JP4671700B2

JP4671700B2 - 水分含有固体の水分除去方法およびシステム

Info

Publication number: JP4671700B2
Application number: JP2005015447A
Authority: JP
Inventors: 英輝神田
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2025-01-24
Also published as: JP2006198575A

Description

本発明は、水分含有固体の水分除去方法およびシステムに関する。さらに詳しくは、水分子を選択的に透過する膜を用い、常温付近の温度で行える、従来法と比べ、装置構成要素の数の少ない効率的な水分除去方法およびシステムに関するものである。

特許文献１及び特許文献２では、２５℃、１気圧で気体である物質(以下、物質Ｄと称する。)と、水分含有固体を接触させることによって、既存の技術よりも小さい動力での脱水が可能であることが示されている。
しかしながら、これらの脱水手法においては、物質Ｄを再利用するには、水分含有個体から除去された水分が混合した物質Ｄの液状物から物質Ｄを選択的に蒸発させて水分と分離させた後、物質Ｄを圧縮するか冷却して物質Ｄを再び液化物にする必要がある。従って、この方法においては、物質Ｄの蒸発及び液化の一方もしくは両方にエネルギーを投入する必要がある。

また、特許文献１で示されている脱水プロセスは、主に、物質Ｄの圧縮機、凝縮機、熱の交換機、送液ポンプ、脱水器、減圧弁、蒸発器、水分離器、膨張機など９つもの数の要素で構成されている。特許文献２のシステムでも、物質Ｄの圧縮機、凝縮機、送液ポンプ、脱水器、減圧弁、蒸発器、水分離器、貯留槽など８つの構成要素からなっている。

上記発明では、水の分離は、物質Ｄの選択的な蒸発であるが、水分の除去としては、例えば、Ａ型ゼオライトなどのような多孔性の水分子を選択的に透過する膜（特許文献２）などを利用する方法も知られている。
ＰＣＴ／ＪＰ０３／０６９８９（国際公開番号ＷＯ０３／１０１５７９）特開２００３―２１０９５０号公報

上記のように、水分を吸収させた物質Ｄから水分を分離するに当たり、蒸発させて水分と分離を行う方法では、投入するエネルギーが大きく、また、システムの構成要素も多く、装置の製作、運転などが煩雑であるという問題があった。
本発明の目的は、水分吸収物質を回収して循環させるため水分吸収物質から水分を分離するにあたり、水分を吸収させた物質を蒸発させて水分と分離するのではなく、常温付近の温度で行える、より効率的に固体から水分を除去する方法を提供することである。

本発明は、有機化合物の液状物（以下、液体Ｌと称する。）を水分含有固体と接触させ、この液体Ｌに固体が含有する水分を溶解させて水分含有固体の脱水を行い、脱水後の前記液体Ｌと水の混合液から、水だけを選択的に透過する分離膜により水を分離し、水が分離された液体Ｌを回収し、再び水分含有固体の水分の除去に使用することを特徴とする水分含有固体の水分除去方法に関する。

また、本発明は、液体Ｌ、前記液体Ｌを送り出す送液ポンプ、前記液体Ｌが水分含有固体と接触し水分を溶解して脱水を行う脱水器、および前記液体Ｌと水の混合液から水だけを選択的に透過する分離膜が充填された前記液体Ｌと水の混合液から水を除去する分離器が直列に連結され、この分離器が前記送液ポンプに連結されて回路が形成され、この回路を前記液体Lが循環することを特徴とする水分含有固体の水分除去システムに関する。
ここで、上記の方法およびシステムにおいて、液体Ｌはジメチルエーテル、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドからなる群から選ばれる1種または２種以上の液体が好ましい。
さらに、同様に、液体Ｌと水分含有固体との接触は向流接触が好ましい。
上記のシステムにおいて、分離膜としては、多孔性Ａ型ゼオライトが好ましい。
また、分離器に、分離膜から水を透過させるための吸引ポンプが連結されている上記のシステムに関する。
さらに、脱水器がロートセル抽出器である上記のシステムに関する。

本発明によれば、水分離膜を用いることにより、装置構成要素の少ないシステムで、常温付近の温度で、効率的に、固体から水分を除去することができ、この水分除去方法は、あらゆる水分含有固体に適用可能である。
本発明によれば、固体の水分を吸収除去した液体Ｌの水分の分離のために水分を蒸発させる必要がなく、水分を多く含む固体から常温に近い操作温度で、省エネルギーでの脱水が可能となり、液体Ｌを効率的に回収しこれを循環して使用することができる。

本発明においては、固体の水分を除去するために、有機化合物の液状物（液体Ｌ）を用い、これを固体と接触させ、固体の水分を液体に溶解させる。従って、この液体Ｌとしては、水との相互溶解性が高く、固体によく浸透するものが好ましい。また、この液体Lは、このような性質であれば、常温、常圧で液体であるものに限らず、２５℃、１気圧では気体であっても、これを加圧圧縮および／または冷却して液体としたものを用いることもできる。この場合は、装置内を、加圧圧縮および／または冷却して液体状態を保持できるようにしなければならない。１気圧において、−２５℃〜５０℃で液体であるものが好ましい。好ましいものとしては、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、ジメチルエーテル、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなどが挙げられ、これらからなる群から選ばれる1種または２種以上の液体を用いることができ、その効果を損なわない範囲で他の成分を添加することもできる。なお、高効率なジメチルエーテルの製造方法、製造装置は、例えば特開平11-130714号、特開平10-195009号、特開平10-195008号、特開平10-182535号から特開平10-182527号、特開平09-309852号から特開平09-309850号、特開平09-286754号、特開平09-173863号、特開平09-173848号、特開平09-173845号などに開示されており、容易に得ることができる。

これらは、乾燥する固体によって、適宜選択すればよい。例えば、水分を除去する対象固体が石炭などの燃料であれば、ジメチルエーテルは安価であり、固体中に残存したとしても燃料として燃え悪影響を与えず、好ましい。

また、液体Ｌと水分含有固体との接触は特に限定されるものではなく、浸漬、固体に液体Ｌを流すなど通常の脱水法で採られるどのような方法でもよいが、少量の液体を用いて高効率に脱水を行う観点から向流接触させることが好ましい。更に水分含有固体と接触する液体Ｌの量も特に限定されないが理論量であることが固体からの水分以外の成分の抽出分を抑制する上で好ましい。

本発明では、上記のようにして固体を脱水し、その水分を溶解した液体Ｌ、即ち、液体Lと水分の混合物から水分を分離した後、これを再度脱水に用いる。水分の分離は、液体Lと水分の混合物から水だけを選択的に透過する膜を通過させて行う。
分離膜としては、上記のような有機物の液体と水から水を選択的に透過させるものであればどのようなものでもよい。例えば、多孔性Ａ型ゼオライト等、具体的には、特開２００３―２１０９５０号公報、２００４―１４８２０９号公報に記載されている膜等が挙げられる。

上記のようにして、液体Ｌから水分を分離した後、液体Ｌを回収し、再び、これを循環して、水分含有固体の脱水に用いる。

以下に、本発明の方法に適した本発明のシステムを図１に基づいて説明する。
図１は液体Lを用いた固体含有水分の除去システムの実施の一形態を示す。この水分除去システムは液体Ｌ、前記液体Ｌを送り出す送液ポンプ１、水分含有固体が充填されている脱水器２、分離膜４が設けられた分離器３が直列に連結されている。分離器３は前記送液ポンプ１と連結されており、回路が形成されている。必要により、分離器３からは、吸引ポンプ５が、設けられる。

図２は、液体Ｌとしてジメチルエーテルを用いた場合の設計例であり、これについての詳細な説明を以下に示す。ジメチルエーテルは１０１３２５Ｐａにおける沸点がおおよそ−２５℃であり、−２５〜５０℃の大気圧下においては気体状態である。このため、−２５〜５０℃の範囲では、これを液体として用いる場合、装置内をジメチルエーテルの飽和蒸気圧以上に加圧して、液体状態を保持する必要がある。ここで、２０℃において操作を行うとすると、２０℃におけるジメチルエーテルの飽和蒸気圧は０．５１ＭＰａなので装置内は０．５１ＭＰａ以上でなければならない。なお、液体Ｌとして、エタノールなどの常温で液体である物質を用いる場合には、装置内を加圧する必要はない。

液体Ｌは、送液ポンプ１で脱水器２へと送り出される。脱水器２には水分含有固体が充填されており、脱水器の内部で固体の水分が前記液体Ｌに溶け出す。２０℃におけるジメチルエーテルの水への飽和溶解度は６．７重量％なので、脱水器において１Ｋｇの水を溶解するのに必要なジメチルエーテルは１÷０．０６７＝１４．９Ｋｇである。

脱水器２は、水分含有固体と液体Ｌを接触させる構成を備えるものであれば、その構成が特に限定されるものではないが、少量の液体Ｌを用いて高効率に脱水を行う観点から向流接触させる形式のものが好ましい。かかる向流接触式の脱水器２として、例えば特公昭５７−１５９２２号や特開２００４−２５５２４８号に開示されるロートセル抽出器の利用が望ましい。

ロートセル抽出器の原理を利用した脱水装置２の構成例を図３〜図５に示す。この脱水装置２は、ケーシング１８と、ケーシング１８の軸心に配置された回転軸１９と、回転軸１９を介してケーシング１８内で回転する複数の回転セル部２０を有するロータ２１と、ロータ２１を回転軸１９によって回転駆動させる回転駆動機構２２とを備え、回転セル部２０内に水分含有固体を投入するとともに液体Ｌを供給し、回転駆動機構２２によりロータ２１を回転させる間に回転セル部２０内で液体Ｌと水分含有固体とを接触させ、かつ当該接触後の液体Ｌを回転セル部２０の回転方向とは逆方向の他の回転セル部２０に再供給するようにしている。水分を含んだ液体Ｌと、水分が除去された脱水対象固体とは、別々に回収される。

ケーシング１８は、円筒状の側壁１８Ａと、この側壁１８Ａの上面を封止する上板１８Ｂと、この上板１８Ｂと対向し且つ円筒状の側壁１８Ａの中央部から側壁１８Ａに向かって下降傾斜する底板１８Ｃとを備え、密封構造になっている。また、ロータ２１は、回転軸１９を囲み且つ上下の連結部材２１Ａによって回転軸１９と連結された内筒２１Ｂと、この内筒２１Ｂを囲み且つ側壁１８Ａより小径に形成された円筒状の内壁２１Ｃと、この内壁２１Ｃと内筒２１Ｂとの間に形成されたリング状の空間を複数の回転セル部２０に区画し且つ放射状に配置された複数の壁部２１Ｄとを有し、回転軸１９を介して円筒状ケーシング１８の底板１８Ｃに沿って回転する。

上板１８Ｂには脱水対象投入部２３が設けられ、この脱水対象投入部２３から水分含有固体が回転セル部２０内に投入される。また、ロータ２１の上端と円筒状ケーシング１８の上板１８Ｂとの間には隙間が形成され、この隙間には液体Ｌ供給部２４が側壁１８Ａの上端部から径方向に沿って挿入され、この液体Ｌ供給部２４から液体Ｌが回転セル部２０内に供給される。この液体Ｌ供給部２４は、例えば先端が封止され且つ複数の孔またはノズルを有するパイプによって形成されている。

また、内壁２１Ｃの下端部には、液体Ｌの流出部２５が各回転セル部２０に対応させて形成されている。これらの流出部２５には金網やパンチングメタル等の多数の孔を有する部材がそれぞれ取り付けられている。これらの流出部２５を介して、各回転セル部２０内で水分含有固体と接触した液体Ｌが、側壁１８Ａと内壁２１Ｃとの間に形成されたリング状の受液部２６へと流出する。このリング状の受液部２６は、放射状に配置した図示を省略する仕切り板によって複数の受液室２７に仕切られている。各受液室２７は例えば複数の回転セル部２０に渡って形成されている。各受液室２７の底面にはそれぞれ孔が形成され、この中の１つの孔が脱水処理後の水分を含んだ液体Ｌを排出する排出孔２８として機能し、残りの孔は流出孔２９として機能する。流出孔２９は、図５に示すように、ポンプ３０を備えた配管３１を介して、隣の受液室２７の上方に挿入された液体Ｌ再供給部３２にそれぞれ連結される。これらのポンプ３０，配管３１，液体Ｌ再供給部３２によって、受液室２７に溜まった液状Ｌが一つ上流側の受液室２７を通過する回転セル部２０内に供給される。尚、液体Ｌ再供給部３２は供給部２４と同様に構成されている。

次に、脱水器２の動作について説明する。脱水器２が始動して回転駆動機構２２が駆動すると、回転軸１９を介してロータ２１が図５における時計回りに回転する。水分含有固体は、例えばコンベア３３によって搬送されて、脱水対象投入部２３から、例えば最上流の回転セル部２０内に投入される。液体Ｌは、液体Ｌ供給部２４から、例えば最下流の回転セル部２０内に供給される。回転セル部２０の上方より供給される液体Ｌは、当該回転セル部２０内の水分含有固体と接触しながら重力と遠心力により流出部２５に向かって移動する。流出部２５より流出した液体Ｌは、ポンプ３０の働きにより回転セル部２０の回転方向とは逆向きに移動し、回転セル部２０の回転方向とは逆方向の他の回転セル部２０に再供給される。このように、水分含有固体が投入された回転セル部２０はロータ２１の回転により時計回りに移動するのに対して、液体Ｌはポンプ３０の働きにより反時計回りに移動するので、水分含有固体と液体Ｌとは向流接触することとなる。この向流接触により脱水効率を高めることができる。また、最も含水量が低下した脱水対象を保持する回転セル部２０である最下流の受液室２７に達した回転セル部２０に対して、液体Ｌ供給部２４から新たな液体Ｌを供給するようにすることで、脱水対象の残存水分を効率良く除去することができる。液体Ｌは、下流側の受液室２７から上流側の受液室２７に向かって流れ、各受液室２７に達した回転セル部２０内でそれぞれの脱水対象と向流接触して、含有水分の濃度を段階的に高めながら、排出孔２８に到達する。排出孔２８から排出される水分を含んだ液体Ｌは、配管４０Ｇを介して分離器３へと送られる。一方、脱水処理を終えた回転セル部２０内の固体は、例えば液体Ｌ供給部２４の下流側に位置する底板１８Ｃに開閉可能に設けられた排出口３６を介して、外部へ排出され、回収される（図５に示す白抜きの矢印参照）。

ここで、従来ある既存のロートセル抽出器は、通常、常温常圧下で、液体状態の抽剤を用いて固体中に含まれるアロマ成分などを抽出することに用いられる。このようなロートセル抽出器を脱水器２として利用する場合、ジメチルエーテルの液化物を脱水剤として用いる場合には、以下のような点を考慮する必要がある。即ち、常温常圧下において気体となるジメチルエーテルの蒸発を防いで液状に保つ必要がある。このために脱水器２内部を加圧状態とし、かつその加圧状態を維持する密封構造とする、あるいは脱水器２内部をジメチルエーテルの飽和蒸気で満たして密封構造とする必要がある。しかし、ロートセル抽出器は、ロータ２１が回転する構造を有するため、回転軸１９の周辺部分の気密を保持することが極めて難しい。そこで、図３に示すように、脱水器２の全体を、例えば液体Ｌ（ジメチルエーテル）の飽和蒸気で満たした密閉容器３４内に収納することが望ましい。この場合、ロータ２１と共に回転する部分ではない液体Ｌの供給用配管４０Ｆ・排出用配管４０Ｇおよび脱水対象投入部２３と接続された水分含有固体の供給用配管３５、排出口３６と接続された脱水済み水分含有固体の回収管（図示省略）などは、密閉容器３４の気密を保持したまま、密閉容器３４の外に抜き出し、水分除去システムを構成する他の要素との連結を容易にすることが可能である。このように、常温常圧下において気体である物質を用いる場合、上記のように密閉容器３４内に収納することが望ましいが、常温常圧下において液体である物質を用いる場合には、このような密閉容器３４は必要ない。

脱水器から出た前記液体Ｌと水分の混合液は分離器３に供される。脱水器の壁面には、水分子を選択的に透過する分離膜４があり、図１のように分離膜の片面は脱水器の内側、即ち液体Ｌと水の混合物供給側に、分離膜の他方の面は脱水器の外側、即ち水の排出側にそれぞれ面している。分離膜は脱水器内側で、前記液体Ｌと水分の混合液と接触し、脱水器外側へ水分子が排出される。

ここにおいて、使用される膜は有機物と水の混合物から水を選択的に透過する膜である。このようなものであればどのようなものでも構わない。例えば、Ａ型ゼオライト等のような多孔性の水選択的透過性膜等が挙げられる。具体的には、特開２００３―２１０９５０号公報、２００４―１４８２０９号公報に挙げられている膜などが挙げられる。

分離膜４は装置の内側と外側に面しており、それぞれの側で圧力が異なる。本設計例のようにジメチルエーテルを用いる場合、操作温度が２０℃の場合、分離膜４の装置内側の圧力は０．５１ＭＰａ以上であるので、装置外側、即ち、水の排出側はこの圧力未満であれば、圧力差があり、水分子が選択的に透過可能である。即ち、加圧して液体Ｌとしている場合、分離膜４の外側を大気圧に開放するだけでよく、吸引ポンプなどで、大気圧より減圧にする必要がない。この時、圧力差が大きい場合には、膜の強度が問題となる。強度が不十分な場合には、支持体の設置など、膜の補強を行うことが好ましい。加圧して液体とする方が、気体を吸引して減圧とするよりエネルギーが少なく、この方法は効率がよい。しかしながら、エタノールのような２０℃で大気圧下において液体の物質を用いる場合には、吸引ポンプ５により吸引するなどして、分離膜４の外側の圧力を大気圧未満にして分離膜の内外の圧力差を設ける必要がある。このようにして、分離膜により水と分離された液体Ｌは再びポンプ１で脱水器２に送られ、回路を循環して、水分含有固体の脱水を行う。

以上のような設計例を例にとれば、常温で大気圧下において気体の物質を液体Ｌとして用いる場合には、主に、送液ポンプ、脱水器、分離膜、分離器の４つの要素でシステムを構成することができることがわかる。常温で大気圧下において液体の物質を液体Ｌとして用いる場合には、主に、送液ポンプ、脱水器、分離膜、分離器、吸引ポンプの５つの要素でシステムを構成することができる。このように、本発明のシステムでは、装置の構成要素を減らすことができる。

また、本発明において、脱水に要するエネルギーは、常温で大気圧下において気体である物質を液体Ｌとして用いる場合には、液体を加圧するエネルギーおよび送液ポンプで液体Ｌを循環させるエネルギーである。一方、常温で大気圧下において液体である物質を液体Ｌとして用いる場合には、吸引ポンプのエネルギーおよび送液ポンプで液体Ｌを循環させるエネルギーである。このように本発明の水分除去方法は消費するエネルギーが少なく、効率のよい方法である。

本発明の水分除去方法は、例えば、石炭、バイオマス燃料などの燃料の乾燥、効率よく焼却処理するための生ゴミの乾燥、ウッドチップ、下水汚泥、吸水ポリマーなどの乾燥に用いることができる。

本発明のシステムの構成の１例を示す図である。液体Lとしてジメチルエーテルを用いた本発明のシステムの設計例を示す図である。脱水装置の構造の一例を示し、一部を切り欠いて示す。図２の脱水装置の側面から見た断面図である。図３の脱水装置における液体Ｌのフローを示す概念図である。

符号の説明

１送液ポンプ
２脱水器
３分離器
４分離膜
５吸引ポンプ
１８ケーシング
１９回転軸
２０回転セル部
２１ロータ

Claims

有機化合物の液状物（以下、液体Ｌと称する。）を水分含有固体と接触させ、この液体Ｌに固体が含有する水分を溶解させて水分含有固体の脱水を行い、脱水後の前記液体Ｌと水の混合液から、水だけを選択的に透過する分離膜により水を分離し、水が分離された液体Ｌを回収し、再び水分含有固体の水分の除去に使用することを特徴とする水分含有固体の水分除去方法。
液体Ｌがジメチルエーテル、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドからなる群から選ばれる1種または２種以上の液体である請求項１記載の水分含有固体の水分除去方法。
液体Ｌと水分含有固体との接触が向流接触である請求項１または２記載の水分含有固体の水分除去方法。
液体Ｌ、前記液体Ｌを送り出す送液ポンプ、前記液体Ｌが水分含有固体と接触し水分を溶解して脱水を行う脱水器、および前記液体Ｌと水の混合液から水だけを選択的に透過する分離膜が充填された前記液体Ｌと水の混合液から水を除去する分離器が直列に連結され、この分離器が前記送液ポンプに連結されて回路が形成され、この回路を前記液体Lが循環することを特徴とする水分含有固体の水分除去システム。
液体Ｌがジメチルエーテル、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドからなる群から選ばれる1種または２種以上の液体である請求項４記載の水分含有固体の水分除去システム。
分離膜が、多孔性Ａ型ゼオライトである請求項４または５に記載の水分含有固体の水分除去システム。
分離器に、分離膜から水を透過させるための吸引ポンプが連結されている請求項４〜６いずれか１項に記載の水分含有固体の水分除去システム。
脱水器が向流接触させるものである請求項４〜７いずれか１項に記載の水分含有固体の水分除去システム。
脱水器がロートセル抽出器である請求項８記載の水分含有固体の水分除去システム。