液体同伴は固液分離と物質収支にどのような影響を与えるか？凍結脱塩の回収率を向上させる

液体同伴は、凍結脱塩における製品純度と見かけの水回収率の両方を直接低下させます。回収された氷結晶が濃縮かん水の一部を保持すると、かん水に溶解している塩分が氷とともに融解器へ流入します。保持液分率を (\beta)、保持されたかん水の塩質量分率を (\sigma) とすると、氷自体に塩分がほとんど含まれない場合、融解後の製品の塩質量分率はおおよそ (\varepsilon=\beta\sigma) となります。

要点: 分離後の氷が自動的に無塩になるわけではありません。現実的なパイロットプラントの収支では、氷の流れを純氷と同伴かん水の混合物として扱い、スラッシャー、分離器、融解器の周囲に境界を定義して、製品塩分濃度と回収可能な水量を正しく予測する必要があります。

同伴が分離性能を変化させる仕組み

保持されたかん水が製品に塩分を運び込む

固液分離中、氷結晶は粒子間、空隙内部、または表面に液体を保持することがあります。その液体には溶解塩が含まれており、名目上の氷流とともに移動します。

氷が融解すると、保持されたかん水は脱塩水製品の一部になります。その結果、氷の形成中の塩分除去が効果的であっても、残留塩分が発生します。

製品塩分濃度は2つの変数に依存する

以下のように定義します。

(\beta) = 回収された氷流中の保持液の質量分率
(\sigma) = 保持されたかん水中の塩質量分率
(\varepsilon) = 融解後の製品中の塩質量分率

氷結晶に塩分が含まれないという理想化された仮定のもとでは、次のようになります。

[ \varepsilon=\beta\sigma ]

この関係は、かん水が高濃度の場合、少量の同伴液体でも大きな影響を及ぼし得る理由を示しています。

飲用可能な製品の塩分上限を (0.05) wt% とすると、次のようになります。

[ \varepsilon \leq 0.0005 ]

したがって、許容される同伴量は次の制約を受けます。

[ \beta \leq \frac{0.0005}{\sigma} ]

保持されたかん水の濃度が高いほど、許容される液体保持量は低くなります。

分離効率は塩分除去率だけでは決まらない

分離器は見た目にはきれいな氷を生成していても、製品品質の観点では性能が低い場合があります。関連する指標には次のものがあります。

氷回収率
水回収率
塩分除去率
融解後の製品塩分濃度
液体保持量またはケーキ含水率
排出かん水に伴う塩分損失

同伴があると、固体流の質量回収率は高く見える一方で、製品仕様を満たす水の量が減少する可能性があります。

物質収支に同伴を反映する方法

まず単位操作の境界を定義する

有用なパイロットプラントの境界には、次の3つの連続した操作が含まれます。

スラッシャーまたは晶析器の出口：氷とかん水が存在する場所
固液分離器：氷から自由かん水を除去する場所
融解器：分離された氷を製品水に変換する場所

液体保持量を測定しているか、意図的にゼロと仮定していない限り、分離器出口を純氷として扱ってはなりません。

回収された氷を2つの部分に分ける

分離器から出る回収氷流の総質量流量を (P) とします。これを次のように表します。

[ P=P_{\text{ice}}+P_{\text{retained brine}} ]

(\beta) が保持かん水の質量分率である場合、次のようになります。

[ P_{\text{retained brine}}=\beta P ]

[ P_{\text{ice}}=(1-\beta)P ]

この分割が、理想化された物質収支に対する中心的な修正となります。

水と塩を別々に追跡する

保持されたかん水には、次の成分が含まれます。

[ \text{salt flow}=\beta P\sigma ]

[ \text{water flow}=\beta P(1-\sigma) ]

塩分を含まない氷は、次の水量を供給します。

[ \text{water flow}=(1-\beta)P ]

融解後の製品流には、したがって次の成分が含まれます。

[ \text{total salt}=\beta P\sigma ]

[ \text{total water}=P(1-\beta\sigma) ]

その総質量は (P) です。したがって、次の関係が成り立ちます。

[ \varepsilon=\frac{\beta P\sigma}{P}=\beta\sigma ]

この成分収支は、総質量収支だけの場合よりも有用です。製品品質が基準を満たさない場合でも、総質量自体は保存されるためです。

排出かん水を別途収支計算する

(F) をスラッシャーまたは晶析器に入る供給流とすると、全体収支は次のように表せます。

[ F=P+B ]

ここで (B) は、定義されたシステム境界から出るかん水流です。成分収支は次のとおりです。

[ F_{\text{water}}=P_{\text{water}}+B_{\text{water}} ]

[ F_{\text{salt}}=P_{\text{salt}}+B_{\text{salt}} ]

現実的なモデルでは、製品中の塩分はゼロではありません。

[ P_{\text{salt}}=\beta P\sigma ]

この塩分量は、排出かん水へ送られる塩分から差し引く必要があります。(P_{\text{salt}}=0) と設定すると、塩分除去率を人為的に過大評価し、かん水濃度を過小評価することになります。

保持量のわずかな変化が大きな影響を及ぼす理由

同伴は純度と実用収率の両方に影響する

(\beta) を低下させると、融解器に流入する塩分量が減少します。また、製品水のうち、廃棄、希釈、またはリサイクルが必要となる量が少なくなるため、供給水のうち製品仕様を満たす水の割合を高めることもできます。

この効果は、製品仕様が予測塩分濃度に近い場合に特に重要です。分離器の性能がわずかに変化するだけで、製品が規格内から規格外へ移行する可能性があります。

パイロットプラントにおける例示的な意味

補足資料では、供給量100 kg/minの例において、保持かん水を1.0 wt%から0.5 wt%へ低減すると飲用水の生産量が大幅に増加し、報告値が約30 kg/minから65 kg/minへ変化する例が示されています。

これらの値はシステム結果の例示として扱うべきであり、普遍的な性能係数ではありません。実際の改善幅は、かん水濃度、氷分率、分離器の設計、洗浄損失、リサイクル、製品品質の判定基準によって異なります。

分離データには保持量を含める必要がある

回収された氷の質量だけを測定するのでは不十分です。パイロットプラントでは、次のような測定を用いて、氷に保持された液体量も推定する必要があります。

分離された氷の水分または液体含有量
保持液の塩分濃度
融解後の製品の塩分濃度
氷、製品水、排出かん水の流量

測定された製品塩分濃度は、整合性の確認にも利用できます。

[ \beta \approx \frac{\varepsilon}{\sigma} ]

この推定が有効なのは、(\varepsilon=\beta\sigma) の前提が妥当な場合に限られます。

同伴を制御する運転要因

分離器の性能

排液性の向上、排液時間の延長、適切な遠心分離、効果的な固液分離により、氷に伴って運ばれる自由かん水を減らすことができます。

ただし、より強い分離は、氷の損失やエネルギー消費を増加させる可能性もあります。運転の目的は単に乾燥固形分を最大化することではなく、仕様を満たす水の回収量を最大化することです。

洗浄または置換工程

強化洗浄工程により、氷表面から濃縮かん水を置換し、塩分の持ち込みを減らすことができます。ただし、洗浄液は製品を希釈したり、水需要を増加させたり、追加のかん水流を発生させたりする可能性があるため、それ自体を収支に含める必要があります。

洗浄によって純度が向上しても、溶ける氷が多すぎたり、廃棄する洗浄水が多すぎたりすると、正味回収率が低下する可能性があります。

氷の形態と取り扱い

結晶サイズ、凝集、表面積、圧密状態は、固相に付着したまま残る液体量に影響します。したがって、晶析から分離までの取り扱い条件によって、(\beta) の実効値が変化する可能性があります。

パイロット試験では、性能データを取得する際と同じ運転条件で保持量を測定する必要があります。

トレードオフを理解する

同伴量の低減と氷損失の増加

強力な分離によってより多くのかん水を除去できますが、同時により多くの氷を除去または融解させる可能性があります。( \beta ) が低いことが有益なのは、それに伴う固体水の損失が純度向上の効果を上回らない場合に限られます。

通常、適切な最適化の目標は分離器の乾燥度だけではなく、飲用水の生産速度です。

製品純度とプロセスの簡素化

回収された氷をすべて純氷として扱うと計算は簡単になりますが、予測が楽観的になります。同伴を含めるにはより多くの測定が必要ですが、規格外製品の原因を説明し、スケールアップを支援できるモデルになります。

教育用ユニットでは、非理想モデルが特に有用です。装置性能と成分収支を結び付けて理解できるためです。

見かけの回収率と真の回収率

供給水の多くが同伴かん水として残り、後で排出しなければならない場合、氷流量が大きくても誤解を招く可能性があります。回収率は、次のように明確に定義した基準で報告する必要があります。

氷流に入る総水量
融解後の製品として回収される水量
塩分上限を下回る製品として回収される水量

製品塩分濃度が仕様によって管理される場合、これらは異なる量になります。

(\beta) を一定値として扱う

1.0 wt%などの固定保持量を使用することは初期モデルでは許容されますが、すべての運転条件に適用できるとは限りません。保持量は、供給速度、結晶特性、分離器設定、洗浄条件によって変化する可能性があります。

感度計算では、現実的な範囲の (\beta) に対して、予測される製品流量と塩分濃度がどのように変化するかを評価する必要があります。

パイロットプラントへの適用方法

まず保持かん水の分率とその塩分濃度を測定または推定し、スラッシャー、分離器、融解器全体で、総質量収支だけでなく成分収支を使用します。

主な関心が製品純度の場合: (\varepsilon=\beta\sigma) を計算し、融解後の製品が指定された塩分上限を下回っていることを確認します。
主な関心が飲用水回収の場合: 氷流の質量を単に最大化するのではなく、仕様を満たす水の生産量を最大化できるよう、分離器と洗浄条件を最適化します。
主な関心が正確な物質収支モデルの場合: 回収された氷を氷と同伴かん水の別々の分率として表し、水と塩を独立して追跡します。
主な関心がスケールアップまたは装置比較の場合: 各運転条件で液体保持量を測定し、(\beta)、製品塩分濃度、実用回収率の変化を比較します。
主な関心がパイロットプラント教育の場合: 同伴項を用いて、総質量が保存されていても非理想的な分離器が運転性能を変化させることを示します。

同伴量を正確に測定することで、名目上の氷回収率計算を、脱塩水の品質と収率に関する信頼性の高い予測へと変えることができます。

まとめ表:

主要因子	影響	推奨アプローチ
保持かん水分率 (β)	製品塩分濃度を上昇させ、実用水回収率を低下させる	各運転条件で液体保持量を測定する
かん水塩分率 (σ)	塩分濃度が高いほど、少量の同伴による悪影響が大きくなる	保持かん水の塩分濃度を分析する
製品塩分濃度 (ε)	融解後の氷が仕様を満たしているかを示す	ε = βσ を使用し、製品試験で確認する
物質収支	純氷を仮定すると、塩分除去率と回収率を過大評価する	氷、水、塩を別々に追跡する
分離器の運転	排液、遠心分離、滞留時間が同伴量に影響する	乾燥度だけでなく、仕様を満たす水を基準に最適化する
洗浄と取り扱い	塩分の持ち込みを減らせるが、水需要や氷損失を増加させる可能性がある	洗浄流、リサイクル、損失を収支に含める

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