JP6958687B1 - 膜蒸留装置及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】給水タンクの高さを大きくすることなく、給水ポンプのキャビテーションを防止することができる膜蒸留装置及びその運転方法を提供する。【解決手段】給水タンク１内の被処理液が給水ポンプ２、配管３、熱交換器４、配管５により膜モジュール１０の中空糸１１に供給され、給水タンク１に戻る。二次側１７は減圧装置２５によって減圧される。中空糸１１を流れる被処理液の水が蒸発して二次側１７から配管２０へ吸引排出される。給水タンク気相部１ａと二次側１７とは配管７及び弁８を介して連通しており、両者間の圧力差Ｐ１−Ｐ２が２０〜９０ｋＰａである。【選択図】図１

Description

本発明は、膜蒸留装置及びその運転方法に関する。

膜蒸留装置は、疎水性平膜または疎水性中空糸膜の一次側に加温された被処理液を通水し、膜の二次側を一次側の蒸気圧以下にすることで、被処理液から蒸気のみを回収し、被処理液を濃縮するよう構成されている。膜蒸留装置は、一般的な蒸留装置と異なり、膜を用いることによって蒸発表面積が増え、装置が小型化するというメリットを有する。

膜蒸留装置の従来例の一例を図２に示す。給水タンク１内に貯留された被処理液が給水ポンプ２を有した配管３を介して熱交換器（加温器）４に送水され、高温流体と熱交換して加温された後、配管５を介して膜モジュール１０に送水される。

この従来例では、膜モジュール１０は中空糸膜モジュールである。膜モジュール１０では、多数本の中空糸１１が引き揃えられて中空糸束とされ、上下方向に配設されている。中空糸束の上端側及び下端側がポッティング材１２，１３で結束されている。

中空糸束は膜モジュール１０のケーシング１４内に配置されており、上側ポッティング材１２の上側に流入室１５が形成され、下側ポッティング材１３の下側に流出室１６が形成されている。各中空糸１１内はそれぞれ流入室１５及び流出室１６内に連通している。

配管５からの被処理液は、流入室１５から各中空糸１１内（一次側）に流入し、中空糸１１を通り、流出室１６へ流れ、該流出室１６から配管６を介して給水タンク１に戻る。

ケーシング１４内における中空糸１１外であって且つポッティング材１２，１３間が二次側１７である。

該二次側１７は、配管（蒸気配管）２０、熱交換器（冷却器）２１、配管２２、凝縮水タンク２３及び配管２４を介して減圧装置２５に連通しており、該減圧装置２５によって該二次側１７が減圧される。

被処理液が中空糸１７内（一次側）を流れる間に被処理液中の水が中空糸１１を透過し、蒸気となって二次側１７から配管２０へ吸引排出され、熱交換器２１で冷却されて凝縮水が生成する。凝縮水は、凝縮水タンク２３に貯留される。

この従来例では、ケーシング１４内の二次側１７と給水タンク１内の上部（気相部１ａ）とが配管７で連通されている。

給水タンク１の気相部１ａ、配管２０及び配管５内の圧力を検出するように圧力センサＰ１，Ｐ２，Ｐ３が設置されている。

特開平３−５２６２７

上記膜蒸留装置にあっては、減圧装置２５の負圧が二次側１７から配管７を介して給水タンク１内に伝達される。そのため、給水ポンプ２の吸込側における配管３内の圧力が低くなり、キャビテーションが発生するおそれがある。このキャビテーションを防止するためには、給水タンク１内の水頭（水面高さ）Ｈを大きくする必要があり、給水タンク１の高さを大きくする設計が必要となる。

本発明は、給水タンクの高さを大きくすることなく、給水ポンプのキャビテーションを防止することができる膜蒸留装置及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明の膜蒸留装置は、ケーシング内が疎水性膜によって一次側と二次側とに隔てられている膜モジュールと、該膜モジュールの一次側に被処理液を循環供給するための、給水タンク及び給水ポンプを有した被処理液循環供給手段と、該膜モジュールの二次側を減圧する減圧装置と、該膜モジュールの二次側と前記給水タンクの気相部とを連通する連通手段とを有する膜蒸留装置において、該給水タンクの気相部と膜モジュールの二次側との圧力差が２０〜９０ｋＰａであることを特徴とする。

本発明の一態様では、前記連通部は、前記圧力差を調整する圧力差調整手段を有する。

本発明の一態様では、前記圧力差調整手段を有する前記連通部は、弁を備えた配管である。

本発明の一態様では、前記連通部は配管であり、該配管の内径が、前記二次側を減圧して蒸気を吸引排出するように該二次側に接続された蒸気配管の内径の１／４以下である。

本発明の膜蒸留装置の運転方法は、かかる本発明の膜蒸留装置の運転方法であって、前記圧力差が２０〜９０ｋＰａとなるように前記弁の開度を調整することを特徴とする。

本発明によると、二次側と給水タンク内の気相部との圧力差を２０〜９０ｋＰａに調整することにより、送水ポンプの吸込側の圧力を確保し、キャビテーションを防止することができる。

実施の形態に係る膜蒸留装置の構成図である。 従来例に係る膜蒸留装置の構成図である。 沸点とゲージ圧との関係図である。

図１は、実施の形態に係る膜蒸留装置の構成を示している。

この実施の形態では、膜モジュール１０の二次側１７と給水タンク１の気相部１ａとを連通する配管７に、二次側１７と該気相部１ａとの圧力差を調整するための弁８が設けられている。なお、弁８を設ける代りに配管７の径を小さくすることにより、二次側１７と気相部１ａとの圧力差を調整するようにしてもよく、配管７の径を小さくし、且つ弁８を設けるようにしてもよい。また配管７の一部の径を小さくしてもよい。

配管７の径を小さくする場合、配管７の内径は、蒸気配管２０の内径の１／４（２５％）以下、好ましくは０．５〜２５％、特に好ましくは１〜２０％である。なお配管７は、膜蒸留装置の運転停止後の再起動前または運転中に膜モジュール１０の二次側に滞留する凝縮液又は析出物を排出する目的で設置されており、配管７の内径は小さくても膜蒸留装置の運転管理上の影響はほとんどない。一方、配管７の内径が大きい場合、圧力差を所定値に安定して調整するには弁８の開閉を頻繁に行うことになり運転管理が難しくなる。また弁８を閉にした場合は膜モジュール１０の二次側に凝縮液又は析出物が滞留する可能性があり、膜蒸留装置の安定運転上問題となる。
また配管７の長さは０．２〜４ｍ、特に０．５〜２ｍであることが好ましい。

本発明では、圧力センサＰ１で検出される給水タンクの気相部１ａの圧力Ｐ_１と、圧力センサＰ２によって検出されるケーシング１４内の二次側１７の圧力Ｐ_２との差Ｐ_１−Ｐ_２が２０〜９０ｋＰａ好ましくは２０〜７０ｋＰａとなるように弁８の開度（又は配管７の管径）を設定する。

これにより、気相部１ａの過度な圧力低下が防止され、給水タンク１の水頭Ｈを大きくすることなく、給水ポンプ２の吸込側でのキャビテーションを防止することができる。

Ｐ_２のゲージ圧（大気圧との差）は−１００〜−４０ｋＰａ特に−１００〜−６０ｋＰａ程度が好ましい。

なお、図１のその他の構成は図２と同様であり、同一符号は同一部分を示している。

上記中空糸１１としては、疎水性中空糸膜が好適である。中空糸の内径（直径）は０．１〜３．０ｍｍ特に０．５〜２．０ｍｍであることが好ましく、厚みすなわち中空糸の外径（半径）と内径（半径）との差は０．０１〜１．０ｍｍ、特に０．１〜０．５ｍｍが好ましい。中空糸の長さは２００〜２０００ｍｍ、特に３００〜１０００ｍｍが好ましい。中空糸の充填率(中空糸の断面積の和/ケーシングの断面積)は５％〜５０％、特に１５％〜３５％が好ましい。中空糸の素材としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン及びポリテトラフルオロエチレンなどが例示されるが、これらに限定されない。

上記説明では、中空糸が用いられているが、疎水性平膜が用いられてもよい。

被処理液としては、食塩、リン酸、塩酸、弗酸、硫酸等の酸性溶液、アンモニア水のようなアルカリ廃液、メッキ廃水などの水溶液が好適である。中空糸内における被処理液の通水速度（線速度）は４００〜２０００ｍｍ／ｓｅｃ、特に７００〜１５００ｍｍ／ｓｅｃ程度が好適である。膜モジュール１０に流入する際の被処理液の温度は４５〜１５０℃、特に５０〜８０℃程度が好適である。

なお、上記の好適な条件は、好適な一例を示すものであり、本発明は上記条件に限定されるものではない。

［比較例１］
＜実験装置および条件＞
図２に示す装置を下記条件で運転したときの給水タンク内圧力Ｐ_１と、膜二次側の圧力Ｐ_２の値を測定した。試験条件は以下のとおりである。

中空糸１１：ポリテトラフルオロエチレン製、
内径１．０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ、長さ６００ｍｍ、１本
膜モジュール１０のケーシング１４：内径１０ｍｍ、高さ６９０ｍｍ
給水：ＮａＣｌ １％水溶液
給水温度：６０℃
膜モジュール入口圧力Ｐ_３：−８０ｋＰａ（ゲージ圧）
給水量：４０ｍＬ／ｍｉｎ（中空糸内の線速度８５０ｍｍ／ｓｅｃ）
二次側圧力Ｐ_２：−９０ｋＰａ（ゲージ圧）
蒸気配管２０の内径：６ｍｍ
配管７の内径：６ｍｍ
配管７の長さ：１ｍ
液面高さＨ：５０ｃｍ

＜結果、考察＞
膜二次側が減圧されると同時に、給水タンク１内の圧力も急激に減少し、給水タンク圧力Ｐ_１が−７０ｋＰａに達した段階で、キャビテーションが生じ、−８０ｋＰａに達した段階で沸騰が始まった。

図３にこの水溶液の圧力と沸点との関係を示す。この関係より、給水温度が６０℃であれば−８０ｋＰａで沸騰が生じると考えられる。

この比較例１は、−７０ｋＰａの段階でキャビテーションが生じたため、−９０ｋＰａに達した段階でもキャビテーションが生じないようにするためには少なくとも３ｍ相当の液面高さが必要であると考えられる。

［実施例１］
＜実験装置および条件＞
配管７を内径０．７５ｍｍのものとし、配管７に開度調整可能な弁８を設けたこと以外は比較例１と同一構成の図１に示す膜蒸留装置を用いた（配管７の内径は蒸気配管２０の内径の１２．５％）。膜モジュール入口圧力Ｐ_３が−４０ｋＰａ（ゲージ圧）となるように弁８の開度を調整したこと以外は比較例１と同一条件にて蒸留試験を行った。

＜結果、考察＞
本実施例では、膜モジュール入口圧力Ｐ_３が−４０ｋＰａとなるように弁８の開度を調整しているため、Ｐ_１−Ｐ_２が５０ｋＰａとなり、ポンプ２がキャビテーションすることなく運転することが可能であった。

また、実施例１では配管７の内径が比較例１と比較して十分に小さいため、給水タンク１内が減圧される速度が二次側１７に比べて小さく、圧力調整が容易であった。

以上より、給水タンク圧力を２０〜９０ｋＰａに調整することで、５０ｃｍの液面高さでも、キャビテーションを起こさずに運転が可能であることが確認された。

１ 給水タンク
２ 給水ポンプ
４，２１ 熱交換器
８ 弁
１０ 膜モジュール
１１ 中空糸
１２，１３ ポッティング材
１４ ケーシング
１５ 流入室
１６ 流出室
１７ 二次側
２５ 減圧装置

Claims (5)

1. ケーシング内が疎水性膜によって一次側と二次側とに隔てられている膜モジュール（１０）と、
   該膜モジュール（１０）の一次側に被処理液を循環供給するための、給水タンク（１）及び給水ポンプ（２）を有した被処理液循環供給手段であって、該給水タンク（１）内の被処理液が該給水ポンプ（２）を有する第１配管（３）と、第２配管（５）とを通って膜モジュール（１０）の一次側の被処理液流入部に送水され、膜モジュール（１０）の一次側の被処理液流出部から流出した被処理液が第３配管（６）を通って該給水タンク（１）に戻る被処理液循環供給手段と、
   該膜モジュール（１０）の二次側を減圧する減圧装置と、
   該膜モジュール（１０）の二次側と前記給水タンク（１）の気相部とを連通する、第４配管（７）を有する連通手段と
   を有する膜蒸留装置において、
   該給水タンク（１）の気相部と膜モジュール（１０）の二次側との圧力差が２０〜９０ｋＰａであることを特徴とする膜蒸留装置。
2. 前記連通手段は、前記圧力差を調整する圧力差調整手段を有する請求項１の膜蒸留装置。
3. 前記圧力差調整手段を有する前記連通手段は、弁を備えた第４配管（７）である請求項２の膜蒸留装置。
4. 前記連通手段は第４配管（７）であり、該第４配管（７）の内径が、前記二次側を減圧して蒸気を吸引排出するように該二次側に接続された蒸気配管（２０）の内径の１／４以下である請求項１の膜蒸留装置。
5. 請求項３の膜蒸留装置の運転方法であって、前記圧力差が２０〜９０ｋＰａとなるように前記弁の開度を調整することを特徴とする膜蒸留装置の運転方法。

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