JPH01224006A - 蒸発濃縮器及びその操作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、膜面又は壁面蒸発により原液を濃縮又は無情
処理する蒸発濃縮器及びその操作方法に係り、具体的に
は塩類や放射性物質を含む原液を黒潮し、高い純度の濃
縮液と純水とに分離するに好適なものに関する。

〔従来の技術〕

かかる蒸発濃縮の技術は原子カプラントなどの廃液を濃
縮したり、塩類を含む原液から純水を得る場合や、ファ
インケミカルの分野での利用が考えられる。

例えば、特公昭４９−４５４６１号に示された蒸発濃縮
器によれば、第５図に示したように、気体は通すが液体
は通さない性質を有する膜（疎水性多孔質膜）１が蒸発
面として用いられ、この蒸膜面の膜壁に相対させ、かつ
狭い空間を隔てて伝熱壁２を設けた構造とし、これらに
より形成される原液室３、蒸発凝縮室４及び冷媒室５の
３室を有した構成とされている。

このような膜蒸発濃縮器は、蒸発面に膜を用いているこ
とから、蒸発面の形状や面積が自由にとれ、装置の小型
化が容易である。また高温の原液とこれを加熱する加熱
源との温度差が小さくても十分蒸発を行なわせることが
できることから、廃熱等の有効利用を図ることができる
。さらに、原液から低い温度でかつ常温で蒸気を発生で
きるので、耐熱性の低い合成樹脂を構造材料として利用
でき腐食対策が容易になるなど、従来の全屈材料・で造
られた伝熱管型蒸発濃縮器に比べて多くの利点を有する
。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、従来の膜蒸発濃縮器は蒸発面に疎水性多孔質
膜１を用いているから、原液室３内に収納された塩類を
含む原液は蒸発凝縮室４側に通過しない。したがって、
原液室３内の原液から発生した水蒸気のみが蒸発凝縮室
４側に通過し、冷却壁２で凝縮して凝縮水として回収さ
れることになる。しかし、原液室３における原液の濃縮
度はわずかであり、原液室３を出た濃縮原液は再び原液
槽に＠環され、ここで原液に混合され稀釈されることに
なり、また、濃縮が徐々に行なわれることから、濃縮液
を別途に回収することができないという問題がある。

また、蒸発面で発生した蒸気は冷却壁２面で凝縮され、
これにより純度の高い凝縮液が得られるのであるが、こ
の冷却壁２面における凝縮液の生成速度が大きい程、効
率がよいことになる。ここで、冷却壁２面で生成された
凝縮液は、一般に重力により流下して凝縮室４の下部か
ら排出されることになる。

しかし、従来、冷却壁２としてステンレス板を素地のま
ま用いていたことから、これによれば表面のぬれ性がよ
く、生成した凝縮液が壁面に付着・滞留しやすいため、
有効な冷却面積が実質的に低下し、凝縮液の生成速度が
低下するという問題がある。

本発明の目的は、原液を膜面又は壁面蒸発により黒潮処
理して濃度又は純度の高い濃縮液と凝縮液とをそれぞれ
分離回収できる構成の蒸発濃縮器を提供することにある
。

また、他の目的は、冷却伝熱壁面に付着・滞留する凝縮
液の量を低減して凝縮効率を向上できる構成の蒸発濃縮
器を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明の蒸発濃縮器は、原液
が導入される原液室と、この原液室に親水性多孔質体に
より隔離して隣設された蒸発濃縮室と、この蒸発濃縮室
に疎水性多孔質体により隔離して隣設された凝縮室と、
この凝縮室に伝熱壁を介して隣設されかつ冷媒が導入さ
れる冷媒室が順次連設されてなるものとしたのである。

また、前記親水性多孔質体と疎水性多孔質体と伝熱壁が
垂直にかつ所定の間隔を有して板状又は同心円筒状に配
設されてなるものとすることにより、濃縮液と凝縮液の
回収を容易にすることができる。

また、前記親水性多孔質体の蒸発濃縮室側の表面に沿っ
て流下される濃縮液が、当該蒸発濃縮室の下部に設けら
れる排出口に至る間において晶析を起さない条件にて運
転操作することにより、濃縮液の濃度を高く維持するこ
とにある。

他方、蒸発により発生した原液の蒸気を伝熱壁を介して
冷却凝縮する構成を有してなる蒸発濃縮器において、前
記伝熱壁の蒸気側壁面を撥水性材料を用いて形成し、凝
縮液の付着・滞留を防止するものである。

〔作用〕

このように構成された本発明の蒸発濃縮器の原液室に加
熱された原液を導入すると、原液の一部が親水性多孔質
体を通過して蒸発濃縮室側ににじみ出る。そして、その
表面において蒸発がおこり、水分などの溶液が蒸発して
原液が濃縮される。−方、蒸気は疎水性多孔質体を通過
して凝縮室に導びかれ、冷媒により冷却されている伝熱
壁に接触して凝縮される。ここで、前記蒸発濃縮室にて
生成された濃縮液は疎水性多孔質体によって遮られるの
で、凝縮室にて生成された凝縮液に混入することがない
。これにより、高濃度の濃縮液と高純度の凝縮液とを別
々に回収することができる。

また、上記の親水性多孔質体、疎水性多孔質体、伝熱壁
の各表面を垂直に設けた構成とすれば、濃縮液と凝縮液
とが重力によってその表面に沿って流下することになり
、それらの回収を容易に、かつ連続的に行なうことが可
能になる。

また、流下する濃縮液が下部の排出口に至る間で晶析を
起さない条件で操作するとすれば、濃縮液の濃度を最も
高く維持して連続操作を行なえる。

また、伝熱壁表面にて凝縮した蒸気の液滴は、その壁表
面が撥水性を有するために円滑に壁面を流下することに
なる。これにより壁面に常に付着している凝縮液の量が
低減するので、凝縮効率が向上することになる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図に本発明の膜蒸発濃縮器の一実施例の概念構成図
を示す。図は縦断面図を示しており、膜蒸発濃縮器１０
は原液室１１、蒸発濃縮室１２、凝縮室１３、冷媒室１
４の４室構成となっている。

原液室１１と蒸発濃縮室１２間は親水性の多孔質体から
なる親水性膜１５により仕切られ、蒸発濃縮室１２と凝
縮室１３間は疎水性の多孔質体からなる疎水性膜１６に
より仕切られ、凝縮室１３と冷媒室１４間はステンレス
板等の伝熱性材料からなる伝熱壁１７により仕切られて
いる。

原液室１１には下部の流入口１８を介して高温（例えば
６０℃）に加熱された被処理液が導入され、上部の排出
口１９から排出されるようになっている。蒸発濃縮室１
２と凝縮室１３の上部には外部（例えば大気）に連通さ
せる開口２０．２２がそれぞれ設けられ、また下部には
それぞれ濃縮液と凝縮液の排出口２１．２３が設けられ
ている。

冷媒室１４には下部の流入口２４から冷却水などの冷媒
が導入され、上部の排出口２５から排出されるようにな
っている。

親水性膜１５は原液を通過させる多孔質の材料を用いて
形成されたものであればよく、第１図において全面を多
孔質の親水性膜１５とする他、上部近傍のみとしてもよ
い。また、透水性の程度は原液の性状、圧力、温度など
の条件に依るが、透過した原液が当該膜１５の蒸発濃縮
室１２側に濡れ壁を形成させ得る機能のものとする。な
お、親水性膜１５に代えて壁状体でもよく、また親水性
多孔質体は具体的には、親水性の小孔を有する隔壁、焼
結金属の多孔質体、セラミック多孔質体、親水性のプラ
スチック製多孔質体などを適用することができる。孔径
としては、例えば０．１〜０．３μＩのものが選択され
る。

疎水性膜１６は周知の疎水性多孔質体から形成したもの
の他、上記と同様のセラミック多孔質体などを適用でき
る。要は多孔質体の臨界表面張力と液体の表面張力の作
用により、液体の通過を阻止し、蒸気を通過させるもの
であればよい。

第２図に第１図の蒸発濃縮器１０を用いてなる蒸発濃縮
装置の全体構成を示す。図示のように、原液槽３１に貯
留されている塩類などの不純物を含んだ原液は、ヒータ
３２によって所定の温度（例えば６０℃）に加熱保持さ
れている。この原液はポンプ３３により循環系統３４を
介して原液室１１に循環供給される。

冷媒としての冷却水は冷却水槽３５に貯蔵されており、
冷却器３６により所定の低温（例えば１０℃）に冷却保
持されている。この冷却水はポンプ３７により循環系統
３８を介して、冷媒室１４に循環供給される。

蒸発濃縮室１２の排出口２１は濃縮液回収系３９に接続
され、凝縮室１３の排出口２３は凝縮液回収系４０に接
続されている。

このように構成される実施例の動作について次に説明す
る。

ポンプ３３と３７を駆動し、それぞれ所定温度に調整さ
れた原液と冷却水を、それぞれ原液室１１と冷媒室１４
に循環させる。原液室１１に供給された原液は、大部分
が再び原液槽３１に戻されるが、一部が親水性膜１５の
孔を通過して蒸発濃縮室１２側ににじみ出る。蒸発濃縮
室１２側ににじみ出た原液は、その膜面を流下しながら
蒸発し、その濃度が高くなって下部の排出口２１に達す
る。

すなわち、濃縮液回収系３９に回収される液は、原液よ
りも塩分濃度が十分に高い濃縮液とすることができる。

このときの運転操作条件を、濃縮液が排出口２１に至る
間で晶析を起こさない条件で操作することにより、濃縮
液の濃度を最も高くできる。

一方、親水性膜１５面で発生した蒸気は疎水性膜１６を
通過して凝縮室１３に入り、伝熱壁１７に達してその表
面で凝縮される。この凝縮液は壁面を流下して排出口２
３に至り、凝縮液回収系４０に回収される。すなわち、
塩類等を含む原液中の水分が純度の高い純水となって回
収される。

ここで、第１図、第２図実施例を用いて濃縮処理した実
測データについて示す。親水性膜１５はセルロースアセ
テート製の多孔質膵を用い、その膜面積は１５０ｄとし
た。疎水性膜１６にはポリテトラフロルエチレン製の多
孔ｌｆｔ５を用い、伝熱壁１７にはステンレス板を用い
た。また、親水性膜１５と疎水性膜１６と伝熱壁１７と
の相互間隔は１〜５ｍに設定する。原液には２０　ｗ　
２％のＮ　ａ　２　Ｓ　Ｏ４溶液を用い、ヒータ３２で
６０℃に加温して循環した。一方、冷却水は冷却器３６
で１０℃に冷却して循環した。

このような条件で操作した際の結果を第３図と第４図に
示す、第３図（ａ）、（ｂ）は、蒸発濃縮室１２から回
収された濃縮液の濃度（Ｎ　ａ　２　Ｓ　Ｏ４）と、凝
縮室１３から回収された凝縮液の導電率の時間変化を示
している。また、第４図は蒸発濃縮室１２と凝縮室１３
からそれぞれ流出する濃縮液と凝縮液の流出速度の時間
変化を示している。第３図から判るように、蒸発濃縮室
１２からは原液（Ｎ　ａ　２　Ｓ　Ｏ４濃度２０ｗｔ％
）よりも濃縮された濃縮液（Ｎ　ａ　２Ｓ　Ｏ４１１度
２４ｗｔ％）が得られ、同時にまた凝縮室１３からは導
電率１．４〜４．８μＳ／（！ｌと純度の高い凝縮液が
得られた。

なお、第１図実施例では平膜を用いて蒸発濃縮器１０を
構成したが、管状膜を用い同心円筒状に蒸発濃縮器１０
を構成しても、同一の機能が得られる。また、第１図の
構成を１ユニツトとして、このユニットを多数並列に組
合せた構成としてもよい。

上記した第１図、第２図実施例では、伝熱壁１７として
ステンレス板を素地のまま用いたものとして説明したが
、この場合には前述したように、凝縮液が伝熱壁１７に
付着・滞溜しやすい、伝熱壁１７に滞溜した液は、冷却
壁の蒸気との接触面近傍の温度を上昇させるため、蒸発
の駆動源として作用する蒸発面と凝縮部の温度差を小さ
くし、蒸気の膜透過速度すなわち凝縮液の生成速度を低
下させる原因となる。この点を改良した他の本発明の一
実施例を第６図を参照して説明する。

第６図は第１図又は第５図に示した伝熱壁１７又は２に
対応する伝熱壁４５を中心とした縦断面図である。図示
のように、伝熱壁４５はステンレス板等の伝熱性を有す
る金属板４５ａの表面（凝縮室４又は１３側）に撥水性
の膜体４５ｂが密着された構成とされている。

撥水性の材料としてはポリテトラフルオロエチレン樹脂
のようなフッ素系樹脂、シリコーン樹脂、ポリプロピレ
ン樹脂等のできるだけ臨界表面張力の小さい材料が好適
である。また、撥水性の膜体４６ｂの金属板４５ａへの
密着方法は、■液体状撥水性材料を金属板４５ａに噴霧
コーティングする方法、■フィルム状撥水性材料を金属
板４５ａに接着する方法、■金属板４５ａの面上でモノ
マーの重合により撥水性ポリマーを形成する方法、及び
■撥水性材料を金属板４５ａ上に蒸着、焼付する方法な
どがある。

このように構成された伝熱壁４５を第５図従来例の蒸発
濃縮器に適用してなる蒸発濃縮装置の全体構成図を第７
図に示す。図中第２図又は第５図と同一構成・機能の部
品には同一符号を付して説明を省略する。なお、第６図
実施例を第１図実施例にそのまま適用でき、かつ以下に
述べる同一の作用を奏することは言うまでもない。

このように構成してなる実施例の動作について説明する
。第２図実施例の場合と同様に加熱した原液と低温の冷
却水をそれぞれ原液室３と冷媒室５に循環する。原液室
３に導入された原液は、その組成と温度に対応して疎水
性膜１にて水蒸気を発生する。この蒸気は原液室３と伝
熱壁４５の温度差を駆動源として、疎水性膜１を通過し
て蒸発凝縮室４に入る。この水蒸気は伝熱壁４５の膜体
４５ｂに接触して凝縮液となり、膜面を重力により流下
して排出される。この際、膜体４５ｂは撥水性の材料で
形成されていることから、第６図に示したように凝縮液
滴４６がその表面に付着しにくく、速やかに排出口に流
下される。したがって伝熱面への付着是を従来に比して
低減できることから、原液と伝熱壁４５との温度差を大
きく保つことができ、蒸気の透過速度すなわち凝縮液の
生成速度を増大できる。

ここで、第７図の実施例を用いて濃縮処理した実測デー
タについて示す。疎水性膜１としてポリテトラフロルエ
チレン製の多孔質膜を用い、その膜面積は１５０ｄとし
た。また、伝熱壁４５として液状のポリテトラフロルエ
チレンをステンレス板にスプレーコーティングしたもの
を用いた。原液と冷媒の条件は第２図の例と同じにした
。この結果を第８図に従来例と対比して示す。同図の黒
塗り丸印は本実施例のデータであり、白抜き丸印は従来
例のデータである。同図から明らかなように、本実施例
に係る蒸気の透過速度は、従来のものに比較して、全体
的に大きな値を示しており、とくに蒸気圧差が大きい所
で蒸気透過速度への効果が大きいことがわかる。ここに
、蒸気圧差とは原水と冷媒との温度における原液の蒸気
圧の差をいう。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、以下の効果を奏
する。

原液室と蒸発濃縮室を親水性多孔質体により仕切り、こ
の蒸発濃縮室と凝縮室とを疎水性多孔質体により仕切っ
た構成としていることから、原液の濃縮液と凝縮液はそ
れぞれ蒸発濃縮室と凝縮室に分離することができ、かつ
濃度、純度を高いものとすることができる。

また、上記の各多孔質体と伝熱壁を垂直かつ板状又は同
心円筒状に配置することにより、濃縮液と凝縮液の回収
を円滑に行なうことができる。

また、濃縮操作を濃縮液が晶析しない条件で行なうこと
により、濃縮度を最も高くできる。

他方、凝縮室の冷却伝熱面を撥水性材料を用いて形成し
たことから、冷却伝熱面に付着・滞溜する凝縮液の址を
低減して、凝縮速度・効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一実施例の蒸発濃縮器の構成図、
第２図は第１図実施例を用いた蒸発濃縮装置の全体構成
図、第３図と第４図は第２図実施例を用いた実測データ
を示す線図、第５図は従来例の蒸発濃縮器の構成図、第
６図は他の発明に係る一実施例の要部の部分構成図、第
７図は第６図実施例を用いてなる蒸発濃縮装置の全体構
成図、第８図は第７図実施例を用いた実測データを示す
線図である。 １１・・・原液室、１２・・・蒸発濃縮室、１３・・・
凝縮室、１４・・・冷媒室、１５・・・親水性膜、１６
・・・疎水性膜、１７．４５・・・伝熱壁、４５ｂ・・
・撥水性の膜体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、原液が導入される原液室と、この原液室に親水性多
   孔質体により隔離して隣設された蒸発濃縮室と、この蒸
   発濃縮室に疎水性多孔質体により隔離して隣設された凝
   縮室と、この凝縮室に伝熱壁を介して隣設されかつ冷媒
   が導入される冷媒室が順次連設されてなる蒸発濃縮器。 ２、前記親水性多孔質体と疎水性多孔質体と伝熱壁が垂
   直にかつ所定の間隔を有して板状又は同心円筒状に配設
   されてなる請求項１記載の蒸発濃縮器。 ３、前記親水性多孔質体の蒸発濃縮室側の表面に沿って
   流下される濃縮液が、当該蒸発濃縮室の下部に設けられ
   る排出口に至る間において晶析を起さない条件にて運転
   する請求項２記載の蒸発濃縮器の操作方法。 ４、膜蒸発により発生した原液の蒸気を伝熱壁を介して
   冷却凝縮する構成を有してなる蒸発濃縮器において、前
   記伝熱壁の蒸気側壁面が撥水性材料を用いて形成された
   ことを特徴とする蒸発濃縮器。