減圧沸騰形海水淡水化装置、及び方法
【課題】海水淡水化装置の約６０％は蒸留法が適用され、また、その多くが省エネルギーを目的に減圧蒸留法を採用している。減圧蒸留法では減圧実現手段として真空ポンプに替へ液柱を用いた減圧蒸留法を提案することで、更なる省エネルギーを実現する。
【解決手段】減圧沸騰形海水淡水化装置は、海水中に立設される海水塔１１（液柱）と、淡水中に立設さる淡水塔１２（液柱）と、これらを連通する連通管１３と、海水加熱手段１９と、冷却手段１４とで構成され、海水塔１１の上部空間と淡水塔１２の上部空間はトリチェリ真空に維持される。このため、淡水化装置稼働時には真空ポンプは不要で、通常の減圧蒸留装置に比べランニングコストを更に低減できる。
【解決手段】減圧沸騰形海水淡水化装置は、海水中に立設される海水塔１１（液柱）と、淡水中に立設さる淡水塔１２（液柱）と、これらを連通する連通管１３と、海水加熱手段１９と、冷却手段１４とで構成され、海水塔１１の上部空間と淡水塔１２の上部空間はトリチェリ真空に維持される。このため、淡水化装置稼働時には真空ポンプは不要で、通常の減圧蒸留装置に比べランニングコストを更に低減できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸留原理に基づく海水の淡水化装置及び、海水の淡水化方法であって、更に詳しくは、真空を利用し、省エネルギーで海水を淡水化する減圧蒸留法による海水淡水化装置及び、海水の淡水化方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
近年、水（清水）の欠乏が世界的に言われ、その解決策の一つに海水の淡水化がある。
海水の淡水化には、蒸留法、逆浸透法、電気透析法、凍結法など種々の方法が提案されているが、現在、その約６０％が蒸発法で、約３０％が逆浸透法で実現されている。
しかし、実際には、それぞれ装置の建設コストが高い、運転コストが高いなど種々の問題があり、これら課題を解決できる省エネルギーで、運転コストが安く、しかも構造が簡単で、新規な海水淡水化装置の実用化が望まれている。
【０００３】
減圧蒸留原理に基づく先行特許文献には、例えば図４に示す発明が開示されている。
図４の淡水化装置７０は、上下２段の蒸発缶７１，７２で構成され、各蒸発缶内部は真空ポンプ８８により、減圧状態に保持され、また、海水供給管８０，８１により海水７８，７９が供給されている。
下段蒸発缶７２には加熱手段７３が設けられ、海水７９は加熱されて水分を蒸発させる。
下段蒸発缶７２の天井板と上段蒸発缶７１の底面板は共通の伝熱板７５で構成されており、下段蒸発缶内７２で蒸発する水蒸気は、上段蒸発缶７１の底面であり且つ、下段蒸発缶７２の天井でもある伝熱板７５で冷却、凝縮される。
凝縮水はトラップ７６，７７の上面で受けられ、トラップ７６，７７の傾斜によって蒸発缶７１，７２の内壁面に沿う部分に淡水８２，８３として溜められる。
【０００４】
上段蒸発缶内の海水７８は、下段蒸発缶内の水蒸気の潜熱で底面より温められる。この時、真空ホンプ８８を作動させて、温められた海水温度に対応する水蒸気圧以下まで蒸発缶７１内部を減圧し、減圧状態を維持することで、海水を沸騰させ水分の蒸発を促す。海水７８から発生する水蒸気は、上部に配置された冷却手段７４により冷却・凝縮され淡水８２になる。上下段それぞれの淡水８２，８３は、分岐管路８４，８５を経由して凝縮水溜め容器８６，８７に吸引されて溜められる。
図４の減圧蒸発缶による方法は、３段以上とすることで、熱効率を更に向上させることは可能であるが、凝縮水溜め容器８６，８７に溜められた淡水を連続的に回収することは困難である。
一方図５に示す、製塩工場で採用されている多重効用真空式蒸発缶は、製塩を目的とする塩分濃度の高い鹹水の製造装置であるが、鹹水製造過程でも淡水を作ることができる。
【０００５】
図５は非特許文献の多重効用真空式蒸発缶９０で、ボイラー９１で発生した蒸気は、発電用タービン９２を経由した後、１号缶９３の熱源となり、また１号缶９３で発生した熱が次の２合缶９４の熱源に、同様にして３号缶９５の熱源、４号缶９６の熱源になる。この１号缶〜４号缶への蒸気輸送は、各缶内を一旦真空にした後に実施されるので、各缶内は何れも沸騰状態にある。これらの内、４号缶９６の温度は最も低く、蒸気圧も最も低い。従って、４号缶９６内の真空度は最大であって、海水は最も低い温度で沸騰している。
この４号缶９６の水蒸気を冷却部９８において、海水で冷却することで淡水を得ることができる。真空ポンプ９７はメンテナンスなどで運転を停止した後、再開する時だけ使用する。多重効用真空式蒸発缶９０は製塩を目的とする装置であるので、淡水を得ることを目的とする減圧蒸留装置としては、装置が大型で複雑である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−５４２８
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「鳴門市史・現代編１」（１９９９年・徳島県鳴門市発行）９１７頁〜１０１７頁収録「第十章 塩業」（小橋 靖著）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
海水淡水化装置の主流である蒸留法では、蒸留に多くのエネルギーが必要なため、コスト高になる問題がある。
海水の淡水化では、エネルギーコストの低減に有効な原理として、一般には次の２つの物理原理が利用されている。
【０００９】
ａ）海水を加熱して、気化させた水蒸気を熱交換器で冷却・凝縮させて淡水を得る。この熱交換器に使用される冷却媒体は、海水であるが、この熱交換作用により温度上昇した海水を、水蒸気を発生させるための原料海水として使用する。この原料海水は、熱交換過程で既に、凝縮潜熱を吸収して加温されているので、蒸発に必要とされる加温エネルギーを大幅に減らすことができる。即ち、水蒸気の冷却と、海水の加温の一石二鳥が達成され、エネルギーの消費は大幅に節減できる。
【００１０】
ｂ）海水を沸騰させて水蒸気を得る場合、沸騰点は圧力に比例して上昇する。
一方、蒸留に必要とされるエネルギーは、室温に近い程少いので、減圧させて沸騰温度を室温近くまで低下させる方法が採られている。具体的には海水を沸騰させる容器内を、真空ポンプを用いて減圧させる減圧蒸留法が採用されている。
【００１１】
上記２つの物理原理は、海水から淡水を製造する場合のエネルギーコスト低減に大きく寄与するが、これだけでは、必ずしも十分とは言えない。エネルギーコスト低減には更なる物理原理の適用が求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明の減圧沸騰形海水淡水化装置では、従来技術の減圧沸騰形海水淡水化装置が備えていない第３の物理原理として、トリチェリ真空（水銀でなく海水を用いるので厳密にはトリチェリ真空とは言えないが、便宜的にこう呼ぶ）の技術を装置に取り入れる発明を行った。また、本発明では、可能な限り海水や淡水の輸送に重力差を利用する。
【００１３】
請求項１に記載の本願発明は、海水中に立設される海水塔と、淡水中に立設される淡水塔と、これら二つの密閉容器の上部を連通させて設けられる連通管と、海水を減圧沸騰させる加熱手段と、海水塔の上部空間に配置され、水蒸気を冷却・凝縮させて淡水にし、連通管を通して淡水塔内に流下させる冷却手段とで構成される。
このうち、海水塔は、海水の満たされた海水槽中に大気と遮断されて立設される長尺の気密容器であって、上方端が封止され、下方端が海水中に解放された気密容器である。
【００１４】
容器内は上部を除き海水で満たされており、海水の存在しない上部空間は、トリチェリ真空が形成されていて、空気は殆ど存在せず、海水の飽和蒸気で満たされている。海水塔内部液面の海水槽液面からの高さは、大気圧と釣合っており、約１０ｍである。
また、淡水塔は、淡水の満たされた淡水槽中に立設される長尺の気密容器であって、上方端が封止され、下方端が淡水中に解放される。容器内は上部を除き淡水で満たされている。淡水が存在しない上部空間は、トリチェリ真空が形成されていて、空気は殆ど存在せず、淡水の飽和蒸気で満たされている。淡水塔内部液面の淡水槽水面からの高さは、大気圧と釣合っており、約１０ｍである。
【００１５】
一方、前記連通管は海水塔の上部と、淡水塔の上部とを連通させるパイプであり、連通管と海水塔との接続部は気密構造を採り、連通管と淡水塔との接続部も気密に接続されている。
また、海水塔の上部空間には、一部連通管にまたがり冷却手段が設置される。冷却手段は海水を冷却媒体として、海水塔の上部空間に蒸発する水蒸気を冷却して連通管内に流下させる。
冷却手段は冷却水の海水を通水でき、効率よく冷却できるものであればよい。
また、冷却手段を流れる冷却用海水は海水塔の上部位置に排出される。
【００１６】
この冷却用海水の排出部付近には海水加熱手段が設置されている。この海水加熱手段は、海水温度を計測する温度センサと、海水を加熱するヒータと、温度センサで計測される海水温度が所定温度より低いときヒータ加熱を行い、海水温が所定温度以上のときヒータ電源を切る制御を行う温度コントローラとで構成されている。
まお、加熱手段はヒータに限定されることなく、太陽熱を吸収する太陽熱吸収装置などであってよく、或いはまた、これらを組み合わせであっても良い。ただし太陽熱吸収装置の設置位置は、海水塔の断熱材が設置されない箇所に限られる。
【００１７】
最初、海水は冷却用として海中より採水され、本減圧沸騰形海水淡水化装置に冷却用海水として投入されるが、熱交換器を通過する過程で水蒸気の凝縮潜熱を吸収し沸点温度にまで加温され、排出部では沸騰温度に到達する。海水は冷却水として活用された後に蒸気発生用の原料として活用されるが、熱交換器排出部では沸騰温度まで加温されているので、海水加熱手段は、蒸発潜熱から上記で回収した凝縮潜熱を差し引いた分のみを供給するだけで容易に海水を蒸発させることができる。
【００１８】
また、海水塔内部の液面高さ位置と、淡水塔内部の液面高さ位置の相対位置関係は、必ずしも一致させる必要はなく、何れが高位置にあってもよい。しかし、海水塔液面高さを淡水塔液面より高い位置とすれば、淡水を流下させて回収するのに好都合である。
これにより、水蒸気を冷却されて得られる淡水が、淡水塔中に自然に流下する。
淡水塔内の液面高さは、淡水塔内の淡水温度で決まる水蒸気圧力が一定であるので、大気圧と釣り合いながら一定高さに保たれる。従って水蒸気の凝縮により新たに作られる淡水と同量の淡水塔内の淡水が、下部の解放端部から淡水槽内に押し出される。
このとき押し出される淡水量が、本減圧沸騰形海水淡水化装置により作られる淡水量になる。
【００１９】
請求項２に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置は、前記冷却手段がフィンチューブ型熱交換器（凝縮器）と、凝縮水受け皿とから構成される。フィンチューブ型熱交換器は折り曲げられて形成される通水配管に多数の放熱フィンが一体に取り付けられている。通水管と放熱フィンとの一体化では、通水管から放熱フィンへの良好な熱伝達が確保できるよう、熱電導性の良い部材を用いた接合法が採用される。具体的には、ロウ付けや、溶接、或いはカシメなどの方法が適用される。
一方、放熱フィンの表面では減圧蒸留により気化した水分が凝縮潜熱を放出しながら凝縮し、放熱フィンから直下の受け皿に滴下する。滴下した凝縮水は、集合して淡水になり、受け皿から連通管に自然流下する。
【００２０】
また、一部受け皿の下面で凝縮する水滴もあるが、凝縮水は傾斜する受け皿下面を伝わり連通管内に自然流下する。
なお、海中より汲み上げられる海水は、凝縮潜熱を吸収しながらフィンチューブ型熱交換器の通水配管を通過し、海水塔の上部に排出される。
従って、冷却用海水はフィンチューブ型熱交換器の排出部に於いて最も高温になる。
また、冷却用海水の汲み上げポンプは海水を海水塔上部まで汲み上げるが、実際の負荷（水圧）は、フィンチューブ型熱交換器通水配管の排出口の海水塔内部に於ける液面からの水深であり、極めて僅かな負荷でしかない。
【００２１】
請求項３に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置は、海水塔上部が開閉弁を介して真空排気ポンプに接続される。本減圧沸騰形海水淡水化装置を運転させる場合、稼働準備作業として、海水塔上部をトリチェリ真空にする必要がある。このトリチェリ真空を作る作業では、まず海水塔上部に設けた開閉弁を閉にし、次いで、真空排気装置を作動させる。海水塔内の空気は徐々に排気され、海水表面も排気に伴い上昇する。海水塔内の空気が十分に排気された時点で、上部空間がトリチェリ真空となって、空間内は沸騰する海水の水蒸気圧で満たされる。
【００２２】
請求項４に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置は、海水塔の底部と頂部、及び淡水塔の底部と頂部の４箇所にそれぞれ開閉自在な遮断弁が付設される。これにより、海水塔と淡水塔は共に、底部と頂部がそれぞれ開閉自在になる。これら遮断弁は減圧沸騰形海水淡水化装置を最初に稼働させる時や、装置のメンテや修理などで装置を再稼働させる場合などに有効に機能させることができる。例えば、本減圧沸騰形海水淡水化装置を始動させる場合、まず、海水塔の底部遮断弁と淡水塔の底部遮断弁を閉じ、海水塔の頂部遮断弁と淡水塔の頂部遮断弁を開にする。
次いで、海水塔の頂部から海水を、淡水塔の頂部から淡水を投入する。
【００２３】
海水槽と淡水槽のそれぞれについて、所定高さまで海水と淡水を注入した後、海水塔の頂部遮断弁と、淡水塔の頂部遮断弁を閉じ、海水塔の底部遮断弁と、淡水塔の底部遮断弁を開くと海水塔の頂部空間、淡水塔の頂部空間及び、連通パイプ内の圧力は水頭に応じて低下し、例えば水頭を約１０ｍとするとほぼトリチェリ真空になる。なお、真空排気ポンプは、頂部の圧力を所定の負圧力とするために使用される。この減圧動作により海水塔の頂部空間、淡水塔の頂部空間及び、連通パイプ内の空気は十分排気され、沸騰が起こる。この一連の操作により減圧沸騰形海水淡水化装置を稼働させる準備が整う。
【００２４】
請求項５に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置の海水塔、連通管、淡水塔は、海水槽液面や、淡水槽液面からの高さが、トリチェリ真空を形成できる高さに確保されている。
従って、これらの上部空間の真空度は海水温度で決まる蒸気圧まで下げることができる。
例えば、海水塔上部の海水温を室温並みに設定すれば、海水の蒸発に必要とされる加熱エネルギーを最小限に止めることができる。
一方、海中から汲み上げられる海水温度は、室温に比べ十分低く、また、フィンチューブ型熱交換器により凝縮されて作られる淡水の温度は、海中から汲み上げられた海水温より若干高温になる。
【００２５】
一方、水蒸気の凝集速度は、水蒸気温度とフィンチューブ型熱交換器表面温度との温度差に比例する。従って、海水塔上部空間の熱を外部に逃がさず、また、連通管内と淡水塔内の淡水は、外部より熱を受けて上昇することがないように維持することが重要になる。
海水塔の上部外壁と、連通管外壁と、淡水塔の外壁を断熱材で包囲することにより、水蒸気温度とフィンチューブ型熱交換器表面温度との温度差を容易に維持することができる。
【００２６】
請求項６に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置は、連通管液面に浮遊して淡水表面を覆う複数個の小形フロートが設置されている。このフロートの淡水表面カバー効果により、淡水表面からの水蒸気の再蒸発が抑制され、淡水が再蒸発する無駄を最小限に抑制することができる。
【００２７】
請求項７に記載の減圧沸騰形海水淡水化方法は、海中より汲み上げた海水を、海中温度以上に加温して、真空中で水分を蒸発させ、該蒸発させた水分を冷却して淡水として回収する減圧沸騰形海水淡水化方法である。
具体的には、大気と遮断されて海水槽内の海水中に立設され、底部が前記海水中に開放される海水塔と、大気と遮断されて淡水槽内の淡水中に立設され、底部が前記淡水中に開放される淡水塔と、一方が、前記海水塔の上部に気密を維持して連通し、他方が前記淡水塔に気密を維持して連通する連通管とで構成される減圧沸騰形海水淡水化装置を用いる。
本装置の海水塔の上部には、海水を蒸発させる加熱手段と、海水塔上部で作られる水蒸気を冷却して淡水に凝縮させ、連通管内に流下させる冷却手段が設置されており、加熱手段で蒸発させた蒸気を冷却手段で冷却して淡水を作成する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明では、海中から汲み上げる海水温度と、本装置が設置される周囲温度との温度差を利用する。即ち、周囲温度に近い温度で海水を減圧沸騰させて水蒸気にした後、汲み上げた低温の海水でこの水蒸発を凝縮させて淡水にするので、極めて少ないエネルギーで淡水を作ることができる。
また、水蒸気の凝縮にフィンチューブ型の熱交換器を用い、海水塔の上部外壁と、前記連通管外壁と、前記淡水塔の外壁を断熱材で包囲する構成としているので、外部からの熱の流入と流出を遮断でき、水蒸気温度とフィンチューブ型熱交換器表面温度との温度差を大きく維持できる。これにより、効率よく水蒸気の淡水化ができ、淡水の製造能力の確保が容易である。
【００２９】
減圧蒸留法による海水淡水化では、水蒸気が放出する凝縮潜熱を如何に有効に回収し、海水の蒸発のための熱エネルギーとして再利用できるかが重要である。
本発明のフィンチューブ型の熱交換器では、フィンとチューブ間の接続部にロウ付け、溶接などの方法を用い、フィンとチューブ間の熱伝道を良好な状態に保持しているので、フィン表面で凝縮する水蒸気が放出する凝縮潜熱を冷却水まで確実に熱伝道させることができる。これにより、水蒸気が放出する凝縮潜熱を冷却水の加熱熱源として確実に回収することができる。
また、このとき、凝縮潜熱を吸収する冷却水は沸騰温度まで加熱されるので、蒸発に必要とされる加熱手段が供給する蒸発潜熱を最小限に減らすことができる。
【００３０】
海中より海水を汲み上げ、これを冷却水として活用すると同時に、加熱された海水を水蒸気発生用原料として活用する。これら一連の海水の輸送にはポンプを使用するが、ポンプの給水部と排出部の差水圧は、海水塔上部における熱交換器の排出口の液面からの深さでありのみである。従って、通常運転時のポンプ負荷は管路抵抗と、排出口の水深に起因した水圧とを合わせたものでしかなく、消費されるエネルギーは極めて僅かである。
【００３１】
海水塔の液面レベルはトリチェリ真空により自律的に決まり、人為的制御が不要であり、また、フィンチューブ型の熱交換器で作成される淡水は、自然流下により回収されるので、装置の運転管理が容易である。しかも海水塔と淡水塔の高さは十分確保されており、海水塔および、淡水塔の上部スペースに海水や、淡水が侵入することは原理的にあり得ず、装置としての信頼性が高い。
また、海水塔上部に真空排気ポンプが接続され、海水塔の底部と、淡水塔の底部にそれぞれ遮断弁が付設されているので、装置の立ち上げ時や、メンテ時の復帰立ち上げ作業が容易である。
【００３２】
また、海水中に空気が含まれ、海水塔上部空間に浮上するような場合であっても、真空排気ポンプを適宜作動させることにより、トリチェリ真空や、必要とされる水蒸気圧を容易に維持することができる。
以上により本発明による減圧沸騰形海水淡水化装置により、省エネルギーで、且つ、安定的に淡水を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の減圧沸騰形海水淡水化装置の構成説明図
【図２】海水の減圧蒸留における温度と蒸気圧の関係
【図３】海水の減圧蒸留における温度と蒸発水分量の関係
【図４】従来技術による、多段・バッチ式減圧蒸留海水淡水化装置
【図５】製塩用真空式蒸発缶
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明の減圧沸騰形海水淡水化装置の全体構成について、図１を用いて説明する。
減圧沸騰形海水淡水化装置１０は、海水槽１６に収容される海水３４中に立設される海水塔１１と、淡水槽１７に収容される淡水５１中に立設される淡水塔１２と、これら、海水塔１１と淡水塔１２とを気密に連結する連通管１３から構成される。海水塔１１の上部には海水温度を一定に維持するための加熱手段１９が設置され、また海水塔１１の上部空間２７には、冷却手段１４が配置される。更に、海水塔１１の上部外壁部と、連通管１３の外壁と、淡水塔１２の外壁には、これら外壁を包囲して断熱する断熱材１８が取付けられている。
【００３５】
次に、本装置の立ち上げから定常運転に至るまでのプロセスについて図１を用い説明する。
海水塔１１の上下及び側方に配置されたバルブ２１、２２、２９、３１を開にし、バルブ３２を閉じ、ポンプ２４を作動させ、配管３３を通して海中より海水を汲み上げ、海水塔１１内部に海水を投入する。海水槽１６が海水で満たされた時点でポンプ２４を停止させ、バルブ２１を閉じる。ポンプ２４を再稼働させ海水塔内に海水を注入し、液面２６の高さＨ1が１０ｍになった時バルブ３１を閉じ、ポンプ２４を停止させる。
【００３６】
淡水塔１２の上下に配置されたバルブ４３、４５、４７を開にし、流量計５２で流量を確認しながらポンプ４６を作動させ、配管５８を通して淡水の給水を行い、淡水塔１２内部に淡水を投入する。淡水槽１７が淡水で満たされた時点でポンプ４６を停止させ、バルブ４５を閉じる。ポンプ４６を再稼働させ淡水塔内に淡水を注入し、液面４２の高さＨ２が１０ｍになった時バルブ５２を閉じ、ポンプ４６を停止させる。
バルブ２２，４３を閉じバルブ２１，５１を開にすると海水塔１１の頂部空間２７、淡水塔１２の頂部空間４４及び連通パイプ１３内の圧力は水頭Ｈ１、Ｈ２に依存して低下し、真空に近いものとなる。
【００３７】
次いで、海水塔１１の頂部空間２７、淡水塔１２の頂部空間４４及び連通パイプ１３内に残留する空気を排除するため、真空ポンプ１５を作動させ、海水塔１１、淡水塔１２、連通管１３内部を真空にする。この時の真空度は真空計２８で確認することができる。これにより海水塔内部、淡水塔内部にトリチェリ真空が形成される。なお、海水塔内部、淡水塔内部はトリチェリ真空に達する手前から、海水及び、淡水に沸騰が起こる。
トリチェリ真空が形成されるに至った時点で、バルブ２０を閉じ、真空ポンプ１５を停止させる。この時、海水塔１１内の液面２６の高さは、海水槽１６の液面３５からＨ１の高さとなり、Ｈ１は約１０ｍになる。また淡水塔１２内の液面４２の高さは、淡水槽１７の液面５３からＨ２の高さとなり、Ｈ２は約１０ｍになる。
【００３８】
次いでバルブ３１を閉じたまま、バルブ２９，３２を開にし、流量計３６で流量を計測しながら海中から汲み上げた海水をフィンチューブ型熱交換器（冷却手段）１４のチューブ６２内を通過させ、海水塔１１上部の液面近傍に排出させる。また、この液面近傍には温度センサ２０が設置されており、この温度センサ２０で検出される温度が加熱手段１９に設定されている制御温度より低い場合は、加熱手段１９がＰＩＤ制御でヒータ２３を作動させ海水塔１１の液面近傍の海水２５を加温する。この結果、液面付近では安定した沸騰状態が維持され、海水塔１１の上部空間２７は常に飽和水蒸気圧で満たされる。海水塔１１の上部は外壁面が断熱材で包囲されているので、水蒸気が壁面で凝縮することはなく、水蒸気はもっぱらフィンチューブ型熱交換器１４のフィン６１表面で凝縮する。また、フィンチューブ型熱交換器１４にはポンプ２４により、絶えず冷却水が供給されるので、凝縮能力が維持される。
連通管１３の液面を覆うフロート部材６０は、連通管１３の上部より吊下げる方法で保持されており、淡水が上部空間２７に再蒸発するのを抑制する。
【００３９】
これら一連の動作において、上部空間２７では海水の沸騰・蒸発と、発生する蒸気の冷却・凝縮が同時に進行するため、上部空間２７の容積、圧力は一定に保たれる。また、これら一連の動作は、人為的な制御が不要で全て自律的に進行する。
フィン６１表面に凝結する水分は、直下の受け皿６３に滴下して、淡水になり連通管内１３内部に流下する。連通管内の液面高さは一定に保持されるので、流下する淡水は逐次淡水塔１２内を下方に押し出され、淡水槽１７に至り、淡水槽１７の堰５４を乗り越え、回収槽５５に至る。
【００４０】
回収槽５５内の淡水はバルブ５７を開にし、流量計５６で流量を計測しながら外部に取り出す。
なお、ポンプ２４から供給される海水量は流量計５６で確認可能であるが、海水塔１１の上部空間で蒸発する海水量より多い場合、過剰分の海水は、海水塔１１を逐次下方に押しやられて海水槽１６に至り、堰４０を乗り越えてサブ貯留槽３７から外部に排出される。
【実施例１】
【００４１】
海水の減圧蒸留装置における、海水温度と、蒸気圧と、蒸発量についての実測データとして、例えば実施文献（たばこ塩産業 塩事業版 ２００４．０９．２５ Encyclopedia[塩百科]３８（財）ソルト・サイエンス研究事業団専務理事 橋本壽夫 「真空式製塩法」と「加圧式製塩法」）がある。
本実施文献は４連の真空式蒸発缶であって、各蒸発缶の直径は５ｍ、高さは１５ｍである。また、稼働時における各缶の温度（℃）、圧力（mmHg）、単位時間当たりの蒸発重量（t/h）について、表１の関係が測定されている。
【００４２】
【表１】
【００４３】
図３は表１の温度（℃）と、飽和蒸気圧力（mmHg）との関係を直交座標にプロットし、回帰式を求めたものである。図中に示す回帰式から３５℃における飽和蒸気圧を外挿すると約４０mmHgになる。
図２は表１の温度（℃）と、単位時間当たりの蒸発重量（t/h）との関係を直行座標にプロットし、回帰式を求めたものである。図中に示す回帰式を用い３５℃における単位時間当たりの蒸発量を推定すると、約３７ｔ/hになる。
【００４４】
図１に示す本発明の海水塔１１の上部につて、内部直径Ｄを５ｍとすると、前記実施文献と同一の減圧蒸留条件になる。従って、本発明の実施例では海水塔１１上部の海水温度制御値を３５℃とすることで、単位時間当たり約３７トンの淡水を製造できる。
なお、上記内径５ｍの蒸発缶での淡水の製造能力３７ｔ/hを、単位面積当たりの製造能力に換算すると、１分間当たりの製造量は３１．４Kg/m２minとなる。
従って、内直径Ｄを適宜な数値に設定することで、要求製造能力に応じた減圧蒸留装置を設計することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の減圧沸騰形海水淡水化装置は海水から淡水を作るのに好適に使用される装置であるが、海水以外に例えば、飲料水にできない汚れた水を本発明装置を用いることで、飲料水にすることができる。
また、本装置より排出される高塩分濃度の海水から食塩、その他ミネラル成分を取り出すこともできる。
【符号の説明】
【００４６】
１０ 減圧沸騰形海水淡水化装置
１１ 海水塔
１２ 淡水塔
１３ 連通管
１４ 冷却手段
１５ 真空ポンプ
１６ 海水槽
１７ 淡水槽
１８ 断熱材
１９ 加熱手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸留原理に基づく海水の淡水化装置及び、海水の淡水化方法であって、更に詳しくは、真空を利用し、省エネルギーで海水を淡水化する減圧蒸留法による海水淡水化装置及び、海水の淡水化方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
近年、水（清水）の欠乏が世界的に言われ、その解決策の一つに海水の淡水化がある。
海水の淡水化には、蒸留法、逆浸透法、電気透析法、凍結法など種々の方法が提案されているが、現在、その約６０％が蒸発法で、約３０％が逆浸透法で実現されている。
しかし、実際には、それぞれ装置の建設コストが高い、運転コストが高いなど種々の問題があり、これら課題を解決できる省エネルギーで、運転コストが安く、しかも構造が簡単で、新規な海水淡水化装置の実用化が望まれている。
【０００３】
減圧蒸留原理に基づく先行特許文献には、例えば図４に示す発明が開示されている。
図４の淡水化装置７０は、上下２段の蒸発缶７１，７２で構成され、各蒸発缶内部は真空ポンプ８８により、減圧状態に保持され、また、海水供給管８０，８１により海水７８，７９が供給されている。
下段蒸発缶７２には加熱手段７３が設けられ、海水７９は加熱されて水分を蒸発させる。
下段蒸発缶７２の天井板と上段蒸発缶７１の底面板は共通の伝熱板７５で構成されており、下段蒸発缶内７２で蒸発する水蒸気は、上段蒸発缶７１の底面であり且つ、下段蒸発缶７２の天井でもある伝熱板７５で冷却、凝縮される。
凝縮水はトラップ７６，７７の上面で受けられ、トラップ７６，７７の傾斜によって蒸発缶７１，７２の内壁面に沿う部分に淡水８２，８３として溜められる。
【０００４】
上段蒸発缶内の海水７８は、下段蒸発缶内の水蒸気の潜熱で底面より温められる。この時、真空ホンプ８８を作動させて、温められた海水温度に対応する水蒸気圧以下まで蒸発缶７１内部を減圧し、減圧状態を維持することで、海水を沸騰させ水分の蒸発を促す。海水７８から発生する水蒸気は、上部に配置された冷却手段７４により冷却・凝縮され淡水８２になる。上下段それぞれの淡水８２，８３は、分岐管路８４，８５を経由して凝縮水溜め容器８６，８７に吸引されて溜められる。
図４の減圧蒸発缶による方法は、３段以上とすることで、熱効率を更に向上させることは可能であるが、凝縮水溜め容器８６，８７に溜められた淡水を連続的に回収することは困難である。
一方図５に示す、製塩工場で採用されている多重効用真空式蒸発缶は、製塩を目的とする塩分濃度の高い鹹水の製造装置であるが、鹹水製造過程でも淡水を作ることができる。
【０００５】
図５は非特許文献の多重効用真空式蒸発缶９０で、ボイラー９１で発生した蒸気は、発電用タービン９２を経由した後、１号缶９３の熱源となり、また１号缶９３で発生した熱が次の２合缶９４の熱源に、同様にして３号缶９５の熱源、４号缶９６の熱源になる。この１号缶〜４号缶への蒸気輸送は、各缶内を一旦真空にした後に実施されるので、各缶内は何れも沸騰状態にある。これらの内、４号缶９６の温度は最も低く、蒸気圧も最も低い。従って、４号缶９６内の真空度は最大であって、海水は最も低い温度で沸騰している。
この４号缶９６の水蒸気を冷却部９８において、海水で冷却することで淡水を得ることができる。真空ポンプ９７はメンテナンスなどで運転を停止した後、再開する時だけ使用する。多重効用真空式蒸発缶９０は製塩を目的とする装置であるので、淡水を得ることを目的とする減圧蒸留装置としては、装置が大型で複雑である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−５４２８
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「鳴門市史・現代編１」（１９９９年・徳島県鳴門市発行）９１７頁〜１０１７頁収録「第十章 塩業」（小橋 靖著）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
海水淡水化装置の主流である蒸留法では、蒸留に多くのエネルギーが必要なため、コスト高になる問題がある。
海水の淡水化では、エネルギーコストの低減に有効な原理として、一般には次の２つの物理原理が利用されている。
【０００９】
ａ）海水を加熱して、気化させた水蒸気を熱交換器で冷却・凝縮させて淡水を得る。この熱交換器に使用される冷却媒体は、海水であるが、この熱交換作用により温度上昇した海水を、水蒸気を発生させるための原料海水として使用する。この原料海水は、熱交換過程で既に、凝縮潜熱を吸収して加温されているので、蒸発に必要とされる加温エネルギーを大幅に減らすことができる。即ち、水蒸気の冷却と、海水の加温の一石二鳥が達成され、エネルギーの消費は大幅に節減できる。
【００１０】
ｂ）海水を沸騰させて水蒸気を得る場合、沸騰点は圧力に比例して上昇する。
一方、蒸留に必要とされるエネルギーは、室温に近い程少いので、減圧させて沸騰温度を室温近くまで低下させる方法が採られている。具体的には海水を沸騰させる容器内を、真空ポンプを用いて減圧させる減圧蒸留法が採用されている。
【００１１】
上記２つの物理原理は、海水から淡水を製造する場合のエネルギーコスト低減に大きく寄与するが、これだけでは、必ずしも十分とは言えない。エネルギーコスト低減には更なる物理原理の適用が求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明の減圧沸騰形海水淡水化装置では、従来技術の減圧沸騰形海水淡水化装置が備えていない第３の物理原理として、トリチェリ真空（水銀でなく海水を用いるので厳密にはトリチェリ真空とは言えないが、便宜的にこう呼ぶ）の技術を装置に取り入れる発明を行った。また、本発明では、可能な限り海水や淡水の輸送に重力差を利用する。
【００１３】
請求項１に記載の本願発明は、海水中に立設される海水塔と、淡水中に立設される淡水塔と、これら二つの密閉容器の上部を連通させて設けられる連通管と、海水を減圧沸騰させる加熱手段と、海水塔の上部空間に配置され、水蒸気を冷却・凝縮させて淡水にし、連通管を通して淡水塔内に流下させる冷却手段とで構成される。
このうち、海水塔は、海水の満たされた海水槽中に大気と遮断されて立設される長尺の気密容器であって、上方端が封止され、下方端が海水中に解放された気密容器である。
【００１４】
容器内は上部を除き海水で満たされており、海水の存在しない上部空間は、トリチェリ真空が形成されていて、空気は殆ど存在せず、海水の飽和蒸気で満たされている。海水塔内部液面の海水槽液面からの高さは、大気圧と釣合っており、約１０ｍである。
また、淡水塔は、淡水の満たされた淡水槽中に立設される長尺の気密容器であって、上方端が封止され、下方端が淡水中に解放される。容器内は上部を除き淡水で満たされている。淡水が存在しない上部空間は、トリチェリ真空が形成されていて、空気は殆ど存在せず、淡水の飽和蒸気で満たされている。淡水塔内部液面の淡水槽水面からの高さは、大気圧と釣合っており、約１０ｍである。
【００１５】
一方、前記連通管は海水塔の上部と、淡水塔の上部とを連通させるパイプであり、連通管と海水塔との接続部は気密構造を採り、連通管と淡水塔との接続部も気密に接続されている。
また、海水塔の上部空間には、一部連通管にまたがり冷却手段が設置される。冷却手段は海水を冷却媒体として、海水塔の上部空間に蒸発する水蒸気を冷却して連通管内に流下させる。
冷却手段は冷却水の海水を通水でき、効率よく冷却できるものであればよい。
また、冷却手段を流れる冷却用海水は海水塔の上部位置に排出される。
【００１６】
この冷却用海水の排出部付近には海水加熱手段が設置されている。この海水加熱手段は、海水温度を計測する温度センサと、海水を加熱するヒータと、温度センサで計測される海水温度が所定温度より低いときヒータ加熱を行い、海水温が所定温度以上のときヒータ電源を切る制御を行う温度コントローラとで構成されている。
まお、加熱手段はヒータに限定されることなく、太陽熱を吸収する太陽熱吸収装置などであってよく、或いはまた、これらを組み合わせであっても良い。ただし太陽熱吸収装置の設置位置は、海水塔の断熱材が設置されない箇所に限られる。
【００１７】
最初、海水は冷却用として海中より採水され、本減圧沸騰形海水淡水化装置に冷却用海水として投入されるが、熱交換器を通過する過程で水蒸気の凝縮潜熱を吸収し沸点温度にまで加温され、排出部では沸騰温度に到達する。海水は冷却水として活用された後に蒸気発生用の原料として活用されるが、熱交換器排出部では沸騰温度まで加温されているので、海水加熱手段は、蒸発潜熱から上記で回収した凝縮潜熱を差し引いた分のみを供給するだけで容易に海水を蒸発させることができる。
【００１８】
また、海水塔内部の液面高さ位置と、淡水塔内部の液面高さ位置の相対位置関係は、必ずしも一致させる必要はなく、何れが高位置にあってもよい。しかし、海水塔液面高さを淡水塔液面より高い位置とすれば、淡水を流下させて回収するのに好都合である。
これにより、水蒸気を冷却されて得られる淡水が、淡水塔中に自然に流下する。
淡水塔内の液面高さは、淡水塔内の淡水温度で決まる水蒸気圧力が一定であるので、大気圧と釣り合いながら一定高さに保たれる。従って水蒸気の凝縮により新たに作られる淡水と同量の淡水塔内の淡水が、下部の解放端部から淡水槽内に押し出される。
このとき押し出される淡水量が、本減圧沸騰形海水淡水化装置により作られる淡水量になる。
【００１９】
請求項２に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置は、前記冷却手段がフィンチューブ型熱交換器（凝縮器）と、凝縮水受け皿とから構成される。フィンチューブ型熱交換器は折り曲げられて形成される通水配管に多数の放熱フィンが一体に取り付けられている。通水管と放熱フィンとの一体化では、通水管から放熱フィンへの良好な熱伝達が確保できるよう、熱電導性の良い部材を用いた接合法が採用される。具体的には、ロウ付けや、溶接、或いはカシメなどの方法が適用される。
一方、放熱フィンの表面では減圧蒸留により気化した水分が凝縮潜熱を放出しながら凝縮し、放熱フィンから直下の受け皿に滴下する。滴下した凝縮水は、集合して淡水になり、受け皿から連通管に自然流下する。
【００２０】
また、一部受け皿の下面で凝縮する水滴もあるが、凝縮水は傾斜する受け皿下面を伝わり連通管内に自然流下する。
なお、海中より汲み上げられる海水は、凝縮潜熱を吸収しながらフィンチューブ型熱交換器の通水配管を通過し、海水塔の上部に排出される。
従って、冷却用海水はフィンチューブ型熱交換器の排出部に於いて最も高温になる。
また、冷却用海水の汲み上げポンプは海水を海水塔上部まで汲み上げるが、実際の負荷（水圧）は、フィンチューブ型熱交換器通水配管の排出口の海水塔内部に於ける液面からの水深であり、極めて僅かな負荷でしかない。
【００２１】
請求項３に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置は、海水塔上部が開閉弁を介して真空排気ポンプに接続される。本減圧沸騰形海水淡水化装置を運転させる場合、稼働準備作業として、海水塔上部をトリチェリ真空にする必要がある。このトリチェリ真空を作る作業では、まず海水塔上部に設けた開閉弁を閉にし、次いで、真空排気装置を作動させる。海水塔内の空気は徐々に排気され、海水表面も排気に伴い上昇する。海水塔内の空気が十分に排気された時点で、上部空間がトリチェリ真空となって、空間内は沸騰する海水の水蒸気圧で満たされる。
【００２２】
請求項４に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置は、海水塔の底部と頂部、及び淡水塔の底部と頂部の４箇所にそれぞれ開閉自在な遮断弁が付設される。これにより、海水塔と淡水塔は共に、底部と頂部がそれぞれ開閉自在になる。これら遮断弁は減圧沸騰形海水淡水化装置を最初に稼働させる時や、装置のメンテや修理などで装置を再稼働させる場合などに有効に機能させることができる。例えば、本減圧沸騰形海水淡水化装置を始動させる場合、まず、海水塔の底部遮断弁と淡水塔の底部遮断弁を閉じ、海水塔の頂部遮断弁と淡水塔の頂部遮断弁を開にする。
次いで、海水塔の頂部から海水を、淡水塔の頂部から淡水を投入する。
【００２３】
海水槽と淡水槽のそれぞれについて、所定高さまで海水と淡水を注入した後、海水塔の頂部遮断弁と、淡水塔の頂部遮断弁を閉じ、海水塔の底部遮断弁と、淡水塔の底部遮断弁を開くと海水塔の頂部空間、淡水塔の頂部空間及び、連通パイプ内の圧力は水頭に応じて低下し、例えば水頭を約１０ｍとするとほぼトリチェリ真空になる。なお、真空排気ポンプは、頂部の圧力を所定の負圧力とするために使用される。この減圧動作により海水塔の頂部空間、淡水塔の頂部空間及び、連通パイプ内の空気は十分排気され、沸騰が起こる。この一連の操作により減圧沸騰形海水淡水化装置を稼働させる準備が整う。
【００２４】
請求項５に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置の海水塔、連通管、淡水塔は、海水槽液面や、淡水槽液面からの高さが、トリチェリ真空を形成できる高さに確保されている。
従って、これらの上部空間の真空度は海水温度で決まる蒸気圧まで下げることができる。
例えば、海水塔上部の海水温を室温並みに設定すれば、海水の蒸発に必要とされる加熱エネルギーを最小限に止めることができる。
一方、海中から汲み上げられる海水温度は、室温に比べ十分低く、また、フィンチューブ型熱交換器により凝縮されて作られる淡水の温度は、海中から汲み上げられた海水温より若干高温になる。
【００２５】
一方、水蒸気の凝集速度は、水蒸気温度とフィンチューブ型熱交換器表面温度との温度差に比例する。従って、海水塔上部空間の熱を外部に逃がさず、また、連通管内と淡水塔内の淡水は、外部より熱を受けて上昇することがないように維持することが重要になる。
海水塔の上部外壁と、連通管外壁と、淡水塔の外壁を断熱材で包囲することにより、水蒸気温度とフィンチューブ型熱交換器表面温度との温度差を容易に維持することができる。
【００２６】
請求項６に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置は、連通管液面に浮遊して淡水表面を覆う複数個の小形フロートが設置されている。このフロートの淡水表面カバー効果により、淡水表面からの水蒸気の再蒸発が抑制され、淡水が再蒸発する無駄を最小限に抑制することができる。
【００２７】
請求項７に記載の減圧沸騰形海水淡水化方法は、海中より汲み上げた海水を、海中温度以上に加温して、真空中で水分を蒸発させ、該蒸発させた水分を冷却して淡水として回収する減圧沸騰形海水淡水化方法である。
具体的には、大気と遮断されて海水槽内の海水中に立設され、底部が前記海水中に開放される海水塔と、大気と遮断されて淡水槽内の淡水中に立設され、底部が前記淡水中に開放される淡水塔と、一方が、前記海水塔の上部に気密を維持して連通し、他方が前記淡水塔に気密を維持して連通する連通管とで構成される減圧沸騰形海水淡水化装置を用いる。
本装置の海水塔の上部には、海水を蒸発させる加熱手段と、海水塔上部で作られる水蒸気を冷却して淡水に凝縮させ、連通管内に流下させる冷却手段が設置されており、加熱手段で蒸発させた蒸気を冷却手段で冷却して淡水を作成する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明では、海中から汲み上げる海水温度と、本装置が設置される周囲温度との温度差を利用する。即ち、周囲温度に近い温度で海水を減圧沸騰させて水蒸気にした後、汲み上げた低温の海水でこの水蒸発を凝縮させて淡水にするので、極めて少ないエネルギーで淡水を作ることができる。
また、水蒸気の凝縮にフィンチューブ型の熱交換器を用い、海水塔の上部外壁と、前記連通管外壁と、前記淡水塔の外壁を断熱材で包囲する構成としているので、外部からの熱の流入と流出を遮断でき、水蒸気温度とフィンチューブ型熱交換器表面温度との温度差を大きく維持できる。これにより、効率よく水蒸気の淡水化ができ、淡水の製造能力の確保が容易である。
【００２９】
減圧蒸留法による海水淡水化では、水蒸気が放出する凝縮潜熱を如何に有効に回収し、海水の蒸発のための熱エネルギーとして再利用できるかが重要である。
本発明のフィンチューブ型の熱交換器では、フィンとチューブ間の接続部にロウ付け、溶接などの方法を用い、フィンとチューブ間の熱伝道を良好な状態に保持しているので、フィン表面で凝縮する水蒸気が放出する凝縮潜熱を冷却水まで確実に熱伝道させることができる。これにより、水蒸気が放出する凝縮潜熱を冷却水の加熱熱源として確実に回収することができる。
また、このとき、凝縮潜熱を吸収する冷却水は沸騰温度まで加熱されるので、蒸発に必要とされる加熱手段が供給する蒸発潜熱を最小限に減らすことができる。
【００３０】
海中より海水を汲み上げ、これを冷却水として活用すると同時に、加熱された海水を水蒸気発生用原料として活用する。これら一連の海水の輸送にはポンプを使用するが、ポンプの給水部と排出部の差水圧は、海水塔上部における熱交換器の排出口の液面からの深さでありのみである。従って、通常運転時のポンプ負荷は管路抵抗と、排出口の水深に起因した水圧とを合わせたものでしかなく、消費されるエネルギーは極めて僅かである。
【００３１】
海水塔の液面レベルはトリチェリ真空により自律的に決まり、人為的制御が不要であり、また、フィンチューブ型の熱交換器で作成される淡水は、自然流下により回収されるので、装置の運転管理が容易である。しかも海水塔と淡水塔の高さは十分確保されており、海水塔および、淡水塔の上部スペースに海水や、淡水が侵入することは原理的にあり得ず、装置としての信頼性が高い。
また、海水塔上部に真空排気ポンプが接続され、海水塔の底部と、淡水塔の底部にそれぞれ遮断弁が付設されているので、装置の立ち上げ時や、メンテ時の復帰立ち上げ作業が容易である。
【００３２】
また、海水中に空気が含まれ、海水塔上部空間に浮上するような場合であっても、真空排気ポンプを適宜作動させることにより、トリチェリ真空や、必要とされる水蒸気圧を容易に維持することができる。
以上により本発明による減圧沸騰形海水淡水化装置により、省エネルギーで、且つ、安定的に淡水を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の減圧沸騰形海水淡水化装置の構成説明図
【図２】海水の減圧蒸留における温度と蒸気圧の関係
【図３】海水の減圧蒸留における温度と蒸発水分量の関係
【図４】従来技術による、多段・バッチ式減圧蒸留海水淡水化装置
【図５】製塩用真空式蒸発缶
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明の減圧沸騰形海水淡水化装置の全体構成について、図１を用いて説明する。
減圧沸騰形海水淡水化装置１０は、海水槽１６に収容される海水３４中に立設される海水塔１１と、淡水槽１７に収容される淡水５１中に立設される淡水塔１２と、これら、海水塔１１と淡水塔１２とを気密に連結する連通管１３から構成される。海水塔１１の上部には海水温度を一定に維持するための加熱手段１９が設置され、また海水塔１１の上部空間２７には、冷却手段１４が配置される。更に、海水塔１１の上部外壁部と、連通管１３の外壁と、淡水塔１２の外壁には、これら外壁を包囲して断熱する断熱材１８が取付けられている。
【００３５】
次に、本装置の立ち上げから定常運転に至るまでのプロセスについて図１を用い説明する。
海水塔１１の上下及び側方に配置されたバルブ２１、２２、２９、３１を開にし、バルブ３２を閉じ、ポンプ２４を作動させ、配管３３を通して海中より海水を汲み上げ、海水塔１１内部に海水を投入する。海水槽１６が海水で満たされた時点でポンプ２４を停止させ、バルブ２１を閉じる。ポンプ２４を再稼働させ海水塔内に海水を注入し、液面２６の高さＨ1が１０ｍになった時バルブ３１を閉じ、ポンプ２４を停止させる。
【００３６】
淡水塔１２の上下に配置されたバルブ４３、４５、４７を開にし、流量計５２で流量を確認しながらポンプ４６を作動させ、配管５８を通して淡水の給水を行い、淡水塔１２内部に淡水を投入する。淡水槽１７が淡水で満たされた時点でポンプ４６を停止させ、バルブ４５を閉じる。ポンプ４６を再稼働させ淡水塔内に淡水を注入し、液面４２の高さＨ２が１０ｍになった時バルブ５２を閉じ、ポンプ４６を停止させる。
バルブ２２，４３を閉じバルブ２１，５１を開にすると海水塔１１の頂部空間２７、淡水塔１２の頂部空間４４及び連通パイプ１３内の圧力は水頭Ｈ１、Ｈ２に依存して低下し、真空に近いものとなる。
【００３７】
次いで、海水塔１１の頂部空間２７、淡水塔１２の頂部空間４４及び連通パイプ１３内に残留する空気を排除するため、真空ポンプ１５を作動させ、海水塔１１、淡水塔１２、連通管１３内部を真空にする。この時の真空度は真空計２８で確認することができる。これにより海水塔内部、淡水塔内部にトリチェリ真空が形成される。なお、海水塔内部、淡水塔内部はトリチェリ真空に達する手前から、海水及び、淡水に沸騰が起こる。
トリチェリ真空が形成されるに至った時点で、バルブ２０を閉じ、真空ポンプ１５を停止させる。この時、海水塔１１内の液面２６の高さは、海水槽１６の液面３５からＨ１の高さとなり、Ｈ１は約１０ｍになる。また淡水塔１２内の液面４２の高さは、淡水槽１７の液面５３からＨ２の高さとなり、Ｈ２は約１０ｍになる。
【００３８】
次いでバルブ３１を閉じたまま、バルブ２９，３２を開にし、流量計３６で流量を計測しながら海中から汲み上げた海水をフィンチューブ型熱交換器（冷却手段）１４のチューブ６２内を通過させ、海水塔１１上部の液面近傍に排出させる。また、この液面近傍には温度センサ２０が設置されており、この温度センサ２０で検出される温度が加熱手段１９に設定されている制御温度より低い場合は、加熱手段１９がＰＩＤ制御でヒータ２３を作動させ海水塔１１の液面近傍の海水２５を加温する。この結果、液面付近では安定した沸騰状態が維持され、海水塔１１の上部空間２７は常に飽和水蒸気圧で満たされる。海水塔１１の上部は外壁面が断熱材で包囲されているので、水蒸気が壁面で凝縮することはなく、水蒸気はもっぱらフィンチューブ型熱交換器１４のフィン６１表面で凝縮する。また、フィンチューブ型熱交換器１４にはポンプ２４により、絶えず冷却水が供給されるので、凝縮能力が維持される。
連通管１３の液面を覆うフロート部材６０は、連通管１３の上部より吊下げる方法で保持されており、淡水が上部空間２７に再蒸発するのを抑制する。
【００３９】
これら一連の動作において、上部空間２７では海水の沸騰・蒸発と、発生する蒸気の冷却・凝縮が同時に進行するため、上部空間２７の容積、圧力は一定に保たれる。また、これら一連の動作は、人為的な制御が不要で全て自律的に進行する。
フィン６１表面に凝結する水分は、直下の受け皿６３に滴下して、淡水になり連通管内１３内部に流下する。連通管内の液面高さは一定に保持されるので、流下する淡水は逐次淡水塔１２内を下方に押し出され、淡水槽１７に至り、淡水槽１７の堰５４を乗り越え、回収槽５５に至る。
【００４０】
回収槽５５内の淡水はバルブ５７を開にし、流量計５６で流量を計測しながら外部に取り出す。
なお、ポンプ２４から供給される海水量は流量計５６で確認可能であるが、海水塔１１の上部空間で蒸発する海水量より多い場合、過剰分の海水は、海水塔１１を逐次下方に押しやられて海水槽１６に至り、堰４０を乗り越えてサブ貯留槽３７から外部に排出される。
【実施例１】
【００４１】
海水の減圧蒸留装置における、海水温度と、蒸気圧と、蒸発量についての実測データとして、例えば実施文献（たばこ塩産業 塩事業版 ２００４．０９．２５ Encyclopedia[塩百科]３８（財）ソルト・サイエンス研究事業団専務理事 橋本壽夫 「真空式製塩法」と「加圧式製塩法」）がある。
本実施文献は４連の真空式蒸発缶であって、各蒸発缶の直径は５ｍ、高さは１５ｍである。また、稼働時における各缶の温度（℃）、圧力（mmHg）、単位時間当たりの蒸発重量（t/h）について、表１の関係が測定されている。
【００４２】
【表１】
【００４３】
図３は表１の温度（℃）と、飽和蒸気圧力（mmHg）との関係を直交座標にプロットし、回帰式を求めたものである。図中に示す回帰式から３５℃における飽和蒸気圧を外挿すると約４０mmHgになる。
図２は表１の温度（℃）と、単位時間当たりの蒸発重量（t/h）との関係を直行座標にプロットし、回帰式を求めたものである。図中に示す回帰式を用い３５℃における単位時間当たりの蒸発量を推定すると、約３７ｔ/hになる。
【００４４】
図１に示す本発明の海水塔１１の上部につて、内部直径Ｄを５ｍとすると、前記実施文献と同一の減圧蒸留条件になる。従って、本発明の実施例では海水塔１１上部の海水温度制御値を３５℃とすることで、単位時間当たり約３７トンの淡水を製造できる。
なお、上記内径５ｍの蒸発缶での淡水の製造能力３７ｔ/hを、単位面積当たりの製造能力に換算すると、１分間当たりの製造量は３１．４Kg/m２minとなる。
従って、内直径Ｄを適宜な数値に設定することで、要求製造能力に応じた減圧蒸留装置を設計することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の減圧沸騰形海水淡水化装置は海水から淡水を作るのに好適に使用される装置であるが、海水以外に例えば、飲料水にできない汚れた水を本発明装置を用いることで、飲料水にすることができる。
また、本装置より排出される高塩分濃度の海水から食塩、その他ミネラル成分を取り出すこともできる。
【符号の説明】
【００４６】
１０ 減圧沸騰形海水淡水化装置
１１ 海水塔
１２ 淡水塔
１３ 連通管
１４ 冷却手段
１５ 真空ポンプ
１６ 海水槽
１７ 淡水槽
１８ 断熱材
１９ 加熱手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海中より汲み上げた海水を、前記海中温度以上に加温して、真空中で水分を蒸発させ、該蒸発させた水分を冷却して淡水として回収する減圧沸騰形海水淡水化装置であって、
大気と遮断されて海水槽内の海水中に立設され、底部が前記海水中に開放される海水塔と、
大気と遮断されて淡水槽内の淡水中に立設され、底部が前記淡水中に開放される淡水塔と、
一方が、前記海水塔の上部に気密を維持して連通し、他方が前記淡水塔に気密を維持して連通する連通管と、
前記海水を蒸発させる加熱手段と、
前記海水塔上部で作られる前記水蒸気を冷却して淡水に凝縮させ、前記連通管内に流下させる冷却手段と、から構成されており、
前記海水塔内の液面高さが、前記海水塔と前記連通管との連通位置より低いことを特徴とする減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項２】
前記冷却手段がフィンチューブ型熱交換器（凝縮器）と、凝縮水受け皿とから構成されて、前記海水塔の上部空間に配置されており、
前記海中より汲み上げた前記海水を冷却媒体として前記フィンチューブ型熱交換器のチューブ内に流入させて熱交換させた後、前記海水塔内の上部に流出させ、
前記フィンチューブ型熱交換器のフィン表面で凝縮する凝縮水を、前記凝縮水受け皿に滴下させて淡水を作ることを特徴とする請求項１に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項３】
前記海水塔上部が、真空排気ポンプに接続され、真空排気自在であることを特徴とする請求項１又は２の何れか一項に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項４】
前記海水塔の底部と、前記淡水塔の底部にそれぞれ遮断弁が付設されることを特長とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項５】
前記海水塔の上部外壁と、前記連通管の外壁と、前記淡水塔の外壁が断熱材で包囲されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項６】
前記連通管内の前記淡水表面に、複数のフロートが浮遊していることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項７】
海中より汲み上げた海水を、前記海中温度以上に加温して、真空中で水分を蒸発させ、該蒸発させた水分を冷却して淡水として回収する減圧沸騰形海水淡水化方法であって、
大気と遮断されて海水槽内の海水中に立設され、底部が前記海水中に開放される海水塔と、
大気と遮断されて淡水槽内の淡水中に立設され、底部が前記淡水中に開放される淡水塔と、
一方が、前記海水塔の上部に気密を維持して連通し、他方が前記淡水塔に気密を維持して連通する連通管と、
前記海水を蒸発させる加熱手段と、
前記海水塔上部で作られる前記水蒸気を冷却して淡水に凝縮させ、前記連通管内に流下させる冷却手段と、から構成されており、
前記加熱手段で蒸発させた蒸気を前記冷却手段で冷却して淡水を作成する減圧沸騰形海水淡水化方法。
【請求項１】
海中より汲み上げた海水を、前記海中温度以上に加温して、真空中で水分を蒸発させ、該蒸発させた水分を冷却して淡水として回収する減圧沸騰形海水淡水化装置であって、
大気と遮断されて海水槽内の海水中に立設され、底部が前記海水中に開放される海水塔と、
大気と遮断されて淡水槽内の淡水中に立設され、底部が前記淡水中に開放される淡水塔と、
一方が、前記海水塔の上部に気密を維持して連通し、他方が前記淡水塔に気密を維持して連通する連通管と、
前記海水を蒸発させる加熱手段と、
前記海水塔上部で作られる前記水蒸気を冷却して淡水に凝縮させ、前記連通管内に流下させる冷却手段と、から構成されており、
前記海水塔内の液面高さが、前記海水塔と前記連通管との連通位置より低いことを特徴とする減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項２】
前記冷却手段がフィンチューブ型熱交換器（凝縮器）と、凝縮水受け皿とから構成されて、前記海水塔の上部空間に配置されており、
前記海中より汲み上げた前記海水を冷却媒体として前記フィンチューブ型熱交換器のチューブ内に流入させて熱交換させた後、前記海水塔内の上部に流出させ、
前記フィンチューブ型熱交換器のフィン表面で凝縮する凝縮水を、前記凝縮水受け皿に滴下させて淡水を作ることを特徴とする請求項１に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項３】
前記海水塔上部が、真空排気ポンプに接続され、真空排気自在であることを特徴とする請求項１又は２の何れか一項に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項４】
前記海水塔の底部と、前記淡水塔の底部にそれぞれ遮断弁が付設されることを特長とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項５】
前記海水塔の上部外壁と、前記連通管の外壁と、前記淡水塔の外壁が断熱材で包囲されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項６】
前記連通管内の前記淡水表面に、複数のフロートが浮遊していることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項７】
海中より汲み上げた海水を、前記海中温度以上に加温して、真空中で水分を蒸発させ、該蒸発させた水分を冷却して淡水として回収する減圧沸騰形海水淡水化方法であって、
大気と遮断されて海水槽内の海水中に立設され、底部が前記海水中に開放される海水塔と、
大気と遮断されて淡水槽内の淡水中に立設され、底部が前記淡水中に開放される淡水塔と、
一方が、前記海水塔の上部に気密を維持して連通し、他方が前記淡水塔に気密を維持して連通する連通管と、
前記海水を蒸発させる加熱手段と、
前記海水塔上部で作られる前記水蒸気を冷却して淡水に凝縮させ、前記連通管内に流下させる冷却手段と、から構成されており、
前記加熱手段で蒸発させた蒸気を前記冷却手段で冷却して淡水を作成する減圧沸騰形海水淡水化方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−４３１２４（Ｐ２０１３−４３１２４Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８２５６５（Ｐ２０１１−１８２５６５）
【出願日】平成２３年８月２４日（２０１１．８．２４）
【出願人】（７１１００９３３８）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２４日（２０１１．８．２４）
【出願人】（７１１００９３３８）
【Ｆターム（参考）】
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