JP4870165B2 - 膜蒸留プロセスおよび膜蒸留装置 - Google Patents
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Description
本発明は、被濃縮液体が、蒸気透過性の液密膜または液密膜壁あるいは水密膜または水密膜壁によって、蒸気空間から分離される膜蒸留プロセスに関する。さらに、本発明は、請求項１２の前提部分に記載の膜蒸留装置に関する。
蒸留中に、液体は蒸発し、蒸気は凝縮する。蒸留は、異なる蒸気圧を有する液体の分離に適すると共に、液体を塩溶液から完全にまたは部分的に分離するのに適する。
蒸留装置は、利便性、実現性、および実施性の観点から、十分に安価で、かつエネルギー効率が良好でなければならない。これらの両方の条件が満たされたときにのみ、蒸留プロセスは、有効性を発揮することができる。
多重効用緩和蒸発または多段緩和蒸発（多段フラッシュＭＳＦ）のような従来の熱蒸留プロセスまたは蒸気圧縮プロセス（蒸気圧縮ＶＲ）のような熱機械的プロセスでは、被濃縮液体および蒸気は、１つの空間内において本質的に同一の絶対圧下にある。
膜蒸留プロセスでは、被濃縮液体の少なくとも片側が、蒸気透過性の液密膜によって囲まれている。この膜壁に続いて、被濃縮液体の圧力よりも低い蒸気圧下にある蒸気空間が配置されている。圧力差によって、蒸気が、膜によって濃縮される被濃縮液体の境界面に生じ、膜を通過する。
周知の膜蒸留プロセスでは、蒸気は、隣接する低温の凝縮物において液体から離れた膜の側で凝縮するか、蒸気空間内の低温面に凝縮するか、または吸い出されて、外部で凝集する。
膜蒸留では、多孔性の蒸気透過性材料が用いられる。米国特許第３，３４０，１８６号明細書では、空気充填式微孔性疎水膜を用いる装置が記載されている。ここに記載される方法は、直接接触膜蒸留に基づく。海水の暖かい流れおよび蒸留物の冷えた流れが、膜と直接接触する。
欧州特許出願公開第００８８３１５Ａ号明細書では、高温塩含有溶液または異なる蒸気圧を有する液体混合物を連続的に蒸留する装置が記載されている。
この装置は、細長壁をなす熱伝導性蒸気不透過層および反対側に配置された隣接壁をなす疎水性の蒸気透過膜から構成される。蒸気透過膜は、蒸気不透過層と一緒に、細長の蒸留物捕集チャンバまたは通路を形成する。捕集チャンバは、蒸留物用出口を有する。この膜蒸留の好ましい実施形態では、螺旋コイル構造が用いられている。冷海水または冷給水が、螺旋状チャンバ内の中央に流れ、これによって、凝縮面から熱を吸収する。蒸留物の凝縮プロセスによって予熱された給水は、加熱システムによってさらに加熱され、次いで、濃縮通路内に導かれる。高温溶液は、膜によって囲まれた通路を通って外方に流れる。濃縮通路を通流しているときに、高温溶液の一部が膜を通って蒸発する。
欧州特許出願公開第１８３５３５６Ａ１号明細書では、膜蒸留によって液体を浄化するプロセスが記載されている。ここでは、蒸気が、液体流から生じ、液体流を囲む多孔壁を通過する。蒸気は、冷えた凝縮器面で凝縮し、これによって、凝縮物の流れが生じる。凝縮器面は、供給される液体流を蒸留物の流れから隔離している。この供給される液体流は、液体流を生じる蒸気に対して向流として流れる。蒸留物の流れを大きくするために、ガス通路内の圧力が、環境圧未満であって、蒸気を生じる蒸気圧を超えるように保持される。
しかし、周知の膜蒸留プロセスは、それらのプロセスに関連して生じる一連の問題を有する。
蒸気空間を用いる全ての周知の膜蒸留プロセスでは、この蒸気空間は、蒸気透過性水密膜によって被濃縮液体から分離されている。その結果として、全ての周知の膜蒸留プロセスは、蒸気空間、および蒸気透過性液密膜によって囲まれた被濃縮液体を含む空間が、異なる絶対圧下にある状況に置かれる。
蒸気空間が環境圧の範囲内の圧力下にある膜蒸留プロセスでは、溶液は、環境圧を越える圧力レベルにあり、この圧力レベルは、静圧および流体圧損失によって決定される。その結果、被蒸発液体を含む空間と蒸気透過性液密膜によって分離された蒸気を含む空間との間に絶対圧差が生じる。
蒸気空間が環境圧未満の圧力レベルにある膜蒸留プロセスでは、被濃縮液体を含む空間と蒸気透過性液密膜によって分離された蒸気を含む空間との間の絶対圧差は、負圧によって大きくなる。
多くの用途では加熱された被濃縮液体による蒸気透過性液密膜の温度負荷とも関連する被濃縮液体を含む空間と蒸気空間との間のこの圧力差によって、大きな機械的負荷および大きな熱負荷が液密膜に加えられる。その結果、主にプラスチックからなる液密膜の寿命が大幅に短縮される。
熱伝達が凝縮およびそれに続く蒸発によって本質的に生じる膜蒸留プロセスでは、さらに他の問題が生じる。もし熱伝達が、具体的に、片側が蒸気透過性液密膜によって囲まれ、他の側が気密／液密凝縮面によって囲まれた液体空間を通して生じる場合、本質的に凝縮および蒸発に関連する液体内における熱伝導のみによって、極めて少量の熱が伝達されるにすぎない。沸騰が被濃縮液体を含む空間内において生じ得るときにしか、凝縮の熱に匹敵する熱量がこの空間内に伝達されない。
本発明は、前述の問題を解消することができる冒頭に述べた種類の改良されたプロセスおよび改良された装置を提供する目的に基づいて、なされたものである。
プロセスに関連して、上記の目的は、被濃縮液体の絶対圧を設定するために、負圧が被濃縮液体に与えられ、これによって、被濃縮液体の絶対圧を低下させることによって達成される。
これに関連して、被濃縮液体の圧力は、好ましくは、蒸留プロセスの負圧まで低下される。
蒸留プロセスの負圧領域内に入り、負圧領域から出る液体は、有利には、環境圧から遮断される。
本発明のプロセスの好ましい具体的実施形態によれば、被濃縮液体の絶対圧は、被濃縮液体の温度に対応する沸騰蒸気圧以下に低下される。
負圧は、好都合には、真空システムから延びる負圧管路を介して、被濃縮液体に与えられる。
液体が、膜蒸留プロセスの絶対圧と環境圧との間の圧力差が保持されるようにして、膜蒸留プロセスに供給され、かつ膜蒸留プロセスから導出されると、特に有利である。
負圧接続管路は、好ましくは、蒸気空間内への被濃縮液体の溢流が阻止されるように、被濃縮液体から隔離される。
本発明のプロセスの好ましい実施形態によれば、膜または膜壁を介して被濃縮液体に隣接する蒸気空間内の圧力は、環境圧よりも小さくなるように選択される。これに関連して、蒸気空間内の負圧は、好ましくは、膜または膜壁を通る蒸気の流れに起因する圧力差によって増大した、膜または膜壁を介して隣接する被濃縮液体の蒸気圧に、本質的に対応する。
少なくとも２つのステージにおいて、凝縮および蒸発が生じると、特に有利である。
従って、ステージの数が膜蒸留システムのエネルギー要件に影響を与えること、ステージの数が大きくなるにつれて、後続する各ステージにおいて新たに凝縮および蒸発が生じるので、この膜蒸留システムのエネルギー要件が低減されるという状況が、考えられる。
後続のステージでは、先行するステージにおけるよりも低い圧力レベルおよび低い温度レベルで、凝縮および蒸発が生じる。
従って、本発明のプロセスによれば、特に、蒸気の圧力および液体の圧力が互いに適合される。さらに、被濃縮液体の熱伝達が改良される。被濃縮液体を含む空間の絶対圧は、蒸気を含む空間の絶対圧と少なくとも実質的に等しいかまたは略等しくされる。
これに関連して、本プロセスは、特に、
（ａ）負圧を被濃縮液体に与え、これによって、被濃縮液体の絶対圧を低下させ、
（ｂ）被濃縮液体の圧力を負圧、特に、蒸留プロセスの負圧に低下させ、
（ｃ）蒸留プロセスの負圧領域内に入り、負圧領域から出る液体を環境圧から遮断し、および／または
（ｄ）液体の絶対圧を、特に、液体の温度に対応する沸騰蒸気圧以下に低下させる、
ように設計される。
（ａ）負圧を被濃縮液体に与え、これによって、被濃縮液体の絶対圧を低下させ、
（ｂ）被濃縮液体の圧力を負圧、特に、蒸留プロセスの負圧に低下させ、
（ｃ）蒸留プロセスの負圧領域内に入り、負圧領域から出る液体を環境圧から遮断し、および／または
（ｄ）液体の絶対圧を、特に、液体の温度に対応する沸騰蒸気圧以下に低下させる、
ように設計される。
膜蒸留プロセス内に入る液体の絶対圧は、特に、関連する膜蒸留装置内の圧力に本質的に対応するように設定されてもよい。
蒸気空間を有する膜蒸留プロセスでは、被濃縮液体の絶対圧は、蒸気空間の絶対圧に本質的に対応するように設定されてもよい。
また、周知のプロセスと関連する問題を、例えば、以下のステップによって、解消することができる。
すなわち、膜蒸留プロセス内に入る被濃縮液体流を、膜蒸留プロセスの蒸気空間の絶対圧と本質的に同一の圧力下にあるように設定するステップ、被濃縮液体およびその被濃縮液体から生じた凝縮物も、同様に、蒸気空間の圧力と実質的に同一の圧力下にあるように設定するステップ、および膜蒸留プロセスから導出される液体を、膜蒸留プロセスから出た後、再び、環境圧に戻すステップである。
例えば、被濃縮液体を螺旋状の液体通路において少なくとも部分的に案内することができる。この螺旋状の液体通路は、その片側が蒸気透過性液密膜によって囲まれ、他の側が気密／液密凝縮面によって囲まれている。液体通路が螺旋状に配置される結果、その螺旋状の巻き部分間に、対応する螺旋状の蒸気空間が形成される。この螺旋状の蒸気空間は、その片側が上記の膜によって囲まれ、他の側が凝縮面によって囲まれている。
この蒸気空間は、膜を介して隣接する被濃縮液体の沸騰蒸気圧と常に実質的に同一またはそれ未満の負圧下であってもよい。被濃縮液体の絶対圧は、本質的に、被濃縮液体の温度に対応する沸騰蒸気圧と実質的に等しい圧力であってもよい。
負圧下にある蒸気空間と被濃縮液体との間の圧力平衡は、例えば、供給される液体と蒸気空間との間の負圧接続管路を介して、達成される。負圧接続管路は、特に、供給される被濃縮液体が蒸気空間内に流れる経路を阻止するように、管路内に組み込まれたＵ字管を備えてもよい。
関連する蒸留装置内の負圧を環境圧から遮断するために、Ｕ字管が、例えば、被濃縮液体が送給ポンプによって供給される管路に組み込まれてもよく、かつ濃縮された液体が濃縮ポンプによって導出される管路に組み込まれてもよい。
蒸留装置の負圧を環境の負圧から遮断するＵ字管は、蒸留装置内に生じた蒸留物が蒸留ポンプによって環境圧内に送り出される管路に組み込まれてもよい。
膜蒸留装置に関連して、前述した目的は、被濃縮液体の絶対圧を設定するために、負圧が被濃縮液体に与えられ、これによって、液体の絶対圧を低下させる本発明によって付随的に解消される。
本発明による膜蒸留装置の好ましい実施形態は、従属請求項に記載される。
膜蒸留装置は、特に、
（ａ）負圧を被濃縮液体に与え、これによって、被濃縮液体の絶対圧を低下させ、
（ｂ）負圧領域内に入る液体を構造的要素によって環境圧から遮断し、
（ｃ）液体の絶対圧を、特に、液体の温度に対応する沸騰蒸気圧以下に低下させ、および／または、
（ｄ）負圧空間内に入った液体を、内蔵構造によって環境圧から遮断して、負圧空間から出ることができる、
ように設計される。
（ａ）負圧を被濃縮液体に与え、これによって、被濃縮液体の絶対圧を低下させ、
（ｂ）負圧領域内に入る液体を構造的要素によって環境圧から遮断し、
（ｃ）液体の絶対圧を、特に、液体の温度に対応する沸騰蒸気圧以下に低下させ、および／または、
（ｄ）負圧空間内に入った液体を、内蔵構造によって環境圧から遮断して、負圧空間から出ることができる、
ように設計される。
例えば、被濃縮液体を螺旋状の液体通路内において少なくとも部分的に案内することができる。この螺旋状の液体通路は、その片側が蒸気透過性液密膜によって囲まれ、他の側が気密／液密凝縮面によって囲まれている。液体通路が螺旋状に配置される結果、その螺旋状の巻き部分間に、対応する螺旋状の蒸気空間が形成される。この螺旋状の蒸気空間は、その片側が上記の膜によって囲まれ、他の側が凝縮面によって囲まれている。
この蒸気空間は、膜を介して隣接する被濃縮液体の沸騰蒸気圧と常に実質的に同一またはそれ未満の負圧下で配置されてもよい。被濃縮液体の絶対圧は、本質的に、被濃縮液体の温度に対応する沸騰蒸気圧と少なくとも実質的に同一の圧力であってもよい。
負圧下にある蒸気空間と被濃縮液体との間の圧力平衡は、例えば、供給される液体と蒸気空間との間の負圧接続管路を介して、達成される。負圧接続管路は、特に、供給される被濃縮液体が蒸気空間内に流れる経路を阻止するように、管路内に組み込まれたＵ字管を備えてもよい。
蒸留装置内の負圧を環境圧から遮断するために、Ｕ字管が、被濃縮液体が送給ポンプによって送給される管路に組み込まれてもよく、かつ濃縮された液体が濃縮ポンプによって導出される管路に組み込まれてもよい。
蒸留装置の負圧を環境の負圧から遮断するＵ字管は、蒸留装置内に生じた蒸留物が、例えば、蒸留ポンプによって環境圧内に送り出される管路に組み込まれてもよい。
以下、実施形態および図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
図１，２，３の実施形態では、負圧が被濃縮液体に与えられ、被濃縮液体の絶対圧を低下させる。これに関連し、被濃縮液体の圧力は、特に、蒸留プロセスの負圧に低減されてもよい。蒸留プロセスの負圧領域に入り、蒸留プロセスの負圧領域から出る液体が、好都合には、環境圧から分離される。被濃縮液体の絶対圧は、特に、被濃縮液体の温度に対応する沸騰蒸気圧以下に低減されてもよい。
これに関連して、液体の絶対圧を低減する負圧が、Ｕ字管を含む接続管路を介して被濃縮液体に与えられる。負圧領域に入り、負圧領域から出る液体が、特に、Ｕ字管によって環境圧から管路内に分離される。被濃縮液体の絶対圧が、特に、被濃縮液体の温度に対応する沸騰蒸気圧以下に低下される。被濃縮液体の絶対圧は、特に、被濃縮液体の温度に対応する沸騰蒸気以下に低下される。
図４の実施形態によれば、液体の絶対圧を低下する負圧が、Ｕ字管を含む接続部を介して、被濃縮液体に加えられる。負圧領域内に入り、負圧領域から出る液体が、特に、管路に形成されたＵ字管によって、環境圧から分離される。
図１は、本発明による膜蒸留装置１０の例示的実施形態を概略的に示している。この装置１０では、蒸気空間１１は、負圧を有し、被濃縮液体２０は、中空フィラメント１２によって囲まれている。中空フィラメント１２の壁は、蒸気透過性液密膜１３によって形成されている。膜蒸留装置１０内を流れる予熱前の被濃縮液体は、液密／気密金属またはプラスチックチューブ１５によって囲まれ、蒸気透過性液密膜からなる中空フィラメント１２と同じ蒸気空間１１内に延びている。
蒸気空間１１は、蒸気透過性液密膜１３を介して隣接する被濃縮液体２０の沸騰蒸気圧の範囲内の負圧下にある。
負圧下の蒸気空間１１と被濃縮液体２０との間の圧力平衡は、被濃縮液体２０と蒸気空間１１との間の負圧接続管路１６によって、得られる。負圧接続管路１６の一部は、供給される被濃縮液体２０が負圧接続管路１６を介して蒸気空間１１に流入するのを避けるために、負圧接続管路１６の一部がＵ字管１７として形成されている。
負圧は、真空ポンプ５０および凝縮器３０によって生成される。負圧は、負圧管路５２を介して蒸気空間１１に与えられる。被濃縮液体２０は、送給ポンプ２１によって、液体管路２２を介して膜蒸留装置１０に供給される。膜蒸留装置１０内の負圧を環境圧から遮断するために、液体管路２２の一部がＵ字管２３として形成されている。濃縮された液体４１は、濃縮ポンプ２４によって、濃縮管路２５を介して膜蒸留装置１０から外に送り出される。膜蒸留装置１０を環境圧から遮断するために、濃縮管路２５の一部がＵ字管２９として設計されている。
膜蒸留装置１０内に生じた蒸留物４０は、蒸留ポンプ２６によって、蒸留管路２７を介して送り出される。膜蒸留装置１０の負圧を環境圧から遮断するために、蒸留管路２７の一部が、Ｕ字管２８として形成されている。
凝縮器３０内に生じる蒸留物が、蒸留ポンプ７０によって、Ｕ字管７２を備える蒸留管路７４を介して送り出される。
液体２０，４１，４２をそれぞれ含む容器６２，６４，６６，７６が、管路２２，２５，２７，７４内に取り付けられている。これらの容器６２，６４，６６，７６は、Ｕ字管２３，２８，２９，７２を有するかまたはＵ字管２３，２８，２９，７２内に位置する液体端末部として、膜蒸留装置１０の管路２２，２５，２７，７４内の負圧を環境圧から遮断する。
被濃縮液体２０は、ＡからＡ’に至る経路における熱交換器６０内においてさらに加熱される。
図２は、本発明による膜蒸留装置１０のさらに他の例示的実施形態の概略図を示している。
膜蒸留装置１０は、ここでは、熱回収機能を含む螺旋コイル構造を備えている。
蒸気空間１１は、蒸気透過性液密膜壁３６を介して分離された隣接する被濃縮液体２０の沸騰蒸気圧の範囲内の負圧下にある。
ここでは、被濃縮液体２０の流路３５は、その片側が蒸気透過性液密膜壁３６によって囲まれ、他の側が気密／液密凝縮壁３７によって囲まれている。螺旋コイル構造の全体を通して、蒸気透過性液密膜壁３６は、蒸気空間１１を横切る方向において次に続く外側螺旋巻き部分をなす気密／液密凝縮壁３７と向き合って配置されている。
負圧は、真空ポンプ５０および凝縮器３０によって生成される。負圧は、負圧管路５２を介して蒸気空間１１に与えられる。
負圧下にある蒸気空間１１と被濃縮液体２０との間の圧力平衡は、供給される液体２０と蒸気空間１１との間の負圧接続管路１６を介して、達成される。
供給される被濃縮液体２０が負圧接続管路１６を介して蒸気空間１１内に流れるのを避けるために、負圧接続管路１６の一部がＵ字管１７として形成されている。
被濃縮液体２０は、送給ポンプ２１によって、液体管路２２を介して膜蒸留装置１０に供給される。膜蒸留装置１０内の負圧を環境圧から遮断するために、液体管路２２の一部がＵ字管２３として形成されている。濃縮された液体４１は、濃縮ポンプ２４によって、濃縮管路２５を介して、膜蒸留装置から送り出される。膜蒸留装置１０を環境圧から遮断するために、濃縮管路２５の一部がＵ字管２９として設計されている。
膜蒸留装置１０内に生じた蒸留物４０は、蒸留ポンプ２６によって、蒸留管路２７を介して送り出される。膜蒸留装置１０を環境圧から遮断するために、蒸留管路２７の一部がＵ字管２８として設計されている。
凝縮器３０内に生じる蒸留物４２は、蒸留ポンプ７０によって、Ｕ字管７２を含む蒸留管路７４を介して送り出される。
液体２０，４１，４２をそれぞれ含む容器６２，６４，６６，７６が、管路２２，２５，２７，７４内に取り付けられている。これらの容器６２，６４，６６，７６は、Ｕ字管２３，２８，２９，７２を有するかまたはＵ字管２３，２８，２９，７２内に位置する液体端末部として、膜蒸留装置１０の管路２２，２５，２７，７４内の負圧を環境圧から遮断する。
図３は、本発明による膜蒸留装置１０のさらに他の例示的実施形態の概略図を示している。
膜蒸留装置１０は、ここでは、熱回収装置を含む二重螺旋コイル構造を備える。これに関連して、金属またはプラスチックからなる２つの互いに隣接する気密／液密凝縮壁３７が流入する被濃縮液体２０用の流路３８を形成する一方、２つの互いに隣接する蒸気透過性液密膜壁３６が濃縮された液体４１用の流路３９を形成している。
互いに隣接する二重螺旋間に、蒸気空間１１が形成される。この蒸気空間１１は、蒸気によって満たされ、凝縮壁３７での蒸気の凝縮によって生じた外方に流れる蒸留物４０が、この蒸気空間１１の底に捕集される。
螺旋コイル構造の全体を通して、蒸気透過性液密膜壁３６は、蒸気空間１１を横切る方向において次に続く外側螺旋巻き部分をなす気密／液密凝縮壁３７と向き合って配置されている。
蒸気空間１１は、蒸気透過性液密膜３６を介して隣接する被濃縮液体２０の沸騰蒸気圧の範囲内の負圧下にある。
負圧は、真空ポンプ５０および凝縮器３０によって、生成される。負圧は、負圧管路５２を介して、蒸気空間１１に与えられる。負圧下にある蒸気空間１１と用いられる液体２０との間の圧力平衡は、供給される被濃縮液体２０と蒸気空間１１との間の負圧接続管路１６を介して、得られる。
供給される被濃縮供給液体２０が接続管路１６を介して蒸気空間１１内に流れるのを避けるために、接続管路１６の一部がＵ字管１７として形成されている。
被濃縮液体２０は、送給ポンプ２１によって、液体管路２２を介して膜蒸留装置１０に供給される。膜蒸留装置１０内の負圧を環境圧から遮断するために、液体管路２２の一部がＵ字管２３として設計されている。濃縮された液体４１は、濃縮ポンプ２４によって、濃縮管路２５を介して膜蒸留装置１０から外に送り出される。膜蒸留装置１０を環境圧から遮断するために、濃縮管路２５の一部がＵ字管２９として設計されている。
膜蒸留装置１０内に生じる蒸留物４０は、蒸留ポンプ２６によって、蒸留管路２７を介して送り出される。膜蒸留装置１０の負圧を環境圧から遮断するために、蒸留管路２７の一部がＵ字管２８として設計されている。
凝縮器３０内に生じる蒸留物４２は、蒸留ポンプ７０によって、Ｕ字管７２を含む蒸留管路７４を介して送り出される。
液体２０，４１，４２をそれぞれ含む容器６２，６４，６６，７６が、管路２２，２５，２７，７４内に取り付けられている。これらの容器６２，６４，６６，７６は、Ｕ字管２３，２８，２９，７２を有するかまたはＵ字管２３，２８，２９，７２内に位置する液体閉鎖部として、膜蒸留装置１０の管路２２，２５，２７，７４内の負圧を環境圧から遮断する。
図４は、本発明による膜蒸留装置のさらに他の例示的実施形態の概略図を示している。
この膜蒸留装置１０は、熱回収機能を含む二重螺旋コイル構造を備える。金属またはプラスチックからなる２つのたがいに隣接する気密／液密凝縮壁３７が流入する被濃縮液体２０用の流路３８を形成する一方、２つの互いに隣接する蒸気透過性液密膜壁３６が濃縮された液体４１用の流路３９を形成する。蒸気空間１１が、互いに隣接する二重螺旋間に形成される。この蒸気空間１１は、蒸気によって満たされ、凝縮壁３７に生じた外方に流れる蒸留物４０が、この蒸気空間１１の底に捕集される。蒸気空間１１が環境圧の範囲内の圧力下にある場合、流体圧および静圧による膜の負荷を負圧システムによって補償しなければならない。
このために、膜蒸留装置１０に真空システム５５が設けられる。真空システム５５は、真空ポンプ５０、および真空ポンプ５０から被濃縮液体２０の液体管路２２まで延びる管路を備える。真空ポンプ５０に繋がる管路６１の一部は、液体２０が負圧によって吸引されないように、Ｕ字管１７として形成されている。
被濃縮液体２０は、送給ポンプ２１によって、液体管路２２を介して膜蒸留装置１０に供給される。液体２０の負圧を環境圧から遮断するために、液体管路２２の一部がＵ字管２３として設計されている。濃縮された液体４１は、濃縮ポンプ２４によって、濃縮管路２５を介して膜蒸留装置１０から外に送り出される。被濃縮液体２０の負圧を環境圧から遮断するために、濃縮管路２５の一部がＵ字管２９として形成されている。
液体２０，４１，４２をそれぞれ含む容器６２，６４が、管路２２，２５内に取り付けられている。これらの容器６２，６４は、Ｕ字管２３，２８を有するかまたはＵ字管２３，２８内に位置する液体閉鎖部として、膜蒸留装置１０の管路２２，２５内の負圧を環境圧から遮断する。
蒸留物４０は、環境圧下にあり、膜蒸留装置１０から自由に流出することができる。
図５は、蒸気発生器８０、第１のステージ８６、第２のステージ９０、および凝縮器３０を有する本発明による膜蒸留装置１０のさらに他の例示的実施形態の概略図を示している。これらの構成部品は、全て、環境圧よりも低い圧力レベル下にある。
蒸気発生器８０の蒸気空間１１の絶対圧は、本質的に、膜壁３６を介して隣接する液体の沸騰蒸気圧である。圧力平衡システム９７によって、蒸気発生器８０内の液体の絶対圧は、蒸気空間１１内の絶対圧に等しくされている。圧力平衡システム９７は、液体管路９４と環境から遮断された容器９９との間に延びる接続管路９８を備え、この接続管路９８は、液体によって部分的に満たされ、容器９９を接続通路８２に繋いでいる。
蒸気発生器８０の蒸気空間１１からの蒸気が、接続通路８２を介して、第１のステージ８６の蒸気空間８１に流入し、蒸気空間８１の凝縮壁３７で凝縮する。凝縮物は、蒸気発生器８０の液体回路内に戻される。
第１のステージ８６における膜壁３６に連なる蒸気空間８３では、絶対圧は、凝縮面３７に隣接する蒸気空間８１内の蒸気圧よりも小さい。液体２０から生じる蒸気が、膜壁３６を通して、膜壁３６に連なる蒸気空間８３内に入る。
第１のステージ８６において生じた蒸気は、接続通路８４を介して、第２のステージ９０における凝縮壁３７によって囲まれた蒸気空間８７内に流れ、凝縮壁３７で凝縮する。第２のステージ９０における膜壁３６に連なる次の蒸気空間８９では、絶対圧が、凝縮面３７に連なる蒸気空間８７内の蒸気圧よりも低い。
蒸気の凝縮によって放散された凝縮熱は、凝縮壁３７を介する熱伝導、流路３８における蒸気の生成、およびそれに続く膜壁３６を通る蒸気の移動によって、膜壁３６によって囲まれた蒸気空間８３または８９内に伝達される。第２のステージ９０内に生じた蒸気は、接続通路９２を介して、凝縮器３０における凝縮壁３７によって囲まれた蒸気空間８８内に流れ、凝縮壁３７で凝縮される。
第２のステージ９０および凝縮器３０において凝縮中に生じた蒸留物４０は、蒸留ポンプ２６によって、外に送り出される。
装置全体の負圧は、負圧チューブシステム９６、凝縮器３０、および真空ポンプ５０を備える真空システム５５によって、加えられる。
液体２０から放散された非凝縮性ガスは、負圧パイプシステム９６を介して、膜蒸留装置１０から外に送り出される。同時に、負圧が、蒸気発生器８０、第１のステージ８６、第２のステージ９０、および凝縮器３０の構成部品内にもたらされる。負圧は、絞り弁１００を介して、蒸気発生器８０、第１のステージ８６、第２のステージ９０、および凝縮器３０の構成部品に設定される。
負圧下にある蒸気空間８３，８９の各々と被濃縮液体２０との間の圧力平衡は、供給される被濃縮液体２０と接続通路２２との間の接続管路１６を介して、達成される。
供給された被濃縮液体２０が接続管路１６を介して接続通路９２内に流れるのを避けるために、接続管路１６の一部がＵ字管１７として形成されている。
ポンプ１４によって凝縮器３０に供給された液体１８のうち、一部の流れが、被濃縮液体２０として、膜蒸留装置１０に供給される。他の部分流れ１９は、排出される。
被濃縮液体２０は、送給ポンプ２１によって、液体管路２２を介して膜蒸留装置１０に供給される。膜蒸留装置１０内の負圧を環境圧から遮断するために、液体管路２２の一部がＵ字管２３として形成されている。濃縮された液体４１は、濃縮ポンプ２４によって、濃縮管路２５を介して膜蒸留装置１０から外に送り出される。膜蒸留装置１０を環境圧から遮断するために、濃縮管路２５の一部がＵ字管２９として設計されている。
膜蒸留装置１０の負圧を環境圧から遮断するために、蒸留管路２７の一部がＵ字管２８としてさらに形成されている。
１０ 膜蒸留装置
１１ 蒸気空間
１２ 膜からなる中空フィラメント
１３ 膜
１４ ポンプ
１５ 金属またはプラスチックチューブ、凝縮チューブ
１６ 負圧接続管路
１７ Ｕ字管
１８ 液体
１９ 部分流れ
２０ 被濃縮液体
２１ 送給ポンプ
２２ 液体管路
２３ Ｕ字管
２４ 濃縮ポンプ
２５ 濃縮管路
２６ 蒸留ポンプ
２７ 蒸留管路
２８ Ｕ字管
２９ Ｕ字管
３０ 凝縮器
３５ 流路
３６ 膜壁
３７ 凝縮壁
３８ 流路
３９ 濃縮流路
４０ 蒸留物
４１ 被濃縮液体、濃縮物
４２ 蒸留物
５０ 真空ポンプ
５２ 負圧管路
５５ 真空システム
６０ 熱交換器
６１ 管路
６２ 送給Ｕ字管用容器
６４ 濃縮Ｕ字管用容器
６６ 蒸留チューブ用容器
７０ 蒸留ポンプ
７２ Ｕ字管
７４ 蒸留管路
７６ 蒸留Ｕ字管用容器
８０ 真空発生器
８１ 真空空間
８２ 接続通路
８３ 蒸気空間
８４ 接続通路
８６ 第１のステージ
８７ 蒸気空間
８８ 蒸気空間
８９ 蒸気空間
９０ 第１のステージ
９２ 接続通路
９４ 液体管路
９６ 負圧チューブシステム
９７ 圧力平衡システム
９８ 接続管路
９９ 容器
１００ 絞り弁
１１ 蒸気空間
１２ 膜からなる中空フィラメント
１３ 膜
１４ ポンプ
１５ 金属またはプラスチックチューブ、凝縮チューブ
１６ 負圧接続管路
１７ Ｕ字管
１８ 液体
１９ 部分流れ
２０ 被濃縮液体
２１ 送給ポンプ
２２ 液体管路
２３ Ｕ字管
２４ 濃縮ポンプ
２５ 濃縮管路
２６ 蒸留ポンプ
２７ 蒸留管路
２８ Ｕ字管
２９ Ｕ字管
３０ 凝縮器
３５ 流路
３６ 膜壁
３７ 凝縮壁
３８ 流路
３９ 濃縮流路
４０ 蒸留物
４１ 被濃縮液体、濃縮物
４２ 蒸留物
５０ 真空ポンプ
５２ 負圧管路
５５ 真空システム
６０ 熱交換器
６１ 管路
６２ 送給Ｕ字管用容器
６４ 濃縮Ｕ字管用容器
６６ 蒸留チューブ用容器
７０ 蒸留ポンプ
７２ Ｕ字管
７４ 蒸留管路
７６ 蒸留Ｕ字管用容器
８０ 真空発生器
８１ 真空空間
８２ 接続通路
８３ 蒸気空間
８４ 接続通路
８６ 第１のステージ
８７ 蒸気空間
８８ 蒸気空間
８９ 蒸気空間
９０ 第１のステージ
９２ 接続通路
９４ 液体管路
９６ 負圧チューブシステム
９７ 圧力平衡システム
９８ 接続管路
９９ 容器
１００ 絞り弁
Claims (4)
- 独立した液体循環路を有する蒸気発生器（８０）の蒸気空間（１１）からの蒸気が、第１のステージ（８６）の第１の蒸気空間（８１）に供給され、前記第１の蒸気空間（８１）を囲む凝縮壁（３７）で凝縮し、この凝縮壁（３７）は、前記第１の蒸気空間（８１）の反対の側で被濃縮液体（２０）を案内する流路（３８）に隣接し、前記流路（３８）の前記凝縮壁（３７）とは反対の側は、蒸気透過性の液密膜壁（３６）によって境界づけられ、前記膜壁（３６）によって、前記被濃縮液体（２０）が前記第１のステージ（８６）の第２の蒸気空間（８３）から分離され、前記被濃縮液体（２０）から生じる蒸気が、前記膜壁（３６）を通過して前記第２の蒸気空間（８３）に入り、
前記被濃縮液体（２０）に負圧が与えられ、この負圧により、前記被濃縮液体（２０）の絶対圧が低下する、多段膜蒸留プロセスであって、
前記第１のステージ（８６）の前記第２の蒸気空間（８３）からの前記蒸気が、第２のステージ（９０）における凝縮壁（３７）によって囲まれた第１の蒸気空間（８７）内に移動され、前記蒸気は、前記凝縮壁（３７）上で凝縮し、前記凝縮壁（３７）は、前記蒸気空間（８７）の反対の側で、前記被濃縮液体（２０）を案内する流路（３８）に隣接し、前記流路（３８）の前記凝縮壁（３７）とは反対の側は膜壁（３６）によって境界づけられており、前記膜壁（３６）によって前記被濃縮液体（２０）が前記第２のステージの第２の蒸気空間（８９）から分離され、
前記２つのステージ（８６，９０）における前記被濃縮液体（２０）の絶対圧は、前記被濃縮液体（２０）の温度に対応する沸騰蒸気圧まで低下され、
前記２つのステージ（８６，９０）において、前記膜壁（３６）を通して濃縮される前記被濃縮液体（２０）に隣接する前記第２の蒸気空間（８３，８９）におけるそれぞれの圧力は、大気圧よりも低くなるように選択され、
前記２つのステージ（８６，９０）の各々において、前記第２の蒸気空間（８３，８９）内の負圧は、前記膜壁（３６）を通して濃縮される前記被濃縮液体（２０）の蒸気圧よりも負圧として大きく、この圧力差によって前記膜壁（３６）を通って前記蒸気の流れが生じ、
少なくとも前記２つのステージ（８６，９０）において、それぞれ凝縮および蒸発が生じ、前記第２のステージでは、前記第１のステージよりも低い圧力レベルおよび低い温度レベルで、凝縮および蒸発が生じ、前記第２のステージ（９０）の第２の蒸気空間（８３）からの蒸気が、接続通路（９２）によって凝縮器（３０）の蒸気空間（８８）内に移動され、
真空システム（５５）によって、前記蒸気発生器（８０）の蒸気空間（１１）、２つのステージ（８６，９０）の対応する第１の蒸気空間（８１，８７）および前記凝縮器（３０）の蒸気空間（８８）に負圧が与えられ、
負圧にある前記第２の蒸気空間（８３，８９）と前記被濃縮液体（２０）との間の圧力平衡は、前記被濃縮液体（２０）と前記接続通路（９２）との間の接続管路（１６）によって得られることを特徴とする多段膜蒸留プロセス。 - 独立した液体循環路を有する蒸気発生器（８０）の蒸気空間（１１）からの蒸気が、第１のステージ（８６）の第１の蒸気空間（８１）に供給され、前記第１の蒸気空間（８１）を囲む凝縮壁（３７）で凝縮し、この凝縮壁（３７）は、前記第１の蒸気空間（８１）の反対の側で被濃縮液体（２０）を案内する流路（３８）に隣接し、前記流路（３８）の前記凝縮壁（３７）とは反対の側は、蒸気透過性の液密膜壁（３６）によって境界づけられ、前記膜壁（３６）によって、前記被濃縮液体（２０）が前記第１のステージ（８６）の第２の蒸気空間（８３）から分離され、前記被濃縮液体（２０）から生じる蒸気が、前記膜壁（３６）を通過して前記第２の蒸気空間（８３）に入り、
前記被濃縮液体（２０）に負圧が与えられ、この負圧により、前記被濃縮液体（２０）の絶対圧が低下する、請求項１に記載の多段膜蒸留プロセスを実施するための多段膜蒸留装置であって、
前記第１のステージ（８６）の前記第２の蒸気空間（８３）からの前記蒸気が、第２のステージ（９０）における凝縮壁（３７）によって囲まれた第１の蒸気空間（８７）内に移動され、前記蒸気は、前記凝縮壁（３７）上で凝縮し、前記凝縮壁（３７）は、前記蒸気空間（８７）の反対の側で、前記被濃縮液体（２０）を案内する流路（３８）に隣接し、前記流路（３８）の前記凝縮壁（３７）とは反対の側は膜壁（３６）によって境界づけられており、前記膜壁（３６）によって前記被濃縮液体（２０）が前記第２のステージの第２の蒸気空間（８９）から分離され、
前記２つのステージ（８６，９０）における前記被濃縮液体（２０）の絶対圧は、前記被濃縮液体（２０）の温度に対応する沸騰蒸気圧まで低下され、
前記２つのステージ（８６，９０）において、前記膜壁（３６）を通して濃縮される前記被濃縮液体（２０）に隣接する前記第２の蒸気空間（８３，８９）におけるそれぞれの圧力は、大気圧よりも低くなるように選択され、
前記２つのステージ（８６，９０）の各々において、前記第２の蒸気空間（８３，８９）内の負圧は、前記膜壁（３６）を通して濃縮される前記被濃縮液体（２０）の蒸気圧よりも負圧として大きく、この圧力差によって前記膜壁（３６）を通って前記蒸気の流れが生じ、
少なくとも前記２つのステージ（８６，９０）において、それぞれ凝縮および蒸発が生じ、前記第２のステージでは、前記第１のステージよりも低い圧力レベルおよび低い温度レベルで、凝縮および蒸発が生じ、前記第２のステージ（９０）の第２の蒸気空間（８３）からの蒸気が、接続通路（９２）によって凝縮器（３０）の蒸気空間（８８）内に移動され、
前記蒸気発生器（８０）の蒸気空間（１１）、２つのステージ（８６，９０）の対応する第１の蒸気空間（８１，８７）および前記凝縮器（３０）の蒸気空間（８８）に負圧を与える真空システム（５５）が設けられており、
負圧にある前記第２の蒸気空間（８３，８９）と前記被濃縮液体（２０）との間の圧力平衡を得るために、前記被濃縮液体（２０）と前記接続通路（９２）との間に接続管路（１６）が設けられていることを特徴とする多段膜蒸留装置。 - 多段膜蒸留装置の負圧領域に入り、前記負圧領域から出る管路（２２，２５，２７）が、容器を備え、前記容器に含まれる液体が、Ｕ字管（２３，２８，２９）を介して、前記膜蒸留装置内の前記負圧を前記大気圧から遮断することを特徴とする請求項２に記載の装置。
- 多段膜蒸留装置の負圧領域内に入り、前記負圧領域から出る液体が、機械的な密閉具を介して、前記大気圧から遮断されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
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