JP6034241B2

JP6034241B2 - 蒸発缶

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Publication number: JP6034241B2
Application number: JP2013106808A
Authority: JP
Inventors: 秀章細井; 直行石田
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2033-05-21
Also published as: JP2014226587A

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の側面を上昇する。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、蒸発缶中央部を下降する。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可能性がある。

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。

特許文献４は、レーザー光で溶液を加熱する蒸発缶に対し、缶壁内側に沿って仕切り板を設け、仕切り板と缶壁内側との間に濃縮前の溶液を流入させ、仕切り板中央部に設けた開口部より缶内に溶液を流入する蒸発缶を提案している。

特開平１１−３３３２０１公報特公平３−４９６０７号公報特開２００１−２６００３０号公報特公平６−８５８４１号公報

本発明の蒸発缶では、蒸発缶内が加熱され、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、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可能性があるため、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可能性がある。

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可能性がある。

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可能性がある。

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可能性がある。

特許文献４では、レーザー光で缶内部の溶液を加熱しているため、仕切り板を缶壁に沿って設けることができる。しかし、外部からの加熱がある蒸発缶では、缶壁に沿った仕切り板により、内部の溶液を加熱できない可能性がある。また、缶中央で下降流となる自然対流により、濃縮前の溶液の缶内への流入を妨げる可能性がある。さらに、仕切り板中央部の開口部から固相が沈降し、缶底部に堆積して腐食ポテンシャルを増大させる可能性がある。

以上のことから本発明の目的は、外部から加熱のある蒸発缶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、外部または内外部に備えた加熱機構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、濃縮により析出した固相を回収可能な蒸発缶であって、蒸発缶内を上部領域と下部領域に仕切る仕切り板、仕切り板を貫通し蒸発缶外部から下部領域に溶液を供給する溶液供給管、仕切り板の外縁近傍に設けられ仕切り板を貫通する溶液誘導管、一端が上部領域内の仕切り板の上部に位置づけられ、他端が蒸発缶外部に位置する移送用配管を備え、濃縮により析出した固相を含む溶液を、移送用配管を介して蒸発缶外部に回収することを特徴とする。

本発明の上記構成により、蒸発缶底部の加熱面に堆積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溶液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。撹拌機構を備えた蒸発缶内の機器は位置及び溶液の移動方向を説明するための図。撹拌機構を備えた蒸発缶内の配管構成を立体的に示した図。本発明の実施例３に係る溶液誘導管の模式図。本発明の実施例４に係る溶液誘導管の模式図。

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。また、外部からの加熱に加え、内部にヒータを設けてもよい。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１０１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１０１外部には、外部ヒータ１０２が設けられ、これにより蒸発缶１０１内部の溶液１０３を加熱する。

蒸発缶１０１内の溶液１０３は、蒸発缶１０１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１０１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１０１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１０１底面に沿って流動することにより、蒸発缶１０１底部を除熱する。また壁面近傍の上昇流により蒸発缶１０１の側面の壁を除熱する。

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１０１底部まで到達せず、自然対流による除熱が阻害される可能性がある。

この時、蒸発缶１０１の下部から加熱されているため、蒸発缶１０１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１０１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１０１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１０１内を撹拌することにより、蒸発缶１０１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１０１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の加熱面への堆積量を低減する図３の機器配置および溶液の移動方向を提案している。図３を用いて、蒸発缶１０１内の機器配置および溶液の移動方向を説明する。

図３は図２と同じ蒸発缶１０１断面で示しているが、ここでは第１点として蒸発缶１０１下部に仕切り板２０１を水平方向に設置する。この仕切り板２０１により蒸発缶１０１内は上部領域Ａと下部領域Ｂに分けられる。自然対流１０４は主に上部領域Ａで生じる。理論上自然対流は下部領域でも生じるが、仕切り板２０１が蒸発缶１０１下部に設けられていること、溶液が常時供給されており比較的に低温であることなどの理由により、本発明の動作を考える上では無視することができる。

第２点として仕切り板２０１の外縁近傍に溶液誘導管２０２を設置する。缶内の溶液は、この溶液誘導管２０２を通してのみ上部領域Ａと下部領域Ｂを移動する。なお上部領域Ａに突出している溶液誘導管２０２の長さは、仕切り板２０１上に堆積する固相１０５の量により決定する。

第３点として濃縮前の溶液２０７を下部領域Ｂに供給する。溶液の供給は蒸発缶１０１の上部から溶液供給管２０３を通して行い、供給流Ｆ１を与える。下部領域Ｂに供給された溶液は溶液誘導管２０２を通り、移送流Ｆ２として上部領域Ａへ移送される。２０５は溶液供給管２０３に設けられ、供給流Ｆ１の流量を定め、あるいは流通を阻止する弁である。

第４点として仕切り板２０１上に堆積した固相１０５を移送し、次の工程設備２０６に回収するために、移送用配管２０４を上部領域Ａと蒸発缶１０１の上部の間に設置する。Ｆ３は回収ルートである。

以下、図３の機器配置および溶液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、第１点の仕切り板２０１は蒸発缶１０１底部近傍に水平方向に配置され、図４に示すような円盤状に形成されている。図４は蒸発缶１０１内の配管構成を立体的に示した図である。

図１において、第２点として述べた溶液誘導管２０２は仕切り板２０１を貫通し、仕切り板の外縁近傍に少なくとも１つ設置している。図４には、仕切り板２０１と溶液誘導管２０２と溶液供給管２０３とが記述されている。

図１において、第３点として述べた蒸発缶１０１底部に廃液を供給するための構成は以下のようである。蒸発缶１０１中心部近傍の鉛直軸方向に溶液供給管２０３を備える。溶液供給管２０３は蒸発缶１０１外部から導入され、仕切り板２０１を貫通し、下端は下部領域Ｂまで通じている。蒸発缶１０１外部の溶液供給管２０３の途中には弁２０５を備え、この弁の開閉により蒸発缶１０１内への溶液の供給流Ｆ１を与える。

図１において、第４点として述べた仕切り板上に堆積した固相の移送・回収のための構成は以下のようである。蒸発缶１０１内の鉛直軸方向に移送用配管２０４を備える。移送用配管２０４の下端は上部領域Ａに存在し、この下端と仕切り板２０１との距離は、仕切り板上に堆積する最大固相量に応じて決定する。また、移送用配管２０４は蒸発缶１０１外部の次の処理工程設備へ連結される。

以下、この構成による溶液の処理・移送について説明する。蒸発缶１０１外部からの加熱と第１点で述べた仕切り板２０１により、上部領域Ａ内では自然対流１０４（図２）を生じながら溶液が濃縮される。濃縮時に発生する固相１０５は上部領域Ａで多く生じ、仕切り板２０１上に堆積する。固相１０５は下部領域Ｂでも生じる可能性があるが、上部領域Ａでの発生に比べると少量である。このため、蒸発缶１０１底部の加熱面に接触する固相１０５の量を大幅に低減でき、蒸発缶１０１底部の腐食ポテンシャルの増加を抑制することができる。

蒸発缶１０１における溶液の濃縮進行中には、常時濃縮前の溶液２０７が下部領域に供給されている。この溶液２０７は、弁２０５を開き、溶液供給管２０３を通して仕切り板２０１下部の下部領域Ｂに供給する供給流Ｆ１を与える。下部領域Ｂに供給された溶液は溶液誘導管２０２を通過し、移送流Ｆ４として上部領域Ａに移送される。

ここで、下部領域Ｂに濃縮前の濃度の低い溶液を供給することで、蒸発缶１０１下部からの加熱があっても下部領域Ｂにおける固相１０５の析出量を低減できる。さらに、溶液誘導管２０２を仕切り板の外縁近傍に配置することで、移送流Ｆ２を図２の自然対流１０４の上昇流に合流させることができ、自然対流１０４を阻害することなく溶液を供給できる。自然対流１０４の阻害防止の観点から、溶液誘導管２０２を複数配置する場合には、図４のように点対象に配置することが好ましい。

以上のように、本発明の蒸発缶１０１では、溶液誘導管２０２を外縁近傍に備えた仕切り板２０１と溶液供給管２０３により、固相１０５が蒸発缶１０１底部に堆積する量を削減できる。これにより蒸発缶１０１の稼働率を低下させることなく、長期間、蒸発缶１０１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２０４により、仕切り板上に堆積した固相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、仕切り板２０１、溶液誘導管２０２、溶液供給管２０３、移送用配管２０４、弁２０５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５に示すように、蒸発缶１０１底部に堆積した固相の撹拌のために、攪拌用流体供給管５０１および攪拌ノズル５０２を設置する。

図５において、蒸発缶１０１底部に堆積した固相の攪拌のための構成は以下のようである。蒸発缶１０１中心部近傍の鉛直軸方向に攪拌用流体供給管５０１及び撹拌ノズル５０２を備える。撹拌用ノズル５０２は攪拌用流体供給管５０１の先端に形成され下部領域Ｂ内に位置づけられる。攪拌用流体供給管５０２は蒸発缶１０１外部から導入され、仕切り板２０１を貫通し、下端は下部領域Ｂまで通じている。蒸発缶１０１外部の攪拌用流体供給管５０１の途中には弁５０３を備え、攪拌時にはこの弁の開閉により蒸発缶１０１の上方から下流に向かう攪拌流Ｆ４を与える。

図６は蒸発缶１０１内の配管構成を立体的に示した図である。下部領域Ｂ内に堆積した固相に撹拌流Ｆ４を噴射するための噴射口６０１が撹拌用ノズル５０２の先端に形成されている。攪拌流Ｆ４は、図６に示す噴射口６０１から噴出し、下部領域Ｂ内の蒸発缶１０１底部に到達する。

以下、この構成による固相の処理・移送について図５を参照して説明する。まず以下の説明の前提として、溶液供給管２０３から濃縮前の溶液２０７が適宜供給されており、蒸発缶１０１内には溶液が満たされ、蒸発缶１０１は外部から加熱されている。係る運転状態において、上部領域Ａの濃縮溶液と下部領域Ｂの溶液の密度差が大きいとき、溶液誘導管２０２を通して、上部領域Ａから下部領域Ｂに濃縮溶液が移動し、下部領域Ｂで固相１０５が析出する、または濃縮溶液と共に上部領域Ａで析出した固相１０５が下部領域Ｂに移動することで、蒸発缶１０１底部に固相１０５が堆積する可能性がある。

このような場合、固相１０５を再度上部領域Ａに移送する必要がある。この移送のために弁５０３を開き、攪拌用流体供給管５０１及び攪拌ノズル５０２から攪拌流Ｆ２として攪拌用流体５０４を流入させる。攪拌流Ｆ２により蒸発缶１０１底部に堆積した固相１０５を拡散させる。

またこのときには、溶液供給管２０３から供給する濃縮前の溶液２０７の供給量を弁２０５により調整し、拡散した固相１０５が下部領域Ｂ内に供給された溶液と共に溶液誘導管２０２を通して移送流Ｆ２として上部領域Ａに移送する。撹拌用流体５０４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。

上部領域Ａで濃縮途中に析出した固相１０５は、仕切り板２０１上に堆積する。濃縮処理後に、溶液供給管２０３上の弁２０５が閉じた状態で、移送用配管２０４から堆積した固相１０５と濃縮した溶液１０３を吸入して、次の処理工程設備２０６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２０４から押し出し、次の処理工程設備２０６に移送することでもよい。

以上のように、仕切り板２０１と仕切り板下部からの溶液の供給により蒸発缶１０１底部の固相の堆積量を低減することができ、蒸発缶１０１の稼働率を低下させることなく、長期間、蒸発缶１０１底部の温度上昇を抑制し、蒸発缶１０１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。

なお、図５及び図６は一例を示しており、仕切り板２０１、溶液誘導管２０２、溶液供給管２０３、移送用配管２０４、弁２０５、撹拌用流体供給管５０１、撹拌ノズル５０２、弁５０３、噴射口６０１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、溶液誘導管２０２の上部先端を細くした形状を有している。

溶液誘導管２０２の上部先端を細くすることで、溶液誘導管出口の移送流Ｆ４の流速が増加し、上部領域Ａの濃縮溶液と下部領域Ｂの溶液の密度差が大きい場合でも、濃縮溶液の水頭圧よりも高い圧力で溶液を上部領域Ａに移送できる。このため、溶液誘導管２０２を通して上部領域Ａから下部領域Ｂに濃縮溶液が移動する量を低減し、下部領域Ｂで固相１０５が析出する、または濃縮溶液と共に上部領域Ａで析出した固相１０５が下部領域Ｂに移動する量を低減することができる。

なお、溶液誘導管２０２の下端の直径ｄ_ｉｎ及び上端の直径ｄ_ｏの比（絞り直径比：
ｄ_ｏ／ｄ_ｉｎ）は、濃縮前後の溶液の密度及び供給流Ｆ１の条件に応じて決定する。

なお、図７は一例を示しており、溶液誘導管２０２の形状、大きさ、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、溶液誘導管２０２の内部に逆流防止機構８０１を有する。逆流防止機構８０１を設置することにより、上部領域Ａから下部領域Ｂへの濃縮溶液の流入を防ぐことができ、蒸発缶１０１底部に堆積する固相１０５の量を低減することができる。なお、図８は一例として、逆止弁を示しているが、本機構はこれに限定されず、形状、位置についてもこれに限定されない。

１０１：蒸発缶
１０２：外部ヒータ
１０３：溶液
１０４：自然対流
１０５：固相
２０１：仕切り板
２０２：溶液誘導管
２０３：溶液供給管
２０４：移送用配管
２０５：弁
２０６：次の工程設備
２０７：濃縮前の溶液
５０１：撹拌用流体供給管
５０２：撹拌用ノズル
５０３：弁
５０４：撹拌用流体
６０１：噴射口
８０１：逆流防止機構
Ｆ１：供給流
Ｆ２：移送流
Ｆ３：回収ルート
Ｆ４：撹拌流

Claims

外部または内外部に備えた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、濃縮により析出した固相を回収可能な蒸発缶であって、
蒸発缶内を上部領域と下部領域に仕切る仕切り板、該仕切り板を貫通し蒸発缶外部から前記下部領域に前記溶液を供給する溶液供給管、前記仕切り板の外縁近傍に設けられ仕切り板を貫通する溶液誘導管、一端が前記上部領域内の前記仕切り板の上部に位置づけられ、他端が蒸発缶外部に位置する移送用配管を備え、
濃縮により析出した固相を含む溶液を、移送用配管を介して蒸発缶外部に回収することを特徴とする蒸発缶。
請求項１に記載の蒸発缶において、
前記溶液誘導管は、前記仕切り板の外縁近傍に複数個所設けられ、前記溶液供給管は蒸発缶中央部に鉛直方向に設けられていることを特徴とする蒸発缶。
請求項１または請求項２に記載の蒸発缶において、
前記仕切り板を貫通し蒸発缶外部から前記下部領域に撹拌用流体を供給する撹拌用流体供給管を備え、
前記下部領域内の撹拌により、前記下部領域内に存在する前記固相を、前記溶液誘導管を介して前記上部領域に移すことを特徴とする蒸発缶。
請求項３に記載の蒸発缶において、
撹拌用流体供給管は、その先端に噴射口を備える撹拌ノズルを構成し、前記蒸発缶底部に堆積した固相を撹拌することを特徴とする蒸発缶。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の蒸発缶において、
前記溶液誘導管内に前記上部領域から前記下部領域に向かう溶液の流れを阻止する逆流防止機構を備えることを特徴とする蒸発缶。