JP2013540583A - 多段膜蒸留装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、濃縮される液体が連続的に通流する加熱段（２８）と、好ましくは複数の濃縮／蒸発段（１２）と、濃縮段（３６）と、を備えた多段膜蒸留装置に関する。各濃縮／蒸発段が、少なくとも一つの濃縮ユニット（Ｋ）と、少なくとも一つの蒸発ユニット（Ｖ）と、を備える。各濃縮ユニットが、濃縮壁（１６）によって少なくとも部分的に境界された第１の蒸気チャンバを備え、各蒸発ユニットが、蒸気透過性の流体密封の膜壁（２０）によって少なくとも部分的に境界された第２の蒸気チャンバを備える。こうした濃縮ユニット（Ｋ）と、その濃縮ユニットに隣接する蒸発ユニット（Ｖ）と、の間に形成されるとともに濃縮される液体を案内する少なくとも一つの流路が、それぞれ濃縮／蒸発段に設けられて、そうした濃縮される液体を、濃縮壁を介して加熱し、その濃縮される液体から生じた蒸気が膜壁を通して第２の蒸気チャンバへと移動する。先行する各段で生じた蒸気は、その蒸気だけを導くとともにその蒸気だけをそのすぐ後の段へと導く蒸気通路を介して、そのすぐ後の段の濃縮ユニットへと運ばれる。

Description

本発明は、濃縮される液体が連続的に通流する加熱段と、好ましくは複数の濃縮／蒸発段と、濃縮段と、を備えた多段膜蒸留装置であって、各濃縮／蒸発段が、少なくとも一つの濃縮ユニットと、少なくとも一つの蒸発ユニットと、を備え、各濃縮ユニットが、濃縮壁によって少なくとも部分的に境界された第１の蒸気スペースを備え、各蒸発ユニットが、蒸気透過性の流体密封の膜壁によって少なくとも部分的に境界された第２の蒸気スペースを備えており、こうした濃縮ユニットと、その隣接する蒸発ユニットと、の間に形成されるとともに濃縮される液体を案内する少なくとも一つの流路が、各濃縮／蒸発段に設けられて、そうした濃縮される液体を、濃縮壁を介して加熱し、その濃縮される液体から生じた蒸気が膜壁を通して第２の蒸気スペースへと移動する、多段膜蒸留装置に関する。

２つの濃縮／蒸発段を有する膜蒸留装置が特許文献１に記載されている。

異なる複数の段から側方の蒸気通路に蒸気を捕集することが従来から提案されている（特許文献２参照）。

国際公開第２００７／０５４３１１号 独国特許出願第１０ ２００９ ０２０ １２８号明細書

蒸気がこうした蒸気捕集通路に集められると、高い流速と摩擦損失が生じるため、多数のユニットを備えた膜蒸留装置の設計は、特に流速によって制約される。

本発明の根本的な目的は、本質的に、特に多数の段を有する装置における上記の課題を解消する、冒頭に記載の改良された多段装置を提供することである。

この目的は、先行する各段で生じた蒸気が、その蒸気だけを導くとともにその蒸気だけをそのすぐ後の段へと導く蒸気通路を介して、そのすぐ後の段の濃縮ユニットへと運ばれる本発明によって実現される。

この設計に基づき、より多くのユニットまたは段を備えた膜蒸留装置の構造により、本質的に流速によるあらゆる制約を受けなくなる。

少なくとも一つの濃縮／蒸発段は、いずれの場合にも、それぞれ、複数の濃縮ユニットおよび／または複数の蒸発ユニットと、濃縮ユニットとその隣接する蒸発ユニットとの間に形成されるとともに濃縮される液体を案内する複数の平行な流路と、を有する。

先行する各段の各蒸気スペースに生じた蒸気は、好ましくは、各蒸気通路を介して、それぞれ、そのすぐ後の段のただ一つの濃縮ユニットへと運ばれる。

先行する各段の各蒸発ユニットと、そのすぐ後の各段の各一つの濃縮ユニットと、の間にそれぞれ蒸気通路を形成するように、蒸発ユニットが蒸気出口通路を有するとともに、濃縮ユニットが蒸気入口通路を有する場合、そして、それらの２つのユニットが、それぞれその蒸気出口通路および蒸気入口通路を有する側が、特に蒸留液を追い出す（conducting away）ように間隙が維持された状態で、互いに直接隣接するとともに互いに対向するように配置される場合、これは特に有利である。

本発明の好ましい実施例では、濃縮される供給液体を予熱する加熱段が、少なくとも一つの加熱ユニットと、少なくとも一つの蒸発ユニットと、を備え、各加熱ユニットが、流体密封の熱伝導壁によって少なくとも部分的に境界された加熱流体スペースを備え、各蒸発ユニットが、蒸気透過性の流体密封の膜壁により少なくとも部分的に境界された蒸気スペースを備えており、加熱ユニットとその隣接する蒸発ユニットとの間に形成されるとともに濃縮される液体を案内する少なくとも一つの流路が、加熱段に設けられて、その濃縮される液体を流体密封の熱伝導壁を介して予熱し、濃縮される液体から生じた蒸気を、その膜壁を通して蒸気スペースへと移動させる。

この点について、その蒸気は、有利には、加熱段の各蒸発ユニットの蒸気スペースから、その蒸気だけを導くとともにその蒸気だけをそのすぐ後の濃縮／蒸発段へと導く蒸気通路を介して、それぞれ、そのすぐ後の濃縮／蒸発段の濃縮ユニットへと導かれる。

その加熱段は、複数の加熱ユニットおよび／または複数の蒸発ユニット、ならびに、加熱ユニットとその隣接する蒸発ユニットとの間に形成されるとともに、それぞれ濃縮される液体を案内する、複数の平行な流路を有する。

その蒸気は、好ましくは加熱段の各蒸発ユニットの蒸気スペースから、それぞれ蒸気通路を介して、それぞれ、そのすぐ後の濃縮／蒸発段のただ一つの濃縮ユニットへと導かれる。

この点について、加熱段の各蒸発ユニットと、そのすぐ後の濃縮／蒸発段の各一つの濃縮ユニットと、の間にそれぞれ蒸気通路を形成するように、蒸発ユニットが蒸気出口通路を有するとともに、濃縮ユニットが蒸気入口通路を有する場合、そして、それらの２つのユニットは、それぞれそれらの蒸気出口通路および蒸気入口通路を有する側が、特に蒸留液を追い出す（conducting away）ように間隙が維持された状態で、互いに直接隣接するとともに互いに対向するように配置される場合、これは特に有利である。

最後の濃縮／蒸発段の各蒸発ユニットからの蒸気は、好ましくは、その最後の濃縮／蒸発段のすぐ下流に配置された濃縮段へと供給される。

この点について、その濃縮段は、有利には、少なくとも一つの冷却ユニットと、少なくとも一つの濃縮ユニットと、を備え、冷却ユニットの各々は、流体密封の熱伝導壁によって少なくとも部分的に境界された冷却液スペースを備えるとともに、各濃縮ユニットは、濃縮壁によって少なくとも部分的に境界されるとともに最後の濃縮／蒸発段からの蒸気が各蒸気通路を介して供給される、蒸気スペースを有しており、少なくとも一つの冷却ユニットが、濃縮段の少なくとも一つの濃縮ユニットに直接隣接して、各濃縮ユニットの濃縮壁が、実際には間隙が維持された状態で、冷却ユニットを介して冷却される。

最後の濃縮／蒸発段の各蒸発ユニットからの蒸気は、便宜上、その蒸気だけを導くとともにその蒸気だけを濃縮段へと導く蒸気通路を介して、濃縮段の濃縮ユニットへと導かれる。

その濃縮段は、特に複数の冷却ユニットおよび／または複数の蒸発ユニットを備える。

その蒸気は、好ましくは最後の濃縮／蒸発段の各蒸発ユニットの蒸気スペースから、各蒸気通路を介して、それぞれ、濃縮段のただ一つの濃縮ユニットへと導かれる。

この点について、最後の濃縮／蒸発段の各蒸発ユニットと、そのすぐ後の濃縮段の各一つの濃縮ユニットと、の間にそれぞれ蒸気通路を形成するように、蒸発ユニットが蒸気出口通路を有するとともに、濃縮ユニットが蒸気入口通路を有する場合、そしてそれらの２つのユニットは、それぞれそれらの蒸気出口通路および蒸気入口通路を有する側が、特に蒸留液を追い出す（conducting away）ように間隙が維持された状態で、互いに直接隣接するとともに互いに対向するように配置される場合、これは特に有利である。

本発明の好ましい実施例では、多段膜蒸留装置が、複数のフレーム要素を備えたモジュール式フローシステムとして構成されるとともに、特に、各濃縮ユニット、各蒸発ユニット、各加熱ユニット、および／または各冷却ユニットなどの異なる機能ユニットが、いずれの場合にも、それぞれそうしたフレーム要素の形態で提供される。それらのフレーム要素は、ウェブ構造を備え、その構造を介してそれらのフレーム要素が加熱段、各濃縮／蒸発段、および／または濃縮段を形成するように特に互いに連結される。それらのフレーム要素は、それぞれ、外側フレームによって囲まれるとともに特に好ましくはグリッド状のスペーサ４６を備えた内側領域を備えており、そのグリッド状のスペーサの両面にそれぞれ機能的表面、好ましくはフィルムまたは膜が適用されて、各蒸気スペース、各加熱流体スペース、または各冷却液スペースを形成する。

したがって多段すなわち多重効用膜蒸留装置（multi-effect membrane distillation apparatus）は、特にフレーム要素で組み立てられる。フレーム要素は適用された機能的表面を有する。特に、次の種類のフレーム要素が考えられる：両側に膜が設けられたフレーム要素、両側に流体密封のフィルムが設けられたフレーム要素、フィルムが掛けられているとともに流路を有するフレーム要素。本発明の多段膜蒸留装置は、例えばこうしたフレーム要素で組み立てることができる。

加熱段の加熱流体として、例えば水が用いられる。一方、概して蒸気による加熱も行われる。後者の場合、蒸気が供給される一つ以上の濃縮ユニットにおいて多重効用プロセス（multi-effect process）が行われる。

濃縮される液体は加熱ユニットを介して加熱される。濃縮される液体は、蒸気と平行な流れで、蒸気に対して向流で、および／または段ごとにそうした流れで運ばれる。

濃縮される溶液は、好ましくは、本発明の参考となる特許文献１に記載のように、全ての段に亘る各々の隣接する蒸発ユニットの蒸気スペースにおいて絶対圧力に対応する沸点をとる。

多段膜蒸留装置はまた、有利には濃縮される液体の予熱を備え、そこで濃縮段から濃縮される液体が流れて、例えばフィルムが設けられたフレーム要素へと運ばれる。この点について、濃縮される液体は好ましくは蒸気を介して予熱される。濃縮される全ての液体は加熱段まで運ばれ、または各段につき要求される量の濃縮される液体が、対応する段および流路へと導かれる。

多段膜蒸留装置は、異なる段を収容する、環境に対して真空気密のハウジングを備える。

濃縮ユニットに流入する蒸気はその濃縮面で濃縮される。その各々の表面を介して対応する熱が濃縮される液体へと伝達される。そこで生じた蒸気は隣接する蒸発ユニットの膜を通過して、その後に続く濃縮／蒸発段の各濃縮ユニットの蒸気スペースの圧力と連通する、蒸気スペースへと通流する。

加熱段の加熱ユニットの加熱流体スペースは、濃縮ユニットの非凝縮性ガス用の、例えば各フレーム要素に設けられた穴、および蒸留液を濃縮／蒸発段に運ぶための底部のレストリクタ（restrictor）を介して、濃縮／蒸発セクションのみに連結される。濃縮／蒸発セクションの絶対圧力は加熱段に比べて低い。

加熱段の各蒸気ユニットの蒸気スペースに生じた蒸気は、それらの蒸気ユニットのすぐ向かい側に配置された、特に、蒸留液の追い出し（leading off）のために互いの間に間隙が維持された状態で配置された、濃縮／蒸発セクションの各濃縮ユニットの蒸気スペースへと流入し、そこでその蒸気が濃縮される。ここで熱が再び伝達され、その濃縮ユニットが隣接する蒸発ユニットの蒸気スペース内に新しい蒸気が生じ、この蒸気スペースは、濃縮／蒸発段において隣接する濃縮ユニットの蒸気スペースの圧力レベルと連通する。

個々のフレーム要素が互いに連結されるウェブ構造は、例えばそれらのフレーム要素が互いに溶接または接合される溶接ウェブ構造または接着構造である。溶接ウェブ構造の場合、フレーム要素の連結のために例えば摩擦溶接プロセス、レーザ溶接プロセス、および／または発熱体溶接プロセスが用いられる。

本発明の多段膜蒸留装置により特に以下の利点が得られる：
少ない容積部分に非常に大きな交換表面を設置することができる。各蒸発ユニットから流出する蒸気はそのすぐ後の段の濃縮ユニットの蒸気スペースへと流入する。蒸気の体積流れは合算されないため、これまでは熱装置のより大型な設計を制限していた流れ速度の増加が発生しない。

実施例および図面を参照しながら本発明を以下に詳述する。

多段膜蒸留装置の実施例の概略平面図。 図１の実施例に類似の、濃縮される液体の予熱を更に備えた多段膜蒸留装置の実施例を示す図。 濃縮ユニットとして設計されたフレーム要素の実施例、および蒸発ユニットとして設計されたフレーム要素の実施例の斜視図。 蒸発要素として設計された図３のフレーム要素の概略正面図。 濃縮要素として設計された図３のフレーム要素の概略正面図。 加熱ユニットおよび冷却ユニットの両方として使用されるフレーム要素の実施例の概略正面図。 加熱段と、濃縮／蒸発段と、濃縮段と、を備えた多段膜蒸留装置の実施例の概略正面図。 図７の実施例に類似の、濃縮される液体の予熱を更に備えた多段膜蒸留装置の実施例の概略斜視図。

図１は例示の実施例の多段膜蒸留装置１０の概略平面図を示す。

例えば図１に示されるように、この多段膜蒸留装置１０は、加熱段２８と、好ましくは複数の濃縮／蒸発段１２₁〜１２₃と、濃縮段３６と、を備える。それらの段２８，１２₁〜１２₃，３６には、濃縮される液体１４が連続的に通流する。

各濃縮／蒸発段１２₁〜１２₃は、それぞれ、少なくとも一つの濃縮ユニットＫと、少なくとも一つの蒸発ユニットＶと、を備え、各濃縮ユニットＫは、濃縮壁１６により少なくとも部分的に境界された第１の蒸気スペース１８₁を備え、各蒸発ユニットＶは、蒸気透過性の流体密封の膜壁２０により少なくとも部分的に境界された第２の蒸気スペース１８₂を備える。

こうした濃縮ユニットＫとその隣の蒸発ユニットＶとの間に形成され、濃縮される液体を案内する少なくとも一つの流路が、各濃縮／蒸発段１２₁〜１２₃に設けられて、濃縮される液体１４が濃縮壁１６を介して加熱され、濃縮される液体１４から生じた蒸気が膜壁２０を通して第２の蒸気スペース１８₂へと移動する。

この点において、先行する各段２８，１２₁〜１２₃で生じた蒸気は、蒸気通路２４，２６（例えば、図３〜５参照）を介して、そのすぐ後の段１２₁〜１２₃，３６の濃縮ユニットＫへと運ばれ、その蒸気通路は、その蒸気だけを導くとともに、その蒸気だけをすぐ後の段１２₁〜１２₃，３６へと導く。

多段膜蒸留装置１０は、好ましくは４つ以上の濃縮／蒸発段１２₁〜１２₃を備える。一方、概して３つ未満の濃縮／蒸発段も設けることが可能である。

例えば、図７，８の結果から、特により多くの段２８，１２₁〜１２₃，３６が互いの真下に配置されてもよい。

少なくとも一つの濃縮／蒸発段１２₁〜１２₃はまた、それぞれ、複数の濃縮ユニットＫおよび／または複数の蒸発ユニットＶと、濃縮ユニットＫとその隣接する蒸発ユニットＶとの間に形成されるとともに濃縮される液体１４を案内する複数の平行な流路２２と、を有する。

先行する各段２８，１２₁〜１２₃の各蒸気スペース１８₂に生じた蒸気は、好ましくは各蒸気通路２４，２６を介してすぐ後の段１２₁〜１２₃，３６の各一つの濃縮ユニットＫへと運ばれる。

先行する各段２８，１２₁〜１２₃の各蒸発ユニットＶと、すぐ後の各段１２₁〜１２₃，３６の各濃縮ユニットＫと、の間にそれぞれ蒸気通路２４，２６を形成するように、蒸発ユニットＶは蒸気出口通路２４（例えば図３，４参照）を有し、濃縮ユニットＫは蒸気入口通路２６（例えば図５参照）を有する。この点について、２つのユニットＶ，Ｋは、望ましくは、それぞれ蒸気出口通路２４および蒸気入口通路２６を有する側が、特に蒸留液の追い出し（leading off）のために間隙が維持された状態で、互いに直接隣接するとともに互いに対向するように配置される。（例えば図１参照）。

濃縮される供給液は加熱段２８で予熱される。この点について、こうした加熱段２８は、例えば少なくとも一つの加熱ユニット３０₁と、少なくとも一つの蒸発ユニットＶと、を備え、各加熱ユニット３０₁は、流体密封の熱伝導壁３２によって少なくとも部分的に境界された加熱流体スペース３４を備え、各蒸発ユニットＶは、蒸気透過性の流体密封膜壁２０により少なくとも部分的に境界された蒸気スペース１８₂を備える。

この点について、加熱ユニット３０₁とその隣接する蒸発ユニットＶとの間に形成されるとともに濃縮される液体１４を案内する少なくとも一つの流路２２が、加熱段２８に設けられて、濃縮される液体１４を流体密封の熱伝導壁３２を介して予熱し、濃縮される液体１４から生じた蒸気が膜２０を介して蒸気スペース１８₂へと移動する。

加熱段２８の各蒸発ユニットＶの蒸気スペース１８₂からの蒸気は、その蒸気だけを案内するとともにそのすぐ後の濃縮／蒸発段１２₁〜１２₃へとその蒸気だけを前進させる蒸気通路２４，２６を介して、そのすぐ後の濃縮／蒸発段１２₁〜１２₃の濃縮ユニットＫへと案内される。

加熱段２８は、複数の加熱要素３０₁および／または複数の蒸発ユニットＶと、互いに平行な複数の流路２２と、を有しており、それらの流路２２は、それぞれ、加熱ユニット３０₁とその隣接する蒸発ユニットＶとの間に形成されるとともに、濃縮される液体１４を案内する。

蒸気は、好ましくは加熱段２８の各蒸発ユニットＶの蒸気スペース１８₂から各蒸気通路２４，２６を介して、それぞれ、そのすぐ後の濃縮／蒸発段１２₁〜１２₃のただ一つの濃縮ユニットＫへと導かれる。

加熱段２８の各蒸発ユニットＶと、そのすぐ後の濃縮／蒸発段１２₁〜１２₃の各濃縮ユニットＫと、の間にそれぞれ蒸気通路２４，２６を形成するように、蒸発ユニットＶは蒸気出口通路２４（例えば図３，４参照）を有し、濃縮ユニットＫは蒸気入口通路２６（例えば図５参照）を有する。この点について、２つのユニットＶ，Ｋは、それぞれ蒸気出口通路２４および蒸気入口通路２６を有する側が、特に蒸留液の追い出し（leading off）のために間隙が維持された状態で、互いに直接隣接するとともに互いに対向するように配置される。

最後の濃縮／蒸発段１２₃の各蒸発ユニットＶからの蒸気は、最後の濃縮／蒸発段１２₃のすぐ下流に配置された濃縮段３６へと供給される。

同様に図１に示されるように、濃縮段３６は少なくとも一つの冷却ユニット３０₂と、少なくとも一つの濃縮ユニットＫと、を備える。この点について、各冷却ユニット３０₂は、流体密封の熱伝導壁３２によって少なくとも部分的に境界された冷却液スペース３８を有するとともに、各濃縮ユニットＫは、特に、濃縮壁１６によって少なくとも部分的に境界されるとともに、最後の濃縮／蒸発段１２₃からの蒸気が各蒸気通路２４，２６を介して供給される、蒸気スペース１８₁を有する。少なくとも一つの冷却ユニット３０₂が、望ましくは濃縮段３６の少なくとも一つの濃縮ユニットＫに直接隣接して、各濃縮ユニットＫの濃縮壁１６が、この場合も間隙が維持された状態で冷却ユニット３０₂によって冷却される。

最後の濃縮／蒸発段１２₃の各蒸発ユニットＶからの蒸気は、望ましくはその蒸気だけを案内するとともにその蒸気だけを濃縮段３６へと前進させる蒸気通路２４，２６を介して、濃縮段３６の濃縮ユニットＫへと案内される。

濃縮段３６は、複数の冷却ユニット３０₂および／または複数の蒸発ユニットＶを備える。

最後の濃縮／蒸発段１２₃の各蒸発ユニットＶの蒸気スペース１８₂からの蒸気は、好ましくは各蒸気通路２４，２６を介してそれぞれ濃縮段３６のただ一つの濃縮ユニットＫへと案内される。

最後の濃縮／蒸発段１２₃の各蒸発ユニットＶと、そのすぐ後の濃縮段３６の各濃縮ユニットＫと、の間にそれぞれ蒸気通路２４，２６を形成するように、蒸発ユニットＶはまた蒸気出口通路２４を有し、濃縮ユニットＫはまた蒸気入口通路２６を有する。それらの２つのユニットＶ，Ｋは、それぞれ蒸気出口通路２４および蒸気入口通路２６を有する側が、特に蒸留液の追い出し（leading off）のために間隙が維持された状態で、互いに直接隣接するとともに互いに対向するように配置される。

前述の全ての場合で、２つのユニットＶ，Ｋが、それぞれそれらの蒸気出口通路２４および蒸気入口通路２６を有する側が、特に蒸留液の追い出し（leading off）のために間隙が維持された状態で、互いに直接隣接するとともに互いに対向するように配置される点において、各蒸気通路２４，２６は特に、蒸気出口通路２４と、蒸気入口通路２６とによって形成される。

次いでそれらの２つのユニットＶ，Ｋは、便宜上、それぞれ蒸気出口通路２４と蒸気入口通路２６との領域で互いに連結され、その蒸気は、望ましくは蒸気出口通路２４から少なくとも実質的に蒸気入口通路２６へと直接移動する。

加熱段２８において例えば水による加熱が行われる。一方、異なる加熱流体もまた概ね考えられる。

非凝縮性ガスの追い出し（leading off）は矢印６６によって示される。

このプロセスは、本発明の場合において例えば各加熱ユニットが各濃縮ユニットに置き換えることができる場合では、蒸気によって加熱されてもよい。

濃縮される液体は各加熱ユニットを介して加熱される。濃縮される液体は、例えば蒸気と平行な流れで、蒸気に対して向流で、／または段ごとにそうした流れで運ばれてもよい。

既に冒頭で述べたように、濃縮される液体は、望ましくは、多重効用プロセスにおける全ての段に亘る各蒸気スペースにおいて絶対圧力に対応する沸点をとる。この記載は特許文献１に記載されており、本発明の参考となる。

図２は、図１の実施例に類似の多段膜蒸留装置１０の実施例を示すが、例えば図２からも理解できるように、各２段膜蒸留装置１０に濃縮される液体１４の予熱６８が付加的に設けられている。濃縮される液体１４は濃縮段３６から供給される。この点においてこれは予熱ユニット５０に運ばれる。それらの予熱ユニット５０は、例えば、流体密封の熱伝導壁３２によって少なくとも部分的に境界された流体スペース３４を有する。この予熱は特に蒸気を介して行われる。特に濃縮される全液体１４は加熱段２８まで運ばれ、または、各段につき要求される量の濃縮される液体が、例えば対応する段へと導かれ、そしてその濃縮される液体を運ぶ流路２２へと導かれる。

もう一つの点では、この予熱を備えた多段膜蒸留装置１０は、特に少なくとも実質的に、例えば図１に記載されたものとして設計される。互いに対応する部品には関連した同様の参照符号を付した。

例えば図３〜６に示すように、多段膜蒸留装置１０は特に複数のフレーム要素を備えたモジュール式フローシステムとして設計される。この点について、特に各濃縮ユニットＫ、各蒸発ユニットＶ、各加熱ユニット３０₁、各冷却ユニット３０₂、および／または各予熱ユニット５０などの異なる機能ユニットは、例えば、フレーム要素の形態で提供される。

フレーム要素は好ましくはウェブ構造４０を備え、その構造を介してそれらのフレーム要素が加熱段２８、各濃縮／蒸発段１２₁〜１２₃、および／または濃縮段３６を形成するように互いに連結される。この点について、異なるフレーム要素は例えば互いにウェブ要素４０を介して溶接または接合される。例えば溶接ウェブ構造が用いられる場合、摩擦溶接プロセス、レーザ溶接プロセス、および／または発熱体溶接プロセスが例えばフレーム要素の連結に用いられる。

フレーム要素は、それぞれ、外側フレーム４２によって囲まれるとともに好ましくは特にグリッド状のスペーサ４６を備えた内側領域４４を含む。

図３は、濃縮ユニットＫとして設計されたフレーム要素の実施例と、蒸発ユニットＶとして設計されたフレーム要素の実施例と、を概略的に示す。

各フィルムまたは膜は、特にグリッド状のスペーサ４６の両面に適用されて、各蒸気スペース１８₁，１８₂、各加熱流体スペース３４、各冷却液スペース３８を形成するための、または各予熱ユニット５０を構築するための、各機能的表面を形成する。

この点について、濃縮ユニットＫの場合では、好ましくはフィルムが用いられ、蒸発ユニットＶの場合では、好ましくは蒸気透過性の流体密封膜が用いられる。

図３では、濃縮ユニットＫまたは蒸発ユニットＶの形態で設けられた２つのフレーム要素は互いに関して充足される機能に従って配置され、特に濃縮ユニットＫの形態で設けられたフレーム要素は濃縮フィルムを掛けることができる状態で配置されるとともに、特に蒸発ユニットＶの形態で設けられたフレーム要素は膜を掛けることができる状態で配置される。多段膜蒸留装置の加熱の際には、濃縮ユニットＫの形態で設けられたフレーム要素は、例えば、蒸気がその濃縮ユニットＫに流入してこれを濃縮することができるように、その左側および底部側が開かれている。特に蒸発ユニットＶの形態で設けられたフレーム要素は、好ましくはその閉じられた側に合計で少なくとも一つまたは複数の非凝縮性ガスの貫通部を有する。

濃縮ユニットＫの形態で設けられるとともにフィルムを備えたフレーム要素と、蒸発ユニットＶの形態で設けられるとともに膜を備えたフレーム要素とを一つにすることにより、膜とフィルムとの間に濃縮される液体を運ぶ各流路２２が結果としてもたらされる。

さらにスペーサがその流路２２に挿入される。こうしたスペーサの代わりに、特にグリッド状のスペーサ４６が、例えば流路２２の充填物に溶液を導くように画定された流路を形成するように構成されてもよい。

図３から理解されるように、それぞれフレーム要素の形態で設けられた２つのユニットＫ，Ｖの外側フレーム４２は、それぞれ、特に加熱流体または冷却液用の通路開口部５４を備える。図３から理解されるように、例えば各々のこうした通路開口部５４は、例えば各フレーム要素の各角部領域に設けられる。さらに、同様に図１に見られるように、こうした通路開口部５４はまた、ウェブセクション５６により内側領域４４に向かって線引きされる。

例えば濃縮ユニットＫの形態または蒸発ユニットＶの形態で設けられたフレーム要素の外側フレーム４２は、特に濃縮される液体用に、各場合においてさらに通路開口部５８を備える。それらの通路開口部５８は、確かに、同様にウェブ構造４０の外側部分内にあるが、通路開口部５４とは異なり、内側領域４４に対して線引きされていない。同様に図３を参照しながら理解されるように、こうした通路開口部５８の各々は、各外側フレーム４２の角部領域に設けられる。

膜蒸留装置の加熱の際、フレーム状の濃縮ユニットＫは、蒸気が流入して濃縮されるように、左側および底部側が開かれている。この濃縮ユニットＫは、閉じられた側に合計で少なくとも一つまたは複数の非凝縮性ガスの貫通部を有する。

上側および右側に開口した蒸気出口通路２４が、図３に示す蒸発ユニットＶにおいて認識することができる。

図４は、蒸発ユニットＶとして設計された図３のフレーム要素を概略正面図で示す。互いに対応する部品には関連した同様の参照符号を付した。

本発明の場合では、各一つの膜が好ましくはスペーサ４６の両側に配置される。

フレーム状の蒸発ユニットＶは、蒸気がユニットから出られるように例えば右側および頂部側が開かれている。

図５は、濃縮ユニットＫとして設計された図３のフレーム要素を概略正面図で示す。

例えば水路としての役割を果たす通路開口部５４と、特に濃縮される液体の通路としての役割を果たす通路開口部５８と、がとりわけ図５において認識される。本発明の場合、特に各フィルムがスペーサ４６の両側に設けられる。

互いに対応する部品には関連した同様の参照符号を付した。

本発明の場合、例えばフィルムがスペーサ４６の両側に設けられたフレーム要素は、特に加熱蒸気すなわち各蒸発ユニットから生じた蒸気の濃縮に用いられる。

図６は加熱ユニット３０₁または冷却ユニット３０₂として用いられるフレーム要素の実施例を概略正面図で示す。スペーサ４６は本発明の場合、特にその両側にそれぞれフィルムを備える。それぞれフィルムの間に形成された加熱流体スペース３４または冷却液スペース３８には、例えば水などの加熱流体または冷却液が通流する。加熱流体または冷却液が、例えば水路などの通路６０を介して、それぞれ加熱流体スペース３４または冷却液スペース３８へと供給され、さらに除去される。

特に濃縮される液体の通路としての役割を果たす通路開口部５８もまた図６において認識される。

このフレーム要素は、例えば加熱段にエッチングされてもよく、または濃縮段の冷却要素としてエッチングされてもよい。

この図６においては、その他の図面の部品に対応する部品にはまた、同様の参照符号を付する。

図７は、加熱段２８と、濃縮／蒸発段１２₁と、濃縮段３６と、を備えた多段膜蒸留装置１０の実施例を概略正面図で示す。したがってこの多段膜蒸留装置は、特に３段式の膜蒸留装置である。

図７を参照しながら理解されるように、段２８，１２₁，３６の複数の列は、互いに下に配置される。

膜蒸留装置１０は、異なる段２８，１２₁，３６を収容するとともに好ましくは環境に対して真空気密のハウジング６２を備える。

図７に示す実施例では、上のものと互いに平行に配置された加熱段２８が左側に配置されており、本発明の場合では、膜蒸留装置１０が例えば左側から供給されるプロセス蒸気を介して加熱される。この蒸気は例えば蒸気タービンから生じる。

濃縮ユニットＫすなわち加熱段２８の対応するフレーム要素に流入する蒸気は、例えばフィルムによって形成される濃縮壁で濃縮される。その表面を通して濃縮される液体に熱が伝達され、そこから蒸気が、隣接する蒸発ユニット、すなわちその対応するフレーム要素の隣接する膜を通して各蒸気スペースへと生じ、その蒸気スペースは、対応する濃縮ユニットすなわち後に続く段の各フレーム要素の蒸気スペースの圧力と連通する。

加熱段２８の各冷却液スペースは、好ましくは、濃縮ユニット内の非凝縮性ガス用の穴および蒸留液を濃縮／蒸発段１２₁に運ぶための底部のレストリクタ（restrictor）を介してのみ濃縮／蒸発段に連結される。濃縮／蒸発段１２の絶対圧力は加熱段２８に比べて低い。

加熱段２８の各蒸気通路に生じた蒸気は、濃縮／蒸発段１２₁の各濃縮ユニットのそれぞれすぐ向かい側に配置された、特に蒸留液の追い出し（leading off）のために互いの間に間隙が維持された状態で配置された、蒸気スペースへと流入し、濃縮される。ここで熱が再び伝達され、濃縮／蒸発段１２₁の隣接する各蒸発ユニットの蒸気スペース内に新しい蒸気が生じ、この蒸気スペースは、濃縮段３６における各濃縮ユニットの蒸気スペースの圧力レベルと連通する。

さらに濃縮液輸送装置６４が、例えば各段の間で互いの下に配置されているのが図７から理解できる。

その他の図面の部品に対応する部品には同様の参照符号を付する。

図８は、図７の実施例に類似の多段膜蒸留装置１０の実施例を概略図で示すが、濃縮される液体の予熱がさらに設けられる。この点において、この予熱は例えば図２に関連した記載のように設計される。互いに対応する部品には関連した同様の参照符号を付した。

本発明の多段膜蒸留装置を用いることにより、少ない容積に非常に大きな交換表面を設置することができる。膜蒸留装置の異なるユニットは、特に図面に示された、特にプレート状の対応するフレーム要素によって実装される。蒸気を発生させる各ユニットから流出した蒸気は、そのすぐ後の段に流入して濃縮段または濃縮ユニットの蒸気スペースへと流入する。それらの蒸気の体積流れは合算されず、したがってこれまでは熱装置を制限していた流れ速度の増加が生じない。

１０…膜蒸留装置
１２₁〜１２₃…濃縮／蒸発段
１４…濃縮される液体
１６…濃縮壁
１８₁…第１の蒸気スペース
１８₂…第２の蒸気スペース
２０…膜壁
２２…流路
２４…蒸気出口通路
２６…蒸気入口通路
２４，２６…蒸気通路
２８…加熱段
３０₁…加熱ユニット
３０₂…冷却ユニット
３２…流体密封の熱伝導壁
３４…流体スペース
３６…濃縮段
３８…冷却液スペース
４０…ウェブ構造
４２…外側フレーム
４４…内側領域
４６…スペーサ
５０…予熱ユニット
５４…通路開口部
５６…ウェブセクション
５８…通路開口部
６０…通路、例えば水路
６２…ハウジング
６４…濃縮液流出
６６…非凝縮性ガス
６８…濃縮される液体の予熱
Ｋ…濃縮ユニット
Ｖ…蒸発ユニット

本発明は、濃縮される液体が連続的に通流する加熱段と、少なくとも一つ、好ましくは複数の濃縮／蒸発段と、濃縮段と、を備えた多段膜蒸留装置であって、各濃縮／蒸発段が、複数の濃縮ユニットと、複数の蒸発ユニットと、その濃縮ユニットとその隣接する蒸発ユニットとの間に形成されるとともに濃縮される液体を案内する複数の平行な流路と、を備え、各濃縮ユニットが、濃縮壁によって少なくとも部分的に境界された第１の蒸気スペースを備え、各蒸発ユニットが、蒸気透過性の流体密封の膜壁によって少なくとも部分的に境界された第２の蒸気スペースを備えており、こうした濃縮ユニットと、その隣接する蒸発ユニットと、の間に形成されるとともに濃縮される液体を案内する少なくとも一つの流路が、各濃縮／蒸発段に設けられて、そうした濃縮される液体を、濃縮壁を介して加熱し、その濃縮される液体から生じた蒸気が膜壁を通して第２の蒸気スペースへと移動する、多段膜蒸留装置に関する。

２つの濃縮／蒸発段を有する膜蒸留装置が特許文献１および特許文献３に記載されている。

国際公開第２００７／０５４３１１号 独国特許出願第１０ ２００９ ０２０ １２８号明細書 国際公開第２００５／０８９９１４号

蒸気がこうした蒸気捕集通路に集められると、高い流速と摩擦損失が生じるため、多数のユニットを備えた膜蒸留装置の設計は、特に流速によって制約される。特許文献３の膜蒸留装置では、先行する各段で生じた蒸気は捕集され、単一の蒸気ラインを通してそのすぐ後に続く段へと供給され、次いで、その段の複数の濃縮ユニットに亘って蒸気が分配される。しかしながら、ここでも前述の問題が発生する。

この目的は、先行する各段の各蒸気スペースで生じた蒸気が、その蒸気だけを導くとともにその蒸気だけをそのすぐ後の段へと導く蒸気通路を介して、それぞれ、そのすぐ後の段の濃縮ユニットへと運ばれ、かつ、それらの先行する各段の各蒸気スペースで生じた蒸気は、各々の蒸気通路を介して、それぞれ、そのすぐ後に続く段のただ一つの濃縮ユニットへと運ばれる本発明によって実現される。

この点について、その蒸気は、有利には、加熱段の各蒸発ユニットの蒸気スペースから、その蒸気だけを導くとともにその蒸気だけをそのすぐ後の濃縮／蒸発段へと導く蒸気通路を介して、それぞれ、そのすぐ後の濃縮／蒸発段の濃縮ユニットへと導かれ、かつ、その蒸気は、加熱段の各蒸発ユニットの蒸気スペースから、各蒸気通路を介して、それぞれ、そのすぐ後の濃縮／蒸発段のただ一つの濃縮ユニットへと導かれる。

Claims (17)

1. 濃縮される液体（１４）が連続的に通流する加熱段（２８）と、複数の濃縮／蒸発段（１２₁〜１２₃）と、濃縮段（３６）と、を備えた多段膜蒸留装置（１０）であって、
   前記濃縮／蒸発段（１２₁〜１２₃）の各々が、少なくとも一つの濃縮ユニット（Ｋ）と、少なくとも一つの蒸発ユニット（Ｖ）と、を備え、前記濃縮ユニット（Ｋ）の各々が、濃縮壁（１６）によって少なくとも部分的に境界された第１の蒸気スペース（１８₁）を備え、前記蒸発ユニット（Ｖ）の各々が、蒸気透過性の流体密封の膜壁（２０）によって少なくとも部分的に境界された第２の蒸気スペース（１８₂）を備え、前記濃縮ユニット（Ｋ）と、その隣接する前記蒸発ユニット（Ｖ）との間に形成されるとともに前記濃縮される液体（１４）を案内する少なくとも一つの流路（２２）が、それぞれ前記濃縮／蒸発段（１２₁〜１２₃）に設けられて、前記濃縮される液体（１４）を、前記濃縮壁（１６）を介して加熱し、該濃縮される液体（１４）から生じた蒸気が前記膜壁（２０）を通して前記第２の蒸気スペース（１８₂）へと移動する、多段膜蒸留装置（１０）において、
   先行する各段（２８，１２₁〜１２₃，３６）で生じた前記蒸気は、その蒸気だけを導くとともにその蒸気だけをそのすぐ後の段（１２₁〜１２₃，３６）へと導く蒸気通路（２４，２６）を介して、該先行する各段のすぐ後の段（１２₁〜１２₃，３６）の濃縮ユニット（Ｋ）へと運ばれる、多段膜蒸留装置（１０）。
2. 少なくとも一つの前記濃縮／蒸発段（１２₁〜１２₃）が、それぞれ、複数の濃縮ユニット（Ｋ）および／または複数の蒸発ユニット（Ｖ）と、前記濃縮ユニット（Ｋ）とその隣接する前記蒸発ユニット（Ｖ）との間に形成されるとともに前記濃縮される液体（１４）を案内する複数の平行な流路（２２）と、を有することを特徴とする請求項１に記載の多段膜蒸留装置。
3. 前記先行する各段（２８，１２₁〜１２₃）の各蒸気スペース（１８₂）で生じた前記蒸気は、前記各蒸気通路（２４，２６）を介して、それぞれ、そのすぐ後の段（１２₁〜１２₃，３６）のただ一つの濃縮ユニット（Ｋ）へと運ばれることを特徴とする請求項１または２に記載の多段膜蒸留装置。
4. 前記先行する各段（２８，１２₁〜１２₃）の各蒸発ユニット（Ｖ）と、そのすぐ後の各段（１２₁〜１２₃，３６）の各一つの濃縮ユニット（Ｋ）と、の間にそれぞれ前記蒸気通路（２４，２６）を形成するように、前記蒸発ユニット（Ｖ）が蒸気出口通路（２４）を有するとともに、前記濃縮ユニット（Ｋ）が蒸気入口通路（２６）を有しており、それらの２つのユニット（Ｖ，Ｋ）は、それぞれその蒸気出口通路（２４）および蒸気入口通路（２６）を有する側が、互いに直接隣接するとともに互いに対向するように配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多段膜蒸留装置。
5. 供給される前記濃縮される液体（１４）を予熱する前記加熱段（２８）が、少なくとも一つの加熱ユニット（３０₁）と、少なくとも一つの前記蒸発ユニット（Ｖ）と、を備え、前記加熱ユニット（３０₁）の各々が、流体密封の熱伝導壁（３２）によって少なくとも部分的に境界された加熱流体スペース（３４）を備え、前記各蒸発ユニット（Ｖ）が、蒸気透過性の流体密封の前記膜壁（２０）により少なくとも部分的に境界された蒸気スペース（１８₂）を備えており、少なくとも一つの流路（２２）が、前記加熱段（２８）の、前記加熱ユニット（３０₁）とその隣接する前記蒸発ユニット（Ｖ）との間に設けられるとともに前記濃縮される液体（１４）を案内して、前記濃縮される液体（１４）を前記流体密封の熱伝導壁（３２）を介して予熱し、前記濃縮される液体（１４）から生じた蒸気を、前記膜壁（２０）を通して前記蒸気スペース（１８₂）へと移動させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の多段膜蒸留装置。
6. 前記蒸気は、前記加熱段（２８）の各蒸発ユニット（Ｖ）の前記蒸気スペース（１８₂）から、その蒸気だけを導くとともにその蒸気だけをそのすぐ後の濃縮／蒸発段（１２₁〜１２₃）へと導く前記蒸気通路（２４，２６）を介して、それぞれ、そのすぐ後の前記濃縮／蒸発段（１２₁〜１２₃）の濃縮ユニット（Ｋ）へと導かれることを特徴とする請求項５に記載の多段膜蒸留装置。
7. 前記加熱段（２８）は、複数の加熱ユニット（３０₁）および／または複数の前記蒸発ユニット（Ｖ）と、前記加熱ユニット（３０₁）とその隣接する蒸発ユニット（Ｖ）との間に形成されるとともに、それぞれ前記濃縮される液体（１４）を案内する複数の平行な流路（２２）と、を有することを特徴とする請求項５または６に記載の多段膜蒸留装置。
8. 前記蒸気は、前記加熱段（２８）の各蒸発ユニット（Ｖ）の前記蒸気スペース（１８₂）から、前記蒸気通路（２４，２６）を介して、それぞれ、そのすぐ後の前記濃縮／蒸発段（１２₁〜１２₃）のただ一つの濃縮ユニット（Ｋ）へと導かれることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の多段膜蒸留装置。
9. 前記加熱段（２８）の各蒸発ユニット（Ｖ）と、そのすぐ後の前記濃縮／蒸発段（１２₁〜１２₃）の各一つの濃縮ユニット（Ｋ）と、の間にそれぞれ前記蒸気通路（２４，２６）を形成するように、前記蒸発ユニット（Ｖ）が蒸気出口通路（２４）を有するとともに、前記濃縮ユニット（Ｋ）が蒸気入口通路（２６）を有しており、それらの２つのユニット（Ｖ，Ｋ）は、それぞれその蒸気出口通路（２４）および蒸気入口通路（２６）を有する側が、互いに直接隣接するとともに互いに対向するように配置されることを特徴とする請求項８に記載の多段膜蒸留装置。
10. 最後の濃縮／蒸発段（１２₃）の各蒸発ユニット（Ｖ）からの蒸気が、その最後の濃縮／蒸発段（１２₃）のすぐ下流に配置された前記濃縮段（３６）へと供給されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の多段膜蒸留装置。
11. 前記濃縮段（３６）が、少なくとも一つの冷却ユニット（３０₂）と、少なくとも一つの濃縮ユニット（Ｋ）と、を備え、前記冷却ユニット（３０₂）の各々は、流体密封の熱伝導壁（３２）によって少なくとも部分的に境界された冷却液スペース（３８）を備えるとともに、各濃縮ユニット（Ｋ）は、前記濃縮壁（１６）によって少なくとも部分的に境界されるとともに前記最後の濃縮／蒸発段（１２₃）からの蒸気が各蒸気通路（２４，２６）を介して供給される、蒸気スペース（１８₁）を有しており、少なくとも一つの冷却ユニット（３０₂）が、前記濃縮段（３６）の少なくとも一つの濃縮ユニット（Ｋ）に直接隣接して、各濃縮ユニット（Ｋ）の前記濃縮壁（１６）が、前記冷却ユニット（３０₂）を介して冷却されることを特徴とする請求項１０に記載の多段膜蒸留装置。
12. 前記蒸気は、前記最後の濃縮／蒸発段（１２₃）の各蒸発ユニット（Ｖ）から、その蒸気だけを導くとともにその蒸気だけを前記濃縮段（３６）へと導く前記蒸気通路（２４，２６）を介して、前記濃縮段（３６）の濃縮ユニット（Ｋ）へと導かれることを特徴とする請求項１１に記載の多段膜蒸留装置。
13. 前記濃縮段（３６）が、複数の冷却ユニット（３０₂）および／または複数の蒸発ユニット（Ｖ）を備えることを特徴とする請求項１１または１２に記載の多段膜蒸留装置。
14. 前記最後の濃縮／蒸発段（１２₃）の各蒸発ユニット（Ｖ）の前記蒸気スペース（１８₂）からの蒸気は、前記各蒸気通路（２４，２６）を介して、それぞれ、前記濃縮段（３６）のただ一つの濃縮ユニット（Ｋ）へと導かれることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の多段膜蒸留装置。
15. 前記最後の濃縮／蒸発段（１２₃）の各蒸発ユニット（Ｖ）と、そのすぐ後の前記濃縮段（３６）の各一つの濃縮ユニット（Ｋ）と、の間にそれぞれ前記蒸気通路（２４，２６）を形成するように、前記蒸発ユニット（Ｖ）が蒸気出口通路（２４）を有するとともに、前記濃縮ユニット（Ｋ）が蒸気入口通路（２６）を有しており、それらの２つのユニット（Ｖ，Ｋ）は、それぞれその蒸気出口通路（２４）および蒸気入口通路（２６）を有する側が、互いに直接隣接するとともに互いに対向するように配置されることを特徴とする請求項１４に記載の多段膜蒸留装置。
16. 前記多段膜蒸留装置が、複数のフレーム要素を備えたモジュール式フローシステムとして構成されるとともに、各濃縮ユニット（Ｋ）、各蒸発ユニット（Ｖ）、各加熱ユニット（３０₁）、および／または各冷却ユニット（３０₂）を含んだ異なる機能ユニットが、それぞれ、フレーム要素の形態で提供され、前記フレーム要素は、ウェブ構造（４０）を備え、その構造を介してそれらのフレーム要素が前記加熱段（２８）、前記各濃縮／蒸発段（１２₁〜１２₃）、および／または前記濃縮段（３６）を形成するように互いに連結され、前記フレーム要素は、それぞれ、外側フレーム（４２）によって囲まれるとともにグリッド状のスペーサ（４６）を備えた内側領域（４４）を備えており、該グリッド状のスペーサ（４６）の両面にそれぞれ機能的表面をなすフィルムまたは膜が適用されて、各蒸気スペース（１８₁，１８₂）、各加熱流体スペース（３４）、または各冷却液スペース（３８）を形成することを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の多段膜蒸留装置。
17. 少なくとも３つの濃縮／蒸発段（１２₁〜１２₃）を備えることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の多段膜蒸留装置。

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