(57)【要約】【課題】  液体濃縮システムにおいて、安定して液体を濃縮するとともに、蒸気と濃縮液とを確実に分離する。【解決手段】  液体濃縮システム１００は、液体濃縮器１を有する。液体濃縮器は、溝付き管１８と、この溝付き管の外周面側に配置された外管１０と、溝付き管の内周側のほぼ中心部に配置され、溝付き管内部に供給された処理対象液体の揮発成分を外部に導く部材３１，３２，１６とを有する。溝付き管と外管との間に、溝付き管内部とは隔離した空間を形成し、この空間に温水を供給する。溝付き管の内周側の処理空間は、真空排気手段９８で減圧される。温水を供給する温水供給手段に、溝付き管に供給する温水の温度を測定する手段８３を設ける。液体濃縮器に、溝付き管の内部の圧力を計測する手段８６と、処理対象液体の濃縮成分が流通する部材１７およびその部材に介在させた流量調整弁９６と、を設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧雰囲気で処理対象液体の揮発成分を蒸発させて液体を濃縮する液体濃縮器を有する液体濃縮システムにおいて、
前記液体濃縮器は、内周側に上下方向に延びる多数の溝が形成された溝付き管と、この溝付き管とほぼ同心であって溝付き管の外周面側に配置された外管と、溝付き管の内周側のほぼ中心部に配置され、溝付き管内部に供給された処理対象液体の揮発成分を外部に導く部材とを有し、前記溝付き管と外管との間に溝付き管内部とは隔離した空間を形成し、前記液体濃縮器に、温水をこの空間に供給する手段と、前記溝付き管の内周側の処理空間を減圧する真空排気手段と付設し、前記温水供給手段に溝付き管に供給する温水の温度を測定する手段を、前記液体濃縮器に溝付き管の内部の圧力を計測する手段と処理対象液体の濃縮成分が流通する部材およびその部材に介在させた流量調整弁とをそれぞれ設けたことを特徴とする液体濃縮システム。
【請求項２】
前記圧力計測手段および温度測定手段の出力が入力され、前記流量調整弁を制御する制御装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載の液体濃縮システム。
【請求項３】
液体濃縮器を用いて、減圧雰囲気で処理対象液体の揮発成分を蒸発させて液体を濃縮する液体濃縮方法において、
前記液体濃縮器の外管と溝付き管の間に形成される空間に、外管の下部から温水を供給し上部から排出し、この温水を温水循環装置で循環させ、この循環する温水の計測温度に基づいて、前記液体濃縮器が有する溝付き管の内周側に形成される処理空間の圧力を調整することを特徴とする液体濃縮方法。
【請求項４】
前記液体濃縮器には流量調整弁が付設されており、処理空間の圧力をこの流量調整弁の開度を調整して制御し、溝付き管に供給される処理液体の液面を沸騰させずに蒸発させることを特徴とする請求項３に記載の液体濃縮方法。
【請求項５】
前記液体濃縮器には真空排気手段が付設されており、この真空排気手段により前記処理空間の圧力を減圧雰囲気とすることを特徴とする請求項４に記載の液体濃縮方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液面から液体を蒸発させて濃縮する液体濃縮システムおよび液体濃縮方法に係り、特に減圧下で濃縮するのに好適な液体濃縮システムおよび液体濃縮方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の液体濃縮方法の例が、特許文献１に開示されている。この公報に記載の減圧蒸発濃縮装置では、蒸発凝縮水側に被処理液中の被揮発成分が混入しないように、被処理液の蒸気を発生させる蒸発沸騰缶部の上方に隣接して、蒸発沸騰缶部から供給される蒸気を冷却・凝縮する冷却凝縮室部を設けている。さらに、蒸発面の上方に、被処理液の蒸発面から蒸発した被処理液の蒸気を冷却凝縮室部の上部に導く蒸気通路を、冷却凝縮室部内に、蒸気通路の周囲に被処理液の蒸気を凝縮させる冷却蛇管をそれぞれ設けている。また、蒸気沸騰缶部の液体あるいは固体が、冷却凝縮室部に到達しないように、ミスト除去手段を蒸気通路に設けている。
【０００３】
従来の液体濃縮の他の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載の濃縮装置は、濃縮倍率を増大させるためにロータリーエバポレータを用い、加熱手段と減圧手段とを備えている。そして、エバポレータが試料水を蒸発濃縮し、エバポレータの減圧を利用して、給水手段が試料水をエバポレータに給水している。エバポレータ内の試料水は、重量測定手段により測定される。エバポレータの凝縮部に冷却水を供給し、凝縮手段が蒸発した試料水の水蒸気を冷却している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３４４７００号公報
【特許文献２】特開平５−２７３１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
液体を濃縮するにあたり、加熱効率の向上と濃縮時間の短縮化が要求されている。上記特許文献１に記載の減圧濃縮装置においては、被処理液の蒸気を発生させるために、蒸気沸騰缶部にヒータを配置している。そのため、ヒータを収容する蒸気沸騰缶部の壁面近傍に、周囲に比べて温度が高い領域であるホットスポットが発生する恐れがある。ホットスポットが形成されると、蒸気沸騰缶部内を均一に加熱することができなくなり、加熱効率が低下する。
【０００６】
また、ヒータ等を用いて蒸発沸騰缶部を均一に加熱するためには、蒸発沸騰缶部の容積を小さくするのがよい。蒸発沸騰缶部の容積を減少させると、被処理液が蒸発するのに必要な気液界面の面積が小さくなる。その結果、蒸発量が低減し、濃縮に要する時間が増大する。
【０００７】
気液界面の面積を増大させる目的で、例えば特許文献２に記載のようなロータリーエバポレータが用いられている。ロータリーエバポレータでは、フラスコを回転させて、被処理液をフラスコの内壁面に薄く液膜状に付着させる。そして、付着した液膜を加熱蒸発させる。フラスコが回転するので加熱方法が複雑になり、均一な薄膜面が形成されても均一な温度場を形成することが困難である。そのため、加熱効率の向上を達成しにくい。
【０００８】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、液体濃縮システムにおいて、従来よりも安定した液体濃縮を可能にすることにある。また、蒸気と濃縮液とを確実に分離する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、減圧雰囲気で処理対象液体の揮発成分を蒸発させて液体を濃縮する液体濃縮器を有する液体濃縮システムにおいて、前記液体濃縮器は、内周側に上下方向に延びる多数の溝が形成された溝付き管と、この溝付き管とほぼ同心であって溝付き管の外周面側に配置された外管と、溝付き管の内周側のほぼ中心部に配置され、溝付き管内部に供給された処理対象液体の揮発成分を外部に導く部材とを有し、前記溝付き管と外管との間に溝付き管内部とは隔離した空間を形成し、前記液体濃縮器に、温水をこの空間に供給する手段と、前記溝付き管の内周側の処理空間を減圧する真空排気手段と付設し、前記温水供給手段に溝付き管に供給する温水の温度を測定する手段を、前記液体濃縮器に溝付き管の内部の圧力を計測する手段と処理対象液体の濃縮成分が流通する部材およびその部材に介在させた流量調整弁とをそれぞれ設けたことにある。
【００１０】
そしてこの特徴において、圧力計測手段および温度測定手段の出力が入力され、流量調整弁を制御する制御装置を設けることが好ましい。
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の他の特徴は、液体濃縮器を用いて、減圧雰囲気で処理対象液体の揮発成分を蒸発させて液体を濃縮する液体濃縮方法において、前記液体濃縮器の外管と溝付き管の間に形成される空間に、外管の下部から温水を供給し上部から排出し、この温水を温水循環装置で循環させ、この循環する温水の計測温度に基づいて、前記液体濃縮器が有する溝付き管の内周側に形成される処理空間の圧力を調整することにある。
【００１２】
そしてこの特徴において、前記液体濃縮器には流量調整弁が付設されており、処理空間の圧力をこの流量調整弁の開度を調整して制御し、溝付き管に供給される処理液体の液面を沸騰させずに蒸発させることが好ましい。また、液体濃縮器には真空排気手段が付設されており、この真空排気手段により前記処理空間の圧力を減圧雰囲気とすることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、液体濃縮システムにおいて、濃縮対象液体を蒸発させる容器内の圧力を調整可能としたので、液体を大気圧での沸点以下で濃縮でき、液体の加熱面からの飛散を防止できる。その結果、液体を安定して濃縮できるとともに、蒸気と濃縮液とを確実に分離できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る液体濃縮器の一実施例を、図面を用いて説明する。図１に、液体濃縮器１を用いた液体濃縮システム１００を、ブロック図で示す。本実施例に記載の液体濃縮システム１００では、液体濃縮器１内を減圧し、その減圧された雰囲気内に処理液体を導入する。そして、処理液体を加熱して揮発成分を蒸発させて、処理液体を濃縮する。
【００１５】
具体的には、原料タンク９０内に収容した処理液体を、配管を介して液体濃縮器１内に導く。配管の途中には、液体濃縮器１に導く液体の供給流量を調整する原料調整バルブ９１が、取り付けられている。液体濃縮器１では、処理液体から揮発性成分を蒸発させて、液体を濃縮する。液体濃縮器１には、この液体濃縮器１内部の処理液体を加熱するために、温度調節機能を備えた温水循環装置９２が取り付けられている。温水循環装置９２は、液体濃縮器１の内部であって、処理液体が供給される部分とは隔離された部分に温水を供給する。なお、液体濃縮器１に供給される温水の温度を、温水用温度センサ８３が検出し、温水量を制御する制御装置５０に入力される。
【００１６】
図２に斜視図で示すように、液体濃縮器１は、パイプ状の外管１０に、上フタ１１と下フタ１２をネジで取り付けて密閉した円筒形をしている。そしてこの液体濃縮器１は、垂直に設置される。外管１０の側部であって下部には温水の入口である温水供給管１３が、外管１０の側部であって上部には温水の出口である温水吐出管１４が取り付けられている。
【００１７】
温水循環装置９２から供給された温水は、液体濃縮器１内を加熱した後、温水循環装置９２に戻される。上フタ１１には、原料供給管１５が取り付けられている。原料タンク９０から供給された液体の食酢は、原料供給管１５から液体濃縮器１内に導かれる。下フタ１２には、蒸気吐出管１６と濃縮液吐出管１７が取り付けられている。液体濃縮器１内で分離された蒸気と濃縮液は、これらの吐出管１６、１７を経て、下流側に導かれる。なお、各管１５〜１７、１９の先端には、管用フランジ１９が形成されており、他の機器との接続および取り外しが容易になっている。
【００１８】
蒸気吐出配管１６には、液体濃縮器１から吐出される揮発性成分の蒸気を、露点以下にまで冷却して液化する熱交換器９３が接続されている。液体濃縮器１と熱交換器９３を結ぶ配管１６には、液体濃縮器１内の圧力を測定する圧力計（真空計）８５と、液体濃縮器１内の圧力を制御する圧力調整バルブ８６が取り付けられている。圧力計８５の出力は、制御装置５０に入力され、制御装置５０は圧力調整バルブ８６の開度をフィードバック制御する。
【００１９】
熱交換器９３には、冷却水が供給されており、揮発性成分の蒸気と熱交換する。冷却水は、ポンプ等の駆動源を有する冷却水循環装置９４から供給される。熱交換器９３で熱交換して液化した揮発性成分は、配管１６ｂにより蒸発液タンク９５に導かれ、蒸発液タンク９５に貯蔵される。
【００２０】
一方、濃縮液が流通する配管１７は、濃縮液タンク１０１に接続されており、揮発性成分が取り除かれた濃縮液は、濃縮液タンク１０１に貯蔵される。濃縮液タンク１０１と液体濃縮器１を結ぶ配管である濃縮液ラインには、この濃縮液ラインの圧力損失を調整し、蒸気が濃縮液ラインに逆流することを防止する２個の濃縮ライン調整バルブ９６と、２個の濃縮ライン調整バルブ９６間に配置された逆止弁９９とが設けられている。濃縮ライン調整バルブ９６は、制御装置５０により制御される。
【００２１】
通常の濃縮動作中は、下側に設けた濃縮ライン調整バルブ９６を閉じ、上側に設けた濃縮ライン調整バルブ９６を開く。この状態で濃縮動作を開始すると、、下側の調整バルブ９６の上方に濃縮液が溜まってくる。上下の調整バルブ９６，９６間には、液面センサ９７が取り付けられている。
【００２２】
下側の調整バルブ９６の上に濃縮液が所定量溜まったことを液面センサ９７が検出すると、制御装置５０は上側の調整バルブ９６を閉じ、下側の調整バルブ９６を開く。これにより、下側の調整バルブ９６の情報に溜まった濃縮液は、濃縮液タンク１０１に排出される。下側の調整バルブ９６の上方に溜まった濃縮液が排出されたら、下側の調整バルブ９６を閉じ、上側の調整バルブ９６を閉じ、濃縮を継続する。これにより、濃縮液側へ蒸気が混入するのを防止または低減でき、濃縮率を安定化させることができる。
【００２３】
濃縮液を貯蔵する濃縮液タンク１０１と蒸発液タンク９５とは、配管により真空ポンプ９８に接続されている。真空ポンプ９８は、原料タンク９０から蒸発液タンク９５および濃縮液タンク１０１に至るまでの連通路を、下流側から減圧する。これにより、被処理液体やその揮発成分と揮発成分の凝縮液である蒸発液、不揮発性成分である濃縮液液体が移動する。それとともに、減圧環境である真空雰囲気が形成される。
【００２４】
このように構成した液体濃縮システム１００の詳細な動作を、以下に説明する。濃縮対象となる液体は、たとえば、食酢である。以下、食酢を例に取る。原料タンク９０に貯蔵された食酢は、真空ポンプ９８が発生した負圧により、原料タンク９０から液体濃縮器１へと移動する。このとき、制御装置５０が、原料調整バルブ９１の開度を適宜調整する。これにより、液体の食酢の適切な流量が得られる。なお、真空ポンプ９８が発生した負圧だけでは、所望の流量とならない場合には、チューブポンプなどの補助送液機構を使用する。
【００２５】
液体濃縮器１の内部は、真空ポンプ９８の発生した圧力（負圧）が圧力調整バルブ８６により調整されて、所定の圧力まで減圧される。温水循環装置９２が供給する温水は、圧力調整バルブ８６で調整された圧力における沸点よりも低い温度に設定されている。温水循環装置９２が、沸点よりも低い温水を液体濃縮器に供給し、液体濃縮器１に導かれた食酢を、供給された温水が間接的に加熱する。その結果、液体中の揮発性成分が沸騰を伴わずに、１００℃以下の温度で蒸発することが可能になる。
【００２６】
ここで、液体を１００℃以下で加熱して濃縮するのは、以下の理由による。液体の種類によっては、高温で加熱すると原料が変性する場合がある。また、高温で加熱するためには、高い熱エネルギーが必要となる。これらの不具合を回避するために、本実施例では、液体濃縮システム１００の出口側から真空ポンプ９８で液体濃縮システム１００内を排気して液体濃縮器１を減圧し、液体濃縮器１内に導かれた液体の沸点を低下させている。なお本実施例では、液体濃縮器１を加熱する加熱源に温水を使用しているが、より高い熱エネルギーが必要な場合には、温水の代わりに高温蒸気あるいは減圧した低温蒸気を用いるのがよい。
【００２７】
液体濃縮器１内では、蒸発した揮発性成分と液体のままの濃縮液が分離する。この様子を、図３に示す液体濃縮器１の縦断面図を用いて説明する。液体濃縮器１は、円筒状の外管１０と、この外管１０内に外管と同心状に配置された溝付き管１８とを有している。溝付き管１８の内周面側には、円周方向に多数浅い溝が配置されており、この溝は上下方向に延びている。
【００２８】
外管１０と溝付き管１８とは、図示していないＯリング２０によりシールされて、その間に溝付き管１８内周面側とは隔離した空間が形成される。溝付き管１８の内周面側であってほぼ中央部には、下フタ１２側から上方に順に、蒸気吐出管１６および濃縮液捕集ブロック３２、蒸気捕集ブロック３１が配置されている。蒸気捕集ブロック３１の先端部は、上フタ１１とは間隔を置いている。外管１０および溝付き管１８、濃縮液捕集ブロック３２は、三重管構造となっている。
【００２９】
外管１０の上端部に接続する上フタ１１の下面側には、原料供給管１５から供給された液体の食酢を、溝付き管１８の内周面側に導く流路が形成されている。蒸気捕集ブロック３１の下部は、円錐状に形成されている。一方、濃縮液捕集ブロック３２は、中央部が凹んだ皿状に形成されている。蒸気捕集ブロック３１の円錐部の下面と濃縮液捕集ブロック３２の皿状部の上面間には、液体濃縮器１の内部で濃縮された濃縮液が、濃縮液吐出管１７から円滑に排出されるように、傾斜した流路が形成されている。
【００３０】
原料タンク９０から供給され、上フタ１１の下面側に形成された流路を経た液体は、溝付き管１８の上端部付近の内周面側に、周方向に均一になるように供給される。溝付き管１８の内周面側には、多数の深さが数ｍｍ程度の浅い溝が形成されているので、溝付き管１８に供給された液体は、溝表面を伝って、流下する。
【００３１】
ところで、溝付き管１８の背面側である外周面側には、温水循環装置９２から供給された温水が、図３中において点線矢印で示すように循環供給されているので、溝付き管１８を流下する液体は、温水により間接的に加熱される。ここで、温水が外管１０の下部から液体濃縮器１に導入され、外管１０の上部から排出されるように、温水の循環路を形成する。この理由は、流下する液体の食酢との熱交換を、対向流型にして熱交換効率を高めること、および温水を溝付き管１８の背後の空間に均等に行渡らせるためである。
【００３２】
温水により、ほぼ均一に加熱された溝付き管１８は、濃縮対象である液体を加熱する。その際、溝付き管１８の内部の空間は真空ポンプ９８により減圧されているので、液体の沸点が降下しており、低温で濃縮対象液体を蒸発させることが可能になる。ここで、溝付き管１８を流下する液体は、溝により溝付き管１８との接触表面積が増大し、さらに蒸発が促進される。
【００３３】
溝付き管１８表面から蒸発した揮発成分の蒸気は、図３中に波線で示したように、溝付き管１８内部を上昇した後、上フタ１１部に妨げられて降下し、溝付き管１８の内部のほぼ中央部に配置された蒸気捕集ブロック３１の内部に形成された流路に流入し、降下し続ける。そして、蒸気吐出管１６から液体濃縮器１外へ流出する。
【００３４】
蒸気吐出管１６から液体濃縮器１外に流出した気化した揮発性成分は、熱交換器９３へと移動する。熱交換器９３内で、冷却水と熱交換して冷却された揮発性成分は、凝縮して液体に変化し、蒸発液タンク９５へ導かれて貯蔵される。不揮発性の濃縮液は、濃縮液吐出管１７から、濃縮液タンク１０１へ導かれて濃縮液タンク９５に貯蔵される。このとき、濃縮ライン調整バルブ９６を、蒸気の流れるラインよりも濃縮液の流れるラインの抵抗が大きくなるように、所定開度に開閉する。これにより、濃縮液ラインから蒸気の流れるラインへの濃縮液の逆流が防止され、確実に気液分離できる。
【００３５】
なお上記実施例では、原液から特定の揮発性成分を取り出して濃縮する場合を例にとり説明したが、濃縮する液体は、沸点の異なる複数の液体を混合した混合液でもよい。その場合、沸点の低い液体が上記実施例の揮発性成分、沸点の高い液体が上記実施例の非揮発性成分に対応する。また、長時間連続して運転する場合には、原料タンク９０の上流に原液を補充するライン８０を設け、濃縮液タンク１０１の下流に液体取り出し用ライン８１を、蒸発液タンク９５の下流に液体取り出し用ライン８２を設けて、適宜液体を補充および排出するようにするのがよい。
【００３６】
上述した本実施例によれば、液体濃縮器１が可動部を有しておらず、液体濃縮中には液体濃縮器１の内部の部材が動かないスタティックな構造であるから、可動部に起因する故障等を防止でき、信頼性が向上する。また、蒸発空間内の真空圧と蒸発面の温度を自動的に調整できるので、濃縮対象液が、高温では変性する恐れのある物質等であっても、変性しないような温度条件で、濃縮が可能になる。さらに、上記実施例では、液体濃縮器１内のと、循環温水の温度とを制御装置５０に入力して、濃縮ライン調整バルブ９６を制御するようにしているが、制御装置５０を省いて人手で濃縮ライン調整バルブ９６を調整するようにしてもよい。これは、濃縮対象液体が特定のものに定まっており、濃縮の条件が予めほぼ知られている場合に有効で、高価な制御装置が不要であるから、安価になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る液体濃縮器の一実施例のブロック図。
【図２】図１に示した液体濃縮器の外観斜視図。
【図３】図２に示した液体濃縮器のＡ−Ａ矢視断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１…液体濃縮器、１０…外管、１１…上フタ、１２…下フタ、１３…温水供給管、１４…温水吐出管、１５…原料供給管、１６…蒸気吐出管（蒸気ライン）、１７…濃縮液吐出管（濃縮液ライン）、１８…溝付き管、１９…溝付き管上フタ、２０…Ｏリング、３１…蒸気捕集ブロック、３２…濃縮液捕集ブロック、５０…制御装置、８０…液体補充ライン、８１…濃縮液取り出しライン、８２…蒸発液取り出しライン、８３…温水用温度センサ、８４…温水用熱源、８５…真空圧力センサ、８６…圧力調整バルブ、９０…原料タンク、９１…原料調整バルブ、９２…温水循環装置、９３…熱交換器、９４…冷却水循環装置、９５…蒸発液タンク、９６…濃縮ライン調整バルブ、１０１…濃縮液タンク、９８…真空ポンプ、１００…液体濃縮システム。
【図１】
2008289984.tif 000003
【図２】
2008289984.tif 000004
【図３】
2008289984.tif 000005