JPH02307513A - 液体分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本願発明は、浸透気化法を利用した液体分離装置に関す
るものである。

（従来技術） 一般に化学工業の分野においては、例えばアルコール類
やケトン類、エーテル類、エステル類などの所謂有機溶
剤を使用することが多い。そして、これらの有機溶剤は
、全て水を溶かし易く、またそれ自身水に解は易い性質
をもっている。従って、その保存状態においても比較的
混水状態となりゃすく、該水との間で共沸混合物を形成
する。

しかし、上記有機溶剤を実際の化学反応に使用する場合
には、極めて高い純度を要求され、殆どの場合、上記水
の混入には厳しい制限が課されているのが実情である。

このため、実際の使用に際しては、その前処理工程とし
て上記有機溶剤中から水の分離を行なって純度を高める
濃縮システムが採用されるのが、一般的となっている。

従来、上記のような水とアルコール等有機溶剤との混合
液から水（純水）を分離して当該有機溶剤を濃縮する方
法としては、一般に蒸留法が古くより採用されていた。

しかし、蒸留法の場合、共沸混合物（沸点を異にする異
種物質の混合物でありながら共沸沸点を有するもの）、
近沸点混合物を分離することは困難である。上述した水
とアルコール（エタノール）との混合物は該共沸混合物
に該当するので、上記従来一般の蒸留法では分離するこ
とができない。

そこで、このような場合、例えばエントレーナ（共沸剤
）として所定の第３次成分（ベンゼン、トリクロロエチ
レンなど）を添加することによって分離を可能とした所
謂共沸蒸留法が採用されることもあるが、該方法は極め
て多量のスチームを消費するし、第３次成分混入による
分離液の汚染や装置の複雑化を招くなど新な問題も多い
。

このような事情を背景に最近特に活発な研究・開発が行
なわれているものに、例えば水分選択性透過膜を使用し
た浸透気化法による水／有機液体混合物の分離（脱水）
システムがある（例えば特開昭５８−１２８１０７号公
報明細書及び図面参照）。

この液体混合物分離システムは、一般に「パーベーパレ
ーションシステム」と呼ばれ、例えば非多孔質の無定形
高分子膜よりなる水分選択性透過膜によって分離を行な
おうとする水を含む対象混合液（フィード）が供給され
る第１次室と透過した目的とする分離成分（気体）が凝
縮されて貯溜される第２次室とを仕切り、該第２次室側
を真空ポンプ等の減圧手段によって真空状態に減圧する
ことによって上記水分選択性透過膜の第１次室側境界面
と第２次室側境界面間に所定値以上の分圧差を形成し、
該分圧差と第１次側及び第２次側間の選択成分の濃度差
に応じて高圧側（第１次室側）からその透過速度に応じ
て吸着−溶解→拡散→脱離の各工程を経て透過する水分
子（Ｈｌｏ）のみを低圧側の第２次室側に気体の状態で
取り出すようになっている。

従って、このような構成の混合液分離システムによれば
近沸点混合液は勿論、上記水とアルコールのような共沸
混合液の場合にも何等問題なく分離、濃縮することがで
きる。しかも、共沸蒸留法のように第３次成分を全く使
用しないからクリーンでもあり、装置もコンパクトにな
る利点がある。

そして、実際のシステムでは、上記のような第１次室と
第２次室との組合わせによる構成を単一ユニットとして
モジュール化し、これらを、複数対直列に組合わせて混
合液を循環させることによりプラント化して使用される
ことが多い。

−ところで、このような液体分離装置における浸透気化
操作は、上述の説明から明らかなように本質的に相変化
（液相−気相）を伴なう分離操作であることから、分離
状態の進行に連れて透過分子（上述の例では水分子Ｈ３
０）の気化潜熱により次第に透過膜周辺の供給液の温度
が低下してくる。そして、上記透過膜部における透過速
度は第１次室側供給液の温度に比例しており、温度が高
くて分子活動が活発なほど透過速度が高い（例えば第３
図参照）。従って上記のように供給液の温度が低下する
と上記目的液の透過速度が低下して分離効率が悪化する
問題があり、従来より重要な技術的解決課題とされてい
た。

（発明が解決しようとする課題） このような技術的課題に対し、例えば上述の従来例では
モジュールの外部混合液通路の途中に独立した加熱用の
熱交換器を設置し、温度が低下した混合液を順次再加熱
しながら次段の分離モジュールに供給するようにする構
成によって対策されているが、このような方法では分離
モジュール内の人口側と出口側とで混合液の相当な温度
差を生じることになり、十分な問題の解決には到ってい
ない。また通路構造を複雑にしてしまい、通路抵抗を大
きくしてしまう欠点もある。

そして、上記のような透過速度の低下を招く温度の低下
量は結局目的成分の透過量（気化量）に比例するため、
フィード側混合液中の目的成分（水）の含有濃度が低い
場合に較べ、同目的成分の含有濃度が高い場合に特に問
題になる。

（課題を解決するための手段） 本願の請求項第１〜第３の各発明は、共に上記従来の問
題を解決することを共通の目的としてなされたものであ
って、各々次のような技術的課題解決手段を備えて構成
されている。

（１）　　請求項第１の発明の課題解決手段該請求項第
１の発明の液体分離装置では、分離すべき液体とその他
の液体とを含む所定の混合液Ｆ　ｉｒ＋＋、Ｆ　ｉｎｔ
が供給される混合液供給側第１次室１１ａ、１１ｂと、
該混合液供給側第１次室１１ａ。

ｚｂに対して浸透気化用の選択性透過膜１８ａ。

１８ｂ、１８ｃを介して接する分離側第２次室１３ａ。

１３ｂとを設け、所定の圧力差形成手段により上記混合
液供給側第１次室１１ａ、１１ｂと分離・液取出側第２
次室１３ａ、１３ｂとの間に上記選択性透過膜１８ａ、
ｌ　８ｂ、１８ｃを介して浸透気化分離作用に必要な所
定の圧力差を形成することにより目的とする液体を分離
するようにしてなる液体分離装置において、上記選択性
透過膜１８ａ、１８ｂ、Ｌ８ｃの上記第２室側面に当該
選択性透過膜１８ａ。

１８ｂ、１８ｃを補強支持する支持板９，１０．１２を
設けるとともに該支持板９，１０．１２を多孔質の金属
焼結体で形成し、該金属焼結体の内部に加熱手段１７ａ
、１７ｂ、１７ｃを配設して構成されている。

（２）請求項第２の発明の課題解決手段該請求項第２の
発明の液体分離装置の構成では、上記請求項第１の発明
の液体分離装置の構成における加熱手段１７ａ、１７ｂ
、１７ｃを温水循環パイプによって構成している。

（３）請求項第３の発明の課題解決手段該請求項第３の
発明の液体分離装置は、上記請求項第１の発明の液体分
離装置の構成における加熱手段１７ａ、　１７ｂ、　ｌ
　７ｃを電気ヒータによって構成している。

（作　用） （１）　　請求項第１の発明の液体分離装置では、混合
液が供給される第１次室側と該第１次室に対して選択性
透過膜を介して隣接する分離液取出側の第２次室間に圧
力差形成手段により所定の圧力差を形成することによっ
て浸透気化分離作用に必要な分圧差を生ぜしめて目的と
する液体成分（バーミニイト）を分離するようにしてな
る液体分離装置において、上記選択性透過膜を金属焼結
体よりなる多孔質の支持板で支持しているので、透過機
能を損なうことなく透過膜の十分な補強効果を得ること
ができ液体分離装置としての耐久性を向上させることが
できる。

そして、該金属焼結体よりなる多孔質の支持板内には所
定の加熱手段が配設されており、該加熱手段により当該
支持板の全面を介して上記選択性透過膜の全面およびそ
の反対面付近の温度境界層付近の混合液が効果的かつ均
等に加熱・加温されるようになる。その結果、気化潜熱
による温度境界層も発生しにくくなる。

（２）また請求項第２の発明の液体分離装置では、上述
の加熱手段が温水循環パイプで構成されているから、熱
源が安価であり、かつクリーンである。

（３）さらに請求項第３の発明の液体分離装置では、上
述のように加熱手段が電気ヒータによって形成されてい
るから熱効率が高く、しかも温度コントロールが容易と
なる。

（発明の効果） 従って、本願の上記各請求項の発明によると、分離効率
が高く、しかも耐久性に優れた精度の高い液体分離装置
を提供することができるようになる。

（実施例） 第１図および第２図は、本願発明の実施例に係る例えば
プレートアンドフレーム式の液体分離装置のモジュール
構造を示している。

第１図中、先ず符号１　ａ、　１　ｂは、各々同第１図
に示すように混合液供給用の第１及び第２の混合液供給
側第１次室１１ａ、１１ｂを形成する所定幅を有する第
１及び第２の各フレーム（枠体）であり、先ず該第１フ
レーム１ａには、フィードパイプ３を介してフィードタ
ンクＦＴに連通せしめられた第１の混合液供給口４ａが
例えばその前端部側（手前側）上部に位置して設けられ
ている。また、後端部側（後面側）下部には目的とする
分離液（パーミエート）である水（８，０）が透過除去
された後の例えば濃縮アルコール（Ｃ＊ＨｓＯＨ）を排
出するための第１の濃縮液排出口５ａ（破線図示）が設
けられている。また第２フレームｔｂには、上記第１フ
レームｌａの上記第１の濃縮液排出口５ａの位置（後方
側下部）に対応して第２の混合液供給口４ｂが設けられ
ており、該第２の混合液供給口４ｂはＵ状の連結パイプ
７を介して上記第１の濃縮液排出口５ａと接続されるよ
うになっている。従って、上記第１の混合液供給口４ａ
から供給された混合液（フィード）Ｆ　ｉｎ、は、例え
ば第１図のように先ず第１の第１火室１１ａを通って一
次濃縮（−次脱水）処理を受けた後第１の濃縮液排出口
５ａから上記Ｕ状の連結パイプ７を経て第２の混合液供
給口４ｂ側に導かれ、その後第２の第１次室ｚｂ内に第
二次供給混合液Ｆ　ｉｎｓとして供給される。上記第２
のフレームｌｂ他端側上部には同様に第２の濃縮液排出
口５ｂが設けられており、上記第２の混合液供給側第１
火室１１ｂ内の供給混合液Ｐ　ｉｎｔは当該第２の濃縮
液排出口５ｂよりパイプ８を介して次の処理室側に排出
されるようになっている。

一方、符号１　ｃ、　１　ｄは、上記第１及び第２のフ
レームｌ　ａ、　ｌ　ｂの間に位置して第５フレームｌ
ｅを介して一体的に接合固定される所定幅の第３、第４
フレームであり、該第３、第４フＬ／−ムｌｃ、１ｄの
各内側には板状の多孔質板金属焼結体９．１０が各々嵌
装固定されている。一方、符号１８ａ、１８ｂは、上記
金属焼結体９．１０が嵌装された上記第３、第４フレー
ムｌｃ、ｌｄの上記各第１次室側面に接合一体化され上
記金属焼結体９．ｌＯによって支持されている第１１第
２の選択性透過膜（後述）である。

そして、上記金属焼結体９．１０の内部には、図示のよ
うに温水循環パイプ１７ａ、１７ｂが埋設されている。

また、上記第３および第４フレームｌｃ、ｌｄ間に介設
された第５フレームｉｅ内には分離液取出し用の第１の
第２火室１３ａが形成されており、該第１の第２火室１
３ａには当該第５フレーム１ｅの後端下部側に形成され
た真空ポンプ接続口１４ｂが形成されている。そして、
透過分離された気体状態の分離液は、当該真空ポンプ接
続口１４ｂより空気とともに吸引導出されるようになっ
ている。また、上記第２のフレームｔｂに並んで第３の
選択性透過膜１８ｃ、第７、第６の各フレーム１　ｇ＋
　１　ｆが並設されている。そして、上記第７のフレー
ムｔｇには、上述の第３．１４フＬ／　−ム１　ｃ　。

ｌｄの場合と同じように板状の金属焼結体１２が嵌装さ
れ、又その中には温水パイプ１７ｃが埋設されている。

従って、それにより上記第６フレームＩｆの内側には、
第２の分離液取出し用第２次室１３ｂが形成され、接続
口１５ｂを経て分離液が取り出されるようになっている
。

なお、上記符号１７ａ、ｌ　７ｂ、１７ｃで示す温水循
環パイプは、上記金属焼結体９，１０．１２を介して上
記選択性透過膜１８ａ、ｌ　８ｂ、１８ａ自体を均等に
加熱するとともに更に該選択性透過膜１８ａ、１８ｂ、
１８ｃを介して当該選択性透過膜１８ａ。

ｔａｂの分離面付近の混合液をも加熱して先に述べたよ
うな温度境界層の発生を防止し、分離性能を可及的に高
く維持する機能を果たしている。

すなわち、該温水循環パイプ１７ａ、１７ｂ、１７Ｃは
、上記多孔質の金属焼結体９，１０．１２を介して各々
第１、第２の選択性透過膜１８ａ、１８ｂ。

１８ｃの全面に接面して設けられているために、熱伝導
性の高い上記多孔質の金属焼結体９，１０゜１２の全面
を介して上記選択性透過膜１８ａ、１８ｂ、１８ｃが平
均に加熱され、また該選択性透過膜１、８ａ、ｌ　８ｂ
、１８ｃを介してその熱が上記第１及び第２の混合液供
給側第１火室１１ａ、１１’ｂ内の各混合液Ｆ　ｉｎｔ
、Ｆ　ｉｎｓに伝達され、該混合液Ｆｉｎｄ。

Ｆ　ｉｎｔを有効に加熱することになる。

従って、上記本実施例の構成の浸透気化法利用の液体分
離装置によると、先ず上記フィードタンクＦＴより例え
ばフィードポンプＦＰを介して第１の混合液供給口４ａ
より第１の混合液供給側第１火室１１ａ、内に連続的に
供給され導入される水（Ｈｌｏ）及びアルコール（エチ
ルアルコール：Ｃ！Ｈ６０Ｈ）の混合液（フィード）は
、その供給及び排出速度に応じて所定時間内当該第１の
混合液供給側第１火室１１ａ内を上方側から下方側へゆ
っくりと流れる（第１図参照）。

一方、該状態では上記図示しない真空ポンプの作動によ
り上記第１および第２の各分離液取出側第２火室１３ａ
、１３ｂ側は真空かつ無湿度状懇に近くなるように空気
が吸引導出されて上記第１および第２の選択性透過膜１
８ａ、ｌ　８ｂ、１８ｃの各第１次室側選択分子吸着面
と第２次室側選択分子脱離面との間に所定値以上の圧力
差（分圧差）を実現するようになっている。そして、上
述したように本実施例における当該選択性透過膜１８ａ
、１８ｂ、１８ｃは、共に目的とする水（ｉ−ｉｔｏ）
成分のみを選択的に透過させる例えば［α−フルオロア
クリル酸系共重合体」よりなる水選択性透過無定形高分
子膜（例えば特願昭６２−３５４０１号明細書参照）に
より形成されており、その選択特性に対応した水成分（
８３０分子）を上記混合液Ｆｉｎ、、Ｆｉれ、自体の温
度と上記第１１第２の混合液供給側（高圧側）第１火室
１１ａ、１１ｂ側と第１１第２の分離液取出側（低圧側
）第２火室１３ａ、１３ｂ側との間の選択成分（Ｈｅｏ
）の濃度差に比例した透過速度で第１１第２の混合液供
給側（高圧側）第１次室１１ａ、１１ｂから第２の分離
液取出側（低圧側）第２火室１３ａ、１３ｂへ透過させ
る。

この場合、該水成分（Ｈ，Ｏ）の透過は、上記第１、第
２の混合液供給側第１火室１１ａ、１１ｂ内流通混合液
中の水分子Ｈ２Ｏが高圧側から低圧側への濃度差に伴な
う物質伝達エネルギーによって先ず上記選択性透過膜１
８ａ、ｌ　８ｂ、１８ｃの表面に吸着される。そして、
その後、溶解作用に伴なう分子移動によって当該透過膜
１８ａ、１８ｂ、１８Ｃ中に上記水分子Ｈ１０が溶は込
んで拡散して行く。

この時の水分子Ｈ３０の溶は込み及び拡散量は、上記混
合液の温度や透過膜１８ａ、１８ｂ、１８ｃ両境界面間
の上記分圧差（濃度が同じであれば、物質分子は圧力の
高い方から低い方に移動する）。

又選択分子Ｈ，０の濃度差（圧力が等しい場合には、物
質分子は濃度の高い方から低い方に移動する・・・第４
図参照）などに大きく左右される。この場合、上記分圧
差は、上記混合液供給側フィードポンプＦＰによる供給
圧を一定に保つとともに上記減圧手段である真空ポンプ
による減圧値を一定に保つことによって比較的容易に理
想的な値にコントロールすることができる。

ところが、一方上記高圧第１次室側の混合液自体の温度
や選択成分（ＨｔＯ分子）の濃度差の方は、次のような
事情から容易には所望値に維持することかできない。す
なわち、先ず上述のように、上記選択性透過膜１８ａで
の透過作用は浸透気化作用であり、当然に選択分子であ
る水成分Ｈ，Ｏの相変化（液相→気相）を伴なう。その
ため当該分離作用が進行するに連れて気化潜熱量も増大
して混合液側の温度が下がる。このような事情は、上記
第２の高圧側第１次室ｉｔｂ側でも全く同様である。

しかるに、先にも述べたように上記各選択性透過膜１８
ａ、１８ｂを透過する水分子の透過速度は、第３図のア
ルコール濃縮度特性から明らかなように混合液の温度が
高い方（理想条件下）が高くなり、透過性能に優れてい
る。従って、本実施例の構成では上述のように選択性透
過膜１８ａ、１８ｂを上記の如く多孔質金属焼結体９．
ｌＯを介して温水循環バイブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃに
より間接的に加熱するように構成しており、これによっ
て上記気化潜熱による混合液の温度の低下、就中、水分
子Ｈｔ　Ｏの透過速度の低下を補償するようにしている
（第３図の理想温度条件の維−持を実現）。

なお、上記第１図および第２図の構成においては、上記
選択性透過膜および混合液の加熱手段として温水循環パ
イプを採用したが、該加熱手段としては例えば電気ヒー
タであっても良いことは言うまでもない。

電気ヒータを加熱手段として採用すると、熱効率が高く
、温度コントロールも容易であることから、より分離性
能に優れた液体分離装置を提供することが可能となる。

また、上記第１１第２の各実施例に於いては分離液とし
て水（ｔｔｔｏ）の場合を設定したが、本発明の液体分
離の対象はこれに限定されるものでないことは勿論であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例に係る液体分離装置のモジュ
ール構成を示す断面図、第２図は、同装置の分解斜視図
、第３図は、気化潜熱による供給混合液の温度低下によ
る透過効率の変化特性をアルコールの濃縮濃度（脱水濃
度）と供給流量とをパラメータとして表わしたグラフ、
第４図は、透過膜境界面間の水分子成分の濃度差と水成
分透過量との関係を示すグラフである。 ｌａ　　・・・・・第１フレーム ｌｂ　　・・・・・第２フレーム １ｃ　・・・・・第３フレーム １ｄ　・・・・・第４フレーム ｌｅ　　・・・・・第５フレーム　 ｔｒ　　・・・・・第６フレーム ３　　　・・・・・フィードパイプ ４ａ　・・・・・第１の混合液供給口 ４ｂ　・・・・・第２の混合液供給口 ５ａ　・・・・・第１の濃縮液排出口 ５ｂ　・・・・・第２の濃縮液排出口 ９、ｔｏ、１２　・・・・金属焼結体 １１ａ　・・・・・第１の混合液供給側第１次室１１ｂ
・・・・・第２の混合液供給側第１次室１３ａ　・・・
・・第１の分離液取出側第１次室１３ｂ　・・・・・第
２の分離液取出側第１次室１７ａ、１７ｂ、１７ｃ　・
・温水循環パイプ１８ａ　・・・・・第１の選択性透過
膜ｔａｂ・・・・・第２の選択性透過膜 １８ｃ　・・・・・第３の選択性透過膜３１３図 １Ｍ４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、分離すべき液体とその他の液体とを含む所定の混合
   液（Ｆｉｎ＿１）、（Ｆｉｎ＿２）が供給される混合液
   供給側第１次室（１１ａ）、（１１ｂ）と、該混合液供
   給側第１次室（１１ａ）、（１１ｂ）に対して浸透気化
   用の選択性透過膜（１８ａ）、（１８ｂ）、（１８ｃ）
   を介して接する分離液取出側第２次室（１３ａ）、（１
   ３ｂ）とを設け、所定の圧力差形成手段により上記混合
   液供給側第１次室（１１ａ）、（１１ｂ）と分離液取出
   側第２次室（１３ａ）、（１３ｂ）との間に上記選択性
   透過膜（１８ａ）、（１８ｂ）、（１８ｃ）を介して浸
   透気化分離作用に必要な所定の圧力差を形成することに
   より目的とする液体を分離するようにしてなる液体分離
   装置において、上記選択性透過膜（１８ａ）、（１８ｂ
   ）、（１８ｃ）の上記第２次室側面に当該選択性透過膜
   （１８ａ）、（１８ｂ）、（１８ｃ）を補強支持する支
   持板（９）、（１０）、（１２）を設けるとともに該支
   持板（９）、（１０）、（１２）を多孔質の金属焼結体
   で形成し、該金属焼結体の内部に加熱手段（１７ａ）、
   （１７ｂ）、（１７ｃ）を配設したことを特徴とする液
   体分離装置。 ２、加熱手段が温水循環パイプであることを特徴とする
   請求項第１項記載の液体分離装置。 ３、加熱手段が電気ヒータであることを特徴とする請求
   項第１項記載の液体分離装置。