DE112018002890T5

DE112018002890T5 - Dehydratisierungsverfahren und dehydratisierungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112018002890T5
Application number: DE112018002890.9T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Noda; Makoto Miyahara; Katsuya Shimizu; Takeshi Hagio
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2020-02-20
Also published as: CN110719808B; US20200122096A1; JPWO2018225787A1; WO2018225787A1; JP7178997B2; CN110719808A

Abstract

Ein Dehydratisierungsverfahren umfasst einen Schritt des Zuführens eines Gemischs (31) zu einem Raum (4S) auf einer Zuführungsseite einer Trennmembran (45) und einen Schritt des Erzeugens einer Druckdifferenz zwischen dem Raum (4S) auf der Zuführungsseite und einem Raum (4T) auf einer Permeationsseite der Trennmembran (45). Die Trennmembran (45) umfasst eine erste Zeolithmembran (45a), die auf den Raum (4T) auf der Permeationsseite gerichtet ist und aus einem ersten Zeolithen ausgebildet ist, und eine zweite Zeolithmembran (45b), die auf den Raum (4S) auf der Zuführungsseite gerichtet ist und an die erste Zeolithmembran (45a) angrenzt. Die zweite Zeolithmembran (45b) ist aus einem zweiten Zeolithen ausgebildet, der dieselbe Grundgerüststruktur wie das Grundgerüst des ersten Zeolithen aufweist und ein niedrigeres Si/Al-Atomverhältnis als das Si/Al-Atomverhältnis des ersten Zeolithen aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dehydratisierungsverfahren und eine Dehydratisierungsvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Als herkömmliches Verfahren zum Trennen von Wasser von einem Wasser-enthaltenden Gemisch (Dehydratisierung) wird ein Dehydratisierungsverfahren vorgeschlagen, in dem eine Zeolithmembran vom DDR-Typ, die eine hervorragende Säurebeständigkeit aufweist, als Trennmembran verwendet wird (vgl. das Patentdokument 1).
DOKUMENTENLISTE
PATENTDOKUMENT
Patentdokument 1: WO 2007/119286
ZUSAMMENFASSUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Es gibt einen Bedarf zum weiteren Erhöhen der Wasserpermeationsmenge einer Trennmembran.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehenden Umstände gemacht und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Dehydratisierungsverfahrens und einer Dehydratisierungsvorrichtung, welche die Wasserpermeationsmenge erhöhen können.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Ein Dehydratisierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Dehydratisierungsverfahren zum selektiven Trennen von Wasser von einem Wasser-enthaltenden Gemisch und das Verfahren umfasst einen Schritt des Zuführens des Gemischs zu einem zuführungsseitigen Raum einer Trennmembran und einen Schritt des Erzeugens einer Druckdifferenz zwischen dem zuführungsseitigen Raum und einem permeationsseitigen Raum der Trennmembran. Die Trennmembran umfasst eine erste Zeolithmembran, die auf den permeationsseitigen Raum gerichtet ist und aus einem ersten Zeolithen ausgebildet ist, und eine zweite Zeolithmembran, die auf den zuführungsseitigen Raum gerichtet ist und an die erste Zeolithmembran angrenzt. Die zweite Zeolithmembran ist aus einem zweiten Zeolithen ausgebildet, der dieselbe Grundgerüststruktur wie das Grundgerüst des ersten Zeolithen aufweist und ein niedrigeres Si/Al-Atomverhältnis als das Si/Al-Atomverhältnis des ersten Zeolithen aufweist.
VORTEILHAFTE EFFEKTE
Gemäß der vorliegenden Erfindung können ein Dehydratisierungsverfahren und eine Dehydratisierungsvorrichtung, welche die Wasserpermeationsmenge erhöhen können, bereitgestellt werden.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration einer Dehydratisierungsvorrichtung zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht einer Membranstruktur.
3 ist eine Querschnittsansicht einer Trennmembran.
4 ist ein SEM-Bild, das einen Querschnitt einer Trennmembran zeigt.
5 ist eine Querschnittsansicht einer Trennmembran.
6 ist eine Querschnittsansicht einer Trennmembran.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Dehydratisierungsvorrichtung
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Beispiel für eine Dehydratisierungsvorrichtung beschrieben, die zum Durchführen eines Dehydratisierungsverfahrens zum selektiven Trennen von Wasser von einem Wasser-enthaltenden Gemisch verwendet wird. In der vorliegenden Beschreibung bedeutet „Dehydratisierung“ die selektive Trennung von Wasser. „Wasser selektiv trennen“ umfasst nicht nur das Trennen und Entfernen von Wasser mit 100 %iger Reinheit von einem Gemisch, sondern auch das Trennen und Entfernen einer Lösung oder eines Gases, das einen höheren Wassergehalt als derjenige des Gemischs aufweist.
Die 1 ist ein schematisches Diagramm, das die Gesamtkonfiguration einer Dehydratisierungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
Die Dehydratisierungsvorrichtung 100 umfasst einen Gehäuseabschnitt 10, eine Umwälzpumpe 20, eine Heizeinrichtung 30, einen Trennbehälter 40, einen Abscheidungsabschnitt 50, eine Druckverminderungsvorrichtung 60, einen Umwälzweg 70 und einen Permeationsweg 80. Der Gehäuseabschnitt 10, die Umwälzpumpe 20, die Heizeinrichtung 30 und der Trennbehälter 40 sind in dem Umwälzweg 70 angeordnet. Der Abscheidungsabschnitt 50 und die Druckverminderungsvorrichtung 60 sind in dem Permeationsweg 80 angeordnet.
Der Gehäuseabschnitt 10 nimmt ein zu verarbeitendes Gemisch 11 auf. Das Gemisch 11 wird durch den Umwälzweg 70 zum Gehäuseabschnitt 10 umgewälzt. Das Gemisch 11 enthält Wasser und von Wasser verschiedene Komponenten.
Das Gemisch 11 kann Wasser und organische Verbindungen enthalten. Beispiele für organische Verbindungen umfassen Alkohole, Phenole, Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren, Sulfonsäuren, Ether, Ester, Amine, Nitrile, geradkettige gesättigte Kohlenwasserstoffe, verzweigte gesättigte Kohlenwasserstoffe, cyclische gesättigte Kohlenwasserstoffe, ketten ungesättigte Kohlenwasserstoffe, aromatische Kohlenwasserstoffe, Stickstoffenthaltende Verbindungen, Schwefel-enthaltende Verbindungen und Halogenderivate von Kohlenwasserstoffen. Beispiele für Alkohole umfassen Methanol, Ethanol, Isopropanol, Ethylenglykol und Butanol. Beispiele für Ketone umfassen Aceton und Ethylmethylketon. Beispiele für Carbonsäuren umfassen Ameisensäure, Essigsäure, Buttersäure, Propionsäure, Oxalsäure, Acrylsäure und Benzoesäure. Beispiele für aromatische Kohlenwasserstoffe umfassen Toluol und Benzol. Das Gemisch 11 kann nur eine von Wasser verschiedene Komponente oder zwei oder mehr von Wasser verschiedene Komponenten enthalten.
Die Umwälzpumpe 20 wälzt das Gemisch 11 durch den Umwälzweg 70 um, indem sie das Gemisch 11 auf die Seite des Trennbehälters 40 abgibt. Es ist bevorzugt, dass die Geschwindigkeit des dem Trennbehälter 40 zugeführten Gemischs 11 in den Zellen 43, die später beschrieben werden, 1,5 m/s oder mehr und 3,0 m/s oder weniger beträgt. Alternativ ist es bevorzugt, dass die Reynoldszahl, die durch die Zuführungsfluidgeschwindigkeit des dem Trennbehälter 40 zugeführten Gemischs 11 verursacht wird, 2000 oder mehr und 10000 oder weniger beträgt.
Die Heizeinrichtung 30 erwärmt das durch den Umwälzweg 70 umgewälzte Gemisch 11 auf eine Temperatur, die für die in dem Trennbehälter 40 durchgeführte Dehydratisierung geeignet ist. Die Temperatur des dem Trennbehälter 40 zugeführten Gemischs 11 beträgt vorzugsweise von 50 °C bis 130 °C und mehr bevorzugt von 55 °C bis 110 °C, um einen Dehydratisierungsvorgang effizient durchzuführen.
Der Trennbehälter 40 umfasst einen Gehäuseabschnitt 41 und eine Membranstruktur 42. Der Gehäuseabschnitt 41 nimmt die Membranstruktur 42 auf. Das Material des Gehäuseabschnitts 41 ist nicht speziell beschränkt und kann z.B. entsprechend den Eigenschaften des Gemischs 31 festgelegt werden. Wenn das Gemisch 31 z.B. eine Säure enthält, kann der Gehäuseabschnitt 41 aus Glas, rostfreiem Stahl oder dergleichen hergestellt sein.
Der Innenraum des Gehäuseabschnitts 41 ist durch eine Trennmembran 45 der Membranstruktur 42 in einen zuführungsseitigen Raum 4S und einen permeationsseitigen Raum 4T unterteilt, die später beschrieben werden (vgl. die 2). D.h., die Trennmembran 45 der Membranstruktur 42 trennt den zuführungsseitigen Raum 4S und den permeationsseitigen Raum 4T voneinander. Das Gemisch 11 wird dem zuführungsseitigen Raum 4S zugeführt. Von den Komponenten des Gemischs 11 strömt eine membrandurchdringende Substanz 12, die durch die Trennmembran 45 der Membranstruktur 42 hindurchgetreten ist, in den permeationsseitigen Raum 4T. Die membrandurchdringende Substanz 12 ist Wasser oder eine Lösung oder ein Gas, in der oder dem Wasser konzentriert ist. Die Konfiguration der Membranstruktur 42 wird später beschrieben.
Es sollte beachtet werden, dass Drucksensoren (nicht dargestellt) mit dem Trennbehälter 40 verbunden sind und der Druck im zuführungsseitigen Raum 4S und der Druck im permeationsseitigen Raum 4T durch die Drucksensoren erfasst werden können.
Der Abscheidungsabschnitt 50 ist über den Permeationsweg 80 mit dem Trennbehälter 40 und der Druckverminderungsvorrichtung 60 verbunden. Wenn ein Dehydratisierungsvorgang durchgeführt wird, kann der Innendruck des Abscheidungsabschnitts 50 vermindert werden, und ferner kann der Druck im permeationsseitigen Raum 4T des Gehäuseabschnitts 41 durch den Betrieb der Druckverminderungsvorrichtung 60 auf einen vorgegebenen Druck vermindert werden.
Der Abscheidungsabschnitt 50 ist aus einem Material hergestellt, das dem Druck standhalten kann, der während eines Druckverminderungsvorgangs ausgeübt wird. Der Abscheidungsabschnitt 50 kann z.B. aus Glas, rostfreiem Stahl oder dergleichen hergestellt sein.
Im Abscheidungsabschnitt 50 kann ein Kältemittel verwendet werden, um den Dampf der membrandurchdringenden Substanz 12, die in den Abscheidungsabschnitt 50 strömt, zu kühlen und abzuscheiden. Das Kältemittel kann je nach Art der membrandurchdringenden Substanz 12 und dem Innendruck des Abscheidungsabschnitts 50 in einer geeigneten Weise ausgewählt werden. Beispiele für Kältemittel, die verwendet werden können, umfassen flüssigen Stickstoff, Eiswasser, Wasser, Frostschutzflüssigkeit, Trockeneis (festes Kohlendioxid), eine Kombination aus Trockeneis und Ethanol (oder Aceton oder Methanol), und flüssiges Argon.
Der Abscheidungsabschnitt 50 ist jedoch nicht auf die in der 1 dargestellte Struktur beschränkt und muss nur in der Lage sein, die membrandurchdringende Substanz 12 abzuscheiden, während der Druck im permeationsseitigen Raum 4T des Gehäuseabschnitts 41 auf einen vorgegebenen Druck vermindert wird.
Die Druckverminderungsvorrichtung 60 ist ein Beispiel für eine „Druckänderungsvorrichtung“ zum Erzeugen einer Druckdifferenz zwischen dem zuführungsseitigen Raum 4S und dem permeationsseitigen Raum 4T. In der vorliegenden Ausführungsform vermindert die Druckverminderungsvorrichtung 60 den Druck im permeationsseitigen Raum 4T auf einen vorgegebenen Druck oder einen niedrigeren Druck. Die „Druckverminderung“ umfasst die Verminderung des Partialdrucks der membrandurchdringenden Substanz 12 im permeationsseitigen Raum 4T. Als Druckverminderungsvorrichtung 60 kann z.B. eine bekannte Vakuumpumpe eingesetzt werden.
Es sollte beachtet werden, dass ein Druckregler zum Einstellen des Drucks im permeationsseitigen Raum 4T auch in dem Permeationsweg 80 bereitgestellt sein kann.
Membranstruktur
Die 2 ist eine Querschnittsansicht der Membranstruktur 42. Die 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Trennmembran 45, die in der 2 gezeigt ist.
Die Membranstruktur 42 umfasst einen poröser Träger 44 und die Trennmembran 45.
Poröser Träger 44
Der poröse Träger 44 trägt bzw. stützt die Trennmembran 45. Der poröse Träger 44 weist eine chemische Stabilität in einem Ausmaß auf, dass die Trennmembran 45 auf einer Oberfläche des porösen Trägers 44 in der Form einer Membran gebildet (kristallisiert, aufgebracht oder abgeschieden) werden kann.
Der poröse Träger 44 ist ein keramischer Sinterkörper. Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Mullit, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Yttriumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Keramiksand, Cordierit und dergleichen können als Aggregat des porösen Trägers 44 verwendet werden. Der poröse Träger 44 kann ein Bindematerial enthalten. Ein Glasmaterial, das Silizium (Si), Aluminium (Al), Titan (Ti) und dergleichen enthält, kann als Bindematerial verwendet werden. Der Gehalt des Bindematerials kann auf 20 Vol.-% oder mehr und 40 Vol.-% oder weniger festgelegt werden, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
In der vorliegenden Ausführungsform weist der poröse Träger 44 eine monolithische Form auf. Eine monolithische Form bezieht sich auf eine Form mit einer Vielzahl von Zellen 43, die in der Längsrichtung bereitgestellt sind, und umfasst eine Wabenform. Der poröse Träger 44 muss jedoch lediglich eine Form aufweisen, mit der das zu verarbeitende Gemisch 11 der Trennmembran 45 zugeführt werden kann. Beispielsweise kann der poröse Träger 44 eine flache plattenförmige Form, eine rohrförmige Form, eine zylindrische Form, eine säulenförmige Form oder eine prismatische säulenartige Form aufweisen. Die Oberflächenrauheit (Ra) des porösen Trägers 44 beträgt vorzugsweise 0,1 µm bis 2,0 µm und mehr bevorzugt 0,2 µm bis 1,0 µm. Die Ra des porösen Trägers 44 kann mit einem Stift-Oberflächenrauheitsmessgerät gemessen werden.
Wenn der poröse Träger 44 eine monolithische Form aufweist, kann dessen Länge in Längsrichtung auf 100 bis 2000 mm eingestellt werden und dessen Durchmesser in radialer Richtung kann auf 5 bis 300 mm eingestellt werden, jedoch unterliegt dies keiner Beschränkung. Wenn der poröse Träger 44 eine monolithische Form aufweist, können 30 bis 2500 Zellen 43 mit einem Durchmesser von 1 bis 5 mm in dem porösen Träger 44 gebildet werden. Beispielsweise kann der Abstand zwischen Mittelachsen benachbarter Zellen 43 auf 0,3 mm bis 10 mm eingestellt werden. Wenn der poröse Träger 44 eine rohrförmige Form aufweist, kann die Dicke des porösen Trägers 44 beispielsweise auf 0,1 mm bis 10 mm eingestellt werden.
Der poröse Träger 44 ist ein poröser Körper mit einer Mehrzahl von offenen Poren. Die durchschnittliche Porengröße des porösen Trägers 44 muss lediglich eine Größe sein, bei der die membrandurchdringende Substanz 12 (vorwiegend Wasser) in dem durch die Trennmembran 45 hindurchgetretenen Flüssigkeitsgemisch die Poren passieren kann. Die Permeationsmenge der membrandurchdringenden Substanz 12 kann durch Vergrößern der durchschnittlichen Porengröße des porösen Trägers 44 erhöht werden. Die Festigkeit des porösen Trägers 44 kann durch Vermindern der durchschnittlichen Porengröße des porösen Trägers 44 erhöht werden. Die durchschnittliche Porengröße des porösen Trägers 44 kann beispielsweise 0,01 µm oder mehr und 5 µm oder weniger betragen. Die durchschnittliche Porengröße des porösen Trägers 44 kann, abhängig von der Porengröße, mit einem Quecksilbereindringverfahren, einem in ASTM F316 beschriebenen Luftströmungsverfahren oder einer Perm-Porosimetrie gemessen werden. Die Porosität des porösen Trägers 44 ist nicht speziell beschränkt und kann beispielsweise 25 % bis 50 % betragen. Im Hinblick auf eine kumulative Volumenverteilung der Porengröße des porösen Trägers 44 kann beispielsweise D5 0,1 µm bis 50 µm betragen, D50 kann 0,5 µm bis 70 µm betragen und D95 kann 10 µm bis 2000 µm betragen.
Die durchschnittliche Teilchengröße des porösen Trägers 44 ist nicht speziell beschränkt und kann beispielsweise 0,1 µm oder mehr und 100 µm oder weniger betragen. Die durchschnittliche Teilchengröße des porösen Trägers 44 bezieht sich auf einen arithmetischen Mittelwert der maximalen Durchmesser von 30 Teilchen, die durch eine Querschnittsuntersuchung mit einem SEM (Rasterelektronenmikroskop) gemessen werden. 30 zu messende Teilchen müssen lediglich zufällig in einem SEM-Bild ausgewählt werden.
Der poröse Träger 44 kann eine Einschichtstruktur, in der die Poren eine einheitliche Größe aufweisen, oder eine Mehrschichtstruktur aufweisen, in der die Poren unterschiedliche Größen aufweisen. Wenn der poröse Träger 44 eine Mehrschichtstruktur aufweist, ist es bevorzugt, dass, je näher eine Schicht an der Trennmembran 45 vorliegt, die durchschnittliche Porengröße desto kleiner ist. Wenn der poröse Träger 44 eine Mehrschichtstruktur aufweist, bezieht sich die durchschnittliche Porengröße des porösen Trägers 44 auf eine durchschnittliche Porengröße einer äußersten Schicht, die mit der Trennmembran 45 in Kontakt steht. Wenn der poröse Träger 44 eine Mehrschichtstruktur aufweist, kann jede Schicht aus mindestens einem der vorstehend beschriebenen Materialien bestehen und die Materialien, die Schichten bilden, können voneinander verschieden sein.
Trennmembran 45
Die Trennmembran 45 ist auf einer Innenoberfläche des porösen Trägers 44 ausgebildet. Die Trennmembran 45 ist in einer Röhrenform ausgebildet. Der Raum innerhalb der Trennmembran 45 ist der zuführungsseitige Raum 4S und der Raum außerhalb der Trennmembran 45 (d.h., der Raum auf der Seite des porösen Trägers 44) ist der permeationsseitige Raum 4T. In der vorliegenden Ausführungsform ist der zuführungsseitige Raum 4S eine Zelle 43. Der permeationsseitige Raum 4T umfasst nicht nur den Außenraum des porösen Trägers 44, sondern auch den Innenraum des porösen Trägers 44:
Daher ist eine Oberfläche der Trennmembran 45 auf den zuführungsseitigen Raum 4S gerichtet und die andere Oberfläche der Trennmembran 45 ist auf den permeationsseitigen Raum 4T gerichtet. Wenn das Gemisch 11 dem zuführungsseitigen Raum 4S zugeführt wird, kommt das Gemisch 11 mit der einen Oberfläche der Trennmembran 45 in Kontakt. Wenn in diesem Zustand der Druck im permeationsseitigen Raum 4T vermindert wird, durchdringt die in dem Gemisch 11 enthaltene membrandurchdringende Substanz 12 die Trennmembran 45. Die membrandurchdringende Substanz 12 ist Wasser oder eine Lösung oder ein Gas, in der oder dem Wasser konzentriert ist. Wie es vorstehend beschrieben ist, wird die durch die Trennmembran 45 hindurchgetretene membrandurchdringende Substanz 12 von der Druckverminderungsvorrichtung 60 angesaugt und im Abscheidungsabschnitt 50 abgeschieden.
Die Trennmembran 45 umfasst eine erste Zeolithmembran 45a, die auf dem porösen Träger 44 ausgebildet ist, und eine zweite Zeolithmembran 45b, die an die erste Zeolithmembran 45a angrenzt. Ein erster Zeolith, der die erste Zeolithmembran 45a bildet, und ein zweiter Zeolith, der die zweite Zeolithmembran 45b bildet, weisen dieselbe Grundgerüststruktur auf. Der zweite Zeolith weist ein niedrigeres Si/Al-Atomverhältnis auf als dasjenige des ersten Zeolithen.
Die Grundgerüststruktur eines Zeolithen bezieht sich auf eine Struktur, die durch einen IUPAC-Strukturkode angegeben wird, der durch die „Structure Commission of the International Zeolite Association“ festgelegt wird. Die Grundgerüststruktur des ersten Zeolithen und des zweiten Zeolithen ist nicht speziell beschränkt, jedoch sind bevorzugte Strukturen MFI, DDR, MEL, BEA und CHA, die eine hohe chemische Stabilität aufweisen, und besonders bevorzugte Strukturen sind MFI und MEL, die als Poren mit der größten Porengröße Poren aufweisen, die durch 10-gliedrige Sauerstoffringe ausgebildet sind, die eine Erhöhung der Wasserpermeationsmenge erleichtern, während die Dehydratisierungsleistung aufrechterhalten wird.
Ein 10-gliedriger Sauerstoffring wird auch einfach als „10-gliedriger Ring“ bezeichnet und ist ein Abschnitt, in dem die Anzahl von Sauerstoffatomen, die das Porengrundgerüst bilden, zehn ist, und Sauerstoffatome mit einem Si-Atom, einem Al-Atom und dergleichen unter Bildung einer Ringstruktur verbunden sind. Es sollte beachtet werden, dass 10-gliedrige Sauerstoffringe diejenigen umfassen, die Durchgangslöcher (Kanäle) bilden und solche nicht umfassen, die keine Durchgangslöcher bilden.
In dem ersten Zeolithen und dem zweiten Zeolithen kann mindestens ein Teil von Silizium (Si) und Aluminium (Al), die Atome (T-Atome) sind, die sich an Zentren von Sauerstoff-Tetraedern (TO₄) befinden, welche die Zeolithe bilden, durch ein anderes Element substituiert werden.
Die erste Zeolithmembran 45a und die zweite Zeolithmembran 45b können mit einem bekannten Hydrothermalsyntheseverfahren gebildet werden.
Nachstehend ist ein Fall beschrieben, bei dem die Grundgerüststruktur von Zeolithen, welche die Trennmembran 45 bilden, eine MFI-Struktur ist, jedoch ist die Grundgerüststruktur nicht auf diese Struktur beschränkt.
Ein Zeolith mit einer MFI-Struktur weist als Poren, die durch 10-gliedrige Sauerstoffringe gebildet werden, Poren, die eine Hauptachse von 5,6 nm und eine Nebenachse von 5,3 nm aufweisen, und Poren auf, die eine Hauptachse von 5,5 nm und eine Nebenachse von 5,1 nm aufweisen.
In der nachstehenden Beschreibung wird die erste Zeolithmembran 45a mit einer MFI-Struktur als „erste MFI-Zeolithmembran 45a“ abgekürzt und die zweite Zeolithmembran 45b mit einer MFI-Struktur wird als „zweite MFI-Zeolithmembran 45b“ abgekürzt. Ferner wird der erste Zeolith mit einer MFI-Struktur und der die erste MFI-Zeolithmembran 45a bildet, als „erster MFI-Zeolith“ abgekürzt, und der zweite Zeolith mit einer MFI-Struktur und der die zweite MFI-Zeolithmembran 45b bildet, wird als „zweiter MFI-Zeolith“ bezeichnet.
Die 4 ist ein SEM (Rasterelektronenmikroskop)-Bild, das einen Querschnitt der Trennmembran 45 zeigt.
Die erste MFI-Zeolithmembran 45a ist auf den permeationsseitigen Raum 4T gerichtet. Die erste MFI-Zeolithmembran 45a ist auf einer Oberfläche des porösen Trägers 44 ausgebildet. Wenn der poröse Träger 44 eine Wabenstruktur aufweist, wird die erste MFI-Zeolithmembran 45a auf einer Innenoberfläche des porösen Trägers 44 ausgebildet.
Die erste MFI-Zeolithmembran 45a ist aus dem ersten MFI-Zeolithen ausgebildet. Das Si/Al-Atomverhältnis des ersten MFI-Zeolithen ist nicht speziell beschränkt und kann z.B. auf 1,5 oder höher eingestellt werden und ist vorzugsweise 200 oder höher. Ein Zeolith, der ein Si/Al-Atomverhältnis von 200 oder höher aufweist, ist ein Zeolith mit hohem Siliziumoxidgehalt. Demgemäß enthält die erste MFI-Zeolithmembran 45a, die aus einem Zeolithen mit hohem Siliziumoxidgehalt ausgebildet ist, im Wesentlichen kein Aluminium und ist aus Siliziumatomen und Sauerstoffatomen ausgebildet.
Der erste MFI-Zeolith weist ein höheres Si/Al-Atomverhältnis auf als dasjenige des zweiten MFI-Zeolithen und demgemäß ist die erste MFI-Zeolithmembran 45a hydrophober als die zweite MFI-Zeolithmembran 45b. Daher kann die membrandurchdringende Substanz 32, die durch die zweite MFI-Zeolithmembran 45b hindurchgetreten ist, schnell durch die erste MFI-Zeolithmembran 45a zu der Seite des porösen Träger 44 hindurchtreten. Dies erhöht die Wasserpermeationsmenge der Trennmembran 45 in einer Kombination mit einem Effekt aufgrund der Hydrophilie der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b, die später beschrieben wird. Insbesondere wenn die erste MFI-Zeolithmembran 45a aus einem Zeolithen mit hohem Siliziumoxidgehalt ausgebildet ist, kann dieser Effekt des Erhöhens der Wasserpermeationsmenge weiter verstärkt werden.
Ferner kann dann, wenn die erste MFI-Zeolithmembran 45a aus einem Zeolithen mit hohem Siliziumoxidgehalt ausgebildet ist, eine Oberfläche der ersten MFI-Zeolithmembran 45a ausreichend aktiviert werden und daher kann die Haftung zwischen der ersten MFI-Zeolithmembran 45a und der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b bei der Bildung der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b verbessert werden.
Ferner kann dann, wenn die erste MFI-Zeolithmembran 45a aus einem Zeolithen mit hohem Siliziumoxidgehalt ausgebildet ist, die Korrosionsbeständigkeit der ersten MFI-Zeolithmembran 45a verbessert werden und das Auftreten eines Membrandefekts kann vermindert werden.
Es sollte beachtet werden, dass das Si/Al-Atomverhältnis des ersten MFI-Zeolithen durch Einstellen der Zusammensetzung einer Ausgangsmateriallösung eingestellt werden kann, die bei der Hydrothermalsynthese verwendet wird. Das Si/Al-Atomverhältnis des ersten MFI-Zeolithen kann unter Verwendung einer Elektronenmikroskop-energiedispersive Röntgenspektroskopie (SEM-EDX) gemessen werden.
Die erste MFI-Zeolithmembran 45a kann auch ein anorganisches Bindemittel, wie z.B. Siliziumoxid oder Aluminiumoxid, ein organisches Bindemittel, wie z.B. ein Polymer, ein Silylierungsmittel oder dergleichen, zusätzlich zu dem Zeolithen enthalten.
Die erste MFI-Zeolithmembran 45a ist in der Form einer Membran ausgebildet. Die Dicke der ersten MFI-Zeolithmembran 45a ist nicht speziell beschränkt und kann z.B. auf 0,1 µm bis 10 µm eingestellt werden. Die Wasserpermeationsmenge kann ferner durch Vermindern der Dicke der ersten MFI-Zeolithmembran 45a erhöht werden und die Selektivität und die Membranfestigkeit können durch Erhöhen der Dicke der ersten MFI-Zeolithmembran 45a verbessert werden. Die Dicke der ersten MFI-Zeolithmembran 45a kann durch Einstellen der Dauer der Hydrothermalsynthesezeit und der Synthesetemperatur eingestellt werden. Die Oberflächenrauheit (Ra) der ersten MFI-Zeolithmembran 45a beträgt vorzugsweise 5 µm oder weniger und mehr bevorzugt 2 µm oder weniger. Die Ra der ersten MFI-Zeolithmembran 45a wird mit einem konfokalen Lasermikroskop gemessen, das für eine dreidimensionale Messung verwendet werden kann, wobei Werte von Ra in 10 zufällig ausgewählten Sichtfeldern von 100 µm im Quadrat erhalten werden, wobei die Welligkeit des porösen Trägers 44 korrigiert wird und der kleinste Wert der so erhaltenen Werte als Wert von Ra verwendet wird.
Die zweite MFI-Zeolithmembran 45b ist auf den zuführungsseitigen Raum 4S gerichtet. Die zweite MFI-Zeolithmembran 45b ist in einem direkten Kontakt mit einer Oberfläche der ersten MFI-Zeolithmembran 45a. In der vorliegenden Ausführungsform wird bzw. ist die zweite MFI-Zeolithmembran 45b auf der Oberfläche der ersten MFI-Zeolithmembran 45a ausgebildet.
Die zweite MFI-Zeolithmembran 45b ist aus dem zweiten MFI-Zeolithen ausgebildet, der ein niedrigeres Si/Al-Atomverhältnis aufweist als dasjenige des ersten MFI-Zeolithen. Das Si/Al-Atomverhältnis des zweiten MFI-Zeolithen ist nicht speziell beschränkt und kann z.B. auf niedriger als 200 eingestellt werden und ist vorzugsweise 60 oder niedriger. Ein Zeolith, der ein Si/Al-Atomverhältnis von 60 oder niedriger aufweist, ist ein Zeolith mit niedrigem Siliziumoxidgehalt. Demgemäß ist die zweite MFI-Zeolithmembran 45b, die aus einem Zeolithen mit niedrigem Siliziumoxidgehalt ausgebildet ist, im Wesentlichen aus Siliziumatomen, Aluminiumatomen, Sauerstoffatomen und mindestens einer Art von Atom, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Alkalimetallen, wie z.B. Natrium (Na), Erdalkalimetallen, wie z.B. Magnesium (Mg), und Wasserstoff (H), ausgebildet.
Der zweite MFI-Zeolith weist ein niedrigeres Si/Al-Atomverhältnis auf als dasjenige des ersten MFI-Zeolithen, und demgemäß ist die zweite MFI-Zeolithmembran 45b hydrophiler als die erste MFI-Zeolithmembran 45a. Daher kann Wasser, das in dem Gemisch 31 enthalten ist, an der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b adsorbiert werden, und es kann bewirkt werden, dass es selektiv und effizient durch die zweite MFI-Zeolithmembran 45b zu der Seite der ersten MFI-Zeolithmembran 45a hindurchtritt. Dies erhöht die Wasserpermeationsmenge der Trennmembran 45 in einer Kombination mit dem vorstehend beschriebenen Effekt aufgrund der Hydrophobie der ersten MFI-Zeolithmembran 45a. Insbesondere wenn die zweite MFI-Zeolithmembran 45b aus einem Zeolithen mit niedrigem Siliziumoxidgehalt ausgebildet ist, kann dieser Effekt des Erhöhens der Wasserpermeationsmenge weiter verstärkt werden.
Der zweite MFI-Zeolith weist dieselbe Grundgerüststruktur auf wie diejenige des ersten MFI-Zeolithen und demgemäß weisen der zweite MFI-Zeolith und der erste MFI-Zeolith gemeinsame Kompositaufbaueinheiten auf. Dies verbessert die Haftung zwischen der ersten MFI-Zeolithmembran 45a und der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b, das Membranbildungsvermögen der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b und die Trennleistung der ersten und der zweiten MFI-Zeolithmembran 45a, 2b.
Eine Kompositaufbaueinheit eines Zeolithen bezieht sich auf eine Einheitsstruktur, welche die Grundgerüststruktur des Zeolithen bildet. Details von Kompositaufbaueinheiten von Zeolithen sind in der International Zeolite Association (IZA) „Database of Zeolite Structures“ [online], [recherchiert am 28. Februar 2017], <URL:http://www.izastructure.org/databases/> beschrieben.
Es sollte beachtet werden, dass das Si/Al-Atomverhältnis des zweiten MFI-Zeolithen durch Einstellen der Zusammensetzung einer Ausgangsmateriallösung eingestellt werden kann, die in der Hydrothermalsynthese verwendet wird. Das Si/Al-Atomverhältnis des zweiten MFI-Zeolithen kann unter Verwendung von SEM-EDX gemessen werden.
Die zweite MFI-Zeolithmembran 45b wird in der Form einer Membran ausgebildet. Die Dicke der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b ist nicht speziell beschränkt und kann z.B. auf 0,1 µm bis 3,0 µm eingestellt werden. Die Wasserpermeationsmenge kann durch Vermindern der Dicke der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b weiter erhöht werden und die Selektivität und die Membranfestigkeit können durch Erhöhen der Dicke der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b verbessert werden. Die Dicke der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b kann durch Einstellen der Dauer der Hydrothermalsynthesezeit und der Synthesetemperatur eingestellt werden. Es ist bevorzugt, dass die zweite MFI-Zeolithmembran 45b dünner ist als die erste MFI-Zeolithmembran 45a, und zwar in Bezug auf das weitere Erhöhen der Wasserpermeationsmenge. Die Oberflächenrauheit (Ra) der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b beträgt vorzugsweise 5 µm oder weniger und mehr bevorzugt 2 µm oder weniger. Die Ra der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b wird mit einem konfokalen Lasermikroskop gemessen, das für eine dreidimensionale Messung verwendet werden kann, wobei Werte von Ra in 10 zufällig ausgewählten Sichtfeldern von 100 µm im Quadrat erhalten werden, wobei die Welligkeit des porösen Trägers 44 korrigiert wird und der kleinste Wert der so erhaltenen Werte als Wert von Ra verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung des porösen Trägers 44 und der Trennmembran 45
Herstellung des porösen Trägers 44
Ein Presskörper wird durch Formen eines keramischen Materials zu einer gewünschten Form unter Verwendung eines Extrusionsformverfahrens, eines Formpressverfahrens, eines Gießformverfahrens oder dergleichen gebildet.
Dann wird der poröse Träger 44 durch Brennen (z.B. 900 °C bis 1450 °C) des Presskörpers gebildet. Der poröse Träger 44 kann eine durchschnittliche Porengröße von 0,01 µm oder mehr und 5 µm oder weniger aufweisen.
Bei der Herstellung eines porösen Trägers 44, der eine Mehrschichtstruktur aufweist, wird eine Aufschlämmung, die ein keramisches Material enthält, auf eine Oberfläche eines gebrannten Presskörpers mittels Filtration oder dergleichen aufgebracht und danach wird der Presskörper gebrannt.
Bildung der ersten MFI-Zeolithmembran 45a
Als nächstes wird die erste MFI-Zeolithmembran 45a, die aus dem ersten MFI-Zeolithen ausgebildet ist, auf einer Oberfläche des porösen Trägers 44 ausgebildet. Die erste MFI-Zeolithmembran 45a kann unter Verwendung eines bekannten Hydrothermalsyntheseverfahrens gebildet werden.
Die erste MFI-Zeolithmembran 45a kann unter Verwendung von Zeolithimpfkristallen oder ohne die Verwendung von Zeolithimpfkristallen gebildet werden. Das Si/Al-Atomverhältnis des ersten MFI-Zeolithen kann z.B. durch Einstellen der Zusammensetzung einer Ausgangsmateriallösung (die z.B. eine Si-Quelle, eine AI-Quelle, ein organisches strukturbestimmendes Mittel und Wasser umfasst), die in der Hydrothermalsynthese verwendet wird, auf 200 oder höher eingestellt werden. Kolloidales Siliziumoxid, pyrogenes Siliziumoxid, Tetraethoxysilan, Natriumsilikat oder dergleichen können z.B. als Si-Quelle verwendet werden. Aluminiumisopropoxid, Aluminiumhydroxid, Natriumaluminat, ein Aluminiumoxidsol oder dergleichen können z.B. als AI-Quelle verwendet werden. Tetrapropylammoniumhydroxid, Tetrapropylammoniumbromid, Tetrapropylammoniumchlorid oder dergleichen können z.B. als organisches strukturbestimmendes Mittel verwendet werden.
Ein organisches strukturbestimmendes Mittel, das in dem ersten MFI-Zeolithen enthalten ist, kann nach der Bildung der ersten MFI-Zeolithmembran 45a oder nach der Bildung der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b ausgebrannt werden. Es ist mehr bevorzugt, das organische strukturbestimmende Mittel nach der Bildung der ersten MFI-Zeolithmembran 45a auszubrennen, da in einem solchen Fall, wenn ein Defekt in der ersten MFI-Zeolithmembran 45a als Ergebnis der Entfernung des organischen strukturbestimmenden Mittels erzeugt wird, der Defekt durch die zweite MFI-Zeolithmembran 45b bedeckt wird.
Bildung der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b
Als nächstes wird die zweite MFI-Zeolithmembran 45b, die aus dem zweiten MFI-Zeolithen ausgebildet ist, auf einer Oberfläche der ersten MFI-Zeolithmembran 45a gebildet. Die zweite MFI-Zeolithmembran 45b kann unter Verwendung eines bekannten Hydrothermalsyntheseverfahrens gebildet werden.
Die zweite MFI-Zeolithmembran 45b kann unter Verwendung von Zeolithimpfkristallen oder ohne die Verwendung von Zeolithimpfkristallen gebildet werden. Das Si/Al-Atomverhältnis des zweiten MFI-Zeolithen kann z.B. durch Einstellen der Zusammensetzung einer Ausgangsmateriallösung (die z.B. eine Na-Quelle, eine Si-Quelle, eine AI-Quelle, ein organisches strukturbestimmendes Mittel und Wasser umfasst), die in der Hydrothermalsynthese verwendet wird, auf 60 oder niedriger eingestellt werden. Natriumhydroxid, Natriumaluminat, Natriumchlorid, Natriumfluorid oder dergleichen können z.B. als Na-Quelle verwendet werden. Kolloidales Siliziumoxid, pyrogenes Siliziumoxid, Tetraethoxysilan, Natriumsilikat oder dergleichen können z.B. als Si-Quelle verwendet werden. Aluminiumisopropoxid, Aluminiumhydroxid, Natriumaluminat, ein Aluminiumoxidsol oder dergleichen können z.B. als AI-Quelle verwendet werden. Tetrapropylammoniumhydroxide, Tetrapropylammoniumbromid, Tetrapropylammoniumchlorid oder dergleichen können z.B. als organisches strukturbestimmendes Mittel verwendet werden.
Wenn der zweite MFI-Zeolith ein organisches strukturbestimmendes Mittel enthält, ist es bevorzugt, dass die Stickstoffgas-Permeationsgeschwindigkeit der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b vor dem Ausbrennen des organischen strukturbestimmenden Mittels 0,75 nmol/(m² · s· Pa) oder weniger beträgt. Wenn der zweite MFI-Zeolith kein organisches strukturbestimmendes Mittel enthält, ist es bevorzugt, dass die Stickstoffgas-Permeationsgeschwindigkeit der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b, nachdem die zweite MFI-Zeolithmembran 45b ausreichend gesättigtem Wasserdampf ausgesetzt worden ist, 0,75 nmol/(m² · s · Pa) oder weniger beträgt. Eine Stickstoffgas-Permeationsgeschwindigkeit von 0,75 nmol/(m² · s · Pa) oder weniger bedeutet, dass die zweite MFI-Zeolithmembran 45b in der Form einer Membran ausgebildet ist.
Es sollte beachtet werden, dass ein organisches strukturbestimmendes Mittel, das in dem zweiten MFI-Zeolithen enthalten ist, nach der Bildung der zweiten MFI-Zeolithmembran 45b ausgebrannt wird.
Dehydratisierungsverfahren
Ein Dehydratisierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum selektiven Trennen von Wasser von dem Wasser-enthaltenden Gemisch 11 durch Erzeugen einer Druckdifferenz zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der Trennmembran 45.
Insbesondere wird das Gemisch 11 dem Raum 4S auf der Zuführungsseite der Trennmembran 45 (insbesondere der zweiten Zeolithmembran 45b) derart zugeführt, dass das Gemisch 11 mit einer Oberfläche der Trennmembran 45 in Kontakt kommt, und danach wird der Druck in dem Raum 4T auf der Permeationsseite der Trennmembran 45 (insbesondere der ersten Zeolithmembran 45a) vermindert, wodurch bewirkt wird, dass Wasser selektiv durch die Trennmembran 45 hindurchtritt und getrennt wird.
In dem Dehydratisierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Trennmembran 45, die eine hohe Dauerbeständigkeit gegen Wasser aufweist, als Trennmembran verwendet, und daher kann die Dehydratisierungsleistung über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden.
Es sollte beachtet werden, dass dann, wenn das Gemisch 11 in der Form einer Flüssigkeit zugeführt wird, ein Pervaporationsverfahren verwendet werden kann, und wenn das Gemisch 11 in der Form eines Gases oder überkritischen Gases zugeführt wird, ein Dampfpermeationsverfahren verwendet werden kann.
Bei der Anwendung des Pervaporationsverfahrens ist der Druck im Raum 4S auf der Zuführungsseite der Trennmembran 45 nicht speziell beschränkt, ist jedoch vorzugsweise Atmosphärendruck. Der Druck im Raum 4T auf der Permeationsseite der Trennmembran 45 ist nicht speziell beschränkt und beträgt vorzugsweise 8 × 10⁴ Pa oder weniger, mehr bevorzugt 1 × 10^-2 bis 5 × 10⁴ Pa und besonders bevorzugt 1 × 10^-1 bis 2 × 10⁴ Pa. Die Temperatur des Gemischs 11 ist nicht speziell beschränkt, sondern beträgt vorzugsweise 50 °C bis 160 °C und mehr bevorzugt 60 °C bis 150 °C. Dadurch kann Wasser bei niedriger Temperatur von dem Gemisch 11 getrennt werden und somit kann eine Trennung ohne großen Energieaufwand durchgeführt werden. Wenn die Temperatur des Gemischs 11 höher als 160 °C ist, können die Energiekosten steigen, und wenn die Temperatur niedriger als 50 °C ist, kann die Trenngeschwindigkeit sinken.
Bei der Anwendung des Dampfpermeationsverfahrens ist der Druck im Raum 4S auf der Zuführungsseite der Trennmembran 45 nicht speziell beschränkt, beträgt jedoch vorzugsweise 1 × 10⁵ bis 2,5 × 10⁷ Pa, und ein höherer Druck ist im Hinblick auf die Trenngeschwindigkeit mehr bevorzugt. Wenn die Druckdifferenz zwischen dem zuführungsseitigen Raum 4S und dem permeationsseitigen Raum 4T 2,5 × 10⁷ Pa oder mehr beträgt, kann die Trennmembran 45 beschädigt werden oder die Gasdichtigkeit kann beeinträchtigt werden. Der Druck im Raum 4T auf der Permeationsseite der Trennmembran 45 muss lediglich niedriger sein als der Druck im zuführungsseitigen Raum 4S, beträgt jedoch vorzugsweise 8 × 10⁴ Pa oder weniger, mehr bevorzugt 1 × 10^-2 bis 5 × 10⁴ Pa und besonders bevorzugt 1 × 10^-1 bis 2 × 10⁴ Pa. Die Temperatur des Gemischs 11 ist nicht speziell beschränkt, ist jedoch vorzugsweise 50 °C oder höher, mehr bevorzugt 100 °C bis 400 °C und besonders bevorzugt 100 °C bis 200 °C, und zwar im Hinblick auf die Energiekosten. Wenn die Temperatur des Gemischs 11 niedriger als 50 °C ist, kann die Trenngeschwindigkeit abnehmen. Wenn die Temperatur des Gemischs 11 höher als 400 °C ist, kann sich die Membran zersetzen.
Der Wasserpermeationsfluss der Trennmembran 45 bei 50 °C beträgt vorzugsweise 2 kg/(m² · Stunde) oder mehr, mehr bevorzugt 3 kg/(m² · Stunde) oder mehr und besonders bevorzugt 5 kg/(m² . Stunde) oder mehr, um die Dehydratisierungsleistung zu verbessern. Der Wasserpermeationsfluss kann dadurch bestimmt werden, dass dem Raum 4S auf der Zuführungsseite der Trennmembran 45 auf 50 °C erwärmtes reines Wasser zugeführt wird, der Druck im Raum 4T auf der Permeationsseite der Trennmembran 45 auf 50 Torr vermindert wird und der durch die Trennmembran 45 hindurchgetretene Wasserdampf gesammelt wird.
Weitere Ausführungsformen
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Struktur des Trennbehälters 40 in Bezug auf die 1 und 2 beschrieben, wobei der Trennbehälter jedoch nicht auf diese Struktur beschränkt ist. Der Trennbehälter 40 muss lediglich eine Struktur aufweisen, die den Gehäuseabschnitt 41, die Membranstruktur 42, die Trennmembran 45 und den porösen Träger 44 umfasst, und ist so konfiguriert, dass das vorstehend beschriebene Dehydratisierungsverfahren durchführt werden kann.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst die Dehydratisierungsvorrichtung 100 als ein Beispiel für eine „Druckänderungsvorrichtung“ die Druckverminderungsvorrichtung 60, die den Druck im permeationsseitigen Raum 4T vermindert, jedoch kann die Dehydratisierungsvorrichtung 100 eine Druckerhöhungsvorrichtung umfassen, die den Druck im zuführungsseitigen Raum 4S anstelle oder zusätzlich zu der Druckverminderungsungsvorrichtung 60 erhöht.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Trennmembran 45 in einer Röhrenform ausgebildet, jedoch kann die Trennmembran 45 in einer polygonalen röhrenartigen Form, einer flachen plattenartigen Form oder dergleichen gemäß der Form des porösen Trägers 44 ausgebildet sein.
Wie es in der 3 gezeigt ist, ist in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Trennmembran 45 auf dem porösen Träger 44 ausgebildet und umfasst die erste Zeolithmembran 45a, die auf den permeationsseitigen Raum 4T gerichtet ist, und die zweite Zeolithmembran 45b, die an die erste Zeolithmembran 45a angrenzt und auf den zuführungsseitigen Raum 4S gerichtet ist, jedoch ist die Trennmembran 45 nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Beispielsweise kann, wie es in der 5 gezeigt ist, die Trennmembran 45 die erste Zeolithmembran 45a, die auf der zweiten Zeolithmembran 45b ausgebildet ist und auf den permeationsseitigen Raum 4T gerichtet ist, und die zweite Zeolithmembran 45b umfassen, die auf dem porösen Träger 44 ausgebildet ist und auf den zuführungsseitigen Raum 4S gerichtet ist. Auch bei dem Aufbau der Trennmembran 45, der in der 5 gezeigt ist, ist die erste Zeolithmembran 45a auf den permeationsseitigen Raum 4T gerichtet, und die zweite Zeolithmembran 45b ist auf den zuführungsseitigen Raum 4S gerichtet und grenzt an die erste Zeolithmembran 45a an. In diesem Fall umfasst der zuführungsseitige Raum 4S nicht nur den Außenraum des porösen Trägers 44, sondern auch den Innenraum des porösen Trägers 44.
Wie es in der 3 gezeigt ist, ist in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Trennmembran 45 auf dem porösen Träger 44 angeordnet, jedoch ist die Trennmembran 45 nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Beispielsweise kann, wie es in der 6 gezeigt ist, die Trennmembran 45 eine unabhängige Membran sein, die nicht durch den porösen Träger 44 geträgert bzw. gestützt ist. Auch bei dem Aufbau der Trennmembran 45, der in der 6 gezeigt ist, ist die erste Zeolithmembran 45a auf den permeationsseitigen Raum 4T gerichtet, und die zweite Zeolithmembran 45b ist auf den zuführungsseitigen Raum 4S gerichtet und grenzt an die erste Zeolithmembran 45a an.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst die Trennmembran 45 die erste Zeolithmembran 45a und die zweite Zeolithmembran 45b, jedoch kann die Trennmembran 45 ferner eine Funktionsmembran oder eine Schutzmembran umfassen, die schichtartig auf der zweiten Zeolithmembran 45b angeordnet ist. Eine solche Funktionsmembran oder Schutzmembran ist nicht auf eine Zeolithmembran beschränkt und kann eine anorganische Membran, wie z.B. eine Kohlenstoffmembran oder eine Siliziumoxidmembran, oder eine organische Membran, wie z.B. eine Polyimidmembran oder eine Silikonmembran, sein.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden Zeolithe, die eine MFI-Struktur als Grundgerüststruktur aufweisen, als Zeolithe verwendet, welche die Trennmembran 45 bilden, jedoch kann auch ein Zeolith mit einer Grundgerüststruktur verwendet werden, die von der MFI-Struktur verschieden ist. Die Trennmembran 45 kann aus Zeolithen mit nur einer Art von Grundgerüststruktur oder Zeolithen mit verschiedenen Arten einer Grundgerüststruktur ausgebildet sein. Wenn die Trennmembran 45 aus Zeolithen mit verschiedenen Arten einer Grundgerüststruktur ausgebildet ist, müssen der erste Zeolith und der zweite Zeolith lediglich mindestens eine Art von Zeolith mit derselben Grundgerüststruktur umfassen.
Bezugszeichenliste

11: Gemisch
12: Membrandurchdringende Substanz
40: Trennbehälter
41: Gehäuseabschnitt
42: Membranstruktur
43: Zelle
44: Poröser Träger
45: Trennmembran
45a: Erste Zeolithmembran (erste MFI-Zeolithmembran)
45b: Zweite Zeolithmembran (zweite MFI-Zeolithmembran)
50: Abscheidungsvorrichtung
60: Druckverminderungsvorrichtung
100: Dehydratisierungsvorrichtung
4S: Zuführungsseitiger Raum
4T: Permeationsseitiger Raum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2007/119286 [0003]

Claims

Dehydratisierungsverfahren zum selektiven Trennen von Wasser von einem Wasser-enthaltenden Gemisch unter Verwendung einer Trennmembran, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt des Zuführens des Gemischs zu einem zuführungsseitigen Raum der Trennmembran; und einen Schritt des Erzeugens einer Druckdifferenz zwischen dem zuführungsseitigen Raum und einem permeationsseitigen Raum der Trennmembran, wobei die Trennmembran umfasst: eine erste Zeolithmembran, die so ausgebildet ist, dass sie auf den permeationsseitigen Raum gerichtet ist und aus einem ersten Zeolithen ausgebildet ist; und eine zweite Zeolithmembran, die so ausgebildet ist, dass sie auf den zuführungsseitigen Raum gerichtet ist und an die erste Zeolithmembran angrenzt, und wobei die zweite Zeolithmembran aus einem zweiten Zeolithen ausgebildet ist, der dieselbe Grundgerüststruktur wie das Grundgerüst des ersten Zeolithen aufweist und ein niedrigeres Si/Al-Atomverhältnis als das Si/Al-Atomverhältnis des ersten Zeolithen aufweist.
Dehydratisierungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Zeolith ein Zeolith mit hohem Siliziumoxidgehalt ist und der zweite Zeolith ein Zeolith mit niedrigem Siliziumoxidgehalt ist.
Dehydratisierungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Grundgerüststruktur des ersten Zeolithen und des zweiten Zeolithen jedwede von MFI, DDR, MEL, BEA oder CHA ist.
Dehydratisierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Grundgerüststruktur des ersten Zeolithen und des zweiten Zeolithen MFI oder MEL ist.
Dehydratisierungsvorrichtung, umfassend: einen Trennbehälter, der so ausgebildet ist, dass er eine erste Zeolithmembran, die auf einen permeationsseitigen Raum gerichtet ist, eine zweite Zeolithmembran, die auf einen zuführungsseitigen Raum gerichtet ist und an die erste Zeolithmembran angrenzt, und einen Gehäuseabschnitt umfasst, der in den zuführungsseitigen Raum und den permeationsseitigen Raum unterteilt ist; und eine Druckänderungsvorrichtung, die zum Erhöhen des Drucks in dem zuführungsseitigen Raum und/oder Vermindern des Drucks in dem permeationsseitigen Raum ausgebildet ist, wobei ein erster Zeolith, der die erste Zeolithmembran bildet, mindestens ein Siliziumatom und ein Sauerstoffatom enthält, und ein zweiter Zeolith, der die zweite Zeolithmembran bildet, dieselbe Grundgerüststruktur wie das Grundgerüst des ersten Zeolithen aufweist, wobei der zweite Zeolith ein niedrigeres Si/Al-Atomverhältnis als das Si/Al-Atomverhältnis des ersten Zeolithen aufweist, und der zweite Zeolith mindestens ein Siliziumatom, ein Aluminiumatom, ein Sauerstoffatom und mindestens eine Art von Atom, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Wasserstoff, enthält.
Dehydratisierungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher der erste Zeolith ein Zeolith mit hohem Siliziumoxidgehalt ist und der zweite Zeolith ein Zeolith mit niedrigem Siliziumoxidgehalt ist.
Dehydratisierungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Grundgerüststruktur des ersten Zeolithen und des zweiten Zeolithen jedwede von MFI, DDR, MEL, BEA oder CHA ist.
Dehydratisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die Grundgerüststruktur des ersten Zeolithen und des zweiten Zeolithen MFI oder MEL ist.