JPH0722644B2 - 蒸発装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、化学溶液、食品廃液等の蒸発装置、特にアル
コール系蒸溜廃液の濃縮用として適した蒸発装置に関す
る。

〔従来の技術〕

第４図に現在実用化されている多重効用缶による蒸発濃
縮システムを示す。すなわち濃縮缶は、蒸発缶45と各蒸
発缶45に接続された熱交換器41A,41で構成されていて、
複数の濃縮缶が第４図に示すように直列に配置されてい
る。原液タンク46から原液が供給される第１の濃縮缶の
みを外部蒸気によって加熱し、後続する第２缶、第３缶
等は各々前段の濃縮缶より高い真空度に引かれており、
前段の蒸気エネルギーを回収して加熱する公知の方式を
示す。こゝで第１の濃縮缶の熱交換器41Aには外部から
加熱蒸気が供給されて液を加熱し、以降の濃縮缶におい
ては、前段の蒸気缶45で発生した蒸気が各蒸気缶45に接
続された次段の熱交換器41に印加される。この熱交換器
41A,41は一般にシステム効率を高めるため大面積で大き
な熱貫流率を持った図示するような外部配置の熱交換器
が使用される。また、この熱交換器41A,41に被加熱流体
を循環させるためポンプ42で吸引強制循環させている。

43は復水を吸引して真空を保つ真空ポンプ、44は被加熱
流体を後続の濃縮缶に送る送りポンプである。

この公知の多重効用缶方式と共に第５図に示す単缶蒸気
還流方式も実用化されている。すなわち、原液タンク55
からポンプ59によって送られる原液を収容する蒸発缶56
で発生した蒸気を蒸気圧縮機57で圧縮し、凝縮温度を高
めた上で、循環ポンプ52によって原液がその管内部を流
れる熱交換器51に流入させ熱交換を行なわせて濃縮を行
い、濃縮液を貯槽58へ送る方式も実用化され、公知とな
っている。

しかし、これらの方式は次のような短所を持っている。

（１） アルコール廃液等の固形物、繊維類等を含有し
ている流体を加熱する場合には、固形物等が熱交換器に
付着するため比較的短時間で熱交換器の効率が低下する
傾向がある。

（２） このため比較的短時間で熱交換器の洗浄が必要
となると共に洗浄液の処理が必要となる。

（３） 熱交換器循環ポンプ（42,52）は、吸入流体が
流体と蒸気が共存する飽和温度の状態にあり、ポンプに
よるサクションで減圧すれば直ちにポンプ吸入部で沸と
うが発生して吸入効率の急激な低下を生ずる。このよう
な減圧沸とうを避けるために、この循環ポンプは蒸発缶
底より２〜3m下に配置してヘッド圧により減圧分を償う
方法が良く使用されている。このため装置を同一平面に
配置することは困難となり、装置のパッケージ化、小形
化を阻む原因となっている。

（４） 熱交換器循環ポンプ消費動力は、加熱される流
体の粘性が増加すると急激に増加しエネルギ効率が悪化
すると共に、濃縮濃度の限界を決める最大の因子は、高
濃度流体に対するポンピング限界で決る場合が多い。

上記（３），（４）項の問題を解決するため、第６図に
示すように、蒸発缶62内に熱交換器61を配置し、流体に
流動を与えるための撹拌を行うモータ63で駆動されるア
ジテータ64を蒸発缶62内に組込んだ方式も公知である。
しかし、この方式も下記のような短所があり、第４図及
び第５図に示す方式の対策とはなり得ない。

即ち、 （ａ） 充分な伝熱面積が取ないため濃縮能力が小さ
い。

（ｂ） この方式においても、熱伝達面が汚れるという
上記の第４図及び第５図に示す方式の欠点を免れえない
ために、上記（１），（２）の問題点は依然として解決
されない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、上記「従来の技術」の欄において従来技術に
係る各方式に関連して説明した欠点を解決しようとする
ものである。

即ち、熱交換器に被加熱液に含まれる固形物、繊維類等
が付着するのを防ぎ、熱交換器の効率の低下を防ぐと共
に熱交換器の短時間での洗浄を必要としない蒸発装置を
提供しようとするものである。

また、被加熱液の熱交換器循環ポンプを省略して、小形
で消費動力の少く、かつ高粘性流体に適した蒸発装置を
提供しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、蒸発缶においては、内部が熱媒体の通路を形
成するスクリュー形のスパイラル状の熱交換器をそのス
クリュー軸が水平又は傾斜した状態で蒸発缶内に配置
し、同熱交換器の一部が蒸発缶内の被加熱液の液面下に
あるようにし、同熱交換器をスクリュー軸のまわりに駆
動装置によって回転させるようにした。

〔作用〕

本発明は次の作用を奏する。

（１） その一部が被加熱液の液面下にあるスクリュー
形をなすスパイラル状の熱交換器が回転し、液に対して
相対速度を持たせると共に、スパイラル面の持つ傾斜に
よって液に動圧を発生させ、これによって熱交換器の伝
熱面を洗浄すると共に流体を撹拌することによって熱伝
達の向上を計ることができる。

（２） スクリュー形をなすスパイラル状の熱交換器を
蒸発缶内でスクリュー軸まわりで回転させて、そのポン
ピング作用により蒸発缶内の液に強い循環流を生じさ
せ、熱伝達を向上する。

（３） スクリュー形をなすスパイラル状の熱交換器を
適当な駆動速度で回転させることにより、蒸発缶内にあ
る高粘度であっても、これを吸引送出するポンピング作
用を持たせることができる。これにより高濃度、高粘度
の液の加熱・濃縮が可能となる。

（４） スクリュー形をなすスパイラル状の熱交換器を
水平又は傾斜した状態で蒸発缶内に設置することによっ
て熱交換器及び蒸発缶の形状を横長にして、その蒸発面
積を増加させることが可能となる。

（５） スクリュー形をなすスパイラル状の熱交換器の
伝熱面の一部分が液面より下にあり値の部分は蒸発缶内
の蒸発空間に露出しており、この状態で同熱交換器が回
転することによって、熱交換器の伝熱面は被加熱液の中
と蒸発空間の間を交互に移動し、このために被加熱液が
熱交換器のスパイラル状の伝熱面上で薄膜化され、被加
熱液の薄膜蒸発が起り、伝熱性能が向上する。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図及び第２図に示す。

１はスパイラル状の熱交換器であって、スクリュー形を
なすスパイラル部材１′の内部にはスパイラル状の連続
した通路２が形成され、同スパイラル部材１′の外表面
が伝熱面を形成している。４は熱交換器の中央に設けら
れた軸であって、上記スパイラル部材１′が取付けられ
ていて、その一端部４−１には横方向に開口した複数の
熱媒体入口孔４′が、また下端部４−２には同端部を貫
通する熱媒体出口孔４が設けられている。同軸４は中
空状の構造を有し、仕切板４″によって熱媒体入口４′
に連通する熱媒体流入室３と熱媒体出口孔４に連通す
る熱媒体出口室３′とが形成される。また、上記スパイ
ラル状の通路２は、その一端部が上記熱媒体流入室３に
連通し、その他端部は上記出口室３′を介して上記熱媒
体出口孔４に連通している。

この熱交換器１は、第１図に示すように軸４のまわりに
回転可能に蒸発缶６に水平に装着され、かつ、熱交換器
１の下方の一部分が蒸発缶６の被加熱液の液面Ｌ下にお
かれている。熱交換器の端部４−1,4−２は蒸発缶６の
外部に突出している。

７は蒸発缶の上部に設けられた蒸気出口である。上記軸
４の端部４−１にはプーリ９′が取付けられていて、ベ
ルト10を介して同プーリ９′は駆動機であるモータ８の
プーリ９によって駆動されるようになっている。

５は上記熱媒体入口孔４′に対応する位置において蒸発
缶６に設けられた熱媒体入口であり、同入口５は図示し
ない熱媒体源に連絡されている。

また、蒸発缶６には、図示しない被加熱液の供給口及び
排出口が設けられていて、第１図に示す液面Ｌを有する
被加熱液が収容される。

本実施例においては、熱媒体を入口５、入口孔４′、流
入室３をへて、スパイラル状部材１′の通路２に導入す
ると共に、モータ８を起動して熱交換器１を軸４まわり
に回転させる。

熱交換器１の通路２内を流れる熱媒体は、スパイラル状
部材１′を介して蒸発缶６内の被加熱液と熱交換を行っ
て液を加熱蒸発させ、一方熱媒体が凝縮してできた復水
は軸の下端部４−２の出口孔から排出される。また、
被加熱液より蒸発した気体は、蒸気出口７から排出され
る。

スクリュー形をなすスパイラル状の熱交換器１が蒸発缶
６内の被加熱液内を回転することによって、被加熱液と
相対速度が生じ、またスパイラル面の持つ傾斜によって
被加熱液に動圧が発生する。これによって、伝熱面であ
るスパイラル状部材１′の外面を洗浄にさせると共に、
被加熱液を撹拌することによって熱伝達の向上を計るこ
とができる。

また、スクリュー形をなすスパイラル状部材１′の回転
によって生ずるポンピング作用によって、蒸発缶６内で
は被加熱液に強い循環流が生じ、全体としての熱伝達が
向上する。またこのポンピング作用によって被加熱液を
供給口から蒸発缶６に吸引しまた排出口をへて蒸発缶６
から送出することができるので、高濃度、高粘度の液の
加熱蒸発が可能である。

更に、本実施例におけるスパイラル状熱交換器１は、そ
の一部が蒸発缶６内の被加熱液の液面Ｌの下方にあっ
て、これがその軸４まわりに回転するので、その伝熱面
であるスパイラル状部材１′の外表面は被加熱液の中と
液面Ｌ上の蒸発空間の間を交互に移動する。これによ
て、被加熱液が蒸発空間にあるスパイラル状部材１′の
外表面の伝熱面上で薄膜化され、被加熱液の薄膜蒸発が
行われ、伝熱性能が向上する。

しかも、本実施例は、スパイラル状熱交換器１を水平方
向に配置しているので、蒸発缶６の高さを増大させるこ
となく、必要な伝熱面積をうることができる。

第３図に本発明の他の実施例を示す。本実施例は、上記
第１図及び第２図に示す実施例と同様の構造のスパイラ
ル状の熱交換器１が蒸発缶６内に回転できるように水平
に装着されている。モータ８は、上記の実施例と同様に
プーリ９、ベルト10、プーリ９′をへて軸４を回転させ
る。

11は原液タンクであって、加熱される原液は、原液送出
ポンプ12によって配管13を通って蒸発缶６の上部に供給
され、その液面Ｌは熱交換器１の一部分が加熱される原
液内にあるように設定されている。

蒸発缶６には、気液分離器14に連絡された蒸気出口７が
設けられ、同気液分離器14で液体を分離した蒸気は、駆
動機16で駆動される圧縮機15によって加圧され凝縮時の
蒸気温度が高められた上、配管17、入口５、入口孔
４′、流入室３を経て熱媒体としてスパイラル状熱交換
器の通路２へ流れるようになっている。

軸４の端部４−２の熱媒体の出口孔４には、復水排出
管20が接続されており、また、蒸発缶６の下部は濃縮液
送出ポンプ18をへて濃縮液タンク19に連絡されている。
更に、上記気水分離器14の下部には蒸発缶６の下部に連
絡する配管21が開口していて、同気水分離器14で分離さ
れた液を再び蒸発缶６内に戻すようになっている。

上記の構成を備えた本実施例は、機械式蒸気再圧縮方式
（Mechanical Vapor Recompression,略してMVR方式）
と呼ばれる方式に係るものである。蒸発缶６内に原液タ
ンク11から供給された被加熱液からは、蒸発缶６内でス
パイラル状熱交換器１との熱交換によって蒸気が発生
し、この蒸気を蒸気圧縮機15において加圧し凝縮時の蒸
気温度を高め、上記の配管17、入口５、入口孔４′、入
口室３を経て蒸発缶内のスパイラル状熱交換器１の通路
２に送入し、缶内液の加熱が行われる。本実施例におい
ては、蒸発缶６で気化蒸発する蒸気の熱量を回収して加
熱に再利用されるため、大巾な省エネルギーが可能とな
る。

また、スパイラル状熱交換器１は、駆動用モータ８によ
り蒸発缶６内で軸４まわりに回動するように駆動され、
蒸発缶内の液に強い内部循環流が形成される。スパイラ
ル状熱交換器１による蒸発缶内液の加熱蒸発は上記した
通りであって、蒸発缶６で発生した蒸気は上記のように
蒸気圧縮機15で圧縮され再利用される。またスパイラル
状熱交換器１での熱交換の結果生ずる復水分は、出口孔
４″をへて復水排出管20より取り出される。また、加熱
蒸発され濃縮された液は、蒸発缶６の下部から濃縮液送
出ポンプ18によって濃縮液タンク19へ排出される。

本実施例において、入力されるエネルギは蒸気圧縮機15
を駆動する駆動モータ16であり、同蒸気圧縮機15及び熱
交換器１を駆動させることで蒸発が継続される。たゞ
し、本実施例において起動時のみには、図示しない装置
によって系外より熱源が供給されるが、定常状態に達す
ると、以後は駆動機16のみで連続運転される。

本実施例においても、第１図及び第２図に示す実施例と
同様に、スクリュー形をなすスパイラル状熱交換器１の
回転によって、蒸発缶６内の液との間に相対速度が生
じ、またスパイラル面のもつ傾斜によって液に動圧が発
生することによって、伝熱面であるスパイラル状部材
１′の外面を洗浄すると共に、缶内液を撹拌することに
よって熱伝達が向上する。またスクリュー形のスパイラ
ル状熱交換器１の回転によって生ずるポンピング作用に
よって、蒸発缶６内に循環流が生じて全体としての熱伝
達が向上し、かつ高濃度、高粘度の液を吸引、送出する
ことが可能となり高濃度、高粘度の液の蒸発・濃縮を行
うことができる。

更にまた、本実施例においては、第１図及び第２図に示
す実施例と同様に、部分的に被加熱液の液面Ｌ下にある
熱交換器１を回転させることによって、被加熱液が液面
上にあるスパイラル状部材１′の外表面で薄膜化され、
その薄膜蒸発が行われ伝熱性能が向上する。

上記各実施例の熱交換器はそのスクリュー軸が水平に配
置されているが、同軸を傾斜させ熱交換器の一部が被加
熱液の液面下にあるように配置し、熱交換器の回転に伴
って被加熱液をスクリュー形をなすスパイラル状熱交換
器の液面上にある伝熱面上で薄膜状にして、薄膜蒸発を
行わせるようにしてもよい。

また、上記各実施例は単一の蒸発缶を用いたものである
が、本発明は多重効用缶等他の型式の蒸発装置に適用す
ることもできる。

〔発明の効果〕

本発明は次の効果を挙げることができる。

（１） アルコール廃液等の固形物、繊維類等を含有し
ている液に対しても、熱交換器伝熱面の表面に付着物が
生ずることを防ぎ汚れに強い熱交換器を実現することが
できる。

（２） スクリュー形のスパイラル状熱交換器を回転さ
せることにより高濃度・高粘度の液に対しても蒸発缶内
に循環流を作ることができるために、熱伝達の向上を計
ることができ、また高濃度、高粘度流体の蒸発・濃縮が
可能である。

（３） スクリュー形のスパイラル状熱交換器を水平又
は傾斜させて蒸発缶内に配置しているので、伝熱面積を
増加させるために、熱交換器を長くしても、蒸発缶の高
さの増加を抑えることができる。

（４） 部分的に被加熱液の液面下にあるスクリュー形
のスパイラル状熱交換器を回転させることによって、液
面上にある熱交換器の伝熱面に被加熱液の薄膜が形成さ
れ、被加熱液の薄膜蒸発が行われ伝熱性能が向上する。

（５） 外部循環ポンプが不要となり、サクションヘッ
ドに対する循環ポンプの配置上の制約がなく小形コンパ
クトな濃縮装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一部を断面で示す本発明の一実施例の正面図、 第２図は上記実施例に使用されるスパイラル状熱交換器
の斜視図、 第３図は一部を断面で示す本発明の他の実施例の正面
図、 第４図は従来の多重効用缶による濃縮方式の説明図、 第５図は従来の単缶蒸気還流方式による蒸発方式の説明
図、 第６図は従来の蒸発缶に熱交換器を内蔵した蒸発方式の
説明図である。 １……スパイラル状熱交換器、２……熱媒体通路 ４……軸、４′……熱媒体入口孔 ４……熱媒体出口孔、５……熱媒体入口 ６……蒸発缶、８……モータ 14……気水分離器、15……蒸気圧縮機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤岡 祐一 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎研究所内 (56)参考文献 特開 昭64−18401（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−166801（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部が熱媒体の通路を形成し水平又は傾斜
   した状態で蒸発缶内に設置されその一部分が蒸発缶の被
   加熱液の液面下にあるスクリュー形のスパイラル状の熱
   交換器及びスクリュー軸まわりに上記スパイラル状熱交
   換器を回転させる駆動装置を備えたことを特徴とする蒸
   発装置。