專利名稱：溶液的超聲波分離方法及在該方法中使用的超聲波分離裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及從含有2種以上物質的混合物中分離目標物質濃度高的高濃度溶液、或者分離溶液中所含的目標物質的方法和裝置，特別是涉及最適于從酒或酒原料等乙醇溶液中進一步分離高濃度的乙醇、或從石油中分離目標物質濃度高的溶液的方法和裝置。
背景技術：
本發(fā)明人開發(fā)了從乙醇中分離高濃度乙醇的裝置。(參照專利文獻1)專利文獻1日本特開2001-314724號公報該分離裝置將乙醇溶液填充到封閉結構的超聲波霧化室中，利用超聲波振子使該超聲波霧化室的乙醇溶液發(fā)生超聲波振動以霧化成煙霧，使霧化了的煙霧凝集、回收，從而分離高純度的乙醇溶液。該分離裝置能夠分離作為目標物質的高濃度乙醇，其是通過以下動作實現(xiàn)的。
乙醇比水更易移動到溶液的表面，從而表面溶液的乙醇濃度變高。如果在該狀態(tài)下發(fā)生超聲波振動，則高濃度的乙醇由于超聲波振動的能量而在空氣中變?yōu)闊熿F，以微細的粒子釋放。釋放到空氣中的煙霧的乙醇濃度變高。這是由于乙醇濃度高的表面溶液易于變?yōu)闊熿F。因此，如果凝集煙霧并回收，則高濃度的乙醇溶液被分離。該方法可以在不加熱溶液的情況下分離高濃度的乙醇溶液。因此，以少量的能量消耗即可高濃度地分離目標物質。另外，由于不進行加熱，還具有在不會使目標物質變質的情況下即可分離的優(yōu)點。
圖1為使溶液發(fā)生超聲波振動變?yōu)闊熿F、利用回收部使其凝集以回收的裝置的模塊圖。該圖的超聲波分離裝置利用回收部105將超聲波霧化室104內產生的煙霧凝集、回收。使用該裝置分離高濃度乙醇時，煙霧的乙醇濃度發(fā)生變化。煙霧的乙醇濃度在超聲波霧化室104內剛產生時較高，之后逐漸降低，被移送至回收部105中。這是由于，在由超聲波霧化室104移送至回收部105的過程中，煙霧中所含的乙醇發(fā)生氣化而成為蒸氣。乙醇和水均從煙霧中氣化而成為蒸氣。但是乙醇比水更易成為蒸氣。因而，一旦煙霧被氣化，乙醇比水更多地被氣化，煙霧的乙醇濃度降低。因此，在超聲波霧化室104內產生的煙霧的乙醇濃度逐漸降低，同時被移送至回收部105中。
由于被移送的煙霧的乙醇被氣化成為蒸氣，因此供給至回收部105的乙醇成為作為微細液滴的煙霧狀態(tài)和被氣化的蒸氣狀態(tài)。以煙霧狀態(tài)被供給的乙醇在回收部105處凝集被回收，蒸氣的乙醇通過冷卻運送氣體使其結露而回收。乙醇蒸氣可以使其結露而回收，但能夠結露回收的乙醇量很有限。這是由于被冷卻的運送氣體可以以氣體的狀態(tài)含有一定的乙醇和水。圖2為空氣可以以蒸氣狀態(tài)含有水的飽和水蒸氣量曲線。換句話說，圖2是表示處于濕度100％的飽和狀態(tài)的空氣中含有的水的總量和溫度的關系的曲線圖。該圖表示空氣中所含的水的量，但空氣中所能含有的水和乙醇的總量如該圖所示，隨著溫度而改變，溫度增高則總量增加，溫度降低則總量減少。
由該圖可知，作為運送氣體使用的空氣由于溫度變低則能夠含有的水的量減少，因此如果冷卻空氣，則過飽和的水和乙醇由氣體變?yōu)橐后w，發(fā)生結露。但是，由該曲線圖可知，即便空氣溫度為0℃，由于可以以蒸氣的狀態(tài)含有水，因此不能使所有的乙醇結露、回收。
非常困難的是，由煙霧被氣化、且含有在運送氣體中的乙醇和水一旦發(fā)生結露、回收，則水比乙醇更易結露、回收。即，水比乙醇更易從煙霧中氣化，氣化后，水比乙醇更易結露。因此，運送氣體中所含的乙醇濃度在冷卻運送氣體以回收乙醇和水之后，變得更高。這是由于乙醇易于氣化，難以結露。例如，在超聲波霧化室內產生的煙霧的乙醇的摩爾濃度低至30摩爾、供給至回收部的煙霧的乙醇濃度低至25摩爾，但運送氣體中所含的蒸氣的乙醇的摩爾濃度在供給至回收部的狀態(tài)下高達50摩爾、在由回收部排出的狀態(tài)下高達70摩爾。由此可知，不能在超聲波霧化室中一邊使高濃度乙醇變?yōu)闊熿F，一邊將其有效地回收。該弊端可以通過例如降低冷卻運送氣體的溫度、更加高效地使乙醇和水結露并回收來消除。但是，如果降低運送氣體的溫度，則用于冷卻所消耗的能量變大，設備運轉成本變高。如果向超聲波霧化室中供給低溫的運送氣體，則顯著地降低溶液變?yōu)闊熿F的效率，因此低溫的運送氣體有必要在加熱后供至超聲波霧化室。此時，具有運送氣體的溫度越低、用于加熱的所需的能量越大的缺點。
因而，以往的超聲波分離裝置具有難以一邊在超聲波霧化室中產生乙醇濃度高的煙霧、一邊高效、有效地將其回收的缺點。

發(fā)明內容
本發(fā)明是為了解決上述缺點而開發(fā)的。本發(fā)明的第1重要目的在于提供能夠將由溶液產生的煙霧中所含的目標物質高效地回收的溶液的超聲波分離方法和超聲波分離裝置。
另外，本發(fā)明的第2目的在于提供可以高效地使煙霧中含有的煙霧成分吸附在吸附劑上并回收的溶液的超聲波分離方法和裝置。
本發(fā)明的溶液的超聲波分離方法為在超聲波霧化室4中使溶液發(fā)生超聲波振動，從而在運送氣體中霧化為煙霧，將含有霧化了的煙霧的運送氣體移送至回收部5，在回收部5中將從溶液變?yōu)闊熿F而被霧化了的煙霧成分從運送氣體中分離出來并回收。超聲波分離方法通過在回收部5中使含有煙霧成分的運送氣體與吸附劑15接觸而使煙霧成分吸附在吸附劑15上的吸附工序、和將通過吸附工序吸附在吸附劑15上的煙霧成分從吸附劑15上分離出來并回收的分離工序，從而在從運送氣體中分離煙霧成分的同時，使分離工序的壓力低于吸附工序的壓力，從運送氣體中分離煙霧成分。
本發(fā)明的溶液的超聲波分離方法可以在回收部5中利用冷卻器12將運送氣體冷卻后分離煙霧成分，之后使運送氣體與吸附劑15接觸，利用吸附劑15吸附煙霧成分。
本發(fā)明的溶液的超聲波分離方法可以在分離工序中將吸附劑15配置在密閉室16中，利用真空泵17將該密閉室16的運送氣體排氣，將密閉室16減壓至低于大氣壓的壓力，將煙霧成分從吸附劑15上分離。
另外，本發(fā)明的溶液的超聲波分離方法可以在吸附工序中將吸附劑15配置在大氣壓的密閉室16中，使運送氣體的煙霧成分吸附在吸附劑15上。
另外，本發(fā)明的溶液的超聲波分離方法可以在吸附工序中將吸附劑15配置在加壓至高于大氣壓的密閉室16中，使運送氣體的煙霧成分吸附在吸附劑上。
本發(fā)明的溶液的超聲波分離方法可以使吸附工序的吸附劑15的溫度降低至低于分離工序的吸附劑15的溫度。
本發(fā)明的溶液的超聲波分離裝置具備被供給溶液的超聲波霧化室4、通過超聲波振動使該超聲波霧化室4的溶液在運送氣體中霧化至煙霧、從而使其飛散的超聲波振子2、與該超聲波振子2連接并向超聲波振子2供給高頻電力以使其發(fā)生超聲波振動的超聲波電源3、使通過超聲波振子2霧化后由運送氣體移送的煙霧成分吸附在吸附劑15上、從而從運送氣體中分離出來的回收部5?；厥詹?具備使運送氣體與吸附劑15接觸而使運送氣體所含的煙霧成分吸附在吸附劑15上、并將吸附了的煙霧成分從吸附劑15上分離、從而從運送氣體中分離煙霧成分的吸附回收部9。該吸附回收部9使從吸附劑15上分離煙霧成分的壓力比使運送氣體與吸附劑15接觸以吸附煙霧成分的壓力低，從而從運送氣體中分離煙霧成分。
本發(fā)明的溶液的超聲波分離裝置的回收部5具備冷卻運送氣體后將煙霧成分回收的前段回收部8，通過該前段回收部8，可以將分離了煙霧成分的運送氣體供給至吸附回收部9。
本發(fā)明的溶液的超聲波分離裝置的吸附回收部9可以在將吸附劑15填充到密閉室16中的同時，在該密閉室16上連接真空泵17，真空泵17從密閉室16中排氣，從而從吸附劑15上分離煙霧成分。
本發(fā)明的溶液的超聲波分離裝置可以介由開關閥18將密閉室16與超聲波霧化室4連接，打開開關閥18以將含有煙霧成分的運送氣體從超聲波霧化室4中供給至密閉室16，使煙霧成分吸附在吸附劑15上，打開開關閥18以對密閉室16進行減壓，從而從吸附劑15上分離煙霧成分。
本發(fā)明的溶液的超聲波分離裝置可以在一對密閉室16中填充吸附劑15，介由開關閥18將一對密閉室16與超聲波霧化室4連接。該超聲波分離裝置可以打開一個開關閥18以將含有煙霧成分的運送氣體供給至密閉室16中，關閉另一個開關閥18以從密閉室16排氣并將煙霧成分從吸附劑15上分離，交替開關開關閥18以將煙霧成分從運送氣體中分離。
本發(fā)明的溶液的超聲波分離裝置的吸附回收部9可以具備溫度控制部22。溫度控制部22可以將吸附運送氣體的煙霧成分的吸附劑15的溫度控制在低于分離煙霧成分的吸附劑15的溫度。
吸附劑15可以使用沸石、活性炭、氧化鋰、硅膠中的任一種，或者還可以使用它們的混合物。
本發(fā)明具有可以高效地回收由溶液產生的煙霧中所含的目標物質的優(yōu)點。特別是，本發(fā)明具有可以使煙霧中所含的煙霧成分高效地吸附在吸附劑上并回收的優(yōu)點。這是由于，本發(fā)明通過回收部使含有在超聲波霧化室中霧化了的煙霧成分的運送氣體吸附在吸附劑上，將吸附在吸附劑上的煙霧成分從吸附劑上分離，從而使其從運送氣體中分離，使運送氣體與吸附劑接觸以吸附煙霧成分的壓力低于從吸附劑上分離煙霧成分的壓力，從而從運送氣體中分離煙霧成分。吸附劑如果壓力增高，則煙霧成分的吸附量增加，如果壓力降低，則煙霧成分的吸附量減少。因此，本發(fā)明通過有效地利用吸附劑所具有的該特性，即，通過使分離工序的壓力低于吸附工序的壓力，可以在吸附工序中使大量的煙霧成分高效地吸附在吸附劑上，在分離工序中減少可以吸附在吸附劑上的煙霧成分的量，從而可以從吸附劑上將煙霧成分分離并高效地回收。
另外，本發(fā)明的權利要求6的超聲波分離方法和權利要求12的超聲波分離裝置具有可以使運送氣體所含的煙霧成分更高效地吸附在吸附劑上并回收的優(yōu)點。這是由于，該方法和裝置將吸附運送氣體的煙霧成分時的吸附劑的溫度低于分離煙霧成分時的吸附劑溫度。吸附劑的吸附量具有在相同壓力下溫度增高則減少、溫度增高則增加的傾向。因此，利用該特性，通過控制吸附劑的溫度，可以高效地分離回收運送氣體中所含的煙霧成分。


圖1為表示溶液發(fā)生超聲波振動而在溶液表面形成液柱的狀態(tài)的概略剖面圖。
圖2為表示空氣可以含有的飽和水蒸氣曲線的曲線圖。
圖3為表示本發(fā)明的一個實施例的超聲波分離裝置的概略構成圖。
圖4為表示本發(fā)明的其它實施例的超聲波分離裝置的概略構成圖。
圖5為表示本發(fā)明的其它實施例的超聲波分離裝置的概略構成圖。
圖6為表示本發(fā)明的其它實施例的超聲波分離裝置的概略構成圖。
圖7為表示超聲波霧化室和超聲波霧化機的一個例子的概略剖面圖。
圖8為表示吸附劑的吸附量在壓力和溫度下的變化傾向的曲線圖。
圖9為表示溫度控制部的一個例子的概略構成圖。
符號說明1、41、51、61超聲波霧化機 2、42、52、62超聲波振子3、43、53、63超聲波電源4、44、54、64超聲波霧化室5、45、55、65回收部6、46、56、66移送通道7、47、57、67鼓風機8、48、58、68前段回收部
9、49、59、69吸附回收部10、410、510、610泵11、411、511、611原液槽12、412、512、612冷卻器13、413、513、613熱交換管 14冷卻管15、415、515、615吸附劑16、416、516、616密閉室16A、416A、516A、616A第1密閉室16B、416B、516B、616B第2密閉室17、417、517、617真空泵18、418、518、618開關閥19、419、519、619吸引通道 20、420、520、620吸引閥21、421、521、621冷卻器622溫度控制部623熱交換器624加熱機構625冷卻機構626冷凍循環(huán)627控制閥 628熱水罐629冷水罐 630壓縮機631放熱器 632凝縮閥633吸熱器 104超聲波霧化室105回收部 W溶液面P液柱具體實施方式
以下根據(jù)

本發(fā)明的實施例。以下所示的實施例是示例用于具體體現(xiàn)本發(fā)明的技術構思的溶液的超聲波分離方法和超聲波分離裝置，本發(fā)明的超聲波分離方法和裝置并非限定于以下內容。
另外，本說明書為了易于理解權利要求書而將對應于實施例所示部件的符號對“權利要求書”和“發(fā)明內容”中所示的部件進行標記。但絕不是將權利要求書所示的部件限定于實施例的部件。
本發(fā)明的溶液的超聲波分離裝置從含有至少2種物質的溶液中將高濃度的特定溶液分離出來。本發(fā)明并不限定溶液的溶劑和溶質，溶劑主要是水，但除了水以外，還可以使用乙醇等有機溶劑。溶液例如為以下溶液。
(1)清酒、啤酒、葡萄酒、食醋、調味酒、烈酒、燒酒、白蘭地、威斯忌、蒸餾酒(2)含有松油萜、沉香醇、檸檬烯、多酚類等香料、芳香成分或香味成分的溶液(3)含有作為飽和烴的烷烴、環(huán)烷烴、作為不飽和烴的烯烴、環(huán)烯烴、炔烴、或者屬于醚、硫醚或芳香族烴中任一種的有機化合物、或者它們鍵合而成的物質的溶液(4)含有作為飽和烴的烷烴、環(huán)烷烴、作為不飽和烴的烯烴、環(huán)烯烴、炔烴、或者屬于醚、硫醚或芳香族烴中任一種的有機化合物、或者它們的鍵合體的至少一個氫原子或官能團被鹵素取代了的物質的溶液(5)含有作為飽和烴的烷烴、環(huán)烷烴、作為不飽和烴的烯烴、環(huán)烯烴、炔烴、或者屬于醚、硫醚或芳香族烴中任一種的有機化合物、或者它們的鍵合體的至少一個氫原子或官能團被羥基取代了的物質的溶液(6)含有作為飽和烴的烷烴、環(huán)烷烴、作為不飽和烴的烯烴、環(huán)烯烴、炔烴、或者屬于醚、硫醚或芳香族烴中任一種的有機化合物、或者它們的鍵合體的至少一個氫原子或官能團被氨基取代了的物質的溶液(7)含有作為飽和烴的烷烴、環(huán)烷烴、作為不飽和烴的烯烴、環(huán)烯烴、炔烴、或者屬于醚、硫醚或芳香族烴中任一種的有機化合物、或者它們的鍵合體的至少一個氫原子或官能團被羰基取代了的物質的溶液(8)含有作為飽和烴的烷烴、環(huán)烷烴、作為不飽和烴的烯烴、環(huán)烯烴、炔烴、或者屬于醚、硫醚或芳香族烴中任一種的有機化合物、或者它們的鍵合體的至少一個氫原子或官能團被羧基取代了的物質的溶液
(9)含有作為飽和烴的烷烴、環(huán)烷烴、作為不飽和烴的烯烴、環(huán)烯烴、炔烴、或者屬于醚、硫醚或芳香族烴中任一種的有機化合物、或者它們的鍵合體的至少一個氫原子或官能團被硝基取代了的物質的溶液(10)含有作為飽和烴的烷烴、環(huán)烷烴、作為不飽和烴的烯烴、環(huán)烯烴、炔烴、或者屬于醚、硫醚或芳香族烴中任一種的有機化合物、或者它們的鍵合體的至少一個氫原子或官能團被氰基取代了的物質的溶液(11)含有作為飽和烴的烷烴、環(huán)烷烴、作為不飽和烴的烯烴、環(huán)烯烴、炔烴、或者屬于醚、硫醚或芳香族烴中任一種的有機化合物、或者它們的鍵合體的至少一個氫原子或官能團被巰基取代了的物質的溶液(12)含有上述(3)～(11)的溶液中含有的任何一個以上的原子被金屬離子取代了的物質的溶液(13)含有上述(3)～(11)的溶液中含有的分子中任意氫原子、碳原子或官能團被(3)～(11)的分子中的任意分子取代了的物質的溶液使含有2種以上物質的溶液發(fā)生超聲波振動，從溶液中分離煙霧，將分離的煙霧凝集回收，則在從煙霧回收的溶液和未變?yōu)闊熿F的殘存溶液中，含有物質的濃度不同。例如，如果利用超聲波振動使乙醇水溶液霧化為煙霧并回收霧化了的煙霧，則成為比未變?yōu)闊熿F的殘存的乙醇更高濃度的乙醇。凝集煙霧并回收了的溶液的乙醇濃度較高的原因在于，由于超聲波振動，乙醇比水更易霧化為煙霧。
在由煙霧回收的溶液和未變?yōu)闊熿F的溶液中，含有物質的濃度不同的一個理由為，溶液中含有的物質移動至表面，表面過量的比例不同。成為表面過量的物性強的溶液由于表面濃度變高，因此如果使其超聲波振動而將表面的溶液霧化成煙霧，則煙霧中易于表面過量的物質的濃度變高。因此，如果凝集該煙霧并回收，則可以增高表面過量的物性強的物質的濃度。即，可以從溶液中將含有高濃度物質的部分分離。
以下說明溶液為乙醇、從乙醇中分離高濃度乙醇的裝置和方法。但本發(fā)明并不將溶液限定于乙醇。其原因在于，可以用于能霧化為煙霧進行分離的上述溶液或者其它溶液的分離中。
圖3～圖6所示的超聲波分離裝置具備具備供給溶液的封閉結構的超聲波霧化室4、44、54、64、使該超聲波霧化室4、44、54、64的溶液超聲波振動并霧化為煙霧的1個或多個超聲波振子2、42、52、62、和超聲波電源3、43、53、63的超聲波霧化機1、41、51、61；在超聲波霧化機1、41、51、61中使從溶液變?yōu)闊熿F的霧化了的煙霧成分凝集并回收的回收部5、45、55、65；將在超聲波霧化室4、44、54、64中霧化了的煙霧成分與運送氣體一起移送至回收部5、45、55、65中的鼓風機7、47、57、67。這些圖示的裝置用鼓風機7、47、57、67帶著在超聲波霧化室4、44、54、64中從溶液變?yōu)闊熿F的霧化了的煙霧成分，將其與運送氣體一起移送到回收部5、45、55、65中。但是，超聲波分離裝置雖未圖示，但也可以是利用靜電或超聲波來移送煙霧的結構。
溶液是用泵10、410、510、610供給至超聲波霧化室4、44、54、64中的。超聲波霧化室4、44、54、64不會將所有供給的溶液霧化為煙霧。這是由于，如果將所有溶液霧化并利用回收部5、45、55、65回收，則供給至超聲波霧化室4、44、54、64的溶液與通過回收部5、45、55、65回收的溶液的乙醇等目標物質的濃度變得相同。供給至超聲波霧化室4、44、54、64的溶液隨著霧化為煙霧后容量減少，目標物質的濃度降低。因此，煙霧中含有的目標物質的濃度也逐漸降低。超聲波霧化室4、44、54、64的溶液在目標物質濃度降低時，更換為新的溶液。
超聲波霧化室4、44、54、64例如將目標物質濃度為10～50重量％的溶液霧化，在目標物質的濃度降低后，將溶液更新。經過一定時間后更換為新溶液的方法、即分批式地交換溶液。但是，也可以介由泵10、410、510、610將儲存溶液的原液槽11、411、511、611與超聲波霧化室4、44、54、64連接，從而由原液槽11、411、511、611連續(xù)地提供溶液。該裝置一邊將超聲波霧化室4、44、54、64的溶液排出，一邊從原液槽11、411、511、611供給溶液，從而防止超聲波霧化室4、44、54、64的溶液的乙醇等目標物質濃度降低。另外，如圖3的箭頭A所示，不將超聲波霧化室4、44、54、64的溶液循環(huán)到原液槽11、411、511、611中而是排出到外部，也可以防止原液槽11、411、511、611中所含的目標物質濃度降低。
超聲波霧化室4、44、54、64的溶液通過超聲波霧化機1、41、51、61霧化成煙霧。被超聲波霧化機1、41、51、61霧化了的煙霧與溶液相比，目標物質的濃度更高。因此，通過利用超聲波霧化機1、41、51、61將溶液霧化成煙霧，并將煙霧凝集、回收，可以高效地分離高濃度的溶液。
超聲波霧化室4、44、54、64的溶液通過超聲波霧化機1、41、51、61發(fā)生超聲波振動，成為比超聲波霧化室4、44、54、64的溶液更高濃度的煙霧，并從溶液面W飛散。如果使溶液發(fā)生超聲波振動，則在溶液面W上形成液柱P，由該液柱P的表面產生煙霧。圖7所示的超聲波霧化機1在填充溶液的超聲波霧化室4的底部上朝上配置有超聲波霧化機1的超聲波振子2。超聲波振子2由底部朝向溶液面W向上放射超聲波，使溶液面W發(fā)生超聲波振動，產生液柱P。超聲波振子2在垂直方向上放射超聲波。
圖中的超聲波霧化機1具備多個超聲波振子2和使這些超聲波振子2發(fā)生超聲波振動的超聲波電源3。超聲波振子2以水密結構固定在超聲波霧化室4的底部。多個超聲波振子2使溶液發(fā)生超聲波振動的裝置高效地將溶液霧化為煙霧。
如果超聲波振子2或超聲波電源3加熱超聲波霧化室4的溶液，則溶液的品質降低。此弊端可以通過強制地冷卻超聲波振子2來消除。另外，優(yōu)選也冷卻超聲波電源3。超聲波電源3并非直接加熱溶液，而是加熱周圍從而間接地加熱溶液。超聲波振子2或超聲波電源3如圖7所示，可以在其上以熱結合的狀態(tài)配置冷卻管14，即可以以接觸的狀態(tài)配置冷卻管14以進行冷卻。冷卻管14中流過通過冷卻機冷卻了的液體、制冷劑或者地下水或自來水等的冷卻水，從而冷卻超聲波振子2和超聲波電源3。
在超聲波霧化室4、44、54、64內霧化了的溶液的煙霧介由運送氣體流入到回收部5、45、55、65中。為了使煙霧流入到回收部5、45、55、65中，利用移送通道6、46、56、66將回收部5、45、55、65與超聲波霧化室4、44、54、64連接。圖3和圖6所示的超聲波分離裝置具有利用鼓風機7、67使運送氣體在回收部5、65和超聲波霧化室4、64中循環(huán)的結構。這些超聲波分離裝置將從超聲波霧化室4、64移送至回收部5、65且煙霧成分被分離了的運送氣體回流至超聲波霧化室4、64中。這些超聲波分離裝置優(yōu)選將惰性氣體作為運送氣體填充在超聲波霧化室4、64和回收部5、65中。該裝置通過惰性氣體，可以防止超聲波霧化室4、64或回收部5、65中的溶液變質。因此，能夠以更高品質的狀態(tài)獲得高濃度的溶液。但是，運送氣體也可以使用空氣。另外，圖4和圖5所示的超聲波分離裝置不將從超聲波霧化室44、54移送到回收部45、55的運送氣體再次回流至超聲波霧化室44、54中，而是釋放到大氣中。這些超聲波分離裝置使用空氣作為運送氣體。
回收部5、45、55、65將被超聲波霧化機1、41、51、61霧化了的煙霧成分從運送氣體中分離出來并回收。回收部5、45、55、65具備冷卻運送氣體并將煙霧成分回收的前段回收部8、48、58、68、和將在前段回收部8、48、58、68中分離了煙霧成分的運送氣體中殘留的煙霧成分回收的吸附回收部9、49、59、69。
前段回收部8、48、58、68使微細的煙霧凝集并以高濃度的乙醇溶液的形式回收。圖示的前段回收部8、48、58、68在封閉結構的腔內裝有用于冷卻煙霧以使其凝集的冷卻器12、412、512、612。圖中的冷卻器12、412、512、612是在熱交換管13、413、513、613中固定有散熱片(未圖示)的熱交換器。該冷卻器12、412、512、612通過在熱交換管13、413、513、613中循環(huán)冷卻用的制冷劑或冷卻水來進行冷卻。但是，冷卻器也可以是具備珀爾貼元件等的電子冷卻器。在超聲波霧化室4、44、54、64中霧化了的煙霧成分中一部分氣化成為氣體，氣體被前段回收部8、48、58、68的冷卻器12、412、512、612冷卻，結露而凝集，并被回收。與運送氣體一起流入到前段回收部8、48、58、68中的煙霧成分沖撞于冷卻器12、412、512、612或者相互沖撞，發(fā)生劇烈的凝集，或者與冷卻器12、412、512、612的散熱片等沖撞而劇烈地凝集，以溶液的形式被回收。利用前段回收部8、48、58、68凝集煙霧和氣體并回收了的運送氣體被移送至吸附回收部9、49、59、69中。由于煙霧并非氣體，因此可以不必冷卻即可使其凝集并回收。但是，冷卻煙霧可以迅速地回收。
前段回收部雖未圖示，但可以在內部配置多張擋板。擋板在相鄰的板之間設置可以通過煙霧的空隙，以垂直的姿勢配置。垂直的擋板可以使煙霧沖撞于表面、從而使附著的溶液自然地流下并回收。擋板按照表面為凹凸面、可以更為高效地接觸煙霧并回收的方式設置。
另外，前段回收部雖未圖示，但可以設置強制送出運送氣體并進行攪拌的風扇。風扇將回收部的運送氣體送出，并攪拌煙霧和蒸氣。被攪拌的煙霧相互沖撞而凝集，或者沖撞于擋板的表面上而凝集。凝集的煙霧迅速地落下而被回收。
另外，前段回收部雖未圖示，但還可以設置使煙霧振動以提高沖撞效率的煙霧振動器。煙霧振動器具備使回收部的運送氣體發(fā)生振動的電振動-機械振動轉換器、驅動該電振動-機械振動轉換器的振動電源。電振動-機械振動轉換器是放射可聽頻率的聲音的揚聲器或者放射高于可聽頻率的超聲波的超聲波振子等。電振動-機械振動轉換器為了高效地使煙霧振動，在前段回收部處使由電振動-機械振動轉換器放射的振動發(fā)生共振。為了實現(xiàn)該目的，電振動-機械振動轉換器在前段回收部處以共振的頻率振動。換句話說，將前段回收部設計為與由電振動-機械振動轉換器放射的振動發(fā)生共振的形狀。
超聲波是超出人類可聽頻率的高頻率，因此耳朵是聽不到的。因而，放射超聲波的煙霧振動器使前段回收部的氣體劇烈地振動，換句話說，極大地增加電振動-機械振動轉換器的功率也不會對人類造成噪音。因此，超聲波具有可以劇烈地振動煙霧、高效地使其沖撞并迅速地回收的優(yōu)點。
以上的前段回收部由于配置有高效地使煙霧凝集的裝置，因此可以更為迅速地凝集煙霧，從而制成高濃度的溶液。另外，雖未圖示，但前段回收部內裝有將溶液噴霧的噴嘴和攪拌煙霧的風扇、以及使煙霧振動的振動器，可以高效地凝集煙霧。另外，還可以內裝兩個用于凝集煙霧的裝置，從而高效地使煙霧凝集。
吸附回收部9、49、59、69使在前段回收部8、48、58、68中煙霧成分分離后的運送氣體中殘存的煙霧成分吸附在吸附劑15、415、515、615上并回收。吸附回收部9、49、59、69通過使含有煙霧成分的運送氣體與吸附劑15、415、515、615接觸、從而使煙霧成分吸附在吸附劑15、415、515、615上的吸附工序；和將在吸附工序中被吸附劑15、415、515、615吸附的煙霧成分從吸附劑15、415、515、615上分離回收的分離工序，由此將煙霧成分從運送氣體中分離。另外，吸附回收部9、49、59、69使分離工序的壓力低于吸附工序的壓力，從而從運送氣體中將煙霧成分分離。即，吸附回收部9、49、59、69使從吸附劑15、415、515、615上分離煙霧成分的壓力小于使運送氣體與吸附劑15、415、515、615接觸以吸附煙霧成分的壓力，從而從運送氣體中分離煙霧成分。
使分離工序的壓力低于吸附工序的壓力的原因在于，吸附劑15、415、515、615的吸附量隨著壓力而改變。圖8為表示吸附劑吸附煙霧成分的吸附量在壓力和溫度下發(fā)生改變的傾向的曲線圖。吸附劑吸附煙霧成分的特性隨著吸附劑的種類、目標物質的煙霧成分的種類的不同而不同，通常具有該曲線圖所示的傾向。即，吸附劑的吸附量在相同溫度下具有壓力變高則增加、壓力降低則減少的傾向。另外，吸附劑的吸附量在相同壓力下具有溫度增高則減少、溫度增高則增加的傾向。本發(fā)明的超聲波分離方法和裝置利用該特性高效地分離運送氣體所含的煙霧成分并回收。即，通過使分離工序的壓力低于吸附工序的壓力，在吸附工序中使大量的煙霧成分吸附在吸附劑上，在分離工序中減少能夠吸附在吸附劑上的煙霧成分的量，從而將煙霧成分從吸附劑上分離并回收。
吸附回收部9、49、59、69具備填充吸附劑15、415、515、615的密閉室16、416、516、616，控制運送氣體流入到該密閉室16、416、516、616或者從密閉室16、416、516、616中排出的開關閥18、418、518、618，與密閉室16、416、516、616連接并從密閉室16、416、516、616排氣的真空泵17、417、517、617。
密閉室16、416、516、616是封閉的腔，在內部填充有吸附劑15、415、515、615。吸附劑15、415、515、615例如可以使用沸石、活性炭、氧化鋰、硅膠中的任一種或者它們的混合物。密閉室16、416、516、616介由移送通道6、46、56、66與前段回收部8、48、58、68的排出側連接，使從前段回收部8、48、58、68流入的運送氣體通過吸附劑15、415、515、615，從而使運送氣體中含有的煙霧成分吸附在吸附劑15、415、515、615上。另外，圖3和圖6所示的密閉室16、616介由移送通道6、66將運送氣體的排出側與超聲波霧化室4、64連接，圖4的密閉室416介由運送氣體的排出側向大氣中開放。連接密閉室16、416、516、616的流入側和排出側的移送通道6、46、56、66上設置有開關閥18、418、518、618。吸附回收部9、49、59、69在打開開關閥18、418、518、618的狀態(tài)下將含有煙霧成分的運送氣體供給至密閉室16、416、516、616中，使運送氣體所含的煙霧成分吸附在吸附劑15、415、515、615上。
另外，圖示的密閉室16、416、516、616介由吸引通道19、419、519、619將運送氣體的排出側與真空泵17、417、517、617連接。真空泵17、417、517、617從密閉室16、416、516、616強制性地排氣，將密閉室16、416、516、616減壓。吸附劑15、415、515、615如果被減壓，則可以吸附的煙霧成分變少，因此不能吸附的煙霧成分從吸附劑15、415、515、615被分離而排出。吸引密閉室16、416、516、616的真空泵17、417、517、617將從吸附劑15、415、515、615分離的煙霧成分從吸附劑15、415、515、615上分離并進行排氣。被真空泵17、417、517、617吸引的氣體被冷卻器21、421、521、621冷卻。在密閉室16、416、516、616和真空泵17、417、517、617之間介由吸引閥20、420、520、620連接有冷卻器21、421、521、621。被真空泵17、417、517、617吸引且從密閉室16、416、516、616中排出的氣體流入到冷卻器21、421、521、621中。冷卻器21、421、521、621將從密閉室16、416、516、616的吸附劑15、415、515、615上分離排出的吸引氣體冷卻，從而將含有的煙霧成分凝結或者凝集，以液體的形式回收。
超聲波分離裝置雖未圖示，但還可以利用一個冷卻用冷風裝置來冷卻將回收氣體冷卻的冷卻器和將運送氣體冷卻的前段回收部的冷卻器。該結構可以利用一個冷卻用冷風裝置來冷卻兩個冷卻器，因此可以簡化整體結構。
圖5所示的超聲波分離裝置在前段回收部58和吸附回收部59之間配置有鼓風機56。該超聲波分離裝置在加壓狀態(tài)下將通過鼓風機56循環(huán)的運送氣體供給至吸附回收部59。鼓風機56例如可以將加壓至高于大氣壓的運送氣體供給至吸附回收部59。使供給到吸附回收部59的運送氣體成為加壓狀態(tài)的超聲波分離裝置具有可以增加吸附工序的吸附劑515的吸附量的優(yōu)點。因此，可以更高效地從運送氣體中分離煙霧成分。但是，吸附回收部還可以分別控制與密閉室的吸入側連接的開關閥、和與密閉室的排出側連接的開關閥，從而調整供給至密閉室的運送氣體的壓力。而且，超聲波分離裝置并非一定使所供給的運送氣體成為高于大氣壓的高壓，還可以是大氣壓。
另外，圖示的吸附回收部9、419、519、619具備由第1密閉室16A、416A、516A、616A和第2密閉室16B、416B、516B、616B構成的一對密閉室16、416、516、616。該結構的吸附回收部9、49、59、69具有可以一邊在吸附工序和分離工序之間切換一對密閉室16、416、516、616、一邊在一對密閉室16、416、516、616中高效地將煙霧成分分離的優(yōu)點。該結構的吸附回收部9、49、59、69如下所示從運送氣體中分離煙霧成分。
(1)打開第1密閉室16A、416A、516A、616A的開關閥18、418、518、618，關閉第2密閉室16B、416B、516B、616B的開關閥18、418、518、618和第1密閉室16A、416A、516A、616A的吸引閥20、420、520、620。在此狀態(tài)下，由前段回收部8、48、58、68供給的運送氣體流入到第1密閉室16A、416A、516A、616A中，吸附在填充于第1密閉室16A、416A、516A、616A中的吸附劑15、415、515、615上。
(2)經過規(guī)定時間后，關閉第1密閉室16A、416A、516A、616A的開關閥18、418、518、618和第2密閉室16B、416B、516B、616B的吸引閥20、420、520、620，打開第2密閉室16B、416B、516B、616B的開關閥18、418、518、618。在此狀態(tài)下，由前段回收部8、48、58、68供給的運送氣體不流入到第1密閉室16A、416A、516A、616A中，而是流入到第2密閉室16B、416B、516B、616B中，吸附在填充于第2密閉室16B、416B、516B、616B中的吸附劑15、415、515、615上。
(3)打開第1密閉室16A、416A、516A、616A的吸引閥20、420、520、620，利用真空泵17、417、517、617從第1密閉室16A、416A、516A、616A排氣。第1密閉室16A、416A、516A、616A被減壓，煙霧成分從吸附劑15、415、515、615上被分離。
(4)從第1密閉室16A、416A、516A、616A的吸附劑15、415、515、615上分離的煙霧成分從第1密閉室16A、416A、516A、616A排出，流入到冷卻器21、421、521、621中，被冷卻器21、421、521、621冷卻而凝結、凝集并回收。
(5)經過規(guī)定時間后，打開第1密閉室16A、416A、516A、616A的開關閥18、418、518、618，關閉第2密閉室16B、416B、516B、616B的開關閥18、418、518、618和第1密閉室16A、416A、516A、616A的吸引閥20、420、520、620。在此狀態(tài)下，由前段回收部8、48、58、68供給的運送氣體不流入到第2密閉室16B、416B、516B、616B中，而是流入到第1密閉室16A、416A、516A、616A中，吸附在填充于第1密閉室16A、416A、516A、616A中的吸附劑15、415、515、615上。
(6)打開第2密閉室16B、416B、516B、616B的吸引閥20、420、520、620，利用真空泵17、417、517、617從第2密閉室16B、416B、516B、616B排氣。第2密閉室16B、416B、516B、616B被減壓，煙霧成分從吸附劑15、415、515、615上被分離。
(7)從第2密閉室16B、416B、516B、616B的吸附劑15、415、515、615上分離的煙霧成分從第2密閉室16B、416B、516B、616B排出，流入到冷卻器21、421、521、621中，被冷卻器21、421、521、621冷卻而凝結、凝集并回收。
(8)反復(2)～(7)的工序，即交替開關開關閥18、418、518、618，在-對密閉室16、416、516、616內將煙霧成分從運送氣體中分離。
另外，吸附回收部9、49、59、69可以使吸附工序的吸附劑溫度低于分離工序的吸附劑溫度，從而更高效地回收運送氣體的煙霧成分。其原因如上所述，是由于吸附劑的吸附量隨溫度而改變。吸附回收部例如可以在吸附工序中冷卻吸附劑以增加吸附量。
如圖3～圖5所示，將前段回收部8、48、58作為冷卻器12、412、512的回收部5、45、55在運送氣體通過冷卻器12、412、512時使其冷卻，因此通過前段回收部8、48、58后流入到吸附回收部9、49、59的運送氣體被冷卻器12、412、512冷卻。供給冷卻過的運送氣體的密閉室16、416、516通過該運送氣體將吸附劑15、415、515冷卻，因此吸附工序的煙霧成分的吸附量增加，大量地吸附運送氣體所含的煙霧成分?；厥詹窟€可以將冷卻吸附劑的溫度控制部設置在吸附回收部上，通過該溫度控制部冷卻吸附劑。該溫度控制部例如為冷卻器，設置在密閉室的內部來冷卻吸附劑。冷卻器例如還可以使用冷卻用熱交換器或電子冷卻器。
另外，吸附回收部在分離工序中還可以加熱吸附劑。被加熱的吸附劑由于可以吸附的煙霧成分的量減少，因此可以高效地分離所吸附的煙霧成分。該吸附回收部雖未圖示，但具有加熱吸附劑的溫度控制部。該溫度控制部例如為加熱器，配置在密閉室的內部來加熱吸附劑。加熱器可以使用加熱用熱交換器或加熱器。
另外，圖6的吸附回收部69為了控制填充在密閉室616內的吸附劑615的溫度，具有溫度控制部622。該溫度控制部622的結構為可以對填充在密閉室616內的吸附劑615進行冷卻和加熱。該溫度控制部622示于圖9中。
該圖所示的溫度控制部622具備配置在各密閉室616中的熱交換器623、在一個密閉室616的熱交換器623中循環(huán)熱水的加熱機構624、在另一個密閉室616中循環(huán)冷水的冷卻機構625、切換在各密閉室616中循環(huán)的熱水和冷水的控制閥627、對加熱機構624的熱水罐628進行加熱、同時對冷卻機構625的冷水罐629進行冷卻的冷凍循環(huán)626。
熱交換器623配置在密閉室616的內部。熱交換器623在內部循環(huán)有熱水的狀態(tài)下加熱吸附劑615，在內部循環(huán)有冷水的狀態(tài)下冷卻吸附劑615。加熱機構624是在熱水罐628的內部配置有冷凍循環(huán)626的放熱器631，使被放熱器加熱的熱水在循環(huán)路中循環(huán)，從而加熱密閉室616。冷卻機構625是在冷水罐629的內部配置有冷凍循環(huán)626的吸熱器633，使被吸熱器冷卻的冷水在循環(huán)路中循環(huán)，從而冷卻密閉室616。加熱機構和冷卻機構還可以循環(huán)水以外的制冷劑。
冷凍循環(huán)626具備對氣化了的制冷劑進行加壓的壓縮機630、使被該壓縮機630加壓了的制冷劑液化的放熱器631、利用被液化的制冷劑的氣化熱強制地冷卻的吸熱器633、連接在放熱器631和吸熱器633之間的膨脹閥632。膨脹閥632使加壓、冷卻而液化了的制冷劑在吸熱器633的內部絕熱膨脹，利用制冷劑的氣化熱強制地冷卻吸熱器633。該冷凍循環(huán)626按照使放熱器63 1和吸熱器632的溫度為設定溫度的方式來調整膨脹閥632的張開程度和壓縮機630的輸出功率。
以上結構的溫度控制部622通過切換控制閥627、使熱水在一個密閉室616的熱交換器623中循環(huán)以進行加熱，使冷水在另一個密閉室616的熱交換器623中循環(huán)以進行冷卻。該結構的溫度控制部622可以通過一個冷卻循環(huán)626對一對密閉室616進行加熱和冷卻，因此可以高效地對填充于一對密閉室616中的吸附劑615進行溫度控制。具備一對密閉室616的吸附回收部69的一個密閉室616處于吸附工序的狀態(tài)下，另一個密閉室616處于分離工序。因此，該溫度控制部622可以冷卻處于吸附工序的密閉室616以高效地使煙霧成分吸附在吸附劑615上，同時可以加熱處于分離工序的密閉室616以高效地分離吸附在吸附劑615上的煙霧成分。
另外，溫度控制部622加熱吸附劑615的吸附回收部69由于可以將由吸附回收部69循環(huán)至超聲波霧化室64中的運送氣體加熱，因此具有可以在超聲波霧化室64中高效地產生煙霧的優(yōu)點。這是由于超聲波霧化室64中溶液霧化為煙霧的程度隨著溶液和運送氣體的溫度而改變，如果運送氣體和溶液的溫度增高，則煙霧的產生量增加。溫度控制部622將運送氣體加熱至25～30℃。溫度控制部622還可以將運送氣體加熱至15～40℃后供給至超聲波霧化室64中。供給至超聲波霧化室64的運送氣體的溫度如果增高，則煙霧的產生量增多，但如果溫度過高，則會使乙醇等目標物質變質。相反，如果溫度低，則有將目標物質制成煙霧的效率降低的傾向。
本發(fā)明的溶液的超聲波分離方法和裝置可以用于在如從低濃度的乙醇中分離出高濃度的乙醇那樣的從含有2種以上物質的混合物中分離出特定物質的濃度高的高濃度溶液、或者分離出溶液中所含的目標物質。
權利要求
1.一種溶液的超聲波分離方法，其包括在超聲波霧化室(4)中使溶液發(fā)生超聲波振動，在運送氣體中霧化成煙霧，將含有霧化了的煙霧的運送氣體移送到回收部(5)，在回收部(5)中，將從溶液變?yōu)闊熿F而被霧化了的煙霧成分從運送氣體中分離并回收，其中，在回收部(5)中，通過吸附工序和分離工序將煙霧成分從運送氣體中分離，同時使分離工序的壓力低于吸附工序的壓力，將煙霧成分從運送氣體中分離；所述吸附工序為使含有煙霧成分的運送氣體與吸附劑(15)接觸而使煙霧成分吸附在吸附劑(15)上，所述分離工序為將在吸附工序中吸附在吸附劑(15)上的煙霧成分從吸附劑(15)上分離并回收。
2.權利要求1所述的溶液的超聲波分離方法，其中，在回收部(5)中，利用冷卻器(12)對運送氣體進行冷卻而分離煙霧成分后，使運送氣體與吸附劑(15)接觸，從而使煙霧成分吸附在吸附劑(15)上。
3.權利要求1所述的溶液的超聲波分離方法，其中，在分離工序中，將吸附劑(15)配置在密閉室(16)中，利用真空泵(17)將該密閉室(16)的運送氣體排氣，使密閉室(16)的壓力減壓至小于大氣壓，從而將煙霧成分從吸附劑(15)上分離。
4.權利要求3所述的溶液的超聲波分離方法，其中，在吸附工序中，將吸附劑(15)配置在大氣壓的密閉室(16)中，使運送氣體的煙霧成分吸附在吸附劑(15)上。
5.權利要求1或3所述的溶液的超聲波分離方法，其中，在吸附工序中，將吸附劑(15)配置在被加壓至高于大氣壓的密閉室(16)中，使運送氣體的煙霧成分吸附在吸附劑(15)上。
6.權利要求1所述的溶液的超聲波分離方法，其中，使吸附工序的吸附劑(15)的溫度低于分離工序的吸附劑(15)的溫度。
7.一種溶液的超聲波分離裝置，其具備被供給溶液的超聲波霧化室(4)、利用超聲波振動將該超聲波霧化室(4)的溶液在運送氣體中霧化成煙霧并使其飛散的超聲波振子(2)、與該超聲波振子(2)連接并向超聲波振子(2)供給高頻電力以使其發(fā)生超聲波振動的超聲波電源(3)、使被超聲波振子(2)霧化后由運送氣體移送的煙霧成分吸附在吸附劑(15)上以從運送氣體中分離的回收部(5)；其中，回收部(5)具備使運送氣體與吸附劑(15)接觸以使運送氣體中所含的煙霧成分吸附在吸附劑(15)上、將吸附了的煙霧成分從吸附劑(15)上分離、從而從運送氣體中分離煙霧成分的吸附回收部(9)；該吸收回收部(9)使從吸附劑(15)上分離煙霧成分的壓力低于使運送氣體與吸附劑(15)接觸以吸附煙霧成分的壓力，從而從運送氣體中分離煙霧成分。
8.權利要求7所述的溶液的超聲波分離裝置，其中，回收部(5)具備對運送氣體進行冷卻并回收煙霧成分的前段回收部(8)，通過該前段回收部(8)，將分離了煙霧成分的運送氣體供給至吸附回收部(9)。
9.權利要求7所述的溶液的超聲波分離裝置，其中，吸附回收部(9)中，在密閉室(16)中填充有吸附劑(15)，并使真空泵(17)與該密閉室(16)連接，真空泵(17)從密閉室(16)排氣，從而從吸附劑(15)上分離煙霧成分。
10.權利要求9所述的溶液的超聲波分離裝置，其中，密閉室(16)介由開關閥(18)與超聲波霧化室(4)連接，打開開關閥(18)以將含有煙霧成分的運送氣體由超聲波霧化室(4)供給至密閉室(16)中，使煙霧成分吸附在吸附劑(15)上，打開開關閥(18)以將密閉室(16)減壓，從而從吸附劑(15)上分離煙霧成分。
11.權利要求10所述的溶液的超聲波分離裝置，其中，在一對密閉室(16)內填充吸附劑(15)，一對密閉室(16)介由開關閥(18)與超聲波霧化室(4)連接，打開一個開關閥(18)以將含有煙霧成分的運送氣體供給至密閉室(16)中，關閉另一個開關閥(18)以從密閉室(16)排氣并將煙霧成分從吸附劑(15)上分離，交替開關開關閥(18)以將煙霧成分從運送氣體中分離。
12.權利要求7所述的溶液的超聲波分離裝置，其中，吸附回收部(9)具備溫度控制部(22)，溫度控制部(22)將吸附運送氣體的煙霧成分的吸附劑(15)的溫度控制在低于分離煙霧成分的吸附劑(15)的溫度。
13.權利要求7所述的溶液的超聲波分離裝置，其特征在于，吸附劑(15)為沸石、活性炭、氧化鋰、硅膠中的任一種或者它們的混合物。
全文摘要
溶液的超聲波分離方法是在超聲波霧化室(4)中使溶液發(fā)生超聲波振動，在運送氣體中霧化成煙霧，將含有霧化了的煙霧的運送氣體移送至回收部(5)，在回收部(5)中，將從溶液變?yōu)闊熿F而被霧化了的煙霧成分從運送氣體中分離并回收。超聲波分離方法通過在回收部(5)中使含有煙霧成分的運送氣體與吸附劑(15)接觸而使煙霧成分吸附在吸附劑(15)上的吸附工序、和將在吸附工序中吸附在吸附劑(15)上的煙霧成分從吸附劑(15)上分離并回收的分離工序，由此將煙霧成分從運送氣體中分離，同時使分離工序的壓力低于吸附工序的壓力，從運送氣體中分離煙霧成分。
文檔編號C12G3/12GK101094711SQ20058004545
公開日2007年12月26日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權日2004年12月29日
發(fā)明者松浦一雄 申請人:超音波釀造所有限會社