JPH0352627A

JPH0352627A - 膜蒸留装置

Info

Publication number: JPH0352627A
Application number: JP18466489A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Kurokawa; 秀昭黒川; Yasuo Koseki; 小関　康雄; Akira Yamada; 章山田; Katsuya Ebara; 江原　勝也; Sankichi Takahashi; 燦吉高橋; Nobuo Hamano; 浜野　亘男; Kenji Mitani; 三谷　健司
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-07-19
Filing date: 1989-07-19
Publication date: 1991-03-06

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は疎水性多孔質膜を用いた、膜蒸留法に係り，特
に、加熱，冷却に要するエネルギが大幅に低減できるシ
ステムに関する．〔従来の技術〕疎水性多孔質膜を用いた膜蒸留法には、液体は通さない
気体は通すという膜の性質から，膜に流体を接触させて
流し、この流体から発生し、この膜を通過した蒸気の膜
の、反対側に位置する冷却面上で冷却凝縮する方法と、
膜を通過した蒸気を膜の反対側に流れる別の流体に、直
接、吸収させる方法がある。前者の方法では、原液の流
れる領域，凝縮水の流れる領域と水蒸気の移動する領域
及び膜と冷却面とから構威されるため、装置の構造が複
雑であり、装置化が困難なばかりでなく、装置の大型化
が問題となる。さらに，発生した蒸気は膜ばかりでなく
蒸気の移動層も移動するため、その移動抵抗が蒸気の発
生量を低下させ、単位膜面積当りの蒸気発生量が小さく
なる．そこで注目された後者の方式では、膜を介して原
液と生成水とが流れる簡単な装置であり、蒸気の移動距
離が膜だけであるため、極めて短く、移動抵抗も小さい
ことから有効に膜を利用することができる。本装置の系
統図を第２図に示す。本システムは疎水性多孔質膜１０
１を介して原液１０２が流れる原液室１０３と生成水１
０４が流れる生成氷室１０５とからなる膜蒸留セル１０
０、温度の高い生或水出口１０６と温度の低い原液入口
１０７との間の熱交換器１０８，熱交換器１０８出口の
原液を，さらに、加熱する加熱器１０９，熱交換器出口
の，依然、温度の高い生或水の冷却器１１０，原液，生
成水のポンプ１１１，１１２タンク１１３，１１４とか
ら構成される．原液タンク１１３の中に蓄えられている原液は、原液ボ
ンプ１１１によって、熱交換器１０８に送られ温度の高
い生成水１０６と熱交換される。さらに，この原液は加
熱器１０９で所定の温度にまで加熱され、膜蒸留セル１
００の原液室１０３に送られる．ここで、原液１０２よ
り疎水性多孔質膜１０１を介して発生する蒸気は、疎水
性多孔質膜１０１内を通過して生或水室１０５側に入り
、低温でながれる生或水ＬＯ４に凝縮（吸収）される。

原液１０２より蒸気を受け取り、同時に蒸気の潜熱によ
って温度の高くなった生或水は、熱交換器１０８におい
て、原液に熱を奪われたあと、生成水タンク１１３の中
に蓄えられる。タンクの中の生成水は、生或水ポンプ１
１２によって、冷却器１１０を通り、再度、膜蒸留セル
１００に送られる．なお、この種の装置として関連するものには、たとえば
、特開昭５０　−　３７５３号公報，特開昭６０　−１
１８２０５号公報およびプロシーデイングス　オブザ　
フィフティーンス　ファースト（１　９　８　６年）第
１３５５−１３５９頁（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ
　ｔｈｅ１５ｔｈ　ＩＳＴＳ（１９８６）ｐ．ｐ．１３
５５−１３５９）等が挙げられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は，熱回収、とくに、膜を介しての顕熱の
移動にたいして考慮がされておらず、膨大な熱エネルギ
が必要となるという問題があった。

すなわち、本技術では膜を介して高温の原液と低温の生
成水とが接触して流れているため、一種の熱交換器とな
り温度差により熱伝達が起こる。ここで、水蒸気の移動
は、原液の持つ蒸気圧と生成水の持つ蒸気圧の差を駆動
力として起こるため，原液側はなるべく蒸気圧が高い，
すなわち，温度が高い方が、また、生或水側は蒸気圧が
底い、すなわち、温度が低い方が、いずれも，単位膜面
積当りの蒸気透過量が大きくなる。しかし、前述した様
に、膜を伝熱面とした熱交換器の構造をしているので、
原液と生或水との間の温度差が大きいと顕熱の移動量も
増し、原液の持つ温度が、蒸気発生のために有効に利用
できないばかりでなく、余分な熱量が移動してしまうた
め、生成水の量に対してかなり多くの熱が必要となる．
さらに、加熱器と冷却器の両方が必要となり、必要なエ
ネルギは大きくなる．また、特に、宇宙空間におけるステーションや宇宙船で
は、放熱が困難であるため、廃熱の少ないシステムが望
まれている。

本発明の目的は，このような顕熱の移動による熱ロスを
低減するための新しいシステムを提供することにある．〔課題を解決するための手段〕上記目的は，原液を加熱する加熱器と生成水を冷却する
冷却器との間で，ヒートポンプサイクルを組むことで達
或される．〔作用〕すなわち，膜蒸留法では、常に、原液側と生戒水側とに
は蒸気圧差をつけるために温度差を設ける必要がある．
従って、原液側は加熱，生或水側は加熱した分だけ冷却
しなければならない。そのため、蒸留操作を行うには相
変化に必要なエネルギの約二倍のエネルギが必要になる
。さらに、前述したように、顕熱の移動による熱ロス分
のエネルギも必要になるため、そのエネルギの量はかな
りのものになる。ここで、冷却部分で捨てられる熱をヒ
ートポンプの熱源として利用し、ヒートポンプによって
得られた高温の熱を加熱部分に利用すると、エネルギの
低減を図ることができる。さらに、ヒートポンプサイク
ルでは入力エネルギ（通常は電力）にたいしてポンプア
ップできるエネルギの量は、１．５〜３倍大きくとれる
ため、膜蒸留に必要なエネルギの量を大幅に低減するこ
とができる。同時に、従来のシステムでは問題となって
いる廃熱も、大幅に低減することができるので、閉鎖空
間で使用する場合にも、使い勝手のよいシステムとなる
。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に述べる。

第１図に本発明に係る膜蒸留システムの一例を示す。本
システムは疎水性多孔質膜１０１を介して原液１０２が
流れる原液室１０３と生或水１０４が流れる生成水室１
０５とからなる膜蒸留セル１００．ＪＭ液を加熱する加
熱器１０９，温度の高い生成水の冷却器１１０，ａ液，
生成水のポンプ１１１，１１２タンク１１３，１１４、
さらに、冷却器１１０と加熱器１０９の間でヒートポン
プサイクルを組むのに必要な圧縮器１１５，放熱器１１
６，膨張弁１１７とから構或される。原液タンク１１３
の中に蓄えられている原液は、原液ボンプ１１１によっ
て、加熱器１０９に送られ、所定の温度にまで加熱され
，膜蒸留セル１００の原液室１０３に送られる。ここで
、原液１０２より疎水性多孔質膜１０１を介して発生す
る蒸気は、疎水性多孔質膜１０１内を通過して生成氷室
１０５側に入り、低温で流れる生或水１０４に凝縮され
る．疎水性多孔質膜としては、ポリテトラフルオ口エチ
レン，ポリプロピレン，ポリエチレンから選ばれたいず
れかの膜を用いることが望ましい６原液１０２より蒸気
を受け取り、同時に、蒸気の潜熱によって温度の高くな
った生成水は、生成水タンク１１３の中に蓄えられる．
タンクの中の生成水は、生成水ボンプ１１２によって、
冷却器１１０を通り、再度、膜蒸留セル１００に送られ
る。加熱器１０９と冷却器１１０の間で組まれるヒート
ポンプシステムでは、圧縮器１１５によって作動媒体（
例えば、フロンガス等）が圧縮され高圧のガスとなって
、加熱器１０９に送られる．加熱器１０９において、ガ
ス状の作動媒体は熱を放出して液体となる。この潜熱に
よって原水１０７が所定の温度に加熱される。液体にな
った作動媒体は、放熱器１１６で余った熱を放出し膨張
弁１１７へ達する．ここで、圧力が急激に低下し，作動
媒体は自己蒸発し、再度、ガス状となって圧縮器１１５
へ送られる。膜蒸留によって．得られた生成水は、冷却
器１１０を通過した後，生或水のラインとは別に、その
一部が生或水となって系外に放出される．第２図に本発明に係る膜蒸留システムのさらに熱回収を
実施した場合の一例を示す。本システムは疎水性多孔質
膜１０１を介して原液１０２が流れる原液室１０３と生
或水１０４が流れる生或水室１０５とからなる膜蒸留セ
ル１００、温度の高い生戒水出口１０６と温度の低い原
液人口１０７どの間の熱交換器１０８，熱交換器１０８
出口の原液を，さらに，加熱する加熱器１０９，熱交換
器出口の、依然、温度の高い生或水の冷却器１１０，原
液，生成水のポンプ１１１，１１２タンク１ｌ３，１１
４、さらに、冷却器１１０と加熱器１０９の間でヒート
ポンプサイクルを組むのに必要な圧縮器１１５，放熱器
１１６，膨張弁１１７とから構成される．原液タンク１
１３の中に蓄えられている原液は、原液ポンプ１１１に
よって，熱交換器１０８に送られ温度の高い生成水１０
６と熱交換される．さらに、この原液は加熱器１０９で
所定の温度にまで加熱され、膜蒸留セル１００の原液室
１０３に送られる．ここで、原液１０２より疎水性多孔
質ｌｌＩ１０１を介して発生する蒸気は、疎水性多孔質
膜１０１内を通過して生成水室１０５側に入り、低温で
ながれる生戒水１０４に凝縮（吸収）される。原液１０
２より蒸気を受け取り、同時に、蒸気の潜熱によって温
度の高くなった生成水は、熱交換器１０８で原液に熱を
奪われたあと、生成水タンク１１３の中に蓄えられる．
タンクの中の生成水は、生成水ポンプ１１２によって、
冷却器１１０を通り、再度、膜蒸留セル１００に送られ
る。加熱器１０９と冷却器１１０の間で組まれるヒート
ポンプシステムは，実施例１における記述と同様となる
。さらに、本システムにおける生成水と新たに補給され
る原水との間に温度差がある場合には、熱交換器１１８
によって、再度熱回収される．本実施例では、実施例１
に対して、さらに、熱交換器を設置したために、ヒート
ポンプサイクルで処理する熱量を大幅に低減できて、本
システムで使用されるエネルギ量を，さらに、低減する
ことができる．〔発明の効果〕本発明によれば、膜蒸留システムにおける顕熱の移動に
よる熱ロスの問題を解決できる。即ち、本システムによ
れば、原水の加熱に必要なエネルギを生成水の冷却によ
って得られた熱を用いるため，加熱源と冷却源が一つで
すむ。さらに、ヒートポンプサイクルでは、サイクルに
入力するエネルギは、サイクルで移動させるエネルギの
三分の一程度ですむので、更に、大幅なエネルギの低減
ができる．また、特に、潜水艦や宇宙船のような，閉鎖
空間でも本システムでは、放熱の量を大幅に低減できる
ため、十分に対応できる。

【図面の簡単な説明】

第１図，第３図は本発明の一実施例のシステム系統図、
第２図は直接接触型膜蒸留システムの従来例のシステム
系統図である．１００・・・膜蒸留セル、１０１・・・疎水性多孔質膜
、１０９・・・加熱器、１１０・・・冷却器、１１５・
・・圧縮第１図第２図

Claims

【特許請求の範囲】１、高温の液体が流れる第一の領域と、前記第一の領域
の流体よりも低温の液体が流れる第二の領域と、前記第
一の領域と、前記第二の領域とを隔てる疎水性多孔質膜
および、前記第一の領域を流れる流体を加熱する加熱器
と、前記第二の領域を流れる流体を冷却する冷却器とか
ら構成され、前記第一の領域を流れる流体から発生する
蒸気が、前記疎水性多孔質膜を通過し、前記第二の領域
を流れる流体に凝縮吸収されることで、前記第一の領域
を流れる流体が蒸留され、濃縮される膜蒸留装置におい
て、前記冷却器と前記加熱器との間に、ヒートポンプサイク
ルを設け、前記冷却器で奪つた熱を前記加熱器で放出す
ることを特徴とする膜蒸留装置。２、請求項１において、前記高温の液体が水溶液であり
、前記疎水性多孔質膜を透過する蒸気が水蒸気であるこ
とを特徴とする膜蒸留装置。３、請求項１において、前記高温の液体が閉鎖系空間に
おける動物および植物等からの排水であることを特徴と
する膜蒸留装置。４、請求項１において、前記ヒートポンプサイクルを組
む前に熱交換器を設置し、前記ヒートポンプサイクルで
の熱移動量を最低限にしたことを特徴とする膜蒸留装置
。