多重効用蒸留

水の淡水化
方法
蒸留 多段フラッシュ蒸留（MSF） 多重効用蒸留（MED） 蒸気圧縮（VC） イオン交換 膜プロセス 電気透析逆転（EDR） 逆浸透（RO） ナノ濾過（NF） 膜蒸留（MD） 順浸透（FO） 凍結脱塩 地熱淡水化 太陽光淡水化 太陽熱加湿・除湿（HDH） 多重効果加湿（MEH） 海水温室 メタンハイドレートの結晶化 高品質の水のリサイクル 波力発電による淡水化

多重効用蒸留（MED）は、海水淡水化によく用いられる蒸留プロセスです。複数の段階、すなわち「効用」から構成されています。各段階では、供給水は管内の蒸気によって加熱されます。通常は、管に塩水を噴霧することで加熱されます。水の一部は蒸発し、この蒸気は次の段階（効用）の管に流れ込み、さらに水を加熱・蒸発させます。各段階では、基本的に前の段階のエネルギーを再利用し、段階が進むごとに温度と圧力が徐々に低下します。順方向供給、逆方向供給など、様々な構成があります。^[1]さらに、各段階の間では、この蒸気は流入する塩水を予熱するためにいくらかの熱を使用します。^[2]

運営原則

多重効用淡水化プラントの概略図。最上部が第一段です。ピンク色の部分は蒸​​気、薄い青色の部分は液体の給水です。濃い青緑色はコンデンセートです。給水が第一段以外の段にどのように流入するかは示されていません。F - 給水入口。S - 加熱蒸気入口。C - 加熱蒸気出口。W - 淡水（コンデンセート）出口。R - 塩水出口。O - 冷却水入口。P - 冷却水出口。VCは最終段の冷却器です。

このプラントは、一端に熱源、他端にヒートシンクがあり、チューブの壁で区切られた一連の閉空間として考えることができます。各空間は、ステージnのチューブの外部とステージn +1のチューブの内部という、2 つの連通するサブスペースで構成されます。各空間は前の空間よりも温度と圧力が低く、チューブの壁の温度は両側の流体の温度の中間になります。空間内の圧力は、両方のサブスペースの壁の温度と平衡になることはできません。中間の圧力があります。すると、最初のサブスペースでは圧力が低すぎるか温度が高すぎるため、水が蒸発します。2 番目のサブスペースでは、圧力が高すぎるか温度が低すぎるため、蒸気が凝縮します。これにより、蒸発エネルギーは、より暖かい最初のサブスペースからより冷たい 2 番目のサブスペースに運ばれます。2 番目のサブスペースでは、エネルギーは伝導によってチューブの壁を通って次のより冷たい空間に流れます。

トレードオフ

チューブ内の金属が薄く、チューブ壁の両側の液体層が薄いほど、空間から空間へのエネルギー輸送効率は向上します。熱源と熱シンクの間に段を増やすと、空間間の温度差が小さくなり、チューブの単位面積あたりの熱輸送量が大幅に減少します。供給されたエネルギーはより多くの水を蒸発させるために再利用されますが、そのプロセスにはより長い時間がかかります。段ごとに蒸留される水の量は、エネルギー輸送量に正比例します。^[3]輸送速度が遅くなると、設置コストの増加を犠牲にして、段あたりの表面積、つまりチューブの数と長さを増やすことができます。

各段の底部に集められた塩水は、次段の作動温度と圧力に近いか、わずかに高い適切な温度と圧力を持っているため、次段の管に噴霧することができます。この塩水の一部は、次段に放出される際に、元の段よりも低い圧力で蒸気に変化します。

第一段と最終段はそれぞれ外部からの加熱と冷却を必要とします。最終段から除去される熱量は、第一段に供給される熱量とほぼ等しくなければなりません。海水淡水化の場合、スケール形成を防ぐため、最も高温となる第一段であっても通常は70～75℃未満の温度で運転されます。^[4]

最も圧力の低い段では、管壁を横切る同じエネルギー輸送量を達成するために、比較的大きな表面積が必要になります。この表面積を確保するための費用は、後段で非常に低い圧力と温度を使用することの有用性を制限します。給水中に溶解したガスが段内に蓄積されると、圧力差の低減に寄与する可能性があります。

第一段には外部給水が必要です。第一段の管は、外部の蒸気源またはその他の熱源によって加熱されます。

全段の全ての管から排出される凝縮水（淡水）は、各段の圧力から大気圧までポンプで排出する必要があります。最終段の底部に溜まった塩水は、大気圧よりも大幅に低い圧力であるため、ポンプで排出する必要があります。

利点

• 他の熱処理プロセスに比べてエネルギー消費量が少ない^[2]
• 腐食やスケールの発生を防ぐため、低温（< 70 °C）および低濃度（< 1.5）で動作します。
• 海水の前処理が不要で、海水条件の変化にも耐えます。
• 信頼性が高く、操作が簡単
• メンテナンスコストが低い
• 最小限の監視で24時間連続稼働
• 温水、発電廃熱、工業プロセス、太陽熱など、あらゆる熱源に適応できます。
• 高純度の蒸留液を安定的に生産します。

デメリット

• スプレー蒸発時のスケール問題により、高温熱源には対応していません。
• 複雑で必要な部品の数が多いため、小さなサイズに縮小することが困難です。

参照

• 多重効用蒸発器
• 多段フラッシュ蒸留

参考文献

1. Panagopoulos, Argyris (2019). 「ゼロ液体排出／多重効果淡水化／熱蒸気圧縮（ZLD/MED/TVC）システムのプロセスシミュレーションと技術経済評価」. International Journal of Energy Research . 44 : 473–495 . doi : 10.1002/er.4948 . ISSN  1099-114X.
2. Warsinger, David M.; Mistry, Karan H.; Nayar, Kishor G.; Chung, Hyung Won; Lienhard V, John H. (2015). 「可変温度廃熱を利用した脱塩エントロピー生成」. Entropy . 17 (11): 7530– 7566. Bibcode :2015Entrp..17.7530W. doi : 10.3390/e17117530 . hdl : 1721.1/100423 .
3. 「国連のSDG目標への支援：ニュージーランドと太平洋諸島のコミュニティ支援」Bluemont NZ 2025年10月14日. 2025年11月2日閲覧。
4. Panagopoulos, Argyris; Haralambous, Katherine-Joanne; Loizidou, Maria (2019-11-25). 「脱塩ブライン処理方法と処理技術 - レビュー」. Science of the Total Environment . 693 : 133545. Bibcode :2019ScTEn.693m3545P. doi :10.1016/j.scitotenv.2019.07.351. ISSN  0048-9697. PMID  31374511. S2CID  199387639.