JPH0521611B2

JPH0521611B2 -

Info

Publication number: JPH0521611B2
Application number: JP58089965A
Authority: JP
Inventors: Hisafumi Kimura; Setsuya Kuri
Original assignee: KURI KAGAKU SOCHI KK
Current assignee: KURI KAGAKU SOCHI KK
Priority date: 1983-05-24
Filing date: 1983-05-24
Publication date: 1993-03-25
Also published as: JPS59216605A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、滲透蒸発膜を用いる分離法に関する
もので、より詳細には、滲透蒸発操作によつて溶
液中の成分を分離する際にその分離精度や分離能
力を向上させるための改良に関するものである。

（従来の技術）従来、溶液中の成分を分離するには、各成分の
沸点の差や揮発度の差を利用する蒸留が広く使用
されているが、アルコールと水との混合系のよう
な或る種の混合液では蒸気と液との組成が同じに
なる所謂共沸混合物を形成することもあり、この
場合には通常の蒸留によつては各成分の分離が困
難で、共沸蒸留や抽出蒸留等の面倒な操作を行わ
なければならないという問題がある。

最近に至つて、溶液中の成分を分離するため
に、滲透蒸発法（Perevaporation）が用いられ
ている。この滲透蒸発法は膜物質の一方の側に分
離すべき溶液を供給し、膜物質の両面に圧力差を
与えることにより、原溶液よりも特定の成分に富
んだ蒸気を膜物質を透過させ、膜物質の他方の面
から蒸発させるものであり、ここで膜物質として
は、従来セロフアン、ナイロン、ナフイヨン等の
膜が使用されている。

（発明が解決しようとする課題）この滲透蒸発法によれば、一段の操作で特定の
成分に富んだ蒸気を回収でき、例えば後述する第
２図に示す通り、濃度20％のアルコール水溶液か
ら濃度70乃至90％のアルコールが得られるが、未
だ分離精度の見地からも分離能力の点からも十分
に満足し得るものではない。

本発明者等は、滲透蒸発膜の蒸発側（低圧側）
に不活性ガスのキヤリヤガスを減圧下に通し、得
られる蒸気を凝縮液化させ、その一部を還流液と
して前記膜の高圧側の上部に戻すとともに、未凝
縮ガスを加熱した後前記膜の蒸発側に循環するこ
とにより、以下に説明する優れた利点が得られる
ことを見出した。

本発明の目的は、向上した分離精度、高い分離
能力及び操作の容易性の組合せを有する滲透蒸発
分離法を提供するにある。

（課題を解決するための手段）本発明によれば、滲透蒸発膜の一方の面に分離
すべき混合原液を高圧で通し、他方の面に不活性
ガスから成るキヤリヤガスを流しながら減圧に吸
引し、前記膜を滲透して蒸発する前記原液よりも
特定の成分に富んだ蒸気を凝縮液化させ、該凝縮
液の一部を還流液として該滲透蒸発膜の高圧側の
上部に戻し、該凝縮液の残りを特定成分の濃厚液
として回収し、未凝縮ガスを加熱した後、滲透蒸
発膜の蒸発側にキヤリヤガスとして循環すること
を特徴とする滲透蒸発膜による分離法が提供され
る。

本発明によればまた、混合原液の重量分率対蒸
気の重量分率をプロツトした滲透蒸発曲線におい
て、凸の曲線或いは凹の曲線の内一方の滲透蒸発
傾向を示す滲透蒸発膜を備えた第一のユニツトに
おいて少なくとも一段の滲透蒸発操作を行い、こ
の操作で得られる特定成分の濃厚液を、第一のユ
ニツトのものとは逆の滲透蒸発傾向を示す滲透蒸
発膜を備えた第二のユニツトの膜の高圧側に通
し、他方の面に不活性ガスから成るキヤリヤガス
を流しながら減圧に吸引し、前記膜を通し滲透蒸
発する特定成分に乏しい蒸気を取出して凝縮液化
させ、この凝縮液の一部を還流液として前記膜の
高圧側の上部に戻し、該凝縮液の残りを特定成分
に乏しい液として回収し、未凝縮ガスを加熱した
後、キヤリヤガスとして前記膜の蒸発側に循環
し、蒸気分離後の残留液を特定成分に甚だ富んだ
液として回収することを特徴とする滲透蒸発膜に
よる分離法が提供される。

（作用）滲透蒸発膜法によつて、混合液から低沸点成分
を蒸発分離する場合、膜を通して蒸発された低沸
点蒸気側の室は混合液側の室よりも減圧に保つ必
要がある。

この意味で、膜の二次側（低圧側）を非常に高
真空に保つことが有利であるが、一方低圧側を高
真空に保つことは、膜の強度の問題、膜或いは接
合部の洩れの問題、爆発の危険の問題、エネルギ
ーの消費が大きくなること等の欠点を有してい
る。

これに対して、本発明においては、窒素等の不
活性ガスのキヤリヤガスを、膜の低圧側に通し、
混合させることにより、混合ガス中に含まれる低
沸点分の分圧を低下させることができ、従つて低
真空でも高真空と同等の効果をあげることができ
る。

また、窒素等の不活性ガスを循環させることに
より、この循環ガスを加熱して低圧側に送り込む
ことが可能となり、これにより顕著な利点が得ら
れる。すなわち、混合液から低沸点成分を蒸発さ
せる場合、当然蒸発潜熱に相当する熱量を与える
必要がある。この場合、一般の蒸留塔では、リボ
リラー等によつて塔底部の液を加熱して、塔底部
の液温を一定に保つ。

しかしながら、蒸発膜法では、加熱エネルギー
は、装置全体をジヤケツトで包み、ジヤケツトを
通して与えることになり、伝熱、面積不足の問題
が当然起こる。これに対して、本発明では、循環
不活性ガスを加熱して、そのエンタルピーによつ
て、十分に蒸発成分の潜熱を与えることができる
ので、極めて有利である。

（発明の好適態様）本発明を添付図面に示す具体例に基づいて以下
に詳細に説明する。

本発明の実施に好適に使用される装置の配置を
示す第１図において、この装置は第一の浸透蒸発
ユニツトＡと第二の浸透蒸発ユニツトＢとを含ん
でいる。これらのユニツトＡ及びＢについて、共
通の部材は共通の引照数字で示し、またユニツト
Ａについての部材は添字ａを付して、ユニツトＢ
についての部材は添字ｂを付して夫々示す。

各ユニツトは浸透蒸発膜１を有しており、この
膜１の一方の側に高圧の原液室２及び他方の側に
低圧の蒸発室３が形成されている。

原液室２の中央部には原液の供給ライン４が、
またその下部には残留液の排出ライン５が夫々設
けられている。また、原液室２の上部には、後に
詳述する如く、還流液の戻しライン６が設けられ
ている。一方、蒸発室３の上部には蒸気の排出ラ
イン７が、またその下部にはキヤリヤーガスの供
給ライン８が夫々設けられている。

蒸気の排出ライン７は真空ポンプ９の低圧側に
接続され、一方真空ポンプ９の高圧側は、ライン
１０を経て凝縮器（コンデンサー）１１に接続さ
れ、更にライン１２を経て凝縮液タンク１３に接
続される。この凝縮液タンク１３の気相部は前述
したキヤリヤガス供給ライン８に接続され、一方
タンク１３の液溜部はライン１４及びバルブ１５
を経て、還流液の戻しライン６に接続される。

更に、この図面に示す具体例において、第一ユ
ニツトＡの凝縮液ライン１４ａはバルブ１６ａを
介して第二ユニツトＢの原液ライン４ｂに接続さ
れ、一方第二ユニツトＢの凝縮液ライン１４ｂは
バルブ１６ｂを介して凝縮液の排出ラインに接続
される。

滲透蒸発膜１としては、種々の特性のものがあ
る。今、原液中の特定成分の重量分率ｘを横軸と
し、一方滲透蒸発する蒸気中の上記成分の重量分
率ｙを縦軸として両者の関係をプロツトすると、
このプロツトはｙ＝ｘの直線に対して上側の凸の
曲線となる場合と、この直線に対して下側の凹の
曲線となる場合とがある。

例えば、水と水混和性有機溶媒との混合系にお
いて、オルガノポリシロキサン・エラストマー膜
は、上側の凸の滲透蒸発曲線を示す膜であり、一
方ポリフエニレンオキシド膜や、酢酸繊維素膜は
下側の凹の滲透蒸発曲線を示す膜であり、前者の
膜を使用すると、原液に比して溶媒分に富んだ蒸
気が回収され、一方後者の膜を使用すると原液に
比して溶媒分に富んだ液分が回収される。

第２図は、メタノール（●）、エタノール（○）
及びイソ−プロパノール（△）の各種アルコール
の水溶液について、原溶液のアルコール重量分率
ｘを横軸とし、蒸気中のアルコール重量分率ｙを
縦軸として、得られた滲透蒸発分離の結果を示す
ものであり、図中記号SRはオルガノポリシロキ
サン膜を、記号PPOはポリフエニレンオキシド
膜を、記号CAはセルロースアセテート膜を夫々
示す。

第１図に示す具体例においては、第一ユニツト
の滲透蒸発膜１ａとして第２図の滲透蒸発曲線に
おいて、上に凸の曲線を示す膜が使用されてお
り、一方第二ユニツトの滲透蒸発膜１ｂとして
は、第２図において下に凸の曲線を示す膜が使用
されている。

本発明の実施に際して、バルブ１８を閉じてバ
ルブ１９を開いて窒素等の不活性ガス供給ライン
２０から不活性ガスを供給し、真空ポンプ９を作
動させ、バルブ２１を開いて、系中の空気を不活
性ガスで排出ライン２２を通してパージさせる。
しかる後、バルブ２１，１９を閉じ、バルブ１８
を開く、不活性ガスの圧力は減圧弁２３により所
望の値に設定する。

先ず、第一ユニツトＡにおいて、処理すべき混
合溶液、例えばアルコール水溶液を、所定の温度
に加熱して、原液供給ライン４ａを通して、高圧
室２ａに供給する。原液中の特定成分、例えばア
ルコール分は原液室２ａから浸透蒸発膜１ａを浸
透し、その表面から減圧下にある蒸発室３内に蒸
発する。原液組成と蒸気組成とは第２図に示す関
係にあり、従つて蒸発室３内の蒸気は原液に比し
て特定の成分、即ちアルコールに富んでいる。

この蒸気は、ライン７ａを通して真空ポンプ９
ａ内に吸引される。真空ポンプ９ａの排出側は大
気圧近辺となつており、この蒸気含有不活性ガス
はコンデンサー１１ａを通ることにより潜熱を奪
われ、該ガス中の蒸気は凝縮液タンク１３ａ中に
液体の形で回収される。一方、高圧室側の残留液
は排出ライン５ａを経て系外に排出される。

本発明によれば、この凝縮液タンク１３ａで分
離される、未凝縮ガスを、必要により加熱機構２
４ａで加熱した後、ライン８ａを通してユニツト
Ａの蒸発室３ａにキヤリヤガスとして循環する。

また、凝縮液タンク１３ａで分離回収される凝
縮液は、ライン１４ａを通して、その一部をバル
ブ１５ａ及びライン６ａを通して、還流液として
滲透蒸発ユニツトＡの高圧室２ａの上部に戻し、
その残りをバルブ１６ａを通して特定成分、即ち
アルコールに富んだ凝縮液として回収する。

既に指摘した通り、一段の滲透蒸発操作におい
ては、第２図の滲透蒸発曲線に従い、原液濃度に
対応した一定濃度の蒸気凝縮液が得られるにすぎ
ない。

これに対して、本発明に従い、凝縮液タンク１
３ａで分離回収される凝縮液を滲透蒸発ユニツト
Ａの高圧の原液室２ａの上部に、還流液として戻
すことにより、原液室２ａ内の流下液量及び特定
成分の濃度を高めて、特定成分の分離効果を高め
るという作用効果が得られる。この場合、凝縮液
タンク１３ａで回収される凝縮液の全量を原液室
２ａ上部に還流した場合に最大の分離効果が得ら
れ、一方反対に還流を少なくしていけば分離効果
が次第に低下し、還流を完全になくすれば、第２
図に示された通りの平衡蒸気組成となる。本発明
によれば、凝縮液の一部を滲透蒸発膜の高圧側上
部に還流させ、残りを特定成分の濃縮された液と
して回収することにより、特定成分の蒸発に必要
なエネルギー量を過度に大きくすることなしに、
滲透蒸発曲線の平衡濃度よりも高い濃度の凝縮液
を回収することが可能となる。即ち、本発明によ
れば、単一の滲透蒸発ユニツトを使用しても、多
段の滲透蒸発ユニツトを使用した場合と同様に、
特定成分を高濃度で含む凝縮液が得られるという
利点が達成される。

本発明においては、滲透蒸発膜の低圧側に、凝
縮液タンクからも未凝縮ガスをキヤリヤガスとし
て通すことも重要である。即ち、従来の滲透蒸発
法では、或る程度の膜分離能力を得ようとすると
１トール（１mmHg）程度の極めて高真空を必要
とし、装置のコストや運転コストが高くなるのを
避け得ない。これに対して、本発明によれば、滲
透蒸発膜の減圧室にキヤリヤガスを通ずるという
簡単な操作で、減圧室の減圧の程度を100トール
のような低度のものとした場合にも、例えば３倍
にも達する膜分離能力が得られるのであつて、本
発明によれば膜分離能力の上でも、また装置コス
ト及び運転コストの点でも、顕著な利点が達成さ
れることが明白である。

更に、本発明に従い、吸引したガスを冷却して
ガス中の特定成分の蒸気を凝縮させて分離し、未
凝縮ガスを、そのまま或いは加熱した後、滲透蒸
発膜の蒸発側にキヤリヤガスとして循環すると、
全ての分離操作を密閉系（クローズドサーキツ
ト）内で行うことが可能となり、分離回収率の点
でも公害防止の点でも顕著な利点が達成され、全
ての操作を円滑に行うことが可能となる。

本発明において、一般の滲透蒸発操作で還流
比、即ち還流液量Ｒと回収液量Ｄとの比Ｒ／Ｄを
高めて、特定成分の高度の濃縮液を回収すること
が勿論可能である。しかしながら、この場合に
は、特定成分の蒸発に必要なエネルギーコストが
高くなるという問題がある。かかる見地からは、
一段の滲透蒸発操作で回収される特定成分の濃縮
凝縮液を、逆の滲透蒸発特性を有する滲透蒸発膜
を備えた第二のユニツトの高圧側に供給し、少量
の他の成分を該膜を通して蒸発させることによ
り、高圧側で特定成分の濃縮を行わせることが望
ましい。

第１図に示す具体例において、この目的のため
に、特定成分、即ちアルコールの濃縮された凝縮
液の残りの一部は、ライン１４ａ、バルブ１６ａ
及び液供給ライン４ｂを経て、第二の滲透蒸発ユ
ニツトＢの高圧室２ｂの中央部に供給される。こ
の滲透蒸発膜１ｂを経て蒸発する蒸気は、第２図
から明らかな通り、原液に比して特定成分（アル
コール）の濃度の低いもの、即ち水蒸気の濃度の
高いものである。

第二のユニツトＢにおけるガス及び液の循環系
も第一のユニツトＡのそれと同様であり、凝縮液
タンク１３ａで分離回収される凝縮液の一部はラ
イン１４ｂ、バルブ１５ｂ及び戻りライン６ｂを
通して高圧室２ｂの上部に還流され、残りはライ
ン１４ｂバルブ１６ｂ及び排出ライン１７を経て
系外に排出される。また、高圧室側の残留液、即
ち時定成分の濃縮液は取出ライン５ｂを通して系
外に回収される。

本発明において、滲透蒸発膜ユニツトとして
は、任意の形式のもの、例えば平板型、波板型或
いはパイプ形状等のものが使用されるが、この多
数のパイプの外方空間が高圧側原液室、パイプの
内方空間が蒸発室となつたユニツトが有利に使用
される。

真空ポンプとしても、それ自体公知の任意の真
空ポンプが使用されるが、一般に液封型（ナツシ
ユ型）真空ポンプや油真空ポンプが有利に使用さ
れ、前者の場合には封液として凝縮液を用いて前
記操作を円滑に行うこともできる。

本発明を次の実施例で説明する。

実施例第１図の装置において、ユニツトＡとしては、
内径20mm×高さ1000mmの中空シリコンゴム膜16本
を備え有効膜面積が１m²のものを使用した。ユニ
ツトＢとしては、内径20mm×高さ1000mmの中空ポ
リフエニレンオキシ膜16本を備え、有効膜面積が
１m²のものを用いた。エタノール濃度10モル％の
エタノール水溶液を、60℃の温度で第一ユニツト
Ａの高圧空に、液温60℃、圧力大気圧で7.2モ
ル／hrの流量で供給した。蒸発室の圧力を100ト
ール（mmHg）に維持すると共に、窒素ガスをキ
ヤリヤガスとして通した。

凝縮液の還流比を約２とし、エタノール濃度
52.5モル％のエタノール水溶液を1.33モル／hrの
流量で回収すると共に、高圧室からエタノール濃
度0.6モル％の稀薄エタノール水溶液を5.87モ
ル／hrの流量で回収した。

第一ユニツトから回収される凝縮液（エタノー
ル濃度52.5モル％）を1.33モル／hrの流量で第二
ユニツトの高圧室に供給した。減圧蒸発室は、第
一ユニツトと同様に100トールの圧力とし、窒素
ガスをキヤリヤガスとして通した。第二ユニツト
の還流比も約２とし、エタノール濃度3.5モル％
の稀薄エタノール水溶液を0.653モル／hrの流量
で回収した。

第二ユニツトの高圧室からはエタノール濃度99
モル％の濃厚エタノールを0.677モル／hrの流量
で回収した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる装置の配置図であり、
第２図は滲透蒸発曲線を示す線図である。Ａは第一ユニツト、Ｂは第二ユニツト、１は滲
透蒸発膜、２は原液室、３は蒸発室、９は真空ポ
ンプ、１１はコンデンサー、１３は凝縮液タンク
を夫々示す。

Claims

【特許請求の範囲】１滲透蒸発膜の一方の面に分離すべき混合原液
を高圧で通し、他方の面に不活性ガスから成るキ
ヤリヤガスを流しながら減圧に吸引し、前記膜を
滲透して蒸発する前記原液よりも特定の成分に富
んだ蒸気を凝縮液化させ、該凝縮液の一部を還流
液として該滲透蒸発膜の高圧側の上部に戻し、該
凝縮液の残りを特定成分の濃厚液として回収し、
未凝縮ガスを加熱した後、滲透蒸発膜の蒸発側に
キヤリヤガスとして循環することを特徴とする滲
透蒸発膜による分離法。２混合原液の重量分率対蒸気の重量分率をプロ
ツトした滲透蒸発曲線において、凸の曲線或いは
凹の曲線の内一方の滲透蒸発傾向を示す滲透蒸発
膜を備えた第一のユニツトにおいて少なくとも一
段の滲透蒸発操作を行い、この操作で得られる特
定成分の濃厚液を、第一のユニツトのものとは逆
の滲透蒸発傾向を示す滲透蒸発膜を備えた第二の
ユニツトの膜の高圧側に通し、他方の面に不活性
ガスから成るキヤリヤガスを流しながら減圧に吸
引し、前記膜を通し滲透蒸発する特定成分に乏し
い蒸気を取出して凝縮液化させ、この凝縮液の一
部を還流液として前記膜の高圧側の上部に戻し、
該凝縮液の残りを特定成分に乏しい液として回収
し、未凝縮ガスを加熱した後、キヤリヤガスとし
て前記膜の蒸発側に循環し、蒸気分離後の残留液
を特定成分に甚だ富んだ液として回収することを
特徴とする滲透蒸発膜による分離法。