JPH0343559B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 水溶液供給材料流から濃縮母液および氷結晶
を含むスラリを生成する方法において、 (a) 前記供給材料流れをスラリために供給し、 (b) 前記スラリためからスラリを結晶装置中を通
して循環させて、該結晶装置の熱交換面上に氷
を付着させ、 (c) 該熱交換面から氷を除去するために前記スラ
リ内に浸漬されたスクレーパを設け、 (d) 循環するスラリの圧力を利用して、前記スク
レーパを前記熱交換面を縦断して往復運動さ
せ、 (e) 前記スラリためからスラリを除去すること、 を含むことを特徴とするスラリ生成方法。

２ スラリの10％前記スラリためから連続的に除
去される請求の範囲第１項記載のスラリ生成方
法。

３ 25％までのスラリが前記スラリためから連続
的に除去される請求の範囲第１項記載のスラリ生
成方法。

４ 前記スクレーパを構成するシヤトルを移動さ
せるための圧力が、前記結晶装置中に流れる容積
に対して逆比例関係で変化する請求の範囲第１項
記載のスラリ生成方法。

発明の背景 凍結濃縮装置は、一般に脱塩や食物処理のため
に使用される。この技術は、少なくとも１種の溶
解物質の溶液を含む供給材料流からスラリを生成
する技術を含む。スラリは、濃縮された母液と溶
液内の物質の１（または複数）種の結晶を含む。
結晶は、洗浄塔その他の精製装置から分離され
る。ある場合には、濃縮物が所望の生成物であ
る。他の場合には、結晶が所望の生成物である。
いずれにしても、結晶の迅速な効率的な製造がき
わめて重要である。

凍結濃縮装置の肝心で必須の部分は、供給材料
流を上述のスラリに変換する凍結結晶装置であ
る。結晶装置は、結晶を効率的に生成し、それを
母液に一様に分配しなければならない。

結晶装置の一般的形態は、間接的な熱伝達を利
用する。換言すれば、供給材料またはスラリは、
熱伝達面により冷媒から分離される。熱伝達面上
に形成される結晶は、累積されてはならず、形成
されたらできるだけ早く除去されねばならない。

従来、モータ駆動スクレーパが、熱伝達面から
付着物を浄化する装置の主役であつた。この種の
装置の代表的なものは、ケンタツキー州所在の
Vogt Productsの掻取り面交換器で、これはドク
タプレードおよびオーガー型スクレーパを使用す
るものである。この交換器は、不体裁であり、複
雑であり、保守が困難であつた。その理由は、ド
クタブレードおよびオーガー型スクレーパが、モ
ータ、チエーンドライブ、ガードシールそしても
ちろんオーガーを必要とするところから全く明ら
かである。

いわゆる「Amertap」凝縮器があるが、これ
は凝縮管内を循環される軟質のボールを使用す
る。これらの装置もかなり複雑であり、各管が平
均５秒ごとにボールを受け取ることを必要とす
る。

熱交換器の壁からスケールその他の付着物を除
去するため、蒸発器その他の熱交換装置にスクレ
ーパが使用された。スケールその他の不着物は、
ついでシステムから除去された。この論述の目的
上、「スケール」なる用語は、液体からの付着物
を指すのに使用するものとする。このような付着
物は、加熱処理に対しては不随的であり、一般に
有害であり、一般に可能ならば回避されるべきで
ある。スケールその他の付着物は、廃棄物として
処理され、処理され再循環されつゝある流体には
戻されなかつた。

１つのこの種の熱交換器は、J.M.Leachに発行
された米国特許第3259179号に記載されている。
詳述すると、Leachの装置は、海水や塩水を脱塩
するための蒸発コンバータに使用される熱交換器
について考案されたものである。塩水その他の原
料水は、開口から管中に導入され、こゝで蒸発が
行なわれる。

沈殿物は、一般に管壁上にスケールとして累積
する。累積されたスケールは、管壁の熱伝達率を
減じ、効率の劣化を招く。Leachの特許にしたが
えば、累積された不着物を除去するため、蒸発工
程は停止され、大形のピストンで多くのスクレー
パを短い距離押し、それらを出口に到らしめる。
スクレーバは、ついで管の内面を横切つて液圧で
押され、管の表面からコンバータを掻き出す。ス
ケールが押し出された後、スクレーパは原位置に
戻され、蒸発工程が再開される。

他の方法は、これまたJ.M.Leachに発行された
米国特許3406741号に示されている。この方法に
あつては、バツチ形式の液体処理が実施される。
ピストン状のスクレーパが、処理されつゝある液
体の移動によりシリンダ中を移動せしめられる。
特定のバツチの処理が完了した後、処理液は除去
され、次のバツチが供給される。

この明細書に記載される技術思想は、簡単であ
り、特別の管表面条件を必要としない。機械的駆
動機構は存在しない。構造はコンパクトであり、
そしてこの技術思想は所望の容量への縮小拡大に
役立つ。装置または結晶装置の配向と関係なく機
能する。

上述のすべての利点は、スケールを生ずること
が望ましくない蒸発器のような他の装置と異な
り、結晶装置で可能となつた。蒸発器のような他
の装置においてスケールを生ずることが望ましく
ないのは、結晶装置と他の装置との間には、動作
モードと得られる結果にそれぞれ基本的差がある
ためである。

結晶装置においては、所望の生成物は結晶であ
る。結晶は、できるだけ迅速に除去されねばなら
ない。結晶は、成長を促進するため結晶化装置中
を再循環されねばならない。氷結晶の場合（もつ
ともしばしば遭遇する結晶の形式）、研究による
と、氷は粘着せず、結晶が迅速に、普通10秒ごと
に除去されるならば、結晶装置表面から容易に採
取され得ることが分つた。したがつて、本明細書
に記載される簡単で困難性がきわめて低い本方法
は、除去のために採用できる。

本発明の目的は、水溶液供給材料流から氷結晶
を熱伝達面で形成させ、連続的にこれを掻き落と
して循環しつつスラリを濃縮し、更に濃縮して使
用するに適しているスラリを生成する方法を提供
することである。

本発明によれば、水溶液供給材料流から濃縮母
液および氷結晶を含むスラリを生成する方法にお
いて、前記供給材料流れスラリために供給し、前
記スラリためからスラリを結晶装置中を通して循
環させて、該結晶装置の熱交換面上に氷を付着さ
せ、該熱交換面から氷を除去するために前記スラ
リ内に浸漬されたスクレーパを設け、循環するス
ラリの圧力を利用して、前記スクレーパを前記熱
交換面を縦断して往復運動させ、前記スラリため
からスラリを除去すること、を含むことを特徴と
するスラリ生成方法が提供される。本発明の上述
およびその他の目的は、図面を参照して行なつた
以下の説明から明らかとなろう。

図面の説明 第１図は本発明を採用した凍結結晶装置の概略
図である。

第２図は第１図の装置の２−２線に依る断面図
である。

第３図はスクレーパとしてボールを使用した具
体例の概略図である。

第４図は第３図の装置の拡大断面図である。

第５図は第４図の装置の５−５線に依る断面図
である。

第６図は個々のシヤトルスクレーパを使用した
本発明の他の具体的の概略図である。

第７図は第６図の具体例の動作を説明するのに
有用な曲線である。

具体例の説明 第１図を参照すると、熱交換器すなわち結晶装
置１２、ためないしミキサ１４、ポンプ９、以下
で指示される種々の弁および導管を含む凍結結晶
装置組立体１０が示されている。結晶装置１２
は、普通１または複数の冷媒室を含んでおり、冷
媒は、入口１９から循環され、出口２１から出
る。左プレナム２２および右プレナム２４は、１
本（または複数本）の管２０により凍結されてお
り、この管中を冷媒が循環される。

スラリは、後で明らかになるように、口１５ま
たは１７のいずれかにより結晶装置に供給され、
他方の口から除去される。スラリは、スケール１
８内を管２０の外面１６を横切つて流れる。集合
的にスラリ室が形成される。

スペース１８内には、ピストン２３（第１図お
よび第２図）が配置されており、管２０が貫通す
る複数の孔２５を有している。それゆえ、ピスト
ンは管２０に関して長手方向に移動できる。

ピストン２３は、壁間にスクレーパグラニユー
ル２６を含む２重壁構造であり、そしてグラニユ
ールは、管２０の外面と接触下にある。ピストン
２３が管２０に関して移動するとき、スクレーパ
グラニユールは、これら表面から溶質の結晶を取
り除く。１対のプラグ２７が設けられており、ピ
ストンがプラグ間に位置づけられるときピストン
にグラニユール２６を充填する。

参照番号２８および２９は、冷凍管の端部部分
を表わしており、この部分は、ピストンの移動領
域を越えて氷が生成付着するのを防ぐため絶縁さ
れている（好ましくは低熱伝導性のプラスチツク
で）。

ため１４は、導管１１を介して供給材料が供給
される。スラリは、導管１３を介して結晶装置組
立体１０から除去される。第１図において、スラ
リは、ポンプ９によりため１４から開放弁３２を
通つて右入口１７に供給される。口１７中へのス
ラリの流入は、ピストン２３を左口１５に向つて
左に移動させる。ピストンは、管２０上を移動す
るとき、外部表面１６から結晶を掻き取る。シヤ
トルの前のスラリは、口１５から出て開放弁３３
を通り、導管５０を介してため１４に戻る。

ピストン２３が口１５に達すると、制御回路
（図示せず）が弁３２および弁３３を回転し、ス
ラリはダツシユ線流路３０および３４を通つて流
れるようになる。第１図を参照すると、ポンプ９
は、このときスラリを弁３３を通り流路３４を介
して供給する。スラリが左から右へ流れると、ピ
ストン２３は右に移動する。ピストン２３の先の
スラリは、熱交換器１２から弁３２および流路３
０を通り、導管３６を経てため１４に戻る。

凍結結晶装置組立体が最初に作動されるとき、
凍結結晶装置中を流れる流体は結晶を含まない。
究極的に、結晶が形成されため１４に移動され
る。実際には、好ましくは、結晶装置１２中を流
れるスラリの10％が、さらに処理のため、弁３５
および導管１３を介して連続的に除去される。残
りは、ため１４から結晶装置１２に再循環され、
さらに結晶が生成される。スラリの25％までをた
め１４から除去し、残りを結晶装置１２を介して
再循環できる。予め成形された結晶は成長する。
供給材料は、さらに処理のため組立体から除去さ
れたスラリの損失を補償する。

究極的に、ため１４および結晶装置１２にスラ
リが存在する定常状態が生ずる。供給材料は、導
管１１から供給され、ため１４から除去されたス
ラリのあとを埋める。結晶対母液の比は、供給材
料流の濃度および結晶装置１２の凍結温度によつ
て変わる。この論述は定常状態をとる。

次に第３図、第４図および第５図を参照して本
発明の代わり具体的について説明する。第３図に
は、単方向流結晶装置が示されている。結晶装置
は、６８に冷媒用入口を、７０に出口を備える。
低温度の冷媒が６８から導入され管７４の外側の
回りを循環される。スラリは、循環ポンプ６０に
より管７４中を循環される。結晶装置に対する入
口は８６である。循環ポンプ６０は、スラリを導
管６１に沿つて入口８６に、回転可能なストレー
ナホイール９１を介し、導管６４に沿つて結晶装
置６６のチヤンバ７８に流入させる。

スラリと一緒に、管内の流体の密度に近い密度
を有するナイロンボール７２のような複数の物体
が結晶装置６６内に配置される。

氷結晶その他の非貼着性のフイルムを形成する
場合、剛性のボールを使用できる。スケールがと
きたま（数分の間隔で）除去されつゝある熱交換
器の浄化においては、蓄積されるスケールが浄化
と浄化の間で時間とともに変わる。また、これは
液体内の含有量の関数として変わる。特定の管の
長さに沿う蓄積量も変わる。

スケールの場合、スケールは内部流れ内の流体
に対する熱伝達を抑止するから、スケールを完全
に除去することが必要であり、結晶の場合、所望
の反応は熱伝達面における結晶の形成である。

スケールの不均一性は、軟質のスクレーパおよ
び寸法上管より大きいスクレーパの使用を必要と
する。間隙のないことおよび剛性の欠如により、
スクレーパは、不均一なフイルムおよび種々の厚
さのフイルムを浄化することができる。予期に反
して、氷のような極薄の弱く付着したフイルムの
連続除去は、スクレーパと管との間に小間隙をも
たせた剛性の非弾性のスクレーパの使用を可能に
する。

さらに、結晶装置チヤンバは、２つの部分、す
なわち上部入口区域７８と下部出口部分８０に仕
切られる。ボールまたは類似の剛性物体７２は、
第３図において管７４中を左から右に流動せしめ
られ、ポンプにより結晶装置チヤンバの下半部か
ら下部出口部分の管７４を介して下部チヤンバ８
０へ、そして導管８２を介して回転可能ストレー
ナホイール部分に吸い込まれる。ボールは、こゝ
でストレーナホイール９１により捕捉され、スク
リーン９６により放出口８４を介して導管６３に
放出されるのを阻止される。

スクリーン９６は、回軸ホイール９１に取り付
けられたモータ８８により回転可能である。この
ホイールは、連続的または周期的に回転され、ボ
ール７２が結晶装置の下部すなわち放出部分に蓄
積されるとき入口部分に運び上げられ、管７４中
に再循環されるようになつている。このようにし
て、管７４中にスクレーパ物体の連続流が設定さ
れ、管７４の内面上に結晶した氷の累積物を掻き
出す。

回転スクリーン９６には、掻き落された氷粒子
をストレーナを通過させるには十分大きいが、ス
クレーパ物体７２が通過するのを防ぐ大きさの孔
またはスロツト９６（第５図参照）が設けられて
いる。簡単にするため、第５図には１組のスロツ
トのみが示されている。しかしながら、図示の場
合のように、この種の12枚のシートがスクリーン
に利用されることを理解されたい。シールバー９
４は、ストレーナホイール９１のハブ９３から軸
線方向に延びている。これらのシールバーは、入
口８６のスラリが出口８４に直接通過するのを防
ぐ。

第６図は、スラリを運ぶ各管が、熱伝達面から
結晶を掻き落す個々のシヤトルを有する凍結結晶
組立体１１０を示している。この装置の特徴は、
スラリの流れが逆転される前にすべてのシヤトル
がその移動の終端に達することを保証する手段に
ある。

前と同様、供給材料は導管１１１を介してため
１１４に供給され、スラリは導管１１３を介して
除去される。

ポンプ１１６は、ため１１４からスラリを取り
出し、これを導管１３８および開放弁１３２を介
して凍結結晶装置１１２のプレナム１２２に供給
する。冷媒は、開口１２１を介して結晶装置１１
２に供給され、開口１１９から取り出される。

複数本の整列された管１２３が結晶装置１１２
の全長を縦断しており、左方のプレナム１２２お
よび右方のプレナム１２４に開放している。スラ
リは、結晶装置１２２の管１２３中を循環され
る。

各管中にはシヤトル１２６が配置されている
が、このシヤトルは、管１２３中を往複運動し、
管の熱伝達面１２９からの結晶を掻き取るように
設計されている。各シヤトル１２６は、左側およ
び右側ストツプ１２７および１２５を備えてい
る。ストツプ１２７および１２５は、第６図に示
されるように、シヤトルがプレナム壁と当接する
ときシヤトルの動きを停止させる。

第６図を参照すると、すべてのシヤトル１２６
は、その移動の左端部で示されている。バルブ１
３２が開くから、ポンプ１１６はスラリをプレナ
ム１２２に供給する。スラリのプレナム１２２へ
の流入により、シヤトルは右方に移動することに
なる。シヤトルの先の管１２３内のスラリは、プ
レナム１２４を出、開放弁１３４および導管１５
０を介してため１１４に戻る。

理想的には、すべてのシヤトルが一様に管１２
３中を移動し、ほゞ同時に右端に達するのがよ
い。こうすれば、すべての管は一貫して一様にか
つ最高効率で結晶を掻き落される。

しかしながら、このような均一性は起こらない
ことを予期しなければならない。それゆえ、すべ
てのシヤトル１２６は、制御システムにより割て
当てられた時間内にその移動を終了することを保
証する手段を講ずることが必要である。この場
合、制御装置は、弁１３２および１３４を交互に
開放し他方弁１３０および１３６を開鎖するかま
たはその逆の操作を行なうタイミング装置より複
雑化されることはない。

右端近傍のシヤトル１２６の点線は、中心シヤ
トルが、なんらかの理由で、端部に達した他の２
つのシヤトルの背後で遅れていることを示してい
る。中心シヤトルの右側の熱伝達面１２９Ａ上に
は、恐らく結晶が蓄積し続けるであろうから、中
心シヤトルは、右端まで押されないかぎり、管の
この部分から結晶を掻き落す困難性を増すだろ
う。

各シヤトルがその特定の管を完全に縦断するこ
とを保証する手段は、この場合ポンプ１１６で具
体化される。このポンプは、鋭いヘツド（水頭）
対容積曲線を有する遠心ポンプである。この種の
ポンプは工業上入手し得る。容積型ポンプを使用
できるが、これは一般に鋭いヘツド対容積曲線を
有する。第７図には、ポンプ１１６内に生ずるヘ
ツドまたは圧力をポンプ中を流れるスラリ量の関
数として表わす曲線１１８が示されている。設計
流量の100％が流れると、ポンプ内に生ずるヘツ
ドはＡにある。何らかの理由のため流量が50％に
減ずると、ポンプ内に生ずるヘツドはより高値Ｃ
となる。25％の流量では、さらに高いヘツドＤが
発生する。

第６図に例示される場合、結晶装置中を循環さ
れるスラリの33％が３つの管１２３の各々を流れ
るものと仮定されよう。全シヤトルが同じ速度で
管中を移動していると、ポンプ内に生ずるヘツド
または圧力はＡにあると仮定し得る。例示の場
合、２つのシヤトル１２６がその移動を終了して
おり、中心シヤトルが引つ掛つていると思われ
る。右端にあるシヤトルはブロツクとして作用
し、各管におけるスラリの流れを低減または阻止
する。これが起こると、結晶装置中のスラリの流
量は、少なくとも2/3落ちる。

中心シヤトルが完全に引つ掛つていると、結晶
装置中のポンプ１１６のヘツドまたは圧力は、25
％の流量を表わすＤを越えるレベルに増大する。
中心シヤトルに対する圧力が通常より高いため、
シヤトルは解放され、右端に向つて移動する。中
心シヤトルの通常の移動が回復すると、駆動圧力
はＣと同じ程度の高さを継続し、シヤトルをその
移動の終端に向つて加速する。

本発明の種々の特徴および利点は上述の説明か
ら明らかであると考えられる。こゝに詳述されな
い種々の特徴および利点も、技術に精通したもの
であれば思い付くことができることは明らかであ
ろうし、同様に、例示の好ましい具体例の変化お
よび変更も技術に精通したものであれば本発明の
技術思想から逸脱することなく達成し得よう。