JP2005066473A - Membrane separation method, membrane separation apparatus and membrane module - Google Patents

Membrane separation method, membrane separation apparatus and membrane module Download PDF

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Masakazu Kondo
正和 近藤
Atsushi Abe
淳 阿部
Etsuo Sugimoto
悦夫 杉本
Tadashi Yamamura
忠史 山村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane separation method in which a vapor-liquid fluid mixture can be controlled easily and problems such as concentration polarization and temperature drop can be solved, and to provide a membrane separation apparatus and a membrane module. <P>SOLUTION: A liquid mixture 1a is made to be the vapor-liquid fluid mixture 1d having a vapor phase the temperature of which is higher than that of a liquid phase. the vapor-liquid fluid mixture 1d is supplied to the primary side of a separation membrane 31 and the pressure of the secondary side is made negative so that an impure component in the liquid mixture 1a can be permeated into the secondary side of the separation membrane 31. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、液体混合物から夾雑成分を分離する膜分離方法、膜分離装置および膜モジュールに関し、より詳しくは、例えば水−エタノール混合物から夾雑成分としての水を分離して取り除くことにより、エタノールの精製を行うことが可能な膜分離方法、膜分離装置および膜モジュールに関する。   The present invention relates to a membrane separation method, a membrane separation apparatus, and a membrane module for separating contaminant components from a liquid mixture, and more specifically, for example, by purifying ethanol by separating and removing water as a contaminant component from a water-ethanol mixture. The present invention relates to a membrane separation method, a membrane separation apparatus, and a membrane module that can perform the above.

液体混合物から夾雑成分を分離する方法として浸透気化を利用した膜分離法が知られている(例えば特許文献1参照)。この膜分離法は、従来簡便な方法では分離することが困難であった液体混合物、例えば共沸混合物、沸点が近接した比揮発度の小さい混合物、加熱によって重合や変性を起こす成分を含む混合物などの分離、または濃縮法、精製法として注目されている。   A membrane separation method using pervaporation is known as a method for separating contaminant components from a liquid mixture (see, for example, Patent Document 1). This membrane separation method is a liquid mixture that has conventionally been difficult to separate by a simple method, such as an azeotropic mixture, a mixture having a boiling point close to a low relative volatility, a mixture containing components that cause polymerization or modification by heating, etc. It is attracting attention as a separation method, concentration method, and purification method.

従来、浸透気化によって液体混合物を分離する場合、使用する分離膜の特性、特に使用する分離膜がポリイミドなどからなる高分子膜である場合には、膜モジュール内での膜接着または膜破壊を防止する観点から、混合物は液相または蒸気相(気相)のみからなる単相流によって構成されていた。特に浸透気化では膜を透過する際に液相から気相への相変化を伴うため蒸発潜熱が供給液から補給されることとなる。その結果、供給液の温度低下をもたらし、透過流束(膜分離能)の低下を生じさせていた。この温度低下に由来する透過流束の低下を回避する観点から、従来の浸透気化プロセスでは各膜モジュールの出入り口に供給液加熱用中間熱交換器が設けられ、膜性能の向上が図られていた。   Conventionally, when separating a liquid mixture by pervaporation, the characteristics of the separation membrane used, especially when the separation membrane used is a polymer membrane made of polyimide, etc., prevents membrane adhesion or membrane breakage in the membrane module From this viewpoint, the mixture is constituted by a single-phase flow consisting only of a liquid phase or a vapor phase (gas phase). In particular, permeation vaporization involves a phase change from the liquid phase to the gas phase when passing through the membrane, so that the latent heat of vaporization is replenished from the supply liquid. As a result, the temperature of the feed liquid was lowered, and the permeation flux (membrane separation ability) was lowered. From the viewpoint of avoiding a decrease in the permeation flux resulting from this temperature decrease, in the conventional pervaporation process, an intermediate heat exchanger for heating the supply liquid is provided at the entrance and exit of each membrane module, thereby improving the membrane performance. .

また近年、分離膜として高分離膜のほかにゼオライト膜などからなる無機膜が実用化され、膜モジュール内における膜接着などの不具合が解消されたにもかかわらず、未だに膜への供給液には単相流が用いられており、膜の性能を充分に発揮できずにいた。   In recent years, in addition to high separation membranes, inorganic membranes such as zeolite membranes have been put into practical use as a separation membrane, and even though problems such as membrane adhesion in membrane modules have been resolved, A single-phase flow was used, and the membrane performance could not be fully exhibited.

分離膜が高分子膜である場合には透過流束が比較的低いために膜モジュールの出入り口の供給液温度差および膜表面上の濃度分極は大きな問題となることがなかった。しかし、高分子膜に比べ1オーダー以上高い透過流束を有するゼオライト膜では、膜モジュール出入り口の供給液温度差ばかりでなく濃度分極についても配慮する必要がある。   When the separation membrane is a polymer membrane, since the permeation flux is relatively low, the difference in the supply liquid temperature at the inlet / outlet of the membrane module and the concentration polarization on the membrane surface did not become a big problem. However, in the case of a zeolite membrane having a permeation flux higher by one order or more than that of a polymer membrane, it is necessary to consider not only the difference in the supply liquid temperature at the entrance and exit of the membrane module but also the concentration polarization.

特開平11―156167号公報では、膜面上の濃度分極に対し、液体混合物を所定温度における飽和蒸気圧より僅かに低い圧力に加圧した後、所定温度に加熱することによって気相と液相を有する二相流状態である気液混合流体を生成させ、この気液混合流体の気体(気泡)による撹拌作用によって対処しているが、供給液温度低下に対しては考慮がなされていない。また、このような圧力を調整することによる気液混合流体の生成方法では、膜モジュール内のどこから二相流状態を構成するかが必ずしも明確ではなく、さらに、蒸発潜熱分の熱が奪われることによって気相が液相に凝縮して単相流に戻ってしまう虞があるなど、気液混合状態の制御が困難であり改良の余地が残されていた。   In Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-156167, the liquid mixture is pressurized to a pressure slightly lower than the saturated vapor pressure at a predetermined temperature with respect to the concentration polarization on the film surface, and then heated to the predetermined temperature to thereby form the gas phase and the liquid phase. A gas-liquid mixed fluid that is in a two-phase flow state is generated, and this gas-liquid mixed fluid is dealt with by the stirring action of the gas (bubbles), but no consideration is given to a decrease in the supply liquid temperature. In addition, in the method for generating a gas-liquid mixed fluid by adjusting the pressure, it is not always clear from where in the membrane module the two-phase flow state is configured, and further, the heat of the latent heat of evaporation is deprived. As a result, the gas phase may be condensed into a liquid phase and returned to a single-phase flow, so that it is difficult to control the gas-liquid mixing state, leaving room for improvement.

米国特許第2953502号U.S. Pat. No. 2,953,502 特開平11−156167号公報JP-A-11-156167

本発明は上記実状に鑑みなされたものであり、その課題は、気液混合流体を容易に制御することができるとともに、濃度分極や温度低下などの問題を解消可能な膜分離方法、膜分離装置および膜モジュールを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and the problem is that the gas-liquid mixed fluid can be easily controlled, and the membrane separation method and the membrane separation apparatus that can solve the problems such as concentration polarization and temperature decrease. And providing a membrane module.

上記課題を解決するため、本発明の第1の態様に係る膜分離方法の発明は、液体混合物を液相より高い温度の気相を含む気液混合流体とし、当該気液混合流体を分離膜の一次側に存在させて二次側を負圧とすることにより、当該液体混合物中の夾雑成分を前記分離膜の二次側に透過させるようにしたことを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, the membrane separation method according to the first aspect of the present invention is characterized in that a liquid mixture is a gas-liquid mixed fluid containing a gas phase having a temperature higher than the liquid phase, and the gas-liquid mixed fluid is used as a separation membrane. The contaminant component in the liquid mixture is allowed to permeate the secondary side of the separation membrane by making the secondary side negative pressure on the secondary side.

この特徴によれば、液体混合物が気液混合流体の状態で分離膜の一次側に存在するため、気体(気泡)の撹拌作用によって分離膜上の濃度分極を解消させることができる。また、気相の温度が液相の温度より高いため、夾雑成分(例えば水分)が分離膜の一次側から二次側に透過する際の蒸発潜熱を補給することができ、液体混合物の温度が低下することを回避させることができる。従って、分離膜と接触している過程において気液混合状態を維持することができると共に、温度低下に由来する分離膜の分離能低下を回避することが可能である。   According to this feature, since the liquid mixture is present on the primary side of the separation membrane in the state of a gas-liquid mixed fluid, concentration polarization on the separation membrane can be eliminated by the stirring action of gas (bubbles). Further, since the temperature of the gas phase is higher than the temperature of the liquid phase, it is possible to replenish latent heat of vaporization when contaminant components (for example, moisture) permeate from the primary side to the secondary side of the separation membrane, and the temperature of the liquid mixture Decreasing can be avoided. Therefore, it is possible to maintain the gas-liquid mixed state in the process of being in contact with the separation membrane, and to avoid the separation capability of the separation membrane from being lowered due to the temperature drop.

また、本発明の第2の態様に係る膜分離装置の発明は、液体混合物の一部を液相より高い温度の気相とする蒸気発生装置と、前記気相を含む気液混合状態の液体混合物中の夾雑成分を分離する分離膜を有する膜モジュールとを備えていることを特徴とする。   Further, the invention of the membrane separation apparatus according to the second aspect of the present invention includes a vapor generator that converts a part of the liquid mixture into a gas phase having a temperature higher than the liquid phase, and a gas-liquid mixed liquid containing the gas phase. And a membrane module having a separation membrane for separating contaminant components in the mixture.

この特徴によれば、蒸気発生装置が備えられており、この蒸気発生装置で発生した蒸気を導入することにより、液体混合物を容易に気液混合状態とすることが可能であるため、その制御が容易である。   According to this feature, a steam generator is provided, and by introducing the steam generated by the steam generator, the liquid mixture can be easily brought into a gas-liquid mixed state, so that control thereof is possible. Easy.

また、気相を含む気液混合状態の液体混合物を膜モジュールで処理することができるので、気体(気泡)の撹拌作用によって分離膜上の濃度分極を解消させることができる。また、気相の温度が液相の温度より高いため、夾雑成分(例えば水分)を分離する際の蒸発潜熱を補給することができ、液体混合物の温度が低下することを回避することができる。従って、分離膜と接触している過程において気液混合状態を維持することができると共に、温度低下に由来する分離膜の分離能低下を回避することが可能である。   Moreover, since the liquid mixture in a gas-liquid mixed state including the gas phase can be processed by the membrane module, concentration polarization on the separation membrane can be eliminated by the stirring action of the gas (bubbles). Further, since the temperature of the gas phase is higher than the temperature of the liquid phase, it is possible to supplement the latent heat of vaporization when separating impurities (for example, moisture), and to avoid the temperature of the liquid mixture from being lowered. Therefore, it is possible to maintain the gas-liquid mixed state in the process of being in contact with the separation membrane, and to avoid the separation capability of the separation membrane from being lowered due to the temperature drop.

また、本発明の第3の態様に係る膜分離装置の発明は、前記第2の態様において、前記蒸気発生装置は、前記液体混合物を加熱して蒸気とする加熱装置を備えていることを特徴とする。この特徴によれば、簡単な構成で、確実に液体混合物の一部を蒸気(気相)状態とすることができる。   Further, the invention of the membrane separation apparatus according to the third aspect of the present invention is characterized in that, in the second aspect, the vapor generating device includes a heating device that heats the liquid mixture to form a vapor. And According to this feature, a part of the liquid mixture can be reliably brought into a vapor (gas phase) state with a simple configuration.

また、本発明の第4の態様に係る膜分離装置の発明は、前記第3の態様において、前記蒸気発生装置は、さらに、前記加熱装置で発生した蒸気を過熱する蒸気過熱器を備えていることを特徴とする。この特徴によれば、前記加熱装置で発生した蒸気(気相)の温度を確実に液相より高くすることができる。   Further, in the invention of the membrane separation apparatus according to the fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the steam generator further includes a steam superheater that superheats the steam generated by the heating device. It is characterized by that. According to this feature, the temperature of the vapor (gas phase) generated by the heating device can be reliably made higher than the liquid phase.

また、本発明の第5の態様に係る膜モジュールの発明は、液体混合物の一部を沸騰させて液相より高い温度の気相を含む気液混合状態とする加熱手段と、前記気液混合状態の液体混合物中の夾雑成分を分離する分離膜とを備えていることを特徴とする。   Further, the invention of the membrane module according to the fifth aspect of the present invention includes a heating means for boiling a part of the liquid mixture to bring it into a gas-liquid mixed state containing a gas phase having a temperature higher than the liquid phase, and the gas-liquid mixing And a separation membrane for separating contaminant components in the liquid mixture in a state.

この特徴によれば、気相を含む気液混合状態の液体混合物を分離膜上に存在させることができるので、気体(気泡)の撹拌作用によって分離膜上の濃度分極を解消させることができる。また、気相の温度が液相の温度より高いため、夾雑成分(例えば水分)を分離する際の蒸発潜熱を補給することができ、供給液の温度が低下することを回避することができる。従って、分離膜と接触している過程において気液混合状態を維持することができると共に、温度低下に由来する分離膜の分離能低下を回避することが可能である。   According to this feature, since the liquid mixture in a gas-liquid mixed state including the gas phase can be present on the separation membrane, concentration polarization on the separation membrane can be eliminated by the stirring action of gas (bubbles). Further, since the temperature of the gas phase is higher than the temperature of the liquid phase, it is possible to supplement the latent heat of vaporization when separating impurities (for example, moisture), and to avoid the temperature of the supply liquid from being lowered. Therefore, it is possible to maintain the gas-liquid mixed state in the process of being in contact with the separation membrane, and to avoid a reduction in the separation performance of the separation membrane due to a temperature drop.

また、本発明の第6の態様に係る膜モジュールの発明は、前記第5の態様において、前記加熱手段は、前記分離膜の一次側表面近傍に配置されていることを特徴とする。この特徴によれば、蒸発潜熱が発生する近傍に熱をより直接的に供給することができるため、蒸発潜熱の補給をより効率的、かつ確実に行うことができる。   Moreover, the invention of the membrane module according to a sixth aspect of the present invention is characterized in that, in the fifth aspect, the heating means is disposed in the vicinity of the primary side surface of the separation membrane. According to this feature, heat can be supplied more directly in the vicinity where the latent heat of vaporization occurs, so that the latent heat of vaporization can be replenished more efficiently and reliably.

本発明によれば、液体混合物を気液混合状態として容易に制御することができるとともに、液体混合物の膜分離における濃度分極や温度低下などの問題を解消することができ、高性能な膜分離を実施できる。   According to the present invention, the liquid mixture can be easily controlled as a gas-liquid mixed state, and problems such as concentration polarization and temperature drop in membrane separation of the liquid mixture can be solved, and high-performance membrane separation can be achieved. Can be implemented.

本発明に係る膜分離方法は、液体混合物を液相より高い温度の気相を含む気液混合流体とし、この気液混合流体を分離膜の一次側に存在させて二次側を負圧とすることにより、当該液体混合物に含まれる夾雑成分を分離膜の二次側に透過させるようにしたことを特徴とするものである。すなわち、液体混合物が分離膜の一次側に存在する際において、当該液体混合物が液相より高い温度の気相を含む気液混合流体となっていることを特徴とするものである。   In the membrane separation method according to the present invention, the liquid mixture is a gas-liquid mixed fluid containing a gas phase having a temperature higher than the liquid phase, the gas-liquid mixed fluid is present on the primary side of the separation membrane, and the secondary side is set to a negative pressure. By doing so, the contaminant component contained in the liquid mixture is permeated to the secondary side of the separation membrane. That is, when the liquid mixture is present on the primary side of the separation membrane, the liquid mixture is a gas-liquid mixed fluid containing a gas phase having a temperature higher than that of the liquid phase.

以下、図面に基づいて本発明に係る膜分離方法およびその方法の実施に好適な膜分離装置について説明する。   Hereinafter, a membrane separation method according to the present invention and a membrane separation apparatus suitable for carrying out the method will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係る膜分離装置100の概略構成図である。この膜分離装置100は、液体混合物1aを貯留した液体混合物タンク10から供給された液体混合物の一部を液相より高い温度の気相状態とする蒸気発生装置15と、この気相を含むことにより気液混合状態となった気液混合流体1dを処理して夾雑成分(例えば水分)を分離する膜モジュール14を主な構成要素としている。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a membrane separation apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. The membrane separation device 100 includes a vapor generating device 15 that converts a part of the liquid mixture supplied from the liquid mixture tank 10 storing the liquid mixture 1a to a gas phase state at a temperature higher than the liquid phase, and the gas phase. The main component is the membrane module 14 that processes the gas-liquid mixed fluid 1d that has been in a gas-liquid mixed state to separate impurities (for example, moisture).

この膜分離装置100の分離対象である液体混合物1aとしては、例えば、水と、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール類との液体混合物、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類、四塩化炭素、トリクロロエチレンなどのハロゲン化炭化水素類などの有機液体と、メタノール、エタコール、プロパノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール類との液体混合物、前記アルコール類と、ベンゼン、シクロヘキサンなどの芳香族類との液体混合物、さらに前記液体混合物が2種類またはそれ以上混合された混合物を挙げることができる。本発明に係る膜分離装置100が特に優れた選択性を示す液体混合物の例としては、水−エタノール混合物、水−イソプロピルアルコール混合物などの水−アルコール混合物が挙げられる。   Examples of the liquid mixture 1a to be separated by the membrane separation apparatus 100 include a liquid mixture of water and alcohols such as methanol, ethanol, propanol, and isopropyl alcohol, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, carbon tetrachloride, Liquid mixtures of organic liquids such as halogenated hydrocarbons such as trichlorethylene and alcohols such as methanol, etacol, propanol, isopropyl alcohol, liquid mixtures of the alcohols and aromatics such as benzene and cyclohexane, and Mention may be made of a mixture in which two or more of the liquid mixtures are mixed. Examples of the liquid mixture in which the membrane separation apparatus 100 according to the present invention exhibits particularly excellent selectivity include water-alcohol mixtures such as a water-ethanol mixture and a water-isopropyl alcohol mixture.

液体混合物タンク10から送液ポンプ11により送液された液体混合物1aは、再生器12で予熱された後、加熱器13に供給されて所定の温度に加熱される。加熱された液体混合物1aの一部1bは、後述する蒸気発生装置15に導入されて液相より高い温度の気相状態1cとなり、この気相1cが液相の液体混合物1aに導入されて気液混合流体1dが生成され、この気液混合流体1dが膜モジュール14に供給される。   The liquid mixture 1a fed from the liquid mixture tank 10 by the feed pump 11 is preheated by the regenerator 12, and then supplied to the heater 13 to be heated to a predetermined temperature. A part 1b of the heated liquid mixture 1a is introduced into a steam generator 15 to be described later to be in a gas phase state 1c having a temperature higher than that of the liquid phase, and the gas phase 1c is introduced into the liquid phase liquid mixture 1a. A liquid mixed fluid 1d is generated, and this gas-liquid mixed fluid 1d is supplied to the membrane module 14.

膜モジュール14は、特に限定されることはないが、分離膜を備えた既知のものを使用することができ、例えば、特開平8−131781号公報に示される円筒型膜モジュール、または特開平8−131782号公報に示される片端を管板に固定された片端封止の筒状の分離膜が所定のピッチとなるように両管板から挿入した円筒型膜モジュールを使用することができる。なお、「膜モジュール」とは、装置の一部または一単位であって、分離膜を備え、物質分離機能を担う部分を意味する。   The membrane module 14 is not particularly limited, but a known one having a separation membrane can be used. For example, a cylindrical membrane module disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-131781 or Japanese Patent Laid-Open No. It is possible to use a cylindrical membrane module inserted from both tube plates so that one end sealed cylindrical separation membrane fixed to the tube plate has a predetermined pitch as shown in Japanese Patent No. 1311782. The “membrane module” means a part or a unit of the apparatus, which includes a separation membrane and has a substance separation function.

また、膜モジュール14に内蔵される分離膜は特に限定されることはないが、例えば図3に示すように円筒形状の多孔質支持基体31bの外側表面にゼオライト膜31aが形成された構成となっており、内部を真空ポンプ18(図1参照)によって負圧状態として維持することができるようになっている。ゼオライト膜31aの種類は分離する夾雑成分に応じて適宜選択することができ、例えば特開平8−318141号公報に記載されているA型ゼオライト膜、特開平8−257302号公報に記載されているZSM−5型ゼオライト膜、特開平8−257301号公報に記載されているY型ゼオライト膜、特開平10−212117号公報に記載されているNaX型ゼオライト膜、特開2000−42386号公報に記載されているT型ゼオライト膜などを挙げることができる。特に、多孔質支持基体31b上に種結晶を坦持させてからゼオライト膜31aを析出させた分離膜31が好ましい。   Further, the separation membrane incorporated in the membrane module 14 is not particularly limited, but for example, as shown in FIG. 3, the zeolite membrane 31a is formed on the outer surface of the cylindrical porous support base 31b. The interior can be maintained in a negative pressure state by a vacuum pump 18 (see FIG. 1). The type of the zeolite membrane 31a can be appropriately selected depending on the components to be separated, and is described in, for example, the A-type zeolite membrane described in JP-A-8-318141 and JP-A-8-257302. ZSM-5 type zeolite membrane, Y type zeolite membrane described in JP-A No. 8-257301, NaX type zeolite membrane described in JP-A No. 10-212117, described in JP-A No. 2000-42386 The T-type zeolite membrane etc. which have been mentioned can be mentioned. In particular, the separation membrane 31 in which the seed crystal is supported on the porous support base 31b and the zeolite membrane 31a is deposited is preferable.

膜モジュール14に供給された気液混合流体1dは分離膜31の一次側に沿って流通する間にこの気液混合状態1dの液体混合物から夾雑成分2a(例えば水分)が分離膜31を透過して二次側に至り、この透過した成分2aは凝縮器19により凝縮されて透過液2bとして透過液タンク20に回収される。   While the gas-liquid mixed fluid 1 d supplied to the membrane module 14 flows along the primary side of the separation membrane 31, impurities 2 a (for example, moisture) permeate the separation membrane 31 from the liquid mixture in the gas-liquid mixed state 1 d. The secondary component 2a reaches the secondary side and is condensed by the condenser 19 and collected in the permeate tank 20 as the permeate 2b.

この過程において、分離膜31の一次側の表面に沿って流通する気液混合流体1dには気相が気泡となって存在するため、この気相(気泡)の流れに沿って分離膜一次側表面に撹拌作用が生じて分離膜上の濃度分極を解消させることができる。さらに、気相の温度が液相より高く設定されているため夾雑成分(例えば水分)の蒸発潜熱を補給することができ、供給液の温度が低下することを回避させることができる。従って、分離膜31の一次側表面に沿って流通する間、液体混合物を確実に気液混合状態として維持することができると共に、温度低下に由来する分離膜の分離能低下を回避することができる。その結果、高い分離能を発現することが可能である。   In this process, the gas-liquid mixed fluid 1d flowing along the surface on the primary side of the separation membrane 31 has a gas phase as bubbles, so the separation membrane primary side along the flow of the gas phase (bubbles). A stirring action is generated on the surface, and concentration polarization on the separation membrane can be eliminated. Furthermore, since the temperature of the gas phase is set higher than that of the liquid phase, it is possible to replenish latent heat of vaporization of contaminant components (for example, moisture), and it is possible to avoid a decrease in the temperature of the supply liquid. Therefore, while flowing along the primary side surface of the separation membrane 31, it is possible to reliably maintain the liquid mixture in a gas-liquid mixed state and to avoid a reduction in separation performance of the separation membrane due to a temperature drop. . As a result, high resolution can be expressed.

夾雑成分が分離されて濃縮された気液混合流体1eは再生器12で冷却されて濃度の高い溶液として製品タンク17に回収される。   The gas-liquid mixed fluid 1e separated and concentrated with the contaminated components is cooled by the regenerator 12 and collected in the product tank 17 as a highly concentrated solution.

次に、本実施形態に係る蒸気発生装置15の構成について図面に基づいて説明する。ここで、図2は本発明の膜分離装置に使用可能な蒸気発生装置15の構成図である。   Next, the configuration of the steam generator 15 according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. Here, FIG. 2 is a block diagram of the steam generator 15 usable in the membrane separation apparatus of the present invention.

蒸気発生装置15は、供給装置21と、加熱装置22を主な構成要素としている。
供給装置21は、例えば送液ポンプから構成することができ、液体混合物の一部1bを所定温度における飽和蒸気圧より高い圧力となるように加圧する。
The steam generator 15 includes a supply device 21 and a heating device 22 as main components.
The supply device 21 can be constituted by a liquid feed pump, for example, and pressurizes a part 1b of the liquid mixture so as to be higher than the saturated vapor pressure at a predetermined temperature.

加熱装置22は、液体混合物1bに熱を供給して蒸発または沸騰させて気相(蒸気)状態1cとする。また、加熱装置22には供給熱量を調整することにより発生する気相(蒸気)の量を調整する調整手段(図示せず)を設けることが好ましい。   The heating device 22 supplies heat to the liquid mixture 1b to evaporate or boil it to a gas phase (vapor) state 1c. The heating device 22 is preferably provided with adjusting means (not shown) for adjusting the amount of gas phase (steam) generated by adjusting the amount of heat supplied.

また、加熱装置22で発生した気相(蒸気)1cに熱を供給する蒸気過熱器(スーパーヒータ)23を加熱装置22と蒸気供給部29との間に設けることが好ましい。この蒸気過熱器23によって気相(蒸気)1cを過熱することにより、気相の温度を確実に液相の温度より高い温度となるように調整することができる。   A steam superheater (superheater) 23 that supplies heat to the gas phase (steam) 1 c generated by the heating device 22 is preferably provided between the heating device 22 and the steam supply unit 29. By heating the gas phase (steam) 1c with the steam superheater 23, the temperature of the gas phase can be reliably adjusted to be higher than the temperature of the liquid phase.

気相の温度は液相の温度より高ければ特に制限されることはなく、液体混合物の種類、気相の存在量、分離膜の種類、夾雑成分の性質などにより適宜設定することができ、例えば、液相より0.1〜20℃程度高い温度であると好ましく、1〜10℃程度高い温度であるとより好ましく、3〜5℃程度高い温度であると最も好ましい。このように気相の温度が液相の温度より高いことによって、液体混合物を気液混合状態として容易に制御することができるとともに、夾雑成分の分離に由来する蒸発潜熱を確実に補給することができる。   The temperature of the gas phase is not particularly limited as long as it is higher than the temperature of the liquid phase, and can be appropriately set depending on the type of the liquid mixture, the amount of the gas phase, the type of the separation membrane, the nature of the contaminant component, etc. The temperature is preferably about 0.1 to 20 ° C. higher than the liquid phase, more preferably about 1 to 10 ° C., and most preferably about 3 to 5 ° C. As described above, when the temperature of the gas phase is higher than the temperature of the liquid phase, the liquid mixture can be easily controlled as a gas-liquid mixed state, and the latent heat of evaporation derived from the separation of the contaminated components can be reliably replenished. it can.

液相の温度より高い温度に調整された気相(蒸気)1cは、蒸気供給部29から液相の液体混合物1aに供給されて気液混合流体1dを生成させる。この蒸気供給部29には、気液混合流体中での気相(気泡)の大きさ、存在量、分散の程度などを調整可能な調整手段(図示せず)を設けることが好ましい。この調整手段により、気液混合流体1dの状態を容易に制御することができる。また気相は気液混合流体中において好適な大きさおよび存在量となり、均一に分散された状態であることが好ましい。   The gas phase (steam) 1c adjusted to a temperature higher than the liquid phase temperature is supplied from the vapor supply unit 29 to the liquid phase liquid mixture 1a to generate the gas-liquid mixed fluid 1d. The vapor supply unit 29 is preferably provided with adjusting means (not shown) that can adjust the size, abundance, degree of dispersion, and the like of the gas phase (bubbles) in the gas-liquid mixed fluid. By this adjusting means, the state of the gas-liquid mixed fluid 1d can be easily controlled. The gas phase preferably has a suitable size and abundance in the gas-liquid mixed fluid, and is preferably in a uniformly dispersed state.

気液混合流体に含まれる気相の存在量は、液体混合物の種類、気相の温度、分離膜の種類、夾雑成分の性質などにより適宜設定することができ、例えば夾雑成分の分離膜透過量に対して体積比で1〜100倍程度、好ましくは1〜10倍程度、最も好ましくは3倍程度である。また気液混合流体に含まれる気相の体積割合として、1〜70体積%、好ましくは10〜50体積%の範囲から選択することができる。特に、気相温度が液相より4℃程度高い場合には、気相の存在量は30体積%程度であることが好ましい。なお、気相の体積割合は、膜モジュール14内の圧力によって変動する場合がある。   The abundance of the gas phase contained in the gas-liquid mixed fluid can be appropriately set depending on the type of the liquid mixture, the temperature of the gas phase, the type of the separation membrane, the nature of the contaminant component, etc. The volume ratio is about 1 to 100 times, preferably about 1 to 10 times, and most preferably about 3 times. The volume ratio of the gas phase contained in the gas-liquid mixed fluid can be selected from the range of 1 to 70% by volume, preferably 10 to 50% by volume. In particular, when the gas phase temperature is about 4 ° C. higher than the liquid phase, the amount of the gas phase is preferably about 30% by volume. Note that the volume ratio of the gas phase may vary depending on the pressure in the membrane module 14.

なお、液体混合物を供給装置によって所定の圧力に加圧した後に加熱して蒸気状態とする場合には、蒸気過熱器を省略することができる場合がある。また、蒸気過熱器を設けて蒸気を過熱する場合には、供給装置を省略することができる場合がある。   When the liquid mixture is pressurized to a predetermined pressure by the supply device and then heated to be in a vapor state, the vapor superheater may be omitted. Moreover, when a steam superheater is provided to superheat steam, the supply device may be omitted.

次に、図4は本発明の別の実施形態に係る膜分離装置101の概略構成図であり、図1と同じ構成については同一の符合を付して説明を省略する。この図4に示す実施形態では、外部から液体混合物1aと反応しない気体g(例えば希ガス、窒素ガスなどの不活性ガス)を、図1に示した実施形態における蒸気過熱器23に相当する気体過熱器23aにおいて導入先の液相より高い温度まで過熱したのちに、液体混合物1aに導入することにより気液混合流体1dを構成する。   Next, FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a membrane separation apparatus 101 according to another embodiment of the present invention. The same components as those in FIG. In the embodiment shown in FIG. 4, a gas g that does not react with the liquid mixture 1a from the outside (for example, an inert gas such as a rare gas or nitrogen gas) is used as a gas corresponding to the steam superheater 23 in the embodiment shown in FIG. After the superheater 23a is heated to a temperature higher than the liquid phase of the introduction destination, it is introduced into the liquid mixture 1a to constitute the gas-liquid mixed fluid 1d.

気体gの温度は液相の温度より高ければ特に制限されることはなく、液体混合物の種類、気相の存在量、分離膜の種類、夾雑成分の性質などにより適宜設定することができ、例えば、液相より0.1〜50℃程度高い温度であると好ましく、0.1〜30℃程度高い温度であるとより好ましい。このように気体gの温度が液相の温度より高いことによって、液体混合物を気液混合状態として容易に制御することができるとともに、夾雑成分の分離に由来する蒸発潜熱を確実に補給することができる。   The temperature of the gas g is not particularly limited as long as it is higher than the temperature of the liquid phase, and can be appropriately set depending on the type of liquid mixture, the amount of gas phase, the type of separation membrane, the nature of contaminant components, etc. The temperature is preferably about 0.1 to 50 ° C. higher than the liquid phase, and more preferably about 0.1 to 30 ° C. As described above, when the temperature of the gas g is higher than the temperature of the liquid phase, the liquid mixture can be easily controlled as a gas-liquid mixed state, and the latent heat of evaporation derived from the separation of contaminant components can be reliably replenished. it can.

この実施形態においても、気体gを液体混合物1aに供給して気液混合流体1dを生成させる気体供給部29aには、気液混合流体中での気相(気泡)の大きさ、存在量、分散の程度などを調整可能な調整手段(図示せず)を設けることが好ましい。この調整手段により、気液混合流体1dの状態を容易に制御することができる。また気相は気液混合流体中において好適な大きさおよび存在量となるように、均一に分散された状態であることが好ましい。   Also in this embodiment, the gas supply unit 29a that supplies the gas g to the liquid mixture 1a to generate the gas-liquid mixed fluid 1d includes the size, abundance of the gas phase (bubbles) in the gas-liquid mixed fluid, It is preferable to provide an adjusting means (not shown) capable of adjusting the degree of dispersion and the like. By this adjusting means, the state of the gas-liquid mixed fluid 1d can be easily controlled. The gas phase is preferably in a uniformly dispersed state so as to have a suitable size and abundance in the gas-liquid mixed fluid.

また、気液混合流体に含まれる気体gの存在量は、液体混合物の種類、気体の種類、気体の温度、分離膜の種類、夾雑成分の性質などにより適宜設定することができ、例えば夾雑成分の分離膜透過量に対して体積比で1〜100倍程度、好ましくは1〜10倍程度、最も好ましくは3倍程度である。また気液混合流体に含まれる気体の体積割合として、1〜80体積%、好ましくは10〜50体積%の範囲から選択することができる。なお、気体の体積割合は、膜モジュール14内の圧力によって変動する場合がある。   The amount of gas g contained in the gas-liquid mixed fluid can be appropriately set according to the type of liquid mixture, the type of gas, the temperature of the gas, the type of separation membrane, the nature of the contaminating component, etc. The volume ratio is about 1 to 100 times, preferably about 1 to 10 times, and most preferably about 3 times. The volume ratio of the gas contained in the gas-liquid mixed fluid can be selected from the range of 1 to 80% by volume, preferably 10 to 50% by volume. The gas volume ratio may vary depending on the pressure in the membrane module 14.

次に、液体混合物の一部を沸騰させて液相より高い温度の気相を含む気液混合状態とする加熱手段を備えた膜モジュールについて説明する。   Next, a membrane module provided with heating means for boiling a part of the liquid mixture to bring it into a gas-liquid mixed state containing a gas phase having a temperature higher than the liquid phase will be described.

ここで、図5は、加熱手段を備えた膜モジュール141の概略断面図である。
この膜モジュール141は、図5に示す如く、分離膜31と、流路40と、ケーシング48と、減圧部34と、加熱手段としての熱供給部50を主な要素として構成されており、分離膜31(図3参照)を用い、例えば水−エタノール混合物から水分を分離する場合に好適に使用することができるものである。
Here, FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the membrane module 141 provided with heating means.
As shown in FIG. 5, the membrane module 141 is composed mainly of a separation membrane 31, a flow path 40, a casing 48, a decompression unit 34, and a heat supply unit 50 as a heating means. For example, the membrane 31 (see FIG. 3) can be preferably used when water is separated from a water-ethanol mixture.

減圧部用シェルカバー35で覆われた減圧部34およびこの減圧部34に連通する分離膜31の内部(二次側)は、真空ポンプにより減圧状態に保たれており、物質分離を可能としている。また、熱供給部50によって液体混合物の一部を沸騰させ、さらに沸騰により生じた気相に熱を供給することにより、液相より高い温度の気相を含む気液混合流体を生成させるように構成されており、この気液混合流体が流路40を通過する際に分離膜31の一次側と接触することで、水分などの夾雑成分のみが選択的に分離膜31を通過して二次側に移動し、気体の状態で減圧部34に送られることにより液体混合物に含まれる夾雑成分が取り除かれる。   The decompression section 34 covered with the decompression section shell cover 35 and the inside (secondary side) of the separation membrane 31 communicating with the decompression section 34 are kept in a decompressed state by a vacuum pump, thereby enabling material separation. . Further, a part of the liquid mixture is boiled by the heat supply unit 50, and further, heat is supplied to the gas phase generated by the boiling, so that a gas-liquid mixed fluid containing a gas phase having a temperature higher than the liquid phase is generated. When this gas-liquid mixed fluid passes through the flow path 40, it comes into contact with the primary side of the separation membrane 31, so that only contaminant components such as moisture selectively pass through the separation membrane 31 and become secondary. The contaminant component contained in the liquid mixture is removed by moving to the pressure side and being sent to the decompression unit 34 in a gaseous state.

この過程において、気液混合流体に含まれる気相が気泡となって存在するため、この気相(気泡)の流れに沿って分離膜31の一次側表面に撹拌作用が生じて分離膜31上の濃度分極を解消させることができる。さらに、気相の温度が液相より高く設定されているため夾雑成分(例えば水分)の蒸発潜熱を補給することができ、供給液の温度が低下することを回避させることができる。従って、温度低下に由来する分離膜の分離能低下を回避することができ、高い分離能を発現することができる。   In this process, since the gas phase contained in the gas-liquid mixed fluid exists as bubbles, a stirring action occurs on the primary surface of the separation membrane 31 along the flow of the gas phase (bubbles) and Concentration polarization can be eliminated. Furthermore, since the temperature of the gas phase is set higher than that of the liquid phase, it is possible to replenish latent heat of vaporization of contaminant components (for example, moisture), and it is possible to avoid a decrease in the temperature of the supply liquid. Therefore, it is possible to avoid a reduction in separation performance of the separation membrane due to a temperature drop, and to express a high separation performance.

なお、流路40は、導入部41から排出部42に向けて液体混合物が分離膜31の表面に接触しつつ通過する構成となっている。また、分離膜31は、分離膜用円管板33に留め具32で装着されている。   The flow path 40 is configured such that the liquid mixture passes from the introduction part 41 toward the discharge part 42 while being in contact with the surface of the separation membrane 31. The separation membrane 31 is attached to the separation membrane circular tube plate 33 with a fastener 32.

熱供給部50は分離膜31の一次側表面近傍に配置されている。そして、熱媒体が外管を覆うように充填されていて、流路40を通過する液体混合物に熱を供給し、その一部を沸騰させることによって液相より高い温度の蒸気(気相)を含む気液混合状態を生成できるように構成されている。なお、熱供給部50は、沸騰により生成した蒸気(気相)と直接接触することによって、気相に熱を供給できる構成であることが好ましい。熱媒体は、媒体導入部52から媒体排出部53に向けて流れるように構成されており、熱供給量を的確に調整できるようになっている。この熱媒体は特に限定されないが、スチーム、熱媒体オイル等を挙げることができる。   The heat supply unit 50 is disposed near the primary surface of the separation membrane 31. Then, the heat medium is filled so as to cover the outer tube, and heat is supplied to the liquid mixture passing through the flow path 40, and a part of the liquid is boiled, whereby steam (gas phase) having a temperature higher than the liquid phase is generated. It is comprised so that the gas-liquid mixed state containing can be produced | generated. In addition, it is preferable that the heat supply part 50 is the structure which can supply heat to a gaseous phase by directly contacting with the vapor | steam (gas phase) produced | generated by boiling. The heat medium is configured to flow from the medium introduction unit 52 toward the medium discharge unit 53, so that the heat supply amount can be accurately adjusted. The heat medium is not particularly limited, and examples thereof include steam and heat medium oil.

次に、加熱手段を備えた膜モジュールについて、図5とは別の膜モジュール142の構成について図6を参照しつつ説明する。ここで、図6は加熱手段を備えた膜モジュール142の概略断面図であり、図5と同じ構成については同一の符合を付して説明を省略する。   Next, regarding the membrane module provided with the heating means, the configuration of the membrane module 142 different from FIG. 5 will be described with reference to FIG. Here, FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the membrane module 142 provided with heating means, and the same components as those in FIG.

図6に示す膜モジュール142では、加熱手段としての熱供給部50は、ケーシング48を取り巻くように配設されており、ケーシング48の周囲から液体混合物に熱を供給することにより、その一部を沸騰させて気液混合状態を生成するように構成されている。   In the membrane module 142 shown in FIG. 6, the heat supply unit 50 as a heating unit is disposed so as to surround the casing 48, and a part of the heat supply unit 50 is supplied by supplying heat to the liquid mixture from the periphery of the casing 48. It is configured to generate a gas-liquid mixed state by boiling.

また、流路40には液体混合物が効率よく分離膜31に接触するように乱流促進効果を備える乱流促進体45を設けることもできる。なお、熱供給部は、ケーシング48の内部に構成することも可能である。この場合には、例えば熱供給部をケーシング48の内周面に沿って配設したり、分離膜31を取り巻くように配設したりすることができる。   Moreover, the flow path 40 can be provided with a turbulent flow promoting body 45 having a turbulent flow promoting effect so that the liquid mixture efficiently contacts the separation membrane 31. The heat supply unit can also be configured inside the casing 48. In this case, for example, the heat supply unit can be disposed along the inner peripheral surface of the casing 48 or can be disposed so as to surround the separation membrane 31.

また、図示を省略するが、外部から液体混合物と反応しない気体(例えば希ガス、窒素ガスなどの不活性ガス)を気体過熱器において液相より高い温度まで過熱したのちに膜モジュール内の液体混合物に導入することにより、気液混合流体を生成してもよい。この場合には、少なくとも分離膜の一次側に存在する液体混合物を気液混合流体とすることが可能であり、上述した効果が同様に得られる。具体的には、例えば膜モジュール内に散気管などを設けて分離膜の一次側に温度調整された気体が気泡となって供給されるように構成することができる。   Although not shown, the liquid mixture in the membrane module is heated after heating a gas that does not react with the liquid mixture from the outside (for example, an inert gas such as a rare gas or nitrogen gas) to a temperature higher than the liquid phase in the gas superheater. The gas-liquid mixed fluid may be generated by introducing into the gas. In this case, the liquid mixture existing at least on the primary side of the separation membrane can be used as the gas-liquid mixed fluid, and the above-described effects can be obtained in the same manner. Specifically, for example, a gas diffusion tube or the like may be provided in the membrane module so that gas whose temperature is adjusted is supplied as bubbles to the primary side of the separation membrane.

以下、実施例および比較例を挙げて本発明についてより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.

実施例1および比較例1〜2
水を5wt%含む、水−イソプロピルアルコール(IPA)混合物を被処理液とし、供給液流量を10L/h、分離膜としてNaA型ゼオライト膜を使用した場合において、液相より5℃高い温度の蒸気(気相)を吹き込むことにより気液混合状態とした被処理液を分離膜表面に供給した本発明に係る実施例1と、減圧下に気液混合状態とした被処理液を分離膜表面に供給した比較例1と、加圧下に液体状態で被処理液を分離膜表面に供給した比較例2について膜分離を行った。実施条件および結果を表1に示した。
Example 1 and Comparative Examples 1-2
When a water-isopropyl alcohol (IPA) mixture containing 5 wt% of water is used as the liquid to be treated, the supply liquid flow rate is 10 L / h, and a NaA-type zeolite membrane is used as the separation membrane, steam at a temperature 5 ° C. higher than the liquid phase Example 1 according to the present invention in which the liquid to be treated in a gas-liquid mixed state by supplying (gas phase) was supplied to the separation membrane surface, and the liquid to be treated in a gas-liquid mixed state under reduced pressure on the surface of the separation membrane Membrane separation was performed for the supplied Comparative Example 1 and for Comparative Example 2 in which the liquid to be treated was supplied to the surface of the separation membrane in a liquid state under pressure. The implementation conditions and results are shown in Table 1.

Figure 2005066473
Figure 2005066473

表1より、膜分離性能を示す透過液流量については、本発明に係る実施例1が70g/hであるのに対し、比較例1では60g/h、比較例2では32g/hであり、本発明の膜分離方法においては分離効果が顕著であることがわかる。また、供給液の供給状態が同じ気液混合状態である比較例1に比しても透過液流量が向上している。これは、比較例1においては飽和蒸気圧より僅かに低い状態で液体混合物中に50vol%以下の気体を含有させて気液混合状態とする際に、膜供給入口から気液混合状態を構成することができなかったために気体による撹拌作用が不十分であったためであると推測される。なお、比較例1では、膜供給入口から気液混合状態が構成されていないものと推測される。   From Table 1, the permeate flow rate indicating the membrane separation performance is 70 g / h in Example 1 according to the present invention, 60 g / h in Comparative Example 1, and 32 g / h in Comparative Example 2, It can be seen that the separation effect is significant in the membrane separation method of the present invention. In addition, the permeate flow rate is improved compared to Comparative Example 1 in which the supply state of the supply liquid is the same gas-liquid mixed state. In Comparative Example 1, when a gas mixture of 50 vol% or less is contained in the liquid mixture in a state slightly lower than the saturated vapor pressure to form a gas-liquid mixed state, the gas-liquid mixed state is configured from the film supply inlet. This is presumed to be because the stirring action by the gas was inadequate because it was not possible. In Comparative Example 1, it is presumed that no gas-liquid mixed state is formed from the membrane supply inlet.

実施例2〜4および比較例3〜4
次に、供給液流量を80L/hとし、液相より5℃高い温度の蒸気(気相)を吹き込むことにより気液混合状態とした被処理液を分離膜表面に供給する際に供給液に含まれる蒸気量(蒸気用供給液流量)を0.5L/h、1L/h、2L/hと段階的に変化させた場合(実施例2〜4)と、減圧下に気液混合状態とした被処理液を分離膜表面に供給した場合(比較例3)と、加圧下に液体状態で被処理液を分離膜表面に供給した場合(比較例4)について膜分離を行った。実施条件および結果を表2に示した。
Examples 2-4 and Comparative Examples 3-4
Next, the supply liquid flow rate is set to 80 L / h, and the supply liquid is supplied to the separation membrane surface by supplying steam (gas phase) at a temperature 5 ° C. higher than the liquid phase to a gas-liquid mixed state. When the amount of steam contained (steam supply liquid flow rate) is changed stepwise to 0.5 L / h, 1 L / h, and 2 L / h (Examples 2 to 4), The membrane separation was performed when the treated liquid was supplied to the separation membrane surface (Comparative Example 3) and when the treated liquid was supplied to the separation membrane surface in a liquid state under pressure (Comparative Example 4). The implementation conditions and results are shown in Table 2.

Figure 2005066473
Figure 2005066473

表2より、蒸気用供給液流量が0.5L/hである実施例2では透過液流量が760g/hであり、比較例3の816g/hと比し、膜性能の僅かな低下を確認できるが、比較例4より優れている。これは、実施例2では水が膜を透過する際に要する蒸発潜熱の補給が不十分であったとともに、濃度分極を充分に解消するに至っていなかったためであると推測される。   From Table 2, the permeate flow rate is 760 g / h in Example 2 where the steam feed liquid flow rate is 0.5 L / h, confirming a slight decrease in membrane performance compared to 816 g / h in Comparative Example 3. Yes, but better than Comparative Example 4. This is presumed to be because, in Example 2, the replenishment of latent heat of vaporization required when water permeates the membrane was insufficient and the concentration polarization was not sufficiently eliminated.

より具体的には、比較例3は膜モジュールの出口を減圧状態として沸騰操作(減圧沸騰)させたもので、膜モジュール入口部では気泡発生が少なく、膜モジュール出口方向に流れるに従い激しく沸騰して気泡を生じ、流れは気液混合状態となる。その結果、入口近傍部での濃度分極はあまり解消されず、出口に向かうに従って沸騰により濃度分極がある程度解消されたものと推測される。このように、比較例3では膜モジュールのどこから気液混合状態を構成するかが明確ではなく、制御が困難である。なお、比較例3における運転温度は膜モジュール入口の液温度であり、運転圧力は膜モジュール出口の温度が運転温度より数度(例えば、約5度)低下する程度に設定した場合の膜モジュール出口の圧力である。   More specifically, Comparative Example 3 is a boiling operation (reduced pressure boiling) with the outlet of the membrane module being in a reduced pressure state. There is little bubble generation at the inlet of the membrane module, and it boils violently as it flows toward the outlet of the membrane module. Bubbles are generated, and the flow becomes a gas-liquid mixed state. As a result, it is presumed that the concentration polarization in the vicinity of the inlet is not eliminated so much and the concentration polarization is eliminated to some extent by boiling toward the outlet. Thus, in Comparative Example 3, it is not clear from where in the membrane module the gas-liquid mixture state is configured, and control is difficult. The operating temperature in Comparative Example 3 is the liquid temperature at the inlet of the membrane module, and the operating pressure is the outlet of the membrane module when the temperature at the outlet of the membrane module is set to be lower by several degrees (for example, about 5 degrees) than the operating temperature. Pressure.

これに対し、実施例2では、膜モジュール入口部から気液混合状態を構成しているものの、気相量が少ないという実施条件であるため、比較例3と比し相対的に濃度分極を解消するに至っていないものと推測される。   On the other hand, in Example 2, although the gas-liquid mixed state is configured from the membrane module inlet, it is an implementation condition that the amount of gas phase is small, so that concentration polarization is relatively eliminated compared to Comparative Example 3. It is presumed that this has not been done.

蒸気量を1L/h以上とした実施例3および4については、充分な撹拌効果が得られており、比較例3はそれらの中間状態の撹拌効果を有しているものと推測できる。その結果、実施例2に係る実施条件と比べ、比較例3の方が膜性能が向上したものと考察される。   About Examples 3 and 4 in which the amount of steam is 1 L / h or more, a sufficient stirring effect is obtained, and it can be presumed that Comparative Example 3 has an intermediate stirring effect. As a result, it is considered that the film performance of Comparative Example 3 is improved as compared with the execution conditions according to Example 2.

また、蒸気用供給液流量が1L/hである実施例3では透過液流量が950g/hとなり、比較例3と比し20%程度膜性能が向上している。このことから、本実施条件では蒸気用供給液流量を1L/h以上とすることによって膜透過物(水)の蒸発潜熱を充分に補給することができるとともに、濃度分極を解消させることができるものと推測される。さらに、蒸気用供給液流量を2L/hとした実施例4においても実施例3と同程度の透過液流量が得られた。このように、本実施条件では蒸気用供給液流量を1L/h以上とすることで蒸発潜熱を充分に補給することができるとともに、濃度分極を解消させることができることがわかる。なお、比較例3では膜供給入口から気液混合状態が構成されていないものと推測される。   Further, in Example 3 where the steam supply liquid flow rate is 1 L / h, the permeate flow rate is 950 g / h, and the membrane performance is improved by about 20% compared to Comparative Example 3. From this, under the present conditions, the vapor supply liquid flow rate is 1 L / h or more, so that the latent heat of vaporization of the membrane permeate (water) can be sufficiently replenished and concentration polarization can be eliminated. It is guessed. Furthermore, in Example 4 where the steam supply liquid flow rate was 2 L / h, a permeate flow rate comparable to that in Example 3 was obtained. Thus, it can be seen that, under the present operating conditions, by setting the steam supply liquid flow rate to 1 L / h or more, the latent heat of vaporization can be sufficiently replenished and the concentration polarization can be eliminated. In Comparative Example 3, it is presumed that no gas-liquid mixed state is formed from the membrane supply inlet.

実施例5および比較例5
次に、供給液流量を10L/hとし、分離膜としてT型ゼオライト膜を使用した場合において、液相より2〜5℃高い温度の蒸気(気相)を吹き込むことにより気液混合状態とした被処理液を分離膜表面に供給した場合(実施例5)と、加圧下に液体状態で被処理液を分離膜表面に供給した場合(比較例5)について膜分離を行った。分離条件および結果を表3に示した。
Example 5 and Comparative Example 5
Next, when the supply liquid flow rate is 10 L / h and a T-type zeolite membrane is used as a separation membrane, a gas-liquid mixed state is obtained by blowing steam (gas phase) at a temperature 2 to 5 ° C. higher than the liquid phase. Membrane separation was performed when the liquid to be treated was supplied to the separation membrane surface (Example 5) and when the liquid to be treated was supplied to the separation membrane surface under pressure (Comparative Example 5). The separation conditions and results are shown in Table 3.

Figure 2005066473
Figure 2005066473

表3より、分離膜がNaA型である場合での飽和蒸気吹き込み(表1の比較例1参照)に比し、実施例5では約1.5倍の透過液流量(透過流束)が得られた。すなわち、液相より高い温度の蒸気を吹き込むことにより、気体の撹拌作用によって膜表面に形成された濃度分極が解消されると共に、膜透過物(水)の蒸発潜熱を充分に補給することができたことによるものと推測される。また、比較例5に比しても高い透過液流量が得られることから、分離膜がT型ゼオライト膜であっても本発明の膜分離方法によって高い膜性能を発揮させることができることがわかる。   From Table 3, the permeate flow rate (permeation flux) is about 1.5 times higher in Example 5 than in the case of saturated vapor blowing (see Comparative Example 1 in Table 1) when the separation membrane is NaA type. It was. That is, by blowing steam at a temperature higher than the liquid phase, concentration polarization formed on the membrane surface due to the stirring action of the gas is eliminated, and the latent heat of evaporation of the membrane permeate (water) can be sufficiently replenished. This is presumed to be due to this. Moreover, since a high permeate flow rate is obtained as compared with Comparative Example 5, it can be seen that even if the separation membrane is a T-type zeolite membrane, high membrane performance can be exhibited by the membrane separation method of the present invention.

本発明は、例えば水−エタノール混合物など分離が困難である液体混合物からの夾雑成分の分離、または夾雑成分を分離して取り除くことによる濃縮、精製などに利用可能である。   The present invention can be used for separation of a contaminated component from a liquid mixture that is difficult to separate, such as a water-ethanol mixture, or concentration and purification by separating and removing the contaminated component.

本発明の一実施形態に係る膜分離装置の説明に供する図面。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Drawing used for description of the membrane separator which concerns on one Embodiment of this invention. 蒸気発生装置の説明に供する図面。Drawing used for description of a steam generator. 分離膜の説明に供する図面。Drawing used for description of separation membrane. 本発明の別の実施形態に係る膜分離装置の説明に供する図面。The figure which uses for description of the membrane separator which concerns on another embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る膜モジュールを示す図面。The drawing which shows the membrane module which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の別の実施形態に係る膜モジュールを示す図面。Drawing which shows the membrane module which concerns on another embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 液体混合物タンク
11 送液ポンプ
12 再生器
13 加熱器
14、141、142 膜モジュール
15 蒸気発生装置
17 製品タンク
18 真空ポンプ
19 凝縮器
20 透過液タンク
21 供給装置
22 加熱装置
23 蒸気過熱器(スーパーヒータ)
23a 気体過熱器
29 蒸気供給部
29a 気体供給部
31 分離膜
31a ゼオライト膜
31b 多孔質支持基体
32 留め具
33 分離膜用円管板
34 減圧部
35 減圧部用シェルカバー
40 流路
45 乱流促進体
48 ケーシング
50 熱供給部
100、101 膜分離装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Liquid mixture tank 11 Liquid feed pump 12 Regenerator 13 Heater 14, 141, 142 Membrane module 15 Steam generator 17 Product tank 18 Vacuum pump 19 Condenser 20 Permeate tank 21 Supply device 22 Heating device 23 Steam superheater (Super heater)
23a Gas superheater 29 Steam supply unit 29a Gas supply unit 31 Separation membrane 31a Zeolite membrane 31b Porous support base 32 Fastener 33 Separation membrane circular tube plate 34 Decompression unit 35 Decompression unit shell cover 40 Channel 45 Turbulence promoter 48 Casing 50 Heat supply unit 100, 101 Membrane separation device

Claims (6)

液体混合物を液相より高い温度の気相を含む気液混合流体とし、当該気液混合流体を分離膜の一次側に存在させて二次側を負圧とすることにより、当該液体混合物中の夾雑成分を前記分離膜の二次側に透過させるようにしたことを特徴とする、膜分離方法。 The liquid mixture is a gas-liquid mixed fluid containing a gas phase having a temperature higher than the liquid phase, the gas-liquid mixed fluid is present on the primary side of the separation membrane, and the secondary side has a negative pressure. A membrane separation method characterized in that contaminant components are allowed to permeate the secondary side of the separation membrane. 液体混合物の一部を液相より高い温度の気相とする蒸気発生装置と、
前記気相を含む気液混合状態の液体混合物中の夾雑成分を分離する分離膜を有する膜モジュールとを備えていることを特徴とする、膜分離装置。
A steam generator that converts a portion of the liquid mixture into a gas phase having a temperature higher than the liquid phase;
A membrane separation apparatus comprising: a membrane module having a separation membrane for separating contaminant components in the gas-liquid mixed liquid mixture containing the gas phase.
請求項2において、前記蒸気発生装置は、前記液体混合物を加熱して蒸気とする加熱装置を備えていることを特徴とする、膜分離装置。 3. The membrane separation device according to claim 2, wherein the vapor generating device includes a heating device that heats the liquid mixture to form a vapor. 請求項3において、前記蒸気発生装置は、さらに、前記加熱装置で発生した蒸気を過熱する蒸気過熱器を備えていることを特徴とする、膜分離装置。 4. The membrane separator according to claim 3, wherein the steam generator further includes a steam superheater that superheats the steam generated by the heating device. 液体混合物の一部を沸騰させて液相より高い温度の気相を含む気液混合状態とする加熱手段と、
前記気液混合状態の液体混合物中の夾雑成分を分離する分離膜とを備えていることを特徴とする、膜モジュール。
A heating means for boiling a part of the liquid mixture into a gas-liquid mixed state containing a gas phase having a temperature higher than the liquid phase;
A membrane module comprising: a separation membrane that separates contaminant components in the liquid mixture in the gas-liquid mixed state.
請求項5において、前記加熱手段は、前記分離膜の一次側表面近傍に配置されていることを特徴とする、膜モジュール。 6. The membrane module according to claim 5, wherein the heating means is disposed in the vicinity of the primary surface of the separation membrane.
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