JP5308022B2 - 脱水装置及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は、水分離膜を用いた脱水装置及び方法に関する。さらに詳しくは、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）を脱水するにあたり、水分離膜の損傷を防ぐようにした脱水装置及び方法に関する。さらに、本発明の脱水装置及び方法は、分離対象である水の透過速度の低下に適切に対処するものである。
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留エタノールから脱水し、少なくとも９９．５ｗｔ％以上に濃縮しなければならない。
脱水するための手法としては、図６（ａ）に示すように、水分離膜を用いたパーベーパレーション法がある。パーベーパレーション法とは、膜を用いて、被処理流体から目的成分、例えば水等を気体状態で分離する方法である。パーベーパレーション法では、粗留エタノール９５％等の被処理流体を、熱交換器６１によってその温度を上昇させて供給側６２に供給する。水分離膜の他方の透過側６３は減圧されており、水分離膜６４の両面に生じる化学ポテンシャル差が生じる。この化学ポテンシャル差によって、目的成分、例えば水等を供給側６２から透過側６３へ透過させることができる。これによって、パーベーパレーション法では、被処理流体から目的成分、例えば水等を気体状態で分離させることができる。なお、図６（ａ）中、（６５）は膜透過物を凝縮する冷却器、（６６）は真空ポンプである。
しかし、パーベーパレーション法では、分離対象である水の透過速度の大きい水分離膜を使用した場合、透過成分の蒸発によって被処理流体の温度が著しく低下する。したがって、水の透過速度の大きい水分離膜を使用した場合、供給側６２の被処理流体は、図６ｂに示すように入口側Ａから出口側Ｂに沿って著しく温度が低下する。一般に、被処理流体の温度低下によって、水分離膜の水の透過速度は大きく低下する。非処理流体の流れ方向に直列に水分離膜ユニットを接続する場合、第２の水分離膜ユニットではさらに被処理流体の温度は低下してしまうため、第２の水分離膜ユニット以降における水分離膜の水の透過速度は著しく低下してしまう。
そこで、以上の欠点を伴わない要素を用いることが考案されている（特許文献１：特開平７−１２４４４４号公報）。特許文献１には、パーベーパレーション法膜分離器の前流に少なくとも１つの気液２相流発生装置が設けられた、パーベーパレーション法膜分離装置が開示されている。このパーベレーション法膜分離装置は、直列に接続された複数の膜分離器で構成されておりパーベーパレーション法膜分離装置の内部において、原料が最初に供給される第１の膜分離器の前流に原料液温保持用の熱交換器が配置されている。
しかしながら、気液２相流で非処理流体が膜ユニットに流れ込むと、非処理流体の液滴が膜表面に繰り返し衝突し、機械的損傷を生ずるという問題があった。
加えて、水分離膜ユニットにおいて、被処理流体の沸点が低下することがわかっている。この被処理流体の沸点の低下は、エタノール濃度の変化によるもの、圧力損失によるもの等が考えられる。本発明者らは、被処理流体の沸点は圧力損失により低下するものととらえた。
ここで、被処理流体の温度がその沸点を超えると、水分離膜ユニットにおいてキャビテーションエロージョンが発生する。キャビテーションエロージョンとは、局所的な沸騰現象により、小さな気泡が発生し、これが崩壊する現象が繰り返されることにより、気泡の崩壊時に生じる大きな衝撃圧により、材料が損傷する現象をいう。したがって、水分離膜ユニットを損傷させないため、熱交換機は、水分離膜ユニットが下流に行くにつれて被処理流体の目標温度を低く設定する必要があった。
特開平７−１２４４４４号公報
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、複数の水分離膜ユニットを備えたプラントにおいて、水分離膜ユニットが下流に行くにつれて被処理流体の目標温度を低く設定することによって、水分離膜ユニットの損傷を防ぐ脱水装置及び方法を提供することを目的とする。
加えて、本発明は、複数の水分離膜ユニットを備えたプラントについて、熱交換器を利用して被処理流体の温度を沸点未満であり、かつ沸点に近い温度に昇温することにより、各水分離膜ユニットにおける水分離膜の水の透過性能を高い状態に維持することができる脱水装置及び方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、被処理流体の流れ方向に対し直列して接続された、少なくとも二以上の水分離膜ユニットと、各水分離膜ユニットの前に設置され、被処理流体を沸点未満であり、かつ沸点に近い温度まで、被処理流体の温度を上昇させる、二以上の熱交換器とを備える、被処理流体から水を分離する脱水装置を提供する。
本発明に係る脱水装置では、非処理流体の温度や濃度に分布が発生し、非処理流体の温度の計測誤差が生じることを考慮し、被処理流体の沸点未満の温度が、被処理流体の沸点に対して５℃低い温度であることが好適である。
また、各熱交換器の昇温設定の際の人的ミスを考慮し、すべての本発明に係る脱水装置では、被処理流体の沸点より低い温度が、少なくとも二つ以上の水分離膜ユニットにおける最後の水分離膜ユニット出口の被処理流体の沸点に対して５℃低い温度であることが好適である。
また、本発明に係る脱水装置では、その一実施形態で、各水分離膜ユニットがそれぞれ同一の膜面積を有していることが好適である。
また、本発明に係る脱水装置では、別の実施形態で、各水分離膜ユニットが、それぞれ異なった膜面積を有し、被処理流体の流れ方向に沿って各水分離膜ユニットの膜面積が増加することが好適である。
また、本発明に係る脱水装置では、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、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って、水に可溶なものであることが好適である。
また、本発明に係る脱水装置は、その一実施の形態で、被処理流体の温度を監視する温度計を監視装置として備え、各水分離膜ユニットに該温度計が設置されている。
また、本発明に係る脱水装置は、別の実施の形態で、被処理流体の濃度を監視する濃度計を監視装置として備え、各水分離膜ユニットに該濃度計が設置されている。
本発明に係る脱水方法は、被処理流体の流れ方向に対し直列して接続された、少なくとも二以上の水分離膜ユニットと、各水分離膜ユニットの前に設置された被処理流体を昇温させる、二以上の熱交換機とを備える脱水装置を用いた被処理流体の脱水方法であって、各熱交換機によって、被処理流体の沸点未満であり、かつ沸点に近い温度まで被処理流体を昇温させるステップと、各水分離膜ユニットによって、被処理流体から水を分離するステップとを含むことが好適である。
また、本発明に係る脱水方法は、非処理流体の温度や濃度に分布が発生し、非処理流体の温度の計測誤差が生じることを考慮し、被処理流体の沸点未満の温度が、被処理流体の沸点に対して５℃低い温度であることが好適である。
また、本発明に係る脱水方法は、各熱交換器の昇温設定の際の人的ミスを考慮し、被処理流体の沸点より低い温度が、少なくとも二つ以上の水分離膜ユニットにおける最後の水分離膜ユニット出口の被処理流体の沸点に対して５℃低い温度であることが好適である。
また、本発明に係る脱水方法は、その一実施形態で、各水分離膜ユニットとして、それぞれ同一の膜面積を有した水分離膜ユニットを用いることが好適である。
また、本発明に係る脱水方法は、別の実施形態で、各水分離膜ユニットとして、それぞれ異なった膜面積を有し、被処理流体の流れ方向に沿って各水分離膜ユニットの膜面積が増加する水分離膜ユニットを用いることが好適である。
また、本発明に係る脱水方法では、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、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って、水に可溶なものであることが好適である。
また、本発明に係る脱水方法は、その一実施の形態で、被処理流体の温度を監視する温度計を監視装置として用い、各水分離膜ユニットとして該温度計が設置されている水分離膜ユニットを用いる。
また、本発明に係る脱水方法は、別の実施の形態で、被処理流体の濃度を監視する濃度計を監視装置として用い、各水分離膜ユニットとして該濃度計が設置されている水分離膜ユニットを用いる。
本発明によれば、熱交換機の適切な温度調節によって、被処理流体の圧力損失に起因する、水分離膜ユニットに生じるキャビテーションローションを防ぐことができる脱水装置及び方法が提供される。
加えて、本発明によれば、複数の水分離膜ユニットを備えたプラントについて、被処理流体の温度を沸点未満であり、かつ沸点に近い温度に昇温することにより、各水分離膜ユニットにおける水分離膜の水の透過性能を高い状態に維持することができる脱水装置及び方法を提供することができる。
以下に、本発明に係る脱水装置について、その実施の形態を参照しながらさらに詳細に説明する。図１に、本発明に係る脱水装置の一実施の形態を示す。
図１は、本発明に係る脱水装置の一実施の形態を示す図である。本実施の形態に係る脱水装置１００は、主たる構成要素として、水分離膜ユニット（１、２、３）と、熱交換器（１１、２１、３１）と、温度計（１２、２２、３２、６１、６２）、濃度計（１３、２３、３３）、ポンプ４、入口流量計５、冷却器６及び出口流量計７を備える。
本実施の形態では、水分離膜ユニット１の膜面積に対して、水分離膜ユニット２の膜面積が３倍となるように設定している。また、水分離膜ユニット１の膜面積に対して、水分離膜ユニット３の膜面積が５倍となるように設定している。すなわち、図１に示すように、水分離膜ユニット１は水分離膜を１本備え、水分離膜ユニット２は水分離膜を３本備え、水分離膜ユニット３は水分離膜を５本備える。
水分離膜ユニット１〜３は、例えば、被処理流体が粗エタノールであった場合、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、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。
また、特許第２８０８４７９号記載の無機水分離膜も適用可能である。該特許第２８０８４７９号の無機水分離膜は、無機多孔体の細孔内に、エトキシ基又はメトキシ基を含むアルコキシシランの加水分解を経て得られたシリカゲルを担持することによって得られる耐酸性複合水分離膜である。該耐酸性複合水分離膜は、以下の工程１〜１１を含む製造方法によって製造することができる。
なお、以下の多孔質基材としては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアのようなセラミック基材が一般的であり、筒型形状であって、長手方向に複数の断面円形の内管を持つものが好適である。以下の工程１〜１１では、このような内管の内部壁を被覆するようにして無機水分離膜が形成される。「無機多孔体の細孔内に、エトキシ基又はメトキシ基を含むアルコキシシランの加水分解を経て得られたシリカゲルを担持する」とは、このことを意味している。
水分離膜に形成される水分離膜の膜本体としては、無機水分離膜以外に、ポリビニルアルコール膜、ポリイミド膜、ポリアミド膜といった有機膜を用いることもできる。
工程１： シリカゾルの原料であるアルコキシシランと水と酸触媒の混合割合を変化させて製造する複数の種類のシリカゾルの調製条件において、担持するシリカゾルの原料調合割合をシリカゾル１用とシリカゾル２用の２種類に区別する。
工程２： シリカゾル１用原料のアルコキシシランに対する水の重量比を０．５〜２．０とし、かつ、反応触媒として、アルコキシシランに対する酸触媒の重量比を０．０１〜０．１とする。
工程３： シリカゾル２用原料のアルコキシシランに対する水の重量比を２．０〜５０とし、かつ、反応触媒として、アルコキシシランに対する酸触媒の重量比を０．０１〜０．５とする。
工程４： 上記シリカゾル１用原料を沸騰状態に保持し、沸騰開始後約２５分、約２０分及び約１５分の液をそれぞれ、１−Ａ、１−Ｂ及び１−Ｃ液とする。
工程５： 上記シリカゲル２用原料を常温で３０分〜９０分間攪拌・混合してシリカゾル２を製造する。
工程６： 多孔質基材の表面上に上記シリカゾル１−Ａ液を担持した後、該多孔質基材を約２００℃に設定した電気炉内で５〜１５分間焼成し、次に該多孔質基材を約３００℃に設定した電気炉内で５〜１５分間焼成し、次に該多孔質基材を約４００℃に設定した電気炉内で５〜１５分間焼成し、次に該多孔質基材を約５００℃に設定した電気炉内で５〜１５分間焼成する。
工程７： 該シリカゾル１−Ａ液を担持した多孔質基材の表面に更にシリカゾル１−Ａ液を担持した後、上記工程６の操作を２〜３回繰り返す。
工程８： 次に該シリカゾル１−Ａ液を担持した多孔質基材の表面上に更にシリカゾル１−Ｂ液を使用して上記工程６〜工程７と同様の処理を行う。
工程９： 次に該シリカゾル１−Ｂ液を担持した多孔質基材の表面上にシリカゾル１−Ｃ液を使用して上記工程６〜工程７と同様の処理を行う。
工程１０： 次に上記シリカゾル１−Ａ、１−Ｂ及び１−Ｃ液を担持してなる多孔質基材の表面上に上記シリカゾル２液を担持し、該多孔体を約２００℃に設定した電気炉内で５〜１５分間焼成し、次に該多孔質基材を約３００℃に設定した電気炉内で５分〜１５分間焼成し、次に該多孔質基材を約４００℃に設定した電気炉内で５〜１５分間焼成し、次に該多孔質基材を約５００℃に設定した電気炉内で５〜１５分間焼成する。
工程１１： 該シリカゾル２液を担持した多孔質基材の表面に更にシリカゾル２液を担持した後、上記工程１０の操作を２〜３回繰り返す。
工程２： シリカゾル１用原料のアルコキシシランに対する水の重量比を０．５〜２．０とし、かつ、反応触媒として、アルコキシシランに対する酸触媒の重量比を０．０１〜０．１とする。
工程３： シリカゾル２用原料のアルコキシシランに対する水の重量比を２．０〜５０とし、かつ、反応触媒として、アルコキシシランに対する酸触媒の重量比を０．０１〜０．５とする。
工程４： 上記シリカゾル１用原料を沸騰状態に保持し、沸騰開始後約２５分、約２０分及び約１５分の液をそれぞれ、１−Ａ、１−Ｂ及び１−Ｃ液とする。
工程５： 上記シリカゲル２用原料を常温で３０分〜９０分間攪拌・混合してシリカゾル２を製造する。
工程６： 多孔質基材の表面上に上記シリカゾル１−Ａ液を担持した後、該多孔質基材を約２００℃に設定した電気炉内で５〜１５分間焼成し、次に該多孔質基材を約３００℃に設定した電気炉内で５〜１５分間焼成し、次に該多孔質基材を約４００℃に設定した電気炉内で５〜１５分間焼成し、次に該多孔質基材を約５００℃に設定した電気炉内で５〜１５分間焼成する。
工程７： 該シリカゾル１−Ａ液を担持した多孔質基材の表面に更にシリカゾル１−Ａ液を担持した後、上記工程６の操作を２〜３回繰り返す。
工程８： 次に該シリカゾル１−Ａ液を担持した多孔質基材の表面上に更にシリカゾル１−Ｂ液を使用して上記工程６〜工程７と同様の処理を行う。
工程９： 次に該シリカゾル１−Ｂ液を担持した多孔質基材の表面上にシリカゾル１−Ｃ液を使用して上記工程６〜工程７と同様の処理を行う。
工程１０： 次に上記シリカゾル１−Ａ、１−Ｂ及び１−Ｃ液を担持してなる多孔質基材の表面上に上記シリカゾル２液を担持し、該多孔体を約２００℃に設定した電気炉内で５〜１５分間焼成し、次に該多孔質基材を約３００℃に設定した電気炉内で５分〜１５分間焼成し、次に該多孔質基材を約４００℃に設定した電気炉内で５〜１５分間焼成し、次に該多孔質基材を約５００℃に設定した電気炉内で５〜１５分間焼成する。
工程１１： 該シリカゾル２液を担持した多孔質基材の表面に更にシリカゾル２液を担持した後、上記工程１０の操作を２〜３回繰り返す。
以上の工程１〜１１を経て、無機水分離膜を製造することが可能である。本発明では、例えばこのようなものを水分離膜ユニット１〜３内に内蔵される水分離膜として用いる。水分離膜ユニットは、このような円筒状水分離膜を減圧可能な容器内に内蔵することとしている。
被処理流体は、ポンプ４によって、入口流量計５、温度計１２及び熱交換機１１を経て水分離膜ユニット１に導入されるようになっている。被処理流体は、円筒状水分離膜の内管、すなわち供給側を流れる。ここで、被処理流体は、熱交換機１１によって予め昇温される。ここで、被処理流体の温度は、沸点未満であり、かつ沸点に近い温度に設定される。被処理流体の温度がその沸点を超えた場合、水分離膜ユニットにおいてキャビテーションが発生し、水分離膜が損傷してしまうためである。
水分離膜では、供給側に対して、水分離膜の他方の透過側が減圧されている。よって、水分離膜（膜本体）の両面に化学ポテンシャル差が生じ、被処理流体から目的成分が供給側から透過側へ分離される。ここで、目的成分が蒸発することによって、被処理流体の温度が下がる。
続いて、被処理流体は、濃度計１３及び温度計２２を経て熱交換器２１によって再び昇温される。ここで、被処理流体の沸点は、水分離膜ユニット１における圧力損失により低下している。したがって、熱交換器２１は、熱交換機１１によって設定された温度よりも低い温度に被処理流体を昇温する。
次に、被処理流体は、水分離膜ユニット２に導入され、同様に目的成分が分離される。被処理流体は、濃度計２３及び温度計３２を経て、再び熱交換器３１によって熱せされる。被処理流体の沸点は、水分離膜ユニット２においてさらに低下しているため、熱交換器３１は、熱交換機２１によって設定された温度より、さらに低い温度に設定する。続いて、被処理流体は、水分離膜ユニット３に導入され、同様にこの被処理流体から目的成分が分離される。
被処理流体は、濃度計３３及び温度計６１を経て冷却器６によって常温まで下げられる。続いて、被処理流体は、出口流量計７を経て製品流体として取り出される。本発明に係る脱水装置の一実施の形態では、水分離膜ユニット１の膜面積に対して、水分離膜ユニット２の膜面積を３倍となるように設定している。さらに、水分離膜ユニット１の膜面積に対しては、水分離膜ユニット３の膜面積を５倍となるように設定している。このように、本実施の形態では、各分離膜ユニットがそれぞれ異なった膜面積を有し、被処理流体の流れ方向に沿って各分離膜ユニットの膜面積が増加している。これによって、水分離膜ユニット１において、被処理流体の急激な温度低下を防ぐことが可能であり、水分離膜ユニット１〜３において、被処理流体の温度を高いレベルに保つことが可能である。したがって、本実施の形態の構成を備えることによって、脱水装置全体において水分離膜の透過性を向上させることができ、品質の高い製品流体を取り出すこと可能である。
また、本発明に係る脱水装置は、条件によって、各水分離膜ユニットはそれぞれ同一の膜面積を有することができる。この形態においても、被処理流体の沸点未満であり、かつ沸点に近い温度まで被処理流体を昇温させることにより、水分離膜の損傷を防止することができる。さらに、この形態においても、脱水装置全体において水分離膜の透過性を向上させることもできる。
本発明に係る脱水装置では、被処理流体は有機水溶液であり、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ればよい。
次に本実施の形態に係る脱水装置を用いて、粗エタノールから水を脱水する方法についてその第一の実施形態について説明する。
第一の実施形態に係る方法おいて、脱水される被処理流体として粗エタノールを想定している。この粗エタノール水溶液の濃度としては、エタノール約９０〜９５ｗｔ％の水溶液を想定している。すなわち、有機成分としてエタノールを含む粗エタノールを被処理流体としている。最終的に得られる製品流体、すなわち製品エタノール（無水エタノール）のエタノール濃度は、９９．５ｗｔ％〜９９．８ｗｔ％である。
粗エタノールは、ポンプ４によって、加圧され、入口流量計５、温度計１２及び熱交換機１１を経て水分離膜ユニット１に導入される。ここで、粗エタノールは、熱交換機１１によって昇温され、９０℃となっている。このとき、粗エタノールの温度は、粗エタノールの沸点温度から５℃低く設定される。これは、粗エタノールがその沸点を超えた場合、水分離膜ユニットにおいてキャビテーションエロージョンが発生し、水分離膜が損傷してしまうためである。
図２に、本発明に係る脱水装置の第一の実施形態における膜面積に対する温度変化を示す。図２では、変化線aが粗エタノールの沸点、変化線ｂが目標設定温度、変化線ｃが粗エタノール（被処理流体）の温度をそれぞれ示す。
水分離膜ユニット１を経た粗エタノール（被処理流体）は、水の蒸発によってその温度が５５℃程度まで下がる。粗エタノール（被処理流体）は、濃度計１３及び温度計２２を経て再び熱交換器２１によって昇温される。ここで、図２に示すように、粗エタノールの沸点は、水分離膜ユニット１における圧力損失によって、９２℃まで低下している。よって、水分離膜ユニット２においてキャビテーションローションが発生することを防ぐため、粗エタノールをその沸点温度から５℃低く設定して８７℃とする。
続いて、粗エタノール（被処理流体）は、水分離膜ユニット２に導入されて水が分離される。粗エタノールは、その温度が６０℃程度まで下がる。粗エタノール（被処理流体）は熱交換器３１によって再び熱せされる。ここで、粗エタノール（被処理流体）の沸点はさらに低下しており、８３℃となっている。よって、熱交換器３１は、粗エタノールを７８℃まで昇温する。次に、粗エタノール（被処理流体）は水分離膜ユニット３に導入され、その温度が６８度程度まで下がる。
次に、粗エタノール（被処理流体）は、冷却器６によって常温まで下げられ、出口流量計７を経て製品エタノールとして取り出される。
以上のように、第一の実施形態に係る方法において、脱水装置１００は、熱交換機の適切な温度調節によって、水分離膜ユニットにおいてキャビテーションエロージョンの発生を防止することができ、水分離膜を損傷することなく装置を運転することができる。
以上のように、第一の実施形態に係る方法において、脱水装置１００は、熱交換機の適切な温度調節によって、水分離膜ユニットにおいてキャビテーションエロージョンの発生を防止することができ、水分離膜を損傷することなく装置を運転することができる。
次に、本実施の形態に係る脱水装置を用いて、粗エタノールから水を脱水する方法について、その第二の実施形態について説明する。
第二の実施形態では、各熱交換機１１、２１、３１が粗エタノールを７０℃まで昇温する。この目標設定温度は、直列に接続された複数の水分離膜ユニットの最後のユニット、ここでは水分離膜ユニット３の出口における粗エタノールの沸点に基づいて決定される。すなわち、水分離膜ユニット３の出口における粗エタノールの沸点から５℃低い温度まで、粗エタノールが昇温される。これにより各熱交換器の昇温設定の際の、人的ミスを回避することが可能になり、確実にキャビテーションエロージョンによる膜の損傷を回避できる。
第二の実施形態においても、脱水される被処理流体として粗エタノール約９０〜９５ｗｔ％の水溶液を想定している。同様に、最終的に得られる製品流体、すなわち製品エタノール（無水エタノール）のエタノール濃度は、９９．５ｗｔ％〜９９．８ｗｔ％である。
粗エタノールは、ポンプ４によって、入口流量計５、温度計１２及び熱交換機１１を経て水分離膜ユニット１に導入される。ここで、粗エタノールは、熱交換機１１によって予め熱せられて７０℃となっている。
図３に、本発明に係る脱水装置の第二の実施形態における膜面積に対する温度変化を示す。図３では、変化線aが粗エタノールの沸点、変化線ｂが目標設定温度、変化線ｃが粗エタノール（被処理流体）の温度をそれぞれ示す。
水分離膜ユニット１を経た粗エタノールは、水の蒸発によってその温度が３７℃程度まで下がる。粗エタノールは、温度計１２を経て再び熱交換器２１によって熱せられる。ここで、図３に示すように、粗エタノールの沸点は、水分離膜ユニット１における圧力損失によって、９２℃まで低下している。ここで、熱交換機は２１は粗エタノールを７０℃とする。
次に、粗エタノールは、水分離膜ユニット２に導入される。粗エタノールは、水の分離によりその温度が４０℃程度まで下がる。粗エタノールは熱交換器３１によって再び熱せされる。ここで、粗エタノールの沸点はさらに低下しており、８３℃となっている。熱交換器３１は、粗エタノールを７０℃まで熱する。続いて、粗エタノールは水分離膜ユニット３に導入され、その温度が５０℃程度まで下がる。
粗エタノールは、冷却器６によって常温まで下げられ、出口流量計７を経て製品エタノールとして取り出される。以上のように、第二の実施形態では、第一の実施形態で示された装置と比較して、さらにキャビテーションローションが発生をする可能性をさらに低くすることが可能である。したがって、第二の実施形態では、第一の実施形態で示された装置よりも安全に運転することができる脱水装置を提供する。
なお、第一の実施形態に係る方法及び第二の実施形態に係る方法では、水分離膜ユニット１が水分離膜を１本有し、水分離膜ユニット２が水分離膜を３本有し、水分離膜ユニット３が水分離膜を５本有したものを使用した。しかし、各水分離膜ユニットが有する水分離膜の本数は、第一の実施形態又は第二の実施形態の条件応じて適宜に設定することができる。すなわち、各水分離膜ユニットが有する水分離膜の本数が同数であってもよい。
図４に、実施例１における各水分離膜の形態を示す。水分離膜ユニット１〜３が繋がっており、各水分離膜ユニット間において熱交換器を有さない脱水装置（ケースａ）、水分離膜ユニット１〜３の膜面積が同一である脱水装置（ケースｂ）、水分離膜ユニット１の膜面積に対して、水分離膜ユニット２の膜面積が３倍、水分離膜ユニット３の膜面積が５倍である脱水装置（ケースｃ）についてそれぞれ粗エタノール９５ｗｔ％の脱水を実施した。なお、ケースｃでは、図１に記載された脱水装置１００を用いている。また、それぞれのケースのトータルの膜面積は同一（１００ｍ2）とする。
図５では、実施例１における膜面積に対する温度変化を示す。ケースａでは、膜面積が１００平方メートルにおいて３０℃まで粗エタノールの温度が下がっている。一方、ケースｂ及びｃでは、膜面積が１００平方メールにおいても７０〜８０℃程度を維持しており、各水分離膜ユニット間において熱交換機を備えた構成のほうが、水分離膜の透過性能をより高い状態に維持することができた。
また、ケースｂとケースｃとを比較した場合、ケースｂの最低温度は４０℃に対し、ケースｃの最低温度は５０℃で、ケースｃの方が高いレベルに温度を維持していることがわかる。最後に、ケースａ〜ｃでは、到達濃度が、それぞれ９７．６％、９９．２％、９９．５％であった。
１ 水分離膜ユニット
２ 水分離膜ユニット
３ 水分離膜ユニット
４ ポンプ
５ 入口流量計
６ 冷却器
７ 出口流量計
１１ 熱交換機
１２ 温度計
１３ 濃度計
２１ 熱交換機
２２ 温度計
２３ 濃度計
３１ 熱交換機
３２ 温度計
３３ 濃度計
６１ 温度計
６２ 温度計
１００ 脱水装置
２ 水分離膜ユニット
３ 水分離膜ユニット
４ ポンプ
５ 入口流量計
６ 冷却器
７ 出口流量計
１１ 熱交換機
１２ 温度計
１３ 濃度計
２１ 熱交換機
２２ 温度計
２３ 濃度計
３１ 熱交換機
３２ 温度計
３３ 濃度計
６１ 温度計
６２ 温度計
１００ 脱水装置
Claims (14)
- 被処理流体から水を分離する脱水装置であって、
上記被処理流体の流れ方向に対し直列して接続された、少なくとも二以上の水分離膜ユニットと、
上記各水分離膜ユニットの前に設置され、上記被処理流体を沸点未満であり、かつ沸点に近い温度まで、上記被処理流体を昇温させる、二以上の熱交換器と
を備え、
上記各水分離膜ユニットがそれぞれ異なった膜面積を有し、上記被処理流体の流れ方向に沿って各水分離膜ユニットの膜面積が増加することを特徴とする、脱水装置。 - 上記被処理流体の沸点未満の温度が、上記被処理流体の沸点に対して５℃低い温度であることを特徴とする請求項１に記載の脱水装置。
- 上記被処理流体の沸点より低い温度が、上記少なくとも二つ以上の水分離膜ユニットにおける最後の水分離膜ユニット出口の被処理流体の沸点に対して５℃低い温度であることを特徴とする請求項１に記載の脱水装置。
- 上記被処理流体が、有機水溶液であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の脱水装置。
- 上記有機水溶液の有機成分が、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って、水に可溶なものであることを特徴とする請求項４に記載の脱水装置。
- 上記被処理流体の温度を監視する温度計を監視装置として備え、各水分離膜ユニットに該温度計を設置し、水分離膜前流の熱交換器において被処理流体の昇温度合いをコントローラを利用してコントロールする、または監視員が設定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の脱水装置。
- 上記被処理流体の濃度を監視する濃度計を監視装置として備え、各水分離膜ユニットに該濃度計を設置し、水分離膜前流の熱交換器において被処理流体の昇温度合いをコントローラを利用してコントロールする、または監視員が設定することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の脱水装置。
- 被処理流体の流れ方向に対し直列して接続された、少なくとも二以上の水分離膜ユニットであって、それぞれ異なった膜面積を有し、上記被処理流体の流れ方向に沿って各水分離膜ユニットの膜面積が増加する水分離膜ユニットと、上記各水分離膜ユニットの前に設置された上記被処理流体を昇温させる、二以上の熱交換機とを備える脱水装置を用いた被処理流体の脱水方法であって、
各熱交換機によって、上記被処理流体を沸点未満であり、かつ沸点に近い温度まで上記被処理流体を昇温させるステップと、
各水分離膜ユニットによって、上記被処理流体から水を分離するステップと
を含む、脱水方法。 - 上記被処理流体の沸点未満の温度が、上記被処理流体の沸点に対して５℃低い温度であることを特徴とする請求項８に記載の脱水方法。
- 上記被処理流体の沸点より低い温度が、上記少なくとも二つ以上の水分離膜ユニットにおける最後の水分離膜ユニット出口の被処理流体の沸点に対して５℃低い温度であることを特徴とする請求項８に記載の脱水方法。
- 上記被処理流体が、有機水溶液であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の脱水方法。
- 上記有機水溶液の有機成分が、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って、水に可溶なものであることを特徴とする請求項１１に記載の脱水方法。
- 上記被処理流体の温度を監視する温度計を監視装置として用い、各水分離膜ユニットとして該温度計が設置されている水分離膜ユニットを用い、水分離膜前流の熱交換器において被処理流体の昇温度合いをコントローラを利用してコントロールする、または監視員が設定することを特徴とする請求項８〜１２のいずれかに記載の脱水方法。
- 上記被処理流体の濃度を監視する濃度計を監視装置として用い、各水分離膜ユニットとして該濃度計が設置されている水分離膜ユニットを用い、水分離膜前流の熱交換器において被処理流体の昇温度合いをコントローラを利用してコントロールする、または監視員が設定することを特徴とする請求項８〜１３のいずれかに記載の脱水方法。
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