特集

化学機械

ササクラ・ヒートポンプを使った省エネ蒸発濃縮装置
株式会社 ササクラ
水処理事業部
水処理技術室長

１．はじめに和彦ら培ってきた技術であり、水平管式蒸発器とヒートポンプを組み合わせた装置が、VVCC型濃縮装置である。
VVCC型濃縮装置の概略フローを図１に示す。

当社は、海水淡水化装置の専門メーカとして創業以来たゆまぬ研究開発と技術の蓄積を重ね、現在では業界屈石田①

蒸発器内は、真空ポンプで常に真空が維持されて指の技術と実績を有するリーディングメーカの地位を確おり、原液は循環ポンプにより蒸発器上部から伝熱立している。中東諸国をはじめ世界の多くの国々に当社

管群に均一に散布され、管外を薄膜状に流下する。の製品が納入され、「海水淡水化のササクラ」として絶大②

伝熱管表面にて蒸発した蒸気はヒ－トポンプに取り込まれ圧縮・昇温された後、加熱源として伝熱管な信頼をいただいている。

内部に送り込まれる。

当社のMVRの取り組みは、1983（昭和58）年にVVC型海水淡水化装置の初号機を納入し、海水淡水化装置で③伝熱管内では高流速で蒸気が流れるため、凝縮液膜が薄く、非凝縮ガスや凝縮液膜による伝熱抵抗が積み重ねた技術を応用して1987（昭和62）年に濃縮用途にVVCC型濃縮装置として販売を開始した。高い伝熱ヒートポンプ性能を持つ蒸発器と自社設計･製作のターボ式ヒートポ真空ポンプ

ンプ（当社では蒸気圧縮機をヒートポンプと称する）やルーツ式ヒートポンプを用い、各種プロセス溶液や排水からの水回収・有価物回収・溶液の減容化等、目的に合わせて最適なシステムを提案し、幅広い業界にご使用さ凝縮水ポンプれ、ご評価をいただいている。

２．VVCC型濃縮装置について⑴

当社のVVCC型濃縮装置概要と作動原理

凝縮水

VVCC蒸発器

原液原液予熱器

当社の省エネルギーの特長としては、「水平管式蒸発器」と「ヒートポンプ」の組み合わせが挙げられる。
水平管式蒸発器は、上述の海水淡水化技術で古くか濃縮液循環ポンプ

図１ VVCC型濃縮装置概略フロー

産業機械2016.11P013-017_特集化学機械2.indd 13132016/11/14 15:25音壁なしで、装置機側１mで85dB程度。

小さくなる。管外も薄膜蒸発であることから、液深・ヒートポンプに付帯する補機、センサー類の点数がを有することになる。このため、わずかな温度差で少なく、制御、構造ともにシンプルで操作、メンテ蒸発と凝縮を繰り返すことができる。伝熱管内で凝ナンスが容易。

縮した蒸気は、凝縮水となって系外へ排出される。

当社の自社製作によるヒートポンプは、蒸発能力と④による非平衡温度差もほとんどなく、高い伝熱性能して１t/日～数百t/日の濃縮装置へ適用できるように原液の濃縮が進み、所定の濃度まで濃縮された液取り揃えている。

（濃縮液）は、循環ポンプにて循環ラインから分岐

当社のターボ式ヒートポンプは１台当たりの圧縮温され系外に排出される。

⑵

起動時には熱源としての蒸気を使用するが、順調度差が４～９℃であるが、高沸点上昇の液等、高い圧に蒸発運転が進めばヒートポンプ動力と、バックア縮温度が必要な場合は、ヒートポンプを直列に複数台ップ用の若干量の蒸気のみで濃縮運転が可能であ配置して多段圧縮することで温度差を稼ぐことも可能る。

である。ただ、イニシャルコスト、機器点数、保守の当社で用いられるヒートポンプ面で、できるだけ１台での高圧縮が望まれるため、蒸当社のVVCC開発以前からMVR濃縮装置の実用例

発量が１～60t/日規模のものについては、近年、ルは数多くあったが、なかなか実用機として広がらなかーツ式ヒートポンプを採用し、１台で圧縮温度差がった。主な理由は、従来の蒸気圧縮機が高速タービン20℃まで可能となった。
蒸発量60～100t/日規模については、新型ターボとしてのシステムであり、複雑でスペシャリストによ式ヒートポンプを開発して９℃まで圧縮が可能になっるメンテナンスが必要であったためである。

た。写真１に９℃圧縮のヒートポンプを搭載した蒸発

当社のターボ式ヒートポンプは送風機用のブロワを量91t/日のVVCC型濃縮装置の外観を示す。

真空蒸気圧縮用に開発を重ねたものであり、以下の特

現在、200t/日規模の８℃圧縮ヒートポンプを開発徴を持っている。
・回転数が低い（3,000〜4,500rpm）。

中であり、2016年度中に完成予定である。2018年

・大風量・高圧縮ヒートポンプのインペラー形状は３度を目標に30～60t/日用の８℃圧縮ターボ式ヒート次元羽根を採用し高効率（効率=約65～75％）。

ポンプを開発予定である。将来、海水淡水化装置や大・真空下での運転に加えて、動力、回転数が低いため、型濃縮装置の用途を想定して1,000t/日規模のものまで開発する予定をしている。

ベアリング、シール部分が高寿命。
・騒音値が比較的低い。大風量の大型濃縮装置でも防※上記圧縮温度は運転条件により変動する。

⑶

ランニングコストメリット
当社ヒートポンプ式のVVCC濃縮装置と、従来型の蒸気利用型装置での定常状態でのランニングコストを比較したものを、図２に示す。

【計算条件】
お茶（１～２％）を10倍濃縮するケースで試算
蒸発量：25t/日、50t/日、100t/日の３ケース
稼働率：24hr/日、350日/年【ユーティリティ単価】
電気単価：13円/kWh
蒸気単価：5.5円/kg※冷却水（循環使用）
・上水は計算から割愛。
写真１ 高圧縮ヒートポンプ搭載濃縮装置 外観

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ご覧いただいた通り、VVCC型濃縮装置の採用によ

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特集：化学機械¥250,000,000

年間コスト¥200,000,000
約1/15に低減¥150,000,000¥100,000,000

約1/12に低減
約1/10に低減¥50,000,000¥025t/日
蒸気式

25t/日
VVCC

50t/日
蒸気式

50t/日
VVCC

100t/日蒸気式

100t/日VVCC

図２ 当社VVCCタイプと蒸気式のランニング比較

フローを示す。

り、最大1/15と、大幅なランニングコストの削減がで

伝熱管表面で蒸発した蒸気は蒸留塔を通り、有機溶きる計算になる。処理量（蒸発量）が大きければ大きい剤をほとんど含まない蒸気となってからヒ－トポンプほど、コストの削減に貢献することが可能となる。に取り込まれ圧縮・昇温される。発生した蒸気はヒー

３．高沸点有機溶剤排水の導入事例⑴

トポンプで圧縮・再利用されるため、VVCC型濃縮装

概要

置同様、立上げ時には熱源としての蒸気を使用するが、近年、高沸点の有機溶剤（NMP、DMSO、MEA、定常時になるとヒートポンプ動力と、バックアップ用の若干量の蒸気のみで濃縮運転が可能である。

DMAc）等を対象とした蒸留装置を某蒸留塔メーカと共同開発し、提案を行っている。従来、蒸留等の分離⑶

ランニングコスト試算

は多量にエネルギーを消費するプロセスであったが、表１に各種方式のランニングコスト試算結果を示す。

当社の高い伝熱性能を有する蒸発器とヒートポンプ技蒸留塔とヒートポンプ式濃縮装置を組み合わせることで、凝縮水のNMP濃度を下げることができ、後処術により大幅な省エネルギーが達成できた。
⑵概略フロー

理への負荷低減が可能である。凝縮水はリサイクル、図３に高沸点有機溶剤含有排水対応ヒートポンプ式濃縮液は有価物として回収することも可能となる。

蒸発濃縮装置（SOLSTEP-HP/RVCC+Sol.）の概略

４．ヒートポンプ増設改造事例⑴

概要
既設の濃縮装置には未だに大量の蒸気を消費しているものが数多くある。当社では新規濃縮装置の販売だ

蒸留塔
真空ポンプ

けでなく、既設の蒸気加熱式濃縮装置へヒートポンプルーツ式ヒートポンプを増設することで省エネルギー性の優れた装置へと改造する提案も行っている。
畜産エキス抽出プラントにて既設蒸発濃縮装置を改原液予熱器a造し、蒸気圧縮用ヒートポンプを組み合わせることで凝縮水
ポンプ

蒸気消費量を削減した事例を紹介する。

凝縮水

VVCC蒸発器原液⑵

概略改造フロー
図４に改造前とヒートポンプ追加改造後の概略フローを示す。

濃縮液
原液
予熱器b

循環ポンプ

図３ 蒸留塔付き濃縮装置概略フロー

改造前は熱源として蒸気を加熱器へ導入し、原液を加熱し、蒸発缶で蒸発濃縮させていた。蒸発缶で蒸発

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表１ ランニングコスト試算
蒸発濃縮装置※1（ヒートポンプなし）

処理装置

蒸発濃縮装置（ヒートポンプ式）

原排水量

初期条件

蒸留塔付きヒートポンプ式
蒸発濃縮装置1,000kg/h

NMP濃度

５wt％

処理水量

877kg/h

879kg/h

923kg/h

処理水NMP濃度

1.5wt％

1.6wt％

0.4wt%※4

濃縮液量123kg/h

121kg/h

77kg/h

濃縮液NMP濃度

30wt％

30wt％

60wt％

濃縮液処理費

５円/kg

５円/kg

※2
−20円/kg（有価償却）

ヒートポンプ動力

ー

44kW

62kW

処理後

全熱量

580kW

44kW

62kW

（12円/kWとして）用役費用※3

6,966円/kg

522円/kg

743円/kg

用役費用（回収NMP１kg当たり）

188.78円/kg

14.4円/kg

16.1円/kg

ランニングコスト（濃縮液処理費用加算）

7,581円/h

1,127円/h−797円/hランニングコスト（濃縮液１kg当たり）

61.6円

9.3円/kg−10.4円/kg※１ 単蒸発器で試算※２ 濃縮液の条件により変動あり※３ 定常状態でのエネルギー試算（ポンプ、制御盤含まず）※４ オプションにてNMP濃度を更に下げることも可能

冷却水供給
冷却水戻り
コンデンサ

ルーツ式
ヒートポンプ
（増設）
真空ポンプ

蒸発缶

蒸発缶
加熱器

真空ポンプ排気

改造

加熱器
（改造）

蒸気

補助蒸気

凝縮水
凝縮水ポンプ

真空ポンプ排気

蒸気ドレン

真空ポンプ

濃縮液

濃縮液

原液

原液

改造前

ヒートポンプ増設後

凝縮水
凝縮水ポンプ（増設）

図４ ヒートポンプ追加改造事例

起動時は蒸気を供給する必要があるが、定常状態にした蒸気はコンデンサへ導かれ冷却水で凝縮させ、系外へ排出していた。
ヒートポンプ追加改造後は、蒸発缶で蒸発した蒸気をルーツ式ヒートポンプへ導き、圧縮、昇温して加熱用の蒸気として加熱器へ導入するようにした。ヒートポンプの圧縮温度差は最大20℃であったため、加熱

16

なれば、ヒートポンプの動力と僅かな外部からの熱源で濃縮ができるため、省エネルギーで運転することができるようになった。
⑶①

ランニングコスト比較
比較条件

器の伝熱面積を約40％増加させることで蒸発量を確

蒸発能力：2,500kg/h保した。

用役単価：電気13円/kWh、蒸気5.5円/kg

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特集：化学機械②

改造前
電気消費量を31.2kWhとして、③

５．おわりに31.2kWh×13円/kWh＝406円/h

高い伝熱性能を持った蒸発器を用いることで、ヒート蒸気消費量を2,700kg/hrとして、ポンプの動力を小さくすることが可能となり、そこに効2,700kg/h×5.5円/kg＝14,850円/h

率の高いヒートポンプを組み合わせることで、更にエネ合計：15,256円/h

ルギー使用量を低く抑えることが可能である。濃縮装置

ヒートポンプ増設後用に開発されたシンプルなヒートポンプの採用によりメ電気消費量を249.7kWhとしてンテナンス間隔を長くすることができ、メンテナンスコ

249.7kWh×13円/kWh＝3,246円/h

ストも削減できる。既存の蒸気式や圧縮比の高い蒸気圧蒸気消費量を10kg/hrとして縮機をご利用のお客様にとって、当社のヒートポンプを10kg/h×5.5円/kg＝55円/h

採用いただくことでユーティリティ費やメンテナンス費合計：3,301円/h

全てを含んだライフサイクルコストを大幅に低減するこ以上により、ランニングコストを約78％減少させることができた。とができる。
今後もあらゆる分野の「蒸発操作」を省エネルギー化すること、及びマテリアルリサイクルや環境負荷低減することで、人と暮らしを支えていきたいと考えている。

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