JP2013252471A - 脱水装置及び脱水方法 - Google Patents

Abstract

【課題】脱水性能の経時的劣化を防止するようにした脱水装置及び脱水方法を提供する。
【解決手段】被処理流体中の水分を分離する水分離膜１３を有する水分離膜ユニット６を備え、上記水分離膜ユニット６の被処理流体入口に至る流路１０に、上記被処理流体中の不純物を除去するための不純物除去手段を設けた。不純物除去手段は、イオン交換樹脂を充填したイオン交換装置１１、または、活性炭、ゼオライト等の吸着材を充填した不純物除去装置とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水分離膜を用いた脱水装置及び脱水方法に関する。本発明は、特に、水との共沸組成を持つエタノール又はプロパノールと、水との混合物（被処理流体）を脱水するために、好適に用いることができる脱水装置及び脱水方法に関する。

石油燃料を代替する燃料源として、エタノールが注目されており、その市場規模は、２０１０年に５５００万キロリットルと予測されている。しかし、エタノールを燃料として採用するためには、トウモロコシ等のバイオ原料から得た粗製物を蒸留精製し、約９９ｗｔ％に脱水しなければならない。
従来、脱水にあたっては、希薄エタノール水溶液を、蒸留塔で蒸留することにより、エタノール／水系の共沸点近くまで濃縮し、次いで脱水するといったことが行われている。

脱水するための手法としては、エントレーナを加え、共沸蒸留で脱水する方法がある。しかし、この方法では、三成分系を共沸蒸留し、さらにエントレーナを回収するといった工程を踏む必要があり、多大の熱エネルギーを必要とするといったように幾つかの欠点があった。

このため、現在、ＰＳＡ操作によって、吸着・再生を繰り返しながら、水分を分離することが主流となっている。しかし、このＰＳＡ操作は、気相分離のため、蒸留操作による場合と同様、エネルギー消費量が多く、かつ吸着・再生を繰り返すために、バルブ等の故障に対応する必要がある等、メンテナンス上の負担が大きいという欠点があった。

そこで、水分離膜を備える水分離膜ユニットを用いたパーベーパレーション法（以下、ＰＶ法ともいう）のように、以上の欠点を伴わない要素を用いた分離操作が開発されている。例えば、このような技術に係るものとして特許文献１（特開２００９−１３１７４９号公報）のようなものが知られている。

しかし、ＰＶ法を採用する場合、長期間の使用によって、水分離膜ユニットの脱水性能が劣化することが問題とされており、対策が望まれていた。

特開２００９−１３１７４９

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、脱水性能の経時的劣化を防止するようにした脱水装置及び脱水方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、脱水装置であって、被処理流体中の水分を分離する水分離膜を有する水分離膜ユニットを備え、上記水分離膜ユニットの被処理流体入口に至る流路に、上記被処理流体中の不純物を除去するための不純物除去手段を設けたことを特徴とする。

本発明に係る脱水装置は、その一実施形態で、上記不純物除去手段を、イオン交換樹脂を充填したイオン交換装置とすることができる。また、本発明に係る脱水装置は、他の実施形態で、上記不純物除去手段を、活性炭、ゼオライト等の吸着材を充填した不純物除去装置とすることができる。

また、本発明は、別の側面で、脱水方法であって、水分離膜を有する水分離膜ユニットによる被処理流体中の水分を分離する前に、上記被処理流体中の不純物を除去するようにしてなることを特徴とする。本発明に係る脱水方法は、その一実施形態で、上記被処理流体中の不要な無機イオンを、イオン交換樹脂を充填したイオン交換装置で除去することができる。また、本発明に係る脱水方法は、他の実施の形態で、上記被処理流体中の酵素、酵母、中和剤等の不純物を活性炭、ゼオライト等を充填した不純物除去装置で除去することができる。

本発明に係る脱水装置又は脱水装置では、上記被処理流体は、一般的には有機水溶液である。有機水溶液の有機成分は、好適には、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、グリコール等のアルコール、酢酸等のカルボン酸、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等のエーテル、アセトアルデヒド等のアルデヒド、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン、酢酸エチルエステル等のエステルからなる群から選択される一の有機成分である。特に好適には、水との共沸組成を持つエタノール又はプロパノールである。

本発明によれば、脱水性能及び分離性能の経時的劣化を防止するようにした脱水装置及び脱水方法が提供される。

本発明の第１の実施形態に係る脱水装置の全体システム図である。 本発明の第２の実施形態に係る脱水装置の全体システム図である。 第１の実施形態における発明の効果を従来例と比較して示すグラフである。 第２の実施形態における発明の効果を従来例と比較して示すグラフである。

以下、本発明に係る脱水装置及び脱水方法の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下において、本発明に係る脱水方法は、本発明に係る脱水装置の作用として説明される。

図１は本発明の第１の実施形態に係る脱水装置の全体システム図である。この脱水装置は、被処理流体としてバイオエタノールを想定している。
本第１の実施形態に係る脱水装置は、主たる構成要素として、蒸留塔１、冷却器２、原料タンク３、原料ポンプ４、予熱器５、水分離膜ユニット６、冷却器７、真空ポンプ８、及びイオン交換装置１１を備える。

水分離膜ユニット６は、粗エタノールを無水エタノールと水とに分離するためのユニットである。水分離膜ユニットを構成するための水分離膜としては、炭素膜や細孔径１０オングストローム以下のシリカ系又はゼオライト系の無機水分離膜が好適である。

本第１の実施の形態では、蒸留塔１では、バイオエタノールの水溶液を９０％ｗｔ程度に蒸留処理して粗エタノールを生成する。この粗エタノールは、蒸留塔１の出口から粗エタノール通路９を通って冷却器２に入り、冷却器２にて上蒸留塔１で受けた熱が冷却される。
冷却器２を経た粗エタノールは、原料タンク３の上部から原料タンク３内に流入し収容される。

図１で水分離膜ユニット６は、単一の構成部材として模式的に示されている。実際には、水分離膜ユニット６は、水分離膜を内管に担持(被覆)した筒型の多孔質基材を一の構成部材とし、これを、上述のように複数本、減圧可能な容器内に内蔵することとしている。図１では、模式的に、単一の構成部材から成るものとして表わしている。水分離膜ユニット６は、ＰＶ（パーベーパレーション）装置であり、粗エタノールを約９９ｗｔ％の無水エタノールと水とに分離する。
粗エタノールは、原料タンク３の下部から粗エタノール通路１０に入り、粗エタノール通路１０に配設された原料ポンプ４によってイオン交換装置１１（詳細は後述）を通り、予熱器５で加熱された後に、水分離膜ユニット６に入る。

水分離膜ユニット６においては、粗エタノール通路１０から一次側通路１２を上方に向けて流れる粗エタノールを、水分離膜１３を通すことにより、約９９ｗｔ％の無水エタノールと水とに分離する。無水エタノールは、水分離膜ユニット６の上部から無水エタノール通路１４に導出され、冷却器７にて水分離膜ユニット６で受けた熱が冷却されて、製品エタノールとなる。
水は水分離膜１３の外側のシェル部１５に導出され、シェル部１５から真空ポンプ８にて排出水通路１６に排出される。

本第１の実施形態においては、図１に示すように、粗エタノール通路１０における水分離膜ユニット６の入口部位、すなわち予熱器５出口の水分離膜ユニット６の入口部位に、イオン交換樹脂を充填したイオン交換装置１１を設置している。

粗エタノール通路１０を流れる粗エタノールには、上記のように、数ｐｐｍ程度のカルシウムイオン、マグネシウムイオンが存在することがある。
このようなイオン種は、ごく微量であり、水分離膜ユニットの性能に甚大な悪影響を及ぼすことがないものと想定されていた。しかし、後述する実施例においても示されるように、その影響を無視できない場合もあることを本発明者らは突き止めている。

本第１の実施形態で示されるように粗エタノールをイオン交換装置１１のイオン交換樹脂に通すことにより、水分離膜ユニット６におけるＰＶ（パーベーパレーション）法の実施前に、前流で粗エタノール中のカルシウムイオン、マグネシウムイオン等の硬度成分は塩分（塩化ナトリウム）に交換され、粗エタノールは、不要な無機イオンを有しないエタノール溶液となっている。

なお、イオン交換装置１１に充填されるイオン交換樹脂としては、例えば、スチレン−ジビニルベンゼン共重合物、アクリル酸−ジビニルベンゼン共重合物、メタアクリル酸−ジビニルベンゼン共重合物等の基体にスルホン酸基等の強酸基を導入した強酸性陽イオン交換樹脂、及び上記の基体にカルボキシル基、フェノール性ヒドロキシル基等の弱酸基を導入した弱酸性陽イオン交換樹脂を用いることができる。もっとも、これらのものに限定されるものではない。

図３に、本第１の実施形態における発明の効果を従来例と比較して示すグラフである。
この図３に係る試験例は、イオン交換水で希釈したエタノールと、水道水で希釈したエタノールとをそれぞれ用い、比較したものである。図３において、水分離膜ユニット６のトータルＦｌｕｘ(流出量）は、（ａ）では、本第１の実施形態を採用した状況を反映し、（ｂ）では、従来の使用状況を反映している。従来の使用状況（ｂ）では、水分離膜ユニット６のトータルＦｌｕｘが時間とともに低下した。一方、イオン交換水で希釈したエタノールを使用した本発明のもの（ａ）は、水分離膜ユニット６のトータルＦｌｕｘが、時間が経過しても低下しないことが確認された。

このように、本第１の実施形態によれば、イオン交換装置１１に粗エタノールを通すことにより、粗エタノール中の無機イオンが水分離膜に析出するのを防止できる。すなわち、水分離膜ユニット６の水分離膜１３に不要なイオンの析出物が堆積し水分離膜１３の抵抗が増大することによる水分離膜１３の濾過性能の低下を阻止できる。

次に、図２について、本発明の第２の実施形態に係る脱水装置を説明する。図２は、第２の実施形態に係る脱水装置の全体システム図である。
本第２の実施形態においては、粗エタノール通路１０の水分離膜ユニット６の入口部位、すなわち、予熱器５出口の水分離膜ユニット６の入口部位に、不純物除去装置２０を設置している。
その他の構成は、上記第１実施形態（図１）と同様であり、これと同一の部材、要素は同一の符号で示す。

本第２の実施形態において、粗エタノール通路１０を流れる粗エタノールには、不純物が入っている場合を想定している。
蒸留後のエタノールであっても、なお、微量の発酵不純物、ｐＨ調整等に用いられる添加剤が入っている場合があることを、本発明者らは突き止めた。このような不純物による水分離膜１３対する影響は、従前ごくわずかなものであると想定されていた。
しかし、長期間の使用による、経時的劣化について検討したところ、その影響が無視できない場合があることを突き止めた。
そこで、この第２実施形態においては、不純物除去装置２０を粗エタノール通路１０の前流、すなわち水分離膜ユニット６の入口部位に設けて、水分離膜ユニット６によるＰＶ（パーベーパレーション）前に、粗エタノール中の不純物を吸着させることとしている。

不純物除去装置２０には、活性炭を好適に用いることができる。活性炭は、大部分の炭素の他、酸素、水素、カルシウム等からなる多孔質の物質で、その微細な孔（細孔）に多くの物質を吸着させる性質がある。活性炭は、表面が非極性の性質を持つため、水のような小さい極性分子は吸着し難く、粒状の有機物を吸着し易い。
すなわち、活性炭によって粗エタノール中の酵素、酵母等の不純物を吸着する。これにより、不純物が水分離膜１３に吸着されることを防止し、水分離膜１３が親油性に変化することを阻止する。これにより、水分離膜１３の親水性を保持することができる。

このようにして、不純物除去装置２０において、活性炭により、ＰＶ（パーベーパレーション）前に、不純物を吸着した後、粗エタノールは、予熱器５にて加熱されて水分離膜ユニット６に送り込まれる。

図４は第２の実施形態における発明の効果を従来例と比較して示すグラフである。図４において、水分離膜ユニット６のエタノールＦｌｕｘは、活性炭なしの従来のものに相当する試験例（ｂ）では、時間とともに増加して不純物により性状が安定しなかった。これに対し、活性炭から成る不純物除去装置を経た粗エタノールを適用した本発明に係る試験例（ａ）では、時間が経過しても性状が安定していた。

本第２実施形態によれば、水分離膜ユニット６のＰＶ（パーベーパレーション）法の実施に先だって、不純物除去装置２０に粗エタノールを通すことにより、活性炭によって粗エタノール中の酵素、酵母等の不純物が吸着し除去される。これによって粗エタノールの親油性への変化が阻止される。これにより、親水性を保持できる。結果として、時間が経過しても、水分離膜ユニット６の性状が安定する。

以上、本発明に係る脱水装置及び脱水方法を、添付図面を参照しながら、それらの実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの実施の形態に拘泥されるものではなく、当業者にとって自明な範囲の改変・変更・修飾は、全て本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、不純物除去手段に充填される吸着材としては、上述したもののほか、上記説明した水分離膜を破砕したものを用いることもできる。本来、水分離膜の劣化は、結局のところ、上述した不純物と、水分離膜との親和性に起因するものであり、これを逆手に取って活用することができる。

１ 蒸留塔
２ 冷却器
３ 原料タンク
４ 原料ポンプ
５ 予熱器
６ 水分離膜ユニット
７ 冷却器
８ 真空ポンプ
９ 粗エタノール通路
１１ イオン交換装置
１２ 一次側通路
１３ 水分離膜
１４ 無水エタノール通路
１５ シェル部
１６ 排出水通路
２０ 不純物除去装置

Claims (6)

1. 被処理流体中の水分を分離する水分離膜を有する水分離膜ユニットを備え、上記水分離膜ユニットの被処理流体入口に至る流路に、上記被処理流体中の不純物を除去するための不純物除去手段を設けたことを特徴とする脱水装置。
2. 上記不純物除去手段が、イオン交換樹脂を充填したイオン交換装置であることを特徴とする請求項１記載の脱水装置。
3. 上記不純物除去手段が、活性炭、ゼオライト等の吸着材を充填した不純物除去装置であることを特徴とする請求項１記載の脱水装置。
4. 水分離膜を有する水分離膜ユニットによる被処理流体中の水分を分離する前に、上記被処理流体中の不純物を除去するようにしてなることを特徴とする脱水方法。
5. 上記被処理流体中の不要な無機イオンを、イオン交換樹脂を充填したイオン交換装置で除去するようにしてなることを特徴とする請求項４記載の脱水方法。
6. 上記被処理流体中の中和剤等の不純物を、活性炭、ゼオライト等を充填した不純物除去装置で除去するようにしてなることを特徴とする請求項４記載の脱水方法。

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