WO2023120101A1 - 溶液の超音波分離装置 - Google Patents

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WO2023120101A1
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mist
gas
condenser
solution
atomizer
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PCT/JP2022/044450
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一雄 松浦
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ナノミストテクノロジーズ株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D45/00—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces
    • B01D45/12—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/24—Multiple arrangement thereof
    • B04C5/26—Multiple arrangement thereof for series flow
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic separation device for a solution that converts the solution into mist by ultrasonic vibration and separates and recovers low vapor pressure components.
  • a device has been developed that converts a solution into mist by ultrasonic vibration, collects this mist, and separates low vapor pressure components from the solution (see Patent Document 1).
  • the ultrasonic separation device of Patent Document 1 ultrasonically vibrates alcoholic water to generate mist, which is recovered to recover high-concentration alcohol. Since the mist generated by ultrasonic vibration has a higher alcohol concentration than the solution, it can be recovered to recover high-concentration alcohol, which is a low vapor pressure component.
  • the mist mixed gas of the mist generated by the ultrasonic vibration and the carrier gas is recovered by the condenser. Since the condenser cools and recovers the mist mixed gas, the alcohol vaporized in the carrier gas can be liquefied, condensed and recovered.
  • ultrasonic separator cools the mist mixed gas and recovers the mist, it is possible to condense and recover the low vapor pressure component such as alcohol contained in the mist mixed gas by vaporization.
  • Ultrasonic separation equipment can separate low vapor pressure components with less energy consumption than equipment that boils a solution to separate alcohol and solvent, but it can recover high concentration low vapor pressure components more efficiently. requested.
  • the present invention has been developed for the purpose of further improving the separation efficiency to recover high-concentration low-vapor-pressure components.
  • An object of the present invention is to provide an ultrasonic separation device for a solution that can efficiently recover from a solution, improve separation efficiency, and reduce energy consumption.
  • An apparatus for ultrasonically separating a solution includes an atomizer that ultrasonically vibrates a solution to form a mist and mixes it with a carrier gas to form a mist mixed gas, and a mist mixed gas that flows in from the atomizer. is cooled to liquefy and recover the low vapor pressure component.
  • the collector includes a condenser that cools the mist mixture and a cooling mechanism for the condenser.
  • the condenser is a gas-to-gas heat exchanger
  • the cooling mechanism has a cooling blower mechanism that supplies outside air to the condenser's gas-to-gas heat exchanger, and the outside air is supplied from the cooling blower mechanism to the condenser's gas-to-gas heat exchanger. is supplied, and the condenser liquefies and recovers the low vapor pressure component of the mist gas mixture.
  • the ultrasonic separator described above has the advantage of being able to more efficiently recover high-concentration, low-vapor-pressure components from solutions, improve separation efficiency, and reduce energy consumption.
  • the atomizer can ultrasonically vibrate a solution to mix mist with a carrier gas to form a mist-mixed gas, and separate the mist from the mist-mixed gas to separate the low-vapor-pressure component.
  • the collector can cool the condenser with a cooling mechanism to efficiently cool the mist mixed gas, thereby efficiently liquefying and recovering the low vapor pressure component of the vaporized component.
  • the collector cools the mist mixed gas to liquefy and collect the vaporized low vapor pressure component in a supersaturated state, thereby efficiently separating the low vapor pressure component.
  • the condenser is cooled by a simple structure cooling mechanism that uses outside air to efficiently cool the mist mixture gas. Therefore, low vapor pressure components can be efficiently recovered.
  • a cooling mechanism with a simple structure that utilizes outside air, equipment costs and running costs can be reduced.
  • Another embodiment of the ultrasonic separation apparatus for a solution of the present invention includes a mist cooler in which a cooling air blowing mechanism supplies mist to the outside air and cools the outside air with the heat of vaporization of the mist to make cooling air, and a mist cooler and a blower for blowing the cooling air cooled in the condenser to the gas-to-gas heat exchanger of the condenser.
  • the above ultrasonic separator effectively cools the mist mixed gas by blowing the outside air cooled by the vaporization heat of the mist as cooling air to the gas-gas heat exchanger of the condenser to remove the low vapor pressure component. can be collected more efficiently.
  • the temperature of the mist mixed gas discharged from the atomizer is 50° C. or more, and the temperature difference between the inflow side and the discharge side of the condenser is 10° C. or more. be.
  • the above ultrasonic separator can easily create a temperature difference between the inflow side and the discharge side of the condenser by raising the temperature of the mist mixed gas discharged from the atomizer to a high temperature of 50°C or higher.
  • a large difference in the amount of saturated water vapor due to a high temperature difference zone can be utilized, and high-concentration low-vapor-pressure components can be recovered from the solution more efficiently, thereby improving the separation efficiency.
  • the low vapor pressure component of the vaporized component can be efficiently liquefied and recovered.
  • the temperature of the mist mixed gas discharged from the atomizer is 55°C or higher.
  • the ultrasonic separation device described above makes it easier to create a temperature difference between the inflow side and the discharge side of the condenser by raising the temperature of the mist mixed gas discharged from the atomizer to a higher temperature of 55°C or higher.
  • a large difference in the amount of saturated water vapor due to a higher temperature difference zone can be used, and high-concentration low-vapor-pressure components can be recovered from the solution more efficiently, thereby further improving the separation efficiency.
  • Another embodiment of the ultrasonic separation apparatus for a solution of the present invention further comprises a circulation path for circulating the carrier gas discharged from the collector to the atomizer, and the circulation path includes the carrier gas from the collector to the atomizer.
  • a pre-heat exchanger consisting of a gas-to-air heat exchanger that cools the mist mixed gas discharged from the atomizer and circulates it to the collector is connected with the carrier gas circulated to the pre-heat exchanger. The mist mixed gas is supplied to the collector.
  • the above ultrasonic separator cools the mist mixed gas discharged from the atomizer with the carrier gas discharged from the collector, and liquefies and collects the low vapor pressure component of the mist mixed gas. Cost can be reduced.
  • a solution ultrasonic separation apparatus comprises a gas-liquid separator in which a collector is connected to the discharge side of a condenser.
  • the above ultrasonic separator can recover low vapor pressure components in both the condenser and the gas-liquid separator.
  • the condenser efficiently cools the mist mixed gas and efficiently liquefies and recovers the low-vapor-pressure component of the vaporized component. Since it can be efficiently recovered by the gas-liquid separator connected to , the low vapor pressure component can be recovered extremely efficiently from the solution. Furthermore, since the fine mist can be recovered as mist by the gas-liquid separator, the condenser can be designed considering only the cooling efficiency of the mist-mixed gas without considering the recovery efficiency of the fine mist.
  • the mist mixed gas efficiently cooled by the condenser has a lower temperature and can efficiently liquefy the low vapor pressure component of the vaporized component. Further, since the gas-liquid separator is not intended to cool the mixed mist gas, the fine mist can be efficiently recovered by considering only the recovery efficiency.
  • the gas-liquid separator is a cyclone.
  • the above ultrasonic separator can efficiently recover low-vapor-pressure components with a cyclone gas-liquid separator with a simple structure.
  • Another embodiment of the ultrasonic separation apparatus for a solution of the present invention further comprises a circulation path for circulating the mist mixture gas discharged from the atomizer to the collector, the circulation path connecting the atomizer and the condenser.
  • a classifier for classifying and separating large-sized mist from the mist mixture gas discharged from the atomizer is connected between them.
  • a classifier is connected between the atomizer and the condenser to classify and remove large mist with low concentration of low vapor pressure components from the mist mixture gas, thereby recovering It is possible to increase the concentration of the low vapor pressure component to be used. This is because the classifier classifies the large mist contained in the mist mixed gas and returns it to the atomizer, and the mist mixed gas containing fine mist is supplied to the collector, so that the liquid with high concentration of low vapor pressure components can be recovered. be.
  • Another embodiment of the ultrasonic separation apparatus for a solution of the present invention is equipped with a gas-liquid separator in which the collector is connected to the discharge side of the condenser, the gas-liquid separator is a cyclone, and the classifier is a classifier.
  • the cyclone has an outer diameter larger than that of the gas-liquid separator cyclone connected to the discharge side of the condenser.
  • the outer diameter of the classifying cyclone different from the outer diameter of the cyclone of the gas-liquid separator, it is possible to process according to the mist particle size.
  • the outer diameter of the cyclone By increasing the outer diameter of the cyclone, the large mist contained in the mist mixed gas is classified and returned to the atomizer, and the mist mixed gas containing fine mist is supplied to the collector to collect low vapor pressure components. concentration can be increased.
  • concentration can be increased.
  • the gas-liquid separator by reducing the outer diameter of the cyclone, it is possible to efficiently collect the fine mist that has not been collected by the condenser.
  • Another embodiment of the ultrasonic separation apparatus for a solution of the present invention comprises a pre-heat exchanger for warming the carrier gas discharged from the collector with a mist gas mixture discharged from the atomizer.
  • the carrier gas heated by the heat exchanger is circulated to the atomizer.
  • the above ultrasonic separator heats the carrier gas circulating from the collector to the atomizer with the mist mixed gas discharged from the atomizer, so that the atomizer does not need to be supplied with heat energy from the outside.
  • the atomization efficiency can be further increased. It separates low-vapor-pressure components in a collector to lower the absolute humidity of the carrier gas, and further warms the carrier gas circulating to the atomizer in a pre-heat exchanger to further lower the relative humidity. This is because the carrier gas can be supplied to the atomizer while the temperature is raised by the humidity.
  • Another embodiment of the ultrasonic separator for solution of the present invention further comprises a heater for heating the solution supplied to the atomizer, and the solution heated by the heater is discharged from the collector.
  • a hot water heat exchanger is provided to heat the carrier gas, and the carrier gas discharged from the collector is heated by the hot water heat exchanger and circulated to the atomizer.
  • the solution supplied to the atomizer is heated by the heater to increase the atomization efficiency of the solution, and the heated solution is used to remove the carrier gas discharged from the collector.
  • the carrier gas can be efficiently heated and circulated to the atomizer.
  • the heated mist mixed gas can increase the vapor pressure of the low vapor pressure component and increase the mass content of the vaporized low vapor pressure component. Therefore, this mist mixed gas can efficiently recover the low vapor pressure component while setting the cooling temperature in the condenser high.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an atomization separation device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the water content (saturated water vapor content) per cubic meter of air.
  • the ultrasonic separation apparatus 100 of the present invention is a solution containing a low vapor pressure component such as alcohol in a solvent such as water, or salts, organic acids, carbohydrates, amino acids, fatty acids, glycerols, glycols, nucleic acids, extracts, etc.
  • a solvent such as water, or salts, organic acids, carbohydrates, amino acids, fatty acids, glycerols, glycols, nucleic acids, extracts, etc.
  • the solute of is dissolved in a solvent such as water, and the low vapor pressure component water can be separated from such as salt water.
  • the ultrasonic separation device 100 converts the solution L into mist M by ultrasonic vibration, and collects this mist M to separate a solution having a lower vapor pressure component concentration than the solution.
  • This apparatus can ultrasonically vibrate the solution with the atomizer 1 to scatter the mist M in the carrier gas to form a mist mixed gas, and separate the mist from the mist mixed gas to separate the low vapor pressure component.
  • the mist mixed gas By cooling the mist mixed gas and liquefying and recovering the vaporized low vapor pressure component in a supersaturated state, the low vapor pressure component can be efficiently separated.
  • the maximum value of the vapor pressure of the low vapor pressure component of the mist mixed gas is specified by the temperature, it cannot exist in a vaporized state in a range exceeding the maximum value. Since the vapor pressure decreases with decreasing temperature, cooling the mist mixture reduces the maximum value of the low vapor pressure component, causing the low vapor pressure component above the maximum value to liquefy.
  • the maximum vapor pressure of water is specified by the temperature, and the temperature drops as the temperature drops. The gas can be recovered by cooling to reduce the water vapor pressure and liquefy the water vapor.
  • the vapor pressure of water is specified by temperature. As the temperature of the air increases and the water vapor pressure increases, the mass of water that can be contained in the air in the form of water vapor also increases.
  • air with a temperature of 70°C can contain 197g of water vapor per cubic meter, but air with a temperature of 30°C can contain only 30g of water vapor per cubic meter. Therefore, when a mist mixture gas with a humidity of 100% is cooled from 70° C. to 30° C., 167 g of water vapor is liquefied into water. The liquefied water condenses and adheres to the surface of the condenser that cools the mist mixed gas, or can be collected as fine mist.
  • the water vapor contained in 1 cubic meter of air varies significantly with temperature as follows: 70°C...197g/ m3 65°C...160g/ m3 60°C...121g/ m3 50°C whil83g/ m3 40°C whil51g/ m3 30°C whil30g/ m3 20°C whil17g/ m3 5°C whil7g/ m3
  • the graph in Figure 2 shows the mass of water that can be contained in the state of water vapor in 1 cubic meter of air.
  • the conventional ultrasonic separator heats the solution or carrier gas to make the mist mixed gas about 50 ° C., cools this mist mixed gas to 5 ° C. in a condenser, and lowers the water vapor pressure to a low temperature.
  • the vapor pressure component is liquefied and recovered in a supersaturated state.
  • This separator liquefies and recovers about 76 g of water vapor, with the amount of water vapor that can be contained in 1 cubic meter ranging from about 83 g (50° C.) to 7 g (5° C.).
  • the supersaturated low vapor pressure component is liquefied and recovered.
  • the mist mixed gas is cooled to a low temperature of 5°C in the condenser, and the low vapor pressure component is liquefied and recovered.
  • the power consumption of the cooling mechanism increases, and the running cost also increases.
  • the high equipment cost is due to the use of a pressure-resistant heat exchanger that circulates high-pressure refrigerant in the mist mixed gas condenser, and this heat exchanger requires a chiller that circulates pressurized refrigerant. This is because
  • a conventional ultrasonic separator for recovering fresh water from salt water cools a mist mixture gas at 50°C to 5°C, and the mass of water that can be recovered in a supersaturated state of water vapor is 76 g.
  • the ultrasonic separator that cools the mixed gas to 30 ° C and collects water vapor in a supersaturated state can be contained in 1 cubic meter even though the cooling temperature of the mist mixed gas can be set from 5 ° C to 30 ° C and as high as 25 ° C.
  • the mass of steam that can be liquefied and recovered in a supersaturated state is 167g, which is more than double that of a separation device that cools to 5°C. Furthermore, even in a separation device that cools a mist mixed gas of 60°C to 30°C, the amount of water vapor that can be contained in 1 cubic meter is about 121 g (60°C) to 30 g (30°C), and the mass of water vapor that can be recovered in a supersaturated state is 91 g, and in a separation device that cools a mist mixture gas of 65 ° C.
  • the amount of water vapor that can be contained in 1 cubic meter is about 160 g (65 ° C.) to 30 g (30 ° C.), and the mass of water vapor that can be recovered is 130 g.
  • the cooling temperature can be increased to 30°C, while the recovery of water, which is a low vapor pressure component, can be increased compared to a separator cooled to 5°C.
  • the ultrasonic separation device 100 of the present invention increases the temperature at which the condenser 4 cools the mist mixed gas, and the condenser 4 has a simple structure that does not require a high-pressure pressure-resistant structure, while efficiently removing the low vapor pressure component. well separated.
  • the ultrasonic separation device 100 in FIG. 1 separates the low vapor pressure component from the solution L by using outside air cooled by the heat of vaporization of the mist without using a pressure-resistant heat exchanger and chiller.
  • the ultrasonic separation device 100 in this figure includes an atomizer 1, a collector 3 that cools the mist mixed gas flowing in from the atomizer 1 and liquefies and recovers the low vapor pressure component, and the mist mixed gas ( carrier gas) to the atomizer 1 and the recovery device 3.
  • the circulation path 7 circulates the mist mixed gas discharged from the atomizer 1 to the collector 3 and further circulates the carrier gas discharged from the collector 3 to the atomizer 1 .
  • the collector 3 of the ultrasonic separator 100 shown in the figure has a condenser 4 connected to the discharge side of the atomizer 1 to cool the mist mixture gas supplied from the atomizer 1, thereby collecting low vapor pressure components. do.
  • the atomizer 1 blows a carrier gas onto the surface of the liquid column P protruding from the liquid surface by ultrasonic vibration to generate a mist mixture gas.
  • Mist M scatters.
  • the scattered mist M is dispersed in the carrier gas to form a mist mixed gas.
  • the mist M of the mist mixed gas is contained in a state in which a part thereof is vaporized and vaporized into the mist mixed gas.
  • the vaporized low vapor pressure component increases the concentration of the low vapor pressure component in the mist mixed gas.
  • the vaporized low vapor pressure component can be recovered by cooling the mist mixed gas in the condenser 4 and liquefying it. By cooling the mist mixed gas, the condenser 4 supersaturates and liquefies the low vapor pressure component contained in the gaseous state in the carrier gas. The liquefied low vapor pressure component condenses on the surface of the condenser 4 and is recovered. Furthermore, since the mist mixture is cooled by contacting the surface of the condenser 4, the area contacting the surface will be cold. Since the temperature of the mist mixed gas drops and the low vapor pressure component becomes supersaturated, the liquid low vapor pressure component liquefied in the area contacting the surface condenses on the surface of the condenser 4 and is collected. .
  • the ultrasonic separation device 100 shown in FIG. 1 collects the fine mist which is not liquefied and collected by the condenser 4 and is discharged as a carrier gas on the discharge side of the condenser 4.
  • a gas-liquid separator 6 is connected.
  • This separation device 100 recovers low vapor pressure components in both the condenser 4 and the gas-liquid separator 6 to efficiently recover the low vapor pressure components.
  • the separation device 100 can be designed by considering only the cooling efficiency of the mist mixed gas without considering the efficiency of collecting the fine mist in the condenser 4 .
  • the mist mixed gas efficiently cooled by the condenser 4 can efficiently liquefy the low vapor pressure component that has been vaporized due to a drop in temperature.
  • the condenser 4 can increase the flow velocity of the mist mixed gas to increase the cooling efficiency, but the condenser 4 that blows the mist mixed gas at high speed reduces the collection efficiency of fine mist generated by liquefaction. This is because the carrier gas blown at high speed blows off the fine mist and discharges it from the condenser 4 . Therefore, in the ultrasonic separator 100, the fine mist discharged from the condenser 4 is recovered by the gas-liquid separator 6. FIG. Since the gas-liquid separator 6 is not intended to cool the mixed mist gas, the fine mist can be efficiently recovered by a cyclone having a simple structure, taking into consideration only the recovery efficiency.
  • the ultrasonic separator 100 in which the gas-liquid separator 6 is connected to the discharge side of the condenser 4, efficiently cools the mist mixed gas in the condenser 4 to efficiently liquefy the low-vapor-pressure component of the vaporized component into mist. Further, fine mist that is not collected by the condenser 4 can be efficiently collected by a simple gas-liquid separator 6 such as the cyclone 6a, so that low vapor pressure components can be collected from the solution L very efficiently.
  • the ultrasonic separation device 100 in which the gas-liquid separator 6 is connected to the discharge side of the condenser 4 has a low vapor pressure compared to a device that recovers low vapor pressure components only with a condenser without providing a gas-liquid separator. The recovery of vapor pressure components can be improved by about 50%.
  • the ultrasonic separation device 100 of FIG. By connecting a classifier 8 that classifies and separates, the concentration of the low vapor pressure component to be recovered can be increased. Furthermore, the ultrasonic separation device 100 circulates the carrier gas from the collector 3 to the atomizer 1 through the circulation path 7, heats the carrier gas circulated from the gas-liquid separator 6 to the atomizer 1, Further, a heater 10 is provided for heating the solution L to preferably 50°C or higher, more preferably 55°C or higher, optimally 60°C to 75°C. (Atomizer 1)
  • the atomizer 1 in FIG. 1 ultrasonically vibrates the solution L to scatter the mist M in the carrier gas to form a mist mixed gas.
  • the ultrasonic atomizer 1A includes an atomization chamber 21 having a closed structure to which a solution L and a carrier gas are supplied, and a plurality of atomization chambers 21 for ultrasonically vibrating the solution L in the atomization chamber 21 to atomize it into a mist M.
  • An ultrasonic transducer 22 and an ultrasonic power supply (not shown) for supplying AC power to the ultrasonic transducer 22 are provided.
  • the atomization chamber 21 is a closed chamber in which the solution L inside is ultrasonically vibrated and atomized into the carrier gas of the carrier gas.
  • the sprayed mist M is mixed with the carrier gas to form a mist mixed gas.
  • the atomization chamber 21 keeps the liquid level of the solution L constant.
  • the liquid level is ultrasonically vibrated by the ultrasonic vibrator 22 and set to a position where the solution L can be efficiently atomized.
  • the atomization chamber 21 is connected via a pump 9a to the solution tank 9 storing the solution L, and the discharge side is connected to the solution tank 9. ing.
  • the atomization chamber 21 causes the solution L to overflow from a drain port provided on the discharge side to keep the liquid level constant, or discharges a predetermined amount of the solution L from the discharge port.
  • a liquid surface level of the solution L is detected by a level sensor, and the level sensor controls the operation of the pump 9a to maintain a constant liquid surface level.
  • the ultrasonic separator 100 shown in FIG. 1 circulates the solution L through the solution tank 9 and the atomization chamber 21 while keeping the liquid level in the atomization chamber 21 constant. 21 solute concentrations are concentrated. In this device, when the concentration of the atomization chamber 21 and the solution tank 9 reaches the set concentration, both solutions L are discharged and replaced with new solution L.
  • the atomizer 1 in FIG. 1 heats the solution L and the carrier gas and discharges the heated mist mixed gas.
  • the heated mist mixed gas can increase the vapor pressure of the low vapor pressure component and increase the mass content of the vaporized low vapor pressure component. Therefore, this mist mixture gas can be cooled at a high temperature in the condenser 4, and the low vapor pressure component can be efficiently recovered.
  • the temperature of the mist mixed gas discharged from the atomizer 1 is preferably 50°C or higher, more preferably 55°C or higher, most preferably 60°C to 70°C.
  • a pre-heat exchanger 11 and a hot water heat exchanger 12, which will be described later, are connected to the circulation path 7 of the carrier gas.
  • the solution L ultrasonically vibrated in the atomization chamber 21 protrudes from the liquid surface to generate a liquid column P, and the mist M is separated from the surface of the liquid column P and scattered into the carrier gas.
  • the ultrasonic atomizer 1A of FIG. 1 has a plurality of ultrasonic transducers 22 arranged upward at the bottom of an atomization chamber 21 filled with a solution L. As shown in FIG. Each ultrasonic oscillator 22 emits ultrasonic waves upward from the bottom toward the surface of the solution to generate a liquid column P projecting vertically from the surface of the solution.
  • the ultrasonic transducer 22 is connected to an ultrasonic power supply (not shown).
  • the ultrasonic power supply supplies alternating current power of a frequency that ultrasonically vibrates the ultrasonic transducer 22 . Since ultrasonic vibration is performed at the resonance frequency of the ultrasonic transducer 22, the ultrasonic power supply supplies AC power of, for example, several tens of kHz to several MHz, preferably 50 kHz to 1 MHz, to vibrate the ultrasonic transducer 22. (Collector 3)
  • the collector 3 cools the mist mixed gas discharged from the atomizer 1 to collect the mist and the low vapor pressure component.
  • the collector 3 in FIG. 1 includes a condenser 4 for cooling the mist mixed gas and collecting the mist, a cooling mechanism 5 for cooling the condenser 4, and fine mist from the cooled mixed gas discharged from the condenser 4. and a gas-liquid separator 6 for collecting the
  • the ultrasonic separation device 100 can efficiently recover low vapor pressure components by recovering the low vapor pressure components in both the condenser 4 and the gas-liquid separator 6 .
  • the condenser 4 in FIG. 1 is a gas-gas heat exchanger 4a that cools the mist mixed gas, and cools the mist mixed gas with outside air supplied from the cooling blower mechanism 5a. All heat exchangers capable of exchanging heat between gases can be used as the gas-gas heat exchanger 4a.
  • a gas-to-gas heat exchanger 4a of the condenser 4 is cooled by outside air.
  • the gas-gas heat exchanger 4a cooled by the outside air has a higher cooling temperature than the condenser cooled by a conventional chiller, but the temperature of the mist mixture gas discharged from the atomizer 1 is increased, Low vapor pressure components can be efficiently recovered. This is because the high-temperature mist mixed gas has a high vapor pressure of the low vapor pressure component and contains a large amount of the low vapor pressure component in a gaseous state.
  • the gas-gas heat exchanger 4a of the condenser 4 can cool the mist mixture gas with the outside air without mixing the outside air blown from the cooling blower mechanism 5a with the mist mixture gas discharged from the atomizer 1.
  • the present invention does not specify the heat exchanger for the condenser 4, since all heat exchangers can be used, e.g. plate type, elliptical tube type, corrugated tube type, etc., but FIG. 1 shows a simple structure. 2 illustrates a gas-to-gas heat exchanger 4a.
  • the condenser 4 of the gas-to-gas heat exchanger 4a shown in this figure has a plurality of cooling fins 4b arranged parallel to each other in a metal air pipe 4c and connected in a thermally coupled state. A gap for blowing a mist mixed gas is provided between them.
  • the condenser 4 recovers the mist condensed on the surface of the cooling fins 4b to recover the low vapor pressure component, and further cools the mist mixed gas passing through the blowing gap.
  • the cooled mist mixed gas is liquefied as the vaporized low vapor pressure component becomes supersaturated.
  • the liquefied liquid condenses on the surfaces of the cooling fins 4b and is recovered, but all the liquefied liquid becomes fine mist without being condensed and recovered.
  • the fine mist does not adhere to the surfaces of the cooling fins 4b and is discharged together with the blown carrier gas and supplied to the gas-liquid separator 6.
  • the condenser 4 thus discharges a cooled carrier gas containing fine mist, ie a cooled mixture of mist contained in the cooled carrier gas. (Cooling mechanism 5)
  • the cooling mechanism 5 includes a cooling blower mechanism 5a that supplies outside air to cool the condenser 4.
  • the cooling blower mechanism 5a cools the condenser 4 by blowing outside air.
  • the cooling air blowing mechanism 5a preferably cools the outside air with the heat of vaporization of the mist and supplies it to the condenser 4 as cooling air. Since the cooling air blowing mechanism 5a can lower the temperature of the outside air blown to the condenser 4, the condenser 4 can efficiently recover the low vapor pressure component.
  • the cooling blower mechanism 5a preferably supplies outside air of 10° C. to 35° C. to the condenser 4. As shown in FIG.
  • the heat of vaporization of the mist is used to cool the outside air and supply it to the condenser 4 as cooling air. It is supplied to the condenser 4 without cooling at .
  • the cooling blower mechanism 5a for cooling outside air with the vaporization heat of the mist includes a mist cooler 5b for cooling the outside air with the mist, and a blower 5c for blowing the outside air cooled by the mist cooler 5b to the condenser 4 as cooling air.
  • the mist cooler 5b includes a closed chamber 15a and a mist supplier 15b for supplying mist into the closed chamber 15a.
  • the sealed chamber 15a is a closed chamber for blowing external air, and brings the blown external air and mist into contact with each other, evaporating the mist with the external air, and cooling the external air with the vaporization heat of the mist to obtain cooling air.
  • the cooling blower mechanism 5a blows outside air into the sealed chamber 15a with a blower 5c, and in the sealed chamber 15a, pressurized water sent from a pressure pump 15d is sprayed from a nozzle 15c to supply mist into the sealed chamber 15a. Then, the outside air is cooled by the heat of vaporization of the sprayed mist to obtain cooling air.
  • the closed chamber 15a is connected on the discharge side to the gas-to-air heat exchanger 4a of the condenser 4, and supplies the outside air cooled in the closed chamber 15a to the gas-to-air heat exchanger 4a.
  • a gas-to-gas heat exchanger 4a of the condenser 4 cools the mist mixture and recovers the low vapor pressure components.
  • the above-described mist cooler 5b sprays pressurized water from the nozzle 15c to supply mist to the outside air, but a structure of an ultrasonic humidifier that generates mist by ultrasonically vibrating water can also be used. (Gas-liquid separator 6)
  • the gas-liquid separator 6 constitutes a part of the collector 3, is connected to the discharge side of the condenser 4, and collects the fine mist contained in the carrier gas discharged from the condenser 4.
  • the condenser 4 cools the mist mixed gas flowing from the atomizer 1 and recovers the low vapor pressure component.
  • the condenser 4 can cool the mist mixed gas to a lower temperature, lower the saturated vapor pressure of the low vapor pressure component, and increase the liquefaction amount. In order for the condenser 4 to efficiently cool the mist mixed gas, it is necessary to blow the mist mixed gas to the surface of the condenser 4 at a high flow velocity.
  • the mist mixed gas is cooled efficiently by increasing the flow velocity, the recovery amount of the low vapor pressure component decreases.
  • the present inventors investigated the cause of this problem from various angles and found that the temperature of the mist mixture gas can be lowered by increasing the flow velocity. It has been found that the low-vapor-pressure components that have formed are blown off, reducing the probability of dew condensation on the surface of the condenser 4 and reducing the mist collection efficiency. In particular, the mist generated by being cooled and liquefied by the condenser 4 is extremely small, so that the probability that the mist will flow together with the mist mixture gas, contact the surface of the condenser 4, and be collected will be reduced.
  • the mist mixed gas is cooled to a lower temperature, the low vapor pressure components are efficiently liquefied into fine mist, and the fine mist is recovered efficiently.
  • the condenser 4 in order to efficiently liquefy the low vapor pressure component into mist, it is necessary to increase the flow velocity of the mist mixed gas to increase the cooling efficiency. collection efficiency of fine mist decreases.
  • the cooling efficiency with which the condenser 4 cools the mist mixed gas and the recovery efficiency with which the mist is recovered are contradictory characteristics, and both cannot be satisfied.
  • the ultrasonic separator 100 is provided on the discharge side of the condenser 4.
  • a gas-liquid separator collects the fine mist that is not liquefied and collected by the condenser 4 and is discharged as a carrier gas as a fine mist. 6 are connected.
  • This separation device 100 recovers low vapor pressure components in both the condenser 4 and the gas-liquid separator 6 to efficiently recover the low vapor pressure components.
  • the condenser 4 can be designed considering only the cooling efficiency of the mist mixed gas without considering the efficiency of collecting the fine mist.
  • the efficiently cooled mist mixed gas can efficiently liquefy the low-vapor-pressure component that has been vaporized due to a drop in temperature.
  • the fine mist discharged from the condenser 4 can be recovered by the gas-liquid separator 6, and the gas-liquid separator 6 is not intended for cooling the mixed mist gas. Fine mist can be efficiently collected by a cyclone or the like.
  • the collector 3 can improve the collection efficiency by connecting the gas-liquid separator 6 to the discharge side of the condenser 4 to collect the fine mist discharged from the condenser 4 .
  • a cyclone 6a can preferably be used as the gas-liquid separator 6 .
  • the cyclone 6 a separates fine mist contained in the carrier gas discharged from the condenser 4 .
  • the cyclone 6a has a shape in which a cone is connected to the lower end of a cylinder, and the mist mixed gas flows into the upper part of the cylinder in a tangential direction.
  • a mist mixture entering the cylinder tangential rotates in a spiral inside the cylinder.
  • the spirally rotating mist mixture causes the mist to spiral with the carrier gas.
  • the spun mist experiences a centrifugal force radially outward from the center. Centrifugal force increases in proportion to the mass of mist. Since the mass of the mist increases in proportion to the cube of the radius of the mist, the centrifugal force of the mist increases in proportion to the cube of the radius of the mist. For this reason, even fine mist is swung outward by centrifugal force, transferred to the inner surface of the cylinder, adheres to the inner surface of the cylinder, flows down along the inner surface of the cone, and is separated from the mist mixture gas.
  • the particle size of the mist classified by the cyclone 6a can be specified by the inner shape of the cyclone 6a and the flow velocity of the mist mixed gas. This is because the centrifugal force that the mist receives within the cyclone 6a increases in proportion to the square of the velocity at which the mist flows in a circular orbit within the cyclone 6a and decreases in inverse proportion to the radius.
  • the flow velocity of the mist can be specified by the flow velocity of the mist mixed gas flowing into the cyclone 6a, and the radius of the circular orbit along which the mist flows can be specified by the inner diameter of the cylinder of the cyclone 6a.
  • the centrifugal force applied to the mist is increased. Therefore, the cyclone 6a of the gas-liquid separator 6 has a small inner diameter, so that the flow velocity of the mist-mixed gas into the cyclone 6a is increased, and finer mist can be collected. This is because the inner diameter of the cyclone 6a is small, the flow velocity of the mist is increased, and the centrifugal force applied to the mist is increased, so that finer mist adheres to the inner surface of the cylinder and is classified. (Classifier 8)
  • the mist mixed gas discharged from the atomizer 1 contains both large-particle mist and fine mist.
  • the mist of the mist mixture gas has different concentrations of the low vapor pressure components depending on the particle size, and the large mist having a large particle size has a lower concentration of the low vapor pressure components than the fine mist. Since the large mist has a low concentration of the low vapor pressure component, the concentration of the low vapor pressure component to be collected can be increased by classifying and removing the mist mixed gas.
  • a cyclone or demister can be used for the classifier 8.
  • the classifier 8 in FIG. 1 classifies the large mists without separating the fine mists from the carrier gas, returns them to the atomization chamber 21 , and transfers the mist mixed gas from which the large mists are separated to the condenser 4 .
  • the classifying cyclone 8a in the figure separates large mist and allows fine mist to pass through. It reduces the centrifugal force of the mist. Since the centrifugal force of mist is inversely proportional to the inner diameter of the cyclone, a cyclone with a large inner diameter can classify only large mist without classifying fine mist with a small centrifugal force.
  • the classifying cyclone 8a can adjust the size of the mist to be classified by the inner diameter and the flow velocity of the mist mixed gas. , the concentration of the low vapor pressure component that can be recovered by the recovery device 3 can be increased. The classification cyclone 8a can reduce the particle size of the mist to be classified and increase the concentration of the low vapor pressure component to be classified, but the amount recovered in the recovery device 3 is reduced, so the required concentration and recovery amount are considered. and set it to the optimum value.
  • the ultrasonic separation device 100 equipped with the classifier 8 classifies the large mist contained in the mist mixed gas from the atomizer 1 and returns it to the atomizer 1, and the mist mixed gas containing fine mist is sent to the collector 3. and recovers a liquid with a high concentration of low vapor pressure components.
  • the ultrasonic separation device 100 of the present invention supplies the mist mixed gas discharged from the atomizer 1 to the collector 3 without classifying the large mist from the mist mixed gas with the classifier 8 (not shown). can also be used to recover low vapor pressure components.
  • the classifier 8 uses the classifying cyclone 8a, but the classifier 8 can also use other devices capable of classifying large mist from the mist mixed gas, such as a demister in which a plurality of nets are laminated.
  • the demister adheres the classification mist to a net, recovers it from the carrier gas, and classifies it.
  • the demister can pass the fine mist through the mesh and supply it to the condenser 4 . (Pre-heat exchanger 11)
  • the ultrasonic separator 100 preferably circulates the carrier gas discharged from the gas-liquid separator 6 to the atomizer 1 and generates the circulating carrier gas by ultrasonic vibration. Atomization efficiency can be improved by blowing air to the surface of the liquid column P. Further, a pre-heat exchanger 11 is provided between the gas-liquid separator 6 and the atomizer 1, and the mist mixed gas discharged from the atomizer 1 heats the carrier gas discharged from the gas-liquid separator 6. By circulating the carrier gas heated by the pre-heat exchanger 11 to the atomizer 1, the atomization efficiency can be further improved.
  • a pre-heat exchanger 11 is provided between the atomizer 1 and the condenser 4, and the mist mixed gas supplied from the atomizer 1 is cooled by the carrier gas discharged from the gas-liquid separator 6. can be supplied to the condenser 4 to improve the atomization efficiency.
  • the pre-heat exchanger 11 absorbs the thermal energy of the mist mixed gas discharged from the atomizer 1, and heats the carrier gas circulating from the gas-liquid separator 6 to the atomizer 1.
  • Gas-gas heat exchange It is the vessel 11a.
  • the gas-gas heat exchanger 11a absorbs thermal energy from the mist mixed gas without mixing the mist mixed gas discharged from the atomizer 1 and the carrier gas flowing back to the atomizer 1, and transfers the gas. All heat exchangers that can heat gas, such as plate type, elliptical tube type, corrugated tube type heat exchangers, etc. can be used. is exemplified.
  • This gas-gas heat exchanger 11a has the same structure as the gas-gas heat exchanger 4a of the condenser 4, and has a plurality of cooling fins 11d in a metal pipe 11c for blowing the carrier gas discharged from the collector 3. Between the cooling fins 11d, which are connected in a thermally coupled state, a gap for blowing the mist mixture gas from the atomizer 1 is provided.
  • the gas-to-gas heat exchanger 11a of the pre-heat exchanger 11 blows the low-temperature carrier gas, which is cooled by the condenser 4 and circulated from the collector 3 to the atomizer 1, to the metal pipe 11c. and cooling fins 11d on the surface. Cools the heated mist mixed gas discharged from the atomizer 1, which is blown to the surface of the cooled metal pipe 11c and the cooling fins 11d. This is because the heated mist mixed gas is cooled by coming into contact with the surface of the cooling fins 11d.
  • the mist mixed gas discharged from the pre-heat exchanger 11 is supplied to the condenser 4 .
  • the pre-heat exchanger 11 cools the heated mist mixed gas discharged from the atomizer 1 before the condenser 4, the low vapor pressure components condense on the surfaces of the cooling fins 11d and the metal pipes 11c. Sometimes. Since the condensed liquid has a high concentration of low vapor pressure components, it is recovered in the recovery tank 30 .
  • the mist mixed gas discharged from the atomizer 1 is heated to, for example, 50.degree. C. to 70.degree.
  • the carrier gas discharged from the collector 3 is cooled by the condenser 4 and passes through the gas-liquid separator 6, so that it is cooled to a low temperature of 25°C to 35°C, for example.
  • the gas-gas heat exchanger 11 a of the pre-heat exchanger 11 converts the carrier gas discharged from the gas-liquid separator 6 at 25° C. to 35° C. into the mist mixed gas discharged from the atomizer 1 at 40° C. to 50° C. It is heated to °C and circulated to the atomizer 1.
  • the gas-gas heat exchanger 11a of the pre-heat exchanger 11 converts the mist mixture gas discharged from the atomizer 1 at 50°C to 70°C to 30°C with the carrier gas discharged from the gas-liquid separator 6. It is cooled to ⁇ 45°C and fed to condenser 4 of collector 3 .
  • the gas-gas heat exchanger 11a raises the temperature of the carrier gas supplied to the atomizer 1 to improve the atomization efficiency, and lowers the temperature of the carrier gas supplied to the condenser 4 to increase the gas in the condenser 4.
  • the recovery efficiency can be improved by liquefying low-vapor-pressure components.
  • the gas-gas heat exchanger 11a absorbs the heat energy of the mist mixed gas discharged from the atomizer 1 and supplies it to the carrier gas supplied to the atomizer 1, so that heat energy can be supplied from the outside. Both the atomization efficiency and the collection efficiency can be improved without forcibly absorbing thermal energy. (warmer 10)
  • the ultrasonic separation device 100 shown in FIG. 1 includes a heater 10 that heats the solution L supplied to the atomizer 1 .
  • the solution temperature in the atomization chamber 21 affects the efficiency of atomizing the solution L.
  • the atomization efficiency can be increased by setting the temperature of the solution L as the set temperature.
  • the ultrasonic separator 100 of FIG. 1 is provided with a hot water tank 10a as a heater 10 for the solution L to be supplied to the atomizer 1.
  • the hot water tank 10a includes a heater 10b for heating the solution L to a set temperature.
  • the hot water tank 10a can also heat the solution L with an electric heater or a heating medium such as heating steam or hot water.
  • the hot water tank 10a heats the temperature of the solution L to, for example, 50° C. or higher, preferably 60° C. or higher. If the temperature for heating the solution L is increased, the energy consumption increases.
  • the hot water tank 10a is provided on the inflow side of the solution L of the atomizer 1, but it can also be provided on the discharge side of the solution L of the atomizer 1, or the like.
  • the temperature of the solution is raised in the hot water tank 10a to increase the atomization efficiency. A mist mixture can also be generated. (Hot water heat exchanger 12)
  • the hot water heat exchanger 12 shown in the figure is a liquid-gas heat exchanger 12a for heating the carrier gas circulated to the atomizer 1, and is provided with a circulation pipe 12c having radiation fins 12b on its surface.
  • the circulation pipe 12c connects the inflow side to the atomization chamber 21 and the discharge side to the hot water tank 10a to circulate the heated solution L supplied from the atomization chamber 21 to the hot water tank 10a.
  • the hot water heat exchanger 12 blows the carrier gas circulated from the gas-liquid separator 6 to the atomizer 1 to the radiating fins 12b on the surface of the circulation pipe 12c, and heats the carrier gas with the heated solution L. .
  • FIG. 1 shows that the mist mixed gas discharged from the atomizer 1 is divided into the following steps: atomizer 1 ⁇ classifier 8 ⁇ pre-heat exchanger 11 ⁇ condenser 4 ⁇ gas-liquid separator 6 ⁇ pre-heat exchanger 11 ⁇ hot water heat.
  • a preferable temperature range is illustrated in a state of circulation from the exchanger 12 to the atomizer 1 .
  • the atomizer 1 supplies the solution L to the classifier 8 as a mist mixed gas by ultrasonic vibration.
  • the mist mixed gas discharged from the classifier 8 after the large mist is classified flows into the pre-heat exchanger 11 at a temperature of 50.degree. C. to 70.degree.
  • the pre-heat exchanger 11 cools the mist mixed gas discharged from the atomizer 1 with the carrier gas of 25° C. to 35° C. discharged from the gas-liquid separator 6 to produce a mist mixed gas of 30° C. to 45° C.
  • Condenser 4 is supplied.
  • the condenser 4 cools the mist mixed gas to liquefy the vaporized low vapor pressure component, cools it to 25° C. to 35° C., and discharges it.
  • the cooled mist mixed gas passes through the gas-liquid separator 6, is heated to 40° C. to 50° C. in the pre-heat exchanger 11, flows into the hot water heat exchanger 12, and is heated to 50° C. in the hot water heat exchanger 12.
  • the solution L is heated to 50° C. to 75° C. in the hot water tank 10a and supplied to the hot water heat exchanger 12 via the atomizer 1 to heat the carrier gas circulated through the atomizer 1. It is heated and circulated to the hot water tank 10a.
  • the above ultrasonic separator can be optimally used for efficiently recovering low vapor pressure components from a solution while reducing equipment costs.

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Abstract

設備コストを低減しながら、溶液から低蒸気圧成分を効率よく回収する溶液の超音波分離装置を提供することにある。 超音波分離装置１００は、溶液Ｌを超音波振動させてミストＭとし、搬送気体に混合してミスト混合気体とする霧化機１と、霧化機１から流入されるミスト混合気体を冷却して、低蒸気圧成分を液化して回収する回収器３とを備え、回収器３は、ミスト混合気体を冷却する凝縮器４と、凝縮器４の冷却機構５とを備え、凝縮器４は気体－気体熱交換器４ａで、冷却機構５は、凝縮器４の気体－気体熱交換器４ａに外気を供給する冷却送風機構５ａを備え、冷却送風機構５ａから凝縮器４の気体－気体熱交換器４ａに外気を供給して、凝縮器４がミスト混合気体の低蒸気圧成分を液化して回収する。

Description

溶液の超音波分離装置
　本発明は、溶液を超音波振動でミストとして低蒸気圧成分を分離して回収する溶液の超音波分離装置に関する。
　溶液を超音波振動でミストとし、このミストを回収して溶液から低蒸気圧成分を分離する装置は開発されている（特許文献１参照）。特許文献１の超音波分離装置は、アルコール水を超音波振動させてミストを発生させ、このミストを回収して高濃度のアルコールを回収する。超音波振動で発生するミストは、アルコール濃度が溶液よりも高くなるので、これを回収して、低蒸気圧成分である高濃度のアルコールを回収できる。以上の超音波分離装置は、超音波振動で発生するミストと搬送気体とのミスト混合気体を凝縮器で回収する。凝縮器は、ミスト混合気体を冷却して回収するので、搬送気体中に気化しているアルコールを液化し、凝縮させて回収できる。
特開２０１８－６４５１４号公報
　以上の超音波分離装置は、ミスト混合気体を冷却してミストを回収するので、ミスト混合気体中に気化して含有される低蒸気圧成分のアルコール等を凝縮して回収できる。超音波分離装置は、溶液を沸騰してアルコールや溶媒を分離する装置に比較して少ない消費エネルギーで低蒸気圧成分を分離できるが、より効率よく高濃度の低蒸気圧成分を回収することが要求される。
　本発明は、さらに分離効率を向上して高濃度の低蒸気圧成分を回収することを目的として開発されたもので、本発明の目的は、設備コストを低減しながら、低蒸気圧成分を溶液からより効率よく回収して、分離効率を向上して消費エネルギーを低減できる溶液の超音波分離装置を提供することにある。
課題を解決するための手段及び発明の効果
　本発明の一実施態様の溶液の超音波分離装置は、溶液を超音波振動させてミストとし搬送気体に混合してミスト混合気体とする霧化機と、霧化機から流入されるミスト混合気体を冷却して、低蒸気圧成分を液化して回収する回収器とを備えている。回収器は、ミスト混合気体を冷却する凝縮器と、凝縮器の冷却機構とを備えている。凝縮器は気体－気体熱交換器で、冷却機構は、凝縮器の気体－気体熱交換器に外気を供給する冷却送風機構を備え、冷却送風機構から凝縮器の気体－気体熱交換器に外気を供給して、凝縮器がミスト混合気体の低蒸気圧成分を液化して回収している。
　以上の超音波分離装置は、高濃度の低蒸気圧成分を溶液からより効率よく回収して、分離効率を向上して消費エネルギーを低減できる特長がある。霧化機は、溶液を超音波振動して搬送気体中にミストを混合してミスト混合気体とし、このミスト混合気体からミストを分離して低蒸気圧成分を分離できる。回収器は、冷却機構で凝縮器を冷却してミスト混合気体を効率よく冷却して気化成分の低蒸気圧成分を効率よく液化して回収できる。回収器は、ミスト混合気体を冷却して、気化した低蒸気圧成分を過飽和な状態で液化して回収することで、低蒸気圧成分を効率よく分離できるからである。とくに、耐圧構造の熱交換器と加圧された冷媒を循環するチラーを使用することなく、外気を利用する簡単な構造の冷却機構で凝縮器を冷却して、ミスト混合気体を効率よく冷却して、低蒸気圧成分を効率よく回収できる。このように、外気を利用する簡単な構造の冷却機構を使用することで、設備コスト及びランニングコストを低減できる。
　本発明の他の実施態様の溶液の超音波分離装置は、冷却送風機構が、外気にミストを供給してミストの気化熱で外気を冷却して冷却空気とするミスト冷却器と、ミスト冷却器で冷却された冷却空気を凝縮器の気体－気体熱交換器に送風する送風機とを備えている。
　以上の超音波分離装置は、ミストの気化熱で冷却した外気を冷却空気として凝縮器の気体－気体熱交換器に送風することで、ミスト混合気体を効果的に冷却して低蒸気圧成分をより効率よく回収できる。
　本発明の他の実施態様の溶液の超音波分離装置は、霧化機から排出されるミスト混合気体の温度が５０℃以上で、凝縮器の流入側と排出側の温度差が１０℃以上である。
　以上の超音波分離装置は、霧化機から排出されるミスト混合気体の温度を５０℃以上の高温にすることで、凝縮器の流入側と排出側の温度差を作出し易くできる。とくに、外気を利用する簡単な構造の冷却機構を使用しながら、凝縮器の流入側と排出側の温度差を容易に作出できる。また、高い温度差帯による大きな飽和水蒸気量の差を利用でき、高濃度の低蒸気圧成分を溶液からより効率よく回収して、分離効率を向上できる。また、凝縮器の流入側と排出側の温度差を１０℃以上と大きくすることで、気化成分の低蒸気圧成分を効率よく液化して回収できる。
　本発明の他の実施態様の溶液の超音波分離装置は、霧化機から排出されるミスト混合気体の温度が５５℃以上である。
　以上の超音波分離装置は、霧化機から排出されるミスト混合気体の温度を５５℃以上とさらに高温にすることで、凝縮器の流入側と排出側の温度差をより作出し易くできる。とくに、外気を利用する簡単な構造の冷却機構を使用しながら、凝縮器の流入側と排出側の温度差を容易に作出できる。また、より高い温度差帯による大きな飽和水蒸気量の差を利用でき、高濃度の低蒸気圧成分を溶液からより効率よく回収して、分離効率をさらに向上できる。
　本発明の他の実施態様の溶液の超音波分離装置は、さらに、回収器から排出される搬送気体を霧化機に循環する循環路を備えており、循環路に、回収器から霧化機に循環される搬送気体で、霧化機から排出されるミスト混合気体を冷却して回収器に循環させる気体－気体熱交換器からなるプリ熱交換器を連結して、プリ熱交換器で冷却されたミスト混合気体を回収器に供給している。
　以上の超音波分離装置は、回収器から排出される搬送気体で、霧化機から排出されるミスト混合気体を冷却して、ミスト混合気体の低蒸気圧成分を液化して回収するので、ランニングコストを低減できる。
　本発明の他の実施態様の溶液の超音波分離装置は、回収器が、凝縮器の排出側に連結してなる気液分離器を備える。
　以上の超音波分離装置は、凝縮器と気液分離器の両方で低蒸気圧成分を回収できる。以上の分離装置は、凝縮器がミスト混合気体を効率よく冷却して気化成分の低蒸気圧成分を効率よく液化して回収でき、さらに凝縮器で回収されなかったミストを、凝縮器の排出側に連結された気液分離器で効率よく回収できるので、溶液から極めて効率よく低蒸気圧成分を回収できる。さらに、微細ミストを気液分離器でミストとして回収できるため、凝縮器は微細ミストの回収効率を考慮することなく、ミスト混合気体の冷却効率のみを考慮して設計できる。凝縮器で効率よく冷却されたミスト混合気体は、温度が低下して気化成分の低蒸気圧成分を効率よく液化できる。また、気液分離器は、ミスト混合気体の冷却を目的としないので、回収効率のみを考慮して微細ミストを効率よく回収できる。
　本発明の他の実施態様の溶液の超音波分離装置は、気液分離器がサイクロンである。
　以上の超音波分離装置は、簡単な構造のサイクロンの気液分離器で効率よく低蒸気圧成分を回収できる。
　本発明の他の実施態様の溶液の超音波分離装置は、さらに、霧化機から排出されるミスト混合気体を回収器に循環する循環路を備え、循環路が、霧化機と凝縮器との間に、霧化機から排出されるミスト混合気体から大粒ミストを分級して分離する分級器を連結している。
　以上の超音波分離装置は、霧化機と凝縮器との間に分級器を連結して、低蒸気圧成分の濃度が低い大粒ミストを、ミスト混合気体から分級して除去することで、回収する低蒸気圧成分の濃度を高くできる。分級器でミスト混合気体に含まれる大粒ミストを分級して霧化機に還流し、微細ミストを含むミスト混合気体を回収器に供給して、低蒸気圧成分濃度の高い液体を回収できるからである。
　本発明の他の実施態様の溶液の超音波分離装置は、回収器が凝縮器の排出側に連結してなる気液分離器を備え、気液分離器がサイクロンであって、分級器が分級サイクロンで、分級サイクロンの外径を、凝縮器の排出側に連結された気液分離器であるサイクロンの外径よりも大きくしてなる。
　以上の超音波分離装置は、分級サイクロンの外径のサイズを、気液分離器のサイクロンの外径と異にすることで、ミスト粒径に応じた処理が可能となり、分級機においては、分級サイクロンの外径を大きくすることで、ミスト混合気体に含まれる大粒ミストを分級して霧化機に還流し、微細ミストを含むミスト混合気体を回収器に供給して、回収する低蒸気圧成分の濃度を高くできる。また、気液分離器においては、サイクロンの外径を小さくすることで、凝縮器で回収されなかった微細ミストを効率よく回収できる。
　本発明の他の実施態様の溶液の超音波分離装置は、霧化機から排出されるミスト混合気体で、回収器から排出される搬送気体を加温するプリ熱交換器を備えており、プリ熱交換器で加温された搬送気体を霧化機に循環している。
　以上の超音波分離装置は、霧化機から排出されるミスト混合気体で回収器から霧化機に循環する搬送気体を加温するので、外部から熱エネルギーを供給することなく、霧化機の霧化効率をさらに高くできる特長がある。それは、回収器で低蒸気圧成分を分離して搬送気体の絶対湿度を低下し、さらにプリ熱交換器で霧化機に循環する搬送気体を加温してさらに相対湿度を低くして、低湿度で温度上昇させて搬送気体を霧化機に供給できるからである。
　本発明の他の実施態様の溶液の超音波分離装置は、さらに、霧化機に供給する溶液を加温する加温器と、加温器で加温される溶液で回収器から排出される搬送気体を加温する温水熱交換器を備えており、回収器から排出される搬送気体を温水熱交換器で加温して霧化機に循環している。
　以上の超音波分離装置は、霧化機に供給する溶液を加温器で加温することで溶液の霧化効率を高くしながら、加温された溶液で回収器から排出される搬送気体を加温する温水熱交換器を備えることで、搬送気体を効率よく加温して霧化機に循環できる。加温されたミスト混合気体は低蒸気圧成分の蒸気圧を高くして、気化された低蒸気圧成分の含有質量を多くできる。したがって、このミスト混合気体は、凝縮器で冷却する温度を高く設定しながら、低蒸気圧成分を効率よく回収できる。
図１は、本発明の一実施形態にかかる霧化分離装置の概略構成図である。 図２は、空気１立方メートル当たりの水分含有量（飽和水蒸気量）を示すグラフである。
　以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、及びそれらの用語を含む別の用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一もしくは同等の部分又は部材を示す。さらに以下に示す実施形態は、本発明の技術思想の具体例を示すものであって、本発明を以下に限定するものではない。また、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また、一の実施の形態、実施例において説明する内容は、他の実施の形態、実施例にも適用可能である。また、図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。
（超音波分離装置１００）
　本発明の超音波分離装置１００は、アルコールなどの低蒸気圧成分が水などの溶媒に含まれる溶液、あるいは塩類、有機酸、糖質、アミノ酸、脂肪酸、グリセリン類、グリコール類、核酸、エキス等の溶質が水などの溶媒に溶解している溶液、また塩水などのものから低蒸気圧成分の水を分離できる。
　超音波分離装置１００は、溶液Ｌを超音波振動でミストＭとし、このミストＭを回収して溶液よりも低蒸気圧成分濃度の高い溶液を分離できる。この装置は、霧化機１で溶液を超音波振動して搬送気体中にミストＭを飛散させてミスト混合気体とし、このミスト混合気体からミストを分離して低蒸気圧成分を分離でき、さらに、ミスト混合気体を冷却して、気化した低蒸気圧成分を過飽和な状態で液化して回収することで、低蒸気圧成分を効率よく分離できる。
　ミスト混合気体の低蒸気圧成分の蒸気圧は、温度で最大値が特定されるので、最大値を超える範囲では気化した状態では存在できない。蒸気圧は温度が低下して減少するので、ミスト混合気体を冷却すると、低蒸気圧成分の最大値が低下して、最大値を超える低蒸気圧成分を液化させる。たとえば、海水から真水を回収する分離装置にあっては、水の蒸気圧の最大値が温度によって特定され、温度が低下して低下するので、海水を超音波振動でミストとして生成されるミスト混合気体は、冷却して水蒸気圧を低くして水蒸気を液化して回収できる。水の蒸気圧は温度で特定される。空気の温度が高くなって、水蒸気圧が高くなると、空気に水蒸気の状態で含有できる水の質量も増加する。
　たとえば、温度が７０℃の空気は、１立方メートルに１９７ｇの水を水蒸気の状態で含有できるが、３０℃の空気は、１立方メートルに３０ｇの水蒸気しか含有できない。したがって、湿度１００％のミスト混合気体を７０℃から３０℃に冷却すると、１６７ｇの水蒸気が液化して水となる。液化した水は、ミスト混合気体を冷却する凝縮器の表面に結露して付着し、あるいは微細なミストとなって回収できる。
　１立方メートルの空気に含まれる水の水蒸気は、以下のように温度によって著しく変化する。
　７０℃…１９７ｇ／ｍ３
　６５℃…１６０ｇ／ｍ３
　６０℃…１２１ｇ／ｍ３
　５０℃……８３ｇ／ｍ３
　４０℃……５１ｇ／ｍ３
　３０℃……３０ｇ／ｍ３
　２０℃……１７ｇ／ｍ３
　　５℃………７ｇ／ｍ３
　１立方メートルの空気に水蒸気の状態で含有できる水の質量を図２のグラフに示している。従来の超音波分離装置は、例えば、溶液や搬送気体を加温してミスト混合気体を約５０℃とし、このミスト混合気体を凝縮器で５℃に冷却して、水蒸気圧を低下して低蒸気圧成分を過飽和状態で液化して回収している。この分離装置は、１立方メートルに含有できる水蒸気量を約８３ｇ（５０℃）から７ｇ（５℃）として、約７６ｇの水蒸気を液化して回収しているが、この凝縮器は、ミスト混合気体を冷却して、過飽和となった低蒸気圧成分を液化して回収している。この超音波分離装置は、凝縮器でミスト混合気体を５℃と低温度に冷却して、低蒸気圧成分を液化して回収するので、ミスト混合気体を冷却する機構の設備コストが高くなり、さらに冷却する機構の電力消費も大きくなってランニングコストも高くなる。設備コストが高くなるのは、ミスト混合気体の凝縮器に高圧の冷媒を循環する耐圧構造の熱交換器を使用し、さらに、この熱交換器には加圧された冷媒を循環するチラーを必要とするからである。
　塩水から真水を回収する従来の超音波分離装置は、５０℃のミスト混合気体を５℃に冷却して、水蒸気を過飽和状態として回収できる水の質量は７６ｇとなるが、たとえば、７０℃のミスト混合気体を３０℃に冷却して水蒸気を過飽和状態で回収する超音波分離装置は、ミスト混合気体の冷却温度５℃から３０℃と２５℃も高く設定できるにもかかわらず、１立方メートルに含有できる水蒸気量を約１９７ｇ（７０℃）から３０ｇ（３０℃）として、過飽和状態で液化させて回収できる水蒸気の質量は１６７ｇと、５℃に冷却する分離装置の２倍以上に多くできる。さらに、６０℃のミスト混合気体を３０℃に冷却する分離装置においても、１立方メートルに含有できる水蒸気量を約１２１ｇ（６０℃）から３０ｇ（３０℃）として、過飽和状態で回収できる水蒸気の質量は９１ｇにでき、６５℃のミスト混合気体を３０℃に冷却する分離装置においては、１立方メートルに含有できる水蒸気量を約１６０ｇ（６５℃）から３０ｇ（３０℃）として、回収できる水蒸気の質量を１３０ｇにでき、冷却温度を３０℃に高くしながら、低蒸気圧成分である水の回収量は５℃に冷却する分離装置よりも多くできる。本発明の超音波分離装置１００は、凝縮器４がミスト混合気体を冷却する温度を高くして、凝縮器４を高圧の耐圧構造を必要としない簡単な構造としながら、低蒸気圧成分を効率よく分離できる。
　図１の超音波分離装置１００は、耐圧構造の熱交換器とチラーを使用することなく、ミストの気化熱で冷却した外気を利用して、溶液Ｌから低蒸気圧成分を分離する。この図の超音波分離装置１００は、霧化機１と、霧化機１から流入されるミスト混合気体を冷却して低蒸気圧成分を液化して回収する回収器３と、ミスト混合気体（搬送気体）を霧化機１と回収器３とに循環する循環路７を備える。循環路７は、霧化機１から排出されるミスト混合気体を回収器３に循環し、さらに回収器３から排出された搬送気体を霧化機１に循環する。図の超音波分離装置１００の回収器３は、霧化機１の排出側に、霧化機１から供給されるミスト混合気体を冷却する凝縮器４を連結して、低蒸気圧成分を回収する。霧化機１は、超音波振動で液面から突出する液柱Ｐの表面に搬送気体を送風してミスト混合気体を発生させるが、表面に搬送気体が送風される液柱Ｐは、表面にミストＭが飛散する。飛散するミストＭは搬送気体中に分散されてミスト混合気体となる。ミスト混合気体のミストＭは、一部が気化してミスト混合気体に気化された状態で含まれる。とくに、低蒸気圧成分は気化しやすいので、気化した低蒸気圧成分によって、ミスト混合気体は低蒸気圧成分の濃度が高くなる。気化した低蒸気圧成分は、凝縮器４でミスト混合気体を冷却し、液化して回収できる。凝縮器４は、ミスト混合気体を冷却することで、搬送気体中に気体の状態で含まれる低蒸気圧成分を過飽和状態として液化する。液化した低蒸気圧成分は、凝縮器４の表面に結露して回収される。さらに、ミスト混合気体は凝縮器４の表面に接触して冷却されるので、表面に接触する領域で低温となる。ミスト混合気体は、温度が低下して低蒸気圧成分が過飽和状態となるので、表面に接触する領域で液化された液体の低蒸気圧成分は、凝縮器４の表面に結露して回収される。
　さらに、図１に示す超音波分離装置１００は、凝縮器４の排出側に、凝縮器４で液化されて回収されることなく、微細なミストとなって搬送気体で排出される微細ミストを回収する気液分離器６を連結している。この分離装置１００は、凝縮器４と気液分離器６の両方で低蒸気圧成分を回収して効率よく低蒸気圧成分を回収する。この分離装置１００は、凝縮器４で微細ミストを回収する効率を考慮することなく、ミスト混合気体の冷却効率のみを考慮して設計できる。凝縮器４で効率よく冷却されたミスト混合気体は、温度が低下して気化している低蒸気圧成分を効率よく液化できる。凝縮器４は、ミスト混合気体の流速を速くして冷却効率を高くできるが、ミスト混合気体を高速で送風する凝縮器４は、液化して発生する微細なミストの回収効率が低下する。高速で送風される搬送気体が、微細ミストを吹き飛ばして凝縮器４から排出するからである。そこで、超音波分離装置１００は、凝縮器４から排出される微細ミストを気液分離器６で回収する。気液分離器６は、ミスト混合気体の冷却を目的としないので、回収効率のみを考慮して、簡単な構造のサイクロンなどで微細ミストを効率よく回収できる。
　凝縮器４の排出側に気液分離器６を連結する超音波分離装置１００は、凝縮器４でミスト混合気体を効率よく冷却して気化成分の低蒸気圧成分を効率よく液化してミストとし、さらに、凝縮器４で回収されなかった微細なミストをサイクロン６ａなどの簡単な気液分離器６で効率よく回収できるので、溶液Ｌから極めて効率よく低蒸気圧成分を回収できる。凝縮器４の排出側に気液分離器６を連結している超音波分離装置１００は、気液分離器を設けることなく凝縮器のみで低蒸気圧成分を回収する装置に比較して、低蒸気圧成分の回収量を約５０％も向上できる。
　さらに、図１の超音波分離装置１００は、霧化機１から排出されるミスト混合気体を凝縮器４に供給するが、霧化機１と凝縮器４との間にミスト混合気体から大粒ミストを分級して分離する分級器８を連結して、回収する低蒸気圧成分の濃度を高くできる。さらにまた、超音波分離装置１００は、回収器３から霧化機１に搬送気体を循環路７で循環し、気液分離器６から霧化機１に循環される搬送気体を加温し、さらに溶液Ｌを好ましくは５０℃以上、さらに好ましくは５５℃以上、最適には６０℃～７５℃に加温する加温器１０を設けている。
（霧化機１）
　図１の霧化機１は、溶液Ｌを超音波振動させて搬送気体中にミストＭを飛散させてミスト混合気体とする。この超音波霧化機１Ａは、溶液Ｌと搬送気体とが供給される閉鎖構造の霧化室２１と、この霧化室２１の溶液Ｌを超音波振動させてミストＭに霧化する複数の超音波振動子２２と、この超音波振動子２２に交流電力を供給する超音波電源（図示せず）を備える。
　霧化室２１は閉鎖されたチャンバーで、内部の溶液Ｌを超音波振動させてキャリアガスの搬送気体中に噴霧する。噴霧されたミストＭは、搬送気体に混合されてミスト混合気体となる。霧化室２１は、溶液Ｌの液面レベルを一定に保持している。液面レベルは、超音波振動子２２で超音波振動されて、溶液Ｌを効率よく霧化できる位置に設定される。溶液Ｌの液面レベルを一定に保持するために、霧化室２１は、ポンプ９ａを介して、溶液Ｌを蓄えている溶液槽９に連結されると共に、排出側を溶液槽９に連結している。図示しないが、この霧化室２１は、排出側に設けた排液口から溶液Ｌをオーバーフローさせて、液面レベルを一定に保持し、あるいは吐出口から所定量の溶液Ｌを排出しながら、溶液Ｌの液面レベルをレベルセンサで検出して、レベルセンサでポンプ９ａの運転をコントロールして一定の液面レベルに保持する。
　図１に示す超音波分離装置１００は、霧化室２１の液面レベルを一定に保持しながら、溶液Ｌを溶液槽９と霧化室２１とに循環して、溶液槽９と霧化室２１の溶質濃度を濃縮する。この装置は、霧化室２１と溶液槽９の濃度が設定濃度になると、両方の溶液Ｌを排出して、新しい溶液Ｌに入れ替える。
　図１の霧化機１は、溶液Ｌと搬送気体を加温して、加温されたミスト混合気体を排出する。加温されたミスト混合気体は低蒸気圧成分の蒸気圧を高くして、気化された低蒸気圧成分の含有質量を多くできる。したがって、このミスト混合気体は、凝縮器４で冷却する温度を高く設定して、低蒸気圧成分を効率よく回収できる。霧化機１から排出されるミスト混合気体の温度は、好ましくは５０℃以上、さらに好ましくは５５℃以上、最適には６０℃～７０℃とする。霧化機１に循環する搬送気体を加温するために、搬送気体の循環路７に、後述するプリ熱交換器１１と、温水熱交換器１２を連結している。
　霧化室２１で超音波振動される溶液Ｌは、液面から突出して液柱Ｐを発生し、液柱Ｐの表面からミストＭを分離して搬送気体中に飛散させる。図１の超音波霧化機１Ａは、溶液Ｌを充填している霧化室２１の底に、複数の超音波振動子２２を並べて上向きに配列している。各々の超音波振動子２２は、底から溶液面に向かって上向きに超音波を放射して、液面から垂直方向に突出する液柱Ｐを発生させる。超音波振動子２２は、超音波電源（図示せず）に接続されている。超音波電源は、超音波振動子２２を超音波振動させる周波数の交流電力を供給する。超音波振動子２２の共振周波数で超音波振動するので、超音波電源は、例えば数十ｋＨｚ～数ＭＨｚ、好ましくは５０ｋＨｚ～１ＭＨｚの交流電力を供給して超音波振動子２２を振動させる。
（回収器３）
　回収器３は、霧化機１から排出されるミスト混合気体を冷却してミストを回収して、低蒸気圧成分を回収する。図１の回収器３は、ミスト混合気体を冷却してミストを回収する凝縮器４と、この凝縮器４を冷却する冷却機構５と、凝縮器４から排出される冷却混合気体からさらに微細ミストを回収する気液分離器６とを備える。超音波分離装置１００は、凝縮器４と気液分離器６の両方で低蒸気圧成分を回収して効率よく低蒸気圧成分を回収できる。凝縮器４がミスト混合気体を冷却して気化成分の低蒸気圧成分を効率よく液化し、さらに、凝縮器４で回収されなかった微細なミストを気液分離器６で効率よく回収できるからである。
（凝縮器４）
　図１の凝縮器４は、ミスト混合気体を冷却する気体－気体熱交換器４ａで、冷却送風機構５ａから供給される外気でミスト混合気体を冷却する。気体－気体熱交換器４ａは、気体と気体とを熱交換できる全ての熱交換器が使用できる。凝縮器４の気体－気体熱交換器４ａは、外気で冷却される。外気で冷却される気体－気体熱交換器４ａは、従来のチラーで冷却される凝縮器よりも冷却温度が高くなるが、霧化機１から排出されるミスト混合気体の温度を高くして、低蒸気圧成分を効率よく回収できる。温度の高いミスト混合気体は、低蒸気圧成分の蒸気圧が高く、多量の低蒸気圧成分を気体の状態で含有するからである。
　凝縮器４の気体－気体熱交換器４ａは、冷却送風機構５ａから送風される外気と、霧化機１から排出されるミスト混合気体とを混合することなく、外気でミスト混合気体を冷却できる全ての熱交換器、例えばプレート式、楕円チューブ式、コルゲートチューブ式などの熱交換器が使用できるので、本発明は凝縮器４の熱交換器を特定するものでないが、図１は簡単な構造の気体－気体熱交換器４ａを例示する。
　この図に示す気体－気体熱交換器４ａの凝縮器４は、金属製の空気配管４ｃに互いに平行姿勢に配置してなる複数枚の冷却フィン４ｂを熱結合状態に連結して、冷却フィン４ｂの間にミスト混合気体の送風隙間を設けている。この凝縮器４は、冷却フィン４ｂの表面に結露するミストを回収して低蒸気圧成分を回収し、さらに送風隙間を通過するミスト混合気体を冷却する。冷却されたミスト混合気体は、気化している低蒸気圧成分が過飽和状態となって液化する。液化した液体は、冷却フィン４ｂの表面に結露して回収されるが、液化された全ての液体は結露して回収されることなく、微細なミストとなる。微細なミストは冷却フィン４ｂの表面に付着することなく、送風されている搬送気体と一緒に排出されて気液分離器６に供給される。したがって、凝縮器４は、微細ミストを含む冷却された搬送気体、すなわちミストが冷却された搬送気体に含まれる冷却混合気体を排出する。
（冷却機構５）
　冷却機構５は、外気を供給して凝縮器４を冷却する冷却送風機構５ａを備える。冷却送風機構５ａは、外気を送風して凝縮器４を冷却する。冷却送風機構５ａは、好ましくは、外気をミストの気化熱で冷却し、冷却空気として凝縮器４に供給する。この冷却送風機構５ａは、凝縮器４に送風する外気の温度を低くできるので、凝縮器４が低蒸気圧成分を効率よく回収できる。冷却送風機構５ａは、好ましくは１０℃～３５℃の外気を凝縮器４に供給する。外気温度は季節や地域によって変化するので、外気温度の高い季節や地域ではミストの気化熱で外気を冷却し、冷却空気として凝縮器４に供給し、外気温度の低い冬期や地域では外気をミストで冷却することなく凝縮器４に供給する。
　ミストの気化熱で外気を冷却する冷却送風機構５ａは、外気をミストで冷却するミスト冷却器５ｂと、ミスト冷却器５ｂで冷却された外気を冷却空気として凝縮器４に送風する送風機５ｃとを備える。ミスト冷却器５ｂは、密閉チャンバー１５ａと、密閉チャンバー１５ａ内にミストを供給するミスト供給器１５ｂとを備える。密閉チャンバー１５ａは、外気を送風する閉鎖室で、送風される外気とミストを接触させて、外気でミストを気化させて、ミストの気化熱で外気を冷却して冷却空気とする。図１のミスト供給器１５ｂは、加圧された水を霧状に噴射するノズル１５ｃと、このノズル１５ｃに加圧水を供給する加圧ポンプ１５ｄとを備える。この冷却送風機構５ａは、送風機５ｃで密閉チャンバー１５ａ内に外気を送風し、密閉チャンバー１５ａ内では加圧ポンプ１５ｄから圧送される加圧水をノズル１５ｃから噴射して、密閉チャンバー１５ａ内にミストを供給し、噴射されるミストの気化熱で外気を冷却して冷却空気とする。密閉チャンバー１５ａは、排出側を凝縮器４の気体－気体熱交換器４ａに連結しており、密閉チャンバー１５ａ内で冷却された外気を気体－気体熱交換器４ａに供給する。凝縮器４の気体－気体熱交換器４ａは、ミスト混合気体を冷却して低蒸気圧成分を回収する。以上のミスト冷却器５ｂは、ノズル１５ｃから加圧水を噴射してミストを外気に供給するが、水を超音波振動してミストを発生する、超音波加湿器の構造も使用できる。
（気液分離器６）
　気液分離器６は、回収器３の一部を構成し、凝縮器４の排出側に連結されて、凝縮器４から排出される搬送気体に含まれる微細ミストを回収する。凝縮器４は、霧化機１から流入されるミスト混合気体を冷却して、低蒸気圧成分を回収する。凝縮器４は、ミスト混合気体をより低い温度に冷却し、低蒸気圧成分の飽和蒸気圧を低くして液化量を多くできる。凝縮器４が、ミスト混合気体を効率よく冷却するには、ミスト混合気体を速い流速で凝縮器４の表面に送風する必要がある。しかしながら、ミスト混合気体の流速を速くして効率よく冷却すると、低蒸気圧成分の回収量が低下する。本発明者は、この原因を種々の方向から検討した結果、流速を速くしてミスト混合気体の温度を低くできるが、高速流動するミスト混合気体が、凝縮器４の表面で液化してミストとなった低蒸気圧成分を吹き飛ばして、凝縮器４の表面に結露する確率を低下して、ミストの回収効率が低下することを究明した。とくに、凝縮器４で冷却されて液化して発生するミストは極めて小さいので、ミスト混合気体と一緒に流動されて、凝縮器４の表面に接触して回収される確率が低下する。溶液から低蒸気圧成分を効率よく回収するには、ミスト混合気体をより低い温度に冷却して、低蒸気圧成分を効率よく液化して微細なミストとし、さらに微細なミストを効率よく回収する必要がある。凝縮器４は、低蒸気圧成分を効率よく液化してミストとするには、ミスト混合気体の流速を速くして冷却効率を高くする必要があるが、この状態では、液化して発生する微細なミストの回収効率が低下する。凝縮器４がミスト混合気体を冷却する冷却効率と、ミストを回収する回収効率とは互いに相反する特性であって両方を満足できない。
　そこで超音波分離装置１００は、凝縮器４の排出側に、凝縮器４で液化されて回収されることなく、微細なミストとなって搬送気体で排出される微細ミストを回収する気液分離器６を連結している。この分離装置１００は、凝縮器４と気液分離器６の両方で低蒸気圧成分を回収して効率よく低蒸気圧成分を回収する。凝縮器４と気液分離器６を別々の設けることで、凝縮器４は微細ミストを回収する効率を考慮することなく、ミスト混合気体の冷却効率のみを考慮して設計でき、凝縮器４で効率よく冷却されたミスト混合気体は、温度が低下して気化している低蒸気圧成分を効率よく液化できる。さらに凝縮器４から排出される微細ミストは、気液分離器６が回収でき、気液分離器６はミスト混合気体の冷却を目的としないので、回収効率のみを考慮して、簡単な構造のサイクロンなどで微細ミストを効率よく回収できる。
　回収器３は、凝縮器４の排出側に気液分離器６を連結して、凝縮器４から排出される微細ミストを回収して回収効率を向上できる。気液分離器６は、好ましくはサイクロン６ａが使用できる。サイクロン６ａは、凝縮器４から排出される搬送気体に含まれる微細ミストを分離する。サイクロン６ａは、円筒の下端に円錐を連結した形状で、円筒の上部に接線方向にミスト混合気体を流入させる。円筒に接線方向に流入するミスト混合気体は、円筒の内部で渦巻き状に回転する。渦巻き状に回転するミスト混合気体は、ミストを搬送気体と一緒に渦巻き状に回転させる。回転されるミストは、半径方向に中心から外側に向かって遠心力を受ける。遠心力はミストの質量に比例して増加する。ミストの質量はミストの半径の三乗に比例して大きくなるので、ミストの遠心力は、ミストの半径の三乗に比例して大きくなる。このため、微細なミストであっても遠心力で外側に振り出されて円筒の内面に移送され、円筒の内面に付着して、円錐の内面に沿って流れ落ちてミスト混合気体から分離される。
　サイクロン６ａが分級するミストの粒径は、サイクロン６ａの内形と、ミスト混合気体の流速で特定できる。サイクロン６ａ内でミストが受ける遠心力は、サイクロン６ａ内でミストが円軌道に流動する流速の二乗に比例して大きく、半径に反比例して小さくなるからである。ミストの流速は、サイクロン６ａに流入するミスト混合気体の流速で特定でき、ミストが流動する円軌道の半径は、サイクロン６ａの円筒の内径で特定できる。サイクロン６ａの内径を小さくし、サイクロン６ａに流入するミスト混合気体の流速を速くして、ミストが受ける遠心力は大きくなる。したがって、気液分離器６のサイクロン６ａは、内径を小さく、ミスト混合気体がサイクロン６ａに流入する流速を速くして、より微細なミストを回収できる。サイクロン６ａの内径が小さく、ミストの流速が速くなってミストが受ける遠心力が大きくなって、より微細なミストが円筒の内面に付着して分級されるからである。
（分級器８）
　霧化機１から排出されるミスト混合気体は、粒径の大きい大粒ミストと微細ミストの両方を含む。ミスト混合気体のミストは、粒径によって低蒸気圧成分の濃度が異なり、粒径の大きい大粒ミストは、微細ミストに比較して、低蒸気圧成分の濃度が低い。大粒ミストは低蒸気圧成分の濃度が低いので、ミスト混合気体から分級して除去することで、回収する低蒸気圧成分の濃度を高くできる。
　分級器８には、サイクロンやデミスターが使用できる。図１の分級器８は、微細ミストを搬送気体から分離することなく大粒ミストを分級して霧化室２１に還流して、大粒ミストの分離されたミスト混合気体を凝縮器４に移送する。図の分級サイクロン８ａは、大粒ミストを分離して、微細ミストを通過させるので、分級しない微細ミストの遠心力を小さくするために、気液分離器６のサイクロン６ａよりも内径を大きくして、ミストの遠心力を小さくしている。ミストの遠心力は、サイクロンの内径に反比例するので、内径の大きいサイクロンは、ミストの遠心力が小さい微細ミストを分級することなく、大粒ミストのみを分級できる。ミスト混合気体に含まれる微細ミストは質量が小さいので遠心力も小さく、搬送気体と一緒に渦巻き状に回転して、排気搬送で円筒の中央部から外部に排気されて凝縮器４に移送される。分級サイクロン８ａは、内径とミスト混合気体の流速で分級するミストのサイズを調整できるが、分級サイクロン８ａは、たとえば粒径が数μｍ以上の大粒ミストをミスト混合気体から分離して、数μｍ以下の微細ミストを分離しない内径とすることで、回収器３で回収できる低蒸気圧成分の濃度を高くできる。分級サイクロン８ａは、分級するミストの粒径を小さくして、分級する低蒸気圧成分濃度を高くできるが、回収器３での回収量が減少するので、要求される濃度と回収量とを考慮して最適値に設定する。
　分級器８を備える超音波分離装置１００は、霧化機１からのミスト混合気体に含まれる大粒ミストを分級して霧化機１に還流し、微細ミストを含むミスト混合気体を回収器３に供給して、低蒸気圧成分濃度の高い液体を回収している。ただ、本発明の超音波分離装置１００は、図示しないが、分級器８でミスト混合気体から大粒ミストを分級することなく、霧化機１から排出されるミスト混合気体を回収器３に供給して、低蒸気圧成分を回収することもできる。さらに、以上の分級器８は分級サイクロン８ａを使用するが、分級器８には大粒ミストをミスト混合気体から分級できる他の装置、例えば複数枚の網を積層しているデミスターも使用できる。デミスターは、分級ミストを網に付着して搬送気体から回収して分級する。デミスターは、微細ミストを網目に透過させて凝縮器４に供給できる。
（プリ熱交換器１１）
　さらに、超音波分離装置１００は、好ましくは、図１に示すように、気液分離器６から排出される搬送気体を霧化機１に循環して、循環する搬送気体を超音波振動で発生する液柱Ｐの表面に送風して霧化効率を向上できる。さらに、気液分離器６と霧化機１の間にプリ熱交換器１１を設け、霧化機１から排出されるミスト混合気体で、気液分離器６から排出される搬送気体を加温し、プリ熱交換器１１で加温された搬送気体を霧化機１に循環することで、霧化効率はさらに向上できる。また他方で、プリ熱交換器１１を霧化機１と凝縮器４の間に設け、気液分離器６から排出される搬送気体で、霧化機１から供給されるミスト混合気体を冷却して凝縮器４に供給して霧化効率を向上できる。
　プリ熱交換器１１は、霧化機１から排出されるミスト混合気体の熱エネルギーを吸収して、気液分離器６から霧化機１に環流する搬送気体を加温する気体－気体熱交換器１１ａである。気体－気体熱交換器１１ａは、霧化機１から排出されるミスト混合気体と、霧化機１に環流する搬送気体とを混合することなく、ミスト混合気体から熱エネルギーを吸収して、搬送気体を加温できる全ての熱交換器、例えばプレート式、楕円チューブ式、コルゲートチューブ式などの熱交換器が使用できるが、図１にプリ熱交換器１１に使用できる気体－気体熱交換器１１ａを例示する。この気体－気体熱交換器１１ａは、凝縮器４の気体－気体熱交換器４ａと同じ構造で、回収器３から排出される搬送気体を送風する金属配管１１ｃに、複数枚の冷却フィン１１ｄを熱結合状態に連結して、冷却フィン１１ｄの間に霧化機１からのミスト混合気体の送風隙間を設けている。
　プリ熱交換器１１の気体－気体熱交換器１１ａは、凝縮器４で冷却されて回収器３から霧化機１に環流される低温の搬送気体を金属配管１１ｃに送風して、金属配管１１ｃと表面の冷却フィン１１ｄを冷却している。冷却された金属配管１１ｃと冷却フィン１１ｄの表面に送風される、霧化機１から排出される加温されたミスト混合気体を冷却する。加温されたミスト混合気体が冷却フィン１１ｄの表面に接触して冷却されるからである。プリ熱交換器１１から排出されるミスト混合気体は、凝縮器４に供給される。プリ熱交換器１１は、凝縮器４の前段で霧化機１から排出される加温されたミスト混合気体を冷却するので、低蒸気圧成分が冷却フィン１１ｄや金属配管１１ｃの表面に結露することがある。結露する液体は、低蒸気圧成分の濃度が高いので回収槽３０に回収する。
　霧化機１から排出されるミスト混合気体は、たとえば５０℃～７０℃に加温されている。回収器３から排出される搬送気体は、凝縮器４で冷却されて気液分離器６を通過するので、例えば２５℃～３５℃の低温に冷却されている。プリ熱交換器１１の気体－気体熱交換器１１ａは、気液分離器６から排出される２５℃～３５℃の搬送気体を、霧化機１から排出されるミスト混合気体で４０℃～５０℃に加温して霧化機１に環流する。また、プリ熱交換器１１の気体－気体熱交換器１１ａは、霧化機１から排出される５０℃～７０℃のミスト混合気体を、気液分離器６から排出される搬送気体で３０℃～４５℃に冷却して回収器３の凝縮器４に供給する。気体－気体熱交換器１１ａは、霧化機１に供給する搬送気体の温度を高くして霧化効率を向上し、凝縮器４に供給する搬送気体の温度を低くして凝縮器４で気化している低蒸気圧成分を液化して回収効率を向上できる。気体－気体熱交換器１１ａは、霧化機１から排出されるミスト混合気体の熱エネルギーを吸収して、霧化機１に供給する搬送気体に供給するので、外部から熱エネルギーを供給することなく、また熱エネルギーを強制的に吸収することなく、霧化効率と回収効率の両方を向上できる。
（加温器１０）
　さらに、図１に示す超音波分離装置１００は、霧化機１に供給する溶液Ｌを加温する加温器１０を備える。霧化室２１の溶液温度は、溶液Ｌを霧化する効率に影響を与える。溶液Ｌの温度を設定温度として、霧化効率を高くできる。図１の超音波分離装置１００は、霧化機１に供給する溶液Ｌの加温器１０として、温水タンク１０ａを設けている。温水タンク１０ａは、溶液Ｌを設定温度に加温するヒーター１０ｂを備える。温水タンク１０ａは、電気ヒーター、あるいは加熱蒸気や温水等の加熱媒体で溶液Ｌを加温することもできる。温水タンク１０ａは、溶液Ｌの温度を例えば５０℃以上、好ましくは６０℃以上に加温する。溶液Ｌを加温する温度を高くすると、消費エネルギーが大きくなるので、溶液Ｌの温度は、例えば８０℃以下、好ましくは７５℃以下とする。図の超音波分離装置１００は、温水タンク１０ａを霧化機１の溶液Ｌの流入側に設けるが、これ以外に霧化機１の溶液Ｌの排出側などに設けることもできる。図の超音波分離装置１００は、温水タンク１０ａで溶液温度を高くして霧化効率を高くしているが、本発明の装置は、必ずしも加温器１０を設けることなく、霧化機１でミスト混合気体を発生させることもできる。
（温水熱交換器１２）
　霧化機１の霧化効率を向上するために、図１の超音波分離装置１００は、気液分離器６から排出されて霧化機１に環流される搬送気体を、温水熱交換器１２で加温して霧化室２１に循環させている。図の温水熱交換器１２は、霧化機１に環流される搬送気体を加温する液体－気体熱交換器１２ａで、表面に放熱フィン１２ｂを設けている循環パイプ１２ｃを備える。この循環パイプ１２ｃは、流入側を霧化室２１に、排出側を温水タンク１０ａに連結して、霧化室２１から供給される加温された溶液Ｌを温水タンク１０ａに循環する。温水熱交換器１２は、循環パイプ１２ｃ表面の放熱フィン１２ｂに、気液分離器６から霧化機１に循環される搬送気体を送風して加温された溶液Ｌで搬送気体を加温する。
　図１は、霧化機１から排出されるミスト混合気体が、霧化機１→分級器８→プリ熱交換器１１→凝縮器４→気液分離器６→プリ熱交換器１１→温水熱交換器１２→霧化機１に循環される状態で、好ましい温度範囲を例示している。霧化機１は溶液Ｌを超音波振動でミストとしてミスト混合気体として分級器８に供給する。大粒ミストが分級されて分級器８から排出されるミスト混合気体の温度は５０℃～７０℃でプリ熱交換器１１に流入する。プリ熱交換器１１は、気液分離器６から排出される２５℃～３５℃の搬送気体で霧化機１から排出されるミスト混合気体を冷却して３０℃～４５℃のミスト混合気体を凝縮器４に供給する。凝縮器４は、ミスト混合気体を冷却して気化している低蒸気圧成分を液化して、２５℃～３５℃に冷却して排出する。冷却されたミスト混合気体は気液分離器６を通過し、プリ熱交換器１１で４０℃～５０℃に加温されて、温水熱交換器１２に流入し、温水熱交換器１２で５０℃～７０℃に加温されて霧化機１に循環される。一方、溶液Ｌは、温水タンク１０ａで５０℃～７５℃に加温されて、霧化機１を介して温水熱交換器１２に供給されて、霧化機１に循環される搬送気体を加温して、温水タンク１０ａに循環される。
　以上の超音波分離装置は、設備コストを低減しながら、溶液から低蒸気圧成分を効率よく回収する用途に最適に利用できる。
１００…超音波分離装置
１…霧化機
１Ａ…超音波霧化機
３…回収器
４…凝縮器
４ａ…気体－気体熱交換器
４ｂ…冷却フィン
４ｃ…空気配管
５…冷却機構
５ａ…冷却送風機構
５ｂ…ミスト冷却器
５ｃ…送風機
６…気液分離器
６ａ…サイクロン
７…循環路
８…分級器
８ａ…分級サイクロン
９…溶液槽
９ａ…ポンプ
１０…加温器
１０ａ…温水タンク
１０ｂ…ヒーター
１１…プリ熱交換器
１１ａ…気体－気体熱交換器
１１ｃ…金属配管
１１ｄ…冷却フィン
１２…温水熱交換器
１２ａ…液体ー気体熱交換器
１２ｂ…放熱フィン
１２ｃ…循環パイプ
１５ａ…密閉チャンバー
１５ｂ…ミスト供給器
１５ｃ…ノズル
１５ｄ…加圧ポンプ
２１…霧化室
２２…超音波振動子
３０…回収槽
Ｌ…溶液
Ｐ…液柱
Ｍ…ミスト

Claims (11)

  1. 　溶液を超音波振動させてミストとし、搬送気体に混合してミスト混合気体とする霧化機と、
    　前記霧化機から流入されるミスト混合気体を冷却して、低蒸気圧成分を液化して回収する回収器とを備え、
    　前記回収器が、
    　　ミスト混合気体を冷却する凝縮器と、
    　　前記凝縮器の冷却機構とを備え、
    　前記凝縮器が気体－気体熱交換器で、
    　前記冷却機構が、前記凝縮器の前記気体－気体熱交換器に外気を供給する冷却送風機構を備え、
    　前記冷却送風機構から前記凝縮器の前記気体－気体熱交換器に外気を供給して、
    　前記凝縮器がミスト混合気体の低蒸気圧成分を液化して回収する溶液の超音波分離装置。
  2. 　請求項１に記載の溶液の超音波分離装置であって、
    　前記冷却送風機構が、
    　　外気にミストを供給してミストの気化熱で外気を冷却して冷却空気とするミスト冷却器と、
    　　前記ミスト冷却器で冷却された冷却空気を前記凝縮器の前記気体－気体熱交換器に送風する送風機と、
    を備える溶液の超音波分離装置。
  3. 　請求項１または２に記載の溶液の超音波分離装置であって、
    　前記霧化機から排出されるミスト混合気体の温度が５０℃以上で、前記凝縮器の流入側と排出側の温度差が１０℃以上である溶液の超音波分離装置。
  4. 　請求項３に記載の溶液の超音波分離装置であって、
    　前記霧化機から排出されるミスト混合気体の温度が５５℃以上である溶液の超音波分離装置。
  5. 　請求項１ないし４のいずれか一項に記載の溶液の超音波分離装置であって、さらに
    　前記回収器から排出される搬送気体を前記霧化機に循環する循環路を備え、
    　前記循環路に、前記回収器から前記霧化機に循環される搬送気体で、前記霧化機から排出されるミスト混合気体を冷却して前記回収器に循環させる前記気体－気体熱交換器からなるプリ熱交換器を連結してなり、
    　前記プリ熱交換器で冷却されたミスト混合気体が前記回収器に供給されてなる溶液の超音波分離装置。
  6. 　請求項１ないし５のいずれか一項に記載の溶液の超音波分離装置であって、
    　前記回収器が、前記凝縮器の排出側に連結してなる気液分離器を備えることを特徴とする溶液の超音波分離装置。
  7. 　請求項６に記載の溶液の超音波分離装置であって、
    　前記気液分離器がサイクロンである溶液の超音波分離装置。
  8. 　請求項１ないし７のいずれか一項に記載の溶液の超音波分離装置であって、さらに
    　前記霧化機から排出されるミスト混合気体を前記回収器に循環する循環路を備え、
    　前記循環路が、前記霧化機と前記凝縮器との間に、前記霧化機から排出されるミスト混合気体から大粒ミストを分級して分離する分級器を連結してなることを特徴とする溶液の超音波分離装置。
  9. 　請求項８に記載の溶液の超音波分離装置であって、
    　前記回収器が、前記凝縮器の排出側に連結してなる気液分離器を備え、
    　前記気液分離器がサイクロンであって、
    　前記分級器が分級サイクロンで、前記分級サイクロンの外径が前記サイクロンの外径よりも大きいことを特徴とする溶液の超音波分離装置。
  10. 　請求項１ないし９のいずれか一項に記載の溶液の超音波分離装置であって、
    　前記霧化機から排出されるミスト混合気体で、前記回収器から排出される搬送気体を加温するプリ熱交換器を備え、
    　前記プリ熱交換器で加温された搬送気体が前記霧化機に循環されてなる溶液の超音波分離装置。
  11. 　請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の溶液の超音波分離装置であって、さらに
    　前記霧化機に供給する溶液を加温する加温器と、
    　前記加温器で加温される溶液で前記回収器から排出される搬送気体を加温する温水熱交換器とを備え、
    　前記回収器から排出される搬送気体が、前記温水熱交換器で加温されて前記霧化機に循環されてなる溶液の超音波分離装置。
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