JP5975208B2 - 海水の淡水化装置及びこれを用いた海水の淡水化方法 - Google Patents

Description

本発明は、海水の淡水化装置及びこれを用いた海水の淡水化方法に関するものである。

海水を淡水化する方法としては、多段フラッシュ法やＲＯ膜法等が用いられていている。多段フラッシュ法は、加熱された海水を減圧された蒸発器で沸騰蒸発させ、その発生蒸気を凝縮して淡水を生産する海水の淡水化方法である。この多段フラッシュ法は、海水の品質を問わず使用でき、大量の淡水を作成できるが、熱効率が悪く、そのために多量のエネルギを必要とする。ＲＯ膜法は、半透膜を通して海水から淡水を得るものである。このＲＯ膜法は、半透膜が海水中の微生物や析出物で目詰まりしないように入念に前処理をする必要があり、その整備にコストがかかり、さらには製造した淡水の塩濃度が高いこと等の難点がある。

一方で、蒸発器での蒸気を圧縮させる蒸気圧縮法による海水の淡水化方法が実用化されている。一般的な蒸気圧縮法は例えば特許文献１に記載されている。すなわち、蒸気を圧縮して断熱温度上昇させ、この温度をもって熱交換に用いるための温度差を得るものである。高圧となった蒸気は沸点が上がるため、高圧蒸気の凝縮点が低圧海水の沸点より高くなり、熱交換ができる。この蒸気圧縮法は上述した多段フラッシュ法と同様、蒸発法に属するが、多段フラッシュ法に比して半分程度のエネルギで運転が可能である。

特開２００８−１８８５１４号公報

しかしながら、蒸気圧縮法を行う場合、スタートアップ時に海水を蒸発させて圧縮加熱するという工程を行うことができないため、スタートアップ時には海水蒸発のために別の加熱器が必要となる。海水の蒸発を行う蒸発器の壁は厚いため、外から加熱器で温めようとしても伝熱効率が悪く、多大なエネルギと時間を要してしまう。

本発明は、上記従来技術を考慮したものであり、蒸気圧縮法を行って海水を淡水化する際に、スタートアップ時にも多大なエネルギと時間を要さずに効率よく海水を蒸発させることができる海水の淡水化装置及びこれを用いた海水の淡水化方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明では、海水が流通する海水供給流路と、該海水供給流路の終端に配設された蒸発器と、該蒸発器によって発生した前記海水の蒸気又は蒸留水が流通する蒸留水還り流路と、該蒸留水還り流路に配設され、前記蒸気を圧縮するための圧縮機と、前記蒸留水還り流路の一部を形成し、前記圧縮機の下流に配されて前記蒸発器内を通る熱交換部と、前記熱交換部の上流側及び下流側を流出端及び流入端として前記蒸留水還り流路とそれぞれ連通し、前記熱交換部と協働して循環流路を形成する戻り流路と、前記流出端及び前記流入端と連通する位置の上流側及び下流側にて前記蒸留水還り流路に設けられた第１及び第２のバルブと、前記戻り流路に配設され、被加熱水が貯留された水タンクと、前記戻り流路に配設され、前記戻り流路または前記水タンク内を加熱するヒータと、前記蒸発器によって発生した前記海水の濃縮水が流通する濃縮水還り流路と、前記海水供給流路、前記蒸留水還り流路、前記濃縮水還り流路に配設され、前記海水と前記蒸留水及び前記濃縮水とで熱交換を行うための熱交換ユニットとを備え、スタートアップ時に、前記第１及び第２のバルブを閉じ、前記水タンク内の前記被加熱水を前記戻り流路または前記水タンク内で加熱しながら前記循環流路に循環させることを特徴とする海水の淡水化装置を提供する。

好ましくは、前記流出端は、前記圧縮機の下流側にて前記蒸留水還り流路と連通されている。通常、圧縮機の上流側は海水の蒸気が流通する。したがって圧縮機にはガス状の蒸気しか流入しない。このため、圧縮機は蒸気圧縮に適したものが用いられている。流出端を圧縮機の下流側にて蒸留水還り流路と連通することで、液体状の加熱水が圧縮機に流入することはない。したがって、圧縮機に対して悪影響を及ぼすことを防止できる。

好ましくは、前記流入端は、前記熱交換ユニットの上流側にて前記蒸留水還り流路と連通されている。このように、流入端を熱交換ユニットの上流側にて蒸留水還り流路と連通することで、ヒータで加熱された水が熱交換ユニット内を通ることを防止し、熱交換ユニットに悪影響を与えることを防止できる。また、圧縮機で圧縮された蒸留水の方がヒータで加熱された水よりも温度が高いため、このようなヒータによる加熱水が熱交換ユニットに流入することを防止し、熱交換ユニットに余計なエネルギを必要とさせることを防止できる。

好ましくは、前記流出端及び前記流入端は、前記蒸発器の外側にて前記蒸留水還り流路と連通されている。このように、流出端及び流入端は、蒸発器の外側にて蒸留水還り流路と連通されているため、既存の蒸発器内に新たな管路が形成されることはない。このため、スケールの発生面を抑えることができるとともに、メンテナンスにおける作業性もよい。

また、本発明では、上記海水の淡水化装置を用い、スタートアップ時に、前記第１及び第２のバルブを閉じて前記循環流路を形成し、前記被加熱水を前記循環流路内で循環させ、前記循環流路内を流れる前記被加熱水を前記ヒータで加熱して加熱水とし、前記熱交換部にて前記加熱水と前記蒸発器内の前記海水とを熱交換することを特徴とする海水の淡水化方法を提供する。この海水の淡水化方法を用いれば、スタートアップ時には、予め第１及び第２のバルブを閉じることで循環経路を形成し、この循環経路に加熱水を循環させることで、熱交換部にて加熱水と海水とを熱交換できる。これにより、熱交換部を用いて装置のスタートアップ時に蒸発器内の海水を蒸発させることができる。このため、蒸発器の外部からヒータで加熱するよりも効率よくスタートアップ時に海水を蒸発させることができる。

本発明によれば、戻り流路を設けて熱交換部と協働して循環流路を形成するので、熱交換部を用いて装置のスタートアップ時に蒸発器内の海水を蒸発させることができる。このため、蒸発器の外部からヒータで加熱するよりも効率よくスタートアップ時に海水を蒸発させることができる。また、既存の熱交換部を用いて循環流路を形成するため、蒸発器内にスペースがない場合でも適用可能である。また、既存の熱交換部を用いることは、新たに別ルートで熱交換のための管路を設けるよりも塩のスケール発生面を最小限にとどめることができる点で有利である。

本発明に係る海水の淡水化装置の概略図である。

図１に示すように、本発明に係る海水の淡水化装置１は、海水供給端６から供給される海水を淡水にするためのものである。この装置１は、蒸発器２、圧縮機３及び熱交換ユニット４を備えている。海水は、海水供給流路７の海水供給端６から蒸発器２へと導かれる。すなわち、蒸発器２は海水供給流路７を介して海水供給端６と接続され、海水はこの海水供給流路７を流通する。このとき、海水は海水供給流路７にある熱交換ユニット４を通る。海水供給流路７の終端に配設された蒸発器２は、供給された海水を蒸発させるものである。蒸発した海水は、例えば図示しない気液分離器等を用いて蒸気（蒸気状の蒸留水）と濃縮水に分離される。蒸気は蒸留水還り流路５を流通する。

蒸留水還り流路５には圧縮機３が配設され、この圧縮機３で蒸気は圧縮され、温度が上昇する。この圧縮蒸気は、蒸発器２内で海水の蒸発のための熱源として用いられる。具体的には、蒸留水還り流路５の一部を形成し、蒸発器２内を通る部分である熱交換部５ａにて海水と熱交換される。熱交換部５ａで熱交換された蒸気は凝縮して液状の蒸留水となる。この後、蒸留水は蒸留水還り流路５にある熱交換ユニット４を通って蒸留水回収端８から回収される。この熱交換ユニット４においても蒸留水は海水と熱交換される。このように蒸留水は十分に冷却されてから蒸留水回収端８から回収される。なお、蒸留水を冷却するために冷却水で冷却してもよい。

一方、蒸発器２で発生した海水の濃縮水は、蒸発器２から延びる濃縮水還り流路９を流通し、熱交換ユニット４を通って濃縮水回収端１０から回収される。すなわち、濃縮水は熱交換ユニット４にて海水と熱交換され、冷却されてから濃縮水回収端１０より回収される。濃縮水も蒸留水と同様に、冷却水等を用いて十分に冷却してもよい。

以上より、海水供給流路７、蒸留水還り流路５、濃縮水還り流路９には熱交換ユニット４が配設され、海水はまずこの熱交換ユニット４で蒸留水及び濃縮水と熱交換されて加熱される。そして、蒸発器２にてさらに圧縮機３によって圧縮された蒸気と熱交換されて蒸気及び濃縮水となる。

海水の淡水化装置１は、スタートアップ時の蒸発器２内の海水蒸発のための熱源を確保するために、戻り流路１１を備えている。戻り流路１１は、水が流通可能な流路であり、両端に流入端１２と流出端１３とを有している。流入端１２は、蒸留水還り流路５における熱交換部５ａの下流側と接続されている。流出端１３は、蒸留水還り流路５における熱交換部５ａの上流側と接続されている。すなわち、戻り流路１１は熱交換部５ａを挟んで蒸留水還り流路５と連通されている。流出端１３及び流入端１２と連通する位置の上流側及び下流側の蒸留水還り流路５には、第１のバルブ１４及び第２のバルブ１５が設けられている。これら第１及び第２のバルブ１４、１５を閉じることで、戻り流路１１と熱交換部５ａとが協働して閉鎖された循環流路１６が形成される。

戻り流路１１には水タンク１７が配設されている。この水タンク１７には、予め加熱されるべき被加熱水１８が貯留されている。また、戻り流路１１にはヒータ１９が配設されている。このヒータ１９は、戻り流路１１や水タンク内の水（被加熱水を含む）を加熱するためのものである。また、戻り流路１１には水の流れを形成するためのポンプ２０が配設されている。また、戻り流路には第３のバルブ２１が配設されている。

このような戻り流路１１を備えた装置１をスタートアップする場合、まず第１及び第２のバルブ１４、１５を閉じる。これにより、熱交換部５ａと戻り流路１１とで循環流路１６を形成する。そして、ポンプ２０を駆動させ、予め貯留されていた被加熱水を循環流路１６内で循環させる。この循環流路１６内を流れる被加熱水をヒータ１９にて加熱し、加熱水とする。加熱水は流出端１３から蒸留水還り流路５に流出し、熱交換部５ａにて蒸発器２内の海水と熱交換される。蒸発器２内で熱交換されて冷却した加熱水は、流入端１２から戻り流路１１に流入し、再びヒータ１９にて加熱される。このサイクルを繰り返すことで、海水の温度が徐々に上昇していく。

そして海水が蒸発し出したら、そのときの温度を保つように徐々に海水供給端６から海水を供給し、第１及び第２のバルブ１４、１５の開度調整を行う。これとともにポンプ２０も調整して循環流路１６を流通する加熱水の流量も調整する。圧縮機３も徐々に可動させる。十分に海水が蒸発しだしたら、水タンク１７内に次回のスタートアップ時に用いる被加熱水が規定量貯留されていることを条件に、第３のバルブ２１を徐々に閉じる。これとともに、ポンプ２０も徐々に停止させる。そして、圧縮機３のみ稼働している状態で海水は淡水化される。なお、圧縮機３や他の熱源を用いていて、海水を蒸発させるための熱源が不足している場合には、再び第３のバルブ２１を開けて循環流路１６を流れる加熱水を補助的な熱源として利用することも可能である。

このように、装置１は、戻り流路１１を設けて熱交換部５ａと協働して循環流路１６を形成するので、熱交換部５ａを用いて装置１のスタートアップ時に蒸発器２内の海水を蒸発させることができる。このため、蒸発器２の外部からヒータで加熱するよりも効率よくスタートアップ時に海水を蒸発させることができる。また、既存の熱交換部５ａを用いて循環流路１６を形成するため、蒸発器２内にスペースがない場合でも適用可能である。また、既存の熱交換部５ａを用いることは、新たに別ルートで熱交換のための管路を設けるよりも塩のスケール発生面を最小限にとどめることができる点で有利である。

図１に示したように、流出端１３は、圧縮機３の下流側にて蒸留水還り流路５と連通されていることが好ましい。通常、圧縮機３の上流側は海水の蒸気が流通する。したがって圧縮機３にはガス状の蒸気しか流入しない。このため、圧縮機３は蒸気圧縮に適したものが用いられている。流出端１３を圧縮機３の下流側にて蒸留水還り流路５と連通することで、液体状の加熱水が圧縮機３に流入することはない。したがって、このような位置で戻り流路１１を蒸留水還り流路５に連通させれば、圧縮機３に対して悪影響を及ぼすことを防止できる。

図１に示したように、流入端１２は、熱交換ユニット４の上流側にて蒸留水還り流路５と連通されていることが好ましい。このように、流入端１２を熱交換ユニット４の上流側にて蒸留水還り流路５と連通することで、ヒータ１９で加熱された加熱水が熱交換ユニット４内を通ることを防止し、熱交換ユニット４に悪影響を与えることを防止できる。また、圧縮機３で圧縮された蒸留水の方がヒータ１９で加熱された加熱水よりも温度が高いため、このようなヒータ１９による加熱水が熱交換ユニット４に流入することを防止し、熱交換ユニット４に余計なエネルギを必要とさせることを防止できる。

図１に示したように、流出端１３及び流入端１２は、蒸発器２の外側にて蒸留水還り流路５と連通されていることが好ましい。このように、流出端１３及び流入端１２を蒸発器２の外側にて蒸留水還り流路５と連通すれば、既存の蒸発器２内に新たな管路が形成されることはない。このため、スケールの発生面を抑えることができるとともに、メンテナンスにおける作業性もよくなる。

一方で、ヒータ１９を水タンク１７の近傍（例えば出口）に設ければ、ヒータ１９による加熱で水の流れを自然に形成し、循環流路１６内に加熱水の自然循環を形成することも可能である。この場合は、ポンプ２０が不要となる。上述した例では、ポンプ２０があることにより、循環流路１６内の流量制御ができ、取り扱い性が向上している。

２ 蒸発器
３ 圧縮機
４ 熱交換ユニット
５ 蒸留水還り流路
５ａ 熱交換部
７ 海水供給流路
９ 濃縮水還り流路
１１ 戻り流路
１２ 流入端
１３ 流出端
１４ 第１のバルブ
１５ 第２のバルブ
１６ 循環流路
１７ 水タンク
１８ 被加熱水
１９ ヒータ

Claims (5)

1. 海水が流通する海水供給流路と、
   該海水供給流路の終端に配設された蒸発器と、
   該蒸発器によって発生した前記海水の蒸気又は蒸留水が流通する蒸留水還り流路と、
   該蒸留水還り流路に配設され、前記蒸気を圧縮するための圧縮機と、
   前記蒸留水還り流路の一部を形成し、前記圧縮機の下流に配されて前記蒸発器内を通る熱交換部と、
   前記熱交換部の上流側及び下流側を流出端及び流入端として前記蒸留水還り流路とそれぞれ連通し、前記熱交換部と協働して循環流路を形成する戻り流路と、
   前記流出端及び前記流入端と連通する位置の上流側及び下流側にて前記蒸留水還り流路に設けられた第１及び第２のバルブと、
   前記戻り流路に配設され、被加熱水が貯留された水タンクと、
   前記戻り流路に配設され、前記戻り流路または前記水タンク内を加熱するヒータと、
   前記蒸発器によって発生した前記海水の濃縮水が流通する濃縮水還り流路と、
   前記海水供給流路、前記蒸留水還り流路、前記濃縮水還り流路に配設され、前記海水と前記蒸留水及び前記濃縮水とで熱交換を行うための熱交換ユニットとを備え、
   スタートアップ時に、前記第１及び第２のバルブを閉じ、前記水タンク内の前記被加熱水を前記戻り流路または前記水タンク内で加熱しながら前記循環流路に循環させることを特徴とする海水の淡水化装置。
2. 前記流出端は、前記圧縮機の下流側にて前記蒸留水還り流路と連通されていることを特徴とする請求項１に記載の海水の淡水化装置。
3. 前記流入端は、前記熱交換ユニットの上流側にて前記蒸留水還り流路と連通されていることを特徴とする請求項２に記載の海水の淡水化装置。
4. 前記流出端及び前記流入端は、前記蒸発器の外側にて前記蒸留水還り流路と連通されていることを特徴とする請求項３に記載の海水の淡水化装置。
5. スタートアップ時に、前記第１及び第２のバルブを閉じて前記循環流路を形成し、
   前記被加熱水を前記循環流路内で循環させ、
   前記循環流路内を流れる前記被加熱水を前記ヒータで加熱して加熱水とし、
   前記熱交換部にて前記加熱水と前記蒸発器内の前記海水とを熱交換することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の海水の淡水化装置を用いた海水の淡水化方法。

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