脱塩器
【課題】塔体の底部が下方に膨出して膨出部となっている脱塩器において、偏流が防止され、しかも塔体内にデッドスペースを生じさせることがない脱塩器を提供する。
【解決手段】塔体内にイオン交換樹脂が充填された脱塩器であって、塔体の底部が下方に膨出した形状の膨出部１ｂとなっており、該膨出部１ｂに複数の集水用のストレーナ３が配置されている脱塩器において、該膨出部の内面のうち外周部を除いた中央領域にのみ前記ストレーナを配置する。
【解決手段】塔体内にイオン交換樹脂が充填された脱塩器であって、塔体の底部が下方に膨出した形状の膨出部１ｂとなっており、該膨出部１ｂに複数の集水用のストレーナ３が配置されている脱塩器において、該膨出部の内面のうち外周部を除いた中央領域にのみ前記ストレーナを配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塔体内にイオン交換樹脂を充填した脱塩器に係り、特に該塔体の底部が下方に膨出した膨出部となっており、該膨出部の内部に複数の集水用のストレーナが配置されている脱塩器に関する。
【背景技術】
【０００２】
塔体内にイオン交換樹脂を充填した脱塩器として、塔体の底部が下方に膨出した膨出部となっており、この膨出部の内面に複数のストレーナを配置したものが広く用いられている。塔体底部を膨出形状とするのは、塔体の耐圧性を高くするためである。図４及び図５，６は、このような脱塩器の従来例（特許文献１の図７〜９）である。
【０００３】
図４の脱塩器では、塔体１は円筒状の直胴部１ａと、塔体底部の膨出部１ｂとを備えている。膨出部１ｂの上側にストレーナ板２が設けられ、該ストレーナ板２に複数の集水用ストレーナ３が設けられている。ストレーナ板２も、下方に膨出した形状となっている。ストレーナ３は、中空円錐台形状の部材であり、側周面に多数のスリットが設けられている。ストレーナ３は、短い管状の脚管を有しており、該脚管がストレーナ板２を貫通している。脚管がナット（図示略）などによってストレーナ板２に固定されている。ストレーナ板２の上側にイオン交換樹脂Ｒが充填されている。被処理水はイオン交換樹脂Ｒに下向流にて通水され、ストレーナ３を通ってストレーナ板２の下側の集水室４から取出口５を経て取り出される。
【０００４】
このタイプの脱塩器では、イオン交換樹脂Ｒの充填層の上面から外周側のストレーナ３までの距離Ｌ１は中央部のストレーナ３までの距離Ｌ２よりも小さい。そのため、イオン交換樹脂Ｒの充填層上面からの距離が短い外周側ほど水が多く流れる偏流が生じ、外周側のストレーナ３から集水室４に流入する脱塩水ほどイオン交換樹脂Ｒとの接触時間が短く、水質が劣ることになる。また、イオン交換樹脂Ｒは、外周側のものほど破過が早期に発生することになる。
【０００５】
図５，６は、イオン交換樹脂Ｒの上面から各ストレーナまでの距離を均等化した従来例（特許文献１の図８，９）を示すものであり、図６は図５のVI−VI線断面図である。なお、図６ではイオン交換樹脂の図示は省略されている。
【０００６】
この特許文献１では、下部に水平な仕切板８が設けられ、この仕切板８の上側に設置レベルを均一にしてストレーナ３が配置されている。各ストレーナ３は、集水用枝管６の下面側に取り付けられており、該枝管６は集水ヘッダ管７に連結されている。脱塩水はストレーナ３、枝管６、集水ヘッダ管７の順に流れ、取出口７ａから取り出される。
【０００７】
この脱塩器であれば、イオン交換樹脂Ｒの充填層の上面から各ストレーナ３までの距離は同一であり、偏流や被処理水の短絡は生じない。なお、ストレーナを同一高さに配置した脱塩器は、特許文献２の図３にも記載されている。
【０００８】
このようにストレーナを同一高さに配置した脱塩器では、ストレーナ３の下側のスペースがデッドスペースになり、膨出部内のスペースが有効利用されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−２９４９３４
【特許文献２】特公昭６１−４５８０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、塔体の底部が下方に膨出して膨出部となっている脱塩器において、偏流が防止され、しかも塔体内にデッドスペースを生じさせることがない脱塩器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】
【００１１】
第１発明の脱塩器は、塔体内にイオン交換樹脂が充填された脱塩器であって、塔体の底部が下方に膨出した形状の膨出部となっており、該膨出部の内部に複数の集水用のストレーナが配置されている脱塩器において、該膨出部の内部のうち外周部を除いた中央領域にのみ前記ストレーナを配置したことを特徴とするものである。
【００１２】
第２発明の脱塩器は、塔体内にイオン交換樹脂が充填された脱塩器であって、塔体の底部が下方に膨出した形状の膨出部となっており、該膨出部の内部に複数の集水用のストレーナが配置されている脱塩器において、外周部に配置されたストレーナの通水量をそれよりも内側領域に配置されたストレーナの通水量よりも少なくしたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
第１発明の脱塩器では、膨出部内部のうち外周部を除いた中央領域にのみストレーナを配置しているので、イオン交換樹脂充填層上面から各ストレーナまでの平均的な距離がほぼ等しくなり、各ストレーナの流量が均等化されることにより、偏流が防止される。また、この第１発明では、塔体内にデッドスペースが生じない。
【００１４】
なお、この中央領域としては塔体直胴部の中心からの半径方向で、半径の０．２〜０．８倍特に０．３〜０．６倍程度の領域が好適である。
【００１５】
第２発明の脱塩器では、外周部に配置されたストレーナの通水量を少なくしており、好ましくは中心部のストレーナからの集水量が最も多く、外周側のストレーナほど通水量を少なくする。これにより、偏流が防止される。また、この第２発明でもデッドスペースも生じない。外周部のストレーナの通水量を少なくするには、各ストレーナにそれぞれ連なる採水配管にオリフィスを設けるのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態に係る脱塩器の縦断面図である。
【図２】実施の形態に係る脱塩器の縦断面図である。
【図３】図２のIII−III線断面図である。
【図４】従来例の断面図である。
【図５】従来例の断面図である。
【図６】図５のVI−VI線断面図である。
【図７】実施例の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
【００１８】
［第１発明の実施の形態］
図１（ａ）は第１発明の実施の形態に係る脱塩器の断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に流路Ｌａ，Ｌｂを記入した説明図である。
【００１９】
塔体１は直胴部１ａと、底部の膨出部１ｂとを有している。膨出部１ｂの上側にストレーナ板２が設けられ、膨出部１ｂとストレーナ板２との間に集水室４が形成されている。このストレーナ板２に複数のストレーナ３が設置されている。ストレーナ板２及び膨出部１ｂは下方に膨出しており、中央側ほど下位となるように滑らかに下方に向って凸となるように湾曲している。ストレーナ３は、中空円錐台形状や中空円筒形状等の部材を使用することができる。
【００２０】
この実施の形態では、ストレーナ３はストレーナ板２の外周部を除いた中央領域にのみ配置されている。この中央領域の半径ｒ２は、直胴部１ａの半径ｒ１の２０〜８０％特に３０〜６０％であること、即ちｒ２＝０．２〜０．８ｒ１特にｒ２＝０．３〜０．６ｒ１であることが好ましい。なお、直胴部１ａの上側の塔体トップ部は上方に膨出したドーム形状（図示略）となっている。この実施の形態のその他の構成は図４と同一であり、同一符号は同一部分を示している。
【００２１】
なお、膨出部内に位置するイオン交換樹脂層高ｈと直胴部１ａ内に位置するイオン交換樹脂層高Ｈとの比ｈ／Ｈは０．２５以上程度が好ましい。また、直胴部１ａの直径ｄ（ｄ＝２ｒ１）と膨出部高さｈとの比ｈ／ｄは０．０５以上程度が好ましい。
【００２２】
このように構成された脱塩器にあっては、中心から半径位がｒ２の中央領域周縁部に位置するストレーナ３に対しては、イオン交換樹脂充填層上面の周縁部の水は、直胴部１ａの内面から膨出部１ｂ内面に沿って流れ、その流路長は図１（ｂ）のＬｂとなる。一方、塔体の軸心部（中心部）においては、水はほぼ軸心線に沿って流れ、その流路長は軸心線方向距離Ｌａとなる。ＬｂはＬａよりも長いが、中央領域周縁部のストレーナ３にはその鉛直上方のイオン交換樹脂充填層上面からの水も流れ込むので、結果的に、半径位ｒ２に位置する中央領域周縁部のストレーナ３の通水量と中央領域中心部のストレーナ３の通水量とは略々等しいものとなる。両者の間に位置するその他のストレーナについても、これらのストレーナの通水量と略々等しいものとなる。このようにして、各ストレーナ３の通水量が等しくなり、偏流が防止される。また、図示の通り、塔体１内には集水室４を除いてイオン交換樹脂が充填されており、無駄なデッドスペースが存在しない。
【００２３】
［第２発明の実施の形態］
図２は第２発明の実施の形態に係る脱塩器の模式的な断面図であり、図３は図２のIII−III線に沿う詳細な断面図である。
【００２４】
上記実施の形態と同じく塔体１は直胴部１ａと膨出部１ｂとを有している。この膨出部１ｂの内面に沿って複数のストレーナ１３が配置されている。この実施の形態では、塔体１内の下部に水平な集水母管１０と、該集水母管１０から直交方向に水平に張り出す複数本の集水枝管１１とが設けられている。集水母管１０は直径方向に延在し、その一端は直胴部１ａを貫通して塔外に延出している。
【００２５】
各周水枝管１１から下方に採水配管（ノズル）１２が突設され、該採水配管１２の下端にストレーナ１３が取り付けられている。ストレーナ１３は、中空の円筒形又は円錐台形状の部材であり、側周面に多数のスリットが設けられている。このスリットを通ってストレーナ１３内に流れ込んだ水が採水配管１２、集水枝管１１、及び集水母管１０を介して取り出される。図３の通り、ストレーナ１３は膨出部１ｂの内面の全域にほぼ均等に配置されている。
【００２６】
図示は省略するが、この実施の形態でも、塔体１内にイオン交換樹脂Ｒが図１と同様に充填されている。ｈ／Ｈやｈ／ｄの好ましい範囲は図１と同様である。
【００２７】
この実施の形態では、採水配管１２にオリフィス（図示略）が設けられており、各オリフィスの開口面積は各採水配管１２の通水量が均等となるように設定されている。これにより、脱塩器内の偏流が防止される。また、膨出部１ｂにまでイオン交換樹脂が充填され、デッドスペースは生じない。
【００２８】
上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は図示以外の形態とされてもよい。
【００２９】
例えば、図１ではストレーナ３はストレーナ板２に取り付けられているが、図２のように集水母管及び集水枝管を用いて集水するようにしてもよい。
【００３０】
また、図２においても、ストレーナ１３に脚管を設け、膨出部内面に沿ってストレーナ板を設けて該ストレーナ板の下側に集水室を形成し、ストレーナ１３の脚管を該ストレーナ板に貫通状態にて取り付け、各脚管にオリフィスを設けて各ストレーナの通水量を均等化するようにしてもよい。
【００３１】
なお、本発明の脱塩器は、処理水量が大量で、イオン負荷が小さなケースに採用される脱塩器に適用するのに好適である。この種の脱塩器は、塔径に対する樹脂充填層高の比が低い。また、イオン交換樹脂層を水が通過するときに、圧力損失が発生するため、原水を押しこむ必要があるので、脱塩器の容器は加圧容器となる。塔径が大きい場合、樹脂層を支持する底板を平面とすると水圧に耐えるために板厚が増大し、容器製造コストの増大を招くため、一般には塔体底部は膨出形状例えば皿型や欠球型の鏡板構造が採用される。このような脱塩器では直胴部に充填される樹脂層高さに対して、皿型もしくは欠球型鏡板の深さが相対的に大きくなり、ｈ／Ｈ比が２５％を超え、ほぼ１００％近くなる場合もある。本発明はこのような、樹脂充填層高／塔径の比が小さな形状を有する脱塩器に適用するのに好適である。
【００３２】
本発明が適用される具体例としては、原子力発電設備におけるＰＷＲ（圧力水型）、ＢＷＲ（沸騰水型）の復水脱塩器、火力発電設備の復水脱塩器などが挙げられるが、これに限定されるものではない。
【００３３】
前述の通り、直胴部の樹脂充填層高Ｈに対して、樹脂層を支持する底板として用いられる皿型もしくは欠球の深さｈが相対的に大きくなると、集水ストレーナを底板の曲率に合わせて全面に配置した場合、樹脂表面から集水ストレーナまでの距離が外周部ほど短くなる。樹脂表面から下向流で原水を通水した場合、樹脂層表面から集水ストレーナまでの圧力損失が等しくなるように水は流れる。そのため、樹脂表面から集水ストレーナまでの距離が短い外周部ほど単位樹脂断面当たりの通水流量が大きくなる。このことによって、樹脂層単位断面積当りの通水流量は、底板の半径方向位置によって大きくことなることになり、外周部は流量が大きく、中心部で流量が少ない状態、すなわち偏流を招くことになり、樹脂の破過が早まる。
【００３４】
本発明によれば、上述のようなイオン交換樹脂支持のための底板として皿型もしくは欠球型の鏡板を採用した、樹脂層高に対して塔径の大きな形状の脱塩器において、偏流が防止され、液の短絡が防止される。
【００３５】
第１発明は、図１のように集水ストレーナ３の配置を、中央部分からの半径方向位置が半径の２０〜８０％、好ましくは、３０〜６０％の領域とすることで、樹脂層高の浅い外周部を流れる水は底部に向かって徐々に湾曲し、流路長さが長くなる。このため、底板全体に集水ストレーナを配置した場合に比べ、外周部における通水抵抗が大きくなり、外周部に優先的に流れる偏流を抑制することができ、樹脂層表面から流入する流体要素が集水ストレーナから流出するまでの時間が、集水ストレーナの相対位置によって大きく異なるという状態を改善できる。このことで、樹脂に対するイオン負荷が樹脂の半径方向相対位置で大きく異なることが改善され、樹脂全体のイオン負荷が均等化され、全体としての寿命が改善する。また、このように流れを改善することができれば、当初、充填する樹脂量を削減することが可能となる。
【００３６】
第２発明では、図２のように、集水ストレーナ１３を設置するノズルに、樹脂層の浅い外周部ほど小さな口径のオリフィスノズルを設置する。このことで、外周部における通水抵抗が大きくなり、外周部に優先的に流れる偏流を抑制することができ、樹脂層表面から流入する流体要素が集水ストレーナ１３から流出するまでの時間が、集水ストレーナの相対位置によって大きく異なるという状態を改善できる。このことで、樹脂に対するイオン負荷が樹脂の半径方向相対位置で大きく異なることが改善され、樹脂全体のイオン負荷が均等化され、全体としての寿命が改善する。また、このように流れを改善することができれば、当初、充填する樹脂量を削減することが可能となる。
【実施例】
【００３７】
＜実施例１＞
ストレーナを中央領域に配置した脱塩器について実施例により具体的に説明する。
【００３８】
実施例１では、ＣＦＤ（数値流体解析）ソフトを用いて効果検証を行った。設定条件は次の通りである。
塔体直径：３７０６ｍｍ
Ｈ：８７１．５ｍｍ
ｈ：３１５．５ｍｍ
Ｈ＋ｈ：１１８７ｍｍ
膨出部の曲率半径：５６００ｍｍ
膨出部と直胴部との継目部分の曲率半径：２２２ｍｍ
通水流量：０．３５ｍ３／ｓｅｃ
【００３９】
実施例１では、集水ストレーナの配置を、中央部分からの半径方向位置１０〜１００％に８分割した。解析する際、トレーサー物質を解析時間０［ｓｅｃ．］時点で樹脂層表面全体に均一に配置し、解析時間０〜１［ｓｅｃ．］の区間にのみ投入した。集水ストレーナへトレーサー物質の全量が通過するまで解析時間ステップを進め、樹脂塔の平均滞留時間に対するトレーサー全量の１％が集水ストレーナを通過するまでに要した解析時間の割合（θ１）を以下の式から算出した。
【００４０】
θ１＝ｔ１／ＨＲＴ×１００
ここで
ＨＲＴ（水理学的滞留時間）［ｓｅｃ．］
＝（装置下部の体積［ｍ３］）／通水流量［ｍ３／ｓｅｃ．］
１％流出時間（ｔ１）［ｓｅｃ．］：トレーサーが１％流出するまでの時間
以上の式から得られるθ１によって集水ストレーナの相対位置による偏流の改善度合いを数値化した。結果を図７に示す。
【００４１】
既存構造であるストレーナ配置領域（中央部分からの半径方向位置）１００％の場合に対し、ストレーナ配置領域を４０〜７０％に限定して配置することでストレーナ配置領域１００％の場合とストレーナ配置領域を限定した場合のΔθ１はおよそ１５％であり、Δθ１分だけ樹脂表面から各ストレーナまでの滞留時間を揃えることが出来たと考えれば、樹脂の有効利用率は１５％改善されたこととなる。
【００４２】
以上の結果から集水ストレーナ配置領域の限定を行ったことによる効果を確認できた。
【００４３】
＜実施例２＞
ストレーナ集水量をオリフィスにより均等化した脱塩器の実施例を説明する。
【００４４】
実施例２では、ＣＦＤ（数値流体解析）ソフトを用いて効果検証を行った。設定条件は次の通りである。
塔体直径：３５２０ｍｍ
Ｈ：６００ｍｍ
ｈ：６７９ｍｍ
Ｈ＋ｈ：１２７９ｍｍ
膨出部の曲率半径：３５２０ｍｍ
膨出部と直胴部との継目部分の曲率半径：３５２ｍｍ
通水流量：０．３５ｍ３／ｓｅｃ
【００４５】
実施例２では、オリフィスノズルを設置しない場合をケースａ、オリフィスノズルを設置した場合をケースｂとした。
【００４６】
ケースａおよびｂでは、集水ストレーナを、イオン交換樹脂表面からノズル下端までの距離に応じて７区分（Ａ〜Ｇ区分）に分類した（即ち、図３において、円の中心からの距離に応じて７区分に分類した。）。イオン交換樹脂表面からノズル下端までの距離に応じて、生じる圧力損失が異なることから、ケースｂでは口径を変えたオリフィス設置を行った。オリフィスでの圧力損失値は一般に次式で表される樹脂層での圧力損失計算式から算出した。
【００４７】
ΔＰ＝（αｕ＋βｕ２）×Ｌ
ここで
ｕ；線流速
α、β；樹脂の粒径分布によって決まる定数（ΔＰ、Ｌ、ｕから求めた計算値）
Ｌ；樹脂表面からノズル末端までの長さ
ΔＰ；樹脂層通水差圧
【００４８】
集水ストレーナＡ〜Ｇのイオン交換樹脂表面からの距離Ｌと圧力損失ΔＰは次の表１の通りである。
【００４９】
【表１】
【００５０】
以上のケースａおよびｂにおいて解析する際、トレーサー物質を解析時間０［ｓｅｃ．］時点で樹脂表面全体に均一に配置し、解析時間０〜１［ｓｅｃ．］の空間にのみ投入した。集水ストレーナへトレーサー物質の全量が通過するまで解析時間ステップを進め、樹脂塔の平均滞留時間に対するトレーサー全量の１％が集水ストレーナを通過するまでに要した解析時間の割合（θ１）を以下の式から算出した。
【００５１】
θ１＝ｔ１／ＨＲＴ×１００
ここで
ＨＲＴ（水理学的滞留時間）［ｓｅｃ．］
＝装置下部の体積［ｍ３］／通水流量［ｍ３／ｓｅｃ．］
１％流出時間（ｔ１）［ｓｅｃ．］：トレーサーが１％流出するまでの時間
以上の式から得られるθ１によって集水ストレーナの相対位置による偏流の改善度合いを数値化した。その結果、ＨＲＴに対するトレーサー１％の流出時間は、ケースａで５１％、ケースｂで５４％であった。
【００５２】
このように、既存構造であるケースａでは５１％であったθ１は、オリフィス設置を行ったケースｂでは５４％まで改善された。ケースａとケースｂのΔθ１は３％であり、Δθ１分だけ樹脂表面から各集水管までの滞留時間を揃えることが出来たと考えれば、樹脂の有効利用率は３％改善されたこととなる。
【００５３】
以上の結果から、オリフィス設置と集水ストレーナ設置範囲の限定を行ったことによる効果を確認できた。
【符号の説明】
【００５４】
１ 塔体
１ａ 直胴部
１ｂ 膨出部
２ ストレーナ板
３，１３ ストレーナ
１０ 集水母管
１１ 集水枝管
１２ 採水配管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塔体内にイオン交換樹脂を充填した脱塩器に係り、特に該塔体の底部が下方に膨出した膨出部となっており、該膨出部の内部に複数の集水用のストレーナが配置されている脱塩器に関する。
【背景技術】
【０００２】
塔体内にイオン交換樹脂を充填した脱塩器として、塔体の底部が下方に膨出した膨出部となっており、この膨出部の内面に複数のストレーナを配置したものが広く用いられている。塔体底部を膨出形状とするのは、塔体の耐圧性を高くするためである。図４及び図５，６は、このような脱塩器の従来例（特許文献１の図７〜９）である。
【０００３】
図４の脱塩器では、塔体１は円筒状の直胴部１ａと、塔体底部の膨出部１ｂとを備えている。膨出部１ｂの上側にストレーナ板２が設けられ、該ストレーナ板２に複数の集水用ストレーナ３が設けられている。ストレーナ板２も、下方に膨出した形状となっている。ストレーナ３は、中空円錐台形状の部材であり、側周面に多数のスリットが設けられている。ストレーナ３は、短い管状の脚管を有しており、該脚管がストレーナ板２を貫通している。脚管がナット（図示略）などによってストレーナ板２に固定されている。ストレーナ板２の上側にイオン交換樹脂Ｒが充填されている。被処理水はイオン交換樹脂Ｒに下向流にて通水され、ストレーナ３を通ってストレーナ板２の下側の集水室４から取出口５を経て取り出される。
【０００４】
このタイプの脱塩器では、イオン交換樹脂Ｒの充填層の上面から外周側のストレーナ３までの距離Ｌ１は中央部のストレーナ３までの距離Ｌ２よりも小さい。そのため、イオン交換樹脂Ｒの充填層上面からの距離が短い外周側ほど水が多く流れる偏流が生じ、外周側のストレーナ３から集水室４に流入する脱塩水ほどイオン交換樹脂Ｒとの接触時間が短く、水質が劣ることになる。また、イオン交換樹脂Ｒは、外周側のものほど破過が早期に発生することになる。
【０００５】
図５，６は、イオン交換樹脂Ｒの上面から各ストレーナまでの距離を均等化した従来例（特許文献１の図８，９）を示すものであり、図６は図５のVI−VI線断面図である。なお、図６ではイオン交換樹脂の図示は省略されている。
【０００６】
この特許文献１では、下部に水平な仕切板８が設けられ、この仕切板８の上側に設置レベルを均一にしてストレーナ３が配置されている。各ストレーナ３は、集水用枝管６の下面側に取り付けられており、該枝管６は集水ヘッダ管７に連結されている。脱塩水はストレーナ３、枝管６、集水ヘッダ管７の順に流れ、取出口７ａから取り出される。
【０００７】
この脱塩器であれば、イオン交換樹脂Ｒの充填層の上面から各ストレーナ３までの距離は同一であり、偏流や被処理水の短絡は生じない。なお、ストレーナを同一高さに配置した脱塩器は、特許文献２の図３にも記載されている。
【０００８】
このようにストレーナを同一高さに配置した脱塩器では、ストレーナ３の下側のスペースがデッドスペースになり、膨出部内のスペースが有効利用されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−２９４９３４
【特許文献２】特公昭６１−４５８０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、塔体の底部が下方に膨出して膨出部となっている脱塩器において、偏流が防止され、しかも塔体内にデッドスペースを生じさせることがない脱塩器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】
【００１１】
第１発明の脱塩器は、塔体内にイオン交換樹脂が充填された脱塩器であって、塔体の底部が下方に膨出した形状の膨出部となっており、該膨出部の内部に複数の集水用のストレーナが配置されている脱塩器において、該膨出部の内部のうち外周部を除いた中央領域にのみ前記ストレーナを配置したことを特徴とするものである。
【００１２】
第２発明の脱塩器は、塔体内にイオン交換樹脂が充填された脱塩器であって、塔体の底部が下方に膨出した形状の膨出部となっており、該膨出部の内部に複数の集水用のストレーナが配置されている脱塩器において、外周部に配置されたストレーナの通水量をそれよりも内側領域に配置されたストレーナの通水量よりも少なくしたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
第１発明の脱塩器では、膨出部内部のうち外周部を除いた中央領域にのみストレーナを配置しているので、イオン交換樹脂充填層上面から各ストレーナまでの平均的な距離がほぼ等しくなり、各ストレーナの流量が均等化されることにより、偏流が防止される。また、この第１発明では、塔体内にデッドスペースが生じない。
【００１４】
なお、この中央領域としては塔体直胴部の中心からの半径方向で、半径の０．２〜０．８倍特に０．３〜０．６倍程度の領域が好適である。
【００１５】
第２発明の脱塩器では、外周部に配置されたストレーナの通水量を少なくしており、好ましくは中心部のストレーナからの集水量が最も多く、外周側のストレーナほど通水量を少なくする。これにより、偏流が防止される。また、この第２発明でもデッドスペースも生じない。外周部のストレーナの通水量を少なくするには、各ストレーナにそれぞれ連なる採水配管にオリフィスを設けるのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態に係る脱塩器の縦断面図である。
【図２】実施の形態に係る脱塩器の縦断面図である。
【図３】図２のIII−III線断面図である。
【図４】従来例の断面図である。
【図５】従来例の断面図である。
【図６】図５のVI−VI線断面図である。
【図７】実施例の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
【００１８】
［第１発明の実施の形態］
図１（ａ）は第１発明の実施の形態に係る脱塩器の断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に流路Ｌａ，Ｌｂを記入した説明図である。
【００１９】
塔体１は直胴部１ａと、底部の膨出部１ｂとを有している。膨出部１ｂの上側にストレーナ板２が設けられ、膨出部１ｂとストレーナ板２との間に集水室４が形成されている。このストレーナ板２に複数のストレーナ３が設置されている。ストレーナ板２及び膨出部１ｂは下方に膨出しており、中央側ほど下位となるように滑らかに下方に向って凸となるように湾曲している。ストレーナ３は、中空円錐台形状や中空円筒形状等の部材を使用することができる。
【００２０】
この実施の形態では、ストレーナ３はストレーナ板２の外周部を除いた中央領域にのみ配置されている。この中央領域の半径ｒ２は、直胴部１ａの半径ｒ１の２０〜８０％特に３０〜６０％であること、即ちｒ２＝０．２〜０．８ｒ１特にｒ２＝０．３〜０．６ｒ１であることが好ましい。なお、直胴部１ａの上側の塔体トップ部は上方に膨出したドーム形状（図示略）となっている。この実施の形態のその他の構成は図４と同一であり、同一符号は同一部分を示している。
【００２１】
なお、膨出部内に位置するイオン交換樹脂層高ｈと直胴部１ａ内に位置するイオン交換樹脂層高Ｈとの比ｈ／Ｈは０．２５以上程度が好ましい。また、直胴部１ａの直径ｄ（ｄ＝２ｒ１）と膨出部高さｈとの比ｈ／ｄは０．０５以上程度が好ましい。
【００２２】
このように構成された脱塩器にあっては、中心から半径位がｒ２の中央領域周縁部に位置するストレーナ３に対しては、イオン交換樹脂充填層上面の周縁部の水は、直胴部１ａの内面から膨出部１ｂ内面に沿って流れ、その流路長は図１（ｂ）のＬｂとなる。一方、塔体の軸心部（中心部）においては、水はほぼ軸心線に沿って流れ、その流路長は軸心線方向距離Ｌａとなる。ＬｂはＬａよりも長いが、中央領域周縁部のストレーナ３にはその鉛直上方のイオン交換樹脂充填層上面からの水も流れ込むので、結果的に、半径位ｒ２に位置する中央領域周縁部のストレーナ３の通水量と中央領域中心部のストレーナ３の通水量とは略々等しいものとなる。両者の間に位置するその他のストレーナについても、これらのストレーナの通水量と略々等しいものとなる。このようにして、各ストレーナ３の通水量が等しくなり、偏流が防止される。また、図示の通り、塔体１内には集水室４を除いてイオン交換樹脂が充填されており、無駄なデッドスペースが存在しない。
【００２３】
［第２発明の実施の形態］
図２は第２発明の実施の形態に係る脱塩器の模式的な断面図であり、図３は図２のIII−III線に沿う詳細な断面図である。
【００２４】
上記実施の形態と同じく塔体１は直胴部１ａと膨出部１ｂとを有している。この膨出部１ｂの内面に沿って複数のストレーナ１３が配置されている。この実施の形態では、塔体１内の下部に水平な集水母管１０と、該集水母管１０から直交方向に水平に張り出す複数本の集水枝管１１とが設けられている。集水母管１０は直径方向に延在し、その一端は直胴部１ａを貫通して塔外に延出している。
【００２５】
各周水枝管１１から下方に採水配管（ノズル）１２が突設され、該採水配管１２の下端にストレーナ１３が取り付けられている。ストレーナ１３は、中空の円筒形又は円錐台形状の部材であり、側周面に多数のスリットが設けられている。このスリットを通ってストレーナ１３内に流れ込んだ水が採水配管１２、集水枝管１１、及び集水母管１０を介して取り出される。図３の通り、ストレーナ１３は膨出部１ｂの内面の全域にほぼ均等に配置されている。
【００２６】
図示は省略するが、この実施の形態でも、塔体１内にイオン交換樹脂Ｒが図１と同様に充填されている。ｈ／Ｈやｈ／ｄの好ましい範囲は図１と同様である。
【００２７】
この実施の形態では、採水配管１２にオリフィス（図示略）が設けられており、各オリフィスの開口面積は各採水配管１２の通水量が均等となるように設定されている。これにより、脱塩器内の偏流が防止される。また、膨出部１ｂにまでイオン交換樹脂が充填され、デッドスペースは生じない。
【００２８】
上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は図示以外の形態とされてもよい。
【００２９】
例えば、図１ではストレーナ３はストレーナ板２に取り付けられているが、図２のように集水母管及び集水枝管を用いて集水するようにしてもよい。
【００３０】
また、図２においても、ストレーナ１３に脚管を設け、膨出部内面に沿ってストレーナ板を設けて該ストレーナ板の下側に集水室を形成し、ストレーナ１３の脚管を該ストレーナ板に貫通状態にて取り付け、各脚管にオリフィスを設けて各ストレーナの通水量を均等化するようにしてもよい。
【００３１】
なお、本発明の脱塩器は、処理水量が大量で、イオン負荷が小さなケースに採用される脱塩器に適用するのに好適である。この種の脱塩器は、塔径に対する樹脂充填層高の比が低い。また、イオン交換樹脂層を水が通過するときに、圧力損失が発生するため、原水を押しこむ必要があるので、脱塩器の容器は加圧容器となる。塔径が大きい場合、樹脂層を支持する底板を平面とすると水圧に耐えるために板厚が増大し、容器製造コストの増大を招くため、一般には塔体底部は膨出形状例えば皿型や欠球型の鏡板構造が採用される。このような脱塩器では直胴部に充填される樹脂層高さに対して、皿型もしくは欠球型鏡板の深さが相対的に大きくなり、ｈ／Ｈ比が２５％を超え、ほぼ１００％近くなる場合もある。本発明はこのような、樹脂充填層高／塔径の比が小さな形状を有する脱塩器に適用するのに好適である。
【００３２】
本発明が適用される具体例としては、原子力発電設備におけるＰＷＲ（圧力水型）、ＢＷＲ（沸騰水型）の復水脱塩器、火力発電設備の復水脱塩器などが挙げられるが、これに限定されるものではない。
【００３３】
前述の通り、直胴部の樹脂充填層高Ｈに対して、樹脂層を支持する底板として用いられる皿型もしくは欠球の深さｈが相対的に大きくなると、集水ストレーナを底板の曲率に合わせて全面に配置した場合、樹脂表面から集水ストレーナまでの距離が外周部ほど短くなる。樹脂表面から下向流で原水を通水した場合、樹脂層表面から集水ストレーナまでの圧力損失が等しくなるように水は流れる。そのため、樹脂表面から集水ストレーナまでの距離が短い外周部ほど単位樹脂断面当たりの通水流量が大きくなる。このことによって、樹脂層単位断面積当りの通水流量は、底板の半径方向位置によって大きくことなることになり、外周部は流量が大きく、中心部で流量が少ない状態、すなわち偏流を招くことになり、樹脂の破過が早まる。
【００３４】
本発明によれば、上述のようなイオン交換樹脂支持のための底板として皿型もしくは欠球型の鏡板を採用した、樹脂層高に対して塔径の大きな形状の脱塩器において、偏流が防止され、液の短絡が防止される。
【００３５】
第１発明は、図１のように集水ストレーナ３の配置を、中央部分からの半径方向位置が半径の２０〜８０％、好ましくは、３０〜６０％の領域とすることで、樹脂層高の浅い外周部を流れる水は底部に向かって徐々に湾曲し、流路長さが長くなる。このため、底板全体に集水ストレーナを配置した場合に比べ、外周部における通水抵抗が大きくなり、外周部に優先的に流れる偏流を抑制することができ、樹脂層表面から流入する流体要素が集水ストレーナから流出するまでの時間が、集水ストレーナの相対位置によって大きく異なるという状態を改善できる。このことで、樹脂に対するイオン負荷が樹脂の半径方向相対位置で大きく異なることが改善され、樹脂全体のイオン負荷が均等化され、全体としての寿命が改善する。また、このように流れを改善することができれば、当初、充填する樹脂量を削減することが可能となる。
【００３６】
第２発明では、図２のように、集水ストレーナ１３を設置するノズルに、樹脂層の浅い外周部ほど小さな口径のオリフィスノズルを設置する。このことで、外周部における通水抵抗が大きくなり、外周部に優先的に流れる偏流を抑制することができ、樹脂層表面から流入する流体要素が集水ストレーナ１３から流出するまでの時間が、集水ストレーナの相対位置によって大きく異なるという状態を改善できる。このことで、樹脂に対するイオン負荷が樹脂の半径方向相対位置で大きく異なることが改善され、樹脂全体のイオン負荷が均等化され、全体としての寿命が改善する。また、このように流れを改善することができれば、当初、充填する樹脂量を削減することが可能となる。
【実施例】
【００３７】
＜実施例１＞
ストレーナを中央領域に配置した脱塩器について実施例により具体的に説明する。
【００３８】
実施例１では、ＣＦＤ（数値流体解析）ソフトを用いて効果検証を行った。設定条件は次の通りである。
塔体直径：３７０６ｍｍ
Ｈ：８７１．５ｍｍ
ｈ：３１５．５ｍｍ
Ｈ＋ｈ：１１８７ｍｍ
膨出部の曲率半径：５６００ｍｍ
膨出部と直胴部との継目部分の曲率半径：２２２ｍｍ
通水流量：０．３５ｍ３／ｓｅｃ
【００３９】
実施例１では、集水ストレーナの配置を、中央部分からの半径方向位置１０〜１００％に８分割した。解析する際、トレーサー物質を解析時間０［ｓｅｃ．］時点で樹脂層表面全体に均一に配置し、解析時間０〜１［ｓｅｃ．］の区間にのみ投入した。集水ストレーナへトレーサー物質の全量が通過するまで解析時間ステップを進め、樹脂塔の平均滞留時間に対するトレーサー全量の１％が集水ストレーナを通過するまでに要した解析時間の割合（θ１）を以下の式から算出した。
【００４０】
θ１＝ｔ１／ＨＲＴ×１００
ここで
ＨＲＴ（水理学的滞留時間）［ｓｅｃ．］
＝（装置下部の体積［ｍ３］）／通水流量［ｍ３／ｓｅｃ．］
１％流出時間（ｔ１）［ｓｅｃ．］：トレーサーが１％流出するまでの時間
以上の式から得られるθ１によって集水ストレーナの相対位置による偏流の改善度合いを数値化した。結果を図７に示す。
【００４１】
既存構造であるストレーナ配置領域（中央部分からの半径方向位置）１００％の場合に対し、ストレーナ配置領域を４０〜７０％に限定して配置することでストレーナ配置領域１００％の場合とストレーナ配置領域を限定した場合のΔθ１はおよそ１５％であり、Δθ１分だけ樹脂表面から各ストレーナまでの滞留時間を揃えることが出来たと考えれば、樹脂の有効利用率は１５％改善されたこととなる。
【００４２】
以上の結果から集水ストレーナ配置領域の限定を行ったことによる効果を確認できた。
【００４３】
＜実施例２＞
ストレーナ集水量をオリフィスにより均等化した脱塩器の実施例を説明する。
【００４４】
実施例２では、ＣＦＤ（数値流体解析）ソフトを用いて効果検証を行った。設定条件は次の通りである。
塔体直径：３５２０ｍｍ
Ｈ：６００ｍｍ
ｈ：６７９ｍｍ
Ｈ＋ｈ：１２７９ｍｍ
膨出部の曲率半径：３５２０ｍｍ
膨出部と直胴部との継目部分の曲率半径：３５２ｍｍ
通水流量：０．３５ｍ３／ｓｅｃ
【００４５】
実施例２では、オリフィスノズルを設置しない場合をケースａ、オリフィスノズルを設置した場合をケースｂとした。
【００４６】
ケースａおよびｂでは、集水ストレーナを、イオン交換樹脂表面からノズル下端までの距離に応じて７区分（Ａ〜Ｇ区分）に分類した（即ち、図３において、円の中心からの距離に応じて７区分に分類した。）。イオン交換樹脂表面からノズル下端までの距離に応じて、生じる圧力損失が異なることから、ケースｂでは口径を変えたオリフィス設置を行った。オリフィスでの圧力損失値は一般に次式で表される樹脂層での圧力損失計算式から算出した。
【００４７】
ΔＰ＝（αｕ＋βｕ２）×Ｌ
ここで
ｕ；線流速
α、β；樹脂の粒径分布によって決まる定数（ΔＰ、Ｌ、ｕから求めた計算値）
Ｌ；樹脂表面からノズル末端までの長さ
ΔＰ；樹脂層通水差圧
【００４８】
集水ストレーナＡ〜Ｇのイオン交換樹脂表面からの距離Ｌと圧力損失ΔＰは次の表１の通りである。
【００４９】
【表１】
【００５０】
以上のケースａおよびｂにおいて解析する際、トレーサー物質を解析時間０［ｓｅｃ．］時点で樹脂表面全体に均一に配置し、解析時間０〜１［ｓｅｃ．］の空間にのみ投入した。集水ストレーナへトレーサー物質の全量が通過するまで解析時間ステップを進め、樹脂塔の平均滞留時間に対するトレーサー全量の１％が集水ストレーナを通過するまでに要した解析時間の割合（θ１）を以下の式から算出した。
【００５１】
θ１＝ｔ１／ＨＲＴ×１００
ここで
ＨＲＴ（水理学的滞留時間）［ｓｅｃ．］
＝装置下部の体積［ｍ３］／通水流量［ｍ３／ｓｅｃ．］
１％流出時間（ｔ１）［ｓｅｃ．］：トレーサーが１％流出するまでの時間
以上の式から得られるθ１によって集水ストレーナの相対位置による偏流の改善度合いを数値化した。その結果、ＨＲＴに対するトレーサー１％の流出時間は、ケースａで５１％、ケースｂで５４％であった。
【００５２】
このように、既存構造であるケースａでは５１％であったθ１は、オリフィス設置を行ったケースｂでは５４％まで改善された。ケースａとケースｂのΔθ１は３％であり、Δθ１分だけ樹脂表面から各集水管までの滞留時間を揃えることが出来たと考えれば、樹脂の有効利用率は３％改善されたこととなる。
【００５３】
以上の結果から、オリフィス設置と集水ストレーナ設置範囲の限定を行ったことによる効果を確認できた。
【符号の説明】
【００５４】
１ 塔体
１ａ 直胴部
１ｂ 膨出部
２ ストレーナ板
３，１３ ストレーナ
１０ 集水母管
１１ 集水枝管
１２ 採水配管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
塔体内にイオン交換樹脂が充填された脱塩器であって、
塔体の底部が下方に膨出した形状の膨出部となっており、
該膨出部の内部に複数の集水用のストレーナが配置されている脱塩器において、
該膨出部の内部のうち外周部を除いた中央領域にのみ前記ストレーナを配置したことを特徴とする脱塩器。
【請求項２】
請求項１において、前記塔体は、等径円筒状の直胴部と、該直胴部に連なる、前記膨出部とを有しており、
該直胴部の半径をｒとした場合、前記中央領域の半径が０．２〜０．８ｒであることを特徴とする脱塩器。
【請求項３】
請求項２において、前記中央領域の半径が０．３〜０．６ｒであることを特徴とする脱塩器。
【請求項４】
塔体内にイオン交換樹脂が充填された脱塩器であって、
塔体の底部が下方に膨出した形状の膨出部となっており、
該膨出部の内部に複数の集水用のストレーナが配置されている脱塩器において、
外周部に配置されたストレーナの通水量をそれよりも内側領域に配置されたストレーナの通水量よりも少なくしたことを特徴とする脱塩器。
【請求項５】
請求項４において、各ストレーナはそれぞれ採水配管を介して集水管に接続されており、該採水配管にオリフィスを設けることにより前記外周部のストレーナの通水量を少なくしたことを特徴とする脱塩器。
【請求項６】
請求項４又は５において、前記膨出内面の中心部に位置するストレーナの通水量が最も多く、外周側に位置するストレーナほど通水量が少なくなるように構成されていることを特徴とする脱塩器。
【請求項１】
塔体内にイオン交換樹脂が充填された脱塩器であって、
塔体の底部が下方に膨出した形状の膨出部となっており、
該膨出部の内部に複数の集水用のストレーナが配置されている脱塩器において、
該膨出部の内部のうち外周部を除いた中央領域にのみ前記ストレーナを配置したことを特徴とする脱塩器。
【請求項２】
請求項１において、前記塔体は、等径円筒状の直胴部と、該直胴部に連なる、前記膨出部とを有しており、
該直胴部の半径をｒとした場合、前記中央領域の半径が０．２〜０．８ｒであることを特徴とする脱塩器。
【請求項３】
請求項２において、前記中央領域の半径が０．３〜０．６ｒであることを特徴とする脱塩器。
【請求項４】
塔体内にイオン交換樹脂が充填された脱塩器であって、
塔体の底部が下方に膨出した形状の膨出部となっており、
該膨出部の内部に複数の集水用のストレーナが配置されている脱塩器において、
外周部に配置されたストレーナの通水量をそれよりも内側領域に配置されたストレーナの通水量よりも少なくしたことを特徴とする脱塩器。
【請求項５】
請求項４において、各ストレーナはそれぞれ採水配管を介して集水管に接続されており、該採水配管にオリフィスを設けることにより前記外周部のストレーナの通水量を少なくしたことを特徴とする脱塩器。
【請求項６】
請求項４又は５において、前記膨出内面の中心部に位置するストレーナの通水量が最も多く、外周側に位置するストレーナほど通水量が少なくなるように構成されていることを特徴とする脱塩器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２１０５８３（Ｐ２０１２−２１０５８３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７７６８９（Ｐ２０１１−７７６８９）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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