(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度が下がると結晶が析出するか又は凝固する性質を有する水溶液を加熱する蒸発用加熱手段と，この蒸発用加熱手段で加熱した水溶液を内部において沸騰・蒸発する蒸発缶と，この蒸発缶で発生した水蒸気を凝縮する凝縮器とを備え，更に，前記蒸発缶の底部に溜まる蒸発後の水溶液を前記蒸発用加熱手段を経て前記蒸発缶内に戻すように循環する循環管路を備えて成る蒸発濃縮装置において，
前記蒸発缶の底部において水溶液が溜まる部分に，当該部分に溜まる水溶液を加熱する溶液加熱用の加熱器を設ける一方，前記循環管路に，前記蒸発缶の底部に溜まる蒸発後の水溶液を，前記蒸発用加熱手段を経ることなく前記蒸発缶内に直接戻すという循環を行なうようにしたバイパス循環管路が設けられていることを特徴とする水溶液の蒸発濃縮装置。
【請求項２】
前記請求項１の記載において，前記溶液加熱用の加熱器が，間接熱交換型の加熱器であることを特徴とする水溶液の蒸発濃縮装置。
【請求項３】
前記請求項１又は２の記載において，前記蒸発濃縮装置への水溶液供給管路中の受け槽に設けた水面計による水面の検出に応じて，前記受け槽内における水面が低くなったときに，前記蒸発缶内での沸騰・蒸発を停止する手段を備えていることを特徴と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，例えば，硫酸アンモニウム（硫安）を含む半導体工場廃水等のように温度が下がると結晶が析出する性質を有する水溶液，又は，顔料及びレジストを含んだＴＭＡＨ（テトラ・メチル・アンモニウム・ハイドロオキサイド）廃水等のように，温度が下がると凝固する性質を有する水溶液を，蒸発にて濃縮するための装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来，前記したように低い温度で結晶又は凝固する性質を有する水溶液の蒸発濃縮に際しては，例えば，特許文献１等に記載されているように，前記水溶液を加熱する加熱手段と，この加熱手段で加熱した水溶液を内部において沸騰・蒸発する蒸発缶と，この蒸発缶で発生した水蒸気を凝縮する凝縮器とを備え，更に，前記蒸発缶の底部における蒸発後の水溶液を前記加熱手段を経て前記蒸発缶の上部に戻すように循環する循環管路を備えて成る蒸発濃縮装置が使用されている。
【特許文献１】特開２００５−２７０９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし，この構成の蒸発濃縮装置において，その蒸発缶内における沸騰・蒸発を停止した場合，前記蒸発缶内の底部には，濃縮されて濃度が高くなった状態の水溶液が溜まり，この高い濃度の水溶液は，冷やされて結晶が析出するとか，凝固することになるから，次に，沸騰・蒸発の運転に入ることに重大な支障を及ぼすばかりか，場合によっては，装置の損傷を招来し，次に，沸騰・蒸発を開始するに際して，水溶液を所定の沸騰・蒸発を行う温度にまで加熱上昇することに長い時間がかかるという問題がある。
【０００４】
しかも，前記水溶液が，前記したように，顔料を含むＴＭＡＨ廃水等のような場合には，この水溶液は同時に粘度が高いことにより発泡性をも有することから，前記した従来の装置のように，沸騰・蒸発の開始の当初から，前記蒸発缶内の底部における水溶液を沸騰蒸発用の加熱手段に供給し，この加熱手段において所定の沸騰・蒸発を行う温度にまで加熱上昇したのち蒸発缶内で沸騰・蒸発するというように，蒸発缶と加熱手段との間を循環するという構成である場合には，前記蒸発缶内に水溶液の泡立ちが発生し，水溶液の沸騰・蒸発を著しく妨げるばかりか，場合によっては，濃縮運転を不能にするという問題もあった。
【０００５】
本発明は，これらの問題を解消した蒸発濃縮装置を提供することを技術的課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この技術的課題を達成するために，本発明の請求項１は，
「温度が下がると結晶が析出するか又は凝固する性質を有する水溶液を加熱する蒸発用加熱手段と，この蒸発用加熱手段で加熱した水溶液を内部において沸騰・蒸発する蒸発缶と，この蒸発缶で発生した水蒸気を凝縮する凝縮器とを備え，更に，前記蒸発缶の底部に溜まる蒸発後の水溶液を前記蒸発用加熱手段を経て前記蒸発缶内に戻すように循環する循環管路を備えて成る蒸発濃縮装置において，
前記蒸発缶の底部において水溶液が溜まる部分に，当該部分に溜まる水溶液を加熱する溶液加熱用の加熱器を設ける一方，前記循環管路に，前記蒸発缶の底部に溜まる蒸発後の水溶液を，前記蒸発用加熱手段を経ることなく前記蒸発缶内に直接戻すという循環を行なうようにしたバイパス循環管路が設けられている。」
ことを特徴としている。
【０００７】
本発明の請求項２は，
「前記請求項１の記載において，前記溶液加熱用の加熱器が，間接熱交換型の加熱器である。」
ことを特徴としている。
【０００８】
本発明の請求項３は，
「前記請求項１又は２の記載において，前記蒸発濃縮装置への水溶液供給管路中の受け槽に設けた水面計による水面の検出に応じて，前記受け槽内における水面が低くなったときに，前記蒸発缶内での沸騰・蒸発を停止する手段を備えている。」
ことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１は，蒸発缶の底部において水溶液が溜る部分に，当該部分に溜まる水溶液を加熱する溶液加熱用加熱器を設ける構成にしたもので，前記蒸発缶内での沸騰・蒸発を停止したときにおいて，前記蒸発缶の底部に溜まる高い濃度の水溶液を，前記溶液加熱用加熱器にて加熱することにより，前記蒸発缶の底部に溜まる水溶液の温度を，前記沸騰・蒸発時における温度又はこれに近い温度に維持することができるから，前記蒸発缶の底部において，高い濃度の水溶液が，前記沸騰・蒸発を停止したときの温度よりも低くなって結晶化したり又は凝固したりすることを確実に防止できるとともに，前記蒸発缶内での沸騰・蒸発の開始に際して，水溶液を，前記沸騰・蒸発の温度にまでに加熱上昇することに要する時間を大幅に短縮できる。
【００１１】
また，蒸発缶の底部において水溶液が溜る部分に，当該部分に溜まる水溶液を加熱する溶液加熱用加熱器を設けるという構成であることにより，蒸発缶内での沸騰・蒸発の開始に先立って，前記蒸発缶における水溶液を，沸騰・蒸発するための蒸発用加熱手段には送ることなく，前記溶液加熱用加熱器にて，沸騰・蒸発時における温度又はこれに近い温度にまで加熱上昇することができるから，前記蒸発缶内に，水溶液の泡立ちが発生することを確実に抑制できる。
【００１２】
更にまた，前記蒸発缶の底部において水溶液が溜る部分に設けた溶液加熱用加熱器による水溶液の加熱を，前記蒸発缶内での沸騰・蒸発を行っている状態においても行うことにより，前記蒸発缶内における沸騰・蒸発をより促進できるから，蒸発能力の向上を図ることができる。
特に，請求項１は，前記循環管路にバイパス循環管路を備えていて，前記蒸発缶内での沸騰・蒸発を停止したときに，前記蒸発缶の底部に溜まる蒸発後の水溶液を，前記バイパス循環管路にて，前記蒸発用加熱手段を経ることなく前記蒸発缶内に直接戻すという循環を行なわせることにより，前記溶液加熱用加熱器にて加熱している水溶液を攪拌することができて，その各所均一に加熱できるとともに，その加熱を大幅に促進できるから，その結晶化又は凝固化を，泡立ちの発生を抑制した状態のもとで，より確実に防止することができるとともに，前記沸騰・蒸発の開始に際して，水溶液を沸騰・蒸発の温度にまで高くすることに要する時間を，更に短縮できる利点がある。
【００１３】
この場合，前記蒸発缶の底部における溶液加熱用加熱器を，請求項２に記載したように，間接熱交換型の加熱器にすることにより，前記水溶液の加熱を，加熱源としての蒸気の吹き込みによって直接に行う場合に比べて，水溶液における濃度を薄くするように変化することがない利点を有する。
【００１５】
また，請求項３に記載した構成によると，蒸発缶内での沸騰・蒸発の停止及び開始を，受け槽に溜める水溶液の量に応じて自動化することができる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下，本発明の実施の形態を図面について説明する。
【００１７】
図１は，第１の実施の形態を示す。
【００１８】
この第１の実施の形態は，０．１１６ｗｔ％濃度の硫酸アンモニウム（硫安）水溶液を，３０．０ｗｔ％の高い濃度まで濃縮するようにした蒸発装置を示している。
【００１９】
この図１において，符号１は，密閉した蒸発缶を示し，この蒸発缶１内における上部には，水平方向に延びる伝熱管２ａの複数本を束ねて成る蒸発用の加熱手段２が設けられている一方，前記蒸発缶１内における底部には，水溶液供給管路３より前記蒸発缶１内に供給される水溶液を，適宜量だけ溜めるようにした溜まり部４が設けられている。
【００２０】
前記溜まり部４内における水溶液を，循環ポンプ５にて汲み出し，循環管路６を介して前記蒸発缶１内の頂部に設けたノズル７に供給して，このノズル７から前記蒸発用加熱手段２における各伝熱管２ａの外表面に散布したのち，前記蒸発缶１の底部における溜まり部４に戻るという循環を行うように構成している。
【００２１】
前記蒸発缶１内において発生した水蒸気を，一旦，密閉構造のミスト分離タンク９内に導入したのち，ボイラー等からの制御弁８ａ付き蒸気供給管路８より供給されて来る高圧蒸気にて駆動される蒸気エゼクター１０にて吸引して圧縮し，この蒸気エゼクター１０にて圧縮された蒸気を，前記蒸発用加熱手段２における各伝熱管２ａ内に，加熱源として導入することにより，この各伝熱管２ａの外表面における水溶液を加熱して沸騰・蒸発するように構成している。
【００２２】
前記蒸発用加熱手段２の各伝熱管２ａ内における一部の水蒸気は，不凝縮性ガスと一緒に，水冷式又は空冷式の凝縮器１１に送られて，ここで凝縮して，その底部における凝縮水溜め室１２に，前記蒸発用加熱手段２の各伝熱管２ａ内における凝縮水と一緒に溜められのち，ポンプ１３にて凝縮器１１の外に排出される一方，前記凝縮器１１には，不凝縮性ガスの抽出にて前記蒸発缶１内を大気圧より低い減圧に保持するための真空ポンプ１４等の真空発生源が接続されている。
【００２３】
そして，前記蒸発缶１の底部における溜まり部４には，当該溜まり部４内における水溶液を加熱するための間接熱交換式の加熱器１５が設けられ，この加熱器１５に，前記蒸気供給管路８における高圧蒸気を加熱源として制御弁１６ａ付き蒸気管路１６を介して供給することにより，前記溜まり部４内における水溶液を間接加熱するという構成にしている。
【００２４】
この構成において，前記蒸発缶１の上部におけるノズル７から散布された水溶液は，その流下の途中に，蒸発用加熱手段２における各伝熱管２ａの外表面に接触することにより加熱されて沸騰・蒸発して，濃度が高くなって底部における溜まり部４に集まり，この溜まり部４から前記蒸発缶１の上部におけるノズル７から散布されるという循環を行う一方，前記蒸発缶１内での沸騰・蒸発にて発生した水蒸気は，ミスト分離タンク９内において水溶液ミストが分離されたのち蒸気エゼクター９にて吸引・圧縮され，前記蒸発用加熱手段２における各伝熱管２ａ内に，当該各伝熱管２ａの外表面における水溶液の加熱源として導入され，更に，この各伝熱管２ａ内から凝縮器１０に導かれて，ここで凝縮される。
【００２５】
なお，前記ミスト分離タンク９内において蒸気が分離した水溶液は，Ｕ字管１７を介して前記蒸発缶１内に戻される。
【００２６】
そして，前記した蒸発缶１内での沸騰・蒸発を，前記蒸発缶１内への水溶液供給管路３からの水溶液の供給を止めること，前記蒸気エゼクター９への蒸気供給管路８からの高圧蒸気の供給を制御弁８ａの閉にて止めること及び前記循環ポンプ５による水溶液の循環を止めること等にて停止すると，前記蒸発缶１の底部における溜まり部４には，沸騰・蒸発によって濃度が高くなった水溶液が溜まることになるが，この濃度の高い水溶液を，前記溜まり部４に設けた加熱器１５にて加熱することにより，この高い濃度の水溶液を，前記沸騰・蒸発時における温度又はこれに近い温度に維持することができるから，前記蒸発缶１の底部において，高い濃度の水溶液が，硫酸アンモニウム（硫安）の結晶が析出するように結晶化することを確実に防止できるとともに，前記蒸発缶１内での沸騰・蒸発の開始に際して，水溶液を，前記沸騰・蒸発の温度にまでに加熱上昇することに要する時間を大幅に短縮できる。
【００２７】
また，前記蒸発缶１の底部における水溶液を，これを前記蒸発用加熱手段２に供給することなく，加熱器１５の間接加熱によって，その沸騰・蒸発の温度にまで加熱上昇することができるから，蒸発缶１内に水溶液の泡立ちが発生することを抑制できる。
【００２８】
ところで，前記加熱器１５による加熱は，少なくとも，前記蒸発缶１内での沸騰・蒸発を停止したときにおいて行うように構成すれば良いが，この加熱器１５による加熱を，前記した沸騰・蒸発中においても行うように構成することにより，蒸発能力を向上することができる。
【００２９】
次に，図２は，第２の実施の形態を示す。
【００３０】
この第２の実施の形態は，前記したＴＭＡＨ廃水を１０倍濃縮する場合において，前記蒸発缶１の底部における溜まり部４における水溶液を加熱することに，前記第１の実施の形態のように間接熱交換式の加熱器１５を使用することに代えて，直接加熱式の加熱器を使用した場合である。
【００３１】
すなわち，前記溜まり部４内に，直接加熱用の蒸気噴射ノズル１５′を設けて，この蒸気噴射ノズル１５′から前記蒸気供給管路８における高圧蒸気を噴出することによって，前記溜まり部４内における水溶液を直接に加熱するように構成したものであり，その他の構成は，前記第１の実施の形態は同様である。
【００３２】
前記溜まり部４内における水溶液を，第１の実施の形態のように，間接的に加熱する場合には，水溶液における濃度の変化はない利点を有する。これに対して，前記溜まり部４内における水溶液を，第２の実施の形態のように，直接的に加熱する場合には，水溶液における濃度が変化するものの，前者のように間接的に熱交換を行う伝熱面にスケールの付着等が発生することがない利点がある。
【００３３】
ところで，前記したＴＭＡＨ廃水は，ＴＭＡＨを約１．４ｗｔ％と，顔料及びレジスト等を約０．９ｗｔ％とを含み残りが水であるという廃水であり，濃縮前の約２０℃の温度においては，暗緑色で，回転粘度計で測定した粘度が１．８０ｃｐであり，且つ，ガラス面への付着が認められなかった。
【００３４】
しかし，これを１０倍濃縮した廃水は，静止した状態で暗緑色と濃褐色との二層に分離し，約６０℃において回転粘度計で測定した粘度が０．８０ｃｐであり，且つ，ガラス面への付着が認められた。
【００３５】
つまり，ＴＭＡＨ廃水を１０倍濃縮する場合，前記蒸発缶１の底部の溜まり部４内における水溶液を，その温度を約６０℃にすることにより，その粘度を，蒸発運転を阻害することが状態に大幅に低くすることができるのであり，しかも，前記蒸気噴射ノズル１５′から高圧蒸気を噴出するという直接加熱であることにより，伝熱面を備えていないから，スケール付着の発生を確実に回避することができる。
【００３６】
次に，前記蒸発缶１の底部の溜まり部４内における水溶液を１２００ｋｇとして，その温度を２０℃から６５℃に上昇するには，その比熱を１とすれば，１２００×（６５−２０）×１＝５４０００ｋｃａｌの熱量が必要である。一方，前記蒸発缶１における加熱手段２及び溜まり部４等を備えた総重量を１００００ｋｇ，その構成材料の比熱を０．１とすると，その温度を２０℃から６５℃に上昇するには，１００００×（６５−２０）×０．１＝４５０００ｋｃａｌの熱量が必要である。
【００３７】
そして，前記した温度上昇を，専ら，前記蒸気噴射ノズル１５′から高圧蒸気を噴出することで行うには，前記高圧蒸気における潜熱を５６０ｋｃａｌ／ｋｇとすれば，前記高圧蒸気の使用量は，（５４０００＋４５０００）÷５６０＝１７７ｋｇとなる。つまり，高圧蒸気の１７７ｋｇを前記蒸気噴射ノズル１５′から噴出することにより，所定の蒸発運転に入ることができる。
【００３８】
次に，図３は，第３の実施の形態を示す。
【００３９】
この第３の実施の形態は，前記第１又は第２の実施の形態の構成に加えて，前記蒸発缶１への水溶液供給管路３の途中に，水面計１８ａを備えた受け槽１８を設け，この受け槽１８内における水面が高くて溜まっている水溶液の量が所定値よりも多い場合には，前記水面計１８ａからの検出信号を入力とするコントローラ１９にて，前記水溶液供給管路３中の弁３ａを自動的に開いて蒸発缶１への水溶液の供給を開始して，前記循環ポンプ５を自動的に始動して所定の循環を行うようにするとともに，前記蒸気供給管路８中の制御弁８ａを自動的に開いて蒸気エゼクター１０への高圧蒸気の供給を開始することによって，前記した水溶液の沸騰・蒸発の運転を行う。
【００４０】
この蒸発運転の進行により，前記受け槽１８内における水面が低くなり，溜まっている水溶液の量が所定値よりも少なくなると，前記水面計１８ａからの検出信号を入力とするコントローラ１９にて，前記水溶液供給管路３中の弁３ａ及び前記蒸気供給管路８中の制御弁８ａを自動的に閉じて，前記水溶液の沸騰・蒸発を停止するという構成にしている。 このことに加えて，前記循環ポンプ５を駆動した状態のもとで，循環管路６中の弁６ａを自動的に閉じる一方，前記循環管路６と前記蒸発缶１とを直接接続するバイパス循環管路２０中の弁２０ａを開くことにより，前記蒸発缶１の底部の溜まり部４内における水溶液を，前記加熱手段２を経て蒸発缶１内に戻す循環を行なう状態から，前記バイパス循環管路２０を通って，前記加熱手段２を経ることなく前記蒸発缶１内に直接戻すような循環を行なう状態に切り換える構成にしている。
更に，前記加熱器１５又は加熱用の蒸気噴射ノズル１５′への蒸気管路１６における制御弁１６ａを開いて，前記蒸発缶１の底部の溜まり部４における水溶液を加熱するようにしたものである。
【００４１】
なお，前記蒸気管路１６における制御弁１６ａは，運転時及び運転停止の両方において開いた状態にしても良い。
【００４２】
この第３の実施の形態においては，前記蒸発缶１内での水溶液の沸騰・蒸発を，沸騰・蒸発の停止及び開始を，受け槽１８に溜める水溶液の量に応じて自動化することができるのであり，しかも，前記蒸発缶１内での沸騰・蒸発を停止したとき，前記加熱器１５又は加熱用蒸気噴射ノズル１５′にて加熱している水溶液を，前記蒸発缶１の底部より前記熱交換器２を経ることなく前記蒸発缶１内に直接戻すという循環にて攪拌することができることができるから，その凝固を，泡立ちを抑制した状態のもとで，より確実に防止することができる。
【００４３】
なお，前記した各実施の形態は，濃縮する水溶液として，硫酸アンモニウム（硫安）水溶液等のように，温度が下がると結晶が析出する結晶性の水溶液の場合であったが，本発明は，このような結晶性の水溶液に限らず，温度が下がると凝固する性質を有する水溶液の場合にも同様に適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明における第１の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明における第２の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明における第３の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１                  蒸発缶
２                  蒸発用加熱手段
２ａ                蒸発用加熱手段における伝熱管
３                  水溶液供給管路
４                  水溶液が溜まる部分
５                  循環ポンプ
６                  循環管路
７                  ノズル
８                  蒸気供給管路
１０                蒸気エゼクター
１１                凝縮器
１５                間接熱交換式の溶液加熱用加熱器
１５′              溶液加熱用蒸気噴出ノズル
１８                受け槽
１８ａ              水面計
１９                コントローラ
２０                バイパス循環管路
【図１】
0004815254.tif 000002
【図２】
0004815254.tif 000003
【図３】
0004815254.tif 000004