JP6643637B2 - Voc精製装置 - Google Patents

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Description

本発明は、排ガス中に含有されている水より高沸点で、水と共沸しない親水性を有する、揮発性化学物質VOC(揮発性有機化合物(Volatile Organic Compounds))を水との沸点または蒸気圧の差を利用して濃縮回収するVOC精製装置に関するものである。
VOC処理方法には、燃焼方式と溶剤回収方式とがあり、燃焼方式の中には、直接燃焼方式と、酸化触媒方式と、蓄熱方式と、MGT(マイクロガスタービン)燃料方式とがある。どの方式が最も適しているかは、工場のVOCの溶剤種、風量、濃度、又は時間的変動などの稼働状況又は工場のエネルギー使用実態によっても大きく変わる。ライフサイクルコストの緻密な検討と、将来、稼働変動が発生してもそれらに対応出来る、フレキシブルな処理装置の導入が必要となる。
従来の除去液中のVOC分離回収方法として、除去液を真空容器内で噴霧する空気流動真空蒸発法(真空蒸発法)を用いる方式がある(例えば、特許文献1参照)。図3は、特許文献1に記載のVOC分離回収装置の概略構成図である。参照符号1は、VOC再生・回収装置であり、VOC再生・回収装置1は、貯留タンク3内に貯留されていた被処理除去液Ldが、送液ポンプ5によって圧送されて、真空容器9内のノズル7から噴霧される。一方、真空ポンプ11の働きにより真空容器9内は減圧され、これによって被処理除去液LdからVOCが真空蒸発する。被処理除去液Ldは、噴霧によって霧状になっているので、単に貯留してあるものに比べて、その表面積が飛躍的に拡大している。霧状の被処理除去液Ldは、やがて、連続気泡フォーム体17aに到着して、そのセル壁に付着する。セル壁に付着した被処理除去液Ldは、その表面積をさらに拡大する。拡大に拡大を重ねた被処理除去液Ldの表面積は、膨大となる。これらと相まって、気体導入機構13を介した蒸発促進気体(空気)の導入が、真空蒸発の効率を良くする。すなわち、被処理除去液Ldの回収(再生除去液Lcへの転換)が効率良く行われる。被処理除去液Ldは、連続気泡フォーム体17aを通過(下降)しながら再生除去液Lcとなり、連続気泡フォーム体17a及び支持体17bを通過して滴下する。滴下した再生除去液Lcは、排液機構15を介して真空容器9外へ排出され、再利用に供される。真空蒸発したVOCは、真空ポンプ11に吸引され、その後、VOC処理機構19によって処理される。VOC処理機構19は、VOCを回収して再利用可能とする処理を行うようになっている。又、VOCの再利用が不要であれば、VOCを単に除去処理する。
この装置と手法とにより、VOC溶液中のVOCを効率良く分離回収することが出来るとともに、加熱及び冷却をする必要がないため、低いランニングコストでVOCを分離回収することが出来ることが知られている。
特許第5187861号公報
しかしながら、特許文献1において空気流動真空蒸発法を用いた装置では、除去液を真空容器内で噴霧する際に一流体ノズルを用いており、その粒径が大きいため、蒸発速度が遅く、VOCの精製処理能力が低いという課題がある。また、真空蒸発の効率を良くするために気体導入機構から空気を導入するが、その大気中に含まれる水分がVOC精製装置の真空容器内に混入することで、VOCの蒸発揮発分離を妨げることも、同様に、VOCの精製回収処理能力が上がらないという課題がある。
本発明は、前記課題を解決するものであって、VOC溶液を処理装置内で噴霧する際の粒径を小さくすることができて、水分が蒸発する速度が速く、VOCの精製処理能力が高いVOC精製装置を提供するものである。
上記目的を達成するために、本発明の1つの態様にかかるVOC精製装置は、
真空容器と、
前記真空容器内に、水を含むVOC含有液を供給する送液ポンプと、
前記真空容器内に配置されて、前記送液ポンプから供給された前記VOC含有液を前記真空容器内に噴霧する噴霧装置と、
前記真空容器に接続され、前記真空容器の内部を減圧して前記VOC含有液に含まれる水分を真空蒸発させる真空ポンプと、
水分蒸発処理後のVOC濃縮液を前記真空容器から排出する排液部材とを備え、
前記噴霧装置が、
液体流路と気体流路とを有する噴霧装置本体部と、
前記噴霧装置本体部の先端に配置されて、前記液体流路の開口を覆いかつ平らな内側端面を有する内蓋部と、
前記噴霧装置本体部の先端に配置されて前記内蓋部を覆うとともに、前記気体流路の開口を覆いかつ前記内蓋部の前記内側端面に対向する平らな外側端面を持つ外側端部を有する外蓋部と、
前記内蓋部と前記外蓋部との間に配置され、前記内蓋部の前記内側端面と前記外蓋部の前記外側端面との間の円板状の外形の空間で構成され、前記気体流路を流れる気体流と前記液体流路を流れる液体流とを混合する気液混合部と、
前記内蓋部の前記内側端面の周方向の少なくとも1箇所に貫通して設けられて前記気液混合部と連通して、前記液体流路を流れる液体流を前記気液混合部に流入させる液体流入口と、
前記内蓋部と前記外蓋部との間の前記気液混合部の側部に前記気液混合部と連通して配置されて、前記液体流入口から前記気液混合部に流入する前記液体流に向かって、前記気体流路を流れる気体流を前記気液混合部に流入させる気体流入口と、
前記外蓋部の前記外側端面に貫通して設けられて前記気液混合部と連通し、前記気液混合部で前記気体流と前記液体流が混合して微粒化した液体を噴出する噴出口とを備える。
本発明の前記態様によれば、二流体ノズルである前記噴霧装置を用いて、VOC回収装置として機能する真空容器内でVOC含有液を噴霧するので、VOC含有液の粒径が大幅に小さくなり、VOC含有液から水分を素早く真空蒸発させることが可能になる。このため、VOC含有液から水分の蒸発分離が加速し、VOCの精製処理効率が上昇する効果がある。
本発明の実施の形態におけるVOC精製装置の構成図 本発明の実施の形態における噴霧装置の切断部端面図 本発明の実施の形態における噴霧装置の図2Aの2B−2B線での断面図 従来におけるVOC回収分離処理装置の構成図
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図1は、本発明の実施の形態におけるVOC精製装置の構成図である。
図1において、VOC精製装置103は、真空容器99と、送液ポンプ102と、噴霧装置104と、真空ポンプ107と、排液部材の一例である排液用開閉バルブ98とを少なくとも備えている。
送液ポンプ102は、真空容器99内に、水を含むVOC含有液101を供給する。
噴霧装置104は、真空容器99内に配置されて、送液ポンプ102から供給されたVOC含有液101を真空容器99内に噴霧する二流体ノズルである。
真空ポンプ107は、真空容器99に接続され、真空容器99の内部を減圧してVOC含有液101に含まれる水分を真空蒸発させる。
排液部材98は、水分蒸発処理後のVOC濃縮液を真空容器99から排出する。
VOC精製装置103で処理すべきVOC溶液101、言い換えれば、VOC精製装置103で精製処理するために回収したVOC溶液101は、VOC溶液タンク101T内に保持されている。VOC溶液タンク101Tは、送液用配管97により真空容器99と接続され、送液用配管97の途中には送液ポンプ102と可変バルブ96とが配置されて、VOC溶液タンク101T内のVOC溶液タンク101は、送液ポンプ102を用いて、真空容器99へ一定量送り込まれる。その際、VOC溶液101は、送液用配管97を通じて真空容器99内の噴霧装置104へ直結しており、併せて噴霧装置104へは、コンプレッサ105から圧縮エア106が供給されており、噴霧装置104内からVOC溶液101が微粒化された状態で真空容器99内へ噴霧される(符号101aを参照)。
一方、真空容器99内は、真空容器99と排気配管95で接続された真空ポンプ107によって、空気が排気されて減圧真空の状態になっている。
噴霧装置104から噴霧されたVOC溶液101中のVOCは、水より高沸点で水と共沸しない親水性及び揮発性化学物質であることから、減圧下において水の蒸気圧に達することで、水分のみが主に揮発され、真空ポンプ107を経由して外部へ排出水分108が排出されることになる。その際、真空容器99と真空ポンプ107との間の排気配管95の直結箇所には、VOC溶液を吸入しないように、ミストトラップの一例としてのミストフィルタ109を設置している。VOC溶液101は、このミストフィルタ109で捕獲され、ミストフィルタ109を通過して排気系統へ混入することがないようにしている。
上記の過程を経て、水分のみが除かれて濃縮された状態となったVOC濃縮液110は、真空容器99の下部へ蓄積していく。VOC濃縮液110が一定量蓄積した段階で、排液用開閉バルブ98を開けて、VOC精製タンク111へVOC濃縮液110を貯蔵する。貯蔵されたVOC溶液は、真空容器99に投入されたVOC溶液101に比べて、大幅に濃縮された状態にすることが出来る。
本実施形態の噴霧装置104に関して、図2Aを用いて説明する。図2Aは、本発明の実施形態における噴霧装置104を示す切断端面図である。
噴霧装置104は、噴霧装置本体部104aと、内蓋部114と、外蓋部115と、気液混合部116と、液体流入口119と、気体流入口120と、噴出口117aとを少なくとも備えている。
内蓋部114と外蓋部115とで気液混合部116を構成している。噴霧装置104は、さらに、噴霧装置蓋固定部118を備えている。
噴霧装置本体部104aは、円柱状部材の中心部に軸方向沿いに配置された液体流路112と、液体流路112の周囲に間隔をおいて軸方向沿いに配置された円筒状の気体流路113とがそれぞれ形成されている。液体流路112と気体流路113とは、噴霧装置本体部104aの一部として中央部に位置する円筒部104bで区切られている。液体流路112は、先端側のみを図示しており、後端の図示しない液体供給口は、送液配管97を介して送液ポンプ102に接続されている。気体流路113も、先端側のみを図示しており、後端の図示しない気体供給口は、コンプレッサ105に接続されており、圧縮エア106が供給されている。
円筒部104bの先端は、円筒部104b以外の噴霧装置本体部104aより先端側に少し突出し、その先端に内蓋部114が固定されている。
内蓋部114は、噴霧装置本体部104aの先端に配置され、液体流路112の開口を覆いかつ平らな内側端面114aを有する断面略C字形状をなしている。内蓋部114は、円筒部104bの端面と内蓋部114の内側端面114aの内面との間には、円板状の外形の第1隙間121が形成されている。内蓋部114の内側端面114aの外周部の1カ所には、内側端面114aを軸方向に貫通する液体流入口119が形成されている。すなわち、液体流入口119は、気液混合部116の外周壁面近傍の上流側平坦面である内蓋部114の内側端面114aに位置しており、液体流路112と気液混合部116とを連通させている。
外蓋部115は、噴霧装置本体部104aの先端に配置され、内蓋部114を覆うとともに、気体流路113の開口を覆いかつ内蓋部114の内側端面114aに対向する平らな外側端面を持つ外側端部115aと、円筒側面に相当する外蓋部側面115cとを有する断面略Ω形状をなしている。外蓋部115は、内蓋部114との間の側部では、所定間隔の円筒状の外形の第2隙間122をあけて覆うとともに、内蓋部114との間の端部では、所定間隔の円板状の外形の空間の気液混合部116を隙間として形成しつつ内蓋部114を覆うように、噴霧装置本体部104aの端面と噴霧装置蓋固定部118との間に挟持されて固定されている。なお、噴霧装置蓋固定部118を無くして、外蓋部115が、直接、噴霧装置本体部104aの端面に固定されるようにしてもよい。
外蓋部115と内蓋部114との間において所定間隔の円板状の外形の気液混合部116を確実に形成するため、外蓋部115の外側端面115aの内面に円環状の凸部123を形成して、外蓋部115の内面と内蓋部114の内側端面114aとの間に強制的に隙間として気液混合部116が配置形成できるようにしている。円環状の凸部123は、外蓋部115の外側端面115aの内面(すなわち、外側端面)に設ける代わりに、内蓋部114の内側端面114aの外面に設けても良い。このように構成される気液混合部116は、気体流路113を流れる気体流と液体流路112を流れる液体流とを混合するためのものである。
また、気液混合部116の側部において、円環状の凸部123の一部を径方向に切り欠いて、気体流路113と気液混合部116とを連通させる気体流入口120を形成している。よって、気体流入口120は、液体流入口119から流入する液体流の流入方向に対して、気体流入口120から流入する気体流の流入方向が交差するように配置されている。気体流入口120は、噴霧装置本体部104aの中心(中心軸124)に対して液体流入口119とは180度位相を異にした、液体流入口119に対向する位置に位置する。さらに、外蓋部115の外側端面115aの外面の中央には、円筒部が突出して固定され、軸方向に外側端面115a及び円筒部を貫通した噴出口117aを有する噴出部117を形成している。噴出口117aは、液体流路112と同一中心軸124上に配置されている。これに対して、液体流入口119は、この中心軸124から外れた位置に位置している。
よって、気液混合部116は、円環状の凸部123と内蓋部114と外蓋部115とで囲まれて形成されており、軸方向沿いに内蓋部114を貫通した液体流入口119と、軸方向とは交差する方向沿いに円環状の凸部123を切り欠いた気体流入口120と、軸方向沿いに外蓋部115を貫通した噴出口117aとに連通している。
このような構成において、噴霧装置104に供給された液体は、噴霧装置本体部104aに対して、図示しない液体供給口から装置先端側に液体流路112を流れて液体流となり、その液体流は、第1隙間121と液体流入口119とを通って、気液混合部116に供給される。また、噴霧装置104に供給された気体は、噴霧装置本体部104aに対して、図示しない気体供給口から装置先端側に気体流路113を流れて気体流となり、その気体流は、第2隙間122と気体流入口120とを通って、気液混合部116に供給される。
気液混合部116に対して気体流と液体流とが供給されると、気液混合部116内で互いに混合され、液体が微粒化された後に、外蓋部115に設けられた噴出部117の噴出口117aから、混合されて微粒化された液体を外側に噴出する。
以下、気液混合部116での微粒化の機構について、図2Bを参照しながら説明する。
液体流路112を流れてきた液体流は、第1隙間121を通り、内蓋部114に設けられた液体流入口119を通り、図2Bに示すように、気液混合部116の円環状の凸部123の近傍より、液体流が内蓋部114の内側端面114aと平行かつ噴出部117の方向へ供給する。
一方、液体流入口119から気液混合部116に供給された液体流に対して、液体流入口119の対向する位置に位置する気体流入口120を通って気液混合部116に供給された気体が、気液混合部116内で液体に衝突する。このように衝突することで、液体は外蓋部115の外側端部115aの外側端面に押し広げられ、薄い膜状になり外側端部115aの外側端面を流れる。さらに、この状態から外側端面115aを円環状の凸部123の周方向に流れることにより、薄い膜状からさらに細かな液滴へと変化する。さらに、この液滴を含む気液混合流を、気液混合部116の外蓋部115側の外側端面115aの内面である壁面に沿って、周回及び撹拌することで、液滴をさらに微粒化することができ、より粒径の小さな液体を噴出口117aから噴霧することが可能である。
より具体的には、気液混合部116は直径8.0mm、高さ2.0mmであり、噴出部117の噴出口117aは、直径1.5mm、長さ2.0mm、液体流入口119は直径0.7mm、気体流入口120は矩形であり、幅1.0mm、高さ1.0mmの噴霧装置である。
この噴霧装置に対し、気体の例として圧縮空気を0.2MPa(ゲージ圧)の圧力で供給し、液体の例として水を0.15MPa(ゲージ圧)の圧力で供給した。この条件で微粒化した水のザウター平均粒径をレーザー回折法にて評価を行った。レーザー回折法の測定距離は噴霧装置の先端から300mmの位置であり、ザウター平均粒径は10.0μmとなった。
前記実施形態にかかる噴霧装置104によれば、内蓋部114と外蓋部115との間に設けられた気液混合部116で、液体流入口119から流入する液体と気体流入口120から流入する気体とが向かい合って衝突するとともに、円環状の凸部123に沿って周回及び撹拌して液体が微粒化し、微粒化した液体を噴出部117から噴出することができる。この結果、気化が早くかつ濡れ等を感じない粒径の小さな液体を、噴霧可能な噴霧装置104を提供することができる。より具体的には、蒸発気化が早い小さな粒径の例として、10μm以下の粒径の液体を噴霧することができる、二流体ノズル型式の噴霧装置104を提供することができる。
従来のVOC精製処理方法では、図3に示すように、VOC溶液のみを加圧し、一流体の噴霧ノズルを用いて、VOC精製装置内へ除去液を導入していたため、噴霧した後のVOC溶液の粒径が大きく、水分のみが蒸発分離する割合が十分ではなかった。しかし、本発明の実施形態では、コンプレッサ105による圧縮エア106を用いて、二流体ノズルである噴霧装置104からVOC溶液101を噴霧することにより、VOC溶液101の粒径を大幅に微細化することが可能になり、それによって単位流量あたりの表面積が増加することから、VOC溶液中の水のみを大量に蒸発し排気させることができる。これによって、大量に濃縮された高濃度のVOC溶液を精製処理することが可能になった。
前記実施形態では、VOC溶液101を噴霧装置104で噴霧する際にコンプレッサ105から圧縮エア106を用いたが、この圧縮エアは露点が大気よりも低いため水分の含まれる量が非常に小さい。よって、従来例では、大気をパージして混入されて故意に流動を起こさせているが、これにより大量の水分も真空容器に導入することになり、真空容器99内の減圧維持が困難になることが考えられる。これに対して、本実施形態では、前記したような圧縮エアを用いることで、従来例の課題が解決されて、VOC溶液から水分のみを効率良く蒸発させて、濃縮処理させることが可能になる。また、VOC溶液が酸化してしまう場合は、コンプレッサ105からの圧縮エア106の代わりに、窒素、アルゴン、又はヘリウムなどの不活性ガスを用いることで、同様の役割をさせることが可能である。
このような濃縮処理が可能なVOCは、水より高沸点で水と共沸しない親水性、揮発性化学物質であり、NMP(N−メチルピロリドン)、EG(エチレングリコール)、DEG(ジエチレングリコール)、TEG(トリエチレングリコール)、PGME(プロピレングリコールモノエチルエーテル)、PG(プロピレングリコール)、DMF(N,N−ジメチルホルムアミド)、DMAC(N,N−ジメチルアセトアミド)、DMSO(ジメチルスルホキシド)、1,4−BD(1,4−ブタンジオール)、MEA(モノエタノールアミン)および、DGME(ジエチレングリコールモノメチルエーテル)よりなる群から1個または複数個選ばれた溶剤類であれば良い。
前記実施形態によれば、二流体ノズルである噴霧装置104を用いて、VOC回収装置として機能する真空容器99内でVOC含有液101を噴霧するので、VOC含有液101の粒径が大幅に小さくなり、VOC含有液101から水分を素早く真空蒸発させることが可能になる。このため、VOC含有液101から水分の蒸発分離が加速し、VOCの精製処理効率が上昇する効果がある。また、コンプレッサ105の圧縮エアを用いれば、蒸発促進気体として導入する空気から混入する水分が、飛躍的に少なくすることができる。
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。
本発明の前記態様にかかるVOC精製装置は、従来のVOC精製処理方法に比べて、大幅にVOCの精製処理効率が上昇する効果があり、精製に必要なコストが例えば1/2以下まで削減可能なことによって、製造現場などでVOCを精製して再利用する上で大きな経営貢献に繋がる。このようなVOC精製装置は、グローバルに電池又は半導体などの製造業界向けに大きな設備販売事業へと繋がる可能性がある。
1・・・再生・回収装置
3・・・貯留タンク
5・・・送液ポンプ
7・・・ノズル
9・・・真空容器
11・・・真空ポンプ
13・・・気体導入機構
15・・・排液機構
17a・・・連続気泡フォーム体
17b・・・支持体
19・・・VOC処理機構
92・・・可変バルブ
93・・・ポンプ
95・・・排気配管
96・・・可変バルブ
97・・・送液用配管
98・・・排液用開閉バルブ
99・・・真空容器
101・・・VOC溶液
101a・・・VOC溶液の噴霧状態
101T・・・VOC溶液タンク
102・・・送液ポンプ
103・・・VOC精製装置
104・・・噴霧装置
104a・・・噴霧装置本体部
104b・・・円筒部
105・・・コンプレッサ
106・・・圧縮エア
107・・・真空ポンプ
108・・・排出水分
109・・・ミストフィルタ
110・・・VOC濃縮液
111・・・VOC精製タンク
112・・・液体流路
113・・・気体流路
114・・・内蓋部
114a・・・内側端面
115・・・外蓋部
115a・・・外側端面
116・・・気液混合部
117・・・噴出部
117a・・・噴出口
118・・・噴霧装置蓋固定部
119・・・液体流入口
120・・・気体流入口
121・・・第1隙間
122・・・第2隙間
123・・・円環状の凸部
124・・・中心軸

Claims (4)

  1. 真空容器と、
    前記真空容器内に、水を含むVOC含有液を供給する送液ポンプと、
    前記真空容器内に配置されて、前記送液ポンプから供給された前記VOC含有液を前記真空容器内に噴霧する噴霧装置と、
    前記真空容器に接続され、前記真空容器の内部を減圧して前記VOC含有液に含まれる水分を真空蒸発させる真空ポンプと、
    水分蒸発処理後のVOC濃縮液を前記真空容器から排出する排液部材とを備え、
    前記噴霧装置が、
    液体流路と気体流路とを有する噴霧装置本体部と、
    前記噴霧装置本体部の先端に配置されて、前記液体流路の開口を覆いかつ平らな内側端面を有する内蓋部と、
    前記噴霧装置本体部の先端に配置されて前記内蓋部を覆うとともに、前記気体流路の開口を覆いかつ前記内蓋部の前記内側端面に対向する平らな外側端面を持つ外側端部を有する外蓋部と、
    前記内蓋部と前記外蓋部との間に配置され、前記内蓋部の前記内側端面と前記外蓋部の前記外側端面との間の円板状の外形の空間で構成され、前記気体流路を流れる気体流と前記液体流路を流れる液体流とを混合する気液混合部と、
    前記内蓋部の前記内側端面の周方向の少なくとも1箇所に貫通して設けられて前記気液混合部と連通して、前記液体流路を流れる液体流を前記気液混合部に流入させる液体流入口と、
    前記内蓋部と前記外蓋部との間の前記気液混合部の側部に前記気液混合部と連通して配置されて、前記液体流入口から前記気液混合部に流入する前記液体流に向かって、前記気体流路を流れる気体流を前記気液混合部に流入させる気体流入口と、
    前記外蓋部の前記外側端面に貫通して設けられて前記気液混合部と連通し、前記気液混合部で前記気体流と前記液体流が混合して微粒化した液体を噴出する噴出口とを備える、VOC精製装置。
  2. 前記噴霧装置本体部の前記気体流路にて、窒素、アルゴン、又はヘリウムの不活性ガスを前記真空容器内に供給する請求項1に記載のVOC精製装置。
  3. 前記真空容器から前記真空ポンプへの排気配管の前記真空容器内の接続箇所に、噴霧された前記VOC含有液を捕獲するミストトラップを配置する、請求項1又は2に記載のVOC精製装置。
  4. 前記VOC含有液に含有されたVOCは、水より高沸点で水と共沸しない親水性でかつ揮発性化学物質であり、N−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコール、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、1,4−ブタンジオール、モノエタノールアミンおよびジエチレングリコールモノメチルエーテルよりなる群から選ばれた溶剤類である、請求項1〜3のいずれか1つに記載のVOC精製装置。
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