JPS6084105A - 膜蒸発の方法および装置 - 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】 本発明は蒸発技術、とくに多孔膜を使用して液体の蒸発
を促進し、また諸物質を分離する技術に関するものであ
る。

液体の蒸発についてはほぼ完全に探究されている。一般
に受け入れられている蒸発理論によれば物質の分子は連
続的な運動状態にあシ、また多種の分子力によって従い
に拘束されている。分子のエネルギーは成分布をしてお
シ、また統計理論ではこの分布は一般にベル型をとって
いる。分子がその物質の露出面からの平均脱出エネルギ
ーよシも高いエネルギーをもち、その速度が大きくなっ
て分子力では拘束できなくなったときに蒸発が起こる。

露出面から脱出する分子もまたエネルギーの分布をもち
、またこの蒸発物質の物理的および化学的性質および圧
力や温度のような周囲条件に応じて分圧を呈する。脱出
分子はその運動を続けるが、母液からは解放されておシ
、よシ長い距離を移動できる。これら分子がガス相中を
運動する能力は分子の平均自由行程であられされ、これ
は衝突間の平均距離である。液体から離れることによっ
て、この蒸発した分子は物質移動境界層を形成し、ここ
では蒸発した分子の濃度は母液からの距離とともに急救
に低下する。

蒸発プロセスは下記の三機能のうちの１つまたは２つ以
上を行うだめに使用される。

１、　周囲のまたは通過流中の或種の物質含有率の増加
（増湿）； ２、所定物質の熱エネルギーの低減（冷却）；および ３、　混合物の成分の分離（゛液−液°′分離、乾燥）
。

増湿および蒸発冷却の諸プロセスでは基本的には蒸発さ
れる物質として水を取シ扱う。蒸発分離は蒸留プロセス
において広く使用さ涯る。本プロセスにしたがって、異
る沸点をもつ物質は蒸発プロセスによって分離できる。

これはよシ低い沸点をもつ物質は、より高い速度にて蒸
発するためである。蒸留中の成る点で、混合物中の諸成
分が蒸留によっては変換できない濃度に到達する場合、
問題が起こる。この混合物を蒸留しても液体混合物のそ
れと同じ比率の成分をもつガス状物質を生成する。この
ような混合物は共沸物質として知られている。

物質に選択的拡散を行わせる膜も知られている。このよ
うな膜は半透膜を通過する溶剤の化学的伝送に立脚して
いる。よシ高い溶質濃度をもつ膜の側の液へ圧力を加え
ると、液の流れを停止できる。液の流れを止めるのに必
要な圧力の大きさは浸透圧として知られている。

ガスおよび液が有孔物質を通じて拡散することも知られ
ている。これらの物質は一般に微細孔構造をもち、その
孔の直径は１乃至数百ミクロンのオーダーである。米国
特許第３、６ＦＡ　、　６１８号〔クライン（Ｊ（Ｊｅ
月］）〕では焼結された疎液性合成物質を流体類の分離
に使用している。この孔のサイズは好ましくは５乃至２
００ミクロンであシ、拡散はこの膜の表面を通じて起こ
る。この特許に開示きれたプロセスの％筆ずべき特長は
、分離が膜−液界面領域から開始される点、すなわち、
脱出分子は反対側へ到着するまえに膜の全厚みをのシこ
えなければならない点である。

米国特許第４，２６５，７１３号〔チン（Ｃｂｉｎｇ）
）では蒸留に複合膜（ｃｏｍｐｏｓｉ　（ｅ　ｍｅｍｂ
ｒａｎｅ　）が使用できることを示している。この複合
膜は牙１の薄い層疎液微細孔の層と第２の薄い親液層と
を含む。蒸発は疎液膜において行われ、親液膜はこの疎
液層の孔への蒸留物の侵入を阻止する。親液層は蒸留物
に隣接し、疎液層は留出物に隣接する。この膜が塩水の
脱塩に使用される場合、この装置は水ロギング　（ｗａ
ｔｅｒ　−ｊｏｇｇｉｎｇ　）として知られる状態を阻
止する。好ましい疎水物質ばｏ、　５ミクロンよシも小
さい平均細孔サイズをもつポリテトラフルオロエチレン
である。

微細毛管をもつ焼成金属またにセラミック板を通じて液
を強制通過させると物質移動が著しく増大する、といっ
た多孔蒸発（１）Ｏｊ’０ｕ５ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ
　）もまた知られている。この液は蒸発面へ持ち出され
、また蒸発分子の噴出は蒸発分生ヤリャー流の層状下層
を低減させる。このような装置の物質移動係数は、平坦
で開放の液表面のものに比べて何十倍も高い。

不幸にも、ここで使用された焼結板には三大欠点がある
。第１は、大きな物質移動面をもち、しかも合理的な大
きさの装置を製作することがほとんど不可能な点である
。、ｔ２は少くとも約０．３　儂（１７８１ｎｃｈ　）
　の厚さの板を液が通過するのに高い圧力を要する点で
ある。

本発明において、多孔蒸発の現象が膜分離技術と組み合
わされる。この組み合わせは質的に新プロセスの創出で
あり、数種の独特な利点をもつ。第１に、コンパクトな
装置への大きな熱および物質移動面の組み込みが可能で
ある。第２に、沸点にて操作する先行蒸発路プロセスを
低レベルのエネルギーしか安しないプロセスに置換する
ことが可能である。

之・３に、共沸物質の分離を含む液分離にエネルギー効
率のよい方法を提供する点でちる。

牙４に、空気調節および乾燥のような多種の熱消費系の
効率を高める技術を提供する点である。

本発明は多孔性物質を使用して物質の蒸発速度を高め、
また物質の相互分離を容易にするための方法および装置
に関するものである。

成る物質が多孔膜の第１側面に接触して置かれ、孔を通
じて蒸発が行われ、蒸発された分子は膜の反対側の第２
側面へ到達する。本発明によればこの物質に圧力がかけ
られ、それによってその物質を細孔の中へ強制的に侵入
させ、孔の中のこの物質の頂部と膜の他方の側面との間
の距離が膜の厚みよシもかなシ小さくなるようにする。

これは、孔の中で物質の表面から脱出する分子が細孔中
の非常に僅かの残存距離を移動して膜の反対側へ脱出し
、蒸発分キャリヤーによってそれらが収容されうる空間
へ入ることを意味する。

また、この孔の直径は、毛管圧力がこの物質の蒸気圧を
増大させるように選ばれ、その圧力が微小毛管に特有の
彎曲面がない場合のこの物質の分圧よシも高くなるよう
にする。

物質の蒸発速度の増大に加えて、本発明の方法および装
置は諸物質、とくに共沸混合物の分離にとくに有用であ
る。本発明によれば、共沸混合物中の諸物質の分子の平
均自由行程が異る場合、分離は容易であシ、この混合物
を多孔膜の孔へ侵入させ、より大きい分子平均自由行程
をもつ物質をより小さい分子平均自由行程をもつ物質に
優先して蒸発させることによって行われる。孔の中の物
質の頂部から膜の第２表面捷での距離が少くとも短い方
の分子平均自由行路よシも長くなるような厚さをもつ膜
の提供によって、とのよｐ短い分子平均自由行程をもつ
物質の蒸発は著しく低減される。

本発明の目的は、多孔膜によって物質の蒸発を促進する
方法および装置の提供である。

さらに、本発明の目的は、蒸発させるべき物質を多孔膜
の孔に侵入きせ、この物質と膜の反対側との距離をこの
膜の厚みよりも短くするような方法および装置の提供で
ある。

また、さらに本発明の目的は、混合物、特に共沸混合物
の鎖成分を容易に分離する方法および装置の提供である
。

第１図は多孔膜による蒸発の既知の方法を示す。膜２は
複数の細孔４をもつ。この膜は既知の焼成材料、たとえ
ば焼成ポリテトラフルオロエチレンである。蒸発させら
れる物質６は膜２の一方の側面へ配置され、メニスカス
８は細孔４の中に形成される。物質６を脱出するのに充
分なエネルギーをもつ分子は細孔４を経て移動し、膜の
他方の側面へ出る。物質１０は膜の第２側面へ配置され
、これが液体であればメニスカス１２を形成する。物仙
１０は蒸発された分子のためのカス状牛ヤリャーとする
こともでき、この場合メニスカス１２は形成されない。

液状物質６は細孔４へ入ることはなく、蒸発する分子が
移動しなりればならない距離は先行法の効率に法人な影
響を力える。これは分子の限定された部分しか膜２の第
２側面へ到達できないためである。

また、大低の壱行法では膜の両側面に液の実体があるた
め、細孔４の断面または毛管が物質移動を増大したりま
たは容易にするこ′とはない。すなわち毛管圧力の効果
はない。

牛ヤリャー１０は膜の第２側面へ配置され、蒸発した分
子の濃度の、通過孔断面中と牛ヤリャー流体中とでの濃
度差に比例する速度にて蒸発された分子を運び去る。

第２図は本発明による蒸発を説明するものである。膜２
は第１図に示したような細孔４をもつ。物質乙に圧力が
かけられ、物質６の液柱１４が細孔４に入るようにする
。物質６と膜２の材料との相互作用に基いて第１図に示
し７たようなメニスカス８が形成される。本発明によれ
ば、柱１４は処理されるべき物質を膜の第２側面へ近づ
け、表面８を脱出する分子の移動距離を低減させる。注
意すべきことは、物質乙に加えられる圧力は、この物質
を膜の孔４゛を貫通させるほど大きくはなく、細孔４の
中に液柱１４を部分的にはいらせれば充分方ことである
へ ２・２図に示した方法は蒸発速度を著しく増大させる。

また、珂・３図は物質とを加圧する効果のグラフ説明で
ある。横軸は水のインチ高さで測定された膜２にかけら
れた圧力を表わす。縦軸は蒸発速度の増加す分率４であ
り、蒸発速度であシ、β０　は平坦表面からの蒸発速度
である、）として定義される。蒸発速度６図のグラフ中
の線は各線」−に示されたようにいろいろな孔のサイズ
に対するデータを表わす。孔のサイズは５１１〕記乃至
０．４５１１１：５Ｊの範囲である。

多孔膜を通じる蒸発速度は、一般に膜にかけられる圧力
に比例することを第４図は示している。これは物質６が
細孔４へ入って蒸発された分子が移動しなければならな
い距離を低減させるためと思われる。

第３八図は、本発明の方法の基礎をざらに説明するだめ
のものである。蒸発する分子は１１、ｌＩＩ孔４の内部
に物質移動境界層としての濃度プロファイルを形成する
。左側の部分は細孔４の中の物質の液柱１４を示す。右
側の部分は先行技術および本発明における濃度プロファ
イルの代表的な形を示す。

右側のグラフの縦軸は境界層の厚みである。

この軸は左側の図にそろえてあり、この縦軸に沿う距離
は細孔４に沿う距離と同じとなるようにしである。先行
技術における濃度を曲線へによｐ、本発明のものを曲線
Ｂによって示す。従来法では蒸発速度は濃度ｃ１（に依
存し、本発明の方法では蒸発速度は濃度ＯＮによって決
まシ、ＣＮ１ｄＣ１（よｐも太きい。ｃ。

は膜の第２側面上のキャリヤー流における蒸発分濃度を
表わす。簡便のため、キャリヤー中のプロファイルは記
載しなかった。蒸発の駆動力、すなわち分圧差は相当す
る濃度に比例する。すなわち△ＰＫはＣＩ（およびＣｃ
の関数であシ、また△ＰＮ　は△ＰＩ（よりもはるかに
太きい。

第４図は共沸混合物の成分分離に使用できる本発明の詳
細な説明するものである。物質６は加圧されて若干の物
質が細孔４の中−３人シ、細孔４の中に液柱１４が生成
きれる。液柱１４は、第１成分の分子が第２成分の分子
よりもずっと高い比率にて膜の他の側面へ脱出するよう
な高さである。脱出する分子を白マル１６で示して上記
の説明を渚えてみると、それらの分子は黒マル１８で示
した第２成分分子の平均自由行程より大きい平均自由行
程をもつ。後者は脱出しないか、または脱出しても低量
であるので、実質的には蒸発しない。

共沸混合物の成分は一般に異る平均自由行程をもつので
、これらの鎖成分の分離が容易に達成されることが理解
されよう。

液柱１４の頂部と膜２の牙２表面との間の距離は好まし
くは所定温度における分子平均自由行程より短く、また
膜の厚みの７０％よシ短くされる。物質乙にかけられる
必要圧力はこの物質の温度に依存し、また使用可能な圧
力および多孔膜２の厚みにしたがって物質６の温度を上
げたシ下げたシすることもてきる。

毛管の太さは、その毛管圧力が最高毛管圧力の２０乃至
６０パーセントとなるようにきれなければならない。こ
の最高毛管圧力は次（式中、Ｐｃは毛管圧力であシ、σ
は表面張力であシ、ρＶはガス相における蒸発分の密度
であシ、ρＣは液体の密度であり、丑たγはこの通路断
面へぎつしシ詰められた５乃至７分子の蒸発分を含有す
る円筒形通路の最小半径として定義逼れた毛管半径であ
る。）共沸混合物の成分の分離は回礼４の直径が異る２
個の隣接膜を直列に使用して行うことができる。この技
術ではエネルギー効率がよい。

膜の第２側面上に配置された蒸発分生ヤリャーは静止し
ていてもよく流動していてもよい。すなわち、この分離
プロセスは連続流動式またはバッチ処理のどちらによっ
てでも達成できる。本発明にしたがって分離または蒸発
を行う装置を第５図に示す。フィードライン２０は蒸発
されるべき混合物を制御バルブ２２へ導き、この制御バ
ルブはこの物質を導管２８を経由して室２４および２６
のどららかへ導く。室２４および２６はどちらも膜２に
よって第１部分６２と第２部分６０とに分離されている
。留出物用の牛ヤリャーが６４から部分６０へ導入され
、部分３０を通過し、蒸発された分子を収容したのち６
６から１］旨Ｃ行く。蒸発された物質の６６における分
用Ｑ７Ｊ、°′気−液パ平衡状態に依存する。たとえは
、混合物から水が分離される場合、この牛ヤリャーの露
点は−４０乃至−５１℃（−４ｏ乃至−６０°Ｆ）程度
の低さとし、また残留物の高純度を達成するためにはそ
れよシも低くすることもできる。

バルブ３８は室６２の出口を制御し、またドレインバル
ブ４０および４２は室６２から採取貯蔵器４４への流体
の通過を制御する。

第５図に示した装置の操作は第６図に示したグラフによ
って説明でき、このグラフでは横軸は時間を表わし、縦
軸は室２４及び２６の各膜２にかけられる圧力を表わす
。第１ライン４６は圧力、たとえば室２４の圧力を表わ
し、またライン４８は圧力、たとえば室２６の圧力を表
わす。各室の圧力はバルブ２２゜３８．４０および４２
の開閉にしだがって周期的に増加することがわかる。こ
れらのバルブは牙５図の破線で示されるように、だがい
に連結されておシ、操作は自動的に行われる。

流体はバルブ２２を経由してまず室２４へ入れられる。

液柱１４の形成を開始するため、バルブ３８は短時遅れ
て（２〜３秒）開き始める。細孔４の中の液柱が所定の
高さになるまで圧力はライン４６にしたがって増加する
。

この圧力は蒸発を行わせる所定時間だけ保たれる。つぎ
に、物質を室２６へ入れてそこの圧力を増加し、本発明
の原理にしたがって蒸発を行わせるようにバルブ２２お
よび６８が変換を開始する。同時に室２４の部分６２の
圧力はゆつ〈シ低下して行く。この圧力低下は残余の分
子が蒸発分生ヤリャー、へ入って行くのを停止する。こ
の液の流れが完全に室２４から切れたとき、ドレインバ
ルブ４０が開いて残留物質をこの室２４から排出きせる
。室２内の圧力が解放されると、膜の′Ａ−２側１πｆ
土のキャリヤーからの圧力が孔４から残存流体を駆逐す
る。こうしてこのサイクルは反復される。

分離のこの振動方式丑たけ周期的方式は、残留液の物質
移動境界層が発達したときに起こる分離の渋滞を阻止す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は先行技術による蒸発を示すダイアグラムである
。 第２図は本発明による蒸発を示すダイアグラムである。 第２八図は本発明の詳細な説明するだめのダイアグラム
およびグラフである。 坩・３図は本発明による共沸混合物の蒸留を示すダイア
グラムである。 第４図は本発明による蒸発の増大を示すグラフである。 第５図は本発明による装置の系統的ダイアグラムである
。 則・６図は第５図の装置が使用されるための圧力変動を
説明するグラフである。 膜−−−一−−−−−−−−−・−−一−〜−−−’−
−−−−−＝−−−−−−−−−２細孔−一一一−−−
−−−−−−−−−〜−−−−−−−一一−−−〜−−
−−−−−−−−−−４蒸発きれるべき物質　−−ｍ−
・−−−−−−−−−−−−−−−−−−６メニスカス
ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー・−−−−
−−−−−−−−−−−８牛ヤリヤー　−−−−−一−
−−−−−−−−−−−−−−−−−一−−−−−−−
−−・１０メニスカス　−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−−−−−−−−−１２液柱−一−
−−−−−−−〜−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−−１４脱出分子−−−−−−−〜
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−１／）之・２成分の分子、−−一−−−−−
〜−−・−一−−−−−−−〜−−−−−−７１８フィ
ードライン　−一一一一−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−〜−−−−−２０制御バルブーーー−−−−
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−２２室、−−一−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−一−−−−−−−−−−−−・−−−−一−
−−−・２４室−、−−−−−−−−−−−−一−−−
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−２６導管−−−−−−−−一一一−−−−−−−−
−〜−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−２８
第２部分−−−−〜−−−−−−−−−−−−〜−−−
−−−−−−−−−−−−−−、−３０第１部分　−−
−一一一〜−−−−−−−−−−−−・−一〜−−−−
−−−−−−−−−−−３２キヤリヤ一人ローーーーー
ーー−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
３４牛ヤリヤー出ロ　−−−−−−−−−−−−−−−
−−ｍ−−−−・−−−−−−５６室６０の出口を制御
するバルブー−−−−一−−−−−３８ドレイン制御バ
ルブー−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
−４０トレイン制御バルブー−一−−−−−−−−−〜
−一−−〜−−−−−−４２採取貯蔵器　−一−−−−
−−−−−−−−−−−−−−−−−−＝−−−−−−
−−−−４４室２４の圧力を表わすラインーーーーーー
−−−−−−−４６室２６の圧力を表わすうイン一一一
一〜−一〜−−−−−４８図面の浄書（内容に変更なし
） ／　２３４５ 圧力 ＦＩＧ、　３ キ・、′リヤー ＦＩＧ、６ 手　続　補　正　椙− 昭和５９年１０月２５日 特許庁長官　志賀　字数 ］、　Ｊ田・の表示昭和５９　年　特許願第１５５１２
６号３　補止をする者 事ｒ１との関係　特許出願人 ４代理人 ５　補正の対象　（Ｉ）「明細書」 （１）別紙の通り、明細１１１１通を提出致します。 （２）別紙の通り、正式図面１通を提出致し」ニオ。 」−申：出願当初平和明細書を提出致しましたが、この
１（美タイプ印則明細書を提出致しますのて浦差似え］
５・０います。 手続補正書 昭和５９年１０月２５日 特許庁長官志賀　学　殿 １４坏Ｉの表ノｊ・昭和５９年　特許願第１５５１２６
号３　補正をする者 ４代理人 ５　補正の対象　（１）明細書の「発明の詳細な説明」
の４１１ｔｌ（１）明細書第８工１第６行目の 「薄い層疎液微細孔」を 「薄い疎液微細孔」に訂正する。 （２）同上第１１百第１０行゛目の 「自由行゛路」を 「自由行程」に訂正する。 （３）同上第１４頁第１９行目の 「第４図」を 「第６図」に訂正する。 （４）同上第１１百第１０行目の 「５　ｍＥ、　ｊを 「５０１μ」に訂正する。 （５）同上第１４頁第１６行目１の ［０，４５ｍＥ　ｊを ｒＯ，４５＋ｎμ」に訂正する。 （６）間」二第２　Ｉ　Ｏ第５行目の 「第２Ａ図」を 「第３Ａ図」に訂正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　実質的に均一な大きさの複数個の細孔をもつ膜を
   通してオフ物質の蒸発を促進する方法において、該第１
   物質を該膜の第１表面に接触させ加圧下に置き、それに
   よって該第１物質の或部分を該膜の細孔内に侵入きせ、
   該第１物質の頂部と該膜の第２表面との間の距離を膜の
   厚さよシも短くすることを特徴とする該第１物質の蒸発
   を促進する方法。 ２、該細孔における該第１物質の頂部と該牙２表面との
   間の距離を該膜の厚みの７０％よシも短くすることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ６、細孔における該第１物質の頂部と該膜の該第２表面
   との間の距離を蒸発される分子の分子平均自由行程よシ
   も短くすることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記
   載の方法。 ４、該第１表面に平行な平面における核化の寸法を、該
   第１物質の蒸発分子によって作用される分圧が毛管圧力
   によって増幅されるようにすることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項に記載の方法。 ５、該第１物質が牙２物質と混合されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第４項に記載の方法。 ６、該第１および第２物質は蒸留の手段では分離できな
   いが、該刃・１物質の分子の分子平均自由行程が該第２
   物質の分子平均自由行程よシも長い場合、該膜を通じて
   の該牙１物質の蒸発によって該第１および第２物質が分
   離されることを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載
   の方法。 Ｚ　該第１物質は第２物質と混合されておシ、また該刀
   ・１物質の分子平均自由行程は該第２物質のそれよシも
   長いことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方
   法。 ８、該第１および牙２物質は実質的に等しい沸点をもつ
   ことを特徴とする特許請求の範囲オフ環に記載の方法。 ９　該圧力は該物質へ周期的にかけられることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の方法。 １０　蒸発速度に影響を力えるための該牙１物質の温度
   制御工程を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の方法。 １１、該距離は平均分子自由行程よシも短いことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。 １２、多孔性材料によって第１および第２部分へ分割さ
   れた室よシ成シ、該牙１室は該牙１物質の受容に適合し
   ておシ、また該第１物質へ圧力を加える手段を含み、こ
   れによって該第１物質の一部は該多孔性物質の複数個の
   細孔へ人って該細孔における第１物質の頂部と該第２部
   分に接触する該材料の表面との間の距離を膜の厚さよシ
   短くすることを特徴とする、牙１物質の蒸発を行う装置
   。 １３、該第１物質の該第１部分への導入は入口バルブお
   よび出口バルブによって制御され、また該圧力は周期的
   に増加および低下することを特徴とする特許請求の範囲
   第１０項に記載の装置。 １４、入口および出口手段へ連結された並列の複数個の
   数字よシ成シ、圧力は数字の少くとも１つの室において
   上昇させる間に数字の他の少くとも１つの室において低
   下させることを特徴とする特許請求の範囲第１１項に記
   載の装置。