JPH0620512B2 - 浸透気化法による混合物分離装置 - Google Patents

浸透気化法による混合物分離装置

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JPH0620512B2
JPH0620512B2 JP61155207A JP15520786A JPH0620512B2 JP H0620512 B2 JPH0620512 B2 JP H0620512B2 JP 61155207 A JP61155207 A JP 61155207A JP 15520786 A JP15520786 A JP 15520786A JP H0620512 B2 JPH0620512 B2 JP H0620512B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、モジュール内に膜を配列した装置に関し、特
に、浸透気化法による混合物分離を行う平型モジュール
に関する。
膜による分離法は、現在、種々の分野、例えば、海水及
び塩水の脱塩、工程使用溶液の調製、限外瀘過等に於い
て混合物の分離に使用されており、また、気体分離、有
機液体混合物の分離等の分野に於いても膜の利用が始ま
っている。有機液体混合物を分離する最新の方法は、浸
透気化法として知られて居り、蒸気状の透過物質が形成
される点に於いて他の膜分離法と異なっている。他の膜
分離法と同様に浸透気化法に於いても分離すべき混合物
は適当な膜の１面に接触する。
しかし、浸透気化法に於いては、透過及び分離のために
必要とされる膜の両面間での混合物成分の化学ポテンシ
ャルの差は他の膜分離法の場合の如く混合物側の圧力増
加、即ち、化学ポテンシャルの増加により得られるので
はなく、透過側における化学ポテンシャルを低下させる
ことにより得られる。これは最も簡単には透過側を減圧
としてすべての成分の分圧を混合物側の対応する分圧よ
り低下させることにより達成される。気体状で膜を通過
する成分を連続的に排気し、或いは、これを真空中で凝
縮させることにより膜の両面間には十分な分圧差が継続
的に維持される。従って、十分に高い揮発性を有する混
合物成分のみが浸透気化法の膜を通過しうることが明ら
かである。
浸透気化法には細孔のない膜が使用される。浸透気化法
の分離作用は、分離すべき混合物の成分の膜透過速度の
差のみによって決定される。膜の両面間には熱力学的平
衡は存在せず、達成される分離の選択性及び程度は膜の
輸送特性のみにより定まる。従って、熱力学的気液平衡
による分離が不可能な共沸混合物の如き混合物も有効に
分離できる。
本発明の装置に於いて有機液体との混合物からの水の分
離、水性溶液からの揮発性有機化合物の分離、有機成分
混合物の分離あるいは少なくとも１種の非揮発性成分と
の混合物からの少なくとも１種の揮発性成分の分離に使
用しうる浸透気化膜は専門家には種々知られている。
また、浸透気化法の実施用に提案されたモジュールにつ
いての記載も文献中に見出される（例えば、スタッキー
の米国特許第２９５８６５６号、スタッキーの米国特許
第２９５８６５７号、カークランドの米国特許第３１８
２０４３号、テイセンらの米国特許第３３６７７８７
号、およびマーチンらの米国特許第３１４０２５６
号）。
しかし、これらの提案によるモジュール、並びに逆浸透
法及び限外瀘過法に利用されたモジュールを浸透気化法
に使用する試みは不成功であり浸透気化法の工業化を達
成するに到らなかった。これらのモジュールはいずれも
実用的に使用するには浸透気化法に特有の要件及び特性
を十分に充足するものではない。
また、中空ファイバ束による構成も浸透気化法に於いて
は有効ではない。これは浸透側の蒸気の圧力低下が中空
ファイバの中空部の耐えうる値をすぐに超えてしまうた
めである。圧力低下の計算値から中空ファイバを浸透気
化法に使用する場合には、浸透気化法を適当な条件下で
有効に実施するためにはファイバ長は２０ｃｍを超えて
はならない。
また、同様な理由から、通常のらせん状コイルモジュー
ル、即ち、透過物が膜を通過したのちに耐圧性物質で充
填された狭いらせん状の通路を経て透過物収集管へ流れ
る構造も浸透気化法には利用できない。
ＥＰ−８３１０５３８０．６記載のらせん状膜を有する
モジュールでは原混合物と浸透物の流れ方向及び通路が
既知のらせん状モジュールと逆になって居り、従って、
透過物は膜を透過したのちモジュールを出る迄長くとも
モジュール長の半分の開通路を通過することとなる。か
かるモジュールは浸透気化法に有効に使用しうる。
平型モジュールは、構造が簡単なこと及び小さい平面状
膜を使用しうる可能性のため膜技術に於いて重要な地位
を占めている。Ｐ−３３０４９５６．４には、浸透気化
法用の平型モジュールが開示されている。このモジュー
ルは、加熱室、原混合物室及び浸透物室の交互配置によ
り構成される。各原混合物室の加熱は全モジュールの作
動温度を一定に保ち、かつ、浸透気化法による熱損失を
直ちに補う作用を果たす。浸透気化膜を通過する量流は
温度が１０゜K上昇すると約２倍となるが、他方、気化
する透過物は全系即ち原混合物から熱を奪う。また、加
熱室に余分な材料を必要とすること、充填密度の低下、
さらに、原混合物室と加熱空間に余分のシールを必要と
し、これに伴って新たな故障の原因が生じまたシール不
完全の可能性が生じることは平均流量のある程度の増加
により達成しうる膜面積の節約とつり合うものではな
い。また、Ｐ−３３０４９５６．４の記載によれば各透
過物室からの透過物の蒸気はまず閉構造モジュール内の
特別の通路を通過する。従って、かかるモジュールの実
用性を著しく限定する相当の圧力損失が透過物側に発生
し、或いは、膜面積が小さく透過物通路を大きくした小
型のモジュールユニットのみが実用可能となり、このた
め全体の充填密度がさらに低下しモジュールが非常に高
価となってしまう。
本発明は、前記の諸提案の欠点を回避し、かつ、浸透気
化法に於いてモジュールに要求される特定の特性を充足
しうる如き原混合物室、透過物室、原混合物及び透過物
の通路ならびに膜のモジュール内の形状及び配置を提供
する。
以下、本発明の装置を付図を参照して説明する。
第１図は、浸透気化法による混合物分離装置の平面図、
第２図は第１図のII−II断面図であり、プレート６の周
囲には、堤状に突出する膜設置部５が環状に設けられて
いる。この環状の膜設置部５の内側には、膜設置部５の
頂部より低位置に位置する段状の膜シール材設置部７が
環状に設けられ、この膜シール材設置部７上には、膜シ
ール材３２が環状に設けられている。そして、この膜シ
ール材３２上に膜３６がその有効分離層をプレート６側
に向けて設けられている。
プレート６は、膜シール材３２の内側に位置して相互に
対向した位置に供給口１６及び排出口１７を有する。プ
レート６の背面、即ち、膜設置面の反対側の面におい
て、供給口１６と膜設置部５に設けた原混合液供給路２
６とを包含する凹部に供給通路２２が形成され、更に、
排出口１７と膜設置部５に設けた濃縮液排出路２７とを
包含する凹部に排出通路２３が形成されている。第１の
周囲シール材１０は、２枚のプレート６，６′を、その
背面同士が対向するように重ね合わせた際に供給通路２
２をシールする役目を果たし、また、第２の周囲シール
材１１は、２枚のプレート６，６′を、その背面同士が
対向するように重ね合わせた際に排出通路２３をシール
する役割を果たす。また、環状シール材４６，４７は、
２枚のプレートを膜設置側面同士が対向するように重ね
合わせた際に、外部に対してシールされた原混合物供給
路２６及び濃縮液排出路２７を形成する。
原混合物室１，２及び透過物室３，４は交互にモジュー
ル内に組立てられる。原混合物室１，２は、プレート
６，６′の背面同士を対向させると共に、プレート６′
とプレート６″の膜設置側面同士を対向させることによ
り構成される。この際、プレート内側の供給口１６，１
６′，１６″及び排出口１７，１７′，１７″も一対ず
つ配置される。膜シール材設置部７，７′，７″上に設
けられた膜シール材３２，３２′，３２″の上には、膜
３６，３６′，３６″がその有効分離層を膜シール材３
２，３２′，３２″及びプレート６，６′，６″に向け
て設けられる。
２個のプレート６，６′と、その周囲の膜シール材設置
部７，７′及び膜設置部５，５′と、膜３６，３６′
と、膜シール材３２，３２′とにより原混合物室１が区
切られる。そして、原混合室１は、供給口１６，１６′
及び排出口１７，１７′により連通された２個の液体室
８，８′から成る。原混合物室１は、供給通路２２及び
排出通路２３を介して原混合物供給路２６及び濃縮液排
出路２７と結合され、原混合物は、同一モジュール内の
他の原混合物室１と並列にこの室１内を流れることがで
きる。膜３６，３６′，３６″の背面には、スペーサ４
４，４４′により所定の間隔に維持された有孔板４０，
４０′，４０″が設けられ、スペーサ４４，４４′と共
に透過物室３，４を構成する。透過物室３，４の上下面
は、有孔板４０，４０′，４０″により区切られるが、
少なくとも２側面は完全に開放される。また、原混合物
供給路２６及び濃縮液排出路２７が存在する側面におい
ては部分的に開放されている。
第２図に示す原混合物室１，２と透過物室３，４の反復
配置は容易に延長することができる。かかるモジュール
の端部には、透過物室が設けられ、その１面は端部フラ
ンジにより区切られる。モジュール全段は、端部フラン
ジ及び締付けボルト（第２図では簡単のため省略）によ
り保持され、シール材の圧着、並びにシーリングのため
必要な押圧力が得られる。
各モジュール段には、すべての原混合物室に共通な原混
合物供給路２６及び濃縮液排出路２７を有する。
浸透気化法を実施するために原混合物供給路及び濃縮液
排出路を有する本発明の各モジュール段は、減圧可能な
タンク内に置かれ、この中に気体状の透過物を凝縮させ
る適当な冷却凝縮器が設けられる。本発明に於いては、
側面が開放された透過物室を使用し、かつ、モジュール
を減圧可能なタンク内に設置することにより気体状の透
過物が膜背面から迅速、かつ、確実に流出する。
透過物蒸気がモジュールを流出する迄の最長経路は各モ
ジュール室の幅1/2に相当するので、透過物室及び原混
合物室の形状ならびに透過物室を規定するスペーサの大
きさの選択により浸透気化法のあらゆる操作条件に対し
て膜背面から透過物のモジュール流出迄の圧力損失を許
容しうる最小値に押えることが可能である。
本発明の前記の説明から、原混合物室及び透過物室は４
角形以外の形状としてもよく、また、原混合物供給路及
び濃縮液排出路の数及び供給口及び排出口の数、並びに
２枚のプレート間の供給通路及び排出通路の数を増加さ
せてもよく、更には、膜支持部の形状を各浸透気化法の
要求に合わせて変更してもよいことは明らかであろう。
好ましい実施態様に於いては、周囲に堤状の膜支持部を
環状に有して原混合物室を構成するプレートは端部フラ
ンジの圧力によって保持されるのではなく、既知の方法
により１対として溶接、リベット止め、接着又はクラン
プ止めされる。
他の好ましい実施態様においては、堤状の膜支持部を環
状に有して原混合物室を構成するプレート、また、透過
物室を区切る有孔板、更に、透過物室内のスペーサもプ
ラスチック製とされる。浸透気化法に於いて生じる条件
（圧力、温度、溶剤による腐食）に十分に耐えうる一連
のプラスチックが専門家には既知である。
他の好ましい実施態様に於いては、堤状の膜支持部を環
状に有して原混合物室を構成するプレート、並びに透過
物室を区切る有孔板、また、透過物室内のスペーサは金
属製とされる。専門家は無論極端な操作条件に適した金
属（特殊鋼、チタン等）を選択することが出来る。
また、他の好ましい実施態様に於いては、周囲に堤状の
膜設置部を有して原混合物室を構成するプレートは薄い
金属板から深絞り、プレス等既知の方法により形成され
る。
また、他の好ましい実施態様に於いては、有孔板を所定
距離に保持して透過物質を規定する装置として、透過物
の蒸気が通過しうるよう十分に大きな自由断面積を有す
る金属またはプラスチック製の網または格子が使用され
る。
また、他の好ましい実施態様に於いては、透過物室を区
切る有孔板は膜と反対側の平面上に凹凸を有する。２枚
の有孔板の凹凸は、その間に透過蒸気の排出に十分な断
面積の通路が形成されるよう配置される。また、他の好
ましい実施態様に於いては、本発明のモジュール複数個
が１個の減圧可能なタンクに収められ、各モジュールの
原混合物供給路及び濃縮液排出路は、これらモジュール
が直列、並列、或いは、直列と並列の組合せとなるよう
結合される。原混合物は、あるモジュールを出たのち次
のモジュールに入る前に、浸透気化法における熱損失を
補うため、直接または間接に加熱された熱交換器を通過
する。
また、他の好ましい実施態様に於いては、原混合物加熱
用の熱交換器は各モジュールの端部フランジ内に組込ま
れる。
以上の説明から、本発明のモジュール構造及び膜の配置
が浸透気化法に特有の要求すべてを満たし、特に、下記
の特徴を有することが分かるであろう。
原混合物室を２枚のプレートにより構成し、この間に於
いて原混合物の供給、排出を規定された通路により行
う。
膜の設置及び原混合物室のシールを段構造により行う。
これにより余分の網等を用いずに流体等が原混合物側に
形成される。
膜設置部と膜シール材設置部の間の段部により、膜シー
ル材がわずかな力により変形することが回避され、また
原混合物側の高い内圧により減圧状態の透過物室側へと
移動することが避けられる。
透過物の通路が短く、また、その高さが簡単な手段によ
りそれぞれの浸透気化法の要求に適合するよう変更可能
である。
モジュールを減圧容器に収めた構造により、膜背面と真
空ポンプ（凝縮器）との間に圧力損失を容易に減少しう
る。
充填密度が高く、モジュール構造が簡単であり、また、
モジュール内の原混合物室の並列接続により原混合物側
の圧力損失を最小となしうる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明にかかる混合物分離装置の平面図、第２
図は第１図のII−II断面図である。 １，２……原混合物室、３，４……透過物室、５，
５′，５″……膜設置部、６，６′，６″……プレー
ト、７，７′，７″……膜シール材設置部、８，８′…
…液体室、２２……供給通路、２３……排出通路、３
２，３２′，３２″……膜シール材、３６，３６′，３
６″……膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲオルゲ シュレーダー オランダ国、2252 エクスイ、フォールシ ョーテン、ナルシスストラート 14 (72)発明者 ギュンター エフ ツーゼル ドイツ連邦共和国、6650 ホンブルグ／ザ ール、リーゼロッテンシュトラーセ 12 (72)発明者 フランス デー ファン・ヴァイク オランダ国、2353 ジェーデ、ライダード ープ、ドッターブレムクリーク 66

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも１個の原混合物室と、少なくと
    も１個の透過物室と、両者間に設けられて浸透気化法に
    よる混合物分離に適した膜と、さらに原混合物室に接続
    された少なくとも１個の供給通路と、原混合物室に接続
    された少なくとも１個の排出通路とを有する浸透気化法
    による混合物分離装置に於いて、該装置がそれぞれ液供
    給側面及び膜側面を有する２枚のプレート（6,6′）を
    有し、両プレート（6,6′）がその液供給側面を対向さ
    せて配置され、各フレート（6,6′）がその膜側面の周
    囲に前記膜側に突出する堤状の膜設置部（5,5′）を有
    し、前記膜（36,36′）が前記膜設置部（5,5′）上に設
    けられ、かつ、前記膜設置部（5,5′）より内側に位置
    すると共に前記膜設置部（5,5′）より低位にある膜シ
    ール材設置部（7,7′）上に膜シール材（32,32′）を設
    けてプレート（6,6′）と膜（36,36′）との間をシール
    し、更に、プレート（6,6′）と膜（36,36′）と膜周囲
    の膜シール材（32,32′）とが原混合物室（1）における
    ２個の液体室（8,8′）を構成することを特徴とする混
    合物分離装置。
  2. 【請求項２】両プレート（6,6′）それぞれが貫通した
    原混合物供給路（26）と濃縮液排出路（27）とを有し、
    液供給側面に於いて両プレート（6,6′）の少なくとも
    １方に供給用凹部と排出用凹部が設けられて両プレート
    （6,6′）を組合わせた状態に於いてその間に前記凹部
    による供給通路（22）及び前記凹部による排出通路（2
    3）が形成され、各プレート（6,6′）に少なくとも１個
    の供給口（16,16′）と少なくとも１個の排出口（17,1
    7′）が設けられて供給通路及び排出通路と連通し、更
    に、第１の周囲シール材（10,10′）が原混合物供給路
    （26,26′）と、供給通路と供給口（16,16′）とを包囲
    するようにプレート（6,6′）の液供給側面間に密着し
    て配置され、また第２の周囲シール材（11,11′）が濃
    縮液排出路（27,27′）と、排出通路と、排出口（17,1
    7′）とを包囲するようにプレート（6,6′）の供給側面
    間に密着して配置されている特許請求の範囲第１項に記
    載の混合物分離装置。
  3. 【請求項３】両プレート（6,6′）が面対称に構成され
    対向して配置される特許請求の範囲第１項または第２項
    に記載の混合物分離装置。
  4. 【請求項４】複数の原混合物室（1）と透過物室（3）が
    交互に構成単位として配置され、原混合物室（1）の液
    体室（8,8′）に有効面を向けて配置された２個の膜（3
    6,36′）により各透過物室（3,4）が区切られる特許請
    求の範囲前記各項のいずれか１項に記載の混合物分離装
    置。
  5. 【請求項５】各原混合物室（1）が他と並列に作動する
    ようすべての原混合物室（1）が相互に構成される特許
    請求の範囲第４項に記載の混合物分離装置。
  6. 【請求項６】すべてのプレートが少なくとも１個の原混
    合物供給路（26,26′）と少なくとも１個の濃縮液排出
    路（27,27′）とを有し、前記原混合物供給路（26,2
    6′）がすべて相互に連通し、前記濃縮液排出路（27,2
    7′）がすべて相互に連通し、隣接するプレート（6,
    6′,6″）の膜側面の間に前記原混合液供給路（26,2
    6′）及び前記濃縮液排出路（27,27′）をそれぞれ包囲
    する環状シール材（46,47,46′,47′）が設けられて構
    成単位のプレートすべてに対し少なくとも１個の連通し
    た原混合液供給路及び少なくとも１個の連通した濃縮液
    排出路が形成される特許請求の範囲第４項または第５項
    に記載の混合物分離装置。
  7. 【請求項７】原混合物室（1）が１面の周囲に堤状に突
    出した膜設置部（5,5′）を有しかつ供給口（16）及び
    排出口（17）を有する２個のプレート（6,6′）から構
    成され、この間にそれぞれ少なくとも１個の原混合物供
    給用供給通路（22）及び濃縮液排出用の排出通路（23）
    が形成され、また各プレート（6,6′）の周囲の膜設置
    部（5,5′）上に膜（36,36′）が設置され、更に、膜シ
    ール材（32,32′,32″）が前記膜設置部（5,5′）の内
    側でかつ前記膜設置部（5,5′）より低位に位置する膜
    シール材設置部（7,7′）上に在るよう配置され、また
    １組のプレート（6,6′）の対の膜（36,36′）と、プレ
    ート周囲の堤状の膜設置部（5,5′）と、プレート（6,
    6′）とによって相互に連通した２個の部分室（8,8′）
    から成る原混合物室（1）が形成され、該室（1）が膜
    （36,36′）の有効分離層に面しかつ原混合物供給路（2
    6）及び濃縮液排出路（27）のみにより出入可能である
    特許請求の範囲前記各項のいずれか１項に記載の混合物
    分離装置。
  8. 【請求項８】透過物質（3,4）がスペーサ（44,44′）に
    より隔てられそれぞれ膜（36,36′）の背面を支持する
    ２個の有効板（40,40′）により形成される特許請求の
    範囲前記各項のいずれか１項に記載の混合物分離装置。
  9. 【請求項９】透過物質（3,4）の少なくとも３側面が開
    放されている特許請求の範囲前記各項のいずれか１項に
    記載の混合物分離装置。
  10. 【請求項１０】複数の原混合物室（1,2）の原混合物供
    給路（26,26′,26″）が相互に接続されかつ外部に対し
    シールされ、また複数の原混合物室（1,2）の濃縮液排
    出路（27,27′,27″）が相互に接続されかつ外部に対し
    シールされる特許請求の範囲前記各項のいずれか１項に
    記載の混合物分離装置。
  11. 【請求項１１】周期的に反復する原混合物室と透過物室
    の群ならびにすべての原混合物室に共通な１個の原混合
    物供給路及びすべての原混合物室に共通な１個の濃縮液
    排出路が保持装置により一体に保持され、このように一
    体化された装置が減圧可能な容器内に配置される特許請
    求の範囲前記各項のいずれか１項に記載の混合物分離装
    置。
  12. 【請求項１２】各室を一体化しこれを１個のモジュール
    として構成する端部フランジと締付けボルトにより該保
    持装置が構成される特許請求の範囲第１１項に記載の混
    合物分離装置。
  13. 【請求項１３】同一の複数個のモジュールが共通に１個
    の減圧可能な容器内に配置され、各モジュールの原混合
    物供給路及び濃縮液排出路が直列または並列に接続さ
    れ、原混合物が２個のモジュール間に於いて熱交換器で
    加熱されるよう装置内に熱交換器が配置構成される特許
    請求の範囲第１２項に記載の混合物分離装置。
  14. 【請求項１４】熱交換器がモジュールの端部フランジ内
    に組込まれ配置される特許請求の範囲第１３項に記載の
    混合物分離装置。
  15. 【請求項１５】透過物室が有孔板により保持された２個
    の膜により区切られ、該有孔板（40,40′,40″）がその
    面内に於いて大きい自由断面積を有するスペーサ（44,4
    4′）により所定距離に保持される特許請求の範囲前記
    各項のいずれか１項に記載の混合物分離装置。
  16. 【請求項１６】透過物室が２枚の膜により区切られ、前
    記膜が有孔板上に配置され、前記有孔板が相互に対向す
    る面上に凸起を有し、該凸起により透過物の排出用通路
    が形成される特許請求の範囲第１項乃至第１４項のいず
    れか１項に記載の混合物分離装置。
  17. 【請求項１７】プレート（6,6′）がプラスチック製で
    ある特許請求の範囲前記各項のいずれか１項に記載の混
    合物分離装置。
  18. 【請求項１８】プレート（6,6′）が成形された金属板
    製である特許請求の範囲第１項乃至第１６項のいずれか
    １項に記載の混合物分離装置。
  19. 【請求項１９】原混合物室（1）を構成するプレート
    （6,6′）が相互に２個のプレート単位として結合され
    る特許請求の範囲前記各項のいずれか１項に記載の混合
    物分離装置。
  20. 【請求項２０】プレート（6,6′）がリベット、溶接、
    溶着またはクランプにより相互に結合される特許請求の
    範囲第１９項に記載の混合物分離装置。
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