JP2004148208A

JP2004148208A - 膜分離方法及びその装置

Info

Publication number: JP2004148208A
Application number: JP2002316423A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Yamamura; 忠史山村
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】液体混合物中の一組成を効率よく分離する。
【解決手段】液体混合物ｂを、分離膜８の一次側８ａに供給する一方、分離膜８の二次側８ｂを負圧にして液体混合物ｂの一組成を分離膜８の二次側８ｂに透過させ、分離膜８の一次側８ａの液体混合物ｂの濃度を高めるようにした膜分離方法である。この分離膜８を直接加熱する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膜分離方法及びその装置、より詳しくは、液体混合物中の一組成を効率よく分離する膜分離方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液体混合物、特に、共沸組成の液体混合物から一組成を分離する場合、膜分離法を用いることが知られている。この膜分離方法としては、例えば、アルコール中に含まれる水分を分離除去してアルコールを濃縮しようとする場合、芳香族ポリイミド膜やゼオライト膜などの分離膜を用い、その一次側に液体混合物を供給し、二次側を真空に近い負圧とすることによって水分が分離膜を透過し、結果的に一次側を流れる液体混合物のアルコール濃度が高くなるというものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１５６１６７号公報（第３−４頁、図１及び図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、分離膜、特に、ゼオライト膜では、化学的なエネルギを駆動源として分離・透過が行われるため、分離対象のプロセス溶剤温度に分離・透過性能が大きな影響を受ける。また、浸透気化法においては、透過物質が供給液側では液相であるのに対し、透過側では気相であるため、透過に際して蒸発潜熱を必要とする。
【０００５】
このため、分離膜モジュール内の溶剤（液体混合物）が十分に攪拌されないような条件の場合は、透過が起こる膜近傍の溶剤温度が蒸発潜熱の影響で下がり、温度分布を生じることがある。
【０００６】
上記のように、ゼオライト膜の分離・透過性能は、溶剤温度に大きく影響を受けるため、溶剤温度が下がると、膜分離モジュールの効率が大きく低下してしまう。
【０００７】
このことから、蒸気潜熱による膜近傍の溶剤温度の低下を補うため、溶剤全体を加熱する手法があるが、分離膜モジュールの外側より加熱する場合、熱伝達による効率の低さが問題になる。また、このような手法は、プロセスの温度をあまり上げたくないような場合には、適さない。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、液体混合物中の一組成を効率よく分離する膜分離方法及びその装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の膜分離方法は、液体混合物を、分離膜の一次側に供給する一方、分離膜の二次側を負圧にして液体混合物の一組成を分離膜の二次側に透過させ、分離膜の一次側の液体混合物の濃度を高めるようにした膜分離方法において、前記分離膜を、直接加熱するようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の膜分離方法は、セラミックス製の分離膜を用いるとともに、マイクロ波を照射して分離膜自体を発熱させることを特徴とするものである。
【００１１】
一方、本発明の膜分離装置は、液体混合物を、分離膜モジュール内に内蔵されている分離膜の一次側に供給する一方、分離膜の二次側を負圧にして液体混合物の一組成を分離膜の二次側に透過させ、分離膜の一次側の液体混合物の濃度を高めるようにした膜分離装置において、前記分離膜モジュールをオーブン内に設置するとともに、該オーブンに、マイクロ波発信装置と、該マイクロ波発信装置から照射されたマイクロ波をオーブン内に伝送するマイクロ波伝送管と、該マイクロ波伝送管により伝送されたマイクロ波をオーブン内に攪拌させるマイクロ波攪拌機を設けことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は本発明に係る膜分離方法を実施する膜分離装置の概略構造図、図２は分離膜モジュールの拡大断面図である。
【００１３】
図１に示すように、本発明の膜分離装置１は、主として、オーブン２と、分離膜モジュール３と、マイクロ波伝送管４と、マイクロ波攪拌機５と、マイクロ波発信装置６から構成されている。
【００１４】
オーブン２は、中空の箱体で構成され、開口部（図示せず）の密閉後は、マイクロ波が外部に漏れない構造になっている。また、その内面は、マイクロ波を反射する構造、つまり、鏡面仕上げになっている。
【００１５】
分離膜モジュール３は、オーブン２の中に設置されている。この分離膜モジュール３は、図２に示すように、ガラスや合成樹脂などの非金属材料で形成された容器７と、この容器７に挿入された有底筒形の分離膜８から構成され、分離膜８の開口端は、管板９に取り付けられている。
【００１６】
分離膜８は、多孔質材料からなる有底筒形の支持体１０と、この支持体１０の外表面に種結晶を利用して析出させたＡ型ゼライト膜１１により構成されている。
【００１７】
支持体としては、ムライトなどのＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系セラミックスが好適である。その他、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チッ化ケイ素、炭化ケイ素などのセラミックスや、アルミニウム、銀、ステンレスなどの金属よりなる多孔質材料も用いることができる。多孔質支持体としては、その平均気孔径が０．０５〜１０μｍで、気孔率が１０〜６０％程度のもの、特に、平均気孔径が０．１〜２μｍで、気孔率が３０〜５０％程度のものが好適である。
【００１８】
Ａ型ゼライトを析出させる方法としては、シリカ源としてのケイ酸ナトリウム、シリカゲルやゾル、シリカ粉末など、アルミナ源としてのアルミン酸ナトリウム、水酸化アルミニウムなどを出発原料として、水熱合成法や気相法などの合成法で析出させる方法が挙げられる。
【００１９】
なお、水熱合成法によりＡ型ゼライトの製膜を行う場合、その好ましい合成温度条件は、６０〜１５０℃、とりわけ、８０〜１００℃であり、このような温度にて、１〜２４時間、特に、２〜５時間、とりわけ、３〜４時間の反応を１回行うことにより、高分離特性の膜を製膜できる。
【００２０】
多孔質支持体がＡｌ_２Ｏ_３含有量３０〜８０ｗｔ％のＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系セラミックスである場合には、９０〜１００℃で２時間以上、好ましくは、２〜４時間の処理条件とすることにより、１回の操作で分離性能に優れたＡ型ゼライトの製膜が可能である。
【００２１】
原料の仕込み組成比（モル比。以下、組成比は、モル比で示す。）は、Ｈ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ＝２０〜３００、Ｎａ_２Ｏ／ＳｉＯ_２＝０．３〜２、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３＝２〜６、特に、Ｈ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ＝６０、Ｎａ_２Ｏ／ＳｉＯ_２＝１、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３＝２となるように調整するのが好ましい。
【００２２】
このようにして、多孔質支持体の表面に種結晶を担持させた後、Ａ型ゼライトの膜厚が１０〜５０μｍであり、支持体を含む分離膜の全膜厚が０．５〜２ｍｍ程度となるように析出させることにより、上記分離膜８を得ることができる。
【００２３】
マイクロ波攪拌機５は、図示しないモータによって回転される複数の攪拌羽根１２を放射状に備えている。これらの攪拌羽根１２は、その捩じり角度が種々の角度に調整されており、マイクロ波伝送管４から照射されるマイクロ波をオーブン２内に均一に分散させるようになっている。
【００２４】
マイクロ波伝送管４は、筒体からなり、攪拌羽根１２の回転面に対向するように、オーブン２の側面に複数本取り付けられている。
【００２５】
マイクロ波発信装置６は、オーブン２の外に別置され、発信させたマイクロ波ａをマイクロ波伝送管４を通ってオーブン２内に照射するようになっている。
【００２６】
分離膜モジュールの容器７は、その頭部１３に配管１４を接続し、底部１５に配管１６を接続し、胴部１７に配管１８を接続している。その上、頭部１３の配管１４は、真空ポンプ（図示せず）に接続されている。
【００２７】
次に、この膜分離装置の作動について説明する。
【００２８】
今、図示しない真空ポンプを作動させると、容器７の頭部１３内、換言すれば、分離膜８の二次側８ｂが真空あるいは減圧状態に保持される。
【００２９】
一方、マイクロ波発信装置６を始動させると、マイクロ波発信装置６から発したマイクロ波ａは、マイクロ波伝送管４を通ってオーブン２内に照射される。この時、マイクロ波攪拌機５が駆動されていると、マイクロ波伝送管４から照射されたマイクロ波ａがマイクロ波攪拌機５の攪拌羽根１２によってオーブン２内に均一に分散される。
【００３０】
そして、分離膜モジュールの非金属製の容器７を透過したマイクロ波は、分離膜８に達する。この分離膜８は、上記のように、Ａ型ゼライト膜１１及びＡｌ_２Ｏ_３−ＳｌＯ_２系セラミックス製の支持体１０によって構成されているから、マイクロ波ａが照射されることにより発熱する。
【００３１】
しかして、配管１６を通って容器７内、つまり、分離膜８の一次側８ａに液体混合物、例えば、低濃度のアルコールｂを供給すると、アルコール中の水は分離膜８を透過して分離膜８の二次側８ｂ、つまり、容器７の頭部１３側に達する。この時、上記の如く、分離膜８は、それ自体が発熱しているから、浸透気化潜熱に起因する分離膜表面の温度低下を防ぐことができる。
【００３２】
一方、低濃度のアルコールｂは、分離膜８に沿って移行する間にアルコール度が増し、高濃度のアルコールｂ’となって配管１８から分離膜モジュール３外に排出される。また、容器７の頭部１３から出た蒸気ｃは、図示しない凝縮器により凝縮される。
【００３３】
【実施例】
（実施例）
次に、実施例により更に詳しく説明する。
【００３４】
実験条件
（１）液体混合物及びその混合割合：ＩＰＡ／水＝９５ｗｔ％／５ｗｔ％
（２）液体混合物の温度：９５℃
（３）液体混合物の流量：３０Ｌ／ｈ
（４）分離膜モジュール：容器内に分離膜を内蔵させた構造（図２参照）
・容器の材質及び寸法：ポリプロピレン製、全長（８５０ｍｍ（膜部））×直径（１４．０ｍｍ）
・分離膜の構造及び寸法：Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系セラミックス製支持体の外表面にＡ型ゼライト膜を担持させた構造、全長（８００ｍｍ）×直径（１２．０ｍｍ）
（５）マイクロ波発信装置の出力：１．５ｋＷ
（６）マイクロ波攪拌機の個数：２個
・攪拌羽根の直径及び回転数：３５０ｍｍ、８０〜９０ｒｐｍ
上記の条件で試験を行ったところ、マイクロ波を用いずに行った実験では、分離膜モジュールの透過流量が２７３０ｇ／ｍ^２・ｈであり、マイクロ波を用いた場合の透過流量は、３０１０ｇ／ｍ^２・ｈであった。
【００３５】
従って、マイクロ波を用いると、分離膜モジュールの透過流量が約１０％向上することが分かった。
【００３６】
なお、分離膜モジュール出口で計測した濃縮液の平均液温は、マイクロ波を用いなかった場合では、９２．７℃であり、マイクロ波を使用した場合は、９４．４℃であった。
【００３７】
【発明の効果】
上記のように、本発明の膜分離方法は、液体混合物を、分離膜の一次側に供給する一方、分離膜の二次側を負圧にして液体混合物の一組成を分離膜の二次側に透過させ、分離膜の一次側の液体混合物の濃度を高めるようにした膜分離方法において、前記分離膜を、直接加熱するようにしたので、浸透気化潜熱に起因する分離膜表面の温度低下を防ぐことが可能になった。その結果、液体混合物中の一組成を効率よく分離することが可能になった。
【００３８】
一方、本発明の膜分離装置は、液体混合物を、分離膜モジュール内に内蔵されている分離膜の一次側に供給する一方、分離膜の二次側を負圧にして液体混合物の一組成を分離膜の二次側に透過させ、分離膜の一次側の液体混合物の濃度を高めるようにした膜分離装置において、前記分離膜モジュールをオーブン内に設置するとともに、該オーブンに、マイクロ波発信装置と、該マイクロ波発信装置から照射されたマイクロ波をオーブン内に伝送するマイクロ波伝送管と、該マイクロ波伝送管により伝送されたマイクロ波をオーブン内に攪拌させるマイクロ波攪拌機を設けたので、従来の膜分離装置を大幅に改造することなく、浸透気化潜熱に起因する分離膜表面の温度低下を防ぐことが可能になった。その結果、液体混合物中の一組成を効率よく分離することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る膜分離方法を実施する膜分離装置の概略構造図である。
【図２】分離膜モジュールの拡大断面図である。
【符号の説明】
ｂ液体混合物
８分離膜
８ａ分離膜の一次側
８ｂ分離膜の二次側

Claims

液体混合物を、分離膜の一次側に供給する一方、分離膜の二次側を負圧にして液体混合物の一組成を分離膜の二次側に透過させ、分離膜の一次側の液体混合物の濃度を高めるようにした膜分離方法において、前記分離膜を、直接加熱するようにしたことを特徴とする膜分離方法。
セラミックス製の分離膜を用いるとともに、マイクロ波を照射して分離膜自体を発熱させることを特徴とする請求項１記載の膜分離方法。
液体混合物を、分離膜モジュール内に内蔵されている分離膜の一次側に供給する一方、分離膜の二次側を負圧にして液体混合物の一組成を分離膜の二次側に透過させ、分離膜の一次側の液体混合物の濃度を高めるようにした膜分離装置において、前記分離膜モジュールをオーブン内に設置するとともに、該オーブンに、マイクロ波発信装置と、該マイクロ波発信装置から照射されたマイクロ波をオーブン内に伝送するマイクロ波伝送管と、該マイクロ波伝送管により伝送されたマイクロ波をオーブン内に攪拌させるマイクロ波攪拌機を設けことを特徴とする膜分離装置。