JPS6312305A - 浸透気化法による混合物分離装置 - 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、限外濾過等に於いて混合
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あるいはこ
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
ろ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２
９５８６５７号、カークランドの米国特許第３１８２０
４３号、ティセンらの米国特許第３３６７７８７号、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ならびに逆浸透法及び限外
濾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９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。これは透過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透過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
過物は膜を通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、原混合物室及び透過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流量は温度が１
０″に上昇すると約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
物室と加熱室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−３３
０４９５６、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、あるいは膜面積が
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図は高い外側段５及び低い内側段７を有する突出二
重凹凸形状を周囲に有するプレート６の上面図である。

低い内側段７上にはシール材３２が環状に設けられ、こ
の上に膜３６がその有効分離層をプレート６に向けて設
けられる。

プレート６はシール材３２の内側に相互に対向した位置
に孔１６．１７を有する。凹凸５．７と反対側の面に於
いて、孔１６．１７とプレート６の対向辺上に設けられ
た孔２６．２７との間に凸出部５の面に対し垂直に凹ん
だ通路２２゜２３が設けられる。シール材１０．１１は
２枚のプレート６をその凹凸構造を有さめ面を対向して
重ねた際に通路２２．２３をシールする役割を果たし、
またシール材４６．４７は２枚のプレート６をその凹凸
構造を有する面を対間して重ねた際に外部に対してシー
ルされた往復専管部２６．２７を形成する。

第２図は第１図に示すプレート６ならびに本発明の膜モ
ジュールの構造の面１．　　Ｉｆに沿う断面図である。

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、凹凸構造を
有さぬ面を対向させて一対で配置されたプレート６．６
′、６’により構成される。この際内側の孔１６．１６
′、１６″及び１７．１７′、１７’も一対ずつ配置さ
れる。内側段７．７′、７’上に設けられたシール材３
２．３２′、３２’の上には膜３６．３６′、３６’は
その有効分離層をシール材３２．３２′、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、その周囲の凹凸、７．７’及び５．５
′と、膜３６．３６’と、シール材３２．３２’とによ
り原混合物室１が区切られ、これは孔１６．１６’及び
１７．１７’により連結された２個の液体室８．８′か
ら成る。原混合物室は通路２２．２３を介して供給管２
６及び排出管２７と結合され、原混合物と同一モジュー
ル内の他の原混合物室と並列にこの室を流れることが出
来る。膜３６．３６′、３６’の背面にはスペーサ４４
．４４’により所定の間隔に維持された有孔板４０．４
０′、４０’が設けられて該スペーサと共に透過物室を
構成する。透過物室３，４の上下面は有孔板により区切
られるが少なくとも２側面は完全に開放され、また供給
、排出管２６．２７が存在する側面に於いては部分的に
開放されている。第２図に示す原混合物室と透過物室の
反復配置は容易に延長することが出来る。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（よ端部
フランジにより区切られる。モジュール全段は端部フラ
ンジ及びその引張ボルト（第２図では筒車のため省略）
により保持され、シール材の圧着ならびにシーリングの
ため必要な引張力が得られる。

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
物供給管２６及び共通排出管２７を有する。

浸透気化法を実施するために原混合物の供給及び排出管
を存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
ジュール室の幅のＡ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。

本発明の詳細な説明から、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、また原混合物の供給、排
出管の数及びプレートの孔の数ならびに２枚のプレート
間の通路の数を増加させてもよく、さらには凹凸の形状
及び数を各浸透気化法の要求に合せて変更してもよいこ
とが専門家には明らかであろう。

好ましい実施態様に於いては、周囲に凹凸を有して原混
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
て保持されるのでな（、既知の方法により１対として溶
接、リベット止め、接着またはクランプ止めされる。

他の好ましい実施態様に於いては、凹凸を有して原混合
物室を構成するプレート、また透過物室を区切る有孔板
、さら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凹凸を有して原混合物
室を構成するプレート、なら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、周囲に凹凸を有
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室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
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、各モジュールの供給、排出管
はこれらモジュールが直列、並列、あるいは直列と並列
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判ろう。

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
。

膜の設定及び原混合物室のシールを凹凸段構造により行
う。これにより余分の綱等を用いずに流体室が原混合物
側に形成される。

膜設置部とシール材設置部の間の凹凸段により、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、腹背面と真
空ポンプ（凝縮器）との間の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図はプレートの上面図、第２図は第１図の矢印に沿
う断面図である。 １．２・・・原混合物室、３．４・・・透過物室、５・
・・外側段、６・・・プレート、７・・・内側段、８・
・・液体室、１０．１１・・・シール材、１６．１７・
・・孔、２２．２３・・・通路、２６．２７・・・孔（
供給、排出管）、３２・・・シール材、３６・・・膜、
４０・・・有孔板、４４・・・スペーサ、４６．４７・
・・シール材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも１個の原混合物室と、１個の透過物質と
   、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、該装置がそれぞれ供給側面及び膜側面を有
   する２枚のプレートを有し、両プレートがその供給側面
   を対向させて配置され、各プレート（６、６′）がその
   膜側面の周囲に凹凸（５、７、５′、７′）を有し、膜
   （３６、３６′）が周囲の凹凸（５、５′）上に設けら
   れ、かつ各プレート（６、６′）の膜側面の周囲に膜（
   ３６、３６′）の支持部より後退した位置でシール材（
   ３２、３２′）が設けられてプレート（６、６′）と膜
   （３６、３６′）との間にシール係合し、原混合物室（
   １）が２個の部分室（８、８′）から構成され、プレー
   ト（６、６′）と膜（３６、３６′）と周囲のシール材
   （３２、３２′）が部分室を構成することを特徴とする
   装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置に於いて、両プレ
   ート（６、６′）それぞれが貫通した供給孔（２６）を
   貫通した排出孔（２７）とを有し、供給側面に於いて両
   プレート（６、６′）の少なくとも１者に供給用凹部と
   排出用凹部が設けられてプレート（６、６′）を組合わ
   せた状態に於いてその間に凹部による供給通路（２２）
   及び凹部による排出通路（２３）が形成され、各プレー
   トに少なくとも１個の供給口（１６、１６′）と少なく
   とも１個の排出口（１７、１７′）が設けられて供給凹
   部及び排出凹部と連通し従って該供給通及び該排出通路
   がそれぞれ貫通供給孔及び貫通排出孔ならびに該供給口
   及び該排出口と共に供給通路及び排出通路を形成し、第
   １の周囲シール材（１０、１０′）が供給孔（２６、２
   ６′）と、供給凹部と供給口（１６、１６′）とを包囲
   するよう構成されプレート（６、６′）の供給側面間に
   密着して配置され、また第２の周囲シール材１１、１１
   ′）が排出孔（２７、２７′）と、排出凹部と、排出口
   （１７、１７′）とを包囲するよう構成されプレート（
   ６、６′）の供給側面間に密着して配置されることを特
   徴とする装置。 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または第２項記載の装
   置。 ４、複数の原混合物室と透過物室が交互に構成単位とし
   て配置され、原混合物室の部分室に有効面を向けて配置
   された２個の膜により各透過物室が区切られる特許請求
   の範囲前記各項のいずれかに記載の装置。 ５、各原混合物室が他と並列に作動するようすべての原
   混合物室が相互に構成される特許請求の範囲第４項記載
   の装置。 ６、すべてのプレートが少なくとも１個の貫通供給孔（
   ２６、２６′）と少なくとも１個の貫通排出孔（２７、
   ２７′）とを有し、該供給孔（２６、２６′）がすべて
   相互に連通し、該排出孔（２７、２７′）がすべて相互
   に連通し、隣接するプレート（６、６′、６″）の膜側
   面の間に供給孔（２６、２６′）及び排出孔（２７、２
   ７′）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個の共通供給孔及び少なくとも１
   個の共通排出孔が形成される特許請求の範囲第４または
   第５項記載の装置。 ７、原混合物室（１）が１面の周囲に凸起部を有しかつ
   孔（１６、１７）を有する一体のプレート（６、６′）
   ２個から構成され、この間にそれぞれ少なくとも１個の
   原混合物供給用及び排出用の通路（２２、２３）が形成
   され、また各プレート（６、６′）の周囲凸起部（５、
   ５′）を有する面上に膜（３６、３６′）が周囲のシー
   ル材（３２、３２′、３２″）が該膜（３６、３６′）
   、及びシール材（３２、３２′）が凸起の異なる段部上
   に在るよう配置され、また１組のプレートの対の膜と、
   周囲突起部と、プレート（６、６′）とによって相互に
   連通した２個の液体室から成る原混合物室（１）が形成
   され、該室が膜の有効分離層に面しかつ原混合物の供給
   及び排出用の通路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に記載の装置。 ８、透過物室（３、３′）がスペーサ（４４、４４′）
   によりへだてられそれぞれ膜（３６、３６′）の背面を
   支持する２個の有孔板（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に記載の装置。 ９、透過物室（３、３′）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に記載の装
   置。 １０、複数の原混合物室（１、２）の供給路が相互に接
   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）の排出路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に記載
   の装置。 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個の原混合物供給管
   及びすべての原混合物室に共通な１個の排出管が保持装
   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
   項のいずれかに記載の装置。 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引張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項記載の装置。 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、各モジュールの供給及び排出管
   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項記載の装
   置。 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項記載の装置。 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網（４４、４４
   ′）により所定距離に保持される特許請求の範囲前記各
   項のいずれかに記載の装置。 １６、透過物室が２枚の膜により区切られ、これが有孔
   板上に配置され、これ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乃至第１４項のいずれかに記載の装置。 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に記載の装置。 １８、プレート（６、６′）成形された金属板製である
   特許請求の範囲第１乃至第１６項のいずれかに記載の装
   置。 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に記載の装置。 ２０、プレート（６、６′）がリベット、溶接、接着ま
   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項記載の装置。