JP2024065124A - 水溶性化合物の分離方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】エネルギー効率を高めることで、膜分離を含むプロセスの運転コストを削減する。【解決手段】第１の蒸留塔と第２の蒸留塔を含む複数の蒸留塔と、水を選択的に透過する分離膜を備える分離膜モジュールを、１以上有する分離膜モジュール群を、１以上含む分離膜ユニットと、１以上の圧縮機を備える、１以上の圧縮機ユニット、とを有し、 前記第１の蒸留塔と、前記第２の蒸留塔と、前記分離膜モジュール群のうち１以上と、前記圧縮機ユニットのうち１以上と、前記第１の蒸留塔が順に接続されている、水と水溶性有機化合物を含む被処理流体から水を分離する脱水システム。【選択図】図１
Description
本発明は、水溶性有機化合物の濃縮方法及び濃縮装置に関し、詳しくは、プロセス全体に要する熱エネルギーを抑制できる水溶性有機化合物の濃縮方法及び濃縮装置に関する。
通常、水溶性有機化合物と水を含む混合物から、水のみを除去する方法として、蒸留法等が用いれている。しかしながら、水溶性有機化合物が水と共沸する性質を有する場合は、蒸留塔の塔頂蒸気に水が必然的に含まれるため、純度を向上させることが困難であった。
このような、水と共沸する水溶性有機化合物を、高純度に得る精製方法として、水と共沸する水溶性有機化合物に含まれる水のうちの大部分を蒸留により除去してから、吸着塔などにより残りの水分を除去することで、最終的に高純度の水溶性有機化合物化合物を得る方法が知られている（特許文献１参照）。
また、水－アルコール混合物を、多重効用蒸留塔に導入して濃縮してから、膜分離を行うことで、水－アルコール混合物から水を除去する、エネルギー効率に優れた方法が知られている（特許文献２参照）。
しかしながら、近年の蒸留技術の発展により、多重効用蒸留塔と吸着塔を組み合わせたプロセスに必要なエネルギーと、多重効用蒸留塔と膜分離を組み合わせたプロセスに必要なエネルギーの差は縮まってきている。本発明により膜分離を使ったプロセスのエネルギー効率をさらに高めることで、運転コストを削減できる、少なくとも水と水溶性有機化合物を含む被処理流体から水を分離する脱水システムを提供することが出来る。
本発明の要旨は次の通りである。
［１］ 水と水溶性有機化合物を含む被処理流体から水を分離する脱水システムであって、第１の蒸留塔と第２の蒸留塔を含む複数の蒸留塔と、水を選択的に透過する分離膜を備える分離膜モジュールを、１以上有する分離膜モジュール群を、１以上含む分離膜ユニットと、１以上の圧縮機を備える、１以上の圧縮機ユニット、とを有し、前記第１の蒸留塔と、前記第２の蒸留塔と、前記分離膜モジュール群のうち１以上と、前記圧縮機ユニットのうち１以上と、前記第１の蒸留塔が順に接続されている、脱水システム。。
［２］ 前記分離膜モジュールユニットに含まれる全ての分離膜モジュールの透過側が、前記圧縮機ユニットの入口側に接続している、［１］に記載の脱水システム。
［３］ 前記分離膜ユニットが、第１の分離膜モジュール群と第２の分離膜モジュール群を含み、第１の分離膜モジュール群または第２の分離膜モジュール群のいずれか一方の透過側が、前記圧縮機ユニットの入口側に接続し、前記圧縮機ユニットの出口側が、前記第１の蒸留塔に接続している、［１］に記載の脱水システム。
［４］ 前記分離膜モジュール群のうち、前記圧縮機ユニットに接続していない分離膜モジュール群の透過側が、凝縮器と接続されている、［３］に記載の脱水システム。
［５］ 前記分離膜モジュールのうち、前記圧縮機ユニットに接続していない分離膜モジュール群の透過側が、前記第１の蒸留塔と接続されている、［３］に記載の脱水システム。
［６］ 前記分離膜ユニットが、第１の分離膜モジュール群と第２の分離膜モジュール群を含み、前記圧縮機ユニットとして、第１の圧縮機ユニットと第２の圧縮機ユニットを有し、前記第１の分離膜モジュール群の透過側が、前記第１の圧縮機ユニットの入口側に接続し、前記第２の分離膜モジュール群の透過側が、前記第２の圧縮機ユニットの入口側に接続している、［１］に記載の脱水システム。
［７］ 前記第1の圧縮機ユニットの出口側が前記第２の蒸留塔に接続しており、前記第２の圧縮機ユニットの出口側が前記第１の蒸留塔に接続している、
［６］に記載の脱水システム。
［６］に記載の脱水システム。
［８］ 前記第１の圧縮機ユニットの出口側、及び前記第２の圧縮機ユニットの出口側が、前記第１の蒸留塔に接続している、［６］に記載の脱水システム。
［９］ さらに第３の圧縮機ユニットを有し、前記第１の圧縮機ユニット、及び前記第２の圧縮機ユニットのそれぞれの出口側が第３の圧縮機ユニットの入口側に接続しており、前記第３の圧縮機ユニットの出口側が、前記第１の蒸留塔に接続している、［６］に記載の脱水システム。
［１０］ 前記圧縮機ユニットが、１以上の直列で接続されている圧縮機及び／または並列に配置された１以上の圧縮機を含む［１］～［９］のいずれかに記載の脱水システム。
［１１］ 前記第１の蒸留塔の運転圧力が、前記第２の蒸留塔の運転圧力よりも小さい、［１］～［１０］のいずれかに記載の脱水システム。
［１２］ 前記第１の蒸留塔が減圧蒸留塔であり、前記第２の蒸留塔が高圧蒸留塔である、［１］～［１１］のいずれかに記載の脱水システム。
［１３］ 水と水溶性有機化合物を含む被処理流体から水を分離する脱水方法であって、 が、前記第１の蒸留塔の運転圧力が、前記圧縮機ユニットの出口側圧力以下である、［１］～［１２］のいずれかに記載の脱水システムを用いた、脱水方法。
膜分離を使ったプロセスのエネルギー効率を高めることで、運転コストを削減できる、少なくとも水と水溶性有機化合物を含む被処理流体から水を分離する脱水システムを提供する。
以下、本発明について、詳細に説明するが、本発明は具体的な実施態様のみに限定されるものではない。
本発明は、第１の蒸留塔と第２の蒸留塔を含む複数の蒸留塔と、水を選択的に透過する分離膜を備える分離膜モジュールを、１以上有する分離膜モジュール群を、１以上含む分離膜ユニットと、１以上の圧縮機を備える、１以上の圧縮機ユニット、とを有し、前記第１の蒸留塔と、前記第２の蒸留塔と、前記分離膜モジュール群のうち１以上と、前記圧縮機ユニットのうち１以上と、前記第１の蒸留塔が順に接続されていることを特徴とする、水と水溶性有機化合物を含む被処理流体から水を分離する脱水システムに関する。
（被処理流体）
本発明の脱水システムの処理対象とする被処理流体は、少なくとも水と水溶性有機化合物を含む液体である。本発明の濃縮方法により濃縮する水溶性有機化合物は、メタノール、エタノール、ｎ－プロピルアルコール、ｉ－プロピルアルコール、ｎ－ブタノール、アセトニトリル、アセトン、ジオキサン、ＤＭＦ、ピリジン、ギ酸、酢酸エチル等、特に限定されないが、本発明の脱水システムの効果を充分に発揮する観点で、水と共沸する水溶性有機化合物であることが好ましい。すなわち、水溶性有機化合物としては、エタノール、ｎ－プロピルアルコール、ｉ－プロピルアルコール、ｎ－ブタノール、アセトニトリル、ピリジン、ギ酸、酢酸エチルがより好ましい。
本発明の脱水システムの処理対象とする被処理流体は、少なくとも水と水溶性有機化合物を含む液体である。本発明の濃縮方法により濃縮する水溶性有機化合物は、メタノール、エタノール、ｎ－プロピルアルコール、ｉ－プロピルアルコール、ｎ－ブタノール、アセトニトリル、アセトン、ジオキサン、ＤＭＦ、ピリジン、ギ酸、酢酸エチル等、特に限定されないが、本発明の脱水システムの効果を充分に発揮する観点で、水と共沸する水溶性有機化合物であることが好ましい。すなわち、水溶性有機化合物としては、エタノール、ｎ－プロピルアルコール、ｉ－プロピルアルコール、ｎ－ブタノール、アセトニトリル、ピリジン、ギ酸、酢酸エチルがより好ましい。
本発明の脱水システムの原料供給側から一番近い蒸留塔に供給される被処理流体中の水溶性有機化合物の含有量は、特に指定しないが１ｗｔ％以上が好ましく、１ｗｔ％以上がより好ましく、２ｗｔ％以上が特に好ましい。２０ｗｔ％以下が好ましく、１５ｗｔ％以下がより好ましく、１０ｗｔ％以下が特に好ましい。
（蒸留塔）
本発明の脱水システムは、第１の蒸留塔と第２の蒸留塔を含む複数の蒸留塔、を含む。エネルギーを効率的に利用する観点で、複数の蒸留塔は、多重効用蒸留塔であることが好ましい。複数の蒸留塔が多重効用蒸留塔である場合、減圧蒸留塔と高圧蒸留塔を含む多重効用蒸留塔であることがより好ましく、水溶性有機化合物と固液を同時に分離するもろみ塔を含んだ多重効用蒸留塔で、そのもろみ塔は減圧条件下で運転されており、その他１以上の蒸留塔は高圧蒸留塔を含むことがさらに好ましい。
本発明の脱水システムは、第１の蒸留塔と第２の蒸留塔を含む複数の蒸留塔、を含む。エネルギーを効率的に利用する観点で、複数の蒸留塔は、多重効用蒸留塔であることが好ましい。複数の蒸留塔が多重効用蒸留塔である場合、減圧蒸留塔と高圧蒸留塔を含む多重効用蒸留塔であることがより好ましく、水溶性有機化合物と固液を同時に分離するもろみ塔を含んだ多重効用蒸留塔で、そのもろみ塔は減圧条件下で運転されており、その他１以上の蒸留塔は高圧蒸留塔を含むことがさらに好ましい。
複数の蒸留塔は、第１の蒸留塔と、第２の蒸留塔を含む。前記第１の蒸留塔は、少なくとも、その運転圧力が、後述する圧縮機の出口側の圧力以下であることが好ましく、その運転圧力が圧縮機の出口側の圧力以下でありかつ減圧蒸留塔であることがより好ましい。被処理流体が、発酵槽から得られるバイオエタノールを含み、第１の蒸留塔に供給される流体が発酵槽からの固液混合流体である場合、被処理流体に含まれる固体を除去する観点から、第１の蒸留塔はもろみ塔であって、減圧蒸留塔であることが好ましい。
複数の蒸留塔は、さらに、第１の蒸留塔と第２の蒸留塔、以外の蒸留塔を含むことが好ましく、前記第１の蒸留塔と第２の蒸留塔、以外の蒸留塔としては、第３の蒸留塔を含むことが好ましい。
複数の蒸留塔が第１の蒸留塔と第２の蒸留塔からなる場合、第１の蒸留塔が減圧蒸留塔であり、第２の蒸留塔が高圧蒸留塔であることが好ましい。複数の蒸留塔が、第１の蒸留塔、第２の蒸留塔、及び第３の蒸留塔を含む場合、第１の蒸留塔が減圧蒸留塔であり、第２の蒸留塔が高圧蒸留塔であり、第３の蒸留塔が中圧蒸留塔であることが好ましい。
（分離膜ユニット）
本発明の分離膜ユニットは、少なくとも１つの分離膜モジュールを含む。分離膜ユニットが複数の分離膜モジュールを含有する場合、分離膜モジュールの数は、分離膜モジュールで処理する被濃縮流体の濃度、目的とする濃縮流体の濃度、処理量等に応じて適宜設定可能である。
本発明の分離膜ユニットは、少なくとも１つの分離膜モジュールを含む。分離膜ユニットが複数の分離膜モジュールを含有する場合、分離膜モジュールの数は、分離膜モジュールで処理する被濃縮流体の濃度、目的とする濃縮流体の濃度、処理量等に応じて適宜設定可能である。
分離膜モジュールを複数用いる場合、その配列方法は、直列配置のみであってもよく、並列配置のみであっても良く、直列配置と並列配置を組み合わせてもよい。直列配置と並列配置を組み合わせる場合は、複数個のモジュールを直列配置に接続した一列のモジュールを、並列配置で複数並べることが好ましい。このとき、各列のモジュールの個数は同じにすることが、被濃縮流体の精製度や、モジュールの制御圧力を設計することが容易になるため好ましい。
本発明の分離膜ユニットは、複数の分離膜モジュールを含む場合、1以上の分離膜モジュール群を有する。
本発明の分離膜ユニットは、複数の分離膜モジュールを含む場合、1以上の分離膜モジュール群を有する。
分離膜ユニットに供給される被濃縮流体中の水溶性有機化合物の含有量は、８０ｗｔ％以上が好ましく、８５ｗｔ％以上がより好ましく、８８ｗｔ％以上が特に好ましい。９７ｗｔ％以下が好ましく、９５ｗｔ％以下がより好ましく、９２ｗｔ％以下が特に好ましい。
（分離膜モジュール群）
分離膜モジュール群は、複数のモジュールを、被濃縮流体の供給側から順に、１以上の分離膜モジュールのまとまりとして分けたものである。このまとまりを、被濃縮流体の供給側から順に、第１の分離膜モジュール群、第２の分離膜モジュール群、…第ｎの分離膜モジュール群とする。分離膜モジュール群に含まれる分離膜モジュールの数は、同じでもよく、異なっていてもよい。
分離膜モジュール群は、複数のモジュールを、被濃縮流体の供給側から順に、１以上の分離膜モジュールのまとまりとして分けたものである。このまとまりを、被濃縮流体の供給側から順に、第１の分離膜モジュール群、第２の分離膜モジュール群、…第ｎの分離膜モジュール群とする。分離膜モジュール群に含まれる分離膜モジュールの数は、同じでもよく、異なっていてもよい。
分離膜モジュール群は、以下のように定める。分離膜ユニットが複数の分離膜モジュールを有する場合、通常、配管の製作や配管を支える架台コストの削減、およびプロセス全体の制御条件を簡素化するため、複数個の分離膜モジュールの透過側配管を、１つの集合配管にまとめる。この、透過側が１つの集合配管にまとめられた複数の分離膜モジュールを、１つの分離膜モジュール群とする。
複数の分離膜モジュールを直列に配置した分離膜モジュールの列を、並列に複数列配置する場合は、図６に例示するように、異なる列にまたがって、分離膜モジュール群を設定する。このとき、図６に示すように、１つの分離膜モジュール群に含まれるそれぞれの列で、同数の分離膜モジュールを含むように分けることが、被濃縮流体の濃縮度等を考慮してプロセス設計する上で好ましい。図６においては、第１の分離膜モジュール群の全ての分離膜モジュールの透過側が第１の集合配管に、第２の分離膜モジュール群の全ての分離膜モジュールの透過側が第２の集合配管に接続している。
分離膜モジュール群が第１の分離膜モジュール群と第２の分離膜モジュール群からなるとき、第１の分離膜モジュール群の透過側が接続する第１の集合配管の真空圧力は、３ｋＰａＡ以上が好ましく、５ｋＰａＡ以上がより好ましく、１０ｋＰａＡ以上がさらに好ましい。１５０ｋＰａＡ以下が好ましく、１００ｋＰａＡ以下がより好ましく、５０ｋＰａＡ以下がさらに好ましい。第２の分離膜モジュール群の透過側が接続する第２の集合配管の真空圧力は、０．５ｋＰａＡ以上が好ましく、１ｋＰａＡ以上がより好ましい。１０ｋＰａＡ以下が好ましく、５ｋＰａＡ以下がより好ましく、３ｋＰａＡ以下がさらに好ましい。前記下限値以上、上限値以下であることで、分離膜の供給側と透過側の差圧を発生させ、透過駆動力を十分に確保でき、透過側流体を冷却・凝縮する際に必要な低温冷媒の流量を小さくして、省エネ効果を発現させられる。
（分離膜モジュール）
分離膜モジュールは、分離膜（膜）、容器シェル（殻）、被濃縮流体の供給口、濃縮流体の流出口、及び膜を介して隔てられた透過側流出口を含む。
分離膜モジュールとしては、容器シェル内に多数本の管状分離膜を配置し、管状分離膜の外側に被濃縮流体を流し、管状分離膜の内側に水を透過させるか、又は管状分離膜の内側に被濃縮流体を流し、管状分離膜の外側に水を透過させるものが好適であるが、分離膜の形態としては、ハニカム構造、中空糸構造、シート構造などであってもよく、限定するものではない。
管状分離膜としては、管状の多孔質基体の内周面及び／又は外周面に水を選択的に透過する膜を有するものが好適である。
分離膜モジュールは、分離膜（膜）、容器シェル（殻）、被濃縮流体の供給口、濃縮流体の流出口、及び膜を介して隔てられた透過側流出口を含む。
分離膜モジュールとしては、容器シェル内に多数本の管状分離膜を配置し、管状分離膜の外側に被濃縮流体を流し、管状分離膜の内側に水を透過させるか、又は管状分離膜の内側に被濃縮流体を流し、管状分離膜の外側に水を透過させるものが好適であるが、分離膜の形態としては、ハニカム構造、中空糸構造、シート構造などであってもよく、限定するものではない。
管状分離膜としては、管状の多孔質基体の内周面及び／又は外周面に水を選択的に透過する膜を有するものが好適である。
（多孔質基体）
多孔質基体は、分子篩膜を支持する支持体として機能する。多孔質基体を構成する材料は特に限定されるものではなく、ガラス、セラミックス、金属、カーボン成型体、又は樹脂等の種々の材料を適用可能である。セラミックス支持体の場合は、その表面などにゼオライトを膜状に結晶化できるような化学的安定性がある多孔質の無機物質であればいかなるものであってもよい。具体的には、例えば、シリカ、α－アルミナ、γ－アルミナ、ムライト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックス焼結体などが挙げられる。中でも、α－アルミナ、γ－アルミナ等のアルミナやムライトが好ましく、アルミナが特に好ましい。これらの支持体を用いれば、部分的なゼオライト化が容易であるため、支持体とゼオライトの結合が強固になり緻密で分離性能の高い膜が形成されやすくなる。
多孔質基体は、分子篩膜を支持する支持体として機能する。多孔質基体を構成する材料は特に限定されるものではなく、ガラス、セラミックス、金属、カーボン成型体、又は樹脂等の種々の材料を適用可能である。セラミックス支持体の場合は、その表面などにゼオライトを膜状に結晶化できるような化学的安定性がある多孔質の無機物質であればいかなるものであってもよい。具体的には、例えば、シリカ、α－アルミナ、γ－アルミナ、ムライト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックス焼結体などが挙げられる。中でも、α－アルミナ、γ－アルミナ等のアルミナやムライトが好ましく、アルミナが特に好ましい。これらの支持体を用いれば、部分的なゼオライト化が容易であるため、支持体とゼオライトの結合が強固になり緻密で分離性能の高い膜が形成されやすくなる。
本発明において、多孔質基体それ自体は分子篩能を有する必要はない。多孔質基体は、外壁側（外周面）と内壁側（内周面）とを連通する細かな気孔（空孔、空隙）を有する。
多孔質基体は、気孔率が、通常２０％以上、好ましくは２５％以上、より好ましくは３０％以上であり、通常８０％以下、好ましくは６０％以下、より好ましくは５０％以下で、その平均細孔径が通常０．０１μｍ以上、好ましくは０．０５μｍ以上より好ましくは０．１μｍ以上、上限は通常２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下である。このような気孔を有する多孔質基体であれば、十分な強度を有して分子篩膜を適切に支持することができ、また、分子篩膜を透過した分子を十分な速度で透過させることが可能、或いは、分子篩膜へと分子を十分な速度で到達させることが可能である。尚、多孔質基体の気孔率や細孔径は、水銀圧入法、断面をＳＥＭで観察することなどによって容易に特定可能である。平均細孔径についても同様であるが、真比重を用いて体積と質量から計算することもできる。
分子篩膜としてゼオライト膜を製膜する際の多孔質基体は、外周面から内周面に亘る貫通細孔の開口の最大径が通常１０μｍ以下であり、好ましくは８μｍ以下である。前記最大径の下限値は、０．０５μｍ以上が好ましい。また、外周面から内周面に亘る貫通部が全て同一の細孔径を有していてもよく、例えば、特開２００５－２７０８８７号公報に記載のように、部分的又は段階的に異なる細孔径を有するものを用いてもよい。
管状の多孔質基体は、管軸方向と垂直な断面が、外周面及び内周面ともに円形であることが好ましい。管状の多孔質基体の厚み（外周面の半径と内周面の半径との差）は特に限定されるものではない。材質や気孔率等によっても異なるが、例えば、厚みは０．５ｍｍ以上であることが好ましく、より好ましくは０．８ｍｍ以上、さらに好ましくは１．０ｍｍ以上である。
管状の多孔質基体の内径は、特に限定されるものではない。材質や気孔率等によっても異なるが、例えば、上記した多孔質基体の厚みに対する内径（直径）の比（内径（ｍｍ）／厚み（ｍｍ））は２０以下が好ましく、より好ましくは１７以下であり、さらに好ましくは１３以下であり、特に好ましくは９以下である。セラミックス焼結体製多孔質基体の場合、内径は３ｍｍ以上、特に５ｍｍ以上で、２０ｍｍ以下、特に１５ｍｍ以下であることが好ましい。
多孔質基体の長さ（軸方向長さ）は特に限定されるものではない。
（分子篩膜）
分子篩膜は、多孔質基体の表面に形成される。多孔質基体の形態が管状である場合、分子篩膜は、外周面及び／又は内周面に形成される。分子篩膜は、適切に分子篩能を発揮できれば、その形態は特に限定されるものではない。
分子篩膜は、多孔質基体の表面に形成される。多孔質基体の形態が管状である場合、分子篩膜は、外周面及び／又は内周面に形成される。分子篩膜は、適切に分子篩能を発揮できれば、その形態は特に限定されるものではない。
分子篩膜は、有機膜、無機膜のいずれでもよいが、無機膜が好適である。無機膜としては、ゼオライト膜、シリカ膜、及び炭素膜のいずれか、又はその組み合わせであることが好ましく、中でもゼオライト膜またはシリカ膜が好ましく、特に分離性能、耐水性、耐久性の観点でゼオライト膜が好ましい。
ここで、分子篩膜としてゼオライト膜を用いる場合、ゼオライトはアルミノケイ酸塩であることが好ましいが、膜の性能を大きく損なわない限りＡｌの代わりにＧａ、Ｆｅ、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｚｎ等の金属元素を用いてもよく、Ａｌと共にＧａ、Ｆｅ、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐ等の元素を含んでいてもよい。
また、ゼオライト膜の細孔を形成する結晶ゼオライトの骨格が酸素８員環以下の環であることが好ましく、酸素６～８員環であることがより好ましい。
ゼオライトの構造としては、例えばＡＥＩ、ＡＦＧ、ＡＮＡ、ＣＨＡ、ＤＤＲ、ＥＡＢ、ＥＲＩ、ＥＳＶ、ＦＡＲ、ＦＲＡ、ＧＩＳ、ＩＴＥ、ＫＦＩ、ＬＥＶ、ＬＩＯ、ＬＯＳ、ＬＴＡ、ＬＴＮ、ＭＡＲ、ＭＷＦ、ＰＡＵ、ＲＨＯ、ＲＴＨ、ＳＯＤ、ＳＴＩ、ＴＯＬ、ＵＦＩなどが挙げられる。これらのうち、ＡＥＩ、ＣＨＡ、ＤＤＲ、ＥＲＩ、ＫＦＩ、ＬＥＶ、ＭＷＦ、ＰＡＵ、ＲＨＯ、ＲＴＨ、ＳＯＤ、ＬＴＡ、ＵＦＩ型ゼオライトにより構成される膜を用いることが好ましく、ＣＨＡ、ＤＤＲ、ＭＷＦ、ＲＨＯ、ＳＯＤ型ゼオライトにより構成される膜を用いることがより好ましい。なお、酸素ｎ員環を有するゼオライトのｎの値は、ゼオライト骨格とＴ元素（骨格を構成する酸素以外の元素）で構成される細孔の中で最も酸素原子の数が大きいものをさす。
分子篩膜としてゼオライト膜を合成する場合、必要に応じて有機テンプレート（構造規定剤）を用いることができるが、通常は目的とするゼオライト構造を作成可能なテンプレートであれば特に制限はなく、テンプレートなしで合成可能であれば用いなくてもよい。
分子篩膜の厚みは、特に限定されないが、ゼオライト膜では通常、厚みの下限値は、０．０１μｍ以上である。厚みの上限値は、３０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下がより好ましい。シリカ膜では、単層からなる膜でも、２層以上からなる膜でもよく、その厚みは、１ｎｍ以上が好ましい。厚みは、１０μｍ以下が好ましく、１μｍ以下がより好ましい。炭素膜では、厚みは、０．０５μｍ以上が好ましく、０．１μｍ以下がより好ましい。厚みの上限値は、５ｍｍ以下が好ましく、５００μｍ以下がより好ましいが、膜性能を大きく損なわない限り膜厚は薄いことが好ましい。
多孔質基体の表面に分子篩膜を形成する方法としては上述した方法に限定されるものではない。例えば、（１）多孔質基体の表面に、分子篩膜を構成し得る物質をバインダー等で固着させる方法、（２）分子篩膜を構成し得る物質を分散させたスラリー又は溶液に多孔質基体を含浸させて、多孔質基体表面に当該物質を固着させる方法、（３）多孔質基体の表面において、分子篩膜を構成し得る物質（特に、ゼオライト）を膜状に結晶化させる方法等が挙げられる（例えば、国際公開第２０１３／１２５６６０号パンフレット等を参照）。
（圧縮機ユニット）
本発明の脱水装置は、１以上の圧縮機ユニットを含む。本発明の圧縮機ユニットは、１以上の圧縮機を含む。
本発明の脱水装置は、１以上の圧縮機ユニットを含む。本発明の圧縮機ユニットは、１以上の圧縮機を含む。
（圧縮機）
圧縮機は、流体にエネルギーを与えて、流体の圧力を変化させるものである。圧縮機としては、流体の体積を小さくすることで圧力を変化させる容積圧縮機が好ましい。その中でも、負圧条件の流体を圧縮することができる観点で、ベーパーコンプレッサや真空ポンプ、エジェクタが好ましい。省エネ性能が高い観点で、エジェクタがより好ましい。エジェクタの中でも、駆動力として用いるスチームと、エジェクタによって引き込まれた流体の両方を、後続する処理設備に直接導入できることから、当該後続する処理へエネルギーロスを極力減らしたままを引き渡すことができ、エネルギー効率が良い観点で、スチームエジェクタが好ましい。圧縮機がスチームエジェクタである場合は、圧縮機を通過した流体と、スチームを合わせた流体を、圧縮機を通過した流体とする。
圧縮機は、流体にエネルギーを与えて、流体の圧力を変化させるものである。圧縮機としては、流体の体積を小さくすることで圧力を変化させる容積圧縮機が好ましい。その中でも、負圧条件の流体を圧縮することができる観点で、ベーパーコンプレッサや真空ポンプ、エジェクタが好ましい。省エネ性能が高い観点で、エジェクタがより好ましい。エジェクタの中でも、駆動力として用いるスチームと、エジェクタによって引き込まれた流体の両方を、後続する処理設備に直接導入できることから、当該後続する処理へエネルギーロスを極力減らしたままを引き渡すことができ、エネルギー効率が良い観点で、スチームエジェクタが好ましい。圧縮機がスチームエジェクタである場合は、圧縮機を通過した流体と、スチームを合わせた流体を、圧縮機を通過した流体とする。
圧縮機は、１つを単独で用いても良く、複数を接続して用いてもよい。圧縮機の接続パターンを、図７に示す。複数の圧縮機を用いる場合は、全てを直列に配置してもよく、全てを並列に配置しても良く、直列と並列を組み合わせて配置してもよい。直列と並列を組み合わせて配置する場合は、複数の圧縮機を直列配置に接続した一列の圧縮機を、並列に複数並べることが好ましい。このとき、各列の圧縮機の個数は同じにすることが、個々の圧縮機を制御するプロセスを設計することが容易になるため好ましい。
圧縮機としてスチームエジェクタを用いる場合、１つのスチームエジェクタに供給されるスチーム量を、そのスチーム量と、スチームエジェクタに供給される被圧縮流体を合計した流体量で除算した値は、０．６５以上０．９９９以下が好ましく、０．７５以上０．９９９以下がより好ましく、０．７５以上０．９８以下が特に好ましい。前記範囲内であることで、被圧縮流体を圧縮するための必要最低限のスチーム量で操作でき、効率的に被流体を圧縮できる。
圧縮機としてスチームエジェクタを用いる場合、１つのスチームエジェクタにおける吐出圧力を被流体の吸込み圧力で除算した圧縮比は、１以上２０以下が好ましく、１以上１５以下がより好ましく、１以上１０以下が特に好ましい。前記範囲内にあることで、圧縮時に発生する放熱によるエネルギー損失を小さくしつつ効率的に圧縮することが出来る。
（脱水システム）
本発明の脱水システムは、第１の蒸留塔と第２の蒸留塔を含む複数の蒸留塔と、水を選択的に透過する分離膜を備える分離膜モジュールを、１以上有する分離膜モジュール群を、１以上含む分離膜ユニットと、１以上の圧縮機を備える、１以上の圧縮機ユニット、とを有し、前記第１の蒸留塔と、前記第２の蒸留塔と、前記分離膜モジュール群のうち１以上と、前記圧縮機ユニットのうち１以上と、前記第１の蒸留塔が順に接続されている。
本発明の脱水システムは、第１の蒸留塔と第２の蒸留塔を含む複数の蒸留塔と、水を選択的に透過する分離膜を備える分離膜モジュールを、１以上有する分離膜モジュール群を、１以上含む分離膜ユニットと、１以上の圧縮機を備える、１以上の圧縮機ユニット、とを有し、前記第１の蒸留塔と、前記第２の蒸留塔と、前記分離膜モジュール群のうち１以上と、前記圧縮機ユニットのうち１以上と、前記第１の蒸留塔が順に接続されている。
圧縮機ユニットの入口側には、分離膜モジュール群の透過側を接続する。圧縮機ユニットの出口側は、運転圧力が、圧縮機ユニットの出口側の圧力以下であり、分離膜モジュールユニットに供給する被濃縮流体を供給する蒸留塔とは異なる蒸留塔、に接続する。
分離膜ユニットが複数の分離膜モジュールを有する場合、全ての分離膜モジュールの透過側を、１つの圧縮機ユニットの入口側に接続してもよい。
分離膜ユニットが、第１の分離膜モジュール群と第２の分離膜モジュール群を含む場合、第１の分離膜モジュール群または第２の分離膜モジュール群のいずれか一方の透過側が、圧縮機ユニットの入口側に接続し、圧縮機ユニットの出口側が、第１の蒸留塔に接続するようにしてもよい。
このとき、前記第１の分離膜モジュール群と第２の分離膜モジュール群のうち、圧縮機ユニットに接続していない分離膜モジュール群の透過側を、冷媒を使って被透過流体を凝縮・冷却させるコンデンサと接続してもよく、第１の蒸留塔と接続してもよい。
透過側の流体を効率よく熱回収する観点で、第２の分離膜モジュール群の透過側を圧縮機ユニットに接続し、第１の蒸留塔に接続することが好ましい。この場合、さらに、第１の分離膜モジュール群の透過側は、凝縮器に接続することが好ましく、第１の蒸留塔と異なる蒸留塔に接続することがより好ましく、圧縮機の出口側の流体と、第１の分離膜モジュール群の透過側の流体を合一させ、第１の蒸留塔に接続することがさらに好ましい。
透過側の流体を効率よく熱回収する観点で、第２の分離膜モジュール群の透過側を圧縮機ユニットに接続し、第１の蒸留塔に接続することが好ましい。この場合、さらに、第１の分離膜モジュール群の透過側は、凝縮器に接続することが好ましく、第１の蒸留塔と異なる蒸留塔に接続することがより好ましく、圧縮機の出口側の流体と、第１の分離膜モジュール群の透過側の流体を合一させ、第１の蒸留塔に接続することがさらに好ましい。
分離膜ユニットが、第１の分離膜モジュール群と第２の分離膜モジュール群を含み、圧縮機ユニットとして、第１の圧縮機ユニットと第２の圧縮機ユニットを有する場合、第１の分離膜モジュー群の透過側が、第１の圧縮機ユニットの入口側に接続し、第２の分離膜モジュール群の透過側が、第２の圧縮機ユニットの入口側に接続するようにしてもよい。
この場合、第1の圧縮機ユニットの出口側を第２の蒸留塔に接続し、第２の圧縮機ユニットの出口側を第１の蒸留塔に接続してもよく、
第１の圧縮機ユニットの出口側、及び前記第２の圧縮機ユニットの出口側の両方を、第１の蒸留塔に接続してもよい。
第１の圧縮機ユニットの出口側、及び前記第２の圧縮機ユニットの出口側の両方を、第１の蒸留塔に接続してもよい。
分離膜ユニットが、第１の分離膜モジュール群と第２の分離膜モジュール群を含み、圧縮機ユニットとして、第１の圧縮機ユニット、第２の圧縮機ユニット、及び第３の圧縮機ユニットを有する場合、第１の圧縮機ユニット、及び第２の圧縮機ユニットのそれぞれの出口側を第３の圧縮機ユニットの入口側に接続し、第３の圧縮機ユニットの出口側が、第１の蒸留塔に接続するようにしてもよい。
以下図面を参照して説明するが、図面中または以下説明に記載の脱水システムは一例であり、これに限定されるものではない。
（図１）
図１を参照して、本発明の実施態様に係る脱水システム、及び脱水方法の一例を説明する。
図１を参照して、本発明の実施態様に係る脱水システム、及び脱水方法の一例を説明する。
図１は、本発明に係る脱水システムの一態様を示した概略図である。図１に示す本実施形態に係る水溶性有機化合物の脱水システム（以下、「脱水システム１」とする場合がある。）は、第１の蒸留塔１ａ、第２の蒸留塔１ｂ、第３の蒸留塔１ｆ、第１の分離膜モジュール群１ｃを含む分離膜ユニット、及びスチームエジェクタ１ｄを基本構成として備え、蒸留と膜分離により水溶性有機化合物と水との混合物を含む被処理流体から水を分離するものである。なお、図１では、分離膜ユニットは、第１の分離膜モジュール群１ｃを備え、第１の分離膜モジュール群１ｃは、１つの分離膜モジュールを備える。第１の蒸留塔１ａの塔頂部に圧縮機（不図示）が接続され、圧縮された塔頂流体が水と熱交換されている。なお第２の蒸留塔１ｂの塔頂蒸気を第１の蒸留塔１ａの塔底リボイラーの熱源として使用する多重効用蒸留塔としているが、多重効用のプロセスはこれに限定されるものではない。
図１に示す脱水システムにおいて、第１の蒸留塔１ａは、少なくとも水溶性有機化合物と水を含む被処理流体である液体が原料として導入される。
第１の蒸留塔１ａは、被処理流体を、気体状態の水溶性有機化合物を含む塔頂蒸気と、液体状態の水からなる缶出液に分離する。塔頂蒸気は、第２の蒸留塔１ｂ、および第３の蒸留塔１ｆに供給される。第１の蒸留塔１ａは、棚段式等、蒸留操作に適したものであれば、その種類は特に限定されない。第１の蒸留塔の運転圧力は、分離膜モジュール群１ｃから透過した流体が逆流しないようにするため、スチームエジェクタ１ｄの出口側圧力以下になるようにする。第１の蒸留塔１ａは、減圧蒸留塔であることが好ましい。また、被処理流体が、発酵槽から供給される場合は、もろみ塔であることが好ましい。
第１の蒸留塔１ａは、被処理流体を、気体状態の水溶性有機化合物を含む塔頂蒸気と、液体状態の水からなる缶出液に分離する。塔頂蒸気は、第２の蒸留塔１ｂ、および第３の蒸留塔１ｆに供給される。第１の蒸留塔１ａは、棚段式等、蒸留操作に適したものであれば、その種類は特に限定されない。第１の蒸留塔の運転圧力は、分離膜モジュール群１ｃから透過した流体が逆流しないようにするため、スチームエジェクタ１ｄの出口側圧力以下になるようにする。第１の蒸留塔１ａは、減圧蒸留塔であることが好ましい。また、被処理流体が、発酵槽から供給される場合は、もろみ塔であることが好ましい。
第１の蒸留塔１ａにおける塔底の液の一部は、スチームエジェクタ１ｅから導入された流体および、第１の蒸留塔１ａの塔頂と接続された圧縮機（不図示）を経由した塔頂蒸気によって加熱された水、および第３の蒸留塔１ｆの塔頂蒸気によって加熱された水によって加熱されて蒸気となり、塔内を流下する液体と熱交換をしながら塔内を上昇する。このため、塔底においては蒸気の成分のほとんどは水であるが、塔頂の近くでは水溶性有機化合物の濃度が高くなる。なお、塔底から取り出された液の残部は、缶出液として取り出される。
第２の蒸留塔１ｂおよび第３の蒸留塔１ｆは、多重効用を利用するために、加圧蒸留、常圧蒸留、減圧蒸留等の各種蒸留を実施することができる。第２の蒸留塔１ｂおよび第３の蒸留塔１ｆの段数としては、特に制限はなく、要求される水溶性有機化合物の濃度スペック等により適宜決定することができる。また、第２の蒸留塔１ｂおよび第３の蒸留塔１ｆでは、原料を概ね８５．０質量％以上の水溶性有機化合物に濃縮することが好ましく、例えば、要求濃度スペック（仕様）が９９．０質量％を超え９９．９質量％未満である場合は、８５．０質量％以上から９９．０質量％未満となることが好ましく、要求濃度スペックが９９．９質量％以上である場合は、８５．０質量％以上９９．９質量％未満の水溶性有機化合物に濃縮することが好ましいが、特にこの範囲には限定されない。
第２の蒸留塔１ｂおよび第３の蒸留塔１ｆの塔頂蒸気は、被濃縮流体として、第１の分離膜モジュール群１ｃに導入される。第１の分離膜モジュール群１ｃの濃縮側流出口から出た濃縮流体は、第２の蒸留塔１ｂの塔底に接続された熱交換器によって熱回収され、製品として回収されるが、熱回収される方法はこれに限定されない。
第１の分離膜モジュール群１ｃの透過側流出口から出た透過側流体は、スチームエジェクタ１ｄに導入され、スチームエジェクタ１ｄの出口側から、第１の蒸留塔１ａに導入される。
第１の分離膜モジュール群１ｃの透過側流出口から出た透過側流体は、スチームエジェクタ１ｄに導入され、スチームエジェクタ１ｄの出口側から、第１の蒸留塔１ａに導入される。
（図２）
図２は、本発明の脱水システム、及び脱水方法の実施態様の別の一例であり、分離膜ユニットが、第１の分離膜モジュール群２ｃと、第２の分離膜モジュール群２ｄを備える場合である。
図２は、本発明の脱水システム、及び脱水方法の実施態様の別の一例であり、分離膜ユニットが、第１の分離膜モジュール群２ｃと、第２の分離膜モジュール群２ｄを備える場合である。
図２は、本発明に係る脱水システムの一態様を示した概略図である。図２に示す本実施形態に係る水溶性有機化合物の脱水システムは、第１の蒸留塔２ａ、第２の蒸留塔２ｂ、第３の蒸留塔２ｆ、第１の分離膜モジュール群２ｃ、第２の分離膜モジュール群２ｄを含む分離膜ユニット、及びスチームエジェクタ２ｅを基本構成とする。
図２に示す脱水システムにおいて、第１の蒸留塔２ａは、少なくとも水溶性有機化合物と水を含む被処理流体である液体が原料として導入される。
第１の蒸留塔２ａは、被処理流体を、気体状態の水溶性有機化合物を含む塔頂蒸気と、液体状態の水からなる缶出液に分離する。塔頂蒸気は、第２の蒸留塔２ｂおよび第３の蒸留塔２ｆに供給される。第１の蒸留塔２ａは、棚段式等、蒸留操作に適したものであれば、その種類は特に限定されない。第１の蒸留塔２ａは、スチームエジェクタ２ｅの出口側流体と分離膜モジュール群２ｃの透過側流体が混合した混合流体が逆流しないようにするため、その運転圧力が、スチームエジェクタ２ｅの出口側の圧力以下になるようにする。第１の蒸留塔２ａは、減圧蒸留塔であることが好ましい。また、被処理流体が、発酵槽から供給される場合は、もろみ塔であることが好ましい。
第１の蒸留塔２ａは、被処理流体を、気体状態の水溶性有機化合物を含む塔頂蒸気と、液体状態の水からなる缶出液に分離する。塔頂蒸気は、第２の蒸留塔２ｂおよび第３の蒸留塔２ｆに供給される。第１の蒸留塔２ａは、棚段式等、蒸留操作に適したものであれば、その種類は特に限定されない。第１の蒸留塔２ａは、スチームエジェクタ２ｅの出口側流体と分離膜モジュール群２ｃの透過側流体が混合した混合流体が逆流しないようにするため、その運転圧力が、スチームエジェクタ２ｅの出口側の圧力以下になるようにする。第１の蒸留塔２ａは、減圧蒸留塔であることが好ましい。また、被処理流体が、発酵槽から供給される場合は、もろみ塔であることが好ましい。
第１の蒸留塔２ａにおける塔底の液の一部は、スチームエジェクタ２ｅおよび分離膜モジュール群２ｃの透過側から導入された流体および、第１の蒸留塔２ａの塔頂と接続された圧縮機（不図示）を経由した塔頂蒸気によって加熱された水、および第３の蒸留塔２ｆの塔頂蒸気によって加熱された水によって加熱されて蒸気となり、塔内を流下する液体と熱交換をしながら塔内を上昇する。このため、塔底においては蒸気の成分のほとんどは水であるが、塔頂の近くでは水溶性有機化合物の濃度が高くなる。なお、塔底から取り出された液の残部は、缶出液として取り出される。
第２の蒸留塔２ｂおよび第３の蒸留塔２ｆは、多重効用を利用するため、加圧蒸留、常圧蒸留、減圧蒸留等の各種蒸留を実施することができる。第２の蒸留塔２ｂ、第３の蒸留塔２ｆの段数としては、特に制限はなく、要求される水溶性有機化合物の濃度スペック等により適宜決定することができる。また、第２の蒸留塔２ｂおよび第３の蒸留塔２ｆでは、原料を概ね８５．０質量％以上の水溶性有機化合物に濃縮することが好ましく、例えば、要求濃度スペック（仕様）が９９．０質量％を超え９９．９質量％未満である場合は、８５．０質量％以上から９９．０質量％未満となることが好ましく、要求濃度スペックが９９．９質量％以上である場合は、８５．０質量％以上９９．９質量％未満の水溶性有機化合物に濃縮することが好ましいが、特にこの範囲には限定されない。
第２の蒸留塔２ｂおよび第３の蒸留塔２ｆの塔頂蒸気は、被濃縮流体として、第１の分離膜モジュール群２ｃに導入される。第１の分離膜モジュール群２ｃの濃縮側流出口から出た第１の濃縮流体は、被濃縮流体として、第２の分離膜モジュール群２ｄの被濃縮流体の供給口から入る。第２の分離膜モジュール群２ｄの濃縮側流出口から出た第２の濃縮流体は、第２の蒸留塔２ｂの塔底に接続された熱交換器によって熱回収され、製品として回収されるが、熱回収される方法はこれに限定されない。
第１の分離膜モジュール群２ｃで濃縮された第１の透過側流体は、第１の蒸留塔２ａへ導入される。第２の分離膜モジュール群２ｄで濃縮された第２の透過側流体は、スチームエジェクタ２ｅに導入され、スチームエジェクタ２ｅの出口側から、第１の蒸留塔２ａに導入される。
なお、図１では、第１の分離膜モジュール群２ｃ及び第２の分離膜モジュール群２ｄに含まれる分離膜モジュールの数は、それぞれ１つである。
なお、図１では、第１の分離膜モジュール群２ｃ及び第２の分離膜モジュール群２ｄに含まれる分離膜モジュールの数は、それぞれ１つである。
（図３）
図３は、比較例に該当する具体的態様である。この例では、膜分離装置を設置せず、ＰＳＡ３ａだけで被濃縮流体の脱水を行い、ＰＳＡ３ａの脱着流体は凝縮器３ｄを経て、第１の蒸留塔３ａへ導入される。この方法では、一方の吸着カラムと他方の脱着カラムをスイッチさせながら運転するため、脱着される流体は熱回収プロセスを構築しにくい、断続的な流れとなる。したがって脱着された流体は、冷媒を用いた凝縮器３ｄによって断続的に凝縮・冷却され、タンク（不図示）に一時的に貯留された後、送液ポンプ（不図示）を使って連続的な流れを作った後、第１の蒸留塔３ａに導入される。また脱着工程では吸着工程を経て水溶性有機化合物が濃縮された流体が用いられるため、脱着された流体の水溶性有機化合物の濃度は、後述する図１，２，４，５の膜分離ユニットを透過した透過側流体の水溶性有機化合物濃度よりも大きくなる。このように、脱着された流体中の水溶性有機化合物の濃度の観点と、運転が断続的である観点から、十分に熱回収が出来ず、かつ多量の水溶性有機化合物が第１の蒸留塔３ａに戻されるため、後述するように、水溶性有機化合物の精製量当たりのＣＯ２排出量が高い結果となってしまう。
図３は、比較例に該当する具体的態様である。この例では、膜分離装置を設置せず、ＰＳＡ３ａだけで被濃縮流体の脱水を行い、ＰＳＡ３ａの脱着流体は凝縮器３ｄを経て、第１の蒸留塔３ａへ導入される。この方法では、一方の吸着カラムと他方の脱着カラムをスイッチさせながら運転するため、脱着される流体は熱回収プロセスを構築しにくい、断続的な流れとなる。したがって脱着された流体は、冷媒を用いた凝縮器３ｄによって断続的に凝縮・冷却され、タンク（不図示）に一時的に貯留された後、送液ポンプ（不図示）を使って連続的な流れを作った後、第１の蒸留塔３ａに導入される。また脱着工程では吸着工程を経て水溶性有機化合物が濃縮された流体が用いられるため、脱着された流体の水溶性有機化合物の濃度は、後述する図１，２，４，５の膜分離ユニットを透過した透過側流体の水溶性有機化合物濃度よりも大きくなる。このように、脱着された流体中の水溶性有機化合物の濃度の観点と、運転が断続的である観点から、十分に熱回収が出来ず、かつ多量の水溶性有機化合物が第１の蒸留塔３ａに戻されるため、後述するように、水溶性有機化合物の精製量当たりのＣＯ２排出量が高い結果となってしまう。
（図４）
図４は、比較例に該当する別の具体的態様である。この例では、分離膜モジュール群４ｃの透過側流体は、凝縮器４ｄを経て、第１の蒸留塔４ａに導入される。この方法では、図３に示すＰＳＡを用いたプロセスと比較して、分離膜モジュール群４ｃの透過側流体は連続的な流体流れであるが、凝縮器４ｄによって凝縮・冷却されてから、タンク（不図示）に一時貯留された後、送液ポンプ（不図示）によって第１の蒸留塔４aに導入される。
したがって、分離膜モジュール群４ｃの透過側流体の熱を十分に回収できず、かつ凝縮器を冷却するためのエネルギーが必要であることから、
図２に記載したプロセスよりも、水溶性有機化合物の精製量当たりの必要エネルギーが高い結果となってしまう。
図４は、比較例に該当する別の具体的態様である。この例では、分離膜モジュール群４ｃの透過側流体は、凝縮器４ｄを経て、第１の蒸留塔４ａに導入される。この方法では、図３に示すＰＳＡを用いたプロセスと比較して、分離膜モジュール群４ｃの透過側流体は連続的な流体流れであるが、凝縮器４ｄによって凝縮・冷却されてから、タンク（不図示）に一時貯留された後、送液ポンプ（不図示）によって第１の蒸留塔４aに導入される。
したがって、分離膜モジュール群４ｃの透過側流体の熱を十分に回収できず、かつ凝縮器を冷却するためのエネルギーが必要であることから、
図２に記載したプロセスよりも、水溶性有機化合物の精製量当たりの必要エネルギーが高い結果となってしまう。
（図５）
図５は、比較例に該当するさらに別の具体的態様である。この例では、第１の分離膜モジュール群５ｃ及び、第２の分離膜モジュール群５ｄの透過側流体は、それぞれ、凝縮器５ｅと凝縮器５ｇを経て、第１の蒸留塔５ａに導入される。
図４に示す具体的様態では、分離膜モジュールユニットを透過した全透過側流体を低温冷媒によって凝縮・冷却する必要があったが、図５に示す具体的様態では、それと比較して、分離膜モジュールユニットを分離膜モジュール群５ｃおよび分離膜モジュール群５ｄに分けることにより、凝縮・冷却に必要な低温冷媒量を少なくしたことで消費エネルギーを削減できる。しかしながら、凝縮器５eおよび凝縮器５ｇで凝縮・冷却されることにより、分離膜モジュール群５ｃ及び、第２の分離膜モジュール群５ｄの透過側流体のエネルギーが熱回収されないため、図２に示したプロセスよりも、水溶性有機化合物の精製量当たりの必要エネルギーが高い結果となってしまう。
図５は、比較例に該当するさらに別の具体的態様である。この例では、第１の分離膜モジュール群５ｃ及び、第２の分離膜モジュール群５ｄの透過側流体は、それぞれ、凝縮器５ｅと凝縮器５ｇを経て、第１の蒸留塔５ａに導入される。
図４に示す具体的様態では、分離膜モジュールユニットを透過した全透過側流体を低温冷媒によって凝縮・冷却する必要があったが、図５に示す具体的様態では、それと比較して、分離膜モジュールユニットを分離膜モジュール群５ｃおよび分離膜モジュール群５ｄに分けることにより、凝縮・冷却に必要な低温冷媒量を少なくしたことで消費エネルギーを削減できる。しかしながら、凝縮器５eおよび凝縮器５ｇで凝縮・冷却されることにより、分離膜モジュール群５ｃ及び、第２の分離膜モジュール群５ｄの透過側流体のエネルギーが熱回収されないため、図２に示したプロセスよりも、水溶性有機化合物の精製量当たりの必要エネルギーが高い結果となってしまう。
また、前述の実施態様では、蒸留塔は第１の蒸留塔、第２の蒸留塔及び第３の蒸留塔の３つとしたが、第１の蒸留塔と第２の蒸留塔のみとしてもよく、蒸留塔を４つ以上備えていてもよい。
以下に実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は何らこれに限定されるものではない。
（基本的な条件）
原料組成は、ＥｔＯＨ：Ｈ２Ｏ＝３．３５：９６．６５（ｗｔ／ｗｔ）、製品濃度はＥｔＯＨ：Ｈ２Ｏ＝９９．７：０．３（ｗｔ／ｗｔ）とした。原料流量は２０，７５０ｋｇ／ｈ、製品流量は６９３ｋｇ／ｈとした。
ＰＳＡの入口温度は、分離膜ユニット入口温度と等しく設定した。
第１の蒸留塔はもろみ塔とし、運転圧力は８ｋＰａＡ、供給液、塔頂，塔底のＥｔＯＨ濃度は、それぞれ、３．３５ｗｔ％、２６．８２ｗｔ％、１００ｐｐｍとした。
第２の蒸留塔は高圧蒸留塔とし、運転圧力は４４８ｋＰａＡ、供給液、塔頂，塔底のＥｔＯＨ濃度は、それぞれ、２６．８２ｗｔ％、９１．３ｗｔ％、１００ｐｐｍとした。
第３の蒸留塔は中圧蒸留塔とし、運転圧力は８２．８ｋＰａＡ、供給液、塔頂，塔底のＥｔＯＨ濃度は、それぞれ、２６．８２ｗｔ％、９１．３ｗｔ％、１００ｐｐｍとした。ユーティリティとして使用する、スチームのＣＯ２換算係数を２．７１ｔＣＯ２／ｋＬとし、電気および冷却水、低温冷媒を作り出す電力のＣＯ２換算係数を０．０００４７ｔＣＯ２／ｋＷｈとして評価した。
原料組成は、ＥｔＯＨ：Ｈ２Ｏ＝３．３５：９６．６５（ｗｔ／ｗｔ）、製品濃度はＥｔＯＨ：Ｈ２Ｏ＝９９．７：０．３（ｗｔ／ｗｔ）とした。原料流量は２０，７５０ｋｇ／ｈ、製品流量は６９３ｋｇ／ｈとした。
ＰＳＡの入口温度は、分離膜ユニット入口温度と等しく設定した。
第１の蒸留塔はもろみ塔とし、運転圧力は８ｋＰａＡ、供給液、塔頂，塔底のＥｔＯＨ濃度は、それぞれ、３．３５ｗｔ％、２６．８２ｗｔ％、１００ｐｐｍとした。
第２の蒸留塔は高圧蒸留塔とし、運転圧力は４４８ｋＰａＡ、供給液、塔頂，塔底のＥｔＯＨ濃度は、それぞれ、２６．８２ｗｔ％、９１．３ｗｔ％、１００ｐｐｍとした。
第３の蒸留塔は中圧蒸留塔とし、運転圧力は８２．８ｋＰａＡ、供給液、塔頂，塔底のＥｔＯＨ濃度は、それぞれ、２６．８２ｗｔ％、９１．３ｗｔ％、１００ｐｐｍとした。ユーティリティとして使用する、スチームのＣＯ２換算係数を２．７１ｔＣＯ２／ｋＬとし、電気および冷却水、低温冷媒を作り出す電力のＣＯ２換算係数を０．０００４７ｔＣＯ２／ｋＷｈとして評価した。
ＰＳＡの供給液、濃縮液、脱着液のＥｔＯＨ濃度は、それぞれ、９１．３ｗｔ％、９９．７ｗｔ％、６８．７ｗｔ％とした。
膜分離モジュール群が１つで、膜分離モジュール群に含まれる膜分離モジュールの数が１つの場合、被濃縮流体（供給液）、濃縮流体（濃縮液）、透過側流体（透過液）のＥｔＯＨ濃度は、それぞれ、９１．３ｗｔ％、９９．７ｗｔ％、４ｗｔ％とした。
膜分離モジュール群が第１の分離膜モジュール群と第２の分離膜モジュール群の２つで、膜分離モジュール群に含まれる膜分離モジュールの数がそれぞれ１つの場合、第１分離膜モジュール群の被濃縮流体（供給液）、濃縮流体（濃縮液），透過側流体（透過液）のＥｔＯＨ濃度は、それぞれ、９１．３ｗｔ％、９９．７ｗｔ％、２ｗｔ％とし、第２の分離膜モジュール群のＰｅｒｍｅａｔｅのＥｔＯＨ濃度は４．９ｗｔ％とした。
（実施例１）
水-エタノール混合液を第１の蒸留塔２ａに導入し、塔頂蒸気を第２の蒸留塔２ｂおよび第３の蒸留塔２ｆに供給する。第２の蒸留塔２ｂおよび第３の蒸留塔２ｆで粗アルコールを得た後、該粗アルコールの全量を第１の分離膜モジュール群２ｃに導入した後、第１の分離膜モジュール群２ｃの濃縮側出口から出た第１の濃縮流体を、第２の分離膜モジュール群２ｄに導入する。第２の分離膜モジュール群の透過側出口から出た第２の透過側流体をスチームエジェクタ２ｅに導入し、スチームエジェクタ２ｅの出口から出た流体は、第１の分離膜モジュール群２ｃの透過側出口から出た第１の透過側流体と合わせて、第１の蒸留塔２ａに導入される。
図２の脱水システムを用いたプロセスにつき評価したところ、全ユーティリティに対する製品流量当たりのＣＯ２排出量は、３．３８×１０－４ｔＣＯ２／ｋｇ－アルコールとなった。
水-エタノール混合液を第１の蒸留塔２ａに導入し、塔頂蒸気を第２の蒸留塔２ｂおよび第３の蒸留塔２ｆに供給する。第２の蒸留塔２ｂおよび第３の蒸留塔２ｆで粗アルコールを得た後、該粗アルコールの全量を第１の分離膜モジュール群２ｃに導入した後、第１の分離膜モジュール群２ｃの濃縮側出口から出た第１の濃縮流体を、第２の分離膜モジュール群２ｄに導入する。第２の分離膜モジュール群の透過側出口から出た第２の透過側流体をスチームエジェクタ２ｅに導入し、スチームエジェクタ２ｅの出口から出た流体は、第１の分離膜モジュール群２ｃの透過側出口から出た第１の透過側流体と合わせて、第１の蒸留塔２ａに導入される。
図２の脱水システムを用いたプロセスにつき評価したところ、全ユーティリティに対する製品流量当たりのＣＯ２排出量は、３．３８×１０－４ｔＣＯ２／ｋｇ－アルコールとなった。
（比較例１）
水-エタノール混合液を第１の蒸留塔３ａに導入し、塔頂蒸気を第２の蒸留塔３ｂおよび第３の蒸留塔３ｆに供給する。第２の蒸留塔３ｂおよび第３の蒸留塔３ｆで粗アルコールを得た後、該粗アルコールの全量をＰＳＡ３ｃに供給する図３の脱水システムを用いたプロセスにつき評価したところ、全ユーティリティに対する製品流量当たりのＣＯ２排出量は、３．６６×１０－４ｔＣＯ２／ｋｇ－アルコールとなった。
水-エタノール混合液を第１の蒸留塔３ａに導入し、塔頂蒸気を第２の蒸留塔３ｂおよび第３の蒸留塔３ｆに供給する。第２の蒸留塔３ｂおよび第３の蒸留塔３ｆで粗アルコールを得た後、該粗アルコールの全量をＰＳＡ３ｃに供給する図３の脱水システムを用いたプロセスにつき評価したところ、全ユーティリティに対する製品流量当たりのＣＯ２排出量は、３．６６×１０－４ｔＣＯ２／ｋｇ－アルコールとなった。
（比較例２）
水-エタノール混合液を第１の蒸留塔５ａに導入し、塔頂蒸気を第２の蒸留塔５ｂおよび第３の蒸留塔５ｆに供給する。第２の蒸留塔５ｂおよび第３の蒸留塔５ｆで粗アルコールを得た後、該粗アルコールの全量を第１の分離膜モジュール群５ｃに導入した後、第１の分離膜モジュール群５ｃの透過側出口から出た第１の透過側流体を、凝縮器５ｅを経て第１の凝縮液とする。第１の分離膜モジュール群５ｃの濃縮側出口から出た第１の濃縮流体を、第２の分離膜モジュール群５ｄに導入する。第２の分離膜モジュール群５ｄの透過側出口から出た第２の透過側流体を、凝縮器５ｇを経て、第２の凝縮液とする。第１の凝縮液と第２の凝縮液と合わせて、第１の蒸留塔５ａに導入する図５の脱水システムを用いたプロセスにつき評価したところ、全ユーティリティに対する製品流量当たりのＣＯ２排出量は、３．４５×１０－４ｔＣＯ２／ｋｇ－アルコールとなった。
水-エタノール混合液を第１の蒸留塔５ａに導入し、塔頂蒸気を第２の蒸留塔５ｂおよび第３の蒸留塔５ｆに供給する。第２の蒸留塔５ｂおよび第３の蒸留塔５ｆで粗アルコールを得た後、該粗アルコールの全量を第１の分離膜モジュール群５ｃに導入した後、第１の分離膜モジュール群５ｃの透過側出口から出た第１の透過側流体を、凝縮器５ｅを経て第１の凝縮液とする。第１の分離膜モジュール群５ｃの濃縮側出口から出た第１の濃縮流体を、第２の分離膜モジュール群５ｄに導入する。第２の分離膜モジュール群５ｄの透過側出口から出た第２の透過側流体を、凝縮器５ｇを経て、第２の凝縮液とする。第１の凝縮液と第２の凝縮液と合わせて、第１の蒸留塔５ａに導入する図５の脱水システムを用いたプロセスにつき評価したところ、全ユーティリティに対する製品流量当たりのＣＯ２排出量は、３．４５×１０－４ｔＣＯ２／ｋｇ－アルコールとなった。
実施例１に示す、本発明の脱水システムを用いたプロセスでは、比較例１のＰＳＡを用いたプロセス、及び比較例２の圧縮機を用いないプロセスと比較して、製品流量当たりのＣＯ２排出量が小さくなった。
本発明は、例えば、エタノール等の水溶性有機化合物と水との混合物から高濃度の水溶性有機化合物を脱水・濃縮するための手段として有利に利用することができ、産業上の利用可能性は極めて高い。
１ａ、２ａ、３ａ、４ａ、５ａ 第１の蒸留塔
１ｂ、２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ 第２の蒸留塔
１ｆ、２ｆ、３ｆ、４ｆ、５ｆ 第３の蒸留塔
１ｃ、２ｃ、４ｃ、５ｃ 第１の分離モジュール群
２ｄ、５ｄ 第２の分離モジュール群
１ｄ、２ｅ、１２ スチームエジェクタ
３ｃ ＰＳＡ
４ｄ、５ｅ、５ｆ 凝縮器
６ 分離膜ユニット
７ 第１の分離膜モジュール群
８ 第２の分離膜モジュール群
９ 分離膜モジュール
１０ 第１の集合配管
１１ 第２の集合配管
１ｂ、２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ 第２の蒸留塔
１ｆ、２ｆ、３ｆ、４ｆ、５ｆ 第３の蒸留塔
１ｃ、２ｃ、４ｃ、５ｃ 第１の分離モジュール群
２ｄ、５ｄ 第２の分離モジュール群
１ｄ、２ｅ、１２ スチームエジェクタ
３ｃ ＰＳＡ
４ｄ、５ｅ、５ｆ 凝縮器
６ 分離膜ユニット
７ 第１の分離膜モジュール群
８ 第２の分離膜モジュール群
９ 分離膜モジュール
１０ 第１の集合配管
１１ 第２の集合配管
Claims (13)
- 水と水溶性有機化合物を含む被処理流体から水を分離する脱水システムであって、
第１の蒸留塔と第２の蒸留塔を含む複数の蒸留塔と、
水を選択的に透過する分離膜を備える分離膜モジュールを、１以上有する分離膜モジュール群を、１以上含む分離膜ユニットと、
１以上の圧縮機を備える、１以上の圧縮機ユニット、とを有し、
前記第１の蒸留塔と、前記第２の蒸留塔と、前記分離膜モジュール群のうち１以上と、前記圧縮機ユニットのうち１以上と、前記第１の蒸留塔が順に接続されている、
脱水システム。 - 前記分離膜モジュールユニットに含まれる全ての分離膜モジュールの透過側が、前記圧縮機ユニットの入口側に接続している、
請求項１に記載の脱水システム。 - 前記分離膜ユニットが、第１の分離膜モジュール群と第２の分離膜モジュール群を含み、
第１の分離膜モジュール群または第２の分離膜モジュール群のいずれか一方の透過側が、前記圧縮機ユニットの入口側に接続し、
前記圧縮機ユニットの出口側が、前記第１の蒸留塔に接続している、
請求項１に記載の脱水システム。 - 前記分離膜モジュール群のうち、前記圧縮機ユニットに接続していない分離膜モジュール群の透過側が、凝縮器と接続されている、
請求項３に記載の脱水システム。 - 前記分離膜モジュールのうち、前記圧縮機ユニットに接続していない分離膜モジュール群の透過側が、前記第１の蒸留塔と接続されている、
請求項３に記載の脱水システム。 - 前記分離膜ユニットが、第１の分離膜モジュール群と第２の分離膜モジュール群を含み、
前記圧縮機ユニットとして、第１の圧縮機ユニットと第２の圧縮機ユニットを有し、
前記第１の分離膜モジュール群の透過側が、前記第１の圧縮機ユニットの入口側に接続し、
前記第２の分離膜モジュール群の透過側が、前記第２の圧縮機ユニットの入口側に接続している、
請求項１に記載の脱水システム。 - 前記第1の圧縮機ユニットの出口側が前記第２の蒸留塔に接続しており、
前記第２の圧縮機ユニットの出口側が前記第１の蒸留塔に接続している、
請求項６に記載の脱水システム。 - 前記第１の圧縮機ユニットの出口側、及び前記第２の圧縮機ユニットの出口側が、前記第１の蒸留塔に接続している、
請求項６に記載の脱水システム。 - さらに第３の圧縮機ユニットを有し、
前記第１の圧縮機ユニット、及び前記第２の圧縮機ユニットのそれぞれの出口側が第３の圧縮機ユニットの入口側に接続しており、
前記第３の圧縮機ユニットの出口側が、前記第１の蒸留塔に接続している、
請求項６に記載の脱水システム。 - 前記圧縮機ユニットが、１以上の直列で接続されている圧縮機及び／または並列に配置された１以上の圧縮機を含む
請求項１～９のいずれか１項に記載の脱水システム。 - 前記第１の蒸留塔の運転圧力が、前記第２の蒸留塔の運転圧力よりも小さい、請求項１～１０のいずれか１項に記載の脱水システム。
- 前記第１の蒸留塔が減圧蒸留塔であり、前記第２の蒸留塔が高圧蒸留塔である、請求項１～１１のいずれか１項に記載の脱水システム。
- 水と水溶性有機化合物を含む被処理流体から水を分離する脱水方法であって、
が、前記第１の蒸留塔の運転圧力が、前記圧縮機ユニットの出口側圧力以下である、
請求項１～１２のいずれか１項に記載の脱水システムを用いた、脱水方法。
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2021
- 2021-03-11 JP JP2021039347A patent/JP2024065124A/ja active Pending
-
2022
- 2022-03-09 WO PCT/JP2022/010232 patent/WO2022191228A1/ja active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022191228A1 (ja) | 2022-09-15 |
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