(57)【要約】【課題】多重熱交換真空蒸留、冷却、凍結による溶液分離及び海水淡水化の方法とその設備。【解決手段】蒸発缶２１、熱交換器４を多段に積み重ね、各蒸発缶には熱交換蒸発面２１１を液面近傍に配置して熱循環溶液を導管ｂ、ｃを経て流通させて缶内の減圧条件下の処理溶液を設定温度に加熱して蒸発させ、導管ａをへて熱交換器４で熱循環溶液と熱交換して凝縮させて真空容器９にて回収する。熱循環溶液及び処理溶液は、それぞれ導管ｃ及びｊを経て次段の蒸発缶に導かれ、同様の過程を繰り返して順次温度が低下し、最終段で熱循環溶液は冷却されて熱交換器４を逆に経由することにより、順次温度を上昇し、再び最上段の設定温度に加熱されて上記過程を繰り返し、処理溶液は、最終段において冷却されて減圧に寄与する過程を繰り返す。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理対象となる脱気液体を落差により排出することにより蒸発缶内雰囲気を減圧せしめ、この減圧条件を初期状態として減圧、すなわち真空蒸留の温度を設定する真空蒸留の定温蒸留ユニット或いは真空冷却の定温蒸留ユニットを構成し、
該脱気溶液を上記真空蒸留の設定温度のもとで沸騰蒸発させ、
蒸発した気体を熱交換媒体と熱交換することにより凝縮させると共に、その蒸発熱を回収し、蒸発と凝縮の熱循環の平衡を維持することを特徴とする定温蒸留法。
【請求項２】
真空冷却の定温蒸留ユニットは、
蒸発缶を凝縮導管で凝縮器と接続し、産出する蒸気を凝縮器内に導入し、
圧力調節弁を凝縮導管の適当な位置に設け、蒸発缶が所定の真空蒸留温度の飽和蒸気圧にあるとき、蒸発缶の蒸気排出量を制御するとともに蒸発缶内の飽和蒸気圧を維持し、
凝縮器は、蒸発熱を回収する熱循環溶液が導管と制御弁を経て同流量で凝縮器に流入及び凝縮器から流出することにより、熱交換と蒸発缶が産出する蒸気の蒸発熱を吸収してその温度を上昇させ、蒸気を凝縮して凝縮液とし、最後に凝縮液を真空容器内に送出して回収し、
一定温度の脱気溶液は導管及びその制御弁を経て異なる流量で蒸発缶に流入及び蒸発缶から流出し、
低位容器とその付属部品は、適当な落差に設置して、脱気溶液、蒸気、及び凝縮液が流れる導管、蒸発缶、及び凝縮器をその落差により減圧、真空にする複数個の導管と制御弁からなることを特徴とする請求項１記載の定温蒸留法。
【請求項３】
真空冷却の定温蒸留ユニットを設け、
熱交換蒸発面を蒸発缶内に設け、蒸発熱の熱循環溶液及びその制御弁を提供し、同流量で熱交換蒸発面に流入及び熱交換蒸発面から流出し、熱交換蒸発面の伝熱を通じて蒸発缶内の脱気溶液を蒸発させるようにしてなることを特徴とする請求項１記載の定温蒸留法。
【請求項４】
脱気液体にて実施する排液真空法は、これにより初期状態に設定するとともにその減圧下での真空蒸留の温度を設定して、真空冷却の定温蒸留ユニット及び真空蒸留の定温蒸留ユニットの初期状態とし、脱気液体にて排液真空法を実施して、脱気溶液、蒸気、及び凝縮液が流れる導管、蒸発缶、及び凝縮器を真空にするとともに密封し、その内部空気圧は無視できるものであり、圧力調節弁を閉じ、真空の蒸発缶内に脱気溶液を適当な高さに達するまで注入し、最後に蒸発缶の真空蒸留の温度を設定し、その温度は脱気溶液と熱循環溶液が蒸発缶と熱交換蒸発面に流入する温度より低いようにしてなることを特徴とする請求項１記載の定温蒸留法。
【請求項５】
定温蒸留法は、脱気溶液及び蒸発熱を提供する熱循環溶液が蒸発缶と熱交換蒸発面に流入、及び蒸発缶と熱交換蒸発面から流出を持続する場合において、蒸発缶が蒸気を産出し続け、その真空蒸留の温度の飽和蒸気圧に達している時に、圧力調節弁を開いて蒸発缶が産出した蒸気を凝縮器内に導入するとともに蒸発缶内の圧力を安定させ、脱気溶液或いは蒸発熱を提供する熱循環溶液の流出温度が真空蒸留の温度より低ければ、圧力調節弁を調整して蒸気の排出量を減少し、流出温度が真空蒸留の温度より高ければ、圧力調節弁を調整して蒸気の排出を増加することを特徴とする請求項１記載の定温蒸留法。
【請求項６】
蒸発及び凝縮の熱循環の平衡維持は、蒸発熱を提供する熱循環溶液の温度が蒸発熱を回収する熱循環溶液の温度より高いことによるもので、蒸発缶の作動温度は凝縮器の作動温度より高くなっていることを特徴とする請求項１記載の定温蒸留法。
【請求項７】
脱気液体と脱気溶液が同じ液体である場合には、排液真空法を実施して蒸発缶の雰囲気を真空にすることを特徴とする請求項４記載の定温蒸留法。
【請求項８】
脱気溶液に残留した空気が脱気溶液、蒸気、凝縮液が流れる導管、蒸発缶、凝縮器内に累積し続け、圧力が脱気溶液の真空蒸留の温度に影響する時、脱気溶液にて再度真空蒸留或いは真空冷却の定温蒸留ユニットの初期状態を実施し、真空度を回復することを特徴とする請求項５記載の定温蒸留法。
【請求項９】
塔状の多重熱交換真空蒸留装置を使用し、これを初期状態に設定し、定温蒸留法、溶液の伝達、及び熱循環溶液再生を組み合わせて、溶液を分離することができ、及び大部分の熱エネルギーを繰り返し使用することができるようにし、熱循環溶液の温度段階に応じて各段の真空蒸留温度を設定することによって溶液の分離を多重熱交換真空蒸留とし、その真空蒸留の温度と飽和蒸気圧は熱交換段数が増すほど低下し、真空蒸留の温度と飽和蒸気圧の使用範囲が増大するため多段化が可能で、単位エネルギーあたり分離する溶液が増加することを特徴とする多重熱交換真空蒸留の溶液分離法。
【請求項１０】
多重熱交換真空蒸留装置は、
前置処理設備を設け、脱気溶液と熱循環溶液をそれぞれ所定温度まで加熱する加熱器とし、
複数個の真空蒸留の定温蒸留ユニットを塔状に積み重ねて成り、第一熱交換段を第二熱交換段の上に重ね、第二熱交換段を第三熱交換段の上に重ね、以下同様の方法で塔状に積み重ね、対応する流入及び流出導管をそれぞれ接続し、
後置処理設備を設け、凝縮液及び濃溶液を回収する真空容器、最終熱交換段から流出する熱循環溶液の温度を下げる熱交換器、凝縮液を回収する真空容器の温度を保持する熱交換器、複数個の真空蒸留の定温蒸留ユニットが共用する低位容器とその付属部品により、真空を付与し及び熱循環溶液の循環ポンプを構成することを特徴とする請求項９記載の多重熱交換真空蒸留の溶液分離法。
【請求項１１】
多重熱交換真空蒸留装置の初期状態は、熱交換段数が下から上へと段数が減少する方式で、熱交換段ごとに真空蒸留の定温蒸留ユニットの初期状態を実施し、熱循環溶液の温度段階に応じて各重の真空蒸留の温度を設定し、その温度は熱交換段数の上から下への段数の増加に従い順次低下し、これにより真空蒸留の温度の飽和蒸気圧は熱交換段数の上から下への段数の増加に従い順次低下することを特徴とする請求項９記載の多重熱交換真空蒸留の溶液分離法。
【請求項１２】
溶液処理の過程は、適当な温度まで加熱した脱気溶液を、熱交換段数が上から下へと段数の増加する方式で、異なる流量で連続して各熱交換段の蒸発缶に流入及び蒸発缶から流出し、脱気溶液の蒸発に伴い、その濃度は熱交換段数の上から下への段数の増加に従い増加し、或いは結晶を析出し、最終熱交換段が排出するのは濃溶液で、真空容器で回収し、その濃溶液は真空冷凍乾燥法を利用して更に溶質を濃縮することができ、蒸発缶に結晶が析出した場合には、脱気溶液が次の熱交換段の蒸発缶に流入する前に結晶物をろ過し、その結晶物を真空容器で回収するようにしてなることを特徴とする請求項９記載の多重熱交換真空蒸留の溶液分離法。
【請求項１３】
熱循環溶液の再生は、所定温度まで加熱した熱循環溶液を、熱交換段数が上から下へと段数が増加する方式で、同流量で連続して各熱交換段の熱交換蒸発面に流入及び熱交換蒸発面から流出し、脱気溶液の蒸発熱を提供し、その温度は熱交換段数の上から下への段数の増加に従い順次低下し、最終熱交換段が排出する熱循環溶液を熱交換器で温度を下げ、循環ポンプの力で熱交換段数が下から上への段数が減少する方で上げて連続して各熱交換段の凝縮器に流入及び凝縮器から流出し、蒸発熱を吸収するとともに、蒸気を凝縮して凝縮液とし、その温度は熱交換段数が下から上へと過程を辿るにつれて順次上昇し、最後に熱循環溶液の加熱器内に還流することを特徴とする請求項９記載の多重熱交換真空蒸留の溶液分離法。
【請求項１４】
熱循環溶液の温度段階は、脱気溶液の気液平衡曲線に基づき設定し、更に熱循環溶液の温度段階に応じて各熱交換段の真空蒸留が使用する温度を設定し、使用する温度範囲は重複しないため、熱循環溶液が各熱交換段の真空蒸留を流れる際の温度曲線は階段型となり、熱循環溶液の温度段階となることを特徴とする請求項９記載の多重熱交換真空蒸留の溶液分離法。
【請求項１５】
凍結及び融解を利用し、凝縮液を産出し、多重熱交換真空蒸留の補助に用いることができ、多重熱交換真空蒸留の熱交換段数を増加させ、塔状の多重熱交換真空冷却装置と塔状の多重熱交換真空凍結装置を結合し、これを初期状態に設定し、溶液の伝達、定温蒸留法、排液真空凍結法を組み合わせて、脱気溶液に氷晶を生成させ、多重熱交換真空凍結に必要な初期溶液は多重熱交換真空冷却の最終熱交換段から流出する定温溶液であり、予冷のエネルギーを節約でき、多重熱交換真空凍結の氷晶融解に必要な凝固熱は多重熱交換真空蒸留及び多重熱交換真空冷却が産出する蒸気により、多重熱交換真空凍結が産出する低温の濃溶液と融解した氷晶は多重熱交換真空蒸留の最終熱交換段から流出する熱循環溶液の温度の低下と凝縮液を回収する真空容器の温度保持に利用でき、蒸留温度範囲の増加により多重真空蒸留の熱交換段数を向上できるため、単位エネルギーあたり分離できる溶液が増大することを特徴とする多重熱交換真空冷却、凍結の溶液分離法。
【請求項１６】
多重熱交換真空冷却装置は、複数個の真空冷却の低温蒸留ユニットを塔状に積み重ねて成り、第一熱交換段を第二熱交換段の上に重ね、第二熱交換段を第三熱交換段の上に重ね、以下同様に積み重ねて塔状とし、対応する流入及び流出導管をそれぞれ連結し、複数個の真空冷却の低温蒸留ユニットが低位容器とその付属部品を共用してその落差により減圧・真空にすることを特徴とする請求項１５記載の多重熱交換真空冷却、凍結の溶液分離法。
【請求項１７】
多重熱交換真空凍結装置は、
複数個の凍結缶を塔状に積み重ねて成り、第一熱交換段を第二熱交換段の上に重ね、第二熱交換段を第三熱交換段の上に重ね、以下同様に積み重ねて塔状とし、
凍結缶内に固液界面を設けて伝熱し、コンデンサで溶液の凝固熱と蒸発熱を排出し、
複数個の導管とその制御弁とで、多重熱交換真空蒸留装置と多重熱交換真空冷却装置を接続し、産出する蒸気が各熱交換段の凍結缶内に流入するようにし、
低位容器とその付属部品を組み合わせ、脱気溶液、蒸気、及び凝縮液が流れる導管、凍結缶を真空にする複数個の導管と制御弁、
融解した氷晶と低温濃溶液を回収する真空容器からなることを特徴とする請求項１５記載の多重熱交換真空冷却、凍結の溶液分離法。
【請求項１８】
多重熱交換真空冷却装置の初期状態は、熱交換段数が下から上への段数の減少する方法で、熱交換段ごとに真空冷却の定温蒸留ユニットの初期状態を実施し、その後各熱交換段の真空冷却の温度を設定し、その温度は熱交換段数の上から下への段数の増加に従い順次低下するため、真空冷却の温度の飽和蒸気圧は熱交換段数の上から下への段数の増加に従い順次低下することを特徴とする請求項１５記載の多重熱交換真空冷却、凍結の溶液分離法。
【請求項１９】
多重熱交換真空凍結装置の初期状態は、熱交換段数が下から上へと段数が減少する方式で熱交換段ごとに脱気液体で排液真空法を実施して、脱気溶液、氷晶融解した凝縮液、及び蒸気が流れる凍結缶と導管を真空にするとともに密封し、その内部空気圧は無視できることを特徴とする請求項１５記載の多重熱交換真空冷却、凍結の溶液分離法。
【請求項２０】
溶液処理の過程は、多重熱交換真空冷却装置の最終熱交換段から排出する低温溶液を第一熱交換段の凍結缶に満タンに注ぎ、排液真空凍結法で第一熱交換段凍結缶に氷晶を生成させ、凍結缶が氷晶を凝結しなかった脱気液体を完全に次の熱交換段の凍結缶に排出した後、多重熱交換真空蒸留と多重熱交換真空冷却が産出した蒸気を凍結缶内に導入し、氷晶を融解し、融解した氷晶は真空容器で回収すると、次の熱交換段が排液真空凍結法の実施を開始或いは真空容器でその濃溶液の回収を開始し、凍結缶に結晶が析出した場合、脱気溶液が次の熱交換段の凍結缶に流入する前に結晶物をろ過し、結晶物を真空容器で回収することを特徴とする請求項１５記載の多重熱交換真空冷却、凍結の溶液分離法。
【請求項２１】
排液真空凍結法は、適量の低温溶液を、固液界面を具備する真空の凍結缶内に注入し、排液真空法で低温溶液を適当な流速で次の熱交換段の真空凍結缶或いは真空容器に排出し、コンデンサを使用して絶えず凍結缶内の凝固熱と蒸発熱を排出すると、溶液は固液界面の表面で氷晶を生じ、凍結缶内の真空体積が増加してくると氷晶の生成を加速し、最後に凍結缶の固液界面は均一な氷晶を組織することを特徴とする請求項１５記載の多重熱交換真空冷却、凍結の溶液分離法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多重熱交換真空蒸留、冷却、凍結による溶液分離及び海水淡水化の方法に関し、特に排液真空法を利用して産出する真空容器が提供する真空環境において、真空容器内の空気圧は無視できるものであり、脱気溶液が熱交換蒸発面或いは固液界面を通過することにより脱気溶液を蒸発、冷却、及び凍結させる多重熱交換真空蒸留、冷却、凍結による溶液分離、海水淡水化、及び溶質濃縮の方法とその設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
公知の溶液分離技術は、一般的な蒸留、薬液の濃縮、或いは海水淡水化等の領域で広く応用されており、その技術は全て溶液の分離に属する。
しかしながら、大量の溶液を加熱法で分離する場合、相当なエネルギーを消耗する上、経済効率も悪い。例えば、海水の淡水化において、直接加熱して溶液中の水分を蒸気にし、真空ポンプで蒸気を抽出するという方法では膨大なエネルギーを消費し、水分分離の過程で塩分は濃度が高まっていき、絶えずエネルギーを投入しなければ水分を分離できず、非常に不経済である。
また、高温加熱過程で析出する各種塩結晶が、製造工程で目詰まりを起こして凝縮器の効率が大幅に低下してしまい、分離できる水分が限られるため、大量使用には適さない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は溶質の濃縮を目的とする。多大なエネルギーを消費せずに、比較的低い温度範囲を使用する原則で、多重熱交換真空蒸留装置を利用し、脱気液体で排液真空法を実施し、蒸発缶を真空にし、その内部空気圧は無視できるものとし、真空蒸留の温度と飽和蒸気圧の使用範囲が増大することから、真空蒸留の熱交換段数を増加でき、定温蒸留法、溶液の伝達、及び熱循環溶液の再生を組み合わせて、溶液を分離でき、大部分のエネルギーを繰り返して使用できるようにする。熱循環溶液の温度段階に応じて各熱交換段の真空蒸留温度を設定し、脱気溶液の分離を多重熱交換真空蒸留とすることにより、単位エネルギーあたり分離する溶液が増大し、排出する低温の濃溶液は真空冷凍乾燥法によって溶質を更に濃縮する。
【０００４】
本発明のもう一つの目的は、海水淡水化のコストを低下することである。温度と飽和蒸気圧の使用範囲が増大することにより、真空蒸留の熱交換段数増加に役立ち、ひいては水の産出量が増加する。一方、水の蒸発熱は凝固熱のおよそ７倍であることから、凍結法ではより少ないエネルギー消費で同等の水完成品を産出できる。多重熱交換真空凍結が産出する低温濃海水と融解した氷晶は、多重熱交換真空蒸留の最終熱交換段から排出する熱循環溶液の温度を効率よく下げ、真空蒸留の熱交換段数を増加させ、水の産出量が増大する。最後に、低温の熱循環溶液は熱交換段数下から上への段数の減少に従い蒸発熱を回収して大部分のエネルギーを繰り返し使用し、多重熱交換真空凍結に必要な低温海水は多重熱交換真空冷却の最終熱交換段から出ており、多重熱交換真空凍結が生成する氷晶は多重熱交換真空蒸留と多重熱交換真空冷却が産出する蒸気により融解し、多重熱交換真空蒸留、多重熱交換真空冷却、多重熱交換真空凍結の結合で海水淡水化のコストを効果的に低下できる。
【０００５】
本発明の更にもう一つの目的は、プラント建設の土地コストの低下である。多重熱交換真空蒸留、多重熱交換真空冷却、多重熱交換真空凍結の、脱気溶液、蒸気、凝縮液が流れる導管、蒸発缶、凝縮器及び凍結缶は、排液真空法を用いてこれらを真空にし、その内部空気圧は無視できるものとし、排液真空法は圧力が液体の高度を支えるトリチェリの真空原理を利用した方法で、そのため第一熱交換段の蒸発缶或いは凍結缶を第二熱交換段の上に積み重ね、第二熱交換段を第三熱交換段の上に積み重ね、以下同様に塔状に積み重ね、低位容器及びその付属部品と蒸発缶或いは凍結缶との高さを増加する。このため設備建設が要する土地面積が減少するとともに、真空の産出に必要なエネルギー量が低下する。塔状の多重熱交換真空蒸留、多重熱交換真空冷却、及び多重熱交換真空凍結は、熱循環溶液、溶液（海水）、及び凝縮した水完成品は全て絶えず流動しポンプの使用量を減少するとともに目詰まりと腐蝕を減少することができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の発明目的を達成するため、多重熱交換真空蒸留、冷却、凍結による溶液分離及び海水淡水化の方法とその設備は、多重熱交換真空蒸留装置、多重熱交換真空冷却装置、及び多重熱交換真空凍結装置から構成し、多重熱交換真空蒸留装置を初期状態に設定し、定温蒸留法、溶液の伝達、熱循環溶液の再生を組み合わせて溶液を分離する。熱循環溶液の温度段階に応じて各熱交換段の真空蒸留の温度を設定し、溶液の分離を多重熱交換真空蒸留とする。最終熱交換段から排出する熱循環溶液の温度を下げた後、熱交換段数が下から上への段数の減少する方法で、連続して各熱交換段の凝縮器において流入及び流出し、熱交換を行って蒸発熱を回収し、熱交換段数の下から上への段数の減少に従い温度を上から下への段数の増加させ、大部分のエネルギーを回収して繰り返し使用する。真空蒸留の熱交換段数を増加させ、ひいては単位エネルギーあたり分離できる溶液量を増加するためである。熱循環溶液の温度の使用範囲が増大、つまり多重熱交換真空蒸留の最終熱交換段から流出する熱循環溶液の温度が低いほど、多重熱交換真空蒸留の熱交換段数は多くなるため、より低温の溶液を使用して最終熱交換段から流出する熱循環溶液の温度を下げ、蒸発と凝縮の熱循環の平衡を維持しなければならない。そこで多重熱交換真空冷却と多重熱交換真空凍結を利用して多重熱交換真空蒸留を補助し、多重真空冷却装置と多重熱交換真空凍結装置を初期状態に設定し、定温蒸留法、溶液の伝達、排液真空凍結法を組み合わせて溶液を凍結分離する。多重熱交換真空冷却は真空の蒸発冷却作用を利用して溶液の温度を下げ、多重熱交換真空凍結の定温溶液とし、予冷のコストを節約する。多重真空凍結に必要な、氷晶融解の凝固熱は、多重熱交換真空蒸留と多重熱交換真空冷却が産出する蒸気から出て、多重熱交換真空凍結が産出する低温濃溶液と融解した氷晶は、多重熱交換真空蒸留の最終熱交換段から流出する熱循環溶液の温度の低下に用いることができる。よって、多重熱交換真空蒸留と多重熱交換真空冷却は、多重熱交換真空凍結と結合して一つの溶液分離法を成し、これを海水淡水化及び溶質濃縮の方法とする。
【０００７】
脱気液体にて実施する排液真空法は、脱気溶液、蒸気、及び凝縮液が流れる導管、蒸発缶、凍結缶、及び凝縮器を真空にし、その内部空気圧は無視できるものとし、圧力が高いほど液体の沸点が高くなる定温蒸留法を利用し、熱循環溶液の温度段階をランク分けして使用することができ、これを多重熱交換真空蒸留とする。蒸留温度と圧力は熱交換段数の上から下への段数の増加に伴って下から上への段数の減少するため、伝熱面積と凝縮液が増加し、一定温度の熱循環溶液は、熱交換段数が上から下への段数の増加する方法で、各熱交換段の蒸発缶の熱交換蒸発面において連続して流入流出して、蒸発熱を提供して脱気溶液を蒸発させ、最終熱交換段が排出する熱循環溶液の温度を下げた後、熱交換段数が下から上への段数の減少する方法で、各熱交換段の凝縮器において連続して流入流出して熱交換を行って蒸発熱を回収するとともに蒸気を凝縮させて液体とする。凝縮液の温度は熱交換段数の下から上への段数の減少に伴い上から下への段数の増加し、大部分のエネルギーは繰り返し使用される。最後に熱循環溶液の加熱器内に流れ、所定の温度まで過熱し、一回の循環プロセスが完了する。各熱交換段の蒸発缶と凝縮器の温度差が圧力差となるため、蒸発缶が産出する蒸気は凝縮器に向かって移動し、凝縮器の温度が蒸発缶の温度より低い状態を持続すると、凝縮器は絶えず蒸気を凝縮して液体にし、その凝縮液と蒸気は次の熱交換段のより低温、低飽和蒸気圧の凝縮器へ流れ込み温度低下と凝縮を続ける。最後に凝縮液は低温を保持している真空容器で収集し、これにより蒸発と凝縮の熱循環は平衡を維持できる。脱気溶液は熱交換段数が上から下への段数の増加する方法で、各熱交換段の蒸発缶において連続して流入流出し、最終熱交換段が排出する濃溶液は真空冷凍乾燥法を利用して溶質を更に濃縮できる。
【０００８】
多重真空冷却は真空の蒸発冷却原理を利用して溶液の温度を下げ、多重熱交換真空凍結の低温溶液を作る。定温蒸留法を組み合わせて、常温の脱気溶液は熱交換段数が上から下への段数の増加する方法で、連続して各熱交換段の蒸発缶において流入流出し、これによりその温度は熱交換段数が上から下への段数の増加するに従って下から上への段数の減少し、多重熱交換真空冷却が産出する蒸気は、多重熱交換真空凍結が生成する氷晶の融解に用いることができる。
多重熱交換真空凍結に必要な低温溶液は多重熱交換真空冷却から出ており、溶液の伝達、排液真空凍結法、及びコンデンサの排熱を組み合わせて、凍結缶に氷晶を生成させ、多重熱交換真空凍結が排出する低温の濃溶液と融解した氷晶は、多重熱交換真空蒸留の最終熱交換段から流出する熱循環溶液の温度を下げるのに用いることができ、また、凝縮液を回収する真空容器の温度安定にも用いて、蒸発と凝縮の熱循環の平衡を維持することができる。多重熱交換真空蒸留と多重熱交換真空冷却が産出する蒸気は、多重熱交換真空凍結の凍結缶内に導入して氷晶を融解しすることができ、その低温の濃溶液と融解した氷晶は真空容器で回収する。
【０００９】
熱効率と凝縮液の産出量を向上するために、多重熱交換真空凍結と多重熱交換真空蒸留及び多重熱交換真空冷却とを結合する長所は以下の通りである。
１．多重熱交換真空凍結が産出する低温濃溶液と融解した氷晶は、多重真空蒸留の最終熱交換段から流出する熱循環溶液の温度の低下と、凝縮液を回収する真空容器の温度の保持に用いることができ、熱循環溶液を使用する温度範囲が増加するため、多重真空蒸留の熱交換段数を増大でき、ひいては凝縮液の産出量が向上する。
２．多重真空凍結に必要な低温の脱気溶液は、多重熱交換真空冷却の最終熱交換段から流出する溶液であり、予冷のコストが減少する。
３．多重真空凍結に必要な、氷晶融解の凝固熱は、多重熱交換真空蒸留と多重熱交換真空冷却が産出する蒸気による。
４．多重熱交換真空蒸留、多重熱交換真空冷却、多重熱交換真空凍結は、真空を作る低位容器とその付属部品を共用できる。
以上から、多重熱交換真空蒸留と多重熱交換真空冷却を、多重熱交換真空凍結と結合して一つの溶液分離の方法とし、海水淡水化及び溶質濃縮の方法とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施例を図に沿って説明する。
本発明の真空蒸留の定温蒸留ユニットで実施する定温蒸留法で、定温蒸留法は液体沸点が圧力の増加に伴い上昇すること、及び真空の温度差が飽和蒸気の圧力差を生み出す原理を利用し、真空蒸留の定温蒸留ユニットを使用して、脱気溶液が真空の蒸発缶内で、所定の温度のもと沸騰蒸発し続け、蒸発缶の飽和蒸気圧が変わらないようにし、蒸発と凝縮の熱循環の平衡を維持する方法である。
図１に示すように、真空蒸留の定温蒸留ユニットは、蒸発缶２１、圧力調節弁２２、凝縮器４、熱交換蒸発面２１１、凝縮導管ａ、複数個の導管ｂ、ｃ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌと制御バルブ２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０を組み合わせて成る。蒸発缶２１は、凝縮導管ａで凝縮器４と接続し、産出した蒸気を凝縮器４内に導入し、圧力調節弁２２を凝縮導管ａの適当な位置に設け、蒸発缶２１が所定の真空蒸留温度の飽和蒸気圧にあるとき、蒸発缶２１が産出する蒸気を制御し、凝縮導管ａを通じて凝縮器４内に送るとともに、蒸発缶２１内の飽和蒸気圧を維持する。
【００１１】
凝縮器４は、蒸発熱を回収する熱循環溶液が導管ｇ、ｈを通って同流量で凝縮器４に流入、流出して熱交換を行うことにより蒸発缶２１が産出する蒸気の蒸発熱を（凝縮熱として）吸収して温度上昇し、蒸気を凝縮して凝縮液にして、最後に凝縮液は真空容器８内に流入して回収される。
一定温度の脱気溶液は導管ｉ、ｊ及びその制御弁２３、２４を通って異なる流量で蒸発缶２１に流入、流出し、熱交換蒸発面２１１を蒸発缶２１内に設け、蒸発熱を提供する熱循環溶液が導管ｂ、ｃを通って同流量で熱交換蒸発面２１１において流入、流出するとともに、熱交換蒸発面２１１の伝熱を通じて蒸発缶２１内の脱気溶液を蒸発させ、蒸発熱を提供する熱循環溶液の温度は蒸発熱を回収する熱循環溶液の温度より高いため、蒸発缶２１の作動温度は凝縮器４の作動温度より高くなり、この温度差が飽和蒸気の圧力差を生み出して、蒸発缶２１の産出する蒸気が凝縮器４に流入するようになり、蒸発と凝縮の熱循環の平衡が維持される。導管ｉとその制御弁２３を、前段の真空蒸留の定温蒸留ユニット或いは脱気溶液の加熱器に接続し、導管ｊとその制御弁２４を次の段の真空蒸留の定温蒸留ユニットあるいは真空容器９に接続して、導管ｉとその制御弁２３と同様に脱気溶液を次の段の真空蒸留の定温蒸留ユニットへ流す。
導管ｅとその制御弁２５を前の段の真空蒸留の定温蒸留ユニットに接続し、前の段の真空蒸留の定温蒸留ユニットがない場合は、排液真空法を実施する時の排気用とし、導管ｆとその制御弁２６を次の段の真空蒸留の定温蒸留ユニット或いは真空容器８に接続して、導管ｅとその制御弁２５の場合と同様に、蒸気と凝縮液を次の段の真空蒸留の定温蒸留ユニットへ流す。導管ｂ、ｈを前の段の真空蒸留の定温蒸留ユニット或いは熱循環溶液の加熱器に接続し、導管ｃ、ｇを次の段の真空蒸留の定温蒸留ユニット或いは熱交換器に接続してその温度を下げる。制御弁２７、３０によって、他の段の真空蒸留の定温蒸留ユニットが真空になった時に脱気液体が蒸発缶２１と凝縮器４内に逆流するのを防止する。よって、蒸発缶２１が排液真空法で真空になると制御弁２７、３０を閉じてこれを密閉する。
【００１２】
真空蒸留の定温蒸留ユニットの初期状態は、脱気液体で排液真空法（日本特許出願番号２００２−２１９１７２参照）を実施し、脱気溶液、蒸気、凝縮液が流れる導管ａ、ｅ、ｆ、ｉ、ｊ、蒸発缶２１、凝縮器４を真空にして内部空気圧を無視できるものとし、低位容器３とその付属部品を導管ｋ、ｌとその制御弁２７、２８、２９、３０でそれぞれ導管ｊ、ｆと連結し、適当な高度差において排液真空法を実施して真空にして内部空気圧は無視できるものとし、制御弁２４、２６を閉じた後、脱気液体を蒸発缶２１、凝縮器４、及び導管ａ、ｅ、ｆ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌに満たし、制御弁２３、２５を閉じて、低位容器３内の圧力を調整したうえ、排液真空法の実施を開始し、最後に、圧力調節弁２２を閉じ、制御弁２７、３０を閉じ、真空の蒸発缶２１内に脱気溶液を適当な水位まで注入し、蒸発缶２１の真空蒸留温度を設定し、その温度は脱気溶液と熱循環溶液が流入する蒸発缶２１及び熱交換蒸発面２１１の温度より低くし、脱気液体と脱気溶液が同じ液体である場合には排液真空法を実施する際に蒸発缶２１の雰囲気に真空を生じればよい。
【００１３】
定温蒸留法は、適当な熱交換蒸発面２１１の条件のもとで、その蒸発量は脱気溶液と熱循環溶液の流量、及び流入と流出の温度差によって決まる。図に示すように、脱気溶液と熱循環溶液が蒸発缶２１とその熱交換蒸発面２１１において流入、流出し続ける時、蒸発缶２１は蒸気を産出し続け、所定の真空蒸留温度の飽和蒸気圧に達している時、圧力調節弁２２を開いて蒸発缶２１が産出した蒸気を凝縮器４内に排出する。凝縮器４が蒸気を凝縮して液体にし続ける時、圧力調節弁２２は蒸発缶２１内の飽和蒸気圧の安定を維持しなければならず、同時に脱気溶液或いは熱循環溶液の流出温度で圧力調節弁２２を調節する。流出温度が設定された真空蒸留の温度より低ければ圧力調節弁２２を調節して蒸気の排出量を減少し、流出温度が真空蒸留の設定温度より高ければ圧力調節弁２２を調節して蒸気の排出を増加する。
【００１４】
真空蒸留の定温蒸留ユニットが蒸発熱を提供する熱循環溶液の熱交換蒸発面２１１とその導管ｂ、ｃを除去すると、真空冷却の定温蒸留ユニットとなる。脱気溶液は自身の温度を熱源として、脱気溶液が蒸発する時、脱気溶液の温度が下がり、真空冷却の作用を形成する。真空冷却の定温蒸留ユニットの初期状態は真空蒸留の定温蒸留ユニットの初期状態と同じである。
真空蒸留或いは真空冷却の過程で、脱気溶液に残留している空気は脱気溶液、蒸気、凝縮液が流れる導管ａ、ｅ、ｆ、ｉ、ｊ、蒸発缶２１、凝縮器４内に累積し続け、その圧力が脱気溶液の真空蒸留の温度に影響する時、再度脱気溶液
にて真空蒸留或いは真空冷却の定温蒸留ユニットの初期状態を実施し、真空度を回復する。つまり、溶液の脱気が完全なほど、初期状態の実施回数を減少できる。
【００１５】
図２に示すように、本発明の多重熱交換真空蒸留装置で多重熱交換真空蒸留を実施する配置では、本発明の多重熱交換真空蒸留装置１は、下記を含む。
前置処理設備を設け、夾雑物を除去して脱気した溶液と、熱循環溶液をそれぞれ所定温度まで加熱する加熱器１２、１３により構成し、
複数個の真空蒸留の定温蒸留ユニット２を設け、複数個の真空蒸留の定温蒸留ユニット２を塔状に積み重ねて多重熱交換真空蒸留装置１を形成し、第一熱交換段を第二熱交換段の上に積み重ね、第二熱交換段を第三熱交換段の上に積み重ね、以下同様に積み重ねて塔状にする。流入と流出に対応する導管ｃを相互に接続し、複数個の真空蒸留の定温蒸留ユニット２は一個の低位容器３とその付属部品を共有して真空を作り、
後置処理設備を設け、凝縮液と濃溶液を回収する真空容器８、９、最終熱交換段が排出する熱循環溶液の温度を下げる熱交換器５１、凝縮液を回収する真空容器８の温度を保持する熱交換器５２、複数個の真空蒸留の定温蒸留ユニット２が共有する一個の低位容器３とその付属部品、及び熱循環溶液の循環ポンプ５３によって構成する。
【００１６】
多重熱交換真空蒸留装置１の初期状態は、熱交換段数が下から上への段数の減少する方法で段ごとに真空蒸留の定温蒸留ユニット２の初期状態を実施し、脱気溶液の気液平衡曲線に基づき熱循環溶液の温度段階を設定し、更に熱循環溶液の温度段階に応じて各熱交換段の真空蒸留の温度を設定し、その温度は熱交換段数が上から下への段数の増加するに従い下から上への段数の減少するため、真空蒸留温度飽和蒸気圧は熱交換段数の上から下への段数の増加に従い下から上への段数の減少する。
溶液の伝達は、所定温度まで加熱した脱気溶液を、熱交換段数が上から下への段数の増加する方法で異なる流量で連続して各熱交換段の蒸発缶２１において流入、流出し、脱気溶液の蒸発に伴い、濃度は熱交換段数の上から下への段数の増加とともに増し、或いは結晶を析出する。最終熱交換段が排出する濃溶液は真空容器９で回収し、その濃溶液は真空冷凍乾燥法を利用して溶質を更に濃縮できる。蒸発缶２１に結晶が析出した場合、次の熱交換段の蒸発缶２１に流入する前に、結晶物をろ過し、この結晶物は真空容器で回収する。脱気溶液に溶解している残留空気が真空蒸留の定温蒸留ユニット２内に継続して累積し、脱気溶液の真空蒸留の温度に影響するとき、特に第一、第二熱交換段の真空蒸留の定温蒸留ユニット２で、再度脱気溶液にて真空蒸留の定温蒸留ユニット２の初期状態を実施して真空度を回復しなければならない。つまり、溶液の脱気が完全なほど、真空蒸留の定温蒸留ユニット２の初期状態の実施回数を減少できる。
【００１７】
熱循環溶液の再生は、所定温度まで加熱した熱循環溶液が、熱交換段数が上から下へと段数が増加する方式で、同流量で各熱交換段の熱交換蒸発面２１１において連続して流入流出し、脱気溶液の蒸発熱を提供し、その温度は熱交換段数の上から下への段数の増加に従い順次低下し、最終熱交換段が排出する熱循環溶液は、熱交換器５１で温度を下げ、循環ポンプ５３の作用により、熱交換段数が下から上へと段数が減少する方式で各熱交換段の凝縮器４において連続して流入流出し、熱交換をして蒸発熱を吸収し、蒸気を凝縮して凝縮液とし、その温度は熱交換段数の下から上への段数の減少に従い順次上昇し、最後に熱循環溶液の加熱器１３内に還流する。大部分のエネルギーを回収して繰り返し使用するために、熱循環溶液の循環方式は、Ａ．所定温度まで加熱し、Ｂ．蒸発熱を提供し、その温度は熱交換段数の上から下への段数の増加に従い順次低下し、Ｃ．温度を下げ、Ｄ．蒸発熱を回収し、その温度は熱交換段数の下から上への段数の減少に伴って順次上昇する。最終熱交換段から流出する際の温度が常温より低い場合、多重熱交換真空蒸留を多重熱交換真空冷却、凍結法と結合し、熱循環溶液を多重熱交換真空冷却、凍結法によって産出する低温の濃溶液と融解した氷晶でその温度を下げる。最終熱交換段から流出する温度が常温より高い場合、常温液体で熱循環溶液の温度を下げる。
蒸発熱を提供する熱循環溶液の温度段階は、脱気溶液の気液平衡曲線に基づき設定し、これに基づき各熱交換段の真空蒸留を行う温度を設定する。使用する温度範囲は重複しないため、熱循環溶液が各熱交換段の真空蒸留プロセスを流れる際に形成する温度曲線は階段形曲線となり、これが熱循環溶液の温度段階である。
【００１８】
図３に示すように、本発明の多重熱交換真空冷却装置及び多重熱交換真空凍結装置が多重熱交換真空冷却、凍結法を実施する配置では、多重熱交換真空冷却、凍結の溶液分離法は、氷晶と融解を利用して凝縮液を産出するとともに、多重熱交換真空蒸留法を補助して熱循環溶液の温度の適用範囲を増大することができ、ひいては熱交換段数を増加し、凝縮液の産出量を増加して熱効率を向上し、同時に全体としての凝縮液産出量をより増大する。多重熱交換真空冷却装置の最終熱交換段から流出する低温溶液を多重熱交換真空凍結装置の第一熱交換段に導入して、予冷のエネルギーを節約でき、溶液の伝達、定温蒸留法、排液真空凍結法を組み合わせることにより、脱気溶液に氷晶を生成させ、脱気溶液の濃度は真空凍結の熱交換段数が上から下へと段数が増加するに従って次第に高くなり、温度は熱交換段数が上から下へと段数が増加するに従い次第に低下する。
【００１９】
多重熱交換真空冷却装置６は、複数個の真空冷却の定温蒸留ユニット６１を塔状に積み重ねて多重熱交換の真空冷却装置６を成し、対応する流入流出の導管を接続し、脱気溶液自身の温度で真空の蒸発冷却を行い、常温の脱気溶液が熱交換段数が上から下への段数の増加する方式で各熱交換段の蒸発缶６１１において連続して流入流出する。定温蒸留法を組み合わせて、脱気溶液の温度は熱交換段数が上から下へと段数が増加するに次第に低下するが、濃度には目立った変化はなく、最終熱交換段から流出する脱気溶液の温度は凍結温度に近い。複数個の真空冷却の定温蒸留ユニット６１が一個の低位容器３ａとその付属部品を共用する。凍結缶７１が氷晶を生成した後、その温度は蒸発缶６１１の温度より低いため、蒸発缶６１１が産出する蒸気は凍結缶７１内に問題なく導入され、氷晶を融解する。
【００２０】
多重熱交換真空凍結装置７は、複数個の凍結缶７１を塔状に積み重ねて成り、凍結缶７１内に固液界面７１１を設け、コンデンサ７２を使用し固液界面７１１の伝熱を通じて脱気溶液の凝固熱を排出する。導管５で多重熱交換真空蒸留装置と接続し、多重熱交換真空蒸留及び多重熱交換真空冷却が産出した蒸気をそれぞれ各熱交換段の凍結缶７１内に流入させる。低位容器３ａとその付属部品を多重熱交換真空冷却装置６と共用し、脱気溶液、蒸気、及び凝縮液が流れる導管と凍結缶７１を真空にし、排液真空凍結法で産出する融解した氷晶と低温の濃溶液は真空容器１０、１１で回収し、多重熱交換真空蒸留の最終熱交換段が排出する熱循環溶液の温度低下と、回収した凝縮液の温度保持に使用できる。
多重熱交換真空凍結装置７の初期状態は、熱交換段数が下から上へと段数が減少する方式で各熱交換段ごとに脱気液体で排液真空法を実施し、脱気溶液、蒸気、及び凝縮液が流れる導管と凝縮器７１を真空にし、その空気圧は無視できる。脱気液体の逆流を防ぐため、多重熱交換真空冷却装置６の初期状態は、熱交換段数が下から上へと段数が減少する方法で各熱交換段ごとに真空冷却の定温蒸留ユニット６１の初期状態を実施し、その後各熱交換段の真空冷却の蒸留温度を設定する。その温度は熱交換段数の上から下へと段数が増加するに従い順次低下するため、真空冷却の飽和蒸気圧は熱交換段数の上から下へ段数の増加に従い順次低下する。
【００２１】
排液真空凍結法はコンデンサ７２で排熱と排液真空の流下液膜凍結方式で脱気溶液を固液界面７１１において組成が比較的均一な氷晶を形成させる。多重熱交換真空冷却の最終熱交換段から流出する低温の脱気溶液を第一熱交換段の凍結缶７１に満たし、凍結缶７１内に固液界面７１１を提供して氷晶を生成し、コンデンサ７２と固液界面７１１の伝熱を利用して凍結缶７１内の凝固熱と蒸発熱を排出するとともに、排液真空法でだんだんと脱気溶液を排出する。脱気溶液は第二熱交換段へ流入し、第二熱交換段から第三熱交換段へ流入し、最終熱交換段の脱気溶液は真空容器１１に流入する。凍結缶７１の液面高さは脱気溶液の排出に伴い次第に低くなるため、真空体積は次第に増加し、コンデンサ７２の排熱は、流下液膜凍結方式と同様に液体相の脱気溶液に固液界面７１１で組成が比較的均一な氷晶を生成させ、同時に凍結缶７１内に産出する真空の体積が次第に増加し、コンデンサ７２は排熱を続けて真空の体積の圧力が平衡蒸気圧より低くなると、脱気溶液表面は蒸発を始め、蒸発吸熱の結果、余剰の母液が冷え、蒸発冷却の作用によって温度が下がる。水蒸気（平衡蒸気圧）は固液界面７１１の表面に吸着され、コンデンサ７２が水蒸気のエネルギーを持ち去り、水蒸気を固体相の氷晶に転じ、引き続き脱気溶液の蒸発を促して蒸気圧の平衡を維持し、より多くの氷晶を生成する。次第に濃くなる母液がゆっくりと排出された後、真空の体積は次第に増大し、更に多量の水蒸気生成を促し、氷晶の生成を加速し、更に濃くなっていく母液を排出して最後に凍結缶７１内は氷晶のみとなる。
【００２２】
溶液の伝達は熱交換段数が上から下へ段数が増加する方式で、各凍結缶７１を流れ、凍結缶７１が、氷晶を凝結しなかった脱気溶液を完全に次の熱交換段の凍結缶７１に排出した後で、次の熱交換段の凍結缶７１が排液真空凍結法の実施を開始し、多重熱交換真空蒸留及び多重熱交換真空冷却が産出した蒸気は凍結缶７１内に導入され始め、氷晶を融解し、最後に凝縮液は真空容器１０で回収する。以上から、多重熱交換真空凍結の氷晶の凝縮と融解は非連続であり、凍結缶７１に結晶が析出すると、脱気溶液が次の熱交換段の凍結缶７１に流入する前に、結晶物をろ過し、結晶物を真空容器で回収する。脱気溶液に溶解している残留空気が真空冷却の定温蒸留ユニット内に継続して累積し、脱気溶液の真空蒸留の温度に影響する場合、特に第一、第二熱交換段の真空冷却の定温蒸留ユニットは、再度脱気溶液で真空冷却の定温蒸留ユニット６１の初期状態を実施して真空度を回復すべきである。つまり、溶液の脱気が完全なほど、真空冷却の定温蒸留ユニットの初期状態の実施回数を減少できる。
【発明の効果】
本発明が提供する多重熱交換真空蒸留、冷却、凍結による溶液分離及び海水淡水化の方法とその設備は、公知の技術と比較して以下の長所がある。
１．本発明が使用する加熱器の熱源は、低温の廃余熱或いは太陽エネルギーでよい。
２．脱気溶液によって排液真空法を実施することにより、蒸発缶を真空にし、内部空気圧は無視できるものに成り、真空蒸留の熱交換段数を向上することができる。
３．排液真空法の蒸発缶の上に積み重ね、第二熱交換段を第三熱交換段の上に、以下同様に積み重ねて塔状にし、一つの多重熱交換真空蒸留或いは多重熱交換真空冷却の装置を形成するため、使用する土地の面積が減少する。
４．積み重ねて塔状にした複数個の蒸発缶は、脱気溶液、熱循環溶液、及び凝縮した蒸留水を全て絶えず流動させ、且つ作動温度は熱交換段数の上から下への段数の増加に従い順次低下するため、ポンプの使用量を低減し、目詰まりと腐蝕も減少する。
５．熱循環溶液は脱気溶液の蒸発熱を提供し、蒸発熱を回収するため、大部分のエネルギーを繰り返し使用できる。
６．多重熱交換真空冷却装置は排液真空凍結装置が使用する低温の脱気溶液を提供し、予冷のコストを節約できる。
７．排液真空凍結装置が排出する低温の濃溶液と融解した氷晶によって、多重熱交換真空蒸留の最終熱交換段から流出する熱循環溶液の温度を低下でき、多重熱交換真空蒸留の熱交換段数を増加できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の真空蒸留の定温蒸留ユニットで定温蒸留法を実施する略図である。
【図２】本発明の多重熱交換真空蒸留装置で多重熱交換真空蒸留を実施する配置の略図である。
【図３】本発明の多重熱交換真空冷却装置及び多重熱交換真空凍結装置で多重熱交換真空冷却、凍結を実施する配置の略図である。
【符号の説明】
１　　　　多重熱交換真空蒸留装置
１２　　加熱器
１３　　加熱器
２　　　　真空蒸留の定温蒸留ユニット
２１　　蒸発缶
２１１　　　　　　熱交換蒸発面
２２　　圧力調節弁
２３　　制御弁
２４　　制御弁
２５　　制御弁
２６　　制御弁
２７　　制御弁
２８　　制御弁
２９　　制御弁
３　　　　低位容器及びその付属部品
３ａ　　低位容器及びその付属部品
３０　　制御弁
４　　　　凝縮器
５　　　　導管
５１　　熱交換器
５２　　熱交換器
５３　循環ポンプ
６　　　　多重熱交換真空冷却装置
６１　　真空冷却の定温蒸留ユニット
６１１　　　　　　蒸発缶
７　　　　多重熱交換真空凍結装置
７１　　凍結缶
７１１　　　　　　固液界面
７２　　コンデンサ
８　　　　真空容器
９　　　　真空容器
１０　　真空容器
１１　　真空容器
ａ　　　　導管
ｂ　　　　導管
ｃ　　　　導管
ｅ　　　　導管
ｆ　　　　導管
ｇ　　　　導管
ｈ　　　　導管
ｉ　　　　導管
ｊ　　　　導管
ｋ　　　　導管
ｌ　　　　導管
【図１】
2004136273.tif 000003
【図２】
2004136273.tif 000004
【図３】
2004136273.tif 000005