JP6956978B2 - コアレッサ及び油水分離装置 - Google Patents

Description

この発明は、排水処理などのための油水分離装置に用いられるコアレッサに関する。

コアレッサは、樹脂繊維などからなる充填層で構成されており、被処理液を流す流路に設置されて、被処理液中の油滴を捕捉し、凝集・粗大化させる。粗大化した油滴は浮上しやすくなり、コアレッサから離脱する。これによって、油と水の分離がなされる。このようなメカニズムは、例えば下記特許文献１などに開示されているように古くから知られており、未だに基本的なものである。

しかし、充填層内で捕捉されて凝集する油滴により、被処理液の流動に際しての圧力損失が増大する。この結果、被処理液を流動させるために必要な駆動エネルギーが増加する。

また、充填層内で捕捉・凝集させる場合、低流速においては油滴が充填物に衝突せず空隙を迂回して流出することがあり、その場合には油滴が粗大化されないまま系外に排出されてしまい、コアレッサとしての機能を果たさない。したがって、従来技術を用いたコアレッサによって高精度な分離を実現するためには、かかる油滴の迂回を抑制するために流速を上げ、慣性効果を利用して充填物に衝突させるという手法をとらざるを得ず、それに伴い流動の圧力損失が増大し、駆動するために必要なエネルギーが増加する。

また、特許文献１のコアレッサは、油滴が凝集（集積）することによって目詰まりが発生するので、比較的短期間での定期的な交換が不可欠であった。

特開昭５４−１００５７１号公報

この発明は、油膜を用いて油滴の合一化を促進し、高い分離性能を実現しながらも圧力損失を低減するとともに目詰まりを抑制できるようにすることを主な目的とする。

そのための手段は、被処理液を通す流路に設置されるコアレッサであって、シート状の金属メッシュの集合体で構成されるとともに、前記金属メッシュの面をなす方向が、前記被処理液の流動方向と同じ方向に向けられたコアレッサである。

この構成では、流動する被処理液中の油滴が金属メッシュを構成する線材の表面に油膜を形成して、金属メッシュの表面や金属メッシュ層間での油滴の合一化を促す。油滴が合一した油膜は、被処理液の流れと平行に延びる金属メッシュの層を伝って、下流側に移動し、メッシュ層下流端において粗大化する。粗大化してメッシュにとどまれなくなった粗大油滴は、集合体の下流端から流れに従って離脱する。

この発明によれば、被処理液中の油滴は、被処理液の流動方向に延びる金属メッシュの層に沿って形成される油膜により、凝集することなく速やかに合一され、粗大化される。このため、圧力損失を小さくでき、流動のための駆動エネルギーの省力化もはかれる。また、油滴は油膜となって移動して凝集しないので、閉塞を回避できる結果、目詰まりの発生を抑制でき、メンテナンスの負担を大幅に低減できる。

さらに、本発明においては、すべての油滴が油膜に衝突する構成であるため、従来技術で発生していたような低流速において油滴が充填物を迂回し粗大化されないという事象の発生を防ぐことができ、低流速から高い分離性能を実現する。

油水分離装置の大略構成図。 コアレッサの斜視図。 コアレッサを構成する金属メッシュの平面図とコアレッサの側面図。 作用状態を示す模式図。 他の例に係るコアレッサの斜視図。 他の例に係る油水分離装置の大略構成図。 本発明のコアレッサを用いた油水分離実験の結果を示すグラフ。 本発明のコアレッサを用いた油水分離実験における供給液の吸光度を示すグラフ。 本発明のコアレッサと比較例のコアレッサの分離度を比較したグラフ。

この発明を実施するための一形態を、以下図面を用いて説明する。

図1にコアレッサ１１を備えた油水分離装置２１の概略構成を示す。油水分離装置２１は、例えば石油プラントや食品工場などにおける排水処理に用いられ、供給槽２２と、ポンプ２３と、処理槽２４と、回収槽２５を備えている。

まず、油水分離装置２１の概略を説明したのち、コアレッサ１１について説明する。

供給槽２２は、被処理液２６を溜める部分であり、不要な微細粒子をあらかじめ除去した後の被処理液２６が貯留される。供給槽２２の前段又は後段に微細粒子を除去するフィルタ（図示せず）を備えてもよい。

ポンプ２３は、供給槽２２内の被処理液２６を後段側に送るための装置である。ポンプ２３には、油水分離装置２１の規模に応じて適宜の能力のものが使用される。

処理槽２４は、被処理液２６に対して油水分離のための加工を行う部分であり、下端に入口２４ａを、上端に出口２４ｂを有しており、下方から上方へ向けて一方向に流れる流路２４ｃが形成されている。この流路２４ｃにコアレッサ１１が内蔵される。コアレッサ１１は、ポンプ２３で送られて一方向に流動する被処理液２６に対して、含まれている微細な油滴を合一させ、粗大化させて、粗大油滴粒子に加工して、容易に水と分離されるようにする。

回収槽２５は、処理槽２４を通過した被処理液２６を溜める部分であり、処理槽２４で得られた粗大油滴粒子は水に対して浮くので、回収槽２５内では油（Ｏ）と水（Ｗ）は分離された状態で貯留される。油（Ｏ）より下にたまる水（Ｗ）は、下に排出される。

つぎに、コアレッサ１１の詳細について説明する。

コアレッサ１１は、図２に示したようにシート状をなす金属メッシュ１２の集合体で構成されている。コアレッサ１１を処理槽２４内の流路２４ｃに対して装着する際には、金属メッシュ１２の面をなす方向が、被処理液２６の流動方向、つまり流路２４ｃの延びる方向と同じ方向に向けられる。

具体的には、金属メッシュ１２は、平面図である図３の（ａ）に示したように、経線材１３と、経線材１３に交差する緯線材１４を有するものであり、経線材１３と緯線材１４が直交する平織組織で構成されている。この金属メッシュ１２からなるコアレッサ１１は、その側面図である図３の（ｂ）に示したように、金属メッシュ１２の面同士が対向する層間部１５を、メッシュ層１６と交互に有している。

コアレッサ１１の斜視図である図２に示したように、コアレッサ１１は、金属メッシュ１２を積層により集合させて形成されている。コアレッサ１１の外形は、処理槽２４の流路２４ｃに対応した形状であり、流路２４ｃの断面形状に応じて適宜形成される。図２に例示したコアレッサ１１は直方体形状であり、複数の金属メッシュ１２で構成され、これら金属メッシュ１２が一方向の積層により集合されている。図２中、白抜き矢印は被処理液２６の流動方向を示している。このほか、コアレッサ１１は、１枚又は複数枚の金属メッシュ１２を九十九折りして、集合させて構成することもできる。

コアレッサ１１は、流路２４ｃの断面形状に対応する形状であって、処理槽２４の入口２４ａに対向する入口面１１ａと、処理槽２４の出口２４ｂに対向する出口面１１ｂを相反する面に有している。このため、入口面１１ａと出口面１１ｂには、被処理液２６の流動方向と同じ方向に延びる経線材１３又は緯線材１４の端が露出することになる。ここでは、経線材１３が被処理液２６の流動方向と同じ方向に延びることとする。コアレッサ１１の入口面１１ａと出口面１１ｂ以外の面は、流路２４ｃの内面に接する側面１１ｃである。

このように構成されるコアレッサ１１では、交互に並ぶメッシュ層１６と層間部１５は、同一の平面方向に広がるとともに、互いに平行である。

コアレッサ１１を構成する金属メッシュ１２の種類は、被処理液２６の種類に応じて設定されるが、高精細ステンレスメッシュやタングステンメッシュが好適に使用できる。高精細ステンレスメッシュのなかでも、一般的には例えば線径が０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度の金属繊維を、目開きが０．０２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度になるように平織や綾織りおよび厚織り（「３Ｄ−ｍｅｓｈ」（登録商標））等にて形成されたものであるとよい。また、上記の異なる種類のメッシュを適宜組み合わせて用いても良い。

以上のような構成はコアレッサ１１を備えた油水分離装置２１では、ポンプ２３を駆動して供給槽２２内の被処理液２６を処理槽２４に送ると、次のようにして被処理液２６中の油滴が粗大化され、粗大油滴粒子となる。

すなわち、コアレッサ１１の入口面１１ａから入って出口面１１ｂに向かう流動過程において、被処理液２６中の微細な油滴３１は、図４に模式的に示したように、金属メッシュ１２を構成する線材である経線材１３及び緯線材１４の表面に形成された油膜に接する。

油膜３２は、図４に示したように、白抜き矢印で示す被処理液２６の流動に伴って主に流動方向に延びる経線材１３または緯線材１４またはその両方に沿って移動するとともに、経線材１３及び緯線材１４上の油膜３２に後続の油滴３１が接して合一する。緯線材１４は経線材１３に接しない油滴３１を油膜３２にするとともに、油膜３２との合一をはかる。

次々に油滴３１が合一する油膜３２は、メッシュ層１６や層間部１５を下流側へ移動する。メッシュ層１６下端において粗大化する油膜３２は、出口面１１ｂを構成する経線材１３または緯線材１４またはその両方の端部においてさらに成長して粗大液滴３３となり、被処理液２６の流動に抗えなくなるまで成長してから、粗大液滴粒子３４としてコアレッサ１１から離脱する。

処理槽２４から流出した粗大液滴粒子３４は、回収槽２５内で容易に水に浮き、回収槽２５内の上層にたまって、下層の水（Ｗ）の層の上に油（Ｏ）の層を形成することになる。

このように被処理液２６の中の油滴３１は、コアレッサ１１を通過する過程で凝集したり集積されたりすることなく速やかに金属メッシュ１２の表面で合一し、油膜３２としてメッシュ層１６や層間部１５を流れに従って流下する。油滴３１は捕捉されて凝集・集積して塊となることはないうえに、油膜３２の流下が層間部１５でも自由に行われるので、圧力損失を小さくできる。このため、被処理液２６を流動させるポンプ２３の低能力化や小型化をはかることもできる。

そのうえ、油滴３１は速やかに合一して粗大化するので、被処理液２６の油水分離が短時間で行え、流路２４ｃを短くしてコアレッサ１１の小型化もはかれる。

また、前述のように油滴３１は油膜３２となって移動して凝集しないことから、コアレッサ１１内の隙間・空間を確保でき、閉塞することを回避できる。このため、目詰まりの発生を抑制でき、メンテナンスの負担を大幅に低減できる。

しかも、油滴３１が粗大化されてなる粗大液滴粒子３４は、コアレッサ１１の出口面１１ｂにできるので、たとえ離脱せずに残留したとしても、内部の隙間にできる場合と異なり、メンテナンスは容易である。

また、コアレッサ１１は、シート状をなす金属メッシュ１２の集合体であるので、集合させることによって前述のような層間部１５を容易に形成できる。

さらにコアレッサ１１は、金属メッシュ１２を積層して構成するので、製造が容易である。

以下、他の例について説明する。この説明において、前述の構成と同一の部位については同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。

図５は、他の例に係るコアレッサ１１の斜視図である。このコアレッサ１１は、１枚の金属メッシュ１２で構成され、この金属メッシュ１２が巻回により集合されて集合体を構成している。具体的には、１枚の金属メッシュ１２は経線材が延びる方向を軸にして一方の端を心にするように巻回される。このため、入口面１１ａや出口面１１ｂである端面から見ると螺旋を描くメッシュ層１６の間に層間部１５が形成されることになる。

このように構成されたコアレッサ１１においても、前述と同様の作用効果を有する。特に、コアレッサ１１は１枚の金属メッシュ１２を巻回して構成されるので、製造が容易である。なお、このような構成態様のコアレッサ１１は、複数枚の金属メッシュ１２を重ね合わせたうえで巻回して構成してもよい。

図６は、他の例に係る油水分離装置２１の概略構成を示している。この油水分離装置２１では、図１に示した油水分離装置２１と異なり、処理槽２４に、被処理液２６の中の油滴を微細化する微細化部としてのミキサ部２７を備えている。ミキサ部２７は、被処理液２６を撹拌することによって、被処理液２６中の油滴を、例えば数百μｍ以下の大きさに微細化するものである。

ミキサ部２７は、適宜の撹拌翼２８で構成され、コアレッサ１１より上流側に設けられる。ミキサ部２７は、処理槽２４の外に備えられてもよい。

このように構成された油水分離装置２１では、コアレッサ１１で油滴の合一と粗大化がなされる直前に、被処理液２６が撹拌されて油滴が分断され、油滴の微細化がなされるので、コアレッサ１１での油膜の形成から合一が、より速やかに行われる。

つまり、油滴の合一がより一そう促進され、粗大液滴粒子の生成が短い流路２４ｃで実現できる。このため、前述の作用効果と併せて、更なるコアレッサ１１のコンパクト化をはかれるという利点を有する。

油滴の分離性能を検証するため、次の実験を行った。

実験の内容は、油滴を含んだ試料をチューブポンプで送り出し、コアレッサに通して回収する。このときに、チューブポンプで送り出す前の試料、つまり供給液の吸光度と、回収した試料、つまり回収液の吸光度を測定して、これらの吸光度に基づいて可視光分離度を算出した。

可視光分離度の演算式は、下記の数１のとおりである。

また、供給液の吸光度と回収液の吸光度の値から、指数近似曲線を算出し、この指数近似曲線を用いて、可視光分離度（分離度）について検討を行った。

さらに、圧力トランスデューサを用いてコアレッサに入る前の圧力(入口側電圧)とコアレッサから出た後の圧力(出口側電圧)を測定して、これらに基づいて入口側圧力と出口側圧力を算出し、入口側圧力から出口側圧力を減算して圧力損失を求めた。

試料は、脱イオン水１．５リットルにテトラデカン３ミリリットルを添加して、ホーン型超音波照射装置を用いて乳化させて調製した。

この試料をポンプによって順次送り出し、乳化した直後からの時間の経過に伴う複数の段階で前述した測定を行った。複数の段階は、表１に示す１１の段階である。チューブポンプの能力は、最大８０ｍＬ／ｍｉｎ、１７３ｋＰａである。

コアレッサは、ステンレス製で平織の金属メッシュ（３８０メッシュ、２０ｍｍ角）を平積み状態で層状に１５８枚積層して全体として直方体形状に構成し、縦横高さがそれぞれ２０ｍｍ、２０ｍｍ、３ｍｍの直方体をなす流路に充填した。

比較例として、同一の流路に次のようなコアレッサを充填した実験も行った。比較例１のコアレッサは、線径１０〜５０μｍのテフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）繊維を、充填率０．４で充填したもの、比較例２のコアレッサは、平均線径１６μｍのポリプロピレン（ＰＰ）繊維を、充填率０．４で充填したもの、比較例３のコアレッサは、ポリウレタンフォーム（ＰＵ）を充填したものである。

本発明のコアレッサを用いた実験結果は、表１に示すとおりである。

なお、表１中、「Ｒｕｎ」は前述した１１の段階を示し、「Ｃ_ｉｎ」は供給液の吸光度、「Ｃ_{ｉｎ．ｆｉｔｔｉｎｇ}」は指数、「Ｃ_ｏｕｔ」は回収液の吸光度、「Ｖ_ｐ１」は入口側電圧、「Ｖ_ｐ２」は出口側電圧、「Ｐ_ｉｎ」は入口側圧力、「Ｐ_ｏｕｔ」は出口側圧力、「ΔＰ」は圧力損失を示している。

算出して得られた圧力損失を横軸に、分離度を縦軸にしてグラフにすると、図７に示したようになる。なお、図７中、破線は指数近似曲線である。

すなわち、「Ｒｕｎ」の１〜１１まですべてにおいて、分離度は０．９を超えており、圧力損失に関わらず非常に高い値であった。

図８に破線で示した供給液の吸光度の指数近似曲線を用いて、指数近似曲線上の値を算出してみると、表１に示したとおり、「Ｒｕｎ」の１〜１１までにおいて、分離度と曲線上の分離度はそれぞれ、分離度：曲線上の分離度は、０．９５３：０．９６４５、０．９６０：０．９７０２、０．９７９：０．９７８５、０．９７２：０．９７０９、０．９７０：０．９６１４、０．９６４：０．９５１９、０．９４７：０．９３６５、０．９１１：０．９２３１、０．９６４：０．９６５９、０．９８１：０．９８１５、０．９８６：０．９８６９であって、すべての絶対値割合は、大きいところでも０．０１３であった。すなわち、圧力損失に対する分離度の変化・ばらつきが小さいという特徴を有することが判る。絶対標準偏差を算出すると０．６５％である。このため、広い運転範囲において高い性能を発揮するといえる。

また、圧力損失が低い領域においても高い分離性能を実現していることから、本発明においては低流速においても油滴の粗大化が効果的になされているといえ、従来技術で発生していたような低流速において油滴が充填物を迂回し粗大化がなされないため分離度が低くなってしまう、という事象の発生を抑制できていることがわかる。

これに対して、比較例では、本発明のコアレッサを用いた場合とは全く異なった結果が得られた。

比較例の結果を、図７のグラフに重ねて示すと、図９のとおりである。比較例１、２の分離度は共に、０．５前後に集中している。これは０．９以上を示した本発明のコアレッサの場合に比して非常に低い値である。これは、比較例においては、低流速領域において油滴が充填物を迂回し粗大化されないまま外系へ排出されているためであり、従来技術の課題を示している。

また比較例１、２では、圧力損失が１０ｋＰａから２０ｋＰａの間の特定の範囲に集中していることから、一定の運転範囲において分離性能が得られることが判る。

比較例３は、分離度が０．２程度であって、比較例１、２と比べてもはるかに低かった。

以上の実験から、本発明のコアレッサを用いると、非常に高い分離度を示す油水分離が広い運転範囲において得られることが判る。

以上の構成は、この発明を実施するための一形態であって、この発明は前述の構成のみに限定されるものではなく、その他の構成を採用することができる。

例えば、金属メッシュ１２の集合体を複数の金属メッシュ１２の積層により構成する場合において、積層方向は複数方向であってもよい。また、金属メッシュ１２を巻回して集合体を構成する場合においては、巻回したものを複数束ねて構成してもよい。

金属メッシュ１２には、親油性を増すために例えばシリカコートなどの適宜の処理をしてもよい。

１１…コアレッサ
１２…金属メッシュ
１３…経線材
１４…緯線材
２１…油水分離装置
２４…処理槽
２４ｃ…流路
２５…回収槽
２６…被処理液
２７…ミキサ部

Claims (5)

1. 被処理液を通す流路に設置されるコアレッサであって、
   シート状をなすステンレスメッシュのみを積層により集合させた集合体で構成され、
   前記流路の断面形状に対応する形状であるとともに、
   前記ステンレスメッシュが、経線材と、前記経線材に交差する緯線材を有し、前記経線材及び前記緯線材の線径が０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍで目開きが０．０２ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲である高精細ステンレスメッシュであり、
   前記ステンレスメッシュの面をなす方向が、前記被処理液の流動方向と同じ方向に向けられ、前記経線材又は前記緯線材の長手方向が前記被処理液の流動方向と同じであり、
   前記ステンレスメッシュからなるメッシュ層と前記ステンレスメッシュの面同士が対向する層間部を平行かつ交互に並べて、前記ステンレスメッシュの前記経線材及び前記緯線材の表面に形成された油膜に対し、被処理液中のすべての油滴が迂回することなく前記油膜と衝突することにより合一し、前記油膜が、前記メッシュ層と前記層間部をそれらの面方向に沿って流動方向下流側に移動し、前記メッシュ層下流端においてさらに成長して粗大液滴となり、被処理液の流動に抗えなくなるまで成長してから、粗大液滴粒子として離脱するように構成した
   コアレッサ。
2. 同一形状の複数枚の前記ステンレスメッシュを平積みで層状に積層して前記集合体が形成された
   請求項１に記載のコアレッサ。
3. 請求項１または請求項２に記載のコアレッサを備えた
   油水分離装置。
4. 前記コアレッサの前段に、前記被処理液の中の油滴を微細化する微細化部が備えられた
   請求項３に記載の油水分離装置。
5. 被処理液を通す流路にコアレッサを設置して油水分離を行う油水分離方法であって、
   前記コアレッサを、シート状をなすステンレスメッシュのみを積層により集合させた集合体で構成し、
   前記集合体が前記流路の断面形状に対応する形状であるとともに、
   前記ステンレスメッシュが、経線材と、前記経線材に交差する緯線材を有し、前記経線材及び前記緯線材の線径が０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍで目開きが０．０２ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲である高精細ステンレスメッシュであり、
   前記ステンレスメッシュの面をなす方向が、前記被処理液の流動方向と同じ方向に向けられ、前記経線材又は前記緯線材の長手方向が前記被処理液の流動方向と同じであり、
   前記ステンレスメッシュからなるメッシュ層と前記ステンレスメッシュの面同士が対向する層間部を平行かつ交互に並べて、
   前記流路に被処理液を通すことによって、前記コアレッサを構成する前記ステンレスメッシュの前記経線材及び前記緯線材の表面に油膜を形成させ、
   前記被処理液中のすべての油滴を迂回させることなく前記油膜に接触させて、後続の油滴を合一化させながら、前記油膜を、前記被処理液の流動によって、前記メッシュ層と前記層間部の面方向に通して下流側へ移動させ、前記メッシュ層下流端において粗大液滴に成長させたのち、さらに被処理液の流動に抗えなくなる粗大液滴粒子に成長させて前記コアレッサから離脱させる
   油水分離方法。

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