JP6375559B2

JP6375559B2 - 蒸発濃縮装置及び蒸発濃縮方法

Info

Publication number: JP6375559B2
Application number: JP2014086778A
Authority: JP
Inventors: 亮平片岡; あゆみ梅本; 健太朗隠地; 和彦石田
Original assignee: Sasakura Engineering Co Ltd
Current assignee: Sasakura Engineering Co Ltd
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2014-04-18
Publication date: 2018-08-22
Anticipated expiration: 2034-04-18
Also published as: JP2015205240A

Description

本発明は、廃液を蒸発濃縮処理する際に、生成される凝縮水の水質の改善を図るようにした蒸発濃縮装置及び蒸発濃縮方法に関する。

廃液、特に高沸点有機物を含有する廃液を濃縮処理する際に、高沸点有機物の一部が凝縮水側に飛散してしまい、後処理として活性炭を使用して除去を図っている。しかし、高沸点成分濃度が高く、そのため頻繁に活性炭を交換する必要があるという問題が生じている。このような問題を解決するため、特許文献１に記載の有機性廃液処理装置を使用することが考えられる。この特許文献１に記載の有機性廃液処理装置は、蒸発器伝熱管の蒸気ラインに下段を高温側凝縮機、上段を低温側凝縮機とする構造を備え、沸点差を利用して凝縮水を採取するように構成されている（特許文献１段落００２５参照）。
しかし、上記有機性廃液処理装置は低沸点有機物を除去した凝縮水の採取を目的とするものであり（特許文献１段落００３３参照）、凝縮水中に含まれる高沸点成分の低減を図ることは困難である。

特開２００６−２１２６０６号公報

そこで、低沸点成分のみならず、高沸点成分について除去することができる蒸発濃縮装置及び蒸発濃縮方法が所望されていた。

本願発明は、上記課題に鑑みて考え出されたものであり、その目的は、廃液を濃縮処理する際に、生成される凝縮水中に低沸点成分のみならず、高沸点成分についてもほとんど除去し得る蒸発濃縮装置及び蒸発濃縮方法を提供することである。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、高沸点有機物を含有する、供給された原液を蒸発させる蒸発器と、発生蒸気を断熱圧縮する圧縮機と、前記蒸発器内部を真空に保持する真空源とを備え、前記圧縮機により温度と圧力が上昇した加熱蒸気の全量を前記蒸発器に戻して原液を加熱するための熱源とすると共に、当該加熱蒸気の冷却により凝縮水が生成され、前記凝縮水は全て装置から排出されるように構成されている蒸発濃縮装置であって、前記蒸発器と前記圧縮機との間に分縮器が設けられ、前記分縮器で分縮された分縮水は前記蒸発器へ戻すことを特徴とする。

上記構成によれば、蒸発器にて生成された蒸気を、圧縮機に導入する前に分縮器に供給することにより、分縮器にて生成蒸気が分縮される。これにより、分縮器で分縮された分縮水はＣＯＤ濃度（有機物含有量の指標）が高くなるため、凝縮水の濃度が低減される。このようにして凝縮水中の低沸点有機物成分に限らず、高沸点有機物成分についても、その濃度を大幅に低減し、凝縮水の水質改善を図ることができる。また、分縮器で分縮された分縮水は蒸発器へ戻すことにより、産業廃棄物として処理する必要のある液を増やすことなく処理できることになる。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の蒸発濃縮装置であって、前記分縮器の分縮率が２％〜２０％であることを特徴とする。
上記構成によれば、凝縮水のＣＯＤ濃度を大きく低下させながら、且つ、濃縮処理能力の低下をそれほど招かないようにすることができる。

また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の蒸発濃縮装置であって、原液の一部を冷却水として前記分縮器に供給することを特徴とする。
上記構成によれば、原液の一部が分縮器で熱交換されるので、原液は蒸発器に供給される前に予熱されることになり、原液の蒸発に必要な熱量が低減され、省エネルギー化が図られる。加えて、別途冷却水を準備する必要がなく、ランニングコストの低減が図れる。

また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の蒸発濃縮装置であって、前記冷却水の流量を変化させる手段を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、冷却水の流量を変化させることにより、分縮器の分縮率を所望の値に設定することができる。

また、請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の蒸発濃縮装置であって、前記分縮器で分縮された分縮水の少なくとも一部を装置から排出することを特徴とする。

また、請求項６記載の発明は、高沸点有機物を含有する、供給された原液を蒸発させ、発生蒸気を断熱圧縮して昇温した加熱蒸気の全量を原液を加熱するための熱源とすると共に、当該加熱蒸気の冷却により凝縮水を生成し、前記凝縮水は全て系外へ排出する蒸発濃縮方法であって、発生蒸気を断熱圧縮する前に、発生蒸気の一部を、ＣＯＤ濃度の高い分縮水へと分縮することにより、前記凝縮水のＣＯＤ濃度を低下させるようにしたことを特徴とする。

上記構成によれば、凝縮水中の低沸点有機物成分に限らず、高沸点有機物成分についても、その濃度を大幅に低減し、凝縮水の水質改善を図ることができる。

また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の蒸発濃縮方法であって、前記分縮を行う際の分縮率が２％〜２０％であることを特徴とする。
上記構成によれば、凝縮水のＣＯＤ濃度を大きく低下させながら、且つ、濃縮処理能力の低下をそれほど招かないようにすることができる。

本発明によれば、廃液を濃縮処理する際に、生成される凝縮水中の低沸点成分のみならず、高沸点成分についてもほとんど除去し、の高沸点成分濃度を大幅に低減し、凝縮水の水質改善を図ることができる。

実施の形態に係る蒸発濃縮装置の全体構成図。図１の蒸発濃縮装置に備えられる分縮器の平面図。図１の蒸発濃縮装置に備えられる分縮器の内部構造を簡略化した図。

以下、本発明を実施の形態に基づいて詳述する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
（実施の形態）
図１は実施の形態１に係る蒸発濃縮装置の全体構成図である。蒸発濃縮装置１は、供給された原液を蒸発させる水平管型蒸発器２と、発生蒸気を断熱圧縮する蒸気圧縮機３と、蒸発器２と蒸気圧縮機３との間に配設された分縮器４とを備え、蒸気圧縮機３により温度と圧力が上昇した蒸気を水平管型蒸発器２に戻して原液を蒸発するための熱源とするように構成されている。ここで、蒸発濃縮装置１で濃縮処理される廃液は、沸点が１５０℃〜２００℃の高沸点有機物を含有する溶液である。

水平管型蒸発器２は蒸発缶５を含み、この蒸発缶５は筒形に形成されており、内部に原液を貯留することができるようになっている。蒸発缶５の上部には、左右一対のヘッダー６ａ，６ｂと、この両ヘッダー６ａ，６ｂの間を繋ぐ多数本の水平伝熱管６ｃとから成る加熱器６が設けられている。蒸気圧縮機３からの加熱蒸気はヘッダー６ａに進入し、水平伝熱管６ｃの内側に導かれ、水平伝熱管６ｃの外側に散布された循環液（原液）を蒸発させると同時に凝縮し、凝縮水となりヘッダー６ｂ、管７を経て排出されるようになっている。

また、水平管型蒸発器２は、原液の循環流路を含む。循環流路には、循環ポンプ８及び散布器９が配置されている。循環ポンプ８は、蒸発缶５の底部に接続されている。循環ポンプ８は、管１０を通して、蒸発缶５に貯留する原液（原液が濃縮された濃縮液を含む）を散布器９に移送することができるように形成されている。また、循環ポンプ８は、管１１を通して、原液が濃縮された濃縮液の一部を系外に排出することができるように形成されている。散布器９は、原液を水平伝熱管６ｃの上方から水平伝熱管６ｃに向けて散布するように形成されている。

蒸発器２は発生蒸気を分縮器４に導く管１２を備えており、この管１２は分縮器４の入口側４ａ（図２び図３参照）に接続されている。分縮器４の出口側４ｂ（図２及び図３参照）は管１３を介してヒートポンプとして機能する蒸気圧縮機３と接続されている。
ここで、分縮器４の詳細構造を図２及び図３を参照して説明する。分縮器４は、冷却水が通過する複数の伝熱管２０と、蒸発器２より供給される蒸気の流れを遮る遮蔽板２１と、減温水を出口側（圧縮機側）に向けて噴射するノズル２２とを備えている。複数の伝熱管２０は、分縮器４の内部空間２３において蒸発器２側寄りで且つ上部側よりに配置され、発生蒸気の流入方向Ａ１に対して垂直方向に延存している。遮蔽板２１は、複数の伝熱管２０の進入方向Ａ１に関する背後側で、且つ、伝熱管２０の延存方向に平行に配設されている。この遮蔽板２１によって、発生蒸気の流れを遮り、ある程度蒸気を滞留させることで、伝熱管２０との接触時間を増やすことが可能となり、熱交換効率が向上する。また、遮蔽板２１は伝熱管２０に近接して配置されており、これによって、分縮器４の圧縮機側内壁４ｃと遮蔽板２１との距離Ｍ１を大きく採ることができる。この結果、発生蒸気の流速を下げ、分縮した高沸点成分の飛沫同伴を防ぐことが可能となる。
なお、減温水を出口側（圧縮機側）に向けてノズル２２から噴射することにより、蒸発器４で発生した飽和蒸気を、蒸気圧縮機３内での断熱圧縮後も飽和蒸気の状態を維持させることが可能となる。この結果、蒸気圧縮機３にスケールが発生することを確実に低減できるとともに、その後の水平伝熱管６ｃで加熱蒸気として作用する場合において、熱伝達の効果を高くできる。また、本実施の形態では、減温水として使用される水は外部から供給するように構成されているが、凝縮水を使用するように構成してもよい。

分縮器４の分縮率は２％〜２０％に設定するのが好ましい。なぜなら、分縮率を大きくすれば、高沸点成分が除去され凝縮水のＣＯＤ濃度は大きく低下するが、発生蒸気量が実質的に少なくなり、濃縮処理能力の低下を招くことになる。そして、濃縮処理能力の低下を防ぐためには、圧縮機３を大型化して圧縮比を大きくすればよいが、そうすると、装置全体の大型化、コストの増大を招くことになる。逆に、分縮率を小さくすれば、濃縮処理能力の低下を招くことはなくなるが、高沸点成分が除去された凝縮水のＣＯＤ濃度はあまり低下しないことになる。そこで、凝縮水のＣＯＤ濃度が大きく低下し、且つ、濃縮処理能力の低下をそれほど招かない最適な分縮率の範囲として分縮率を２％〜２０％に設定した。なお、分縮率２％〜２０％が最適な分縮率範囲であることは、後述する本願発明者の実験結果より立証されている。

なお、蒸気圧縮機３の出口側は加熱器６のヘッダー６ａに接続されている。加熱器６のヘッダー６ｂには、真空ポンプ３０が接続されている。この真空ポンプ３０によって蒸発缶５の内部及び蒸気圧縮機３内部が真空に保持される。

ここで、注目すべきは、原液の一部が冷却水として分縮器４に供給されるようになっていることであり、これにより、原液は蒸発器２に供給される前に予熱されることになり、原液の蒸発に必要な熱量が低減され、省エネルギー化が図られている。具体的な構成としては、配管Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４及び流量制御弁Ｖ１、Ｘ１方向のみの流れを許容する逆止弁Ｖ２を設け、原液の一部（原液総量から流量制御弁Ｖ１の制御に応じて蒸発器２に直接供給される流量を除いた量に相当）が配管Ｌ１を介して分縮器４に冷却水として供給され、配管Ｌ２を介して分縮器４から排出され、更に、配管Ｌ４を介して直接供給される原液の一部と合流して蒸発器２に供給されるようになっている。従って、流量制御弁Ｖ１の開度を制御することにより、分縮器４に供給される冷却水量を変化させ、希望する分縮に設定することが可能である。なお、流量制御弁Ｖ１を全開し、原液を分縮器４の冷却水として利用しない構成とし、分縮器４には別の給水源からの冷却水を使用する構成であってもよい。

また、分縮器４の下部排出口は配管Ｌ５、Ｌ６を介して蒸発缶５に接続され、分縮器４で凝縮した液を蒸発缶５に戻すように構成されていると共に、配管Ｌ５、Ｌ７を介して外部に排出可能に構成されている。即ち、（１）配管Ｌ６に設けられた開閉弁Ｖ３を開状態とし、配管Ｌ７に設けられた開閉弁Ｖ４を閉状態とすることにより、分縮器４で凝縮した液を全て蒸発缶５に戻すように構成され、（２）開閉弁Ｖ３を閉状態とし、開閉弁Ｖ４を開状態とすることにより、分縮器４で凝縮した液を全て外部に排出するように構成され、（３）開閉弁Ｖ３、Ｖ４を共に開状態とすることにより、分縮器４で凝縮した液を蒸発缶５に戻すと共に、外部にも排出するように構成され、いずれの構成にするかは適宜選択できるようになっている。更に、開閉弁Ｖ３，Ｖ４を流量制御弁に代え、この流量制御弁Ｖ３，Ｖ４の開度を調整することで凝縮した液の所望量を蒸発器４へ導き、凝縮した液の所望量を外部に排出するように構成してもよい。

上記構成の真空濃縮装置の処理動作の概要は、以下の通りである。真空ポンプ３０の駆動により、蒸発缶５内は真空に保持される。原液は配管Ｌ４と配管Ｌ２の合流部Ｐ１で合流し、配管Ｌ３を通って蒸発缶５に供給される。次いで、循環ポンプ８の駆動により、蒸発缶４に貯留する原液は管１０を通って散布器９に供給され、散布器９から水平伝熱管６ｃに向かって散布される。散布器９にて散布された原液は、水平伝熱管６ｃの表面で薄膜蒸発する。水平伝熱管６ｃの表面で蒸発した蒸気は、管１２を通って分縮器４に導かれる。分縮器４では、発生蒸気の一部が凝縮され、発生蒸気から高沸点有機物成分が除去される。分縮器４から蒸気圧縮機３に導かれた発生蒸気は、蒸気圧縮機３にて断熱圧縮されて温度及び圧力が上昇した後にヘッダー６ａに送られる。ヘッダー６ａに進入した蒸気は、水平伝熱管６ｃの内側に導かれ、水平伝熱管６ｃの外側に散布された循環液（原液）を蒸発させると同時に凝縮し、凝縮水となりヘッダー６ｂを経てＣＯＤ濃度が大幅に低減した凝縮水として排出される。そして、このようなプロセスを繰り返すことにより、循環液は濃縮され、循環ポンプ８の出口から濃縮液として系外に排出される。

［実験例］
本願発明者は、分縮器４を備えていない蒸発濃縮装置（以下、従来例蒸発濃縮装置Ｙと称する）と、分縮器４を備えた蒸発濃縮装置（以下、本発明蒸発濃縮装置Ｚと称する）とについて、ＣＯＤ濃度と分縮率との関係について、以下の実験条件下で実験したので、その結果を表１に示す。なお、従来例蒸発濃縮装置Ｙは、分縮器４を備えていないことを除いて本発明蒸発濃縮装置Ｚと同一構造である。
実験条件
（１）従来例蒸発濃縮装置Ｙについて、濃縮率１．５〜４．５倍における凝縮水ＣＯＤ濃度を測定し、測定値より平均値を算出した。また、この時の分縮水量を測定して分縮率を算出した。なお、分縮器４を備えない従来例蒸発濃縮装置Ｙについては、蒸発量が凝縮水量に相当するので、凝縮水量を測定して蒸発量を求め、後述する分縮率算出のために利用するようにした。
（２）また、本発明蒸発濃縮装置Ｚにつき分縮器４の冷却水流量を２［ｔ／ｈ］、４［ｔ／ｈ］、６［ｔ／ｈ］の３通りに変化させた場合の、それぞれについて濃縮率１．５〜４．５倍における各冷却水流量に対応する凝縮水ＣＯＤ濃度を測定し、測定値より平均値を算出した。また、この時の分縮水量を測定して分縮率を算出した。
（３）ここで、分縮率は蒸発量に対する分縮水量に相当する。蒸発量は、分縮器４を備えない従来例蒸発濃縮装置Ｙの凝縮水量に相当する。従って、分縮率は、分縮率＝（分縮水量）／（従来例蒸発濃縮装置Ｙの凝縮水量）で算出している。
表１に、従来例蒸発濃縮装置Ｙと本発明蒸発濃縮装置Ｚとについて、分縮器の有無、濃縮率４．５倍時の凝縮水ＣＯＤ濃度と、濃縮率１．５〜４．５倍における凝縮水ＣＯＤ濃度の平均値と、分縮水量と、分縮率とを示す。また、従来例蒸発濃縮装置Ｙについての凝縮水量も表１に併せて記載する。

（実験結果の考察）
（１）表１より、本発明蒸発濃縮装置Ｚは従来例蒸発濃縮装置Ｙよりも凝縮水ＣＯＤ濃度が大きく低下していることが認められる。このことにより、分縮器４を設けた本発明蒸発濃縮装置Ｚは大幅に凝縮水の水質改善を図ることができることが立証される。
（２）表１より、本発明蒸発濃縮装置Ｚの分縮率が小さく（２．１〜４．５）、上記したように分縮率は蒸発量に対する分縮水量に相当することから、分縮器通過後の蒸気量の低下が小さいことが認められる。従って、分縮率２．１〜４．５の範囲では、凝縮水のＣＯＤ濃度が大きく低下するというメリットを奏すると共に、分縮器通過後の蒸気量の低下が小さいために濃縮処理能力の低下をそれほど招かないと判断される。なお、分縮率が２０％を超えると、蒸発量に対する分縮水量が多くなり、濃縮処理能力の低下が問題視するに必要なレベルになると推量される。

（その他の事項）
上記実施の形態では、原液は高沸点有機物を含有する溶液を対象としたが、低沸点有機物を含有する溶液を対象としてもよく、この場合であっても、勿論、生成される凝縮水の水質の改善を図ることができる。

本発明は、廃液を濃縮処理する際に、生成される凝縮水の水質の改善を図るようにした濃縮装置及び濃縮方法等に適用することが可能である。

１：蒸発濃縮装置２：蒸発器
３：蒸気圧縮機４：分縮器
５：蒸発缶

Claims

高沸点有機物を含有する、供給された原液を蒸発させる蒸発器と、発生蒸気を断熱圧縮する圧縮機と、前記蒸発器内部を真空に保持する真空源とを備え、前記圧縮機により温度と圧力が上昇した加熱蒸気の全量を前記蒸発器に戻して原液を加熱するための熱源とすると共に、当該加熱蒸気の冷却により凝縮水が生成され、前記凝縮水は全て装置から排出されるように構成されている蒸発濃縮装置であって、
前記蒸発器と前記圧縮機との間に分縮器が設けられ、
前記分縮器で分縮された分縮水は前記蒸発器へ戻すことを特徴とする蒸発濃縮装置。
前記分縮器の分縮率が２％〜２０％である請求項１記載の蒸発濃縮装置。
原液の一部を冷却水として前記分縮器に供給する請求項１又は２記載の蒸発濃縮装置。
前記冷却水の流量を変化させる手段を備えた請求項３記載の蒸発濃縮装置。
前記分縮器で分縮された分縮水の少なくとも一部を装置から排出する請求項１〜４のいずれかに記載の蒸発濃縮装置。
高沸点有機物を含有する、供給された原液を蒸発させ、発生蒸気を断熱圧縮して昇温した加熱蒸気の全量を原液を加熱するための熱源とすると共に、当該加熱蒸気の冷却により凝縮水を生成し、前記凝縮水は全て系外へ排出する蒸発濃縮方法であって、
発生蒸気を断熱圧縮する前に、発生蒸気の一部を、ＣＯＤ濃度の高い分縮水へと分縮することにより、前記凝縮水のＣＯＤ濃度を低下させるようにしたことを特徴とする蒸発濃縮方法。
前記分縮を行う際の分縮率が２％〜２０％である請求項６記載の蒸発濃縮方法。