器２は、各々のノズル１に搬送気体を供給するスリット状の開口部３９を有し、開口部３９から供給される搬送気体に複数のノズル１がミストを噴霧するミスト混合気体の生成ダクト７を備える。生成ダクト７は、内部に閉塞プレート８を設けて流入側と排出側とに区画して、この閉塞プレート８には、排出側にミストを噴霧するように複数のノズル１が固定されると共に、貫通孔からなる開口部３９を設けて、開口部３９からミストに霧化される領域に搬送気体を均一に供給して、スリット状の開口部９から供給される搬送気体中に複数のノズル１がミストを噴霧している。

本発明の請求項３の溶液の濃縮装置は、隣接するノズル１の間に開口部９、３９を設けている。

本発明の請求項５の溶液の濃縮装置は、分離機３がサイクロン３０で、サイクロン３０の上方排出口３３から排出される搬送気体に含まれる低沸点成分を分離して濃縮している。

本発明の請求項６の溶液の濃縮装置は、分離機３がデミスター４０で、搬送気体に含まれる低沸点成分を分離して濃縮している。

本発明の請求項７の溶液の濃縮装置は、ノズル１から噴霧する溶液を冷却してミストに噴霧している。

本発明の請求項８の溶液の濃縮装置は、ノズル１から噴霧する溶液を冷却する熱エネルギでもって、搬送気体を加温している。

本発明の請求項９の溶液の濃縮装置は、濃縮される溶液を、アルコール水溶液、不凍液、石油のいずれかとしている。

本発明の請求項１０の溶液の濃縮装置は、搬送気体を、水素、アルゴン、メタンのいずれかとしている。

本発明の請求項１１の溶液の濃縮装置は、濃縮される溶液を、水と氷点降下剤を含む不凍液としており、サイクロン３０から上方に排出される第１の排気成分を水中にバブリングして氷点降下剤を水に溶解して分離して排気し、サイクロン３０から下方に排出される第２の排気成分をノズル１から噴射する溶液に循環して不凍液を濃縮している。

本発明の請求項１２の溶液の濃縮装置は、溶液をアルコール水溶液として、サイクロン３０から上方に排出される第１の排気成分を凝集、分離して濃縮されたアルコールを回収している。

本発明は、超音波振動によらず、ノズルで溶液をミストに噴霧することで、簡単な構造として製造コストとランニングコストの両方を低減しながら、分離機でもって効率よく分離、濃縮できる特徴がある。ノズルからミストに噴霧しながら効率よく分離、濃縮できるのは、複数のノズルから噴射されるミストに効率よく搬送気体を供給できるからである。請求項１の濃縮装置は、複数のノズルの各々に搬送気体を供給する複数の開口部を設け、複数の開口部から供給される搬送気体中に複数のノズルがミストを噴霧する。請求項３の濃縮装置は、各々のノズルに搬送気体を供給するスリット状の開口部を設けて、スリット状の開口部から供給される搬送気体中に複数のノズルがミストを噴霧する。

以上の構造の濃縮装置は、各々のノズルから噴霧されるミストに搬送気体を供給できる。したがって、ノズルから噴霧されたミストに含まれる低沸点成分は、供給される搬送気体に効率よく気化される。溶液をノズルからミストに噴霧して溶液を低沸点成分と高沸点成分とに分離して濃縮する装置は、低沸点成分と高沸点成分の気化率の相違によって分離される。たとえば、低沸点成分のアルコールが高沸点成分の水に溶解されたアルコール水溶液がミストに霧化されると、アルコール水溶液のミストに含まれる低沸点成分のアルコールが高沸点成分の水よりも多量に搬送気体に気化されて、高沸点成分の水がアルコールよりも気化されずにミストに残存しやすいことから、ミストと搬送気体とを分離して、搬送気体に気化された低沸点成分のアルコールを分離することで、アルコールを水から分離して濃縮できる。

従来の装置は、図２に示すように、複数のノズル９６から溶液をミストに噴霧してその通路に搬送気体を供給している。この構造は、供給された搬送気体に、効率よく低沸点成分を気化できない。それは、供給された搬送気体が上流側のノズルで噴霧されるミストの気化によって飽和状態となり、下流側で噴霧されるミストの低沸点成分を効率よく気化できなくなるからである。この構造に対して、本発明の濃縮装置は、複数のノズルの各々に、複数の開口部から均一に搬送気体を供給し、あるいはスリット状の開口部から均一に搬送気体を供給し、ミストに霧化される領域に搬送気体を均一に供給できる。このため、霧化されたミストにより均一に搬送気体を供給して、搬送気体が飽和状態となってミストの霧化が制限される状態を少なくできる。このため、霧化されたミストに含まれる低沸点成分をより効率よく搬送気体に気化させて、低沸点成分と高沸点成分とを効率よく分離できる。したがって、本発明は、搬送気体の供給構造を変更する極めて簡単な構造としながら、超音波振動させる装置に比較して設備コストを著しく低減しながら、低沸点成分と高沸点成分とを効率よく分離できる特徴がある。さらに、溶液をミストに霧化するノズルは、超音波振動子のような消耗部品でないことから定期的に交換する必要がなく、ランニングコストも著しく低減できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための溶液の濃縮装置を例示するものであって、本発明は濃縮装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

本発明の濃縮装置は、沸点が異なる複数の物質を含む溶液から一方を分離して濃縮する。溶液は、例えば以下のものである。以下の溶液は、溶媒を水とする水溶液、あるいは水以外の溶媒に溶質を溶解したもの、あるいは複数の液体が混合されたものである。
（１）バイオマスアルコール、清酒、ビール、ワイン、焼酎、ブランデー、ウイスキー、リキュール、みりん等のアルコール水溶液。
（２）エチレングリコール等の氷点降下剤を添加している不凍液。
（３）石油
（４）食酢、スピリッツ等の飲用物。
（５）ピネン、リナロール、リモネン、ポリフェノール類などの香料、芳香成分ないし香気成分を含む溶液。
（６）柑橘類などの天然物に含まれる香料、芳香成分ないし香気成分を含む溶液。
（７）飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合した物質を含む溶液。
（８）飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をハロゲンによって置き換えた物質を含む溶液。
（９）飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基を水酸基によって置き換えた物質を含む溶液。
（１０）飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をアミノ基によって置き換えた物質を含む溶液。
（１１）飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボニル基によって置き換えた物質を含む溶液。
（１２）飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボキシル基によって置き換えた物質を含む溶液。
（１３）飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をニトロ基によって置き換えた物質を含む溶液。
（１４）飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をシアノ基によって置き換えた物質を含む溶液。
（１５）飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をメルカプト基によって置き換えた物質を含む溶液。
（１６）前述の（７）〜（１５）の溶液に含まれるいずれか一つ以上の原子を金属イオンによって置換した物質を含む溶液。
（１７）先述の（７）〜（１５）の溶液に含まれる分子のうち任意の水素原子、炭素原子もしくは官能基を（７）〜（１５）の分子のうち任意の分子で置き換えた物質を含む溶液。

以上の溶液は、図３ないし図６に示す濃縮装置で濃縮される。これらの図の濃縮装置は、溶液を微細な粒子のミストに噴霧する複数のノズル１と、ノズル１から噴霧されるミストに搬送気体を供給してミストを含むミスト混合気体として移送する気体供給器２と、この気体供給器２で移送されるミスト混合気体が供給されて低沸点成分と高沸点成分とを分離する分離機３とを備える。さらに、図の濃縮装置は、ノズル１から噴霧する溶液を加圧状態でノズル１に供給するポンプ４を備えている。さらに、図３、図５及び図６の濃縮装置は、ノズル１から噴射する溶液を、冷却してノズル１に供給する冷却機構５も備える。溶液を冷却機構５で冷却してノズル１から噴霧する装置は、高濃度に低沸点成分を分離できる特徴がある。ただ、本発明の濃縮装置は、図４に示すように、冷却機構を設けることなく、溶液をノズル１に供給することもできる。さらに、図３、図４、及び図６の濃縮装置は、分離機３をサイクロン３０とするが、分離機３には、図５に示すように、サイクロンに代わってデミスター４０なども使用できる。

ポンプ４は、溶液を加圧してノズル１に供給する。ポンプ４が加圧する圧力を高くして、ノズル１から噴射されるミストの平均粒径を小さくできる。ただ、ミストの平均粒径は、ポンプから供給される溶液の圧力のみでなく、ノズルの構造によっても変化する。このことから、ポンプが溶液を加圧してノズルに供給する圧力は、ノズルの構造や要求されるミストの粒径を考慮して最適値に設定されるが、好ましくは０．１ＭＰａ以上、好ましくは０．２ＭＰａ以上、さらに好ましくは０．３ＭＰａ以上とする。ポンプがノズルに供給する溶液の圧力が高いと、ポンプが高価になると共に、ポンプを運転するモータの消費電力が大きくなってランニングコストが高くなる。したがって、ポンプがノズルに供給する溶液の圧力は、たとえば１ＭＰａ以下、好ましくは０．８ＭＰａ以下、さらに好ましくは０．７ＭＰａ以下とする。アルコール水溶液や不凍液を濃縮する装置にあっては、ポンプが溶液を加圧してノズルに供給する圧力は、好ましくは０．３ＭＰａ〜０．６ＭＰａとする。

ノズル１は、加圧状態で供給される溶液を微粒子の状態でミストに霧化して噴射する。ノズル１は、搬送気体中に溶液をミストとして噴霧してミスト混合気体とする。このミスト混合気体は、分離機３のサイクロン３０またはデミスタ４０に供給されて分離される。

図７は、複数のノズル１が搬送気体中に溶液をミストに噴霧する構造を示している。搬送気体は、気体供給器２でノズル１に供給される。図７の気体供給器２は、搬送気体を加圧して圧送する気体加圧機６を備える。気体加圧機６は、有圧ファン又はポンプである。この気体加圧機６から圧送される搬送気体は、各々のノズル１の近傍に配設している複数の開口部９から噴出される。図７と図８は、複数のノズル１に搬送気体を供給する複数の開口部９をノズル１の近傍に設けて、各々の開口部９から供給される搬送気体に複数のノズル１がミストを噴霧するミスト混合気体の生成ダクト７を示している。この生成ダクト７は、内部に閉塞プレート８を設けて、流入側と排出側とに区画している。閉塞プレート８には、複数のノズル１を縦横に並べて固定している。ノズル１は、排出側にミストを噴霧するように閉塞プレート８に固定している。さらに、閉塞プレート８は、各々のノズル１に搬送気体を供給するように、各々のノズル１の近傍に貫通孔からなる開口部９を設けている。この図に示すように、各々のノズル１にひとつの開口部９を設ける構造は、各々のノズル１からミストを新鮮な搬送気体中に噴霧できるので、低沸点成分を効率よく搬送気体に気化できる。

さらに、図９に示すように、ひとつのノズル１の周囲に複数の開口部９を設ける構造は、ノズル１から噴霧されるミストの低沸点成分を、より効率よく搬送気体中に気化できる。図９の生成ダクト１７は、閉塞プレート１８に複数のノズル１を縦横に並べて固定すると共に、各ノズル１の周囲に４個の貫通孔である開口部９を等間隔に開口して設けている。開口部９は、ここから噴射する搬送気体でもって、各々のノズル１から噴霧されるミストを新鮮な、すなわち別のノズル１から噴霧されたミストで飽和状態とならない新鮮な搬送気体中に噴霧して、ミストの低沸点成分を効率よく気化させるものである。すなわち、複数のノズル１に、複数の開口部９から搬送気体を供給するのは、各々のノズル１から噴霧されるミストを新鮮な搬送気体中に噴霧してミストの低沸点成分を効率よく気化させるためである。したがって、複数の開口部９は、必ずしも全てのノズル１の近傍に設ける必要はなく、たとえば、図１０に示すように、隣接するノズル１の間に設けて、各々のノズル１に新鮮な搬送気体を供給することもできる。図の生成ダクト２７は、閉塞プレート２８に複数のノズル１を縦横に並べて固定すると共に、縦横に隣接して配置されるノズル１の間に貫通孔である開口部９を開口して設けている。

さらに、開口部は、必ずしも複数設ける必要はない。図１１は、各々のノズル１に搬送気体を供給するスリット状の開口部３９を設けて、スリット状の開口部３９から供給される搬送気体中に複数のノズル１がミストを噴霧するようにしている。図１１は、隣接するノズル１の間にスリット状の開口部３９を開口している。この生成ダクト３７は、複数のノズル１を固定している閉塞プレート３８にスリット状の開口部３９を設けている。スリットの開口部３９は細長いので、ひとつで複数のノズル１に新鮮な搬送気体を供給できる。したがって、スリット状の開口部３９は、ひとつで複数のノズル１に新鮮な搬送気体を供給できるが、ノズル１を縦横に並べて複数個設ける構造は、隣接するノズル１の間に、一列ないし複数列のスリット状の開口部３９を設けて、各々のノズル１に新鮮な搬送気体を供給できる。

以上の図の濃縮装置は、搬送気体を循環して使用する。この構造の濃縮装置は、搬送気体に水素、ヘリウム、窒素等のガスを使用する。濃縮装置は、好ましくは、搬送気体として、水素又はヘリウムを使用する。ただ、搬送気体は、水素とヘリウムを混合したガス、水素と空気の混合ガス、ヘリウムと空気の混合ガス、あるいはまた、水素とヘリウムと空気の混合ガスとすることもできる。さらに、搬送気体として、不活性ガスを使用することもできる。

搬送気体を循環して使用する濃縮装置は、搬送気体を外部に排気しないので、溶液が外部に漏れることがない。また、水素やヘリウムなどを使用してランニングコストを低減できる。ただし、本発明の濃縮装置は、搬送気体をこれらの気体に特定するものではなく、空気を使用することもできる。空気は循環する状態で使用し、あるいは循環させないで使用することもできる。循環させない濃縮装置は、新鮮空気を気体供給器で吸入して、開口部からノズルの近傍に供給する。

図３、図５、及び図６の冷却機構５は、ノズル１に供給する溶液を冷却する。さらに、図の冷却機構５は、冷却する熱エネルギーでもって、搬送気体を加温している。図３、図５、及び図６の冷却機構５は、冷媒の気化熱と凝縮熱で熱交換器を冷却又は加温している。この冷却機構５は、気化された冷媒を加圧するコンプレッサ２１と、このコンプレッサ２１で加圧された気体状の冷媒の熱を放熱して液化させる加温熱交換器２２と、加温熱交換器２２で液化された冷媒を断熱膨張させる膨張弁２３と、この膨張弁２３から供給される冷媒を内部で気化して気化熱で溶液を冷却する冷却熱交換器２４とを備える。

図３と図６の濃縮装置は、溶液の移送配管２６に冷却熱交換器２４を熱結合して、冷却熱交換器２４でもって移送配管２６を介して溶液を冷却する。この構造は冷却熱交換器２４で速やかに溶液を冷却できる。また、図５に示す濃縮装置は、冷却熱交換器２４をポンプ４が吸入する溶液を貯溜する溶液タンク１４に配設している。この冷却機構５は、溶液タンク１４の溶液中に冷却熱交換器２４を配設して溶液を冷却する。以上の冷却熱交換器２４は、溶液を凝固しない温度、たとえば０℃ないし２０℃に冷却する。溶液を冷却する温度を低くして、サイクロン３０から上方に排出される第１の排気成分を高濃度にできる。したがって、たとえばアルコール水溶液を濃縮する装置にあっては、溶液を冷却する温度を低くして、サイクロン３０から上方に排出されるアルコール濃度を高くできる。また、氷点降下剤を含む不凍液にあっては、サイクロン３０から上方に排出される水に含まれる氷点降下剤の濃度を低く、いいかえると水の濃度を高くできる。

さらに、図３、図５、及び図６の濃縮装置は、加温熱交換器２２を搬送気体の移送ダクト２４に熱結合して、加熱熱交換器２２でもって、移送ダクト２５を介して搬送気体を加温する。搬送気体は、温度を高くすることで、ノズルから噴霧されるミストの気化効率を高くできる。搬送気体の温度が高くなると、空気中に含むことができるガス量が増加するからである。加温熱交換器２２は、搬送気体を２５〜３０℃に加温する。ただし、加温熱交換器２２は、搬送気体を１５〜４０℃に加温することもできる。

分離機３のサイクロン３０は、供給されるミストを遠心分離する。したがって、サイクロン３０は、ミストを含む搬送気体を接線方向に流入させる。図３、図４、及び図６のサイクロン３０は、流入口３１と、遠心力で外側に加速されて内面に沿って落下する第２の排気成分を排出する下方排出口３２と、中心に集まる第１の排気成分を上方に排気する上方排出口３３とを有する。サイクロン３０は、流入口３１から流入されるミストを内部で回転して遠心分離する。サイクロン３０の内部で回転されるミストは、粒径によって遠心力が異なる。ミストが受ける遠心力は、ミストの質量に比例する。したがって、粒径が大きいミストは、大きな遠心力を受けてサイクロン３０の内面に移動し、内面に沿って落下して下方排出口３２から排出される。小さいミストやミストから気化された気体は質量が小さく、中心に集められて上方排出口３３から排出される。

また、図５に示す分離機３のデミスター４０は、ミストを含む搬送気体を通過させる状態で、粒径が大きいミストを衝突させて、大きく凝集して溶液として落下させ、粒径の小さいミストやミストから気化された気体を通過させて、上方から排出して分離する。さらに、分離機には、サイクロンやデミスター以外にも、供給されるミスト混合気体を粒径や質量で分離できる他の全てのもの、たとえば、吸着剤等も使用できる。

したがって、エチレングリコール等の氷点降下剤を含む不凍液をノズル１でミストに霧化して搬送気体でサイクロン３０に供給すると、ミストに含まれる水は搬送気体中に気化されて上方排出口３３から排出され、水よりも気化し難いエチレングリコールなどの氷点降下剤はミストの状態で状態で下方排出口３２から排出される。水がエチレングリコールなどの氷点降下剤よりも気化しやすいからである。したがって、上方排出口３３から排出される第１の排気成分は、氷点降下剤の濃度が低く、下方排出口３２から排出される第２の排気成分は、氷点降下剤の濃度が高くなる。したがって、第１の排気成分を水中にバブリングすることで搬送気体を水と氷点降下剤から分離できる。水と氷点降下剤の分離された搬送気体は、サイクロン３０に循環できる。下方排出口３２から排出される第２の排気成分は氷点降下剤の濃度が高いので、これを溶液タンク１６に循環して氷点降下剤の濃度を濃縮できる。図４の濃縮装置は、第１の排気成分をバブリングする水タンク１５を備えており、この水タンク１５に第１の排気成分をバブリングして、搬送気体から水と氷点降下剤を除去する。水タンク１５で水と氷点降下剤の分離された搬送気体は、気体加圧機６であるコンプレッサや有圧ファンなどでノズル１からサイクロン３０に循環される。図４の濃縮装置は、不凍液のように溶媒である水よりも気化し難い溶質である氷点降下剤を濃縮するのに適している。

溶媒よりも気化しやすい溶質を濃縮する装置、たとえばアルコール水溶液からアルコールを濃縮する装置は、サイクロン３０の上方排出口３３から排出される搬送気体に含まれるアルコールを凝集、分離して濃縮できる。アルコール水溶液をミストに霧化してサイクロン３０に供給すると、ミストに含まれるアルコールは搬送気体中に気化されて上方排出口３３から排出される。気化されない水は、ミストの状態で下方排出口３２から排出される。したがって、上方排出口３３から排出される第１の排気成分からアルコールを回収して高濃度なアルコールが得られる。

アルコール水溶液のように、溶媒の水よりも気化しやすいアルコールなどの溶質を濃縮する装置を図３、図５、及び図６に示す。これらの濃縮装置は、サイクロン３０の上方排出口３３、またはデミスター４０の上方から排出される第１の排気成分を回収する回収部５０を備える。回収部５０は、第１の排気成分を凝集して、搬送気体から分離して回収する。したがって、この回収部には、第１の排気成分である低沸点成分を凝集させて回収できるすべての構造であって、現在すでに開発され、あるいは今後開発されるすべての構造が使用できる。回収部は、たとえば、流入される搬送気体に含まれるアルコール等の成分を冷却しながら凝集させて溶液として回収することができ、あるいは、搬送気体に含まれるアルコール等の成分を吸着剤に吸着させて回収することができる。

搬送気体を冷却してアルコールを回収する回収部は、図示しないが、搬送気体を冷却してアルコールを凝集させる冷却用熱交換器を内蔵する。この冷却用熱交換器は、熱交換パイプに冷却用の冷媒や冷却水を循環させて、搬送気体を冷却することができる。冷却用熱交換器は、熱交換パイプにフィンを固定して、熱交換の効率をよくできる。この回収部は、流入される搬送気体に含まれるアルコール成分を冷却用熱交換器で冷却しながら大きく凝集させて、溶液として回収する。

アルコールを吸着剤に吸着させて回収する回収部は、図示しないが、吸着剤に吸着されたアルコールを加熱された回収気体で排出し、回収気体を冷却して排出されたアルコールを結露させて回収することができる。この回収部は、たとえば、空隙に吸着剤を設けているローターと、このローターを回転させる回転駆動機構とで構成することができる。ローターは、回転軸の方向に気体を通過できる空隙を有するハニカムローターである。吸着剤には、たとえば、ゼオライト、活性炭、酸化リチウム、シリカゲルのいずれか、もしくはこれらの混合物が使用できる。この回収部は、回転駆動機構でローターを所定の速度で回転させて、アルコールを吸着させる吸着領域と、吸着したアルコールを排出する再生領域とに移動させる。ローターが吸着領域に移動されると、アルコールを含む搬送気体が空隙に通過されて、搬送気体に含まれるアルコールが吸着剤に吸着される。ローターが回転して再生領域に移動されると、吸着したアルコールを排出する。排出されたアルコールは、回収気体を冷却して回収される。ローターの吸着領域を通過した搬送気体は、再び気体供給器に供給される。

さらに、図６に示す濃縮装置は、分離機３であるサイクロン３０の上方排出口３３から排出される第１の排気成分を、さらに複数のサイクロンで分離して、排出されるアルコール濃度を高くしている。とくに、図の装置は、この工程を繰り返すことにより、より高濃度のアルコールを回収する構造としている。図６の濃縮装置は、ノズル１からミストが供給されるサイクロン３０の上方排出口３３から排出される第１の排気成分を、複数の２次サイクロン３０Ａに供給している。この２次サイクロン３０Ａは、ノズル１からミストが供給されるサイクロン３０よりも数を多くして、供給されるミスト混合気体の流量を少なくしている。したがって、この２次サイクロン３０Ａには、ノズル１からミストが供給されるサイクロン３０よりも容積の小さいものを使用している。２次サイクロン３０Ａに供給された第１の排気成分は、各々の２次サイクロン３０Ａで遠心分離されて、２次サイクロン３０Ａの上方排出口３３Ａから第２次の排気成分が排出される。さらに、図に示す濃縮装置は、２次サイクロン３０Ａの上方排出口３３Ａから排出される第２次排気成分を、さらに、複数の３次サイクロン３０Ｂに供給している。３次サイクロン３０Ｂは、２次サイクロン３０Ａよりも数を多くして、供給されるミスト混合気体の流量をさらに少なくしている。したがって、この３次サイクロン３０Ｂには、２次サイクロン３０Ａよりもさらに容積の小さいものを使用している。３次サイクロン３０Ｂに供給される第２次排気成分は、各々の３次サイクロン３０Ｂで遠心分離されて、３次サイクロン３０Ｂの上方排出口３３Ｂから第３次排気成分が排出される。このように、サイクロンの上方排出口から排出される排気成分を繰り返し分離することにより、排出成分におけるアルコール濃度を高くしている。とくに、この濃縮装置は、１次のサイクロン３０による分離工程から、２次サイクロン３０Ａによる分離工程、さらには３次サイクロン３０Ｂによる分離工程と、複数の分離工程を繰り返すことにより、サイクロンに供給する流量を少なくして、ミスト混合気体の流速を遅くできるので、より高濃度にアルコールを分離できる特徴がある。

ここで、図１２は、分離機に供給される濃度１０％のアルコール溶液の温度に対する、ミスト混合気体の風量と、排出される排出気体中のアルコール濃度の関係を表している。このグラフで示すように、供給するミスト混合気体の温度が低いほど、排出される排出気体中のアルコール濃度は高くなる。このことからも、図３、図４、及び図６に示す濃縮装置のように、ノズル１に供給する溶液を冷却機構５で冷却することで、効率よくアルコールを分離して濃縮できることがわかる。また、このグラフで示すように、供給するミスト混合気体の風量が小さくなるにつれて、排出される排出気体中のアルコール濃度が高くなることが分かる。したがって、図６に示す濃縮装置のように、サイクロンで分離する工程を繰り返しながら、複数のサイクロンを使用して、供給するミスト混合気体の流量を少なくして風量を小さくすることで、より効率よく排出気体中のアルコール濃度を高くできる。

従来の溶液の濃縮装置の概略構成図である。 従来の溶液の濃縮装置が複数のノズルから溶液をミストに噴霧する状態を示す断面図である。 本発明の一実施例にかかる溶液の濃縮装置の概略構成図である。 本発明の他の実施例にかかる溶液の濃縮装置の概略構成図である。 本発明の他の実施例にかかる溶液の濃縮装置の概略構成図である。 本発明の他の実施例にかかる溶液の濃縮装置の概略構成図である。 複数のノズルが搬送気体中に溶液をミストに噴霧する構造を示す概略斜視図である。 複数のノズルと複数の開口部の配列の一例を示す図である。 複数のノズルと開口部の配列の他の一例を示す図である。 複数のノズルと複数の開口部の配列の他の一例を示す図である。 複数のノズルとスリット状の開口部の配列の一例を示す図である。 アルコール溶液の温度に対するミスト混合気体の風量と排出気体中のアルコール濃度の関係を示すグラフである。

１…ノズル
２…気体供給器
３…分離機
４…ポンプ
５…冷却機構
６…気体加圧機
７…生成ダクト
８…閉塞プレート
９…開口部
１４…溶液タンク
１５…水タンク
１７…生成ダクト
１８…閉塞プレート
２１…コンプレッサ
２２…加温熱交換器
２３…膨張弁
２４…冷却熱交換器
２５…移送ダクト
２６…移送配管
２７…生成ダクト
２８…閉塞プレート
３０…サイクロン ３０Ａ…２次サイクロン
３０Ｂ…３次サイクロン
３１…流入口
３２…下方排出口
３３…上方排出口 ３３Ａ…上方排出口
３３Ｂ…上方排出口
３７…生成ダクト
３８…閉塞プレート
３９…開口部
４０…デミスター
５０…回収部
９１…超音波霧化室
９２…蒸発室
９３…凝集器
９４…冷却熱交換器
９５…加温熱交換器
９６…ノズル

Claims (12)

1. 溶液を微細な粒子のミストに噴霧する複数のノズル(1)と、ノズル(1)から噴霧する溶液を加圧状態でノズル(1)に供給するポンプ(4)と、ノズル(1)から噴霧されるミストに搬送気体を供給してミストを含むミスト混合気体として移送する気体供給器(2)と、この気体供給器(2)で移送されるミスト混合気体が供給されて低沸点成分と高沸点成分とを分離する分離機(3)とを備える濃縮装置であって、
   前記ノズル(1)が、前記ポンプ(4)から供給される加圧された溶液を搬送気体中に噴射してミストとすると共に、
   前記気体供給器(2)が、複数のノズル(1)に搬送気体を供給する複数の開口部(9)を有すると共に、隣接するノズル(1)の間に前記開口部(9)を設けて、各々の開口部(9)から供給される搬送気体に複数のノズル(1)がミストを噴霧するミスト混合気体の生成ダクト(7)を備え、
   前記生成ダクト(7)は、内部に閉塞プレート(8)を設けて流入側と排出側とに区画して、この閉塞プレート(8)には、排出側にミストを噴霧するように複数のノズル(1)が固定されると共に、貫通孔からなる開口部(9)を設けて、複数の開口部(9)からミストに霧化される領域に搬送気体を均一に供給して、複数の開口部(9)から供給される搬送気体中に複数のノズル(1)がミストを噴霧する溶液の濃縮装置。
2. 溶液を微細な粒子のミストに噴霧する複数のノズル(1)と、ノズル(1)から噴霧する溶液を加圧状態でノズル(1)に供給するポンプ(4)と、ノズル(1)から噴霧されるミストに搬送気体を供給してミストを含むミスト混合気体として移送する気体供給器(2)と、この気体供給器(2)で移送されるミスト混合気体が供給されて低沸点成分と高沸点成分とを分離する分離機(3)とを備える濃縮装置であって、
   前記ノズル(1)が、前記ポンプ(4)から供給される加圧された溶液を搬送気体中に噴射してミストとすると共に、
   前記気体供給器(2)が、各々のノズル(1)に搬送気体を供給するスリット状の開口部(39)を有すると共に、隣接するノズル(1)の間にスリット状の開口部(39)を設けて、開口部(39)から供給される搬送気体に複数のノズル(1)がミストを噴霧するミスト混合気体の生成ダクト(7)を備え、
   前記生成ダクト(7)は、内部に閉塞プレート(8)を設けて流入側と排出側とに区画して、この閉塞プレート(8)には、排出側にミストを噴霧するように複数のノズル(1)が固定されると共に、貫通孔からなる開口部(39)を設けて、開口部(39)からミストに霧化される領域に搬送気体を均一に供給して、スリット状の開口部(39)から供給される搬送気体中に複数のノズル(1)がミストを噴霧する溶液の濃縮装置。
3. 複数のノズル(1)の周囲に複数の開口部(9)、(39)を設けている請求項１又は２に記載される溶液の濃縮装置。
4. 前記ノズル(1)を縦横に並べて複数個設けて、隣接するノズル(1)の間に、一列ないし複数列のスリット状の開口部(39)を設けてなる請求項３に記載される溶液の濃縮装置。
5. 前記分離機(3)がサイクロン(30)で、サイクロン(30)の上方排出口(33)から排出される搬送気体に含まれる低沸点成分を分離して濃縮する請求項１又は２に記載される溶液の濃縮装置。
6. 前記分離機(3)がデミスター(40)で、搬送気体に含まれる低沸点成分を分離して濃縮する請求項１又は２に記載される溶液の濃縮装置。
7. 前記ノズル(1)から噴霧する溶液を冷却してミストに噴霧することを特徴とする請求項１又は２に記載される溶液の濃縮装置。
8. 前記ノズル(1)から噴霧する溶液を冷却する熱エネルギーでもって、前記搬送気体を加温する請求項７に記載される溶液の濃縮装置。
9. 濃縮される前記溶液がアルコール水溶液、不凍液、石油のいずれかである請求項１又は２に記載される溶液の濃縮装置。
10. 前記搬送気体が、水素、アルゴン、メタンのいずれかを含む請求項１又は２に記載される溶液の濃縮装置。
11. 前記溶液が水と氷点降下剤を含む不凍液で、サイクロン(30)から上方に排出される第１の排気成分を水中にバブリングして氷点降下剤を水に溶解して分離して排気し、サイクロン(30)から下方に排出される第２の排気成分をノズル(1)から噴射する溶液に循環して不凍液を濃縮する請求項５に記載される溶液の濃縮装置。
12. 前記溶液がアルコール水溶液で、サイクロン(30)から上方に排出される第１の排気成分を凝集、分離して濃縮されたアルコールを回収する請求項５に記載される溶液の濃縮装置。

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