JP5898605B2 - 蒸発缶 - Google Patents

Description

本発明は、溶液を加熱し蒸発させることで溶液の濃縮又は減容を行うための蒸発缶に関する。

化学プラントなどでは、溶液の濃縮又は減容を目的として蒸発缶を用いる。例えば食品関係設備では食品溶液を濃縮し、あるいは化学プラントからの廃液の減量（体積の低減）を行う場面で蒸発缶（ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）を使用する。ここでは、濃縮又は減容のために、蒸発缶の外部にヒータ等を設置して、これにより内部の溶液を加熱する。

蒸発缶における外部加熱により、内部の溶液は密度が小さくなり蒸発缶内部を上昇する。一方、溶液の液面近傍では、溶液の蒸発により液面近傍の熱が奪われて密度が大きくなり、蒸発缶内部を下降する。これにより蒸発缶内では、溶液が上昇し下降する自然対流を発生させつつ溶液を蒸発させ、濃縮又は減容する。

溶液の種類にもよるが、溶液中に固相として析出する成分（以下単に固相という）を含む場合がある。溶液に固相として析出する成分が溶解していると、蒸発過程において不特定位置に固相が析出する可能性がある。析出した固相のうち、溶液よりも密度の大きな固相は蒸発缶底部に沈殿し堆積することになる。沈殿し堆積した固相は、蒸発缶底部の溶液流動を阻害するので、蒸発缶底面からの加熱がある場合、固相と接触する蒸発缶底部の伝熱面の除熱量が低下し、蒸発缶底部の伝熱面温度が上昇する結果となる。

温度が上昇すると伝熱面構造材の腐食ポテンシャルが大きくなる。このため、固相を含む溶液を使用する蒸発缶では、その設計段階において伝熱面構造材の腐食ポテンシャルの観点から、蒸発缶底部の肉厚を厚くする等の対策が必要となる。

蒸発缶における上記の問題点に対する対応として、従来から幾つかの手法が知られている。特許文献１では、被処理液がスラリーの場合に、固体粒子の沈殿がない低沸点成分を連続的に蒸発させる自然循環式蒸発缶を提案している。

特許文献２は、液体中の固体を分離する技術として、多孔質の濾過媒体を用いる。

特許文献３は、キャッチャータンク内の粒子混合廃液流の粒子を回収する方法として、移送用エジェクターと沈殿タンクを用いた沈降分離装置を提案している。また、キャッチャータンク内で粒子混合廃液中の粒子の沈降を防ぐ方法として、エジェクターによる廃液ジェットにより撹拌することが知られている。

特開平１１−３３３２０１公報 特公平３−４９６０７号公報 特開２００１−２６００３０号公報

本発明の蒸発缶では、蒸発缶底面からの加熱があり、固相の析出が生じることを前提とする。また本発明の蒸発缶では、析出した固相を回収し、かつこのときに蒸発缶内部の自然対流を阻害せず、高効率、高稼働率を達成するものとしたい。

これらの仕様に対し、例えば特許文献１に示す固体粒子の析出のない蒸発缶を使用することは不適切である。特許文献１の場合には、低沸点成分のみが蒸発対象となり、任意の沸点の成分を蒸発できない可能性がある。

本発明が前提とする固相の析出がある蒸発缶においては、付随的に以下の課題が生じることを考慮する必要がある。まず蒸発缶底部に堆積した固相が蒸発缶底部の流動を阻害し、蒸発缶底部に到達する溶液量を低減させる。蒸発缶外部からの加熱がある場合、これが蒸発缶底部の温度上昇を引き起こし、腐食ポテンシャルを増大させるため、予め腐食代を大きくしておく等の対策を行っておく必要がある。

また、蒸発缶底部の固相の堆積量を抑制するため、蒸発缶内に構造物等を挿入する場合、自然対流を阻害しないような構造にする必要がある。自然対流を阻害すると、蒸発缶底部の固相堆積層に流入する溶液量が低減し、蒸発缶底部の温度を上昇させ、腐食ポテンシャルを増加させる恐れがある。

さらに固相捕集のために従来の捕集部材（例えば、特許文献２）を蒸発缶内で使用する場合には、目詰まりを防止するためにフィルターの交換または洗浄を行う必要があり、蒸発缶稼動率を低下させる恐れがある。

さらに外部への回収手段も考慮する必要がある。粒子回収装置（例えば、特許文献３）を外部に備えた蒸発缶では、移送設備及び回収容器の追設が必要となり、設備の大型化及び設備コストが増大する恐れがある。

特許文献３では、撹拌機構を備え、撹拌により蒸発缶底部に堆積した固相を拡散させ、蒸発缶底部の除熱を促進する。しかし、撹拌された固相は再度蒸発缶底部に堆積するため、常に撹拌する必要がある。また、常時撹拌することにより、蒸発缶内部の溶液の自然対流を阻害する恐れがある。

以上のことから本発明の目的は、蒸発缶稼働率を低下させることなく、長期間、蒸発缶底部の温度上昇を抑制し、蒸発缶腐食ポテンシャルを低減することにより、ライフサイクルコスト低減を達成することが可能な蒸発缶を提供することにある。

以上のことから本発明は、壁面に設けたヒータ等により内部の溶液を加熱し、溶液を蒸発させて濃縮するとともに、溶液の濃縮により固相が析出する蒸発缶において、蒸発缶の底部に、蒸発缶内の溶液による自然対流の流路を避けて配置された捕集容器と、蒸発缶の底部に向かって配置され、その途中にエジェクターを備え、先端に噴射口を備える誘導管と、捕集容器の一部に設けられ蒸発缶内の溶液を吸入する第１の吸入管と、捕集容器とエジェクターとの間に設けられ、捕集容器内の溶液をエジェクターに導く第２の吸入管とで構成され、エジェクターは誘導管に導入された主流と、第１の吸入管から捕集容器、第２の吸入管を介して得た捕集流とを合流し、誘導管先端の噴射口から蒸発缶の底部に撹拌流として噴出させることを特徴とする。

本発明の上記構成により、固相の撹拌による蒸発缶底部の除熱促進と再沈降する固相量を低減し、蒸発缶稼働率を低下させることなく、長期間、蒸発缶底部の温度上昇を抑制し、蒸発缶腐食ポテンシャルを低減することにより、ライフサイクルコスト低減を達成できる。

本発明の実施例１に係る蒸発缶内機器の基本的な全体構成を示す図。 蒸発缶内で生じる現象を説明するための図。 蒸発缶内の機器配置および固相回収用流体の移動方向を説明するための図。 蒸発缶内の配管構成を立体的に示した図。 捕集容器及びこれに連結している固相吸入管の断面例を示す図。 本発明の実施例２に係る捕集容器の模式図。 本発明の実施例３に係る捕集容器の模式図。 本発明の実施例４に係る捕集容器の模式図。

本発明の実施形態に係る蒸発缶について適宜実施例と図面を参照しながら詳細に説明する。ここでは、蒸発濃縮に伴い発生し、蒸発缶底部に堆積する固相を撹拌・捕集する機構を例に説明するが、捕集する対象は前記固相に限定されず、溶液中に存在する不純物でもよく、その大きさも限定されない。また、蒸発缶の加熱は蒸発缶全体を加熱する外部ヒータを例に説明するが、ヒータの配置、形状はこれに限定されない（蒸発缶底面からのみ加熱する場合も含む）。蒸発缶は作図の便宜上、軸方向断面で記載し、配管等の細部の記載を省略している。

図２を用いて蒸発缶内で生じる現象を説明する。まず蒸発缶は、円形、方形その他如何なる形状のものであってもよいが、溶液を収納するタンクとしての機能を有している。そのため、蒸発缶１０１は鉛直軸方向に設置されている。蒸発缶外部には、外部ヒータ１０２が設けられ、これにより蒸発缶内部の溶液１０３を加熱する。

蒸発缶内の溶液１０３は、蒸発缶外からの壁面加熱により溶液の密度が小さくなることで浮力が発生し上昇流が生じる。また液面１０６では溶液が蒸発し、蒸発により溶液から熱が奪われ、液面近傍の溶液の密度が大きくなることにより下降流が発生する。図２では、加熱面である蒸発缶１０１の内壁近傍で上昇流となり、蒸発缶の中心部で下降流となる、安定的な自然対流１０４が生じる。自然対流１０４が蒸発缶中心部の下降流から壁面の上昇流へ反転移行するところに溶液が蒸発缶底面に沿って流動することにより、蒸発缶底部を除熱する。また壁面近傍の上昇流により蒸発缶の内壁を除熱する。

蒸発工程は自然対流１０４を保持しながら進行するが、溶液が飽和濃度を超えると固相１０５が溶液内の不特定位置に析出する。固相１０５の密度が溶液よりも大きい場合には沈降し、最終的に蒸発缶１０１の底部に堆積する。堆積した固相１０５は自然対流１０４の流動の抵抗となる。これにより下降流による溶液が蒸発缶底部まで到達せず、自然対流による除熱が阻害される。

この時、蒸発缶１０１の下部から加熱されているため、蒸発缶底部の温度が上昇する。一般に、腐食ポテンシャルは温度上昇とともに増加する傾向があるため、蒸発缶１０１底部の温度が上昇すると、蒸発缶の腐食ポテンシャルが増加し、予め腐食代を大きくする等の対策が必要となる。

なお、蒸発缶温度上昇を防止するため、撹拌機構を設ける事もできる。しかし蒸発缶内を撹拌することにより、蒸発缶底部に堆積した固相１０５が拡散するが、拡散した固相１０５は時間経過とともに再度蒸発缶１０１底部に堆積するため、常時撹拌する必要があり、コストがかかる。

このように蒸発缶内では、外部ヒータ１０２による加熱と、これによる自然対流１０４と、固相１０５の析出、沈殿が図２に示したように同時進行している。このことから本発明では、自然対流１０４を妨げず、固相１０５の捕集、回収が効果的に行える図３の機器配置および固相回収用流体の移動方向を提案している。図３を用いて、蒸発缶内の機器配置および固相回収用流体の移動方向を説明する。

図３は図２と同じ蒸発缶断面で示しているが、ここでは第１点として自然対流１０５を妨げない位置に捕集容器２０４を設置する。自然対流１０４を妨げない位置とは、上昇流と下降流の間の対流が比較的に少ない部分であり、この結果捕集容器２０４はドーナッツ形状とされるのがよい。

第２点として蒸発缶底部に堆積した固相の撹拌のために、蒸発缶中心部の上方から下流に向かう撹拌流Ｆ１を与える。撹拌流Ｆ１は、主流Ｆ２が捕集流Ｆ３を巻き込む形で形成される。

第３点として蒸発缶底部に堆積した固相の捕集のために、捕集流Ｆ３は蒸発缶底部から、捕集容器２０４を経由して主流Ｆ２に合流し、この過程で捕集流Ｆ３により吸い上げられた固相が捕集容器２０４内に蓄積する。

第４点として蒸発缶底部に堆積した固相の回収のために、回収ルートＦ４が形成される。

以下図３の機器配置および固相回収用流体の移動方向を具体的に得るための機器構成について説明する。図１は機器の基本的な全体構成を示している。なお、図１に示した機器の具体構成あるいは変形構成は逐次図示を持って説明する。

図１において、前記第１点の自然対流１０４を妨げない位置に設置された捕集容器２０４は、蒸発缶底部近傍に配置され、図４に示すようなドーナッツ状に形成されている。図４は蒸発缶内の配管構成を立体的に示した図である。

図１において、前記第２点として述べた蒸発缶底部に堆積した固相の撹拌のための蒸発缶中心部の上方から下流に向かう撹拌流Ｆ１は、固相撹拌用流体の誘導管２０１とエジェクター２０２と撹拌用ノズル２０３により実現される。図４には、誘導管２０１とエジェクター２０２と撹拌用ノズル２０３が記述されているとともに、撹拌用ノズル２０３にはその先端に形成され、堆積した固相に撹拌流Ｆ１を噴射するための噴射口３０１が形成されている。なお、撹拌用ノズル２０３は誘導管２０１の一部を形成している。

図１において、前記第３点として述べた蒸発缶底部に堆積した固相の捕集のための構成は以下のようである。ここでは捕集流Ｆ３を蒸発缶底部から捕集容器２０４を経由して主流Ｆ２に合流させるために、捕集容器２０４の一部に固相吸入管２０５を備えてここから固相を含む溶液を吸入する。また捕集容器２０４の別の部位に設けた溶液吸入管２０６をエジェクター２０２に接続することで溶液を捕集流Ｆ３として主流Ｆ２に合流させる。このように、捕集流Ｆ３はエジェクター２０２の主流Ｆ２により駆動される流体であり、固相吸入管２０５での吸入の際に固相も吸入する。なお、固相は捕集容器２０４内に蓄積される。図４には、固相吸入管２０５から捕集容器２０４、溶液吸入管２０６を経由してエジェクター２０２に至る配管構成が示されている。

図１において、前記第４点として述べた蒸発缶底部に堆積した固相の回収のための回収ルートＦ４は、一方を捕集容器２０４の底部に接続する移送用配管２０９によって形成されている。なお、図１において、２１０は固相撹拌用流体２１２を導入するための弁であり、２１１は移送用配管２０９の出口側の次の工程設備である。

このように本発明の実施例１では、図１及び図４に示すように、主流Ｆ２の誘導管２０１とエジェクター２０２と撹拌用ノズル２０３及び捕集容器２０４などで構成されている。主流Ｆ２の誘導管２０１には弁２１０を設置している。捕集容器２０４は固相吸入管２０５を少なくとも一つ備えている。さらに、捕集容器２０４はエジェクター２０２と溶液吸入管２０６で連結されている。

以下、この構成による捕集、回収の処理について説明する。まず弁２１０を開くことで、固相撹拌用流体２１２をエジェクター２０２に流入させ、エジェクター２０２内を減圧し、蒸発缶１０１内との圧力差を推進力として溶液吸入管２０６から溶液１０３を吸入する。固相撹拌用流体２１２（Ｆ２）と吸入した溶液１０３（Ｆ３）の混合流体である撹拌流Ｆ１を撹拌用ノズル２０３の噴射口３０１から噴出させ、蒸発缶１０１の底部に堆積した固相１０５を撹拌する。固相撹拌用流体２１２は、溶液と化学反応しないガスが望ましい。溶液の希釈効果が無視可能な場合は蒸気でもよい。

図４に示すように、例えばドーナツ型で断面が円形の捕集容器２０４を用いると、蒸発缶１０１内の自然対流１０４を阻害せずに固相１０５を攪拌・捕集できる。また、固相吸入管２０５と溶液吸入管２０６を周方向にずらすことで、捕集容器２０４内での固相１０５の自然沈降の距離を確保でき、溶液１０３と固相１０５の分離量の増大が期待できる。

さらに、捕集容器２０４に移送用配管２０９を連結する。濃縮処理後に、弁２１０が閉じた状態で、移送用配管２０９から捕集した固相１０５と溶液１０３を吸入して、次の処理工程設備２１１に移送する。なお移送手法としては、蒸発缶１０１内を加圧し、溶液１０３を移送用配管２０９から押し出し、次の処理工程設備２１１に移送することでもよい。

図５は、捕集容器及びこれに連結している固相吸入管の断面例を示す図である。この図に示すように、エジェクター２０２の駆動と同時に、溶液吸入管２０６と連結している捕集容器２０４及び捕集容器２０４に連結している固相吸入管２０５を介して、蒸発缶１０１底部に堆積した固相及び撹拌により拡散した固相１０５を吸入する。

吸入された固相１０５は捕集容器２０４内で重力により自然に沈降し、上澄み液のみ、溶液吸入管２０６を介してエジェクター２０２に吸入される。固相吸入管２０５は、捕集容器の水平方向中心軸４０１よりも上方まで挿入することにより、捕集した固相１０５が固相吸入管２０５から流出する量を低減できる。

以上のように、本発明の蒸発缶では、撹拌と同時に撹拌されて拡散した固相１０５を捕集することができ、蒸発缶１０１の稼働率を低下させることなく、長期間、蒸発缶底部の温度上昇を抑制し、蒸発缶腐食ポテンシャルを低減することにより、ライフサイクルコスト低減を達成できる。また、移送用配管２０９を捕集容器２０４に連結することにより、捕集した固相１０５を移送することができ、メンテナンスコストを低減することができる。

なお、図２は一例として、蒸発缶１０１の外部からの加熱がある場合について記載している。また、図１、図３、図４は一例を示しており、エジェクター２０２、捕集容器２０４、固相吸入管２０５、溶液吸入管２０６、撹拌ノズル２０３、移送用配管２０９及び噴射口３０１の形状、位置及び数量はこれに限定されない。

実施例２では、図６に示すように、固相吸入管２０５を捕集容器２０４の上方に設置し、固相吸入管２０５と溶液吸入管２０６を周方向にずらしている。

固相吸入管２０５を捕集容器２０４の上方に設置することにより、固相吸入管２０５を捕集容器２０４内部まで挿入する必要がなくなる。また、固相吸入管２０５の長さを調節することにより、撹拌によって飛散した固相１０５を鉛直軸方向で広範囲に捕集することができる。

なお、図６は一例を示しており、捕集容器２０４及び固相吸入管２０５の形状、位置及び数量はこれに限定されない。

実施例３は、図７に示すように、固相吸入管２０５を捕集容器２０４の下方及び上方に設置し、固相吸入管２０５と溶液吸入管２０６を周方向にずらしている。

固相吸入管２０５を捕集容器２０４の下方及び上方に設置することにより、蒸発缶１０１底部に堆積した固相１０５と撹拌により飛散した固相１０５を広範囲に捕集することができる。また、固相吸入管２０５の長さを調節することにより、固相１０５を鉛直軸方向で広範囲に捕集することができる。

捕集容器２０４の下方に設置した固相吸入管２０５については、図５と同様に、捕集容器の中心軸よりも上方まで挿入することで、捕集した固相１０５の逆流を防ぐことができる。

なお、図７は一例を示しており、捕集容器２０４及び固相吸入管２０５の形状、位置及び数量はこれに限定されない。

実施例４は、図８に示すように、捕集容器２０４を水平軸から角度を有して設置している。

溶液吸入管２０６側を高い位置にし、移送用配管２０９側を低い位置にすることにより、移送用配管２０９側で、捕集した固相１０５の沈降量を増加することができ、溶液１０３の移送の際に、捕集した固相１０５の移送量を増大することができる。

なお、図８は一例を示しており、捕集容器２０４及び固相吸入管２０５の形状、位置及び数量はこれに限定されず、捕集容器２０４の水平軸からの角度についても限定されない。

１０１…蒸発缶
１０２…外部ヒータ
１０３…溶液
１０４…自然対流
１０５…固相
２０１…固相撹拌用流体の誘導管
２０２…エジェクター
２０３…撹拌用ノズル
２０４…捕集容器
２０５…固相吸入管
２０６…溶液吸入管
２０９…移送用配管
２１０…弁
２１１…次の工程設備
２１２…固相撹拌用流体
Ｆ１…撹拌流
Ｆ２…主流
Ｆ３…捕集流
Ｆ４…回収ルート
３０１…噴射口
４０１…捕集容器の中心軸

Claims (6)

1. 外部または内外部に備えたヒータ等の加熱機構により内部の溶液を加熱し、前記溶液を蒸発させて濃縮するとともに、濃縮により固相を析出する前記溶液を対象とし、前記加熱機構により底面からの加熱が可能な蒸発缶において、
   前記蒸発缶の底部に配置されたドーナツ状の配管で構成された捕集容器であって、ドーナッツ状の配管が形成するドーナッツ状形状の内側を前記蒸発缶内の溶液による自然対流の下降流路とし、ドーナッツ状の配管が形成するドーナッツ状形状の外側を前記蒸発缶内の溶液による自然対流の上昇流路とされた捕集容器と、前記蒸発缶の底部に向かって配置され、その途中にエジェクターを備え、先端に噴射口を備える誘導管と、前記捕集容器の一部に設けられ前記蒸発缶内の溶液を吸入する第１の吸入管と、前記捕集容器と前記エジェクターとの間に設けられ、前記捕集容器内の溶液を前記エジェクターに導く第２の吸入管とで構成され、
   前記エジェクターは前記誘導管に導入された主流と、前記第１の吸入管から前記捕集容器、前記第２の吸入管を介して得た捕集流とを合流し、前記誘導管先端の噴射口から前記蒸発缶の底部に撹拌流として噴出させることを特徴とする蒸発缶。
2. 請求項１に記載の蒸発缶において、
   一方を前記捕集容器の底部に接続し、前記捕集容器内の前記固相を前記蒸発缶の外部に搬送するための移送用配管を備えることを特徴とする蒸発缶。
3. 請求項１または請求項２に記載の蒸発缶において、
   前記第１と第２の吸入管は、ドーナッツ状の配管で構成された前記捕集容器の異なる周方向位置にずらして設置されていることを特徴とする蒸発缶。
4. 請求項３に記載の蒸発缶において、
   前記第１の吸入管は、前記捕集容器の下面に開口し、前記捕集容器の水平中心軸よりも上方まで前記第１の吸入管が挿入されていることを特徴とする蒸発缶。
5. 請求項３または請求項４に記載の蒸発缶において、
   前記第１の吸入管は、前記捕集容器の上面に開口して備えられたことを特徴とする蒸発缶。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の蒸発缶において、
   ドーナッツ状の配管で構成された前記捕集容器は、水平軸から角度を有して設置され、かつ前記第２の吸入管は、前記捕集容器の最下部の底部に接続されていることを特徴とする蒸発缶。

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