JP5148578B2 - 脱水システム - Google Patents
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Description
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。
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な幾つかの欠点があった。
前記脱水装置が、並列に接続した二以上の前記水分離膜部を有し、該脱水装置が二以上直列に接続されており、隣り合う前後の二つの脱水装置を接続する管に、前段の脱水装置で回収された液体の混合機を備えてなることを特徴とする。
図1に、本発明で採用される脱水装置の一実施の形態を示す。
図1に示す脱水装置は、主たる構成要素として、脱水装置1本体内に、分離膜部10と、シェル部11と、加熱手段12と、真空ダクト14とを備え、脱水装置本体には減圧装置13が接続される。
部10から回収される液体50が流れ込むことがないように構成されている。
ることができるものであればよい。
また、真空ダクト14は、複数ではなく、一つだけ設けることが好ましい。加熱手段12から真空ダクト14への一方向への、水蒸気51及び熱の対流を形成するためである。しかし、実質的に一方向への水蒸気51及び熱の対流を形成することができる位置、向きであれば、複数の真空ダクト14を設けることもできる。
本実施の形態に係る脱水装置1の対象とする液体は、一般的には、水と相互溶解する液体と、水との混合物である。具体的には、エタノールと水との混合物、プロパノールと水との混合物、又は酢酸などの酸と水との混合物が挙げられる。本実施形態にかかる方法によれば、これらを、例えば燃料用途に好適な99.7%の無水物にまで脱水し、又は半導
体基板洗浄用途の99.99%以上にまで脱水する。液体は、原料となる混合物を、蒸留塔やアルコール選択膜で処理して、アルコール又は酸の濃度を、80〜95wt%としたものである。なお、処理対象となる液体は、加圧した液体であってもよい。加圧した液体を用いることで、本実施の形態に係る脱水装置1に供給する液体をガス化させることなく、液体の温度を上げることができる。この場合、例えば、1.5atmから10atm、好ましくは2atmから3atmに加圧した液体を用いることができる。以下、燃料として有用なエタノールと水との混合物を液体の一例として脱水方法を説明する。本実施の形態に係る脱水装置に供給する液体におけるエタノール濃度は、好ましくは、95wt%である。
これは、シェル部11上方を加熱していると同時に、シェル部11下方から減圧吸引しているためである。水蒸気51は、図1Bに示すように、ダクト14に向かって対流しながら、分離膜10dを介して流路10c内の液体50を昇温する。そして、水蒸気51はシェル部11下方の真空ダクト14から回収される。回収された水蒸気51は、その後段で、熱交換器等の冷却器で凝縮される。図1には、二つの加熱手段12が設けられている形態を示したが、ダクト14からいちばん遠い位置、すなわち図1Aのシェル部11の左上に一つの加熱手段が設置されれば、図1Aのシェル部11の右下のダクト14まで、熱が対流することとなる。
膜性能は、透過フラックスで評価することができ、透過フラックスは温度に比例することが知られている。本実施形態において好ましく用いられる水分離膜は、約40℃から約80℃まで変化させると、透過フラックスが約3倍まで増加する。液体を、水分離膜部10の入口10aから出口10bに至るまで70℃から80℃未満に保持することによって
、水分離膜部10の全ての箇所で、高い透過フラックスを得ることができ、膜性能を高めることができる。具体的には、従来技術と比較して、透過フラックスを約50%上げることができる。そして、液体中のエタノール濃度が、燃料に適する99.7wt%以上となるまで脱水することができる。
本実施の形態では、シェル部11の上方に不活性ガス入口15を備え、加熱手段が設けられていない。また、シェル部11の下方には不活性ガス出口となる排気ダクト14を備え、排気ダクトに減圧装置は接続されていない。他の構成要素は、図1について説明した実施の形態と同様であり、同一番号を付した構成要素は、同一の構成・作用を持つ。
ェル部11の容積との関係で当業者が適宜決定することができる。不活性ガス52は、脱水装置101の外部に設けられた加熱手段19により加熱、昇温することができる。供給時の不活性ガス52の温度は、出口10b付近の液体温度を70から80℃未満に昇温できる温度とすることができる。
本実施の形態では、複数の水分離膜部10が脱水装置201本体内に平行に配置され、一の水分離膜部10の出口10bと別の水分離膜部10の入口10aとが、管17によって直列に接続されている直列処理型である。複数の水分離膜部10を脱水装置201本体内に平行に設置することにより、全ての水分離膜部10の入口10aが脱水装置201の下方の略同じ高さに位置し、出口10bが脱水装置201の上方の略同じ高さに位置する。したがって、各水分離膜部10の入口10a付近のシェル部11にダクト14が位置し、出口10b付近のシェル部11に加熱手段12が位置している。直列に接続する水分離膜部10の数は、例えば、3〜5とすることができる。しかし、各水分離膜部10の仕様や性能、処理対象となる液体の所望の純度によって、当業者が接続する数を適宜決定することができる。
し、又は昇温してから次の水分離膜部10に供給する。各水分離膜部10は、図1にかかる実施の形態と同様にシェル部11の加熱手段12により、出口10b付近が加熱される。これにより、直列に接続された各水分離膜部10を流れる液体50は、すべて、エタノールの共沸点付近であって、共沸点未満の温度に保持される。したがって、各水分離膜部
10において図1にかかる実施の形態と同様の効果が得られる。そして、そのような水分離膜部10が直列に複数接続されていることで、全体としてより高い膜性能が得られ、液体を純度の高いエタノールにまで脱水することができる。
本実施の形態では、図4Aに示すように、図1に示す脱水装置のシェル部11にさらにバッフル板18が設けられている。バッフル板18は、熱交換器で用いられる通常のものを用いることができる。また、その数は、脱水装置の規模に応じて設計的に数を変更することができる。
本実施の形態では、図10A及び図10Bに示すように、水分離膜部に一以上のヒータ20が液体の流路10cと平行方向に設置される。各ヒータ20は脱水装置401本体の外部に設けられたヒータ本体21と接続される。シェル部11の上方には加熱手段は設けられていない。他の構成要素は、図1について説明した実施の形態と同様であり、同一番号を付した構成要素は、同一の構成・作用を持つ。本実施形態においては、ヒータ20が水分離膜部10に組み込まれていることを特徴とする。
図5の脱水システムは、主たる構成要素として、脱水装置1と、液体中の無水物又は水分の濃度分析装置2と、流量調節装置3と、熱交換器と、減圧装置13とを備えている。無水物又は水分の濃度分析装置2は脱水装置1の後段に設けられている。流量調節装置3は脱水装置1の前段に設けられている。そして、無水物又は水分の濃度分析装置2と流量調節装置3とが接続されている。熱交換器は、脱水装置1の前段であって、流量調節装置3の後段に設けられている。減圧装置13は脱水装置1に接続されている。
液体の流れの向きや、複数の水分離膜部の設置方向や入口及び出口の位置を正確に示したものではない。
無水物又は水分の濃度分析装置2は、脱水装置1から回収された液体50中の、無水物又は水分の濃度を測定することにより、脱水の効果を測定するものである。具体的には、ガスクロマトグラフィー分析装置、密度計などを用いることができる。オンラインで測定することができるものが好ましい。
流量調節装置3は、脱水装置1に供給する液体50の量を調節する。流量調節装置3は無水物又は水分の濃度分析装置2からの濃度情報に応じて、脱水装置1に供給する液体50の量を増減させるように、バルブ4をコントロールするものを使用することができる。
図5に示すように、95wt%のエタノールは、熱交換器を経て昇温され、脱水装置1に送られる。脱水装置1では、液体50から水が分離され、エタノール濃度が高くなった液体が回収される。脱水装置1の後段の無水物又は水分濃度分析装置2であるガスクロマトグラフィーでは、回収された液体50中のエタノール濃度を測定する。エタノール濃度の測定は、オンラインで随時行う。そして、ガスクロマトグラフィーは、測定結果を、ガスクロマトグラフィーに接続されている流量調節装置3に送信する。流量調節装置3では、エタノール濃度の測定結果に応じて、脱水装置1に供給する液体50量を調節する。
具体的には、エタノール濃度が低いときには、脱水装置1に供給する液体50量を低減させるようにする。かかる操作により、脱水装置1出口のエタノール濃度をモニタリングし、流量調節装置3にフィードバックすることで、安定した品質のエタノールを得るシステムを実現することが可能となる。
図6の脱水システムは、主たる構成要素として、第一の脱水装置1と、第二の脱水装置1と、混合機5とを備えている。隣り合う二つの脱水装置1は、管で直列に接続されている。そして、混合機5は、第一の脱水装置の後段であって、第二の脱水装置の前段に設けられる。
混合機5は、第一の脱水装置1から回収された、脱水された液体を混合するものである。混合機5としては、たとえば、管中に設けられた羽根状のものを用いることができる。
図6に示すように、95wt%のエタノールを含む液体50は、熱交換器を経て昇温された後、第一の脱水装置1に送られる。第一の脱水装置1では、各水分離膜部で液体50から水が水蒸気51として分離され、エタノール濃度が高くなった液体50が回収される。液体50は、各水分離膜部の個体差によりエタノール濃度が異なる場合がある。これらの液体50は、次いで、一つの管に集められて混合機5に供給される。そして、混合機5で十分に混合され、均一の濃度になって、第二の脱水装置1に供給される。第二の脱水装置1では、液体50からさらなる水が水蒸気51として分離され、さらに純度の高い無水エタノールが回収される。
示すような不活性ガスを流す形態のものであってもよい。
水分離膜部に供給し、脱水しても、大きな脱水効果が得られることはなく、かかる処理が無駄になってしまう一方、無水物濃度が97.0%の液体を二段目の水分離膜部に供給し、脱水しても、目的濃度に達することができず、最終的に得られる無水物濃度が全体として目的濃度に達しない場合がある。これに対し、混合機5で液体50中の無水物濃度を均
一化し、第二の脱水装置1に供給した場合、少なくとも無駄な工程は生じず、第一の脱水装置1での脱水効果が次の脱水装置1で生かされることになる。このように、混合機5を備えることで、一つの脱水装置1での脱水効果を確実に次の装置に反映させ、総合的な脱水システムとしての安定化を図ることができる。
2 濃度測定装置
3 流量調節装置
4 バルブ
5 混合機
10、110、210、310、410、510 水分離膜部
10a、110a、210a、310a、410a、510a 液体の入口
10b、110b、210b、310b、410b、510b 液体の出口
10c、110c、210c、310c、410c、510c 流路
10d、110d、210d、310d、410d、510d 水分離膜
11 シェル部
12 加熱手段
13 減圧装置
14 ダクト
15 不活性ガス入口
16 不活性ガス供給手段
17 管
18 バッフル板
19 熱交換器
20 ヒータ
21 ヒータ本体
50 液体
51 水蒸気
52 不活性ガス
Claims (9)
- 脱水装置本体内に、
液体を通すための上下に延びる一以上の流路を有する水分離膜の下部に液体入口を、上部に液体出口を有してなる水分離膜部と、
該水分離膜部の外側面と、装置本体内壁とで規定されるシェル部と
を備え、
該液体の出口付近の該シェル部に加熱手段が設けられ、該液体の入口付近の該シェル部に減圧手段との接続口が設けられ、
該液体が該水分離膜を上昇するにつれて、該液体中の水分が、該水分離膜を透過してシェル部に移動し、該液体が脱水される脱水装置と、
該脱水装置の前段に設けられる液体の加熱手段と、
該当する場合には、該脱水装置の前記液体の出口付近のシェル部に接続された減圧手段とを備えてなる脱水システムであって、
前記脱水装置が、並列に接続した二以上の前記水分離膜部を有し、該脱水装置が二以上直列に接続されており、隣り合う前後の二つの脱水装置を接続する管に、前段の脱水装置で回収された液体の混合機を備えてなる脱水システム。 - 前記液体の出口付近のシェル部に不活性ガスの入口をさらに備える請求項1に記載の脱水システム。
- 脱水装置本体内に、
液体を通すための上下に延びる一以上の流路を有する水分離膜の下部に液体入口を、上部に液体出口を有してなる水分離膜部と、
該水分離膜部の外側面と、装置本体内壁とで規定されるシェル部と
を備え、
該液体の出口付近の該シェル部に不活性ガス入口が設けられ、該液体の入口付近の該シェル部に不活性ガス出口が設けられている脱水装置と、
該脱水装置の前段に設けられる液体の加熱手段と、
該当する場合には、該脱水装置の前記液体の出口付近のシェル部に接続された減圧手段とを備えてなる脱水システムであって、
前記脱水装置が、並列に接続した二以上の前記水分離膜部を有し、該脱水装置が二以上直列に接続されており、隣り合う前後の二つの脱水装置を接続する管に、前段の脱水装置で回収された液体の混合機を備えてなる脱水システム。 - 脱水装置本体内に、
液体を通すための上下に延びる一以上の流路を有する水分離膜の下部に液体入口を、上部に液体出口を有してなる水分離膜部と、
該水分離膜部の外側面と、装置本体内壁とで規定されるシェル部と
を備え、
該水分離膜に一以上の加熱手段が設けられ、該液体の入口付近の該シェル部に減圧手段との接続口が設けられ、
該液体が該水分離膜を上昇するにつれて、該液体中の水分が、該水分離膜を透過してシェル部に移動し、該液体が脱水される脱水装置と、
該脱水装置の前段に設けられる液体の加熱手段と、
該当する場合には、該脱水装置の前記液体の出口付近のシェル部に接続された減圧手段とを備えてなる脱水システムであって、
前記脱水装置が、並列に接続した二以上の前記水分離膜部を有し、該脱水装置が二以上直列に接続されており、隣り合う前後の二つの脱水装置を接続する管に、前段の脱水装置で回収された液体の混合機を備えてなる脱水システム。 - 脱水装置本体内に、
液体を通すための上下に延びる一以上の流路を有する水分離膜の下部に液体入口を、上部に液体出口を有してなる水分離膜部と、
該水分離膜部の外側面と、装置本体内壁とで規定されるシェル部と
を備え、
該水分離膜に一以上の加熱手段が設けられ、該液体の出口付近の該シェル部に不活性ガス入口が設けられ、該液体の入口付近の該シェル部に不活性ガス出口が設けられている脱水装置と、
該脱水装置の前段に設けられる液体の加熱手段と、
該当する場合には、該脱水装置の前記液体の出口付近のシェル部に接続された減圧手段とを備えてなる脱水システムであって、
前記脱水装置が、並列に接続した二以上の前記水分離膜部を有し、該脱水装置が二以上直列に接続されており、隣り合う前後の二つの脱水装置を接続する管に、前段の脱水装置で回収された液体の混合機を備えてなる脱水システム。 - 前記液体の出口付近の前記シェル部に加熱手段がさらに設けられている請求項4又は5に記載の脱水システム。
- 前記シェル部にバッフル板が設けられている請求項1から6のいずれかに記載の脱水システム。
- 前記脱水装置の後段に設けられる液体の濃度分析装置をさらに備えてなる請求項1から7のいずれかに記載の脱水システム。
- 前記脱水装置の前段に設けられ、前記濃度分析装置に接続されている液体の流量調節装置をさらに備えてなる請求項8に記載の脱水システム。
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