JP6373701B2 - 固液分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体と液体の混合物をそれぞれ独立に分離する装置に関するものである。

本技術分野の背景技術として、固体と液体の混合物を分離するために有機溶媒の相変化を利用する（特許文献１）、（特許文献２）が開示されている。
（特許文献１）には，常温常圧で液体の有機溶媒を用いて使用済み活性炭を再生し，洗浄に使用した有機溶媒は，蒸留して純度を上げ，再び活性炭の再生に利用する装置の構成が開示されている。

（特許文献２）には，常温常圧で気体の物質を液化させて下水汚泥と混合し，脱臭する方法が開示されている。

特開平０７―３１３８７４号公報 再公表ＷＯ２００８/０９３７０７号公報

（特許文献１）では，多量の有機溶媒に活性炭を浸漬させることで吸着剤を再生し，不純物を含んだ有機溶媒は蒸留して再利用する方法について開示している。

（特許文献２）では，液化ガスに下水汚泥を浸漬させることで悪臭成分を抽出し，使用した液化ガスを相変化させることで悪臭成分を分離し，液化ガスを再利用する方法について開示している。

（特許文献１），および（特許文献２）では，固体と液体の混合物を有機溶媒に浸漬させることで目的物質を抽出するので，抽出処理には多量の有機溶媒が必要になり，処理コストは増大し，漏洩した際には危険性も増大する。

そこで本発明は、固液分離に必要な有機溶媒などの抽出媒体の使用量を削減できる固液分離装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は常温において気体であり飽和蒸気圧以上とすることで液体となる物質を用い，固体と液体の混合物をそれぞれ独立に分離する固液分離装置において，前記物質を圧縮するための圧縮機と，圧縮されて高温高圧になった前記物質を液化するための冷却器と，液化した前記物質を貯留するためのアキュムレータと，前記アキュムレータの下流で液化した前記物質の流れ制限するバルブと，前記バルブの下流で液化ガスを液滴として噴霧する噴霧器と前記混合物を充填でき前記噴霧器を上部に備えた処理槽と，
前記処理槽からの固体の流出を防ぐフィルターと，前記処理槽から流出した混合液から物質を気化させる気化器を備え，前記処理槽内において上部空間が気体状態の前記物質で満たされることを特徴とするものである。

また、上記課題を解決するために、本発明は常温において気体であり飽和蒸気圧以上とすることで液体となる物質を用い，固体と液体の混合物をそれぞれ独立に分離する固液分離装置において，高圧の気体である前記物質を液化するための冷却器と，液化した前記物質を送液するポンプと，液化した前記物質を貯留するためのアキュムレータと，前記アキュムレータの下流で液化した前記物質の流れ制限するバルブと，前記バルブの下流で液化ガスを液滴として噴霧する噴霧器と前記混合物を充填でき前記噴霧器を上部に備えた処理槽と，前記処理槽からの固体の流出を防ぐフィルターと，前記処理槽から流出した混合液から前記物質を気化させる気化器を備え，前記処理槽内において上部空間が気体状態の前記物質で満たされることを特徴とするものである。
更に、本発明は固液分離装置において、前記物質の気化に必要な潜熱を，前記物質の液化時に発生する潜熱で賄う熱交換器を備えることを特徴とするものである。
更に、本発明は固液分離装置において、前記物質を気化させる熱交換器と，前記物質を液化させる熱交換器とを，冷媒を用いた冷凍サイクルで接続したことを特徴とするものである。
更に、本発明は固液分離装置において、前記物質がジメチルエーテルであることを特徴とするものである。
更に、本発明は固液分離装置において、前記混合物が水処理で使用した使用済み吸着剤であることを特徴とするものである。
更に、本発明は固液分離装置において、前記混合物が水処理で使用した使用済み活性炭であることを特徴とするものである。
更に、本発明は固液分離装置において、前記噴霧器は水平に設置された配管であり，前記配管重心の上部で回転可能な状態の接続管で上流の流路と接続し，前記配管には少なくとも二つの噴出口を設け，前記噴出口が前記接続管を中心軸とする点対称の位置に設置し，前記噴出口の向きが，前記配管と略垂直であり，鉛直下向きから水平の間である位置としたことで，前記噴出口から吐出される流体の流体力によって噴霧器が回転することを特徴とするものである。

本発明によれば、常温常圧で気体の物質を飽和蒸気圧以上まで加圧して液体となった液化物質を用い，固体と液体の混合物を分離する固液分離装置において，飽和蒸気圧の物質の気体で満たされた処理槽内の混合物に，鉛直上部から液化物質の液滴を噴霧し，生成した液滴によって混合物中の液体を抽出することで，処理槽内の液化物質の量を削減し，ランニングコストの低減と，安全性の向上を実現した固液分離装置を提供できる。

本発明の固液分離装置の構成図の一例である。 本発明の固液分離装置を構成する処理槽の内部構造の一例である。 本発明の固液分離装置の構成図の他の例である。

本発明によれば、固体と液体の混合物を，固体と液体にそれぞれ独立に分離することが可能である。具体的には水処理で発生した汚泥の脱水，油汚染された土壌の浄化，プランクトンからの脱水・脱油等，様々な固液分離に適用可能である。

また，本発明によれば，水処理に使用した使用済み吸着剤から，吸着した不純物を高効率で脱着できるので，本発明の実施の形態として，使用済み活性炭を再生する活性炭再生装置を例に挙げて説明する。本実施例で使用できる物質としては，エチルメチルエーテル、ホルムアルデヒド、ケテン、アセトアルデヒド等が挙げられるが，沸点が約−２４℃，また２４℃における飽和蒸気圧は約０．５８ＭＰａという特性を持つジメチルエーテル（以下、ＤＭＥと称す）は，取り扱いが容易であるためにランニングコストを低く抑えられるので，本発明の実施例ではＤＭＥを例に挙げて説明する。以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
（第1実施例）
図１および図２を用いて、本発明の適用対象の一つである活性炭再生装置の構成を説明する。図２は図１に示した処理槽２の内部構造を示している。

図１に示した実施形態では，ＤＭＥが相変化を伴いながら圧縮器５によって装置内を循環する構成となっており，流路，機器類の内部はＤＭＥの飽和蒸気圧で保持されている。まず，気体のＤＭＥガスは圧縮器５によって加圧されると共に，昇温される。加圧されたＤＭＥガスは冷却器３４によって除熱され，熱交換器７の高温側流路３３に送られる。高温側流路３３のＤＭＥガスは，液化時の潜熱を低温側流路に伝達しながら冷却され，全量が液体となり液化ＤＭＥとして排出される。液化ＤＭＥはアキュムレータ６を介してバルブ１１に導かれ，流量が調節されて，ＤＭＥガスで満たされた処理槽２に送液される。処理槽２内部の上部には鉛直方向を軸として水平方向に回転できる構造の噴霧器２０が備えられており，回転する噴霧器２０から液化ＤＭＥが液滴として処理槽２の内部に噴霧される。図２に示す処理槽２の底部には，固体流出防止用のフィルター４５が設置されており，その上部には処理対象である使用済み活性炭５０が充填されている。噴霧器２０から吐出された液滴は，重力によって落下し，使用済み活性炭と接触して，活性炭に付着，吸着している水と有機物を脱着しながら流下し，処理槽２の下部から排出されバルブ１３に導かれる。

不純物を含んだ液化ＤＭＥはバルブ１３を通過する際に減圧されて一部が気化し，温度が低下した二相流となって熱交換器７の低温側流路に導かれる。不純物を含んだＤＭＥは，熱交換器７で蒸発潜熱分のエネルギーを受け取り連続的に気化すると共に，不純物は低温側流路に濃縮され滞留しているＤＭＥに対する溶解度を超えると析出物３１となって析出する。

気化したＤＭＥガスは再度圧縮器５によって送出されて循環するので，本実施形態はＤＭＥの相変化サイクルとなっている。したがって，本実施形態では，このサイクルを循環することで活性炭の脱着率を向上させることができ，処理槽２の内部では液滴の液化ＤＭＥとの接触により脱着を行うので，ＤＭＥの使用量を削減することができ，ランニングコストの低減と安全性の向上をもたらす。また，熱交換器７で授受される蒸発潜熱と凝縮潜熱はほとんど等しく，微小な温度差で熱交換できるので，潜熱に見合う大規模な熱源や冷却源は不要である。

ここで，処理槽２の内部をＤＭＥガスで満たしつつ，液化ＤＭＥの液滴を噴霧できる原理を説明する。まず，バルブ１１によって上流側の圧力を常に飽和蒸気圧以上に保つことができ，アキュムレータ６に液化ＤＭＥが保持されているので，圧縮器５の運転状態が変動した場合でも，噴霧器２０から吐出されるＤＭＥは常に液体状態を保ち，液滴として吐出できる。また，処理槽２はＤＭＥガスによって飽和蒸気圧に保たれているので，吐出された液滴は気化せずに，処理槽２の底部から液体のまま排出される。また，処理槽２の下流に設置されたバルブ１３の開度は，バルブ１３の通過流量がバルブ１１の通過流量と等しくなるように調節する必要がある。流量が異なる場合，たとえば，バルブ１３の通過流量がバルブ１１の通過流量よりも多くなると，処理槽２内部の圧力が低下するので液滴が気化してしまい，活性炭の再生に必要な液体での接触が不可能となる。一方，バルブ１３の通過流量がバルブ１１の通過流量よりも少なくなると，処理槽２のＤＭＥガスが液化して貯留されるので，活性炭再生装置内で循環させるＤＭＥが不足する。

また，噴霧器２０については，固定された噴霧器でも本発明を実施可能であるが，回転式の噴霧器にすると活性炭に対する液滴の噴霧量の均一性が向上するので，活性炭の再生時間を短縮できる。回転の駆動力はモーターなどの外力を利用しても良いが，処理槽２の内部は耐薬品性が求められるので，噴射時に発生する流体力を利用して回転させる構造にすることで回転に必要な機器の部品点数を大幅に削減でき，故障の発生頻度を低減することができる。噴霧器を流体力で回転させるには，噴霧器を構成する配管の重心位置を回転軸とし，少なくとも配管の両端付近に，回転軸で点対称となる向きで吐出口を設ければよく，更に吐出口の向きが前記配管と略垂直であり，更に鉛直下向きから略水平の間の向きになるように設置すれば良い。

更に，使用済み活性炭を取り出す際には，バルブ１１を閉じ，圧縮器５の運転を継続すると，サイクル内のＤＭＥの大半をアキュムレータ６に閉じ込められるので，ＤＭＥの回収後にバルブ１３を閉じてから処理槽を開放することでＤＭＥの外部への漏洩を低減できる。

また，ＤＭＥの冷却に使用した冷却器３４は，圧縮機５の運転によるＤＭＥサイクル内のエネルギー増加分を除去することが目的であるため，小型の冷却器で良い。
なお，図中の圧力，温度表示は定性的な変化を示したものであり，本発明はこの値に限定されることは無い。

（第２実施例）
図３は，本発明の他の実施例であり，ＤＭＥの循環用として圧縮器ではなく初期コスト，ランニングコストを抑えられるポンプを使用した例である。本実施形態のＤＭＥの相変化サイクルは，以下で特に言及する以外は図１の実施形態とほぼ等しく，ＤＭＥの潜熱の授受に冷媒を用いた冷凍サイクルが接続されている点で異なる。

まずＤＭＥサイクル側では，液化ＤＭＥがポンプ１によって送液され，アキュムレータ６を介してバルブ１１に導かれる。バルブ１１を通過した液化ＤＭＥは，飽和蒸気圧のＤＭＥガスで満たされた処理槽２の内部で噴霧器によって液滴として噴霧され，活性炭に接触して不純物を溶解した後，処理槽２の底部から排出される。排出された不純物を含む液化ＤＭＥは，液体のままバルブ１３を通過して熱交換器３の低温側流路に送液される。熱交換器３では，送液されてきた液化ＤＭＥが高温側流路３６を流れる冷媒から蒸発潜熱を受け取って気化すると共に，不純物が析出物３１となって分離される。気化したＤＭＥガスは熱交換器４の高温側流路に導かれ，低温側流路３７を流れる冷媒に凝縮潜熱を伝達して液化ＤＭＥとなり，再度ポンプ１により送液されて循環することになる。

一方，冷媒が流れる冷凍サイクル側では，気体の冷媒が圧縮器５によって昇温，昇圧され，冷却器３４で除熱された後，熱交換器３の高温側流路３６に送られる。熱交換器３では，ＤＭＥに冷媒の凝縮潜熱を伝達することにより，冷媒が液化する。液化した冷媒は，膨張弁２１で減圧されるので，一部が気化して二相流になると共に温度が低下する。二相流となった冷媒は，熱交換器４の低温側流路３７に送られ，高温側流路のＤＭＥガスから凝縮潜熱を受け取り，冷媒が気化する。気化した冷媒は再度圧縮器５で圧縮されて循環することなる。
したがって，本実施形態によれば，ＤＭＥガスの圧縮器は使用せずに，既存の冷媒とその冷媒用の圧縮器と，安価なＤＭＥ用のポンプを用いることで，低コストでＤＭＥの相変化サイクルを実現できる。

１…ポンプ
２…処理槽
３…熱交換器
４…熱交換器
５…圧縮機
６…アキュムレータ
２０…噴霧器
２１…膨張弁

Claims (9)

1. 常温において気体であり飽和蒸気圧以上とすることで液体となる物質を用い，固体と液体の混合物をそれぞれ独立に分離する固液分離装置において，
   前記物質を圧縮するための圧縮機と，
   圧縮されて高温高圧になった前記物質を液化するための冷却器と，
   液化した前記物質を貯留するためのアキュムレータと，
   前記アキュムレータの下流で液化した物質の流れ制限するバルブと，
   前記バルブの下流で液化ガスを液滴として噴霧する噴霧器と
   前記混合物を充填でき前記噴霧器を上部に備えた処理槽と，
   前記処理槽からの固体の流出を防ぐフィルターと，
   前記処理槽から流出した混合液から前記物質を気化させる気化器を備え，
   前記処理槽内において上部空間が飽和蒸気圧の気体状態の前記物質で満たされることを特徴とする固液分離装置。
2. 常温において気体であり飽和蒸気圧以上とすることで液体となる物質を用い，固体と液体の混合物をそれぞれ独立に分離する固液分離装置において，
   高圧の気体である前記物質を液化するための冷却器と，
   液化した前記物質を送液するポンプと，
   液化した前記物質を貯留するためのアキュムレータと，
   前記アキュムレータの下流で液化した前記物質の流れ制限するバルブと，
   前記バルブの下流で液化ガスを液滴として噴霧する噴霧器と
   前記混合物を充填でき前記噴霧器を上部に備えた処理槽と，
   前記処理槽からの固体の流出を防ぐフィルターと，
   前記処理槽から流出した混合液から前記物質を気化させる気化器を備え，
   前記処理槽内において上部空間が飽和蒸気圧の気体状態の前記物質で満たされることを特徴とする固液分離装置。
3. 請求項１、又は請求項２の固液分離装置において，
   前記物質の気化に必要な潜熱を，前記物質の液化時に発生する潜熱で賄う熱交換器を備え
   ることを特徴とする固液分離装置。
4. 請求項１、又は請求項２の固液分離装置において，
   前記物質を気化させる熱交換器と，前記物質を液化させる熱交換器とを，冷媒を用いた冷
   凍サイクルで接続したことを特徴とする固液分離装置。
5. 請求項１、又は請求項２の固液分離装置において，
   前記物質がジメチルエーテルであることを特徴とする固液分離装置。
6. 請求項１、又は請求項２の固液分離装置において，
   前記混合物が水処理で使用した使用済み吸着剤であることを特徴とする固液分離装置。
7. 請求項１、又は請求項２の固液分離装置において，
   前記混合物が水処理で使用した使用済み活性炭であることを特徴とする固液分離装置。
8. 請求項１、又は請求項２の固液分離装置において，
   前記噴霧器は水平に設置された配管であり，
   前記配管重心の上部で回転可能な状態の接続管で上流の流路と接続し，
   前記配管には少なくとも二つの噴出口を設け，
   前記噴出口が前記接続管を中心軸とする点対称の位置に設置し，
   前記噴出口の向きが，前記配管と略垂直であり，鉛直下向きから水平の間である位置とし
   たことで，前記噴出口から吐出される流体の流体力によって噴霧器が回転することを特徴
   とする固液分離装置。
9. 請求項１、または請求項２に記載の固液分離装置において，
   前記処理槽の下流に設けられた第２のバルブを備え，
   前記第２のバルブを通過する流量が前記バルブを通過する流量と等しくなるように，前記第２のバルブの開度を調整することを特徴とする固液分離装置。