JPH05277333A - ガス流から凝縮性蒸気を除去および回収する方法 - Google Patents

ガス流から凝縮性蒸気を除去および回収する方法

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JPH05277333A
JPH05277333A JP4244928A JP24492892A JPH05277333A JP H05277333 A JPH05277333 A JP H05277333A JP 4244928 A JP4244928 A JP 4244928A JP 24492892 A JP24492892 A JP 24492892A JP H05277333 A JPH05277333 A JP H05277333A
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extraction fluid
hollow fiber
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gas
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JP4244928A
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Richard W Schofield
ダブリュー スカフィールド リチャード
David B Newbold
ビー ニューボルド デビッド
Scott B Mccray
ビー マックレイ スコット
Dwayne T Friesen
ティー フリーセン ドゥエイン
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Bend Research Inc
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧縮機を用いることなく、凝縮性蒸気をガス
流から除去し回収する方法を得る。 【構成】 凝縮性蒸気を含有するガス流を中空繊維膜の
一方の側に循環させ、かつ冷温の抽出流体を全圧力差の
条件下に他方の側に循環させ、これによりガス流中の凝
縮性蒸気を凝縮させ、凝縮した蒸気を膜を透過させ、冷
温の抽出流体中に同伴させることにより、凝縮性蒸気を
ガス流から膜接触装置により除去し、回収する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はガス流から凝縮性蒸気を
除去および回収する方法に関するものである。多くの工
業的プロセスでは、凝縮性蒸気、例えば水蒸気および揮
発性有機化合物を含有するガス流が生成する。代表的な
例では、これ等の凝縮性蒸気を環境上または経済上の理
由によりガス流から除去し回収することが望ましい。
【０００２】
【従来の技術】凝縮性蒸気をガス流から除去する方法は
知られている。米国特許第4,466,202号明細書には、凝
縮性蒸気を優先的に半透過膜に通すことにより、凝縮性
ガスを非凝縮性ガスから分離する方法が開示されてい
る。この場合、凝縮性ガスを真空圧縮機を用いて圧縮
し、次いで熱交換器で凝縮し、凝縮物を回収し、凝縮の
潜熱を回収することができる。然し、真空圧縮機を使用
しているので、この方法はエネルギー消費が多くなり、
この真空圧縮機のために高い資本費用が必要になる。米
国特許第4,553,983 号明細書には、20,000ppm （容量）
以下の有機化合物蒸気濃度を有する空気の供給流から有
機化合物を回収し濃縮するためのほぼ同じ方法が開示さ
れている。この方法は同様な欠点を有する。
【０００３】供給ガス流から蒸気を凝縮させるために冷
却を用いることは業界ではよく知られている。供給ガス
を圧縮し、供給ガスの凝縮性成分の露点以下に冷却す
る。然し、この方法の除去効率は、供給ガスの露点を冷
却系に用いる冷媒温度まで冷却することができるに過ぎ
ない。ウイジマンス(Wijmans) はＰＣＴ出願第ＷＯ９１
／０６３６３号明細書に、冷却／凝縮を上述の膜法に組
み合わせた混成方法を開示している。この混成方法は個
々の方法を改善するものであるが、なお膜方法と同様な
固有の欠点を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、圧縮
機を用いることなく凝縮性蒸気をガス流から除去し回収
する優れた方法を提供することにある。この目的および
他の目的は、以下に詳述に述べる本発明により達成され
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、（ａ）供給側
および透過側を有する少なくとも１個の中空繊維膜を設
け； （ｂ）前記膜の供給側と凝縮性蒸気を含有するガス流と
を接触させることにより、ガス流から凝縮性蒸気を除去
および回収するに当り、 （ｃ）透過側における全圧を供給側における全圧より小
さくして、前記膜の透過側と冷温の抽出流体とを接触さ
せ； （ｄ）前記ガス流から凝集した蒸気を透過側において前
記冷温の抽出流体中に同伴させることを特徴とするガス
流から凝縮性蒸気を除去および回収する方法である。
【０００６】この基本的方法には、凝縮蒸気分離工程、
抽出流体再循環工程または抽出流体を凝縮した蒸気の同
伴速度と等しい速度で前記選択的再循環工程から除去す
る工程を補充することができる。
【０００７】本発明は、ガス流から凝縮性蒸気を除去お
よび回収するための簡単なエネルギーの利用法を提供す
る。本発明の要点は、膜の透過側で熱抽出流体および同
伴流体の両者として冷温の抽出流体を使用すると共に、
膜の他の側（供給側）を凝縮性蒸気を含むガス流と接触
させ、透過側において供給側におけるより全圧を低く維
持することにある。透過側抽出流体はヒートシンクとし
て作用して凝縮性蒸気を含むガス流から除去された顕熱
および潜熱を吸収する。吸収された顕熱は膜表面と直接
接触する供給ガスの温度を低下させる作用を有する。膜
と直接接触するガスはその露点を過ぎて冷却されると、
蒸気がガス流から凝縮し、この凝縮からの蒸気および潜
熱は膜壁中に同伴される。抽出流体は入口で絞られて中
温の供給ガス流の圧力より低い圧力に維持され、捕捉さ
れた凝縮物が最初に凝縮する外側表面から抽出流体が循
環されている内部まで膜壁を透過するための駆動力を供
給する。本発明では膜を通して凝縮物を移送するための
駆動力は膜による全圧の差である。この全圧の差は、従
来方法におけるように分圧の差のみがある場合に起こる
簡単な拡散を生じさせるのではなく、膜を通る流体の流
れを生じさせる。
【０００８】次に、本発明方法を図面を参照して、例に
ついて説明する。図面において、同じ数字は同じ構成部
材を示す。図１にモジュール10を示す。モジュール10は
冷温の抽出流体の入口12、中温の湿った供給ガス入口1
4、冷却された乾燥ガスの出口16、および滞留液又は一
緒になった抽出流体凝縮物の出口18を有する。モジュー
ル10は多数の中空繊維20を収容しており、その両端は注
封材料19によってモジュールの両端に嵌合するように固
定されている。冷温の抽出流体30は入口12に導入され、
従って中空繊維20の内腔22を通る。中温の湿った供給ガ
ス40は入口14に供給されて中空繊維20の外側すなわち
「外殻」側と接触する。冷温の抽出流体および同伴され
た水蒸気凝縮物48は出口18を経てモジュールを出るが、
冷温の乾燥ガス50は出口16を経てモジュールを出る。
【０００９】図２に１本の中空繊維におけるプロセスを
示す。図２には、冷温の抽出流体30が中空繊維20の内腔
22に入り、中温の湿った供給ガス40が中空繊維膜壁中に
引き込まれ、この膜壁を透過し、水蒸気凝縮物48として
凝縮し、水蒸気凝縮物48が冷温の水30の流れに同伴され
るプロセスを示す。
【００１０】図３には、低圧抽出流体30が中空繊維モジ
ュール10に流入するのを示す。抽出流体30および水蒸気
凝縮物48は中空繊維モジュール10を出て、液体循環ポン
プ74に導かれ、ここで抽出流体30および水蒸気凝縮物48
は加圧される。加圧された抽出流体および水蒸気凝縮物
は分離装置76に導かれる。分離装置76は加圧された抽出
流体30および水蒸気凝縮物48をほぼ純粋な水蒸気凝縮物
48とほぼ純粋な抽出流体30とに分離する。次いで、ほぼ
純粋な抽出流体30は熱交換器78内で所望の操作温度に冷
却される。冷温の抽出流体30は絞り弁72に導かれて低圧
の抽出流体30を生じ、これは中空繊維モジュール10の供
給側に再循環される。
【００１１】ここに「凝縮性蒸気」とは、約−100 ℃よ
り高い沸点を有する臨界温度以下の流体を意味する。二
成分またはそれ以上の凝縮性成分の混合物を含む流れの
場合には、「凝縮性蒸気」とは、より容易に凝縮するこ
とができる成分を云う。凝縮性蒸気の例としては次の蒸
気がある：フレオンおよびハロンのようなクロロフルオ
ロカーボン；塩化メチレン、トリクロロエチレン、トリ
クロロエタン、四塩化炭素、クロロベンゼンのような塩
素化炭化水素；ベンゼン、トルエン、キシレン、エチル
ベンゼン、シクロヘキサン、プロパン、ブタン、ヘキサ
ン、およびオクタンのような非塩素化疏水性有機化合
物；エタノール、メタノール、他のアルコール類、アセ
トン、酢酸エチル、メチルエチルケトン、メチルｔ−ブ
チルケトン、ニトロベンゼン、フェノール類、クレゾー
ル類、トリエチルアミン、アセトニトリル、ジメチルフ
ォルムアミド、およびジメチルアセトアミドのような非
塩素化親水性有機化合物；水およびアンモニアのような
無機化合物。
【００１２】中空繊維膜は「非孔質」（すなわち、膜の
片側に緻密な“皮膜”を有するもの）、または細孔径0.
1 ミクロン以下の微孔質であるのが好ましい。凝縮性蒸
気が親水性である場合には、中空繊維膜も親水性である
のが好ましい。特に好ましい親水性の膜は、酢酸セルロ
ース、再生セルロース、ポリイミド、ポリアミド、ポリ
メタクリレート類、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸エ
チル、およびポリアクリロニトリルの膜である。凝縮性
蒸気が疏水性である場合には、中空繊維膜も疏水性であ
るのが好ましい。特に好ましい疏水性の膜は、シリコー
ンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、ポリスルフォン、ポリ
エーテルスルフォン、シリコーンゴム被覆ポリスルフォ
ン、ポリ塩化ビニル（タイゴン(tygon) 商品名）、ポリ
アリーレンエーテル類、置換ポリアセチレン類、ポリウ
レタン、疏水性ポリイミド類、ポリエチレン、ポリプロ
ピレン、ポリブチレン、ポリイソプレン、ポリブタジエ
ン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデ
ン、ポリ塩化ビニリジン、ポリヘキサフルオロプロピレ
ン、ポリスチレン、およびこれらの共重合体の膜であ
る。中空繊維膜の壁は５〜500 μｍの厚さおよび少なく
とも50μｍであるが、10,000μｍより小さい内径すなわ
ち内腔を有するのが好ましい。供給ガス流は任意の非凝
縮性ガスとすることができる。例としては、空気、窒
素、水素、メタン、ヘリウムおよびアルゴンがある。ま
た、供給ガス流はより容易に凝縮する一成分を含む前記
の２種の凝縮性蒸気の混合物とすることができ、；この
ような場合には、より容易に凝縮する成分は凝縮性蒸気
と考えられ、他方の成分は供給ガスと考えられる。
【００１３】抽出流体は凝縮性蒸気、供給ガス、中空繊
維膜またはモジュール材料と化学的に反応しない任意の
流体とすることができる。抽出流体は凝縮性蒸気と混和
性でも不混和性でもよいが、凝縮性蒸気と混和性である
のが最も好ましい。抽出流体の沸点は凝縮性蒸気の沸点
より高くても低くてもよいが、高いのが最も好ましい。
若干の用途では、抽出流体を単に凝縮性蒸気の液体の形
態とすることができる。抽出流体の例としては：親水性
化合物、例えば水、エチレングリコール、ポリエチレン
グリコール、プロピレンカーボネート、グリセリン、ア
セトニトリル、ジメチルアセトアミド、ステアリン酸、
オクタノール、フェノール類およびクレゾール類、並び
に疏水性化合物、例えばドデカン、シリコーン油、石油
ナフサおよび他の石油生成物がある。
【００１４】抽出流体から凝縮物を分離する方法は、分
離を適切に実施する任意の方法とすることができる。一
般に、分離によって、10％より少ない抽出流体を含むほ
ぼ純粋な凝縮物および10％より少ない凝縮物を含むほぼ
純粋な抽出流体が生成することが必要である。適当な分
離方法としては、蒸留、減圧蒸留、膜蒸留、蒸発、真空
蒸発、液／液抽出、相分離（デカンテーション）、晶
出、吸着、逆浸透、ナノフィルトレーション(nanofiltr
ation)およびパーベイパレーション(pervaporation) が
ある。抽出流体が単に液体形態の凝縮性蒸気である場合
には、分離操作は、単に抽出流体／凝縮物の一部を再循
環ループから、凝縮性蒸気が抽出流体中に同伴される速
度に等しい速度で排出させることを含んでいればよい。
【００１５】操作の向流様式を図１〜３に示したが、横
切る流れと並流との両者もまた本発明の方法に用いるこ
とができる。
【００１６】中空繊維膜の供給側と透過側との差圧は0.
001 〜１気圧の範囲内とする必要があるが、0.01〜0.8
気圧であるのが好ましい。膜の透過側における冷温の抽
出流体の圧力は0.01〜0.99気圧であるのが好ましく、中
空繊維膜の長軸方向に沿った圧力降下は0.8 気圧を超え
てはならない。モジュールを通る供給ガス流の圧力降下
は0.05気圧を超えてはならないし、供給速度は0.001 〜
１Ｎm3／m2分である必要がある。
【００１７】中温の湿った供給ガスの露点と冷温の抽出
流体／凝縮物との温度差は少なくとも１℃であるのが好
ましい。
【００１８】
【実施例】以下、本発明を実施例について説明する。 実施例１ 乾球温度23℃および露点18℃において水蒸気を帯びた空
気からなる中温の湿った供給ガスを、図１に示す形状と
ほぼ同様の形状を有する１ｍ2 の中空繊維モジュールに
周囲圧（１気圧）において0.006 Ｎm3／m2分の速度で供
給した。膜は外径230 μｍ、壁厚７μｍ、内腔215 μｍ
の7050再生セルロース中空繊維（モデルＣＦ１５−１
１、米国イリノイ州ディアフィールド所在のバクスター
・ヘルスケア(Baxter Healthcare) 社製) であった。モ
ジュールを通る中温の供給空気の圧力降下は0.03気圧で
あった。８℃、0.96気圧における冷温の水からなる抽出
流体を中空繊維膜の内腔に通して250 ml／分で排出させ
た。モジュールから排出された冷却水と凝縮蒸気との混
合物流を定常状態で測定した結果８℃、0.9 気圧であ
り、モジュールから排出された冷却除湿された空気を定
常状態で測定した結果乾球温度12℃であり、露点８℃で
あった。
【００１９】実施例２ 乾球温度21℃および露点18℃において水蒸気を帯びた空
気からなる中温の湿った供給ガスを、図１に示す形状と
ほぼ同様の形状を有する0.06ｍ2 の中空繊維モジュール
に、周囲圧（１気圧）において0.01Ｎm3／m2分の速度で
供給した。膜は内腔600 μｍの微孔質酢酸セルロース中
空繊維（米国カリフォルニア州ロサンゼルス所在のミク
ロゴン（microgn)社製）であった。８℃、0.96気圧にお
ける水からなる抽出流体を中空繊維膜の内腔に通して85
0 ml／分の速度で排出させた。モジュールから排出され
た冷却水と凝縮蒸気との混合流を定常状態で測定した結
果８℃、0.9 気圧であり、モジュールから排出された冷
却除湿された空気を定常状態で測定した結果乾球温度８
℃であり、露点７℃であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法で用いる中空繊維を使用したモジュ
ールの一例の断面図である。
【図２】図１に示すモジュールに使用した一本の中空繊
維におけるプロセスの説明図である。
【図３】本発明方法の一例のフローシートである。
【符号の説明】
10 モジュール 12 冷温の抽出流体の入口 14 中温の湿った供給ガスの入口 16 冷却された乾燥ガスの出口 18 抽出流体凝縮物の出口 19 注封材料 20 中空繊維 22 内腔 30 冷温の抽出流体（冷温の水） 40 中温の湿った供給ガス 48 水蒸気凝縮物 50 冷温の乾燥ガス 72 絞り弁 74 液体循環ポンプ 76 分離装置 78 熱交換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デビッド ビー ニューボルド アメリカ合衆国 オレゴン州 97701 ベ ンド タマロ リム コート 19615 (72)発明者 スコット ビー マックレイ アメリカ合衆国 オレゴン州 97701 ベ ンド ボックス 24 サドルバック プレ イス 63415 (72)発明者 ドゥエイン ティー フリーセン アメリカ合衆国 オレゴン州 97701 ベ ンド ツアーマリン レイン 63040

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）供給側および透過側を有する少な
    くとも１個の中空繊維膜を設け； （ｂ）前記膜の供給側と凝縮性蒸気を含有するガス流と
    を接触させることにより、ガス流から凝縮性蒸気を除去
    および回収するに当り、 （ｃ）透過側における全圧を供給側における全圧より小
    さくして、前記膜の透過側と冷温の抽出流体とを接触さ
    せ； （ｄ）前記ガス流から凝集した蒸気を透過側において前
    記冷温の抽出流体中に同伴させることを特徴とするガス
    流から凝縮性蒸気を除去および回収する方法。
  2. 【請求項２】 前記凝縮蒸気を前記冷温の抽出流体から
    除去することを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記冷温の抽出流体を工程（ｃ）におい
    て前記膜の透過側に再循環させることを特徴とする請求
    項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記供給側は前記中空繊維の外側であ
    り、前記透過側は前記中空繊維の内腔であることを特徴
    とする請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記凝縮性ガスは、クロロフルオロカー
    ボン、塩素化炭化水素、非塩素化疏水性有機化合物、非
    塩素化親水性有機化合物、および無機化合物からなる群
    の蒸気から選択されたものであるあることを特徴とする
    請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記塩素化炭化水素は、塩化メチレン、
    トリクロロエチレン、トリクロロエタン、四塩化炭素、
    およびクロロベンゼンからなる群から選択されたもので
    あることを特徴とする請求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記非塩素化疏水性有機化合物は、ベン
    ゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、シクロヘ
    キサン、プロパン、ブタン、ヘキサン、およびオクタン
    からなる群から選択されたものであることを特徴とする
    請求項５記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記非塩素化親水性有機化合物は、エタ
    ノール、メタノール、フェノール類、クレゾール類、ア
    セトン、酢酸エチル、メチルエチルケトン、ニトロベン
    ゼン、トリエチルアミン、アセトニトリル類、ジメチル
    ホルムアミド、およびジメチルアセトアミドからなる群
    から選択されたものであることを特徴とする請求項５記
    載の方法。
  9. 【請求項９】 前記無機化合物は水およびアンモニアか
    らなる群から選択されたものであることを特徴とする請
    求項５記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記中空繊維膜は非孔質であることを
    特徴とする請求項１記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記中空繊維膜は微孔質であることを
    特徴とする請求項１記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記中空繊維膜は親水性であることを
    特徴とする請求項１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記中空繊維膜は疏水性であることを
    特徴とする請求項１記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記中空繊維膜は、酢酸セルロース、
    再生セルロース、ポリイミド、ポリアミド、ポリメタク
    リレート類、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸エチル、
    およびポリアクリロニトリルからなる群から選択された
    ものであることを特徴とする請求項１２記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記中空繊維膜は、ポリスルホン、ポ
    リエーテルスルホン、シリコーンゴム被覆ポリスルホ
    ン、シリコーンゴム、天然ゴム、ブチルゴム、ポリ塩化
    ビニル、ポリアリーレンエーテル類、置換ポリアセチレ
    ン類、ポリウレタン、疏水性ポリアミド類、ポリエチレ
    ン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリイソプレン、
    ポリブタジエン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフ
    ッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニリジン、ポリヘキサフル
    オロプロピレン、ポリスチレン、およびこれらの共重合
    体からなる群から選択されたものであることを特徴とす
    る請求項１３記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記冷温の抽出流体は、親水性化合物
    および疏水性化合物からなる群から選択されたものであ
    ることを特徴とする請求項１記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記冷温の抽出流体は親水性化合物で
    あり、かつ水、グリセリン、エチレングリコール、ポリ
    エチレングリコール、プロピレンカーボネート、アセト
    ニトリル、ジメチルアセトアミド、ステアリン酸、オク
    タノール、フェノール類、およびクレゾール類からなる
    群から選択されたものであることを特徴とする請求項１
    ６記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記冷温の抽出流体は疏水性化合物で
    あり、かつドデカン、シリコーン油、および石油ナフサ
    からなる群から選択されたものであることを特徴とする
    請求項１６記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記冷温の抽出流体は上述の化合物の
    混合物であることを特徴とする請求項１記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記冷温の抽出流体は本質的に液体形
    態の前記凝縮性ガスであることを特徴とする請求項１記
    載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記抽出流体から前記凝縮蒸気を除去
    する手段は、蒸留、真空蒸留、膜蒸留、蒸発、真空蒸
    発、液／液抽出、相分離、晶出、吸着、逆浸透、ナノフ
    ィルトレーション、およびパーベイパレーションからな
    る群から選択されたものであることを特徴とする請求項
    ２記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記冷温の抽出流体から前記凝縮蒸気
    を除去する手段は、前記再循環流から凝縮蒸気を、該凝
    縮蒸気が前記冷温の抽出流体中に同併される速度に等し
    い速度で除去することより成ることを特徴とする請求項
    ３記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記冷温の抽出流体と前記供給ガスと
    の間の温度差は少なくとも１℃であることを特徴とする
    請求項１記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記透過側と前記供給側との間の圧力
    差は0.001 〜１気圧であることを特徴とする請求項１記
    載の方法。
  25. 【請求項２５】 前記供給ガスおよび前記冷温の流体を
    対向する方向に流すことを特徴とする請求項１記載の方
    法。
  26. 【請求項２６】 前記供給ガスは空気であり、前記凝縮
    性ガスは水蒸気であり、前記冷温の抽出流体は水である
    ことを特徴とする請求項１記載の方法。
JP4244928A 1991-09-13 1992-09-14 ガス流から凝縮性蒸気を除去および回収する方法 Pending JPH05277333A (ja)

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