(57)【要約】【課題】希薄な分散液からエネルギ効率良く噴霧乾燥物を得ることができる濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法を提供する。【解決手段】濃縮乾燥装置１は、原液が流される第１室１０ａと、蒸気を選択的に透過する多孔質膜１１によって第１室１０ａから隔てられた第２室１０ｂと、を有する膜蒸留セル１０と、熱媒と第１室１０ａに流される原液との間で熱交換を行って原液を加熱する第１熱交換器２０と、第１室１０ａから排出された原液を熱風中に噴霧して乾燥する噴霧乾燥器７０と、噴霧乾燥器７０から排出された排風と熱媒との間で熱交換を行う第２熱交換器３０と、を備える。濃縮乾燥方法は、噴霧乾燥器７０から排出された排風と原液との間で熱交換を行って原液を加熱し、加熱された原液を膜蒸留セル１０において濃縮し、濃縮された原液を噴霧乾燥器７０において噴霧乾燥する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原液が流される第１室と、蒸気を選択的に透過する多孔質膜によって前記第１室から隔てられた第２室と、を有する膜蒸留セルと、
熱媒と前記第１室に流される前記原液との間で熱交換を行って前記原液を加熱する第１熱交換器と、
前記第１室から排出された前記原液を熱風中に噴霧して乾燥する噴霧乾燥器と、
前記噴霧乾燥器から排出された排風と前記熱媒との間で熱交換を行う第２熱交換器と、を備える濃縮乾燥装置。
【請求項２】
前記第２熱交換器における前記熱媒の流量を調整する流量調整手段と、
前記流量調整手段を制御する制御部と、をさらに備え、
前記制御部は、前記第１熱交換器が前記原液に与える熱量を、前記熱媒の流量を調整して制御する請求項１に記載の濃縮乾燥装置。
【請求項３】
原液が流される第１室と、蒸気を選択的に透過する多孔質膜によって前記第１室から隔てられた第２室と、を有する膜蒸留セルと、
前記第１室から排出された前記原液を熱風中に噴霧して乾燥する噴霧乾燥器と、を備える濃縮乾燥装置において、
前記噴霧乾燥器から排出された排風と前記原液との間で熱交換を行って前記原液を加熱し、
加熱された前記原液を前記膜蒸留セルにおいて濃縮し、
濃縮された前記原液を前記噴霧乾燥器において噴霧乾燥する濃縮乾燥方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜蒸留と噴霧乾燥による濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
飲食品の製造、廃液処理、淡水化処理、化学工業等の各種分野において、液体を濃縮する操作が行われている。濃縮の方法としては、一般に、蒸発缶や加熱プレート等を用いる蒸発濃縮法が利用されている。また、その他の方法として、逆浸透膜（Reverse Osmosis；ＲＯ膜）を用いる膜濃縮法や、凍結濃縮法等も利用されている。
【０００３】
蒸発濃縮法は、高い濃縮率を容易に実現し得る方法ではあるものの、液体を蒸発させるのに多大な加熱コストが掛かるという欠点を有している。また、蒸発濃縮法は、香気成分等の低沸点成分を加熱に伴って揮散させてしまうため、飲食品の製造等には適していない。一方、凍結濃縮法も、高吸熱量の冷凍能力を必要とするし、装置・操作が複雑であったり、懸濁液の濃縮が難しいといった課題を抱えている。
【０００４】
このような状況の下、蒸発濃縮法等に代わる代替技術として、膜濃縮法の利用が拡大している。膜濃縮法では、分離膜を利用した濾過や透析の原理により濃縮が行われる。低分子以上が濃縮対象である場合の分離膜としては、逆浸透膜（Reverse Osmosis；ＲＯ膜）が一般的である。従来、特許文献１に開示されるように、逆浸透膜装置やナノ濾過膜装置を利用して糖化液を濃縮する技術等が知られている。
【０００５】
逆浸透法は、比較的低いコストで行うことができるし、低沸点成分を揮散させないで済むため、濃縮液の品質を損ない難いといった利点を持つ。しかしながら、逆浸透法では、操作圧力と耐圧の関係から濃縮率に限界がある。また、逆浸透膜は、特許文献１に記載されるように前処理を行ったとしても、依然としてファウリングを生じ易い。また、その洗浄に用いる化学薬品や殺菌剤によって容易に劣化する材質であることが少なくない。そのため、装置の運用や維持管理を考慮すると、必ずしも最良の方法とはなっていない。
【０００６】
分離膜を利用する方法としては、膜蒸留法（Membrane Distillation；ＭＤ法）も知られている。膜蒸留法においては、液体を透過しない一方で気体を透過する性質を持つ疎水性多孔質膜が用いられる。膜蒸留の原理による濃縮では、液体が気体への相転移を伴って分離されて、元の液体が濃縮されることになる。膜蒸留法は、殺菌処理等を考慮しても装置の運用や維持管理を行い易いことから、溶質や濁質を含んだ液体を濃縮する方法としても優位性がある。
【０００７】
膜蒸留における物質移動は、膜の両側に掛かる蒸気圧差によって駆動される。そのため、濃縮操作は、原液を接触させる膜の片側と、蒸気を出させる膜の反対側との間に温度差を与え、飽和蒸気圧を異ならしめることにより行われる。膜蒸留法の具体的な形態としては、膜を透過した蒸気を、膜の反対側に離れた冷却面上で冷却する間接接触法と、膜を透過した蒸気を、膜の反対側を流れる冷却液に吸収させる直接接触法とがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１４−１２８２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
膜蒸留の原理による濃縮によると、蒸発濃縮法と比較して、低い加熱コストで液体を濃縮することが可能である。しかしながら、膜蒸留法においても、大量の液体に蒸発熱以上の熱量を与える必要があるため、加熱コストの削減の要求は依然として高い現状がある。
【００１０】
他方、液体を濃縮する操作を行う分野では、分散液を乾燥させて固形化する処理が付随して行われることもある。例えば、飲食品の製造の分野においては、希薄な原料液を濃縮し、濃縮された原料液を噴霧乾燥することにより、顆粒状ないし粉末状の加工飲食品を製造することがある。熱風による加熱を伴う噴霧乾燥では、熱を保った排風が排気されるため、廃熱を削減し、省エネルギ性を改善することが望まれている。
【００１１】
そこで、本発明は、希薄な分散液からエネルギ効率良く噴霧乾燥物を得ることができる濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するために本発明に係る濃縮乾燥装置は、原液が流される第１室と、蒸気を選択的に透過する多孔質膜によって前記第１室から隔てられた第２室と、を有する膜蒸留セルと、熱媒と前記第１室に流される前記原液との間で熱交換を行って前記原液を加熱する第１熱交換器と、前記第１室から排出された前記原液を熱風中に噴霧して乾燥する噴霧乾燥器と、前記噴霧乾燥器から排出された排風と前記熱媒との間で熱交換を行う第２熱交換器と、を備える。
【００１３】
また、本発明に係る濃縮乾燥方法は、原液が流される第１室と、蒸気を選択的に透過する多孔質膜によって前記第１室から隔てられた第２室と、を有する膜蒸留セルと、前記第１室から排出された前記原液を熱風中に噴霧して乾燥する噴霧乾燥器と、を備える濃縮乾燥装置において、前記噴霧乾燥器から排出された排風と前記原液との間で熱交換を行って前記原液を加熱し、加熱された前記原液を前記膜蒸留セルにおいて濃縮し、濃縮された前記原液を前記噴霧乾燥器において噴霧乾燥する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、希薄な分散液からエネルギ効率良く噴霧乾燥物を得ることができる濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る濃縮乾燥装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の変形例に係る濃縮乾燥装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態に係る濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法について説明する。なお、以下の各図において共通する構成については同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態に係る濃縮乾燥装置の概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る濃縮乾燥装置１は、膜蒸留セル１０と、原液ポンプＰ１と、加熱器（第１熱交換器）２０と、気液熱交換器（第２熱交換器）３０と、冷却器４０と、冷却液ポンプＰ２と、濃縮液槽５０と、濃縮液ポンプＰ３と、給気ファンＦ１と、空気加熱器６０と、噴霧乾燥器７０と、粉体分離器８０と、集塵器９０と、排風ファンＦ２と、原液流路１１０と、冷却液流路１２０と、濃縮液流路１３０と、排風路１４０と、熱媒管１５０と、第１熱媒タンクＴ１０と、第２熱媒タンクＴ２０と、第１熱媒ポンプ（流量調整手段）Ｐ４と、第２熱媒ポンプ（流量調整手段）Ｐ５と、制御器（制御部）２００とを備えている。
【００１８】
濃縮乾燥装置１は、希薄な分散液の濃度を高める濃縮操作を膜蒸留の原理により行い、濃縮された分散液を噴霧乾燥により乾燥させる装置である。濃縮乾燥装置１では、液体と固体との混成である、又は、液体に固体が溶解している希薄な分散液（原液）が、膜蒸留セル１０に導入されて膜蒸留される。膜蒸留セル１０においては、原液に含まれている分散媒等の低沸点成分が分離される一方で、元の原液に含まれている固形分が濃縮された濃縮液が生成される。そして、濃縮液は、噴霧乾燥器７０に導入されて噴霧乾燥され、分散媒が除去された顆粒状ないし粉末状の噴霧乾燥物が回収される。
【００１９】
膜蒸留セル１０は、多孔質膜１１と、冷却板１２と、原液室（第１室）１０ａと、凝縮室（第２室）１０ｂと、冷却室（第３室）１０ｃとを有している。図１に示すように、膜蒸留セル１０の内部は、多孔質膜１１と冷却板１２によって、原液室１０ａと凝縮室１０ｂと冷却室１０ｃとに仕切られている。
【００２０】
多孔質膜１１は、多孔質の材料によって形成されており、原液室１０ａの壁部の一部分を成している。多孔質膜１１は、液体を透過しない一方で気体を透過する性質を有しており、接触した原液中の蒸気を選択的に透過する作用を示す。すなわち、原液から蒸発した蒸気は、多孔質膜１１を透過して、原液室１０ａ側から凝縮室１０ｂ側に移動することができる。一方、蒸気が離脱した元の原液は、多孔質膜１１を透過すること無く、原液室１０ａに濃縮される。
【００２１】
多孔質膜１１としては、平膜、中空糸膜、管状膜等の各種の形態が適用される。また、多孔質膜１１の組み付け方は、特に制限されるものでは無く、円管型、スパイラル型等の各種の形態を採ることができる。多孔質膜１１の一例は、平均孔径が０．２μｍ、開口率が６０％以上８０％以下、厚さが５０μｍ以上２００μｍ以下である。
【００２２】
多孔質膜１１の好ましい材料は、高い疎水性を有する材料である。有機材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素化ポリオレフィンや、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィンを用いることができる。また、無機材料としては、例えば、疎水性のゼオライト、シリカ、カーボン等を用いることができる。
【００２３】
冷却板１２は、熱伝導率が高い材料によって形成されており、凝縮室１０ｂ及び冷却室１０ｃのそれぞれの壁部の一部分を成している。冷却板１２は、冷却室１０ｃ側から冷却液によって冷却されるようになっており、多孔質膜１１を透過してきた蒸気を凝縮室１０ｂ側の表面で凝縮させる。
【００２４】
冷却板１２の好ましい材料は、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、銅、これらの合金、高熱伝導率の合成樹脂等である。より好ましい材料は、ステンレス鋼、チタン等のように高い熱伝導率と耐腐食性とを兼ね備えた材料である。
【００２５】
原液室１０ａは、原液が流される区画である。原液室１０ａの入口には、配管等によって形成された原液流路１１０が接続している。原液流路１１０上には、原液ポンプＰ１と、加熱器２０が設置されている。原液は、原液ポンプＰ１が稼働することによって、系外から原液室１０ａに導入され、多孔質膜１１が設置された原液室１０ａを流される。
【００２６】
加熱器２０は、原液室１０ａに流される原液を熱媒との熱交換によって加熱する熱交換器である。多孔質膜１１における物質移動は、原液と多孔質膜１１の界面と、冷却板１２の冷却面との間に生じる蒸気圧差によって駆動される。原液は高温であるほど飽和蒸気圧が増大し、飽和蒸気圧が増大するほど多孔質膜１１の透過流束が大きくなる。また、飽和蒸気圧が増大するほど、顕熱に対する潜熱の移動比率が高くなって熱損失が小さくなる。そのため、原液は、所定温度まで加熱器２０によって加熱されて原液室１０ａに導入される。
【００２７】
加熱器２０には、図１に示すように、熱媒が通流する熱媒管１５０が接続されている。熱媒管１５０は、加熱器２０と気液熱交換器３０との間に循環路を形成している。熱媒としては、例えば、水分散液、水懸濁液等の水性の原液を濃縮対象とする場合には、純水、水道水、工水等を利用することができる。
【００２８】
加熱器２０から気液熱交換器３０に向かう往き側の熱媒管１５０には、途中部に断熱性の第１熱媒タンクＴ１０が設置されている。第１熱媒タンクＴ１０には、原液との熱交換により放熱した熱媒が一時的に貯留されるようになっている。第１熱媒タンクＴ１０の下流側の熱媒管１５０には、熱媒を定量移送可能な第１熱媒ポンプＰ４が設置されている。
【００２９】
また、気液熱交換器３０から加熱器２０に向かう戻り側の熱媒管１５０には、途中部に断熱性の第２熱媒タンクＴ２０が設置されている。第２熱媒タンクＴ２０には、気液熱交換器３０において受熱した熱媒が一時的に貯留されるようになっている。第２熱媒タンクＴ２０の下流側の熱媒管１５０には、熱媒を定量移送可能な第２熱媒ポンプＰ５が設置されている。
【００３０】
冷却室１０ｃは、冷却液が流される区画である。冷却室１０ｃは、冷却板１２によって凝縮室１０ｂから隔てられている。冷却室１０ｃの出口から入口までは、室外で配管等を介して連通しており、冷却室１０ｃに冷却液を循環させるための冷却液流路１２０が形成されている。冷却液流路１２０上には、冷却器４０と、冷却液を循環させる冷却液ポンプＰ２とが設置されている。冷却液流路１２０は、冷却室１０ｃの出口と入口との間を冷却器４０を介して接続しており、冷却液を冷却室１０ｃに循環的に流す。
【００３１】
冷却液としては、熱容量や潜熱が高く、適度な粘度や相転移温度を有する適宜の流体が適用される。例えば、水分散液、水懸濁液等の水性の原液を濃縮対象とする場合には、純水、水道水、工水等の冷却水を用いることができる。
【００３２】
冷却器４０は、冷却室１０ｃに流される冷却液を冷却する。冷却液は、凝縮室１０ｂの蒸気が凝縮可能な温度まで冷却器４０によって冷却されて冷却室１０ｃに導入される。通常、冷却液の温度は、原液側と冷却側との間の蒸気圧差を一定にする観点から、略一定温度に冷却される。冷却器４０としては、例えば、開放型の冷却塔、密閉型の冷却塔、熱交換器等が用いられる。
【００３３】
凝縮室１０ｂは、蒸気を凝縮させる区画である。凝縮室１０ｂは、多孔質膜１１によって原液室１０ａから隔てられている。原液室１０ａにおいて原液から蒸発した蒸気は、多孔質膜１１を透過した後、多孔質膜１１から冷却板１２までを自然対流や拡散によって移動する。そして、冷却液流路１２０に流されている冷却液によって冷やされた冷却板１２が、凝縮室１０ｂの冷却を行い、凝縮室１０ｂの蒸気を凝縮させる。凝縮室１０ｂには、セル外に凝縮液を排出する排液路と、蒸気を排気する排気路とが接続されている。
【００３４】
膜蒸留セル１０では、加熱された原液から低沸点成分が蒸発し、蒸気は多孔質膜１１を透過して、凝縮室１０ｂの冷却板１２上で冷却されて凝縮液となる。凝縮液や、残った蒸気は、凝縮室１０ｂから系外に排出される一方、蒸気が離脱して濃縮された原液（濃縮液）は、原液室１０ａから排出される。
【００３５】
原液室１０ａの出口には、配管等によって形成された濃縮液流路１３０が接続している。濃縮液流路１３０上には、濃縮液槽５０が設置されている。原液室１０ａにおいて濃縮された濃縮液は、濃縮液流路１３０を通じて濃縮液槽５０に受けられ、濃縮液槽５０において一時的に貯留されるようになっている。また、濃縮液槽５０の下流側には、濃縮液ポンプＰ３が設置されており、濃縮液流路１３０の下流端は、噴霧乾燥器７０に接続している。
【００３６】
噴霧乾燥器７０は、分散液（濃縮液）を噴霧乾燥し、分散液中の固形分からなる噴霧乾燥物を造粒する。噴霧乾燥器７０は、例えば、下部側が下端に向かってテーパ状に縮径した筒状の筺体と、筐体内に設けられ、筺体の内壁に向けて液滴を吐出する吐出機構とを備えて構成される。吐出機構は、加圧ノズルや回転ディスクによって構成され、濃縮液流路１３０と接続している。濃縮液流路１３０を通じて供給される濃縮液は、吐出機構によって液滴として吐出されるようになっている。また、濃縮液が吐出される筺体内には、濃縮液を乾燥させるための熱風が供給されるようになっている。
【００３７】
図１に示すように、熱風は、給気ファンＦ１によって吸引した空気を空気加熱器６０によって加熱し、塵埃を捕集、除去した後に噴霧乾燥器７０に供給する。空気加熱器６０による加熱温度は、好ましくは１００℃以上３００℃以下の範囲である。なお、図１において、熱風を供給する方式は、塔頂から吐出される液滴に並行させる並流式とされているが、塔頂から吐出される液滴に下方から対向させる向流式、又は、塔頂に向けて吐出される液滴に上方から対向させる並向流式であってもよい。
【００３８】
噴霧乾燥器７０は、筺体内に、配管等によって形成された排気用の排風路１４０が接続されている。排風路１４０上には、粉体分離器８０、集塵器９０、排風ファンＦ２、気液熱交換器３０が、この順に設置されており、排風路１４０の終端は、系外に連通している。濃縮液に熱を奪われた熱風は、排風ファンＦ２の稼働によって、排風路１４０を通じて一部の微小な噴霧乾燥物と共に排気され、粉体分離機８０に導入される。
【００３９】
粉体分離器８０は、所謂サイクロンであり、渦流を形成することにより遠心分離の原理で気体と粉体とを分離する。噴霧乾燥器７０から排気された排風は、粉体分離器８０の筒状の筺体内に渦流を形成し、気体と微小な噴霧乾燥物とが互いに分離される。分離された噴霧乾燥物は、筺体の下部から回収される一方、排風は、筐体の上部から排気された後、集塵器９０に導入される。
【００４０】
集塵器９０は、気体中の微粒子を捕集、分離する装置である。集塵器９０は、例えば、濾過の原理で集塵するバグフィルタを備える。集塵器９０に導入された排風は、バグフィルタを透過して、残存している噴霧乾燥物の微粒子を捕集、除去される。集塵された噴霧乾燥物は、圧縮空気のパルス、振動等により、バグフィルタから払い落とされて回収される。一方、微粒子が除去された排風は、集塵器９０から排気され、気液熱交換器３０に導入される。
【００４１】
気液熱交換器３０は、加熱器２０の熱媒と、噴霧乾燥器７０が排出した排風との間で熱交換を行う。気液熱交換器３０は、熱媒管１５０の一部により構成される受熱部と、排風路１４０の一部を構成する放熱部とを有している。気液熱交換器３０の放熱部には、噴霧乾燥器７０が排出し、余熱を保持している排風が導入され、受熱部には、加熱器２０で放熱した熱媒が導入されて気液熱交換が行われる。気液熱交換器３０の形態は、例えば、フィンチューブ式、プレートフィン式、シェルチューブ式、フィンレス多管式、直接接触式等の適宜の形態であってよい。
【００４２】
制御器２００は、第１熱媒ポンプＰ４や第２熱媒ポンプＰ５の吐出力を制御する。制御器２００が、第１熱媒ポンプＰ４や第２熱媒ポンプＰ５を制御して熱媒の流量を調整することにより、加熱器２０が原液に与える熱量（交換熱量）が制御される。制御器２００は、例えば、気液熱交換器３０の受熱部の入口温度及び出口温度、並びに、放熱部の入口温度及び出口温度の計測結果を取得し、所定の交換熱量や対数平均温度差に対応する熱交換が行われるように、第１熱媒ポンプＰ４の吐出力を制御して熱媒の流量を調整する。また、加熱器２０の熱媒の入口温度及び出口温度、並びに、原液の入口温度及び出口温度の計測結果を取得し、所定の交換熱量や対数平均温度差に対応する熱交換が行われるように、第２熱媒ポンプＰ５の吐出力を制御して熱媒の流量を調整する。
【００４３】
次に、濃縮乾燥装置１の具体的な運転方法に基いて、本実施形態に係る濃縮乾燥方法について説明する。
【００４４】
本実施形態に係る濃縮乾燥方法は、原液が流される原液室（第１室）と、蒸気を選択的に透過する多孔質膜によって原液室（第１室）から隔てられた凝縮室（第２室）と、を有する膜蒸留セルと、原液室（第１室）から排出された原液を熱風中に噴霧して乾燥する噴霧乾燥器と、を備える濃縮乾燥装置において、噴霧乾燥器から排出された排風と原液との間で熱交換を行って原液を加熱し、加熱された原液を膜蒸留セルにおいて濃縮し、濃縮された原液を噴霧乾燥器において噴霧乾燥する濃縮乾燥方法である。
【００４５】
本実施形態に係る濃縮乾燥方法によると、溶質、濁質等の固形分を含む希薄な分散液を原液として処理に供することにより、顆粒状ないし粉末状の噴霧乾燥物が回収される。例えば、乳汁、果汁、野菜汁、医薬原料液、香料原料液等を原液として膜蒸留及び噴霧乾燥を行うことにより、粉乳、粉末果汁、粉末野菜汁、医薬粉末製剤、香料粉末等の噴霧乾燥物が得られる。
【００４６】
濃縮乾燥装置１においては、原液は、原液ポンプＰ１の稼働によって、系外から原液流路１１０に導入される。そして、原液は、加熱器２０において、熱媒管１５０を通流する熱媒と所定の交換熱量で熱交換を行い、目標の加熱温度まで加熱される。その後、原液は、膜蒸留セル１０の原液室１０ａを流されて濃縮され、濃縮液は、濃縮液流路１３０を通じて濃縮液槽５０に受けられる。
【００４７】
膜蒸留セル１０の原液室１０ａでは、加熱された原液から低沸点成分が蒸発し、蒸気は多孔質膜１１を透過して、凝縮室１０ｂの冷却板１２上で冷却されて凝縮液となる。膜蒸留セル１０の原液室１０ａでは、原液が所定の濃縮率に濃縮されるように膜蒸留を行う。濃縮液の濃縮率（Ｃｆ）は、原液の量をＱｆ、多孔質膜１１を透過する透過液の量をＱｐとしたとき、膜蒸留セルにおける物質収支から、次の式（１）のように表すことができる。
Ｃｆ＝Ｑｆ／（Ｑｆ−Ｑｐ）・・・（１）
【００４８】
原液の量（Ｑｆ）については、膜蒸留セル１０への導入量等として容易に把握することができる。例えば、原液流路１１０に流量センサを設置して計測したり、原液を原液流路１１０に導入する以前に、原液を貯留する貯槽等に設けたレベルセンサや重量センサで計測したりすることができる。一方、多孔質膜１１を透過する透過液の量（Ｑｐ）については、多孔質膜１１を隔てて生じる蒸気圧差を制御することで、所定量に調節することができる。
【００４９】
膜蒸留セル１０における蒸気圧差は、主として、加熱器２０による原液の加熱温度と、冷却器４０による冷却板１２の冷却温度との温度差を調節することにより制御すればよい。原液の加熱は、熱エネルギの投入により調節し、冷却板１２の冷却は、常温域の水や空気で冷却した冷却液を利用して定温に維持する。例えば、原液や冷却液の液温を監視し、加熱器２０や冷却器４０をフィードバック制御すればよい。原液側と冷却側との温度差は、目標濃縮率（Ｃｆ）に応じて、多孔質膜１１について適切な蒸気圧差が確保される温度に設定すればよい。加熱器２０による加熱の目標温度は、水性の原液を濃縮対象とする場合には９０℃未満とすることができる。或いは、凝縮室１０ｂに生じる凝縮液の量を監視して、凝縮液の量を定量制御してもよい。多孔質膜１１を透過する透過液の量（Ｑｐ）は、凝縮室１０ｂに生じる凝縮液の量と同等であると見做せるためである。
【００５０】
膜蒸留セル１０において濃縮された濃縮液は、原液室１０ａから排出されて濃縮液槽５０に受けられ、濃縮液ポンプＰ３の稼働によって、濃縮液槽５０から噴霧乾燥器７０に移送される。噴霧乾燥器７０では、熱風が供給される筺体内に噴霧された濃縮液は、乾燥して顆粒状ないし粉末状の噴霧乾燥物となる一方、濃縮液に熱を奪われた熱風が排風として排気される。噴霧乾燥物は、噴霧乾燥器７０や、粉体分離器８０や、集塵器９０から回収されて、各種の用途に用いられる。
【００５１】
濃縮乾燥装置１の膜蒸留セル１０においては、原液が、予め設定された所定の濃縮率に濃縮される。そのため、噴霧乾燥器７０では、予め設定された定流量で濃縮液を吐出させて、安定的に略全乾させることができる。また、原液が所定の濃縮率に濃縮されているため、給気ファンＦ１は、予め設定された定流量で吸引した空気を空気加熱器６０に供給し、空気加熱器６０は、給気ファンＦ１から供給される定流量の空気を予め設定された所定温度まで加熱するように運転することができる。すなわち、濃縮乾燥装置１の運転中において、空気加熱器６０を介した入熱量は、定流量で吐出される所定の濃縮率の濃縮液が乾燥する範囲で、略一定量に容易に管理することが可能である。このような定常的な運転を行う場合、排風は、略一定した熱エネルギを保持して気液熱交換器３０の放熱部に導入され、熱媒管１５０を通流する熱媒との間で所定の交換熱量で熱交換を行うことができる。
【００５２】
熱媒管１５０を通流する熱媒と、原液室１０ａに流される原液との熱交換は、原液室１０ａにおいて得られる濃縮液の量及び濃縮率を目標どおりにする観点からは、原液の受熱量が一定するように制御することが好ましい。そこで、濃縮乾燥装置１では、加熱器２０が原液に与える熱量を、熱媒管１５０を通流する熱媒の流量を調整して制御する。空気加熱器６０からの入熱量は略一定量とされ、排風は所定の交換熱量で熱交換するため、熱媒の流量を調整して行う間接的な熱交換により、原液が目標加熱温度まで加熱される。
【００５３】
具体的には、濃縮乾燥装置１においては、制御器２００により第１熱媒ポンプＰ４が制御され、第１熱媒ポンプＰ４の熱媒の移送量が調整された流量に制御される。第１熱媒ポンプＰ４は、第１熱媒タンクＴ１０に貯留されており、原液との熱交換により既に放熱した熱媒を、調整された流量で気液熱交換器３０に導入する。これによって、原液を目標加熱温度まで加熱するのに必要な交換熱量が、排風との熱交換により得られることになる。例えば、制御器２００は、所定の噴霧乾燥条件の下に予め求められた気液熱交換器３０における排風の交換熱量と熱媒の入出条件とに基いて、排風から必要な交換熱量が得られるように第１熱媒ポンプＰ４の吐出力を制御する。
【００５４】
また、濃縮乾燥装置１においては、制御器２００により第２熱媒ポンプＰ５が制御され、第２熱媒ポンプＰ５の熱媒の移送量が調整された流量に制御される。第２熱媒ポンプＰ５は、第２熱媒タンクＴ２０に貯留されており、排風との熱交換により既に受熱した熱媒を、調整された流量で加熱器２０に導入する。これによって、原液を目標加熱温度まで加熱するのに必要な交換熱量が放熱されることになる。例えば、制御器２００は、所定の濃縮条件の下に予め求められた原液の交換熱量と熱媒の入出条件とに基いて、目標蒸気圧差を実現するための交換熱量が原液に与えられるように第２熱媒ポンプＰ５の吐出力を制御する。
【００５５】
以上の実施形態に係る濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法によると、希薄な分散液を、噴霧乾燥器が排出した排風の廃熱を利用して蒸発させて、膜蒸留により濃縮することができる。また、膜蒸留により濃縮された分散液を既定条件下で噴霧乾燥させて、排風の熱を安定的に利用することができる。そのため、膜蒸留に必要な加熱コストが削減され、希薄な分散液からエネルギ効率良く噴霧乾燥物を得ることが可能である。また、排風の排気による排熱量も削減され、環境適合的な濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法を提供することができる。
【００５６】
次に、変形例に係る濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法について説明する。
【００５７】
図２は、本発明の変形例に係る濃縮乾燥装置の概略構成を示す図である。
図２に示すように、変形例に係る濃縮乾燥装置２は、前記の濃縮乾燥装置１と同様に、膜蒸留セル１０と、原液ポンプＰ１と、加熱器（第１熱交換器）２０と、気液熱交換器（第２熱交換器）３０と、冷却器４０と、冷却液ポンプＰ２と、濃縮液槽５０と、濃縮液ポンプＰ３と、給気ファンＦ１と、空気加熱器６０と、噴霧乾燥器７０と、粉体分離器８０と、集塵器９０と、排風ファンＦ２と、冷却液流路１２０と、濃縮液流路１３０と、排風路１４０と、熱媒管１５０と、第１熱媒タンクＴ１０と、第２熱媒タンクＴ２０と、第１熱媒ポンプ（流量調整手段）Ｐ４と、第２熱媒ポンプ（流量調整手段）Ｐ５と、制御器（制御部）２００とを備えている。
【００５８】
変形例に係る濃縮乾燥装置２が、前記の濃縮乾燥装置１と異なる点は、原液を原液室１０ａに導入する原液流路１１０に代えて、原液を原液室１０ａに循環させる原液循環流路２１０を備えている点である。なお、濃縮乾燥装置２におけるその他の構成は、前記の濃縮乾燥装置１と同様である。
【００５９】
原液循環流路２１０は、原液室１０ａの出口から入口までを、配管等を介して室外で連通しており、原液を原液室１０ａに循環させるための流路を形成している。原液循環流路２１０上には、原液ポンプＰ１と、加熱器２０とが設置されている。また、原液循環流路２１０には、第１バルブＶ１０が設けられた流路が接続している。原液循環流路２１０は、第１バルブＶ１０が開放されることにより、系外から原液が導入されるようになっている。また、第１バルブＶ１０が閉鎖されることにより、原液を循環させる流路が系外と切り離されるようになっている。
【００６０】
また、原液循環流路２１０には、第２バルブＶ２０が設けられている。原液循環流路２１０は、第２バルブＶ２０が開放されることにより、原液を循環させる流路が室外で連通し、第２バルブＶ２０が閉鎖されることにより、原液を循環させる流路が閉じることで、原液室１０ａで濃縮された濃縮液を濃縮液流路１３０に排出するための一方向の流路を形成するようになっている。なお、図２においては、濃縮液流路１３０は、原液循環流路２１０と接続する分岐の下流側に、濃縮液の通流を開放及び閉鎖する第３バルブＶ３０を備えている。
【００６１】
次に、濃縮乾燥装置２の具体的な運転方法に基いて、本実施形態に係る濃縮乾燥方法について説明する。
【００６２】
本実施形態に係る濃縮乾燥方法は、原液が流される原液室（第１室）と、蒸気を選択的に透過する多孔質膜によって原液室（第１室）から隔てられた凝縮室（第２室）と、を有する膜蒸留セルと、原液室（第１室）から排出された原液を熱風中に噴霧して乾燥する噴霧乾燥器と、熱媒と原液室（第１室）に流される原液との間で熱交換を行って原液を加熱する熱交換器と、を備える濃縮乾燥装置において、原液を原液室（第１室）と熱交換器との間で循環し、熱交換器において噴霧乾燥器から排出された排風と原液との間で熱交換を行って原液を加熱し、加熱された原液を膜蒸留セルにおいて濃縮し、濃縮された原液を噴霧乾燥器において噴霧乾燥する濃縮乾燥方法である。
【００６３】
濃縮乾燥装置２において、原液は、原液ポンプＰ１の稼働によって、系外から原液循環流路２１０に導入される。そして、原液は、第１バルブＶ１０及び第３バルブＶ３０を閉鎖し、第２バルブＶ２０を開放した状態で、原液循環流路２１０を循環される。原液循環流路２１０を循環する間に、原液は、熱器２０において熱媒管１５０を通流する熱媒と熱交換を行うと共に、原液室１０ａにおいて膜蒸留により濃縮される。その後、原液が所定の目標濃縮率まで濃縮されると、第２バルブＶ２０を閉鎖し、第３バルブＶ３０を開放した状態に制御することで、濃縮液が濃縮液流路１３０を通じて濃縮液槽５０に排液される。
【００６４】
膜蒸留セル１０における蒸気圧差は、前記の濃縮乾燥装置１と同様、主として、加熱器２０による原液の加熱温度と、冷却器４０による冷却板１２の冷却温度との温度差を調節することにより制御すればよい。例えば、原液や冷却液の液温を監視し、加熱器２０や冷却器４０をフィードバック制御すればよい。また、凝縮室１０ｂに生じる凝縮液の積算量を監視して、凝縮液の積算量を定量制御してもよい。
【００６５】
濃縮乾燥装置２において、噴霧乾燥器７０は、前記の濃縮乾燥装置１と同様、定常的に運転することができる。そして、第１熱媒ポンプＰ４や第２熱媒ポンプＰ５の熱媒の移送量は、前記の濃縮乾燥装置１における移送量よりも低い流量に調整される。加熱器２０においては、原液を単回の循環で目標加熱温度よりも低い中間温度まで昇温し、原液の循環を繰り返して目標加熱温度まで昇温させる。そのため、第１熱媒ポンプＰ４や第２熱媒ポンプＰ５による熱媒の吐出量は、原液が中間温度まで加熱される程度の交換熱量が、加熱器２０や気液熱交換器３０において熱交換されるように調整される。
【００６６】
以上の変形例に係る濃縮乾燥装置及び濃縮乾燥方法によると、前記の実施形態と同様、膜蒸留に必要な加熱コストが削減され、希薄な分散液からエネルギ効率良く噴霧乾燥物を得ることが可能である。また、原液が原液室（第１室）と熱交換器との間で循環されて加熱されるため、原液を所定の濃縮率に濃縮するにあたり、原液を目標温度まで確実に加熱することができる。また、熱交換器の伝熱面積を縮小した設計が許容されるといった利点も得ることが可能である。
【００６７】
なお、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置１、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置２は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形、構成の置換等をすることができる。
【００６８】
例えば、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置１、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置２は、冷却板によって凝縮室（第２室）から隔てられた冷却室（第３室）と、冷却室（第３室）の出口と冷却室（第３室）の入口との間を接続し、冷却室（第３室）に冷却液を循環させる冷却液流路と、冷却液を冷却する冷却器と、を備えている。しかしながら、凝縮室（第２室）の冷却を行う手段は、この形態に制限されるものではなく、従来知られている適宜の膜蒸留セルの形態を採用することができる。例えば、冷却板に代えて、冷却液相が蒸気に直接接触する形態等であってもよい。
【００６９】
また、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置１、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置２においては、原液室１０ａに導入される原液が、熱交換を行う加熱器２０のみによって加熱されている。しかしながら、原液流路１１０や原液循環流路２１０には、熱交換を行う加熱器２０の前段又は後段に、他の加熱器を設置してもよい。他の加熱器は、熱交換を行う物に制限されるものではなく、燃焼式、通電加熱式等の適宜の形態とすることができる。他の加熱器を備えることにより、濃縮乾燥装置１及び濃縮乾燥装置２の運転初期や、排風の熱エネルギが不足している場合にも、原液を目標温度に加熱することが可能である。
【００７０】
また、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置１、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置２においては、熱媒管１５０に、第１熱媒タンクＴ１０と、第２熱媒タンクＴ２０と、第１熱媒ポンプＰ４と、第２熱媒ポンプＰ５とが備えられている。しかしながら、第１熱媒タンクＴ１０、第２熱媒タンクＴ２０、第１熱媒ポンプＰ４及び第２熱媒ポンプＰ５の個数は、適宜のものとすることができる。また、第１熱媒タンクＴ１０や、第２熱媒タンクＴ２０を具備しない構成とし、熱媒を常時循環させる形態とすることもできる。
【００７１】
また、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置１、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置２においては、排風路１４０上に、粉体分離器８０、及び、バグフィルタ式の集塵器９０が備えられている。しかしながら、排風路１４０上で噴霧乾燥物を分離する機器は、適宜の構成とすることができる。例えば、サイクロン等の粉体分離器８０を直列状に２器連結してもよいし、バグフィルタ式の集塵器９０に代えて電気集塵器等を配置してもよい。
【００７２】
また、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置１、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置２においては、加熱器２０が膜蒸留セル１０の外部に設けられており、原液流路１１０や原液循環流路２１０を流れる原液が加熱されるものとされている。しかしながら、これに代えて、加熱器２０を原液室１０ａに設置し、原液室１０ａの内部において原液を加熱する形態としてもよい。
【００７３】
また、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置１、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置２においては、単一の膜蒸留セル１０が備えられ、濃縮液流路１３０を通じて濃縮液を排出するものとされている。しかしながら、これに代えて、複数の膜蒸留セル１０を直列状に連結し、濃縮液流路１３０を次の装置の膜蒸留セル１０に連結した後に、噴霧乾燥器７０に接続してもよい。
【００７４】
また、前記の実施形態に係る濃縮乾燥装置１、及び、変形例に係る濃縮乾燥装置２においては、排風と原液との間で行う熱交換は、熱媒管１５０を通流する熱媒を介して間接的に行われている。すなわち、噴霧乾燥器から排出された排風と熱媒との間で熱交換を行い、更に、熱媒と原液との間で熱交換を行って、原液室（第１室）に導入される原液を加熱している。しかしながら、排風と原液との間で行う熱交換は、熱媒を介さず直接的に行う構成としてもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１  濃縮乾燥装置
１０  膜蒸留セル
１０ａ  原液室（第１室）
１０ｂ  凝縮室（第２室）
１０ｃ  冷却室（第３室）
１１  多孔質膜
１２  冷却板
２０  加熱器（第１熱交換器）
３０  気液熱交換器（第２熱交換器）
４０  冷却器
５０  濃縮液槽
６０  空気加熱器
７０  噴霧乾燥器
８０  粉体分離器
９０  集塵器
１１０  原液流路
１２０  冷却液流路
１３０  濃縮液流路
１４０  排風路
１５０  熱媒管
２００  制御器（制御部）
Ｆ１  給気ファン
Ｆ２  排風ファン
Ｐ１  原液ポンプ
Ｐ２  冷却液ポンプ
Ｐ３  濃縮液ポンプ
Ｐ４  第１熱媒ポンプ（流量調整手段）
Ｐ５  第２熱媒ポンプ（流量調整手段）
Ｔ１０  第１熱媒タンク
Ｔ２０  第２熱媒タンク
【図１】
2017203558.tif 000003
【図２】
2017203558.tif 000004