JPS59216605A - 滲透蒸発膜を用いる分離法 - Google Patents

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】 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、滲透蒸発操作によって溶液中の成分を分
離する際にその分離精度を向上させるための改良に関す
るものである。

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成る種の混合液では
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っては各成
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。

最近に至って、溶液中の成分を分離するために、滲透蒸
発法（ｐｅｒｅｖａｐｏｒαｔｉｏｎ　）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、従来セロファン、ナイロン、ナフイヨ
ン等の膜が使用されている。

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チ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
は十分に満足し得るものではない。

本発明者等は、この滲透蒸発法において、特定の成分に
富んだ蒸気を凝縮液化させ、その一部を環流液として滲
透蒸発膜の高圧側の上部に戻すことにより、分離精度を
向上させ得ることを見出した。

本発明の目的は、分離精度の向上した滲透蒸発分離法を
提供するにある。

本発明の他の目的は、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。

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、他方の面を直接減圧するか、或い
はキャ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
蒸発膜の一方の面側の上部に戻し、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、そのまま
或いは加熱した後、滲透蒸発膜の蒸発側にキャリヤガス
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。

本発明によれば更に、混合原液の重量分率対蒸気の重量
分率をプロットした浸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ッ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、他方の滲透蒸発傾向を示す滲透蒸発膜を備えた第二
のユニットの膜の高圧側に通し、他方の面を直接に或い
はキャ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、未凝縮ガスをキャリヤガスとして前記
膜の蒸発側に循環し、蒸発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。

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な示す第１
図において、この装置は第一の浸透蒸発ユニットＡと第
二の浸透蒸発ユニットＢとを含んでいる。これらのユニ
ットＡ及びＢについて、共通の部材は共通の引照数字で
示し、またユニットＡについての部材は添字αを付して
、ユニットＢについての部材は添字すを付して夫々示す
。

各ユニットは浸透蒸発膜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６
が形成されている。

原液室２の中央部には原液の供給ジイン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６の上
部には蒸気の排出ライン７が、またその下部にはキャリ
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１６に接続される。この凝縮液タンク
１６の気相部は前述したキャ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、第一ユニットＡ
の凝縮液ライン１４αはバルブ１６ａを介して第二ユニ
ットＢの原液ライン４ｂに接続され、一方第ニユニット
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（−）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（、Ｖ）を縦軸
として両者の関係をプロットすると、このプロットは３
１　＝、！’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・ニジストマー膜は、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−プロパツール（Δ）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（−）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Ｓ
Ｒはオルガノポリシロキサン膜を、記号ＰＰＯはポリフ
ェ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、第一ユニットの滲透蒸
発膜１α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、一方第ニユニットの
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（
、不活性ガスの圧力は減圧弁２６により所望の値に設定
する。

先ず、第一ユニット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４αを通して、高圧室シα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２αから
浸透蒸発膜１α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、従って蒸発室６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９α内に吸
引される。真空ポンプ９αの排出側は大気圧近辺となっ
ており、この蒸気含有不活性ガスはコンデンサー１１α
を通ることにより潜熱を奪われ、該ガス中の蒸気は凝縮
液夕／り１６α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５α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１６αで分離される
、未凝縮ガスを、必要により加熱機構２４αで加熱した
後、ライン８ａを通してユニットＡの蒸発室６αにキャ
リヤガスとして循環する。

また、凝縮液タンク１３αで分離回収される凝縮液は、
ライン１４αを通して、その一部をバルブ１５α及びラ
イン６αを通して、還流液として滲透蒸発ユニットＡの
高圧室２αの上部に戻し、その残りをバルブ１６α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１３αで分
離回収される凝縮液を滲透蒸発ユニットＡの高圧の原液
室２αの上部に、還流液として戻すことにより、原液室
２α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１６ａで回収される凝縮液の全量を
原液室２α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（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
一部な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ットを使用しても、多段の滲透蒸
発ユニッ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
クからの未凝縮ガスをキャ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、成る程度の膜
分離能力を得ようとすると１トール（１ｙ＋ｍｌＨ！　
）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は得ない。これに対して、本発
明によれば、滲透蒸発膜の減圧室にキャリヤガスを通ず
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６倍に
も達する膜分離能力が得られるのであって、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ャリ
ヤガスとして循環すると、全ての分離操作を密閉系（ク
ローズドサーキット）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ＣＲ）と回収液量ＣＤ）との比ＣＲ／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ットの高圧側に供給し、少
量の他の成分な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１４ａ１パルプ１６α及び液供給ライン４ｂ
を経て、第二の滲透蒸発ユニットＢの高圧室２ｈの中央
部に供給される。この滲透蒸発膜１ｈ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。

第二のユニットＢにおけるガス及び液の循環系も第一の
ユニットＡのそれと同様であり、凝縮液タンク１６αで
分離回収される凝縮液の一部はライン１４ｂ、パルプ１
５ｂ及び戻りライン６ｂを通して高圧室２にの上部に還
流され、残りはフィン１４ｈパルプ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之イン５ｂを通して系
外に回収される。

本発明において、滲透蒸発膜ユニットとしては、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ったユニ
ッ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（ナツシュ型）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、ユニットＡとしては、内径２０
朋×高さ１０００朋の中空シリコンゴム膜１６本を備え
有効膜面積が１７７１２　　のものを使用した。ユニッ
トＢとしては、内径２０關×高さ１０００ｍｍの中空ポ
リスエニレンオキシ膜１６本を備え、有効膜面積が１７
７１２　　のものを用いた。

エタノール濃度１０モルチのエタノール水溶液ヲ、６０
℃の温度で第一ユニットＡの高圧空に、液温６０℃、圧
力大気圧で７２モル／ｈτの流量で供給した。蒸発室の
圧力を１００トールＣｍｍＨｇ）に維持すると共に、窒
素ガスをキャ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
ル係のエタノール水溶液を１．６６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
係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。

第一ユニットから回収される凝縮液（エタノール濃度５
２．５モル係）を１．６６モル／ｈｒの流量で第二ユニ
ットの高圧室に供給した。減圧蒸発室は、第一ユニット
と同様に１００トールの圧力とし、窒素ガスをキャリヤ
ガスとして通した。第二ユニットの還流比も約２とし、
エタノール濃度６．５モル係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。

第二ユニットの高圧室からはエタノール濃度９９モルチ
の濃厚エタノールを０．６７７モル７ｈｒ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は第一ユニット、Ｂは第二ユニット、１は滲透蒸発膜
、２は原液室、６は蒸発室、９は真空ポンプ、１１はコ
ンデンサー、１６は凝縮液タンクを夫々示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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、他方の面を直接減圧するか、或いはキャリヤ
   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一
   方の面側の上部に戻し、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、そのまま或いは加熱
   した後、滲透蒸発膜の蒸発側にキャ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. （２）混合原液の重量分率対蒸気の重量分率をプロツト
   シた浸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
   ユニッ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、他方の滲透
   蒸発膜を備えた第二のユニットの膜の高圧側に通し、他
   方の面を直接に或いはキャ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、未凝縮ガスをキャリ
   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。