(57)【要約】【課題】  水溶液の蒸発濃縮を低コストで効率良く行う水溶液の蒸発濃縮装置を提供する。【解決手段】  水溶液を加熱蒸発させる第１の蒸発器３０と、第１の蒸発器３０で生成された水溶液の蒸気を加熱源として熱媒液を加熱することにより、熱媒蒸気を生成する第２の蒸発器５０と、第２の蒸発器５０で生成された熱媒蒸気を駆動蒸気により吸引して圧縮するエゼクタ２０と、エゼクタ２０により圧縮された熱媒蒸気を更に圧縮する圧縮装置２６とを備え、圧縮装置２６で昇温された熱媒蒸気を第１の蒸発器３０の加熱源として利用する水溶液の蒸発濃縮装置１。【選択図】  図１
2010046571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水溶液を蒸発濃縮する方法であって、
蒸発器内での加熱により生成された水溶液の蒸気を、駆動蒸気によりエゼクタ内に吸引して圧縮した後、圧縮装置により更に圧縮して昇温し、前記蒸発器の加熱源として利用する水溶液の蒸発濃縮方法。
【請求項２】
水溶液を蒸発濃縮する方法であって、
第１の蒸発器内での加熱により生成された水溶液の蒸気を加熱源として、第２の蒸発器内で熱媒液を加熱して生成した熱媒蒸気を、駆動蒸気によりエゼクタ内に吸引して圧縮した後、圧縮装置により更に圧縮して昇温し、前記第１の蒸発器の加熱源として利用する水溶液の蒸発濃縮方法。
【請求項３】
水溶液を加熱蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で生成された水溶液の蒸気を駆動蒸気により吸引して圧縮するエゼクタと、
前記エゼクタにより圧縮された蒸気を更に圧縮する圧縮装置とを備え、
前記圧縮装置で昇温された蒸気を前記蒸発器の加熱源として利用する水溶液の蒸発濃縮装置。
【請求項４】
水溶液を加熱蒸発させる第１の蒸発器と、
前記第１の蒸発器で生成された水溶液の蒸気を加熱源として熱媒液を加熱することにより、熱媒蒸気を生成する第２の蒸発器と、
前記第２の蒸発器で生成された熱媒蒸気を駆動蒸気により吸引して圧縮するエゼクタと、
前記エゼクタにより圧縮された熱媒蒸気を更に圧縮する圧縮装置とを備え、
前記圧縮装置で昇温された熱媒蒸気を前記第１の蒸発器の加熱源として利用する水溶液の蒸発濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水溶液の蒸発濃縮方法および蒸発濃縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水溶液を蒸発濃縮する装置として、例えば特許文献１の構成が知られている。この蒸発濃縮装置は、図３に示すように、複数の伝熱管２０２を有する蒸発缶２０１を備えており、蒸発缶２０１に貯留された水溶液をポンプ２０３により汲み上げて、散布器２０４から各伝熱管２０２の外表面に散布することにより、水溶液を加熱蒸発させる。
【０００３】
蒸発缶２０１は、吸い込みダクト２０５を介してブロワー圧縮機２０６に接続されており、蒸発缶２０１で生成された蒸気は、ブロワー圧縮機２０６で圧縮された後、蒸気ダクト２０７を介して複数の伝熱管２０２の内部を通過することにより、水溶液を蒸発させるための加熱源として利用される。
【０００４】
また、蒸気ダクト２０７には分岐管２０８を介してエゼクタ２０９が接続されており、ブロワー圧縮機２０６で圧縮された蒸気は、蒸気切替弁２１０を閉じた状態で駆動蒸気供給管２１１からエゼクタ２０９に駆動蒸気を導入することにより、エゼクタ２０９に吸引されて更に圧縮される。
【０００５】
特許文献１の蒸発濃縮装置によれば、水溶液が低濃度の場合には、蒸気切替弁２１０を開にしてブロワー圧縮機２０６を作動することにより、蒸発缶２０１で生成された蒸気がブロワー圧縮機２０６により一段圧縮される。そして、水溶液が徐々に蒸発濃縮されて中濃度になると、蒸気切替弁２１０を閉にすると共にエゼクタ２０９に駆動蒸気を供給することにより、蒸発缶２０１で生成された蒸気が、ブロワー圧縮機２０６で圧縮された後、エゼクタ２０９で圧縮されて二段圧縮される。こうして、水溶液の高濃度化により沸点上昇が生じても、水溶液の蒸発に必要な伝熱管２０２の表面温度を確保することができる。
【特許文献１】特開平１０−５７７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記従来の蒸発濃縮装置は、蒸気を二段圧縮する場合、エゼクタ２０９で圧縮する前に、先にブロワー圧縮機２０６で圧縮するように構成されているので、ブロワー圧縮機２０６には、低温で比容積が大きい蒸気が導入される。このため、ブロワー圧縮機２０６は、処理すべき容積流量が大きいために、過大な設備が必要とされていた。一方、エゼクタ２０９は、ブロワー圧縮機２０６で圧縮された後の蒸気を吸引するために、高価な駆動蒸気の消費量が多くならざるをえず、この点でも低コスト化の余地があった。    
【０００７】
そこで、本発明は、水溶液の蒸発濃縮を低コストで効率良く行うことができる水溶液の蒸発濃縮方法および蒸発濃縮装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の前記目的は、水溶液を蒸発濃縮する方法であって、蒸発器内での加熱により生成された水溶液の蒸気を、駆動蒸気によりエゼクタ内に吸引して圧縮した後、圧縮装置により更に圧縮して昇温し、前記蒸発器の加熱源として利用する水溶液の蒸発濃縮方法により達成される。
【０００９】
あるいは、本発明の前記目的は、水溶液を蒸発濃縮する方法であって、第１の蒸発器内での加熱により生成された水溶液の蒸気を加熱源として、第２の蒸発器内で熱媒液を加熱して生成した熱媒蒸気を、駆動蒸気によりエゼクタ内に吸引して圧縮した後、圧縮装置により更に圧縮して昇温し、前記第１の蒸発器の加熱源として利用する水溶液の蒸発濃縮方法により達成される。
【００１０】
また、本発明の前記目的は、水溶液を加熱蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で生成された水溶液の蒸気を駆動蒸気により吸引して圧縮するエゼクタと、前記エゼクタにより圧縮された蒸気を更に圧縮する圧縮装置とを備え、前記圧縮装置で昇温された蒸気を前記蒸発器の加熱源として利用する水溶液の蒸発濃縮装置により達成される。
【００１１】
あるいは、本発明の前記目的は、水溶液を加熱蒸発させる第１の蒸発器と、前記第１の蒸発器で生成された水溶液の蒸気を加熱源として熱媒液を加熱することにより、熱媒蒸気を生成する第２の蒸発器と、前記第２の蒸発器で生成された熱媒蒸気を駆動蒸気により吸引して圧縮するエゼクタと、前記エゼクタにより圧縮された熱媒蒸気を更に圧縮する圧縮装置とを備え、前記圧縮装置で昇温された熱媒蒸気を前記第１の蒸発器の加熱源として利用する水溶液の蒸発濃縮装置により達成される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の水溶液の蒸発濃縮方法および蒸発濃縮装置によれば、水溶液の蒸発濃縮を低コストで効率良く行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る蒸発濃縮装置の概略構成図である。図１に示すように、蒸発濃縮装置１は、エゼクタ２０、第１蒸発器３０、第２蒸発器５０および凝縮装置８０を備えている。
【００１４】
エゼクタ２０は、蒸気の吸引・圧縮を行う蒸気圧縮手段であり、蒸気吸い込み側２１には、図示しない蒸気供給源から供給される水蒸気等の駆動蒸気が流通する駆動蒸気供給管路２３、および第２蒸発器５０から延びる蒸気再利用管路５４が接続している。また、エゼクタ２０の吐出側２２には、当該エゼクタ２０により圧縮された蒸気を第１蒸発器３０に導く加熱用蒸気供給管路２４が接続しており、加熱用蒸気供給管路２４には、圧縮装置２６が介在されている。
【００１５】
圧縮装置２６は、加熱用蒸気供給管路２４を通過する気体を機械的に圧縮する装置であり、ブロワやコンプレッサなどを例示することができ、制御が容易な電動式のものを好ましく使用することができる。圧縮装置２６は、所望の圧縮比が得られるように単段または多段のいずれであってもよく、本実施形態では２段式のブロワ（ヒートポンプ）を使用している。
【００１６】
第１蒸発器３０は、水溶液を蒸発濃縮する。この第１蒸発器３０は、密閉型の蒸発缶３１、水溶液散布装置３２、間接式加熱器３３、水溶液蒸気移送管路３４および熱媒液移送管路３５を備えている。蒸発缶３１の底部は、水溶液供給管路１０を介して供給された水溶液を貯留する貯留部を構成している。水溶液としては、アルコール水溶液や、硫酸廃水、塩酸廃水、アンモニア廃水などを例示することができる。
【００１７】
水溶液散布装置３２は、蒸発缶３１の底部に貯留されている水溶液を複数の伝熱管３９の外表面に向けて供給する供給装置であり、蒸発缶３１内の上部に配置され水溶液を散布する水溶液散布ノズル３６と、水溶液散布ノズル３６と蒸発缶３１の底部とを接続する循環管路３７とを備えている。循環管路３７の途中には、蒸発缶３１の底部に貯留されている水溶液を水溶液散布ノズル３６に導く循環ポンプ３７ａが設けられている。また、循環管路３７には、蒸発濃縮後に蒸発缶３１の底部に溜まった水溶液の濃縮液を外部に排出する濃縮液排出管路３８が接続している。
【００１８】
間接式加熱器３３は、蒸発缶３１の内部に設けられる複数の伝熱管３９と、これら複数の伝熱管３９の両端にそれぞれ接続されている第１ヘッダ４０および第２ヘッダ４１とを備えている。第１ヘッダ４０には、エゼクタ２０により圧縮された熱媒蒸気を伝熱管３９に導く加熱用蒸気供給管路２４が接続している。第２ヘッダ４１には、熱媒液移送管路３５が接続しており、熱媒液移送管路３５に介在された熱媒液ポンプ３５ａの作動により、第２ヘッダ４１内に溜まった熱媒液が、後述する第２蒸発器５０の蒸発缶５１に導かれる。熱媒液移送管路３５を通過する熱媒液の一部は、熱媒液移送管路３５の途中から外部に排出することができる。
【００１９】
水溶液蒸気移送管路３４は、第１蒸発器３０にて生成される水溶液の蒸気を排出し、後述の第２蒸発器５０の間接式加熱器５３に導く管路であり、蒸発缶３１の上部と、間接式加熱器５３を構成する第１ヘッダ６０とを接続している。
【００２０】
第２蒸発器５０は、第１蒸発器３０から排出された水溶液の蒸気を加熱源として、熱媒液を加熱する。熱媒液としては、水を例示することができるが、これに限定されるものではない。この第２蒸発器５０は、密閉型の蒸発缶５１、熱媒液散布装置５２、間接式加熱器５３、蒸気再利用管路５４および回収管路５５を備えている。蒸発缶５１、熱媒液散布装置５２および間接式加熱器５３の基本構成は、上述の第１蒸発器３０を構成する蒸発缶３１、水溶液散布装置３２および間接式加熱器３３の基本構成と同様であり、熱媒液散布装置５２は、熱媒液散布ノズル５６と、循環ポンプ５７ａが介在された循環管路５７とを備えている。循環管路５７からは熱媒液排出管路５８が分岐している。
【００２１】
蒸気再利用管路５４は、第２蒸発器５０から排出される熱媒蒸気の少なくとも一部を、第１蒸発器３０において水溶液の蒸気を生成するための加熱源として第１蒸発器３０に供給させるための管路であり、蒸発缶５１の上部とエゼクタ２０の吸い込み側２１とを接続している。この蒸気再利用管路５４の途中には、第２蒸発器５０にて生成される熱媒蒸気を後述の凝縮装置８０に導く凝縮用蒸気管路７０が接続している。
【００２２】
回収管路５５は、伝熱管５９を通過する水溶液の蒸気が当該伝熱管５９を経て凝縮され、間接式加熱器５３の第２ヘッダ６１に溜まった凝縮液を、回収ポンプ５５ａの作動により外部に排出して回収する管路である。
【００２３】
凝縮装置８０は、第２蒸発器５０から導かれた熱媒蒸気を冷却して凝縮することにより凝縮液を生成する装置であり、第２蒸発器５０の蒸気再利用管路５４から分岐して延びる凝縮用蒸気管路７０、冷却水が導かれる冷却水供給管路８１および生成した凝縮水を第２蒸発器５０の蒸発缶５１に戻す凝縮水補給管路８２が接続している。冷却水供給管路８１を介して凝縮装置８０に導かれる冷却水としては、図示しない冷却塔等で冷却された工業用水や冷凍装置で冷却された冷水（チラー水）等を使用できる。
【００２４】
次に、上記の構成を備える蒸発濃縮装置１の作動を説明する。まず、第１蒸発器３０の蒸発缶３１には、水溶液供給管路１０から水溶液を供給する。蒸発缶３１の底部に貯留された水溶液は、循環ポンプ３７ａの作動により循環管路３７を通過して水溶液散布ノズル３６に供給され、各伝熱管３９の外表面に散布される。
【００２５】
各伝熱管３９の内部は、圧縮装置２６から供給される水蒸気などの高温の熱媒蒸気が通過し、伝熱管３９の内外における熱交換により水溶液の一部が蒸発する。こうして生成された水溶液の蒸気は、蒸発缶３１の上部から蒸気移送管路３４を経て、第２蒸発器５０の第１ヘッダ６０に供給される。
【００２６】
伝熱管３９の外表面において蒸発しなかった水溶液は、各伝熱管３９の外表面に沿って流下して蒸発缶３１の底部に貯留され、再び循環管路３７を経て水溶液散布ノズル３６から散布される。蒸発缶３１で濃縮された水溶液は、循環管路３７の途中から一部を濃縮液排出管路３８に分流させて、外部に排出することができる。
【００２７】
一方、伝熱管３９の内部を通過して水溶液と熱交換した熱媒蒸気は、冷却されて熱媒液となり、第２ヘッダ４１に貯留される。この熱媒液は、熱媒液ポンプ３５ａの作動により一部が外部に排出され、残部が熱媒液移送管路３５を介して第２蒸発器５０の蒸発缶５１に供給される。
【００２８】
第２蒸発器５０においては、蒸発缶５１に貯留された熱媒液が、循環ポンプ５７ａの作動により熱媒液散布ノズル５６から各伝熱管５９の外表面に散布される。伝熱管５９の内部は、第１蒸発器３０から供給された水溶液の蒸気が通過し、伝熱管５９の内外における熱交換により熱媒液の一部が蒸発する。生成された熱媒蒸気は、駆動蒸気供給管路２３からエゼクタ２０への駆動蒸気の供給により、エゼクタ２０に吸引されて圧縮され、駆動蒸気と共に圧縮装置２６に向けて供給される。そして、圧縮装置２６において機械的な圧縮が行われた後、第１蒸発器３０の第１ヘッダ４０に供給され、第１蒸発器３０において水溶液を蒸発するための加熱源として利用される。
【００２９】
余剰の熱媒蒸気は、凝縮用蒸気管路７０を経て凝縮装置８０に供給され、冷却水供給管路８１を通過する冷却水との熱交換により凝縮される。生成された凝縮液は、凝縮水補給管路８２を介して再び第２蒸発器５０の蒸発缶５１に戻される。
【００３０】
伝熱管５９の外表面において蒸発しなかった熱媒液は、伝熱管５９の外表面に沿って流下して蒸発缶５１の底部に貯留され、再び循環管路５７を経て熱媒液散布ノズル５６から散布される。循環管路５７を通過する熱媒液の一部は、熱媒液排出管路５８を介して外部に排出することができる。こうして、第２蒸発器５０の蒸発缶５１には、常時一定量の熱媒液が貯留された状態で、熱媒液と水溶液蒸気との熱交換が行われる。
【００３１】
伝熱管５９の内部を通過して熱媒液と熱交換した水溶液の蒸気は、冷却されて凝縮液となり、第２ヘッダ６１に貯留される。この凝縮液は、回収ポンプ５５ａの作動により、回収管路５５を経て回収酸等として回収される。
【００３２】
このように、本実施形態に係る蒸発濃縮装置１によれば、第２蒸発器５０で生成された熱媒蒸気が、まずエゼクタ２０で圧縮された後に、圧縮装置２６で更に圧縮されて、第１蒸発器３０で水溶液を蒸発させるための加熱源として利用される。したがって、比較的低温の熱媒蒸気を、小流量の駆動蒸気によりエゼクタ２０に効率良く吸引することができると共に、圧縮装置２６においては、エゼクタ２０で昇温された蒸気を圧縮するため容積流量の低減を図ることができ、従来に比べて圧縮装置２６の小型化を図ることができる。この結果、第１蒸発器３０における水溶液の蒸発濃縮を、低コストで効率良く行うことができる。特に、水溶液の蒸発濃縮処理を連続的に行う場合には、特許文献１に開示された構成においてブロワー圧縮機とエゼクタとを常時併用しなければならず、上記の効果がより顕著なものとなることから、本発明の蒸発濃縮装置は、大量の水溶液を連続処理する場合に、特に好適である。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明の具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、第１蒸発缶３０及び第２蒸発缶５０を設け、それぞれにおいて水溶液及び熱媒液を蒸発させて加熱源とすることにより水溶液と熱媒液とを完全に分離し、水溶液の蒸気がエゼクタ２０や圧縮装置２６に供給されないように構成しているが、図２に示す蒸発濃縮装置１００のように、蒸発器１１０で生成された水溶液の蒸気を、蒸発器１１０自体の加熱源として利用するように構成することも可能である。
【００３４】
図２において、蒸発器１１０は、密閉型の蒸発缶１１１、水溶液散布装置１１２、間接式加熱器１１３、蒸気再利用管路１１４および回収管路１１５を備えている。蒸発缶１１１、水溶液散布装置１１２および間接式加熱器１１３の基本構成は、図１の第１蒸発器３０を構成する蒸発缶３１、水溶液散布装置３２および間接式加熱器３３の基本構成と同様であり、水溶液散布装置１１２は、水溶液散布ノズル１１６と、循環ポンプ１１７ａが介在された循環管路１１７とを備えている。循環管路１１７からは水溶液排出管路１１８が分岐しており、蒸発缶１１１で濃縮された水溶液を排出することができる。
【００３５】
蒸気再利用管路１１４は、蒸発缶１１１の上部とエゼクタ２０の吸い込み側２１とを接続しており、蒸気再利用管路１１４の途中には、蒸発缶１１１で生成される水溶液蒸気の一部を凝縮装置８０に導く凝縮用蒸気管路７０が接続している。エゼクタ２０、圧縮装置２６及び凝縮装置８０の構成は、図１と同様であるため、図１と同じ番号を付して説明を省略する。
【００３６】
水溶液供給管路１０１から蒸発缶１１１に供給された水溶液は、水溶液散布装置１１２により散布され、間接式加熱器１１３の伝熱管１１９内を通過する高温蒸気により、伝熱管１１９の外表面で蒸発する。生成された水溶液の蒸気は、エゼクタ２０への駆動蒸気の供給によりエゼクタ２０に吸引された後、圧縮装置２６で更に機械的に圧縮され、蒸発器１１０の第１ヘッダ１２０を経て伝熱管１１９に供給される。
【００３７】
伝熱管１１９の内部を通過した蒸気は、伝熱管１１９の内外における熱交換により冷却されて凝縮液となり、第２ヘッダ１２１に貯留される。この凝縮液は、回収管路１１５を介して凝縮装置８０に供給され、凝縮用蒸気管路７０から供給された水溶液蒸気と共に、凝縮液排出管路８３から外部に排出される。
【００３８】
本実施形態の蒸発濃縮装置１１０についても、図１に示す蒸発濃縮装置１と同様に、エゼクタ２０に供給する駆動蒸気の消費量、および圧縮装置２６の駆動電力を抑制することができ、水溶液の蒸発濃縮処理を効率良く行うことができる。
【実施例】
【００３９】
本発明の実施例及び比較例に基づき、本発明を更に詳細に説明する。但し、本発明の具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。
【００４０】
図１に示す蒸発濃縮装置のように、第２蒸発器５０から排出された熱媒蒸気を、まずエゼクタ２０に導入して圧縮した後、圧縮装置２６の２段のブロワ（ヒートポンプ）で圧縮した場合に得られる温度差を測定した。これを実施例１として表１に示す。表１において、「ＥＪ蒸気消費量」は、エゼクタ２０における駆動蒸気の流量（重量流量）を示し、「ＨＰ１軸動力」及び「ＨＰ２軸動力」は、圧縮装置２６の２つのブロワの消費電力を示している。実施例１では、エゼクタ２０に導入前の熱媒蒸気が４２．０℃であるのに対し、圧縮装置２６から吐出後の蒸気温度が６３．３℃まで昇温されており、２１．３℃の温度差が得られている。
【００４１】
これに対し、熱媒蒸気を、まず２段のブロワで圧縮した後に、エゼクタで圧縮した場合に得られる温度差を測定したところ、表１に比較例１として示すように、実施例１と同じＥＪ蒸気消費量に対し、温度差は２０℃しか得られなかった。
【００４２】
そこで、比較例１の条件で２段のブロワの回転数を上昇させ、実施例１と同じ温度差が得られるようにしたところ、表１に比較例２として示すように、ＥＪ蒸気消費量、ならびにＨＰ１軸動力およびＨＰ２軸動力の合計は、実施例１のものと比べていずれも増加し、実施例１との効果の差は明らかであった。
【００４３】
【表１】
2010046571.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態に係る蒸発濃縮装置の概略構成図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る蒸発濃縮装置の概略構成図である。
【図３】従来の蒸発濃縮装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４５】
１，１００  蒸発濃縮装置
２０  エゼクタ
２６  圧縮装置
３０  第１蒸発器
５０  第２蒸発器
１１０  蒸発器
【図１】
2010046571.tif 000004
【図２】
2010046571.tif 000005
【図３】
2010046571.tif 000006