JP2001515404A - 液体処理装置 - Google Patents

液体処理装置

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JP2001515404A JP54010898A JP54010898A JP2001515404A JP 2001515404 A JP2001515404 A JP 2001515404A JP 54010898 A JP54010898 A JP 54010898A JP 54010898 A JP54010898 A JP 54010898A JP 2001515404 A JP2001515404 A JP 2001515404A
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    • B01J41/04Processes using organic exchangers

Abstract

(57)【要約】 本発明は、多孔質帯状材料を液体を貫流させる形式の液体処理装置に関する。装置は、平坦な多孔質帯状材料の少なくとも1つの層によって相互に分離された液体入口および液体出口を有するハウジングを含む。接線方向液体供給、排出ダクトは、一方では、入口と多孔質帯状材料との間に構成され、他方では、出口と多孔質帯状材料との間に構成されている。このタイプの装置の場合、過大の死容積は、避けられ、加えた作用圧力は、多孔質帯状材料に液体を透過させるのに可能な限り完全に利用することを意図する。このために、接線方向ダクトの透液率は、多孔質帯状材料の透液率に適合させる。驚くべきことには、接線方向ダクトの寸法は、複雑な最適化実験プロセスを必要とすることなく、所与の用途に適するよう設計できる。

Description

【発明の詳細な説明】 液体処理装置 液体処理装置に関する。 多孔質帯状材料の種類は、液体の処理態様に依存する。この場合、例えば、粒 子を除去するための濾過プロセス、帯状材料の吸着によって液体の特定成分を取 出す形式の吸着プロセスまたは多孔質帯状材料との接触によって液体の1つまた は複数の成分に所定の化学的または物理的変換を誘起する形式の触媒プロセスが 対象である。 適切な多孔質帯状材料は、粒径範囲0.05−15μmの微小多孔質膜または 繊維フリースである。液体を濾過処理する場合は、ポリマー(例えば、酢酸セル ロース、再生セルロース、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、 etc.)からなる不活性の微小多孔質膜またはポリマー(例えば、ポリエステ ル、ポリプロピレン、セルロース繊維、etc.)からなるフリースを使用する 。吸着の場合は、吸着膜を使用する。吸着膜とは、膜に接触する液相の少なくと も1つの物質と交互作用できる官能基、配位子または反応子をその内表面および 外表面に担持する膜を意味する。吸着膜なる名称は、官能基、配位子または反応 子に応じて各種の吸着膜タイプに分類される各種の吸着膜(例えば、カチオン膜 、アニオン膜、配位子膜、親和性膜または反応子膜)の上位概念として理解され る。触媒プロセスは、酵素変換であれば好ましく、この場合、多孔質帯状材料に 酵素を固定する。しかしながら、例えば、H−またはOH−の形の強酸性または 強塩基性イオン交換膜を使用して、酸性触媒または塩基性触媒変換も可能である 。 多孔質帯状材料は、単層でも多層でも使用できる。上記帯状材料は、内側、外 側支持要素を使用して多層に中空円筒体として形成するか、実験室尺度の使捨て 用の長方形截片の形に形成できる。この場合、接線方向ダクトを環状間隙として 構成できる。接線方向ダクトは、接線方向へ貫流される支持構造体(例えば、織 物)を含むことができる。装置は、複数の多孔質ウェブおよび接線方向ダクトを 有することもでき、この場合、供給ダクトおよび排出ダクトを交互に多孔質ウェ ブに設ける。後者の装置は、軸線方向貫流のために、多孔質帯状材料の2つのウ ェブおよび支持構造体の2つのウェブを一緒にコアのまわりに巻き、排出ダクト を形成する支持構造体を供給側で隣接の多孔質ウェブに液密に結合し且つ供給ダ クトを形成する支持構造体を排出側で隣接の多孔質ウェブに液密に結合すること によって、構成するのが好ましい。 液体を、過圧下で、端部を閉じた接線方向ダクトを介して平坦な多孔質帯状材 料に供給し、上記材料を通過させ、装置他端に開口を有する他の接線方向ダクト を介して排出する液体処理装置は、知られている。 上述の種類の公知の装置は、過大な死容積を有するか、使用した運転圧が、帯 状材料の透過に部分的に利用されるに過ぎず、従って、透過に有効な圧力差が、 ダクト長さにわたって変化すると云う問題点がある。 大きい死容積は、装置の製造コストが高くなるため、特に不利である。運転圧 の不完全な利用の欠点に関しては説明は不要であろう。透過に有効な圧力差の局 部的変化は、濾過の場合、圧力差のより大きい範囲では閉塞がより早期に起きる という問題点を生じ、吸着および酵素処理の場合は、更に、物質発生または物質 変換が不均一になるという問題点を生ずる。 従って、本発明の課題は、過大な死容積を回避でき、使用した運転圧を多孔質 帯状材料を介する液体の透過にできる限り完全に利用できる、冒頭に述べた種類 の液体処理装置を提供することにある。 この課題は、接線方向ダクトの透液率を多孔質帯状材料の透液率と調和させ、 かくして、運転時、ダクト全長にわたって、供給ダクトと排出ダクトとの間に十 分に一定な圧力差を達成することによって、解決される。驚くべきことには、所 定の使用例について、煩雑な最適化実験プロセスを必要とすることなく、接線方 向ダクトの設計を実施できるということが判った。 本発明が実施可能となり、更に、実施容易となったのは、驚くべきことには、 系の複雑な流体力学的与件を、簡単な仮定にもとづき、十分な精度で数学的に処 理でき、関係する量を系の近似教示の観点にもとづき、本質的に双曲線関数と変 数としての唯一つの無次元量とを関連づける関係式から定量できることが判明し たからである。 簡単化のための仮定を以下に示す: ダクトおよび多孔質帯状材料内の液体流量は、局部的に有効な圧力差に線形に 依存する。 微小多孔質帯状材料内の接線方向流動は、無視できる。 供給ダクトおよび透過ダクトは、水力学的に同一である(同一抵抗、同一容積) 。 第1の仮定は、線形依存性がオーム法則に対応する電気的等価回路図(第2図 参照)によって示すことができる。 下記の如く定義する: Q=局部的液体流量[cm3/min] bk=ダクト幅 s=ダクトの行程[cm] Pu(s)=供給ダクト内の局部的圧力[bar] Pf(s)=透過ダクト内の局部的圧力[bar] Po=入口圧力[bar] L=ダクト長さ[m] Rk=ダクトの流動抵抗[bar・min/cm3] Rk=△P・bk/Q・s 支持構造体のダクト流動抵抗Rkは、上記関係式を使用して実験的に求めるこ とができる。この場合、幅bk、2つのプレートの間の長さsを有し縁を密閉し た試料に接線方向へ粘度1cPの液体を貫流させる。 Rm=微小多孔質帯状材料の流動抵抗[bar・min/cm] Rm=△P・bk・s/Q オーバフローダクトの液量の減少:dQ/ds=(Pu−Pf)bk/Rm 微分方程式が得られる:d2u/ds2=(Pu−Pf)Rk/Rm 無次元量を導入する: 供給ダクト内の圧力パラメータ:yu=Pu/Po 透過ダクト内の圧力パラメータ:yf=Pf/Po 位置パラメータ:x=s/L 抵抗パラメータ:A=L√Rk/2Rm 微分方程式の無次元形として下式が得られる: d2u/dx2=2・A2(yu−yf) 下記境界条件が成立する: 入口圧力: yu(0)=1 自由流出: yf(1)=0 濾液ダクト始端に流動なし: dyf(0)/dx=0 透過ダクト終端に流動なし: dyo(1)/dx=0 微分方程式を解き、係数を比較すれば、境界条件を考慮して下式が得られる: 供給ダクト内の局部的圧力パラメータyuについて: yu(A,x)=(cosh(A)+2・A・(1−x)・sinh(A)+ cosh(A・(1−2x))/2・(cosh(A)+A・sinh(A)) 透過ダクト内の局部的圧力パラメータyfについて: yf(A,x)=(cosh(A)+2・A・(1−x)・sinh(A)−(co sh(A・(1−2x))/(2・cosh(A)+2・A・sinh(A)) 無次元の局部的圧力差△yについて: △y(A,x)=yu(A,x)−yf(A,x) △y(A,x)=(cosh(A)・(1−2・x)) /(cosh(A)+A・sinh(A)) 無次元の平均圧力差△ymについてダクト長さに関して無次元の局部的圧力差を 積分すれば下式が得られる: △ym(A)=sinh(A)/A・(cosh(A)+Asinh(A)) 相対的な局部的圧力差△yrelは下式で示される: △yrel(A,x)=△y(A,x)/△ym(A) △yrel(A,x)=A・(cosh(A)・(1−2x))/sinh(A) 吸着による物質分離の場合、目標物質の発生は、まず、圧力差最大の箇所、即 ち、ダクトの始端および終端に現れ、圧力最小の箇所、即ち、ダクトの中心で終 わる。発生開始vbおよび発生終了veは、発生が均一な圧力分布において起こる として容積部またはその倍数で表現して、下記の如くAに依存する: vb(A)=tanh(A)/A ve(A)=sinh(A)/A 所定のRm値を有する同一の多孔質帯状材料において所定のRk値を有するダクト を延長すれば、所与の入口圧力において、面積の増加にもとづき、まず、透過能 が増大する。しかしながら、これは、無限の長さにおいて透過能がゼロになると いうことを考慮すれば直ちに明らかな如く、所定の限界まで可能であるに過ぎな い。ダクトの最大透過能においいて抵抗パラメータは所定値Amaxを有すると いうことが判る: Amax=acoth(√2)=0.881 相対濾過速度Rrelとは、所定の長さのダクトの透過能とRkおよびRmの同一 値において達成可能な最大透過能との比を意味する。これは、Aの関数として表 される: Frel(A)=(Amax+√2)・sinh(A) /(A・sinh(A)+cosh(A) 吸着時、目標物質の理想的発生曲線、即ち、発生が自発的な曲線は、Aの数値の 増加とともに、下式にもとづき歪む: c(A,v)=[1−(v≦vc(A))・√1/A2・v2−1/sinh(A)2] 式中、vは、吸着剤に目標物質を完全に装荷するのに必要な容積で除した透過成 分容積を表し、cは、入口濃度で除した透過成分中の目標物質の濃度を表す。 好ましい実施態様は、多孔質吸着膜を介して液体を透過させることによって物 質の吸着分離を実施する装置である。装置は、巻回体状に構成された吸着剤モジ ュールが、吸着膜の複数の巻きからなる中空円筒体をなし、中空円筒体の内面と 円筒形コアとの間におよび中空円筒体の外面とケーシングとの間に、内側環状間 隙および外側環状間隙が構成されていることを特徴とする。 中空円筒体の場合、内外の環状間隙が同一容積を有するよう、環状間隙を設計 するのが好ましい。外側環状間隙について、抵抗パラメータAとして、ハーゲン ・ポアズイユの法則を使用して、下式が得られる:式中; R1=吸着剤・中空円筒体の内半径[cm] R2=吸着剤・中空円筒体の外半径[cm] k=外側環状間隙の幅[cm] L=吸着剤・中空円筒体の長さ[cm] D=単一膜の単位処理能[cm cP/min bar] d=単一膜の厚さ[cm] 下記の例に計算を示す。この場合、実際の数値は、本発明に係る実施例に依拠 する(巻きが唯一つの例は、狭すぎるダクトの不利な影響を示すものである): L=100cm R2=48mm k=2mm D=150cm3/cm2min bar d=300 μm この例は、大形設備用の本発明に係る吸着膜モジュールの設計に関する。この 場合、巻き数の異なるモジュールを共通のケーシングに設置できる。抵抗パラメ ータから明らかな如く、吸着剤長さは、例えば、29巻きの場合、理論的に処理 能および吸着容量を損なうことなく、2mに選択でき、67巻きの場合、4mに 選択できる。 ダクト寸法を10cmのモジュール長さに依拠すれば、Aの数値は、上表に示 した数値の1/10に減少し、この場合、死容積は、123mlである。同一の 膜面積について、抵抗パラメータが、ほぼ数値0.1であるよう、寸法を適合さ せれば、処理能および吸着容量を損なうことなく、下記の減少した死容積が得ら れる: 以下に図1−8を参照して本発明を詳細に説明する。 図1は、略図であり、 図2は、電気的等価回路図であり、 図3は、本発明の好ましい実施例の図面であり、 図4は、A=1における供給ダクトの圧力パラメータyu、排出ダクトの圧力 パラメータyrおよび位置パラメータxに依存する無次元の局部的圧力差△yの グラフであり、 図5は、△ymとAとの関係を示すグラフであり、 図6は、発生開始vbおよび発生終了veとAとの関係を示すグラフであり、 図7は、相対的濾過速度RrelとAとの関係を示すグラフであり、 図8は、Aの各種の数値における発生曲線である。 図1の本発明に係る装置の基本構造は、液体供給ダクト10および液体排出ダ クト11を相互に分離する平坦な多孔質帯状材料1の少なくとも1つの層を有す る。この場合、双方の接線方向ダクトは、一端が閉じてあり、一方、他の対向端 に入口12および出口13を有する。平坦な多孔質帯状材料は、長方形截片から なる。 図3の好ましい実施態様は、巻回体状に構成された吸着剤モジュール45が、 吸着膜1の複数の巻きからなる中空円筒体をなし、中空円筒体の内面と円筒形コ ア15との間におよび中空円筒体の外面とケーシング9との間に、内側環状間隙 10および外側環状間隙11が構成されていることを特徴とする装置である。こ の場合、環状間隙は、図1の接線方向ダクトに対応する。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項 【提出日】平成11年5月6日(1999.5.6) 【補正内容】 請求の範囲 1.直方体状多孔質帯状材料によって相互に分離された液体入口および液体出口 を有するハウジングを含む液体処理装置において、 −入口と多孔質帯状材料との間には、一端を閉じた直方体状接線方向液体供給ダ クトが形成されており、 −出口と多孔質帯状材料との間には、一端を閉じた直方体状接線方向液体排出ダ クトが形成されており、 −それぞれ貫流可能な直方体状支持構造体を装填した供給ダクトおよび排出ダク トが、それぞれ、ダクト長さL,所定幅bkおよび所定高さhkを有し、 −多孔質帯状材料が、ダクト長さL,幅bkおよび所定高さhmを有し、 −ダクト長さが、無次元の抵抗パラメータA=L・(Rk/2Rm)1/2が0.0 8 −0.8の範囲にあるような数値を有し、 式中、Rk=△P・bk/Qk・sは、幅bk,長さsおよび高さhkの支持構造 体 の直方体状試料のダクト流動抵抗を表し、 Rm=△P・bk・s/Qmは、幅bk,長さsおよび高さhmの帯状材料の直方 体状試料のダクト流動抵抗を表し、 Qkは、上流側端面と下流側端面との間に圧力差△Pが加えられた場合に支持構 造体の試料を介して試料の縦方向へ1分間に流れる粘度1cPの液体流量を表 し、 Qmは、上流側面と下流側面との間に圧力差△Pが加えられた場合に帯状材料の 試料を介して試料の縦方向および幅方向に垂直に1分間に流れる粘度1cPの 液体流量を表すことを特徴とする、前記装置。 2.無次元の抵抗パラメータが、約0.1−約0.2の範囲にあることを特徴とす る、請求項1に記載の装置。 3.供給ダクトおよび排出ダクトが、同一容積を有することを特徴とする、請求 項1の装置。 4.多孔質帯状材料が、平坦な帯状材料の少なくとも1つの層を含むことを特徴 とする、請求項1に記載の装置。 5.直方体状多孔質帯状材料によって相互に分離された液体入口および液体出口 を有するハウジングを含む液体処理装置であって、 −入口と多孔質帯状材料との間には、一端を閉じた直方体状接線方向液体供給ダ クトが構成されており、 −出口と多孔質帯状材料との間には、一端を閉じた直方体状接線方向液体排出ダ クトが構成されており、 −それぞれ貫流可能な直方体状支持構造体を装填した供給ダクトおよび排出ダク トが、それぞれ、ダクト長さL,所定幅bkおよび所定高さhkを有し、 −多孔質帯状材料が、ダクト長さL,幅bkおよび所定高さhmを有する形式の装 置を設計する方法において、該方法が、下記工程:即ち、 −幅bk,長さsおよび高さhkの支持構造体の直方体状試料を準備する工程と; −上流側端面と下流側端面との間に圧力差△Pが加えられた場合に支持構造体の 試料を介して試料の縦方向へ1分間に流れる粘度1cPの液体流量Qkを測定 する工程; −支持構造体のダクト流動抵抗Rk=△P・bk/Qk・sを計算する工程と; −幅bk,長さsおよび高さhmの帯状材料の直方体状試料を準備する工程と; −上流側面と下流側面との間に圧力差△Pが加えられた場合に帯状材料の試料を 介して試料の縦方向および幅方向に垂直に1分間に流れる粘度1cPの液体流 量Qmを測定する工程と; −帯状材料のダクト流動抵抗Rm=△P・bk・s/Qmを測定する工程と; −無次元の抵抗パラメータA=L・(Rk/2Rm)1/2が0.08−0.8の範 囲 にあるよう、供給ダクト、排出ダクトおよび多孔質帯状材料のダクト長さを定 める工程と; を含むことを特徴とする、前記方法。 6.無次元の抵抗パラメータが、約0.1−約0.2の範囲にあることを特徴とす る、請求項5に記載の方法。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.平坦な多孔質帯状材料の少なくとも1つの層によって相互に分離された液体 入口および液体出口を有するハウジングを含む液体処理装置であって、入口と 多孔質帯状材料との間に、一端を閉じた接線方向液体供給ダクトが形成され、 出口と多孔質帯状材料との間に、他端を閉じた液体排出ダクトが構成された前 記装置において、接線方向ダクトの高さ/長さ比が、無次元の抵抗パラメータ Aによって決定されており、供給ダクトと排出ダクトとの間にはダクト全長に わたって、ほぼ一定の圧力差が存在することを特徴とする、前記装置。 2.無次元の抵抗パラメータが、約0.08−約0.8の範囲を含むことを特徴と する、請求項1に記載の装置。 3.無次元の抵抗パラメータが、約0.1−約0.2の範囲を含むことを特徴とす る、請求項2に記載の装置。 4.接線方向ダクトが、直方体状に平坦に構成されていることを特徴とする、請 求項1−3の装置。 5.接線方向ダクトが、環状間隙として構成されていることを特徴とする、請求 項1−3の装置。 6.供給ダクトおよび排出ダクトが、同一容積を有することを特徴とする、請求 項5の装置。
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