JP6795605B2 - 固液分離方法および固液分離システム - Google Patents

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Description

本開示は、固形物と液体とを分離する固液分離方法および固液分離システムに関する。
混合液を固形物と液体とに分離する固液分離方法として、濾過分離が知られている。濾過分離では、濾布(フィルタ)に混合液を通すことで、固形物と液体とが分離される。この濾過分離では、濾布(フィルタ)によって分離された固形物を定期的に除去する必要がある。そのため、濾過分離は、連続処理に適しておらず、バッチ処理で行われるのが通常である。
また、固液分離が可能な遠心分離機として、例えば特許文献1に示されるスクリュウデカンタ型遠心分離機が知られている。この遠心分離機では、円筒形状の外胴ボウル内に投入される混合液が、高速回転による遠心力で分離される。分離された固形物は、外胴ボウルの一端から排出され、分離された液体は、外胴ボウルの他端から排出される。このような遠心分離機を用いれば、連続処理が可能となり、固液分離の効率を高めることができる。また、特許文献2には、軽液と、軽液より密度が大きい中間液と、中間液より密度が大きい重液と、重液より密度が大きい固形物とを分離する遠心分離機が記載されている。
特許第3775659号公報 特開平10−151369号公報
遠心分離機は、固形物と、この固形物よりも密度が小さい液体との混合液を分離することを前提としている。そのため、上記のスクリュウデカンタ型遠心分離機では、固形物、および、この固形物よりも密度が大きい液体のみからなる混合液を適切に分離することができない。したがって、固形物よりも密度の大きい液体が含まれる混合液については、遠心分離機の適用対象外と考えられていた。その結果、固形物よりも密度の大きい液体が含まれる混合液を固液分離する場合には、遠心分離以外の方法が採用されている。
本開示は、遠心分離機を用い、固形物よりも密度の大きい液体が含まれる混合液を固液分離することが可能な固液分離方法および固液分離システムを提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、固形物、および、固形物よりも密度が大きい重液を含む処理液に、重液と界面を形成し固形物よりも密度が小さい軽液を投入する工程と、軽液が投入された処理液を遠心分離機で分離する工程と、を含む。
また、軽液が投入された処理液を遠心分離機で分離する工程において、軽液が投入された処理液を、固形物、軽液、重液にそれぞれ分離してもよい。
上記課題を解決するために、固液分離システムは、固形物および固形物よりも密度が大きい重液を含む処理液が貯留される処理液貯留部と、処理液貯留部に接続された遠心分離機と、重液と界面を形成し固形物よりも密度が小さい軽液が貯留される軽液貯留部と、軽液貯留部から処理液貯留部または遠心分離機に軽液を供給する軽液供給部と、を備える。
また、処理液貯留部から遠心分離機に供給される処理液と、軽液貯留部から遠心分離機または処理液に投入される軽液との流量を制御する制御部をさらに備えてもよい。
また、遠心分離機によって分離された軽液を軽液貯留部に返送するポンプをさらに備えてもよい。
遠心分離機を用い、固形物よりも密度の大きい液体が含まれる混合液を固液分離することができる。
固液分離システムの構成を説明する図である。 遠心分離機の概略的な構成を示した斜視図である。 遠心分離機の概略的な構成を示した縦断面図である。 図4(a)は、固形物と軽液との混合液を分離する場合の遠心分離機による分離原理を説明する図である。図4(b)は、処理液を分離する場合の遠心分離機による分離原理を説明する図である。図4(c)は、固形物、軽液、重液で構成される混合液を分離する場合の遠心分離機による分離原理を説明する図である。 固液分離方法の処理の流れを説明するフローチャートである。
以下に添付図面を参照しながら、実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
ここでは、固液分離方法として、固形物(固体)とこの固形物よりも密度(質量密度、比重)が大きい重液とを含む処理液を、固形物と重液とに分離する方法について説明する。なお、以下では、処理液を固液分離するための固液分離システムの一例を説明し、その後に、この固液分離システムを用いた固液分離方法について説明する。
(固液分離システム1)
図1は、固液分離システム1の構成を説明する図である。固液分離システム1は、処理液Uが貯留される処理液貯留部10を備える。処理液貯留部10はタンクで構成される。処理液貯留部10には、不図示の供給源から処理液Uが供給される。また、処理液貯留部10は、導入管11を介して後述の遠心分離機100に接続されている。導入管11には、ポンプ30が設けられている。
また、固液分離システム1は、タンクで構成される軽液貯留部20を備える。軽液貯留部20には、処理液U中の固形物Sよりも密度の小さい軽液Lが貯留される。軽液貯留部20は、接続管21を介して、処理液貯留部10に接続されている。軽液貯留部20に貯留された軽液Lは、接続管21を介して処理液貯留部10に投入される。接続管21には、バルブV1が設けられている。
なお、処理液貯留部10には、処理液Uと軽液Lとを攪拌する攪拌装置が設けられている。したがって、処理液貯留部10において、固形物S、固形物Sよりも密度が小さい軽液L、固形物Sよりも密度が大きい重液Hを含む混合液Mが生成される。そして、処理液貯留部10において生成された混合液Mが、導入管11を介して遠心分離機100に導入される。
また、固液分離システム1は、制御部40を備える。制御部40は、バルブV1、ポンプ30、50を制御する。具体的に説明すると、制御部40は、バルブV1を作動させ、接続管21の開度を制御する。つまり、制御部40は、軽液貯留部20から処理液貯留部10(遠心分離機100)に投入される軽液Lの流量を制御する。したがって、制御部40は、混合液M中の、処理液U(固形物Sおよび重液H)と軽液Lとの比率を調整する。
また、制御部40は、後述する遠心分離機100の回転数に基づいて、ポンプ30の駆動を制御する。したがって、制御部40は、遠心分離機100に導入される混合液Mの流量を調整する。また、制御部40は、ポンプ50の駆動を制御する。
遠心分離機(遠心沈降分離機)100は、処理液貯留部10から導入された混合液Mを、固形物S、軽液L、重液Hに分離する。ここでは、遠心分離機100がスクリュウデカンタ型遠心分離機で構成される。
また、固液分離システム1において、軽液貯留部20は、返送管51を介して、遠心分離機100によって分離された軽液Lを貯留するタンクに接続されている。返送管51にはポンプ50が設けられている。ポンプ50は、遠心分離機100によって分離された軽液Lを軽液貯留部20に返送する。
以下に、遠心分離機100の構成について説明する。
(遠心分離機100)
図2は、遠心分離機100の概略的な構成を示した斜視図である。図3は、遠心分離機100の概略的な構成を示した縦断面図である。説明の便宜上、図2では、主たる内部構造も示している。
遠心分離機100は、例えば、食品、飲料水、薬品、化学製品、鉄鋼製品等の製造プロセスや、屎尿処理、下水処理、スラリー処理、工場排水処理等の水処理といった様々な分野において、固液分離に利用される。
遠心分離機100は、外胴ボウル110を備える。外胴ボウル110は、遠心分離機100の長手方向に延びる円筒形状の中空ボウルで構成される。外胴ボウル110は、ケーシング112内において両端が軸受114により回転自在に軸支される。外胴ボウル110は、フィードパイプ118から供給された混合液Mを収容する。外胴ボウル110は、本体駆動用モータ116を動力として、所定の回転数(例えば2,000〜6,000rpm)で回動する。
外胴ボウル110は、一端側に位置する同径部110aと、同径部110aより他端側に位置する円錐部110bを備える。同径部110aの一端は、大径部110cによって封止されている。大径部110cは、本体部110dと、第1軸部110eとを有する。本体部110dは、同径部110aの一端を封止する。第1軸部110eは、本体部110dの一端側の面(外面)から外方に突出した円筒である。第1軸部110eは、軸受114により回転自在に軸支される。
本体部110dの中心(第1軸部110e)より径方向外方には、同径部110aの内部空間と外部とを連通する軽液排出路110fが形成されている。軽液排出路110fは、同径部110aの内部空間側の端部(他端)から外部側の端部(一端)に向かって水平方向に延在した貫通孔で構成される。
また、本体部110dにおける軽液排出路110fより径方向外方には、同径部110aの内部空間と外部とを連通する重液排出路110gが形成されている。重液排出路110gは、同径部110aの内部空間側の端部が外部側の端部より、径方向外方に位置する。つまり、重液排出路110gは、他端から一端に向かって径方向内方に傾斜した貫通孔で構成される。
オリフィスプレート110hは、本体部110dにおける同径部110aの取り付け面と逆側の面に取り付けられる。オリフィスプレート110hは、円板形状の本体110iと、本体110iの外周から本体部110d方向(他端側)に立設したフランジ110jとで構成される。オリフィスプレート110hの本体110iには、重液排出路110gと外部とを連通する重液流通路110kが形成されている。重液流通路110kは、一端から他端に向かって本体110iを水平方向に貫通する貫通孔で構成される。具体的に説明すると、重液流通路110kは、他端から一端側に向かって実質的に径が等しい同径路と、同径路から一端に向かって径が拡大した拡大路とで構成される。なお、重液流通路110kの他端側の開口は、重液排出路110gの一端側の開口の一部に臨んで設けられる。
また、オリフィスプレート110hには、軽液排出路110fと外部とを連通する軽液流通路110lが形成されている。具体的に説明すると、オリフィスプレート110hの本体110iにおける軽液排出路110fの一端側の開口と対向する位置から径方向外方まで第1の溝が設けられている。また、第1の溝に連続して、本体部110d方向(他端側)に延在した第2の溝がフランジ110j内に設けられている。そして、第1の溝、第2の溝と、同径部110aの本体部110dとの間に軽液排出路110fが形成される。
円錐部110bは、他端側に向かうに従って、断面が漸減する円錐形状となっている。円錐部110bの他端は、小径部110mによって封止されている。小径部110mの本体部110nは、円錐部110bの他端を封止する。第3突出部110oは、本体部110nの他端側の面(外面)から外方に突出した円筒である。第3突出部110oは、軸受114により回転自在に軸支される。第3突出部110oには、フィードパイプ118が挿入される。また、円錐部110bの他端側(円錐部110bの他端と本体部110nとの間)には、円錐部110bの内部空間と外部とを連通する固形物排出口110pが形成されている。固形物排出口110pは、軽液排出路110fの他端側の開口、重液排出路110gの他端側の開口より径方向内側に設けられる。
内胴スクリュウコンベア120は、外胴ボウル110に囲繞される。内胴スクリュウコンベア120は、胴体120aを備える。胴体120aは、両端が軸受(図示せず)により外胴ボウル110と同芯に回転自在に軸支される。胴体120aは、中空形状に構成されている。つまり、胴体120aの内部には、内部空間120bが形成されている。また、胴体120aには、内部空間120bと外部とを連通する混合液排出口120cが形成されている。
内部空間120bにはフィードパイプ118が挿入されている。なお、フィードパイプ118の一端は、内部空間120bに位置する。したがって、フィードパイプ118から導入された混合液Mは、内部空間120bに供給される。そして、内部空間120bに供給された混合液Mは、混合液排出口120cを介して外胴ボウル110に供給される。
また、胴体120aの外周には、径方向外方に突出したスクリュウ羽根120dが設けられる。スクリュウ羽根120dは、胴体120aの外周に螺旋状に巻回して設けられる。
そして、胴体120a(内胴スクリュウコンベア120)は、差速制動機122の動力とギヤボックス124の遊星歯車機構によって、外胴ボウル110と同方向に回転する。なお、内胴スクリュウコンベア120は、外胴ボウル110と相対的な回転速度差(例えば10〜60rpm)を有して回動する。
(遠心分離機構)
続いて、遠心分離機100による混合液Mの遠心分離機構について説明する。外胴ボウル110に供給された混合液Mは、外胴ボウル110の回転による遠心力によって外胴ボウル110の内周面上に滞留する。その結果、密度差に応じて、軽液L(図3中、横縞で示す)、固形物S(図3中、黒色の丸で示す)、重液H(図3中、クロスハッチングで示す)の三相に分離される。なお、混合液M中において最も密度が大きい重液Hは、外胴ボウル110の内周面に押しつけられる。固形物Sは、重液Hより径方向内側に滞留する。軽液Lは、固形物Sより径方向内側に滞留する。
分離された重液Hおよび軽液Lは、新たに外胴ボウル110に供給された混合液Mにより押圧される。これにより、重液Hおよび軽液Lは、外胴ボウル110の一端側に移動する。上記重液排出路110gの他端側の開口は、重液Hと軽液Lとの界面より、径方向外側に位置するように設けられる。また、上記軽液排出路110fの他端側の開口は、重液Hと軽液Lとの界面より、径方向内方側に位置するように設けられる。
したがって、軽液Lは、軽液排出路110f、軽液流通路110lを通じて外部に排出される。一方、重液Hは、重液排出路110g、重液流通路110kを通じて外部に排出される。
一方、分離された固形物Sは、内胴スクリュウコンベア120によって外胴ボウル110の他端側に移動する。上記したように、内胴スクリュウコンベア120には、胴体120aの外周に沿って螺旋状にスクリュウ羽根120dが形成されている。そして、差速制動機122の動力とギヤボックス124の遊星歯車機構によって、内胴スクリュウコンベア120と外胴ボウル110とは相対的な回転速度差が生じるように構成されている。したがって、固形物Sはスクリュウ羽根120dにより、外胴ボウル110の他端側に移動する。
上記したように、円錐部110bは、他端側に向かうに従って、断面が漸減する円錐形状となっている。したがって、スクリュウ羽根120dによって移動した固形物Sは、脱液された状態で、固形物排出口110pから排出される。
なお、外胴ボウル110と内胴スクリュウコンベア120とが回転している状態で、フィードパイプ118から混合液Mが連続的に供給される。その結果、分離された固形物S、軽液L、重液Hを連続的に取得することが可能となる。
(分離原理)
図4(a)は、固形物Sと軽液Lとの混合液を分離する場合の遠心分離機100による分離原理を説明する図である。図4(b)は、処理液U(固形物Sと重液Hとの混合液)を分離する場合の遠心分離機100による分離原理を説明する図である。図4(c)は、固形物S、軽液L、重液Hで構成される混合液Mを分離する場合の遠心分離機100による分離原理を説明する図である。なお、図4(a)、図4(b)、図4(c)中、固形物Sを黒色で示す。
図4(a)に示すように、遠心分離機100によって、固形物Sと、軽液L(固形物Sよりも密度が小さい液体)との混合液を分離する場合、固形物Sは、遠心力によって外胴ボウル110の内周面に押しつけられる。また、軽液Lは、固形物Sより外胴ボウル110の径方向内側に滞留する。つまり、固形物Sは、外胴ボウル110と軽液Lとに挟まれることとなる。このため、固形物Sの移動の自由度が低下する。したがって、固形物Sは、軽液Lの移動に伴って移動することはなく、スクリュウ羽根120dによって掻き出されることとなる。こうして、固形物Sと軽液Lとの混合液は、遠心分離機100によって効率よく固液分離される。
これに対し、遠心分離機100によって、固形物Sと、重液H(固形物Sよりも密度が大きい液体)との混合液である処理液Uを分離する場合、図4(b)に示すように、重液Hが、遠心力によって外胴ボウル110の内周面に押しつけられる。一方、固形物Sは、重液Hより外胴ボウル110の径方向内側に滞留する。つまり、固形物Sは、重液Hに浮遊している状態となる。したがって、固形物Sと重液Hとの界面は自由界面となり、固形物Sの移動の自由度は、図4(a)に示す状態と比較して増加する。このため、固形物Sは、重液Hに同伴して移動し、重液Hとともに外胴ボウル110外に排出されてしまう。つまり、遠心分離機100で、処理液Uを固液分離することはできない。
そこで、処理液Uに軽液Lを投入して、固形物S、軽液L、重液Hの混合液Mとする。これにより、遠心分離機100によって、固形物Sを分離することが可能となる。具体的に説明すると、図4(c)に示すように、遠心分離機100によって、固形物S、軽液L、重液Hの混合液Mを分離する場合、最も密度の大きい重液Hが、遠心力によって外胴ボウル110の内周面に押しつけられる。固形物Sは、重液Hより外胴ボウル110の径方向内側に滞留する。また、軽液Lは、固形物Sより外胴ボウル110の径方向内側に滞留する。つまり、固形物Sは、重液Hと軽液Lとに挟まれる。このため、固形物Sの移動の自由度が低下する。したがって、固形物Sは、重液Hおよび軽液Lの移動に伴って移動しにくくなり、スクリュウ羽根120dによって掻き出される。こうして、混合液Mは、遠心分離機100によって効率よく固液分離される。
以上説明したように、本実施形態にかかる固液分離システム1によれば、処理液Uに軽液Lを投入して、固形物S、軽液L、重液Hの混合液Mが生成される。この混合液Mが、遠心分離機100によって遠心分離される。その結果、処理液Uから固形物Sが効率よく分離される。
(固液分離方法)
続いて、固液分離システム1を用いた固液分離方法について説明する。図5は、固液分離方法の処理の流れを説明するフローチャートである。
(投入工程S1)
制御部40は、バルブV1の開度を調整し、軽液貯留部20から処理液貯留部10に軽液Lを投入する。なお、制御部40は、バルブV1の開度を調整して、処理液貯留部10において生成される混合液M中の処理液Uと軽液Lとの比率を所定値とする。
(導入工程S2)
制御部40は、導入管11に設けられたポンプ30を駆動して、混合液Mを遠心分離機100に導入する。制御部40は、遠心分離機100における外胴ボウル110の回転数に基づいて、混合液Mの流量を調整する。
(遠心分離工程S3)
遠心分離機100は、混合液Mを、固形物Sと、軽液Lと、重液Hとに分離する。こうして分離された固形物S、重液Hは、後段の処理設備に送出される。
(返送工程S4)
制御部40は、返送管51に設けられたポンプ50を駆動して、分離された軽液Lを軽液貯留部20に返送する。
以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上述した実施形態では、処理液Uを、固形物Sと重液Hとに分離する方法について説明した。このため、固液分離システム1が、処理液貯留部10、軽液貯留部20を備える。しかし、固形物S、軽液L、重液Hを含む混合液Mを得られる場合、新たに軽液Lを投入する必要はない。この場合、固液分離システムは、混合液Mを貯留するタンクと、タンクと遠心分離機100とを接続する導入管と、導入管に設けられたポンプとを備えればよい。
また、上記実施形態では、処理液貯留部10において混合液Mを生成する構成について説明した。しかし、処理液貯留部10とは別に混合タンクを備え、混合タンクにおいて混合液Mを生成してもよい。この場合、固液分離システムは、処理液貯留部10、軽液貯留部20、混合タンク、処理液貯留部10と混合タンクとを接続する接続管、軽液貯留部20と混合タンクとを接続する接続管とを備えるとよい。また、両接続管にバルブを設けておく。そして、制御部40は、両バルブを制御して、混合タンクにおいて、混合液M中の、処理液Uと軽液Lとの比率を調整する。また、この場合、混合タンクが攪拌装置を備えてもよい。
また、遠心分離機100内で混合液Mを生成してもよい。つまり、処理液貯留部10から遠心分離機100に処理液Uを直接導入する。また、軽液貯留部20から遠心分離機100に軽液Lを直接導入する。
また、上記実施形態では、混合液Mを、固形物S、軽液L、重液Hに分離することができる三相分離式の遠心分離機100を例に挙げて説明した。しかし、固液分離システムを構成する遠心分離機は、固形物Sと液体とを分離することができる二相分離式の遠心分離機であってもよい。この場合、軽液Lと重液Hとの分離は、別の工程で行うとよい。少なくとも混合液Mを二相分離式の遠心分離機で固液分離することにより、固形物Sを混合液Mから分離することが可能となる。
また、上記実施形態において、固液分離システム1がポンプ50を備える構成について説明した。これにより、軽液Lを再利用できる。したがって、軽液Lに要するコストを低減できる。しかし、ポンプ50は必須の構成ではない。
また、処理液Uに投入する軽液Lは、固形物Sより密度が小さければよい。軽液Lは、重液Hと界面を形成できればよい。
本開示は、固形物と液体とを分離する固液分離方法および固液分離システムに利用することができる。
1 固液分離システム
10 処理液貯留部
20 軽液貯留部
40 制御部
50 ポンプ
100 遠心分離機

Claims (5)

  1. 固形物、および、前記固形物よりも密度が大きい重液を含む処理液に、前記重液と界面を形成し前記固形物よりも密度が小さい軽液を投入する工程と、
    前記軽液が投入された前記処理液を遠心分離機で分離する工程と、
    を含む固液分離方法。
  2. 前記軽液が投入された前記処理液を前記遠心分離機で分離する工程において、前記軽液が投入された前記処理液を、前記固形物、前記軽液、前記重液にそれぞれ分離する請求項1に記載の固液分離方法。
  3. 固形物および前記固形物よりも密度が大きい重液を含む処理液が貯留される処理液貯留部と、
    前記処理液貯留部に接続された遠心分離機と、
    前記重液と界面を形成し前記固形物よりも密度が小さい軽液が貯留される軽液貯留部と、
    前記軽液貯留部から前記処理液貯留部または前記遠心分離機に前記軽液を供給する軽液供給部と、
    を備えた固液分離システム。
  4. 前記処理液貯留部から前記遠心分離機に供給される前記処理液と、前記軽液貯留部から前記遠心分離機または前記処理液に投入される前記軽液との流量を制御する制御部をさらに備えた請求項3に記載の固液分離システム。
  5. 前記遠心分離機によって分離された軽液を前記軽液貯留部に返送するポンプをさらに備えた請求項3または4に記載の固液分離システム。
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