JP5923265B2

JP5923265B2 - 蒸発濃縮装置および蒸発濃縮方法

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Publication number: JP5923265B2
Application number: JP2011207149A
Authority: JP
Inventors: 恵理鈴木; 智裕井上; 西村　靖史; 靖史西村
Original assignee: Sasakura Engineering Co Ltd
Current assignee: Sasakura Engineering Co Ltd
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2031-09-22
Also published as: JP2013066844A

Description

本発明は、液体を蒸発濃縮する蒸発濃縮装置および蒸発濃縮方法に関し、更に詳しくは、食品用の液体を濃縮するのに好適な蒸発濃縮装置および蒸発濃縮方法に関する。

液体を蒸発濃縮する蒸発濃縮装置として、例えば、特許文献１には、下部に濃縮処理される廃液等の被処理液が貯留される密閉型の蒸発器内の上部に、複数の伝熱管を設け、各伝熱管の外表面に、循環ポンプによって供給される被処理液を散布ノズルで散布することによって蒸発させ、発生した蒸気を、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被処理液を加熱、蒸発させるようにした蒸発濃縮装置が開示されている。

特開平７−２４２０２号公報

かかる蒸発濃縮装置は、被処理液から発生する蒸気を、蒸気エゼクター等で圧縮、昇温することによって、伝熱管で被処理液を加熱、蒸発させるための熱源として利用する、すなわち、被処理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ので、蒸気圧縮式でない濃縮装置に比べてエネルギー効率が高いという特長を有している。

かかる蒸発濃縮装置によって濃縮処理される被処理液が廃液である場合には、被処理液が蒸発濃縮装置に滞留している滞留時間は、さほど問題とならないが、例えば、お茶、コーヒー、スープエキス等の食品用の液体である場合には、この食品用の液体を加熱および蒸発させるので、蒸発濃縮装置における滞留時間が長くなると、色、味、香りといった品質に影響が生じることなる。したがって、食品用の液体などを濃縮する場合には、滞留時間を極力短くすることが求められる。

本発明は、上述のような点に鑑みてなされたものであって、蒸発濃縮装置における被処理液の滞留時間を可及的に短縮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。

（１）本発明の蒸発濃縮装置は、被処理液を大気圧以下の減圧状態で蒸発させる単一の蒸発器を備える蒸発濃縮装置であって、前記蒸発器内には、被処理液を加熱する複数の伝熱管が、その両端部を前記蒸発器側面の両ヘッダーに支持された状態で、前記両ヘッダーを連通するように水平に配置され、前記蒸発器の底部に貯留される被処理液を、前記蒸発器の上部に戻して、前記伝熱管の外表面に供給するように循環させる循環手段を備え、前記蒸発器は、前記被処理液が貯留される前記底部が、複数の底部に区分されると共に、複数の各底部が、下方に向かって水平断面積が小さくなるコーン状であり、前記循環手段は、前記複数の各底部にそれぞれ貯留される前記被処理液を、前記蒸発器の上部にそれぞれ戻して、前記伝熱管の外表面に供給するように循環させる。

本発明の蒸発濃縮装置によると、被処理液が貯留される底部を、複数の底部に区分すると共に、各底部をコーン状としているので、例えば、底部を複数に区分することなく、単一の底部のままで前記コーン状と同じ傾斜のコーン状とした単一のコーン状の底部と、前記複数のコーン状の各底部とにおいて、同じ液位、すなわち、単一のコーン状の底部の先端からの高さが同じ液面レベルの被処理液の液量を比べると、複数のコーン状の各底部にそれぞれ貯留される被処理液の液量を加算した総液量の方が、単一のコーン状の底部に貯留される被処理液の液量よりも少なくなる。

このように被処理液が貯留される底部を、複数のコーン状の底部とすることによって、貯留される被処理液の液量、すなわち、保有液量を少なくできるので、被処理液を蒸発させる蒸発能力が同じ場合には、所定の濃度に達するまでの時間が短くなるため、蒸発濃縮処理における被処理液の滞留時間を短縮できることになる。

（２）本発明の蒸発濃縮装置の好ましい実施態様では、前記循環手段は、前記被処理液を循環させる循環ポンプとして容積式ポンプを備える。

この実施態様によると、循環ポンプとして、従来の渦流ポンプに比べてＮＰＳＨ（正味吸込みヘッド）が小さい容積式ポンプを用いるので、蒸発器の底部に貯留される被処理液の水位を低くして保有液量を少なくすることが可能となり、蒸発濃縮処理における被処理液の滞留時間を一層短縮することができる。

（３）本発明の蒸発濃縮装置の他の実施態様では、前記蒸発器を、前記複数の各底部に対応させて複数の蒸発室に仕切ると共に、蒸発室毎に前記被処理液の濃縮濃度を異ならせている。

この実施態様によると、蒸発器を、複数の蒸発室に仕切って濃縮濃度を異ならせている、すなわち、濃度差をもたせているので、例えば、第１の蒸発室を低濃度側の蒸発室とし、この低濃度側の蒸発室で濃縮した被処理液を、高濃度側の蒸発室である第２の蒸発室に供給して目標の濃度まで更に濃縮するといったことが可能となり、単一の蒸発器で目標の濃度まで濃縮するのに比べて効率的に濃縮することができる。

（４）本発明の蒸発濃縮装置の更に他の実施態様では、前記被処理液が、食品用の液体である。

この実施態様によると、蒸発濃縮処理における食品用の液体の滞留時間を短縮できるので、色、味、香りといった品質に与える影響を低減することができる。

（５）本発明の蒸発濃縮方法は、大気圧以下の減圧状態の単一の蒸発器の底部に貯留される被処理液を、前記蒸発器の上部に戻して前記蒸発器内に水平に配置された複数の伝熱管に供給する蒸発濃縮方法であって、前記複数の伝熱管は、その両端部が前記蒸発器側面の両ヘッダーに支持された状態で、前記両ヘッダーを連通するように配置され、前記蒸発器の前記底部が、複数の底部に区分されると共に、複数の各底部が、下方に向かって水平断面積が小さくなるコーン状であり、前記複数の各底部にそれぞれ貯留される前記被処理液を、前記蒸発器の上部にそれぞれ戻して、前記伝熱管の外表面に供給する。

本発明の蒸発濃縮方法によると、被処理液が貯留される底部を、複数の底部に区分すると共に、各底部をコーン状としているので、蒸発器における被処理液の保有液量を少なくすることができ、蒸発能力が同じ場合、所定の濃度に達するまでの時間が短くなるため、蒸発濃縮処理における被処理液の滞留時間を短縮することができる。

本発明によれば、蒸発器における被処理液の保有液量を少なくすることができるので、蒸発濃縮処理における被処理液の滞留時間を短縮することができる。

図１は本発明の一実施形態の蒸発濃縮装置の構成図である。図２は図１の蒸発濃縮装置の伝熱管の配列を示す垂直断面図である。図３は本発明の他の実施形態の蒸発濃縮装置の構成図である。

以下、図面によって本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る蒸発濃縮装置の構成図である。

この実施形態の蒸発濃縮装置は、被処理液として、食品用の液体、例えばお茶やコーヒー等を蒸発濃縮するものであり、密閉型の蒸発器１を備えている。

この実施形態では、蒸発器１は、２つの第１，第２蒸発室１₁，１₂に、仕切板１３によって仕切られており、被処理液を第１蒸発室１₁で濃縮し、この濃縮された被処理液を第２蒸発室１₂で更に濃縮する、２段の濃縮を行うものである。各蒸発室１₁，１₂は、全体として縦長の直方体形状であって、各底部が、下方に向かって水平断面積が小さくなる四角錐形のコーン状をなしている。

各蒸発室１₁，１₂のコーン状の各底部は、被処理液を貯留する第１，第２液溜部１８₁，１８₂となっており、その上部には、両蒸発室１₁，１₂に亘って水平方向に延びる複数の伝熱管４が設けられている。各伝熱管４の両端部は、第２蒸発室１₂側の入口側のヘッダー２と第１蒸発室１₁側の出口側のヘッダー３とに支持されて両ヘッダー２，３を連通する。各伝熱管４の中央部は、仕切板１３に気密に挿通支持されている。

また、両ヘッダー２，３の内、一方の入口側のヘッダー２内には、入口室２ａと折り返し室２ｂとを区画する区画板２ｃが設けられ、他方の出口側のヘッダー３内には、折り返し室３ａと出口室３ｂとを区画する区画板３ｃが設けられる。

出口側のヘッダー３の折り返し室３ａの下部には、溜まった凝縮液を排出するための排出管路２７が接続され、この排出管路２７の途中に凝縮水ポンプ１１が設けられている。出口側のヘッダー３上部の出口室３ｂには、蒸発器１内を大気圧以下に減圧するための真空ポンプ１０が接続される。

各蒸発室１₁，１₂の各液溜部１８₁，１８₂の被処理液は、第１，第２循環ポンプ５₁，５₂によって第１，第２循環管路６₁，６₂を介して、各蒸発室１₁，１₂内の上部に設けた第１，第２散布ノズル７₁，７₂にそれぞれ供給され、各散布ノズル７₁，７₂から各伝熱管４の外表面に向かって散布した後、各蒸発室１₁，１₂の液溜部１８₁，１８₂に流下するという循環を行うように構成している。

第１循環ポンプ５₁の吐出側の第１循環管路６₁には、第１蒸発室１₁で濃縮した被処理液を第２蒸発室１₂に移送する移送管路１４が接続され、この移送管路１４は、第１開閉弁１５を介して第２循環ポンプ５₂の吸込み側の第２循環管路６₂に接続される。第２循環管路６₂の途中には、第２蒸発室１₂で濃縮した被処理液を排出するための排出管路８が接続され、この排出管路８には、第２開閉弁１６が設けられる。

第１蒸発室１₁には、原液としての被処理液を供給するための原液供給管路２３が接続される。

各循環ポンプ５₁，５₂、各循環管路６₁，６₂及び各散布ノズル７₁，７₂によって、各液溜部１８₁，１８₂に貯留される被処理液を、各蒸発室１₁，１₂上部の各散布ノズル７₁，７₂から伝熱管４の外表面に散布するように循環させる循環手段が構成される。

この実施形態では、各循環ポンプ５₁，５₂は、従来の渦流ポンプに代えて、容積式ポンプを用いている。容積式ポンプは、一定量の液体を吸込んで、その液体を押し出すものであって、ギヤポンプやネジポンプなどの回転ポンプ、あるいは、ピストンポンプやダイヤフラムポンプなどの往復ポンプのいずれでもよいが、ギヤポンプなどの回転ポンプが好ましい。

各蒸発室１₁，１₂の上部は、共通の蒸気管路１９を介してブロワー等の圧縮機９に接続されており、各蒸発室１₁，１₂からの蒸気は、圧縮機９によって圧縮され、蒸気管路２０を介して入口側のヘッダー２に供給される。なお、圧縮機９に代えて蒸気エゼクターで圧縮してもよい。

この実施形態の蒸発濃縮装置は、上述のように、食品用の液体を濃縮するものであって、サニタリー仕様となっている。すなわち、この実施形態では、蒸発器１は、ステンレス鋼からなると共に、主要な管路は、ステンレス製のサニタリー配管で構成されている。

上記構成の蒸発濃縮装置における被処理液の濃縮処理では、先ず、蒸発器１内を真空ポンプ１０によって減圧すると共に、原液供給管路２３から被処理液の原液を第１蒸発室１₁に供給する。このとき、移送管路１４の第１開閉弁１５は、閉止している。

次に、蒸気供給管路２５を介して高圧蒸気を駆動用の蒸気として入口側のヘッダー２に供給すると共に、第１循環ポンプ５₁を駆動して液溜部１８₁内の被処理液を、第１蒸発室１₁内の上部の第１散布ノズル７₁に供給して各伝熱管４の外表面に散布する。

散布された被処理液は、第１蒸発室１₁内の下部の液溜部１８₁に流下する一方、各伝熱管４の外表面で加熱されて蒸発し、発生した蒸気は、蒸気管路１９から圧縮機９に吸引、圧縮された後、入口側のヘッダー２を介して各伝熱管４内に導かれて、当該各伝熱管４の外表面に散布される被処理液を加熱するための熱源として利用される。

各伝熱管４内で生成して出口側のヘッダー３の折り返し室３ａの下部に溜まった凝縮液は、排出管路２７を介して凝縮水ポンプ１１によって系外へ排出される。

次に、移送管路１４の第１開閉弁１５を開放して、第１蒸発室１₁で濃縮された被処理液の一部を、第２循環管路６₂に移送する。この実施形態では、第１蒸発室１₁で濃縮を行いながら、濃縮された被処理液の一部を第２蒸発室１₂に移送する。第１蒸発室１₁には、被処理液の原液が供給される。

第２蒸発室１₂では、排出管路８の第２開閉弁１６を閉止した状態で、第２循環ポンプ５₂を駆動し、第２蒸発室１₂の液溜部１８₂の被処理液を、第２散布ノズル７₂に供給し、各伝熱管４に散布する。

散布された被処理液は、第２蒸発室１₂内の下部の液溜部１８₂に流下する一方、各伝熱管４の外表面で加熱されて蒸発し、発生した蒸気は、蒸気管路１９から圧縮機９に吸引、圧縮された後、入口側のヘッダー２を介して各伝熱管４内に導かれる。

第２蒸発室１₂の液溜部１８₂の被処理液が所定の濃度になると、排出管路８の第２開閉弁１６を開放して濃縮された被処理液を排出する。

なお、第１蒸発室１₁及び第２蒸発室１₂には、それぞれ被処理液の液面の上限レベルを検出する図示しないレベルセンサがそれぞれ設置されており、被処理液が減少すると、各蒸発室１₁，１₂には、前記各レベルセンサによって上限レベルに達したことが検出されるまで原液あるいは濃縮された被処理液がそれぞれ供給される。また、上限レベルに達して原液あるいは濃縮された被処理液の供給が停止された後は、一定期間が経過して液面レベルが低下したとき、あるいは、被処理液の液面の下限レベルを検出するレベルセンサによって下限レベルになったことが検出されたときに、再び、原液あるいは濃縮され被処理液が供給される。

このように蒸発器１を第１，第２蒸発室１₁，１₂に仕切って、第１蒸発室１₁で低濃度の濃縮を行い、更に、第２蒸発室１₂で高濃度の濃縮を行うことによって、単一の蒸発室で高濃度の濃縮を行うのに比べて、効率的に濃縮することができる。

一般に、不揮発性の溶質が溶けた被処理液を濃縮すると、被処理液の濃度が高くなるにつれて沸点上昇によって蒸発量が低下する。つまり、被処理液が高濃度になるほど、被処理液の濃縮が進みにくくなるために、所定の濃度に達するまでの時間が長くなる。このため、単一の蒸発室で、所定の濃度まで濃縮するのに要する時間と、蒸発室を低濃縮側と高濃縮側とに分けて２つの蒸発室で、前記所定の濃度まで濃縮するのに要する時間とを比べると、蒸発室を２つに分けることで、時間のかかる高濃度の濃縮を、低濃度の濃縮と同時進行で処理できるために、濃縮に要する時間を短くすることができ、効率的な濃縮が可能となる。

また、この実施形態では、蒸発器１の底部は、各蒸発室１₁，１₂に対応するように２つの区分された液溜部１８₁，１８₂となっており、各液溜部１８₁，１８₂は、上述のように四角錐形のコーン状であるので、例えば、同じ傾斜の四角錐形のコーン状で単一の液溜部を構成して同じ液位まで被処理液を貯留した場合に比べて、貯留される被処理液の液量を少なくすることができる。

すなわち、各液溜部１８₁，１８₂のコーン状の傾斜と同じ傾斜の四角錐形の単一のコーン状の液溜部を構成した場合に、そのコーンの先端から或る液面レベルまで貯留した被処理液の液量と、各液溜部１８₁，１８₂に各コーンの先端から前記或る液面レベルまでそれぞれ貯留した被処理液の液量を加算した総液量とを比較すると、各液溜部１８₁，１８₂に貯留した被処理液の液量を加算した総液量の方が、単一のコーン状の液溜部に貯留される被処理液の液量よりも少なくなる、すなわち、蒸発器１内の保有液量が少なくなる。したがって、被処理液を蒸発させる蒸発能力が同じ場合には、単一のコーン状の液溜部に比べて、２つのコーン状の液溜部１８₁，１８₂を有する本実施形態の方が、所定の濃度に達するまでの時間が短くなるため、蒸発濃縮処理における滞留時間を短縮することができる。

このように蒸発濃縮処理における被処理液の滞留時間を短縮できるので、被処理液である食品用の液体の加熱及び蒸発に伴う色、味、香りといった品質に与える影響を低減することができる。

また、この実施形態では、上述のように各循環ポンプ５₁，５₂として容積式ポンプを用いている。この容積式ポンプは、従来の渦流ポンプに比べてＮＰＳＨ（正味吸込みヘッド）が小さいので、蒸発器１の底部に貯留される被処理液の水位を低く設定して保有液量を少なくすることが可能となる。したがって、蒸発濃縮処理における被処理液の滞留時間を一層短縮することができる。

更に、この実施形態では、上述のように、各蒸発室１₁，１₂は、全体として縦長の直方体形状であって、各蒸発室１₁，１₂に亘って配置される複数の伝熱管４は、図２の伝熱管４の垂直断面図に示されるように、縦長に配列されている。

すなわち、複数の伝熱管４は、上下方向の段数を、左右方向の列数よりも多く、例えば、２倍以上にした長方形状に配列されている。

このように複数の伝熱管４を縦長に配列しているので、各蒸発室１₁，１₂の上方の各散布ノズル７₁，７₂から散布された被処理液が、底部の各液溜部１８₁，１８₂に落下するまでに接触する伝熱管４の本数が多くなって処理能力が向上し、これによって、滞留時間を一層短縮することができる。

上述の実施形態では、蒸発器１を、２つの第１，第２蒸発室１₁，１₂に仕切って、被処理液を第１蒸発室１₁で濃縮し、濃縮された被処理液を第２蒸発室１₂で更に濃縮するようにしたけれども、本発明の他の実施形態として、例えば、図３に示すように、蒸発器１を仕切ることなく、被処理液が貯留される底部を複数に区分して各底部をコーン状としてもよい。

図３は、本発明の他の実施形態に係る蒸発濃縮装置の構成図であり、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。

この実施形態の蒸発濃縮装置では、蒸発器１ａ内を２つに仕切る仕切板１３は、設けられておらず、複数の伝熱管４の中央部を支持する支持板２１が設けられている。

蒸発器１の底部は、２つに区分されており、各底部は、被処理液をそれぞれ貯留する第１，２液溜部１８₁，１８₂となっており、それぞれ四角錐形のコーン状となっている。

各液溜部１８₁，１８₂には、原液供給管路２３から被処理液の原液が供給できるように構成されている。

この実施形態では、各液溜部１８₁，１８₂に対応して被処理液をそれぞれ循環させるように構成されている。第１，第２循環管路６₁，６₂は、第１，第２循環ポンプ５₁，５₂の吸込み側で接続管路２４によって接続されており、第１，２液溜部１８₁，１８₂に貯留される被処理液の濃度が同じになるように構成されている。

この実施形態では、原液供給管路２３から各液溜部１８₁，１８₂に被処理液の原液を供給し、各循環ポンプ５₁，５₂によって、各液溜部１８₁，１８₂の被処理液を、上部の各散布ノズル７₁，７₂に供給して伝熱管４の外表面に散布する。

散布された被処理液は、蒸発室１ａの下部の各液溜部１８₁，１８₂に流下する一方、各伝熱管４の外表面で加熱されて蒸発し、発生した蒸気は、蒸気管路１９から圧縮機９に吸引、圧縮された後、入口側のヘッダー２を介して各伝熱管４内に導かれて、当該各伝熱管４の外表面に散布される被処理液を加熱するための熱源として利用される。

各伝熱管４内で生成して出口側のヘッダー３の折り返し室３ａの下部に溜まった凝縮液は、排出管路２７を介して凝縮水ポンプ１１によって系外へ排出される。被処理液が所要の濃度になると、排出管路８の開閉弁１６を開放して濃縮された被処理液を排出する。

この実施形態においても、上述の実施形態と同様に、蒸発器１ａの底部を、２つに区分して四角錐形のコーン状としているので、蒸発器１ａの保有液量を減らすことが可能となり、蒸発濃縮処理における被処理液の滞留時間を短縮することができる。

上述の各実施形態では、蒸発器１，１ａの底部は、２つに区分されたけれども、３つ以上に区分してもよく、また、区分された底部を四角錐としたけれども、四角錐に限らず、他の角錐、あるは、円錐のコーン状としてもよい。

上述の各実施形態では、食品用の液体の濃縮に適用して説明したけれども、本発明は、食品用の液体に限らず、例えば、医薬品や化学薬品用の液体あるいは廃液などの液体の濃縮にも適用できるものである。

１，1ａ蒸発器
１₁，１₂ 第１，第２蒸発室
２，３ヘッダー
４伝熱管
５₁，５₂ 第１，第２循環ポンプ
６₁，６₂ 第１，第２循環管路
７₁，７₂ 第１，第２散布ノズル
９圧縮機
１３仕切板
１８₁，１８₂ 第１，第２液溜部
２１支持板

Claims

被処理液を大気圧以下の減圧状態で蒸発させる単一の蒸発器を備える蒸発濃縮装置であって、
前記蒸発器内には、被処理液を加熱する複数の伝熱管が、その両端部を前記蒸発器側面の両ヘッダーに支持された状態で、前記両ヘッダーを連通するように水平に配置され、
前記蒸発器の底部に貯留される被処理液を、前記蒸発器の上部に戻して、前記伝熱管の外表面に供給するように循環させる循環手段を備え、
前記蒸発器は、前記被処理液が貯留される前記底部が、複数の底部に区分されると共に、複数の各底部が、下方に向かって水平断面積が小さくなるコーン状であり、
前記循環手段は、前記複数の各底部にそれぞれ貯留される前記被処理液を、前記蒸発器の上部にそれぞれ戻して、前記伝熱管の外表面に供給するように循環させる、
ことを特徴とする蒸発濃縮装置。
前記循環手段は、前記被処理液を循環させる循環ポンプとして容積式ポンプを備える、
請求項１に記載の蒸発濃縮装置。
前記蒸発器を、前記複数の各底部に対応させて複数の蒸発室に仕切ると共に、蒸発室毎に前記被処理液の濃縮濃度を異ならせる、
請求項１または２に記載の蒸発濃縮装置。
前記被処理液が、食品用の液体である、
請求項１ないし３のいずれかに記載の蒸発濃縮装置。
大気圧以下の減圧状態の単一の蒸発器の底部に貯留される被処理液を、前記蒸発器の上部に戻して前記蒸発器内に水平に配置された複数の伝熱管に供給する蒸発濃縮方法であって、
前記複数の伝熱管は、その両端部が前記蒸発器側面の両ヘッダーに支持された状態で、前記両ヘッダーを連通するように配置され、
前記蒸発器の前記底部が、複数の底部に区分されると共に、複数の各底部が、下方に向かって水平断面積が小さくなるコーン状であり、
前記複数の各底部にそれぞれ貯留される前記被処理液を、前記蒸発器の上部にそれぞれ戻して、前記伝熱管の外表面に供給する、
ことを特徴とする蒸発濃縮方法。