JP6108408B2 - 産業的な生成物および副産物を濃縮するシステム - Google Patents

Description

本発明は、処理液体（source liquid）を蒸留し、浄化し、または脱塩するシステムに関する。

地球上に水は豊富にある。しかし、良質で汚染されていない水は、自然と人間の作り出した汚染物質により、刻々と利用できなくなりつつあり、すなわち量的に十分でないだけでなく、質的にも十分でなくなりつつある。良質の水を得るための処理方法の必要性が、全世界的にますます高まっている。本発明は、さまざま水源から良質の水を生成するための数多くの既存の利用可能なエネルギ源を用いる技術を提供するものである。さらに、以下説明するシステムにより、さまざまな液体混合物を処理して、元の液体の１つまたはそれ以上の成分を品質改良し、いくつかの用途においては、混合物の中から１つの成分を分離して利用することができる。

本発明の実施形態によれば、少なくとも２つの成分を含み、混合した処理液体中の少なくとも１つの成分を品質改良するためのシステムが提供され、このシステムは、重ね合わせられた複数のサブユニットからなる塔本体部であって、最上方サブユニットが蒸気チャンバであり、中間サブユニットが加熱チャンバとして機能し、最下方サブユニットが沈殿チャンバとして機能する塔本体部を有する。このシステムは、さらに、蒸気チャンバを加熱チャンバから部分的に分離する壁部と、少なくとも１つの加熱ユニットと、沈殿物が沈殿チャンバ内に沈殿しやすくするために、沈殿チャンバの上方であって、中間サブユニットの底部に設けた少なくとも１つのシャッタと、大気圧と圧力平衡状態にある液体を保管するための中間保管容器と、ポンプ作用により、中間サブユニットに再充填するための入口と、処理済みの液体を最上方蒸気チャンバから外部容器へ搬送するための出口とを有する。

本発明に係るプロセス全体のインプットとアウトプットとの関係を示す概略図である。 本発明に係るプロセスで行われる主要なイベントを示す概略図である。 本発明に係るシステムの実施形態の概略的な外観斜視図であって、その構成部品を示す。 本発明に係るシステムの実施形態の概略的な外観斜視図であって、複数の区画および沈殿物抽出口を示す。 本発明に係るシステムの断面斜視図であって、真空チャンバと加熱チャンバとの間の構造的関係を示す。 本発明に係るシステムの断面斜視図であって、真空チャンバと加熱チャンバとの間の構造的関係、ならびに真空チャンバの出口および加熱チャンバの入口を示す。 本発明に係るシステムのフィルタ部品の帰納的な意味での配置位置を示すブロック図である。 本発明に係るシステムの各チャンバ間における物質の大量輸送を示す概略図である。 本発明に係るシステムの概略図であって、限定的な態様における液体および沈殿物の経路を示す。 本発明に係るシステムに出入りする大量輸送を示す概略図である。 本発明に係る一般化したシステムの構成部品におけるエネルギ／熱の流れの経路を示す概略図である。 本発明に係るシステムの構成部品において、熱源から熱が生じるエネルギ／熱の流れの経路を示す概略図である。 本発明による排出物洗浄処理を実施する煙突上部の概略的な断面図である。

図１を参照すると、最も一般的な用語において、本発明に係る処理が施される処理液体２０から２つの生成物、すなわち水等の処理済液体２２および残渣物２４が生成される。本発明において、溶解物質および／または分散物質を含む水等の気相状態にある処理液体を、ガスを含み、ある程度の真空状態にあるコンパートメント（小部屋）の中に通過させ、さらに処理した液体を別の容器に収集し、汚染物質を抽出チャンバに回収することにより、処理液体を洗浄し、浄化することができる。この場合、ある程度の（部分的な）真空状態にある気相含有物が半透過膜として機能し、処理液体中の１つの構成成分を完全にまたは部分的に優先的に回収することができる。フィルタ選択性と部分的な真空下のフィルタ選択性との実際上の違いは、フィルタ処理して１つまたはそれ以上の成分を選択的に品質改良するために、液体を蒸発させる必要がある点にある。他方、部分的な真空状態は、保全し、または交換する必要はない。

コンパートメントおよびこの中に処理液体を通過させて行う処理について、図２を参照しながら以下詳細に説明する。本願明細書における処理液体なる用語は、人間の出した廃棄物により汚染され、または汚染されていない海水、塩水、地下水、湖水、および河川水等の天然資源として存在するさまざまな水性液体を意味する。さらに上記用語は、産業排水もしくは家庭排水等の人工物である水性処理液体または非水性処理液体、およびさまざまな工場から排出される処理済水をも意味する。

図２は、本発明に係るシステムを用いて実施可能な主たるステップを示す。ステップ４０において、圧力平衡プール（水槽）または容器に処理液体を搬送し、周囲大気に開放し、この中で粒子の沈殿による洗浄等の処理ステップを行うことができる。ステップ４２において、液体を圧力平衡プールから加熱チャンバに汲み上げ、ステップ４４において、別途、詳細に後述するが、液体の表面から発生する液体蒸気を加熱チャンバの直上に配置された包括的面積を有する蒸気チャンバに充填する。ステップ４６において、暖かい蒸気を拡散させ、蒸気チャンバ内の利用可能な空間に充填させる。ステップ４８において、ある種の蒸気を凝縮させて、液体を形成し、この液体は蒸留水等の高品質プロダクトとして利用するために抽出される。蒸発ステップと平行して、ステップ５０において、残渣物が加熱チャンバ内で形成される場合がある。この残渣物は塩の結晶を形成し、分散物質は、加熱され、または汚染物質濃度が上昇するため、加熱チャンバから除去される。しかし、ステップ５２において、形成された残渣物は、引力の作用により加熱チャンバの真下に配置される抽出チャンバ内に移動し、その中で、残渣物が濃縮物を形成して蓄積する。

次に、本発明が実施されるデバイスの重要な構造的特徴について説明する。蒸気チャンバは、加熱チャンバにある液体表面から立ち上る蒸気を凝縮させる容器である。この重要な態様を説明するために、まず図３を参照する。本発明に係るシステムの液体処理装置の蒸気チャンバ５６において、処理された液体を蒸気チャンバの底部から抜き取るための液体出口５８が取り付けられている。蒸気チャンバの真下において、加熱チャンバ６０が処理前の液体（未処理液体）を収容している。入口６２から未処理液体を加熱チャンバ内に充填して、加熱チャンバ内における未処理液体の水準（レベル）が適当な水準に維持される。沈澱チャンバ６４は、液体処理デバイスの一部であり、その中で未処理液体から生じた残渣物が沈殿する。図４は、後述のように、沈澱チャンバ６４および沈殿物抽出口６６を含む液体処理デバイスを示す。図５は、沈澱チャンバを省略した上記液体処理デバイスの破断斜視図である。２段階に区画化された構成は、隔壁６８により蒸気チャンバ５６を加熱チャンバ６０から隔離するものである。隔壁は、不完全であり、中央開口部７０により、下段、すなわち加熱チャンバ６０で生成された蒸気を、上段、すなわち蒸気チャンバ５６に移動させるものである。すなわち加熱チャンバ内の圧力は、蒸気チャンバ内の圧力に等しい。凝縮した液体のほとんどは、所定量の液体を集めるような形状を有する隔壁６８上に集積され、導管を介して別の保管場所に転送することができる。

図６を参照しつつ、凝縮した液体フローの流路について説明する。集積された凝縮液体７２は、凝縮チャンバ内における凝縮過程に起因して、蒸気チャンバ５６の底部に溜まる。この集積された液体の水準が円７４よりかなり内側にあるとき、このシステムは、液体が中央開口部７０に達しておらず、下方コンパートメントへ落下しないものとして取り扱う。液体出口５８は、凝縮液体をユーザに供給する前に、凝縮液体を凝縮チャンバの底部から次の貯蔵手段に搬送する手段である。

［動作原理］
ある程度の（部分的な）真空状態にある空間としてのフィルタは、処理液体と処理済液体とを分離するものである。図７から明らかなように、通常、大気圧下にある処理液体８４は、フィルタ８６を通過して、その蒸留した態様を有する処理液体を生成する。残渣物９０は、フィルタを通過することができないが、以下詳述するように、本発明に係る別の態様によるプロセスによれば、溶解可能な別の混入物質を残渣物として沈降させるか、または塩水を生成することができる。液体と、これに含まれる分散／溶解した物質とを分離するためには、このプロセスを実行するためにエネルギを供給しなければならない。このエネルギは、加熱チャンバ内の処理液体にエネルギ供給して、処理液体の一部を蒸気に代える加熱モジュールにより得られる。図８から明らかなように、エネルギ９８が加熱チャンバ６０に供給されると、大量の液体１００が蒸気に変わり、蒸気チャンバ５６へ移行し、ここでエネルギ１０２が放出され、蒸気または蒸気の少なくとも一部が凝縮する。

処理液体が加熱されると、その一部が蒸発して、溶解または分散した混入物質が集塊し、固形化し、または凝縮し、たとえば水に含まれるミネラル成分が、単に加熱しただけで、残渣物を形成する場合がある。しかし、所定量の処理液体から液体蒸気を取り出し、またはその結果として加熱チャンバ内の液体に濃度勾配が形成されると、大量の混入物質１０４またはそのうちの少なくとも一部が液体から排出され、液体より軽い混入物質が最終的に沈殿チャンバ６４に沈降する。

［システムの搬入および搬出］
本発明に係るシステムの実施形態において、図９を参照すると、最初に、海水のような処理液体が中間容器１２２に汲み上げられ、ソース設備から矢印１２４に示すように搬送される。中間容器１２２内の水圧は大気圧と均衡しており、第１の洗浄ステップは、容器のフロア上に沈殿物を沈降させることにより行うことができる。容器１２２からの液体は、通常、加熱チャンバ６０内の連続体を構成する。液体の上面１１０を特定レベルに維持するために、液体レベル（水準）１２６を加熱チャンバ６０内の液体と特定の均衡状態に維持することができる。液体レベル１２６が高いほど、液体の上面１１０のレベルをより高くしてもよく、実際の高さの違いは、蒸気チャンバ５６の真空度等の他の要因に依存する。処理済液体、すなわち良質の蒸留液体は、蒸気チャンバ５６の底部に集められ、隔壁６８により加熱チャンバ６０内の液体とは分離される。隔壁６８の実際の構成により、パイプ５８を介して容器１３４に搬送される前に、蒸気チャンバ５６内に蓄えられる処理済液体の量が決まる。

図１０に本発明のシステムが図示されている。塔本体部（タワー）１３８は、少なくともある程度は分離可能な３つの重ね合わせられたサブユニットを有する。蒸気チャンバ５６が一番上に設置され、その下方に加熱チャンバ６０が配置され、最も下方に沈殿チャンバ６４が配置されている。より詳細に以下説明するように、システムを出入りする大量輸送が矢印で示され、矢印１４２がシステム内に搬入される大量の処理液体を示し、矢印１４４がシステムから供給される処理済の良質な液体を示し、矢印１４６がシステムから排出される大量の沈殿物を示す。

加熱チャンバ６０内のより軽量な成分を加熱して、上側チャンバに蒸発させて、失われるため、沈殿物、にがり、または他の凝縮した固体または液体が、加熱チャンバ６０内に形成されるが、通常、処理液体より重いため、矢印１４８の方向に加熱チャンバ６０の底部に沈降または沈殿する。加熱チャンバ６０の底部において、上部シャッタ１５２は、開口しているとき、沈殿物およびにがりが沈殿チャンバ６４内に沈殿する。適当な場合には、上側チャンバにおける主要プロセスを継続させつつ、下側チャンバ１５４を開き、上側チャンバ１５２を閉じて、沈殿物およびにがりを搬出することができる。

［エネルギフローおよび熱の検討］
本発明に係るシステムの収量および保全性を制御するために、いくつかのパラメータを考慮する必要がある。加熱チャンバ／蒸気チャンバ内を真空状態にすると、処理液体の沸点が低くなるが、真空状態を維持することはエネルギを消費することになる。本発明に係るシステムの作動に必要となる真空状態を形成するためには２つの方法がある。第１の手法は、トリチェリの真空によるもので、これは、閉じた導管システムにおいて、液体を所定の高さまで汲み上げると、液体にかかる重力が液体の一部を引っ張ることにより、液体コラム（液柱）の上方水準のトップ面上に部分的な真空を形成するものである。別の手法（アプローチ）は、真空ポンプを蒸気チャンバに接続することである。真空チャンバ内の部分的な真空状態を形成するためには、図９に示すように、加熱部品１５８を加熱チャンバ１５８内の処理液体の上面１１０の近くに配置する。蒸気チャンバ内の蒸気を冷却して、凝縮させるためには、熱交換器の態様を有する能動的装置を蒸気チャンバ内に配置することができる。冷却フィン等の受動的放熱部品を蒸気チャンバの外側に取り付け、加熱された蒸気チャンバから周囲環境に放散される熱量を増大させることができる。

沸点を低く維持する理由は、加熱チャンバ内での加熱に伴い、システムのさまざまな構成部品が熱による形状の変形を防止し、抑制するためである。沸点を低く維持すると、沈殿物が、熱交換部品またはその他の加熱対象物に固着して形成されるのではなく、液体中に形成されるので好ましい。

図１１Ａおよび図１１Ｂを参照すると、本発明に係るシステムの熱伝導について図示されている。第１に、一般に図１１Ａには、エネルギ源１８０が電流等の態様としてのエネルギを供給して、液体を蒸気に相転移させるために、加熱チャンバ６０を加熱する。矢印１８４で示すように、潜熱が蒸気とともに搬送される。蒸気チャンバ５６内の熱は、ヒートポンプによりヒートシンク１９０に排熱される。本発明に係る実施形態による特別の利用例において、加熱チャンバ内の液体（通常、水）の温度を上げるためのエネルギ源は、煙突の底部に生じた熱から得られる。熱は、煙突の底部の周りを覆う（包囲する）金属ホースにより集熱される。この具体例におけるプロセス全体を、図１１Ｂを参照しつつ説明する。この具体例の場合には煙突の底部である熱源１９２からヒートポンプにより伝熱させ、その一部の熱が加熱チャンバ６０内の液体に伝熱される。その後、熱は、潜熱の形態として蒸気チャンバに伝熱し、蒸気が凝縮することにより放熱する。ヒートポンプは、通常、周辺空気１９４に放熱する。

［加熱チャンバ内部の液体水準の制御］
加熱チャンバ内部の液体水準を決定する数多くの動的な物理的要因がある。たとえば、開放容器内の液体に圧力をかける大気圧、加熱チャンバ内部の液体の密度、および蒸気チャンバ内部の実際の圧力である。加熱チャンバ内部の液体水準を計算することは、複数のセンサから得られるデータに基づいた複雑な作業となる。したがって、加熱チャンバ内部の液体水準に関する直接的な自動制御は、液体水準センサと、特定の状態にある水準、通常所定の水準に設定する電気的閉ループ制御とを用いて実現されることが有用である。超音波液体水準センサ等の液体水準センサ、または湿気およびチャンバ内における支配的ないくらか高い温度を許容する他の任意の利用可能な装置を適用することができる。必要ならば、追加的に、加熱チャンバおよび蒸気チャンバ内の中身および状態を視覚的に検査するための舷窓、すなわちのぞき窓を、専用照明部品とともに設けてもよい。

［本発明の実施に伴う環境上の利点］
上述のように、液相から気相への相転移のためのエネルギは、電線により供給される電力等の従来式のエネルギ源から得ることができ、また発熱装置を用いて局在的に得ることができる。より環境を考慮した場合、煙突、産業用途の熱交換器、地熱エネルギ、太陽光エネルギ、風力エネルギ等の既存の熱源から得て、加熱チャンバ内部の処理液体を加熱するために用いることができる。

［固体プロダクト生成のための本発明の実施］
自然のまたは産業的な資源からの液体または一般には複数の液体は、通常、さまざまな量の溶解材料または懸濁材料を含む。加熱チャンバを処理液体で充填すると同時に、溶媒（水、にがりまたは油等）を蒸発させて、品質改良されたプロダクトを得ることができ、他方、上述のように沈殿物を形成して、沈殿チャンバ内に沈降させることができる。好適な時間において、沈殿物を沈殿チャンバから収集して、さらに処理を行い、または包装することができる。

［煙突排出物を収集する本発明の実施］
本発明の別の具体的な産業的な用途は、煙突排出物の収集に関するものである。煙突排出物の収集は、図１２に示すような特定の手法により行われる。煙突上部２８０のシャフトは狭窄部２８２を有する。上記狭窄部に加え、シャフトの外枠は拡張し、漏斗状構造体を形成する。矢印２８６は、排気ガスが煙突から流れる方向を示す。円錐状プラグ２８８と煙突の外枠との間には、狭小ギャップ２９０が存在する。傾斜壁２９２は、内側に面した内面２９４を有し、その外枠は流水層によりカバー（包囲）されている。好適には、円錐状プラグ２８８の表面も流水層によりカバーされている。傾斜壁２９２または同様に円錐状プラグ２８８の表面から落下し、または流出する水がトラフ（樋）２９８で集められ、導管３０２から流出される。こうした導管の数、寸法、および傾斜角は、実施上の問題である。集められ、導管３０２から流出する液体は、図９の容器１２２等の容器に汲み上げられる。煙突上部から集められた水は、上述のように溶解物質および／または分散物質を含むものであるが、図５〜図９を参照して説明したように、水と沈殿物に分離することができるので、煙突排出物から取り除かれた分散物質を回収し、水を浄化することができる。浄化された水を再び用いて、煙突上部に直線的に、または円錐状プラグもしくは傾斜壁の外枠の周りを螺旋状に流すことができる。一例として、硫化物で汚染された燃料を燃焼させる発電所において、燃焼により生じる二酸化硫黄（ＳｉＯ_２）は、煙突上部の水に溶解すると、硫酸になる。こうした用途において本発明を実施した際に、濃縮効果により、煙突上部で得られた溶液内の硫酸塩より多くの濃縮硫酸塩を、沈殿チャンバを用いて回収することができる。凝縮作用は、数多くの産業的用途において、きわめて有用である。

［食品産業における用途］
果実ジュースおよび野菜ジュースは、通常、好ましい溶解成分がより低い濃度で、植物から得られる。濃度を上げるためには、上述のシステムを用いることができる。たとえば、新たに収穫された果実の柑橘類ジュースを、図９に示すシステムの加熱チャンバに供給する。特定の要素をプロダクト内に温存するために、プロセス中、緩やかに加熱する。

２０…処理液体、２２…処理済液体、２４…残渣物、５６…蒸気チャンバ、５８…出口、６０…加熱チャンバ、６２…入口、６４…沈澱チャンバ、６６…沈殿物抽出口、６８…隔壁、７０…中央開口部、７２…凝縮液体、７４…円、８４…処理液体、８６…フィルタ、９０…残渣物、９８…エネルギ、１００…大量の液体、１０２…エネルギ、１０４…大量の混入物質、１２２…中間容器、１１０…液体の上面、１２６…液体レベル（水準）、１３４…容器、１３８…塔本体部（タワー）、１５８…加熱部品、１８０…エネルギ源、１９０…ヒートシンク、１９２…熱源、１９４…周辺空気、２８０…煙突上部、２８２…狭窄部、２８８…円錐状プラグ、２９０…狭小ギャップ、２９２…傾斜壁、２９４…内面、２９８…トラフ（樋）、３０２…導管。

Claims (8)

1. 少なくとも２つの成分を含み、混合した処理液体中の少なくとも１つの成分を品質改良するためのシステムであって、
   重ね合わせられた複数のサブユニットからなる塔本体部であって、最上方サブユニットが真空下で機能するように構成された、蒸気を凝縮させる蒸気チャンバである塔本体部と、
   加熱チャンバとして機能する中間サブユニットと、
   沈殿チャンバとして機能する最下方サブユニットと、
   蒸気チャンバを加熱チャンバから部分的に分離する壁部と、
   少なくとも１つの加熱ユニットと、
   沈殿物が沈殿チャンバ内に沈殿しやすくするために、沈殿チャンバの上方であって、中間サブユニットの底部に設けた少なくとも１つのシャッタと、
   大気圧と圧力平衡状態にある液体を保管するための中間保管容器と、
   ポンプ作用により、中間サブユニットに再充填するための入口と、
   処理済みの液体を最上方蒸気チャンバから外部容器へ搬送するための出口とを備えたことを特徴とするシステム。
2. 処理液体が果実ジュースであり、品質改良プロダクトが濃縮物であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 最上方蒸気チャンバ内の圧力と中間サブユニット内の圧力は、実質的に同じであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 最上方サブユニットおよび中間サブユニット内の部分的な真空状態にある気相含有物が処理液体中の少なくとも１つの成分を選択的に品質改良することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 最下方サブユニットが、処理液体の沈殿物および濃縮物の両方を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 加熱ユニットがヒートポンプであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 蒸気を凝縮させるために、能動的装置が蒸気チャンバ内に配置されたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 能動的装置がヒートポンプであることを特徴とする請求項７に記載のシステム。

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