JP6845048B2 - 粒状活性炭吸着塔、コレクタ及び粒状活性炭吸着塔の改造方法 - Google Patents

Description

本発明は粒状活性炭吸着塔と、粒状活性炭吸着塔が備えるコレクタと、粒状活性炭吸着塔の改造方法に関し、特に粒状活性炭を下部から抜き出し上部から補給する移動床方式の粒状活性炭吸着塔に関する。

糖、排水などの液体から色素や有害物質を除去するための装置として粒状活性炭吸着塔が知られている（特許文献１）。特に、粒状活性炭を下部から抜き出し上部から補給する移動床方式の粒状活性炭吸着塔は活性炭の利用効率が高く、装置を小型化することが容易である。移動床方式の粒状活性炭吸着塔は粒状活性炭が充填される充填容器を備え、処理される液体の供給口が充填容器の下部に、処理された液体の回収部が充填容器の上部に設けられている。液体は粒状活性炭と接触しながら充填容器内を上昇し、粒状活性炭によって色素や有害物質を除去される。充填容器の上部には液体の取出し部であるコレクタが設けられている。液体はコレクタに備えられたスクリーンを通って充填容器の外部に排出される。スクリーンは粒状活性炭より小さな隙間を有しており、粒状活性炭が液体に混入して排出されることが防止される。粒状活性炭層は下部ほど色素や有害物質が多く吸着するため、粒状活性炭を下方から抜き取ることで、飽和した粒状活性炭を順次交換することができる。

粒状活性炭の交換を行うには、まず液体の供給を停止する。次に粒状活性炭を充填容器の底部に接続された抜き取り配管から重力で抜き取り、新しい粒状活性炭を充填容器の頂部のフィードタンクから重力で供給する。粒状活性炭は水と混合されたスラリーの状態で供給される。粒状活性炭の交換の際には粒状活性炭同士の摩擦によって微粉炭が発生する。微粉炭はスクリーンを通過し液体に混入するため、粒状活性炭の交換を行った後、液体に微粉炭が混入しなくなるまで液体を通液する。その後、液体の処理を開始する。

特開２０１１−１６０７０号公報

粒状活性炭の交換時には、液体に微粉炭が混入しなくなるまで、すなわち液体から濁質が取れるまでに時間がかかる。これは、充填容器の下方から供給される液体の上昇流によって、充填容器の上部で微粉炭が浮遊し、その微粉炭が液体と共に排出されるためである。液体の線速度（ＬＶ）が高い場合にこの傾向が顕著になる。一方で、ＬＶを高くすることで液体の処理能力を高めることができ、これにより単位時間の処理量を増やし、あるいは装置を小型化することが可能となる。しかし、現状では線速度を増やすことで液体の処理能力を高めつつ、濁質がなくなるまでの時間を短縮することは困難である。

本発明は液体のＬＶが高い場合でも、液体に微粉炭が混入しなくなるまでの時間を短縮することができる粒状活性炭吸着塔を提供することを目的とする。

本発明の粒状活性炭吸着塔は、粒状活性炭が充填される充填容器であって、断面積が上方に向かって減少する上部空間を形成する上部部分と、上部空間の下端に接続され中央空間を形成する胴部と、を備えた充填容器と、充填容器の下部に設けられ、粒状活性炭で処理される液体を供給する液体供給ノズルと、上部部分を貫通し且つ液体供給ノズルの上方に設けられ、粒状活性炭で処理された液体を収集するコレクタと、上部部分に設けられた粒状活性炭の供給口と、充填容器に設けられた粒状活性炭の排出口と、を有している。コレクタは、充填容器の内部に位置し、液体を通過させ粒状活性炭の通過を阻止する第１のフィルタと、液体の流れに関し第１のフィルタの下流に位置し、上部部分を貫通し、液体を充填容器の外部に排出する排出管と、を有し、第１のフィルタの上端は上部部分よりも下方にある。

粒状活性炭を交換する際は、一般に単位時間の抜き取り量が単位時間の供給量より多いため、吸着塔の上部に液体が滞留する。この状態で液体を高いＬＶで通水すると、充填容器の上部の粒状活性炭が動きやすくなり、その結果微粉炭が液体中を浮遊する。この微粉炭の動きは液体のＬＶが高いほど活発化されやすく、微粉炭の動きが収まるまでに長い時間を要する。特に、断面積が上方に向かって減少する上部空間では、上方ほど液体の流速が高くなるため微粉炭の動きが活発化する。本発明によれば、コレクタの第１のフィルタの上端が上部部分の下方にある。すなわち、第１のフィルタは、微粉炭の動きが長時間にわたって活発化しやすい上部空間を避けて配置される。従って、本発明によれば、液体のＬＶが高い場合でも、液体に微粉炭が混入しなくなるまでの時間を短縮することができる粒状活性炭吸着塔を提供することができる。

粒状活性炭吸着システムの全体構成図である。 粒状活性炭吸着塔の概略構成図である。 図２のＡ部拡大図である。 第１のフィルタの部分拡大図である。 微粉炭の挙動を模式的に示す図である。 第２のフィルタの概念図である。

以下、図面を参照して本発明の粒状活性炭吸着塔の実施形態を説明する。本実施形態に係る粒状活性炭吸着塔は糖から色素を除去して糖を無色化するプロセスに適用される。しかし、本発明の粒状活性炭吸着塔はこれに限定されず、例えば排水中の色度やＣＯＤの除去、供給液の色度成分、臭気や有機成分の除去にも適用することができる。

まず、図１を参照して、本発明の粒状活性炭吸着塔を含む粒状活性炭吸着システムの全体構成を説明する。粒状活性炭吸着システム１は液体である糖から色素成分を除去するための粒状活性炭吸着塔２と、パルス受槽３と、洗浄塔４と、再生炉５と、急冷槽６と、活性炭フィードタンク７と、を有している。これらの各装置は配管で連結され、粒状活性炭吸着塔２から取り出された粒状活性炭は再生されて、再び粒状活性炭吸着塔２に戻るようにされている。

具体的には、粒状活性炭吸着塔２に一定時間糖が通液されると粒状活性炭吸着塔２の下部に充填された粒状活性炭が飽和するため、この粒状活性炭を粒状活性炭吸着塔２から取り出して再生する。そのための操作をパルス操作といい、詳細は後述する。粒状活性炭吸着塔２から重力で取り出された粒状活性炭はパルス受槽３に排出され、洗浄塔４に送られ、洗浄水で洗浄される。洗浄された粒状活性炭はバーナーを備えた再生炉５に送られる。粒状活性炭は再生炉５で加熱され、粒状活性炭に付着した色素成分が除去される。その後粒状活性炭は急冷槽６で冷却され、フィードタンク７に送られる。フィードタンク７は粒状活性炭吸着塔２の直上に設置されており、再生された粒状活性炭は重力によって、粒状活性炭吸着塔２の頂部から粒状活性炭吸着塔２に供給される。粒状活性炭は水との混合物であるスラリーの形態で粒状活性炭吸着塔２に供給される。このようにして、粒状活性炭吸着システムは粒状活性炭を効率よく回収、再生しながら液体を処理することができる。

次に、粒状活性炭吸着塔２の構成を説明する。図２には粒状活性炭吸着塔２の概略構成図を示す。図３には図２のＡ部拡大図を示す。粒状活性炭吸着塔２は、糖から色素を除去するための粒状活性炭が充填された充填容器１１と、充填容器１１を支持するスカート１２と、を有している。以下、充填容器１１に充填された粒状活性炭の層を活性炭層Ｃという場合がある。充填容器１１は円筒形状の胴部１４と、胴部１４の頂部に接続された円錐台形状の上部部分（コニカル）１３と、胴部１４の底部に接続された下部部分１５と、を有している。上部部分１３は、断面積が上方に向かって縮小された上部空間１６を形成する。上部部分１３の頂部には粒状活性炭の供給口１７が設けられている。供給口１７は粒状活性炭供給配管１８によってフィードタンク７と接続されている。上部部分１３の傾斜角度は、粒状活性炭の充填効率を高める角度に設定されている。下部部分１５は粒状活性炭の排出を容易とするコニカル形状を有し、断面積が下方に向かって縮小された下部空間２１を形成する。充填容器１１の底部には粒状活性炭を抜き取るための抜き取り口１９が設けられている。抜き取り口１９は粒状活性炭抜き取り配管２０によってパルス受槽３と接続されている。

粒状活性炭吸着塔２に充填される粒状活性炭としては、例えば石炭系、ヤシガラ系の粒状活性炭が挙げられる。石炭系粒状活性炭は破砕状、球状、ペレット状などの形状を有し、２〜５ｎｍ程度の細孔が発達したもので、高分子系の色素成分の除去性能に優れている。用途によってはヤシガラ系の粒状活性炭を用いることもできる。ヤシガラ系粒状活性炭は１．２〜３ｎｍ程度の細孔が発達したもので、匂い成分など小さな分子の除去性能に優れている。

充填容器１１の下部、より具体的には下部部分１５に液体供給ノズル２２が設けられている。液体供給ノズル２２は液体供給配管２３と接続されており、粒状活性炭で処理される液体が供給される。液体供給ノズル２２は下部部分１５の側壁に、周方向に等間隔で複数個設けられているが、その設置位置及び個数は限定されない。

充填容器１１の上部、より具体的には上部部分１３には粒状活性炭で処理された液体を収集するコレクタ２４が設けられている。コレクタ２４は液体排出配管２５と接続されており、粒状活性炭で処理された液体が排出される。コレクタ２４は上部部分１３の側壁に、周方向に等間隔で複数個設けられているが、その個数は限定されない。コレクタ２４の詳細な構成と設置位置については後述する。

上部部分１３を大気連通管２６が貫通している。大気連通管２６はコレクタ２４より上部で上部部分１３を貫通している。大気連通管２６は充填容器１１の保護と充填効果を上げるために設けられている。粒状活性炭の交換時には、単位時間に供給される粒状活性炭より単位時間に抜き取られる粒状活性炭の量が多いため、充填容器１１は一時的に負圧になる。このため、大気解放された大気連通管２６から空気を充填容器１１に導入することで、過大な負圧による充填容器１１の損傷を防止することができる。

図３を参照すると、コレクタ２４は全体として上下方向に延びる筒状の形状を有している。より具体的には、コレクタ２４は充填容器１１の内部且つ液体供給ノズル２２の上方に設けられた第１のフィルタ２７と、上部部分１３を貫通し、処理された液体を充填容器１１の外部に排出する排出管２８と、を有している。排出管２８の上端に設けられたフランジ２９が上部部分１３のノズル３０のフランジ３１と液体排出配管２５のフランジ３２との間に挟持され、図示しないボルトとナットによって固定されている。第１のフィルタ２７は、排出管２８に支持され排出管２８の側面の一部を覆う筒状のスクリーンである。第１のフィルタ２７と排出管２８は同じ中心軸を有する円筒形状を有し、第１のフィルタ２７が排出管２８の外方にある。従って、排出管２８は液体の流れ方向に関して第１のフィルタ２７の下流に位置している。第１のフィルタ２７は液体を通過させる一方、粒状活性炭の流入を阻止する。図４の第１のフィルタ２７の部分拡大図（図３のＢ部拡大図）に示すように、第１のフィルタ２７は環状のウェッジワイヤ３３を上下方向に間隔をあけて配置したもので、その間隔ｄは液体は通過できるが粒状活性炭が通過しないように決められている。第１のフィルタ２７はワイヤメッシュなどの網状体でもよい。

排出管２８の側面の第１のフィルタ２７と対向する領域（以下、フィルタ対向領域）には排出管２８の内部流路と連通する複数の開口３４が形成されている。開口３４は同一の高さ位置に等間隔で複数個設けられ、かつ上下方向に千鳥配置で設けられているが、その設置位置及び個数は限定されない。排出管２８のフィルタ対向領域の上端と下端に第１のフィルタ２７の上下両端部と係合する爪状の係合部３５が設けられている。第１のフィルタ２７の両端部を係合部３５から外すことで、第１のフィルタ２７を排出管２８から取り外すことができる。排出管２８のフィルタ対向領域の上方及び下方には開口３４が設けられておらず、また排出管２８の下端は閉じられている。

液体は液体供給ノズル２２から充填容器１１の活性炭層Ｃの下部に導入され、活性炭層Ｃを上昇しながら粒状活性炭でろ過される。ろ過された液体は第１のフィルタ２７を通過し、次に排出管２８の開口３４から排出管２８の内部流路に導入され、液体排出配管２５に排出される。

排出管２８の側面のフィルタ対向領域に上述の開口３４に代わり、第１のフィルタ２７と同様のスリット状の開口を設けることもできる。この場合、排出管２８の外側に第１のフィルタ２７を設けることもできるが、排出管２８の側面の開口の間隔が第１のフィルタ２７の間隔ｄと同程度、すなわち液体は通過できるが粒状活性炭が通過しない大きさであれば、第１のフィルタ２７を省略することもできる。

次に、図１を参照して、パルス操作について説明する。粒状活性炭を交換するには、まず粒状活性炭供給配管１８に設けられた第２の弁９を開放し、次に粒状活性炭抜き取り配管２０に設けられた第１の弁８を開放する。フィードタンク７から粒状活性炭供給配管１８を通って、新しい粒状活性炭が充填容器１１に供給される。これとともに粒状活性炭は粒状活性炭抜き取り配管２０を通って重力で排出される。粒状活性炭の充填を促進するため、粒状活性炭は水と混合したスラリーの状態で供給される。これによって新しい粒状活性炭が供給され、充填容器１１内で粒状活性炭が圧密充填される。粒状活性炭の供給が終了したら第１の弁８と第２の弁９を閉める。

次に液体供給配管２３から液体を通液する。液体は上向流となって充填容器１１の上部に移行し、第１のフィルタ２７と排出管２８を通って充填容器１１の外部に排出される。パルス操作の際に、粒状活性炭同士が接触してこすれ、微粉炭が発生する。この過程で、液体は微粉炭を取り込む。微粉炭も第１のフィルタ２７と排出管２８を通って粒状活性炭吸着塔２の外部に排出されるが、所定以下のＬＶで通液した場合は液体に含まれる微粉炭の量は徐々に減少する。微粉炭は、例えば液体排出配管２５に設けたサイトグラス（図示せず）で確認してもよいし、液体排出配管２５から液体をサンプリングし、微粉炭をろ紙（図示せず）で捕捉して観察してもよい。所定の基準に従い微粉炭の排出量が十分に低下したと判断されると、液体の処理を開始することができる。

図５は、粒状活性炭の充填後、液体を通水しているときの微粉炭の挙動を模式的に示している。活性炭層Ｃの上方は液体が充満している。丸矢印は微粉炭の動きを模式的に示しており、矢印が大きいほど微粉炭の速度が大きく、微粉炭が活発に動いていることを意味する。活性炭層Ｃの下部では、粒状活性炭はその上方の粒状活性炭の押し付け力によって強い圧密状態にあるため、微粉炭の動きは小さい。これに対し、活性炭層Ｃの上部では、液体の上向流Ｆによって微粉炭が攪拌される。特に活性炭層Ｃの最上部は圧密度が低いため、粒状活性炭が液体によって大きく動かされる。これによって粒状活性炭の間に存在する微粉炭が舞い上げられ、上方の液体に混入する。さらに、上部部分１３の断面積は上部に行くほど減少しているため、液体の流速も上部に行くほど増加し、これに伴い微粉炭の動きも活発化する。

図５（ａ）は図３とともに本実施形態の構成を示しており、第１のフィルタ２７の上端が上部部分１３の下方にある。第１のフィルタ２７の上端の位置はこの条件を満たす限り限定されないが、活性炭層Ｃのろ過能力を最大限活用するため、上部部分１３の近傍にあることが好ましい。第１のフィルタ２７の上端は上部部分１３と胴部１４との接続部３５から下方に０〜３０ｃｍ程度の範囲ｈにあることが望ましい（図３参照）。これに対して活性炭層Ｃのろ過能力を最大限に利用する場合、図５（ｂ）に示すように第１のフィルタ２７の少なくとも一部が上部部分１３と胴部１４との接続部３５より上方にあることが望ましいが、液体を活性炭層Ｃの最上部またはその上の液体から吸い込むため、微粉炭の動きが収まるまでの長時間にわたり、許容値以上の微粉炭を含む液体を吸い込むことになる。

また、液体のＬＶは、糖などの粘性の高い液体の場合、一般的に２〜３ｍ／ｈ程度に設定されるが、ＬＶを高くする（例えば５〜１０ｍ／ｈ程度）と、単位時間の処理能力が増えるというメリットがある。このことは、単位時間の処理量を同一とすれば、充填容器１１のサイズの縮小にもつながる。しかし、ＬＶを上げると微粉炭の動きが活性化し、液体への微粉炭の混入がなかなか止まらず、液体の処理を開始するまでに長時間を要する。

これに対して図３、図５（ａ）に示す実施形態では、第１のフィルタ２７は微粉炭が活発に動く領域を避けて液体を吸い込むことができる。これは、第１のフィルタ２７が、充填容器１１の内径が大きく、且つある程度の圧密状態にある活性炭層Ｃの領域に設置されているためである。このような領域では粒状活性炭の粒間に存在する微粉炭の動きが小さく、微粉炭の動きが短時間で収束するため、液体への微粉炭の混入を抑えることが容易である。このため、より短時間で上記所定の基準を満たすことができる。

下方から粒状活性炭吸着塔２に液体を導入する際、初期の段階では充填容器１１の上部は空気層となっている。この空気層は液体によって押し上げられ、大気連通管２６から排出される。この過程で微粉炭が大気連通管２６に入り、大気連通管２６が詰まる可能性がある。大気連通管２６の詰まりは粒状活性炭の充填性能の低下につながる。これはＬＶが高いときに特に顕著となる。大気連通管２６の詰まりを抑制するため、大気連通管２６には第２のフィルタ３６が設けられている。図６を参照すると、第２のフィルタ３６としてバケット型のスクリーンが大気連通管２６の側壁に取り付けられている。第２のフィルタ３６は全ての大気連通管２６に設けられているが、一部の大気連通管２６だけに取り付けられてもよい。また、定期的にスクリーンの洗浄ができる配管を有することが望ましい。

本発明は既存の粒状活性炭吸着塔２の改造に適用することもできる。例えば、第１のフィルタ２７が図５（ｂ）に示すように上部部分１３の直下に設けられている場合、排出管２８を第１のフィルタ２７の直上の位置で切断し、排出管２８の両側の切断端部の間に短管を挿入する。これによって、図５（ａ）と同じ構成を得ることができる。

１ 粒状活性炭吸着システム
２ 粒状活性炭吸着塔
３ パルス受槽
７ 活性炭フィードタンク
８ 第１の弁
９ 第２の弁
１１ 充填容器
１３ 上部部分
１４ 胴部
１５ 下部部分
１６ 上部空間
１７ 粒状活性炭の供給口
１８ 粒状活性炭供給配管
１９粒状活性炭の抜き取り口
２０ 粒状活性炭抜き取り配管
２１ 下部空間
２４ コレクタ
２５ 液体排出配管
２６ 大気連通管
２７ 第１のフィルタ
２８ 液体の排出管
３３ ウェッジワイヤ
３４ 開口
３５ 上部部分と胴部との接続部
３６ 第２のフィルタ
Ｃ 活性炭層

Claims (6)

1. 粒状活性炭が充填される充填容器であって、断面積が上方に向かって減少する上部空間を形成する上部部分と、前記上部空間の下端に接続され中央空間を形成する胴部と、を備えた充填容器と、
   前記充填容器の下部に設けられ、前記粒状活性炭で処理される液体を供給する液体供給ノズルと、
   前記上部部分を貫通し且つ前記液体供給ノズルの上方に設けられ、前記粒状活性炭で処理された液体を収集するコレクタと、
   前記上部部分に設けられた前記粒状活性炭の供給口と、
   前記充填容器に設けられた前記粒状活性炭の排出口と、を有し、
   前記コレクタは、前記充填容器の内部に位置し、前記液体を通過させ前記粒状活性炭の通過を阻止する第１のフィルタと、前記液体の流れに関し前記第１のフィルタの下流に位置し、前記上部部分を貫通し、前記液体を前記充填容器の外部に排出する排出管と、を有し、前記第１のフィルタの上端は前記上部部分よりも下方にある、粒状活性炭吸着塔。
2. 前記第１のフィルタは、前記排出管に支持され、前記排出管の側面の一部を覆う筒状のスクリーンである、請求項１に記載の粒状活性炭吸着塔。
3. 前記上部部分を貫通する大気連通管を有し、前記大気連通管は前記充填容器の内部に第２のフィルタを有している、請求項１または２に記載の粒状活性炭吸着塔。
4. 前記大気連通管は前記コレクタより上部で前記上部部分を貫通している、請求項３に記載の粒状活性炭吸着塔。
5. 粒状活性炭が充填される充填容器に取り付けられ、粒状活性炭で処理された液体を収集するコレクタであって、
   前記充填容器は、断面積が上方に向かって減少する上部空間を形成し頂部に前記粒状活性炭の供給口が設けられた上部部分と、前記上部空間の下端に接続され断面積が一定の中央空間を形成する胴部と、を備え、前記充填容器の下部且つ前記コレクタの下方に前記粒状活性炭で処理される液体を供給する液体供給ノズルが設けられ、前記上部部分の頂部に前記粒状活性炭の供給口が設けられ、前記充填容器の底部に前記粒状活性炭の排出口が設けられており、
   前記コレクタは、前記充填容器の内部に位置し、前記液体を通過させ前記粒状活性炭の通過を阻止する第１のフィルタと、前記液体の流れに関し前記第１のフィルタの下流に位置し、前記上部部分を貫通し、前記液体を前記充填容器の外部に排出する排出管と、を有し、前記第１のフィルタの上端は前記上部部分よりも下方にある、コレクタ。
6. 粒状活性炭が充填される充填容器であって、断面積が上方に向かって減少する上部空間を形成する上部部分と、前記上部空間の下端に接続され断面積が一定の中央空間を形成する胴部と、を備えた充填容器と、前記充填容器の下部に設けられ、前記粒状活性炭で処理される液体を供給する液体供給ノズルと、前記上部部分を貫通し且つ前記液体供給ノズルの上方に設けられ、前記粒状活性炭で処理された液体を収集するコレクタと、前記上部部分の頂部に設けられた前記粒状活性炭の供給口と、前記充填容器の底部に設けられた前記粒状活性炭の排出口と、を有する粒状活性炭吸着塔の改造方法であって、
   前記コレクタは、
   前記充填容器の内部に位置し、前記液体を通過させ前記粒状活性炭の通過を阻止する第１のフィルタと、
   前記液体の流れに関し前記第１のフィルタの下流に位置し、前記第１のフィルタを支持し、前記上部部分を貫通し、前記液体を前記充填容器の外部に排出する排出管と、を有し、
   前記第１のフィルタの上端が前記上部部分よりも下方に位置するように、前記排出管の前記上部部分の貫通部と前記第１のフィルタの前記上端との間に管路を挿入することを有する、粒状活性炭吸着塔の改造方法。

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