JPWO2017204254A1 - 含水有機化合物の脱水システム及びその運転方法、並びに脱水方法 - Google Patents

含水有機化合物の脱水システム及びその運転方法、並びに脱水方法 Download PDF

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Abstract

ゼオライト膜モジュールにおける膜エレメントの破損の発生を抑制可能な脱水システムおよびその運転方法を提供する。ゼオライト膜を有する、１又は複数の筒状の膜エレメントが内部に配置され、供給された含水有機化合物から水を分離するゼオライト膜モジュールと、前記筒状の膜エレメントの内側を減圧にする減圧手段と、前記膜モジュールと前記減圧手段との間に配管を介して設けられ、前記筒状の膜エレメントを透過した水蒸気を水に凝縮する凝縮器と、を備え、以下の構成（１）および構成（２）の少なくとも１つを備える含水有機化合物の脱水システム。構成（１）：前記膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管を、水が凝縮しない温度に保持する温度保持手段を有すること構成（２）：前記膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管が、膜モジュールの透過水出口から凝縮器へ向かって下向きに配置されていること

Description

本発明は工業分野で有機溶媒から水を分離するために用いられる分離膜モジュールを有する脱水システム及びその運転方法、並びに脱水方法に関する。
含水有機化合物中の水と有機化合物の分離は、化学プラントにおける含水有機化合物の精製、プリント配線板、半導体ウエハー、電子部品、液晶基板及びレンズ等の半導体産業における精密電子部品工場やＬｉ電池製造工場等における含水有機化合物からの有機化合物の回収において重要な技術である。含水有機化合物の脱水方法としては従来より蒸留が使用されているが、近年はゼオライト膜などの無機膜を用いた脱水方法が提案されている（特許文献１〜４）。
分離膜としてゼオライト膜を用いた脱水方法では、含水有機化合物を膜エレメントの一方（例えば、外側）に接触させて、もう一方（例えば、内側）を減圧することにより、水を蒸気として透過させるパーベーパレーション法（浸透気化法）と含水有機化合物を最初から蒸気の状態で供給するベーパーパーミエーション法（蒸気透過法）がある。いずれも水透過の駆動力は、膜エレメントの外側（含水有機化合物の供給側）と内側（水の透過側）の水分圧差で決定される。
ゼオライト膜を用いて含水有機化合物の脱水を行う装置として、分離膜モジュールを使用した脱水システムがある。この分離膜モジュールに用いる筒状の膜エレメントは、筒状の多孔質セラミック支持体と、該支持体上に設けられたゼオライト膜からなる。
分離膜としてゼオライト膜を備える分離膜モジュールを使用した含水有機化合物の脱水システムの課題の一つとして、膜エレメントの破損が挙げられる（例えば非特許文献１）。膜エレメントに破損が生じると膜の水選択性が著しく低下し、やがてはプラントの運転に支障をきたすことになる。そのため、膜エレメントの破損を抑制するための対策が脱水システムには要求される。
特開２００３−１４４８７１号公報 特開２００６−２６３５７４号公報 特開２０１１−１２１０４５号公報 特開２０１２−８１４６３号公報
中国経済連合会他主催、第３回化学プロセスへの膜分離利用技術研究会「化学プロセスへの膜分離利用技術をめざして：高機能分離膜開発と反応膜分離の最前線」講演（「実用化ゼオライト膜のトラブル事例」）資料、２０１４年９月５日
上述した分離膜モジュールを使用した脱水システムにおける膜エレメントの破損の問題を解決するために、一般には膜エレメントの強度を高めることで対策がとられている（非特許文献１）。一方、膜エレメントの破損原因を脱水システムの装置設計、又は運転方法、特には膜エレメントを透過した水蒸気配管と凝縮水抜出シーケンスの不具合に求めた事例は見当たらない。
かかる状況下、本発明の目的は、含水有機化合物から水を分離するために用いられるゼオライト膜を有する分離膜モジュールを有する脱水システムにおいて、分離膜モジュールにおける膜エレメントの破損を低減することができる脱水システム、及びその運転方法を提供することである。
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ゼオライト膜を有する分離膜モジュールを有する脱水システムにおける膜エレメントの破損の発生原因が、膜エレメントを透過した水蒸気が真空配管内で凝縮し発生する凝縮水が、膜エレメントへ再流入することにあるという知見を得た。更に、この再流入が生じる更なる原因が、膜エレメントと凝縮器との間を接続する配管にあること、又は前記真空配管と凝縮水抜出シーケンスの不具合にあることを見出し、本発明に至った。
例えば、化学プラントにおいてゼオライト膜を有する分離膜モジュールを有する脱水システムを運転しようとすると、一般に季節・昼夜問わず屋外での自動連続運転が想定される。その場合、特に冬場の夜間等では、膜エレメントを透過した水蒸気が真空配管内で凝縮しやすい状況となる。本発明は、このような凝縮水への対策を提供するものである。
すなわち、本発明の実施形態には以下が含まれる。
［１］ 含水有機化合物から水を分離する脱水システムであって、筒状の多孔質セラミック支持体と、該支持体上に設けられたゼオライト膜とを有する、１又は複数の筒状の膜エレメントが内部に配置され、当該１又は複数の筒状の膜エレメントによって、供給された含水有機化合物から水を分離する分離膜モジュールと、
前記筒状の膜エレメントの水の透過側を減圧にする減圧手段と、
前記分離膜モジュールと前記減圧手段との間に配管を介して設けられ、前記筒状の膜エレメントを透過した水蒸気を水に凝縮する凝縮器と、
を備え、
以下の構成（１）および構成（２）の少なくとも１つを備える、含水有機化合物の脱水システム。
構成（１）：前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管を、水が凝縮しない温度に保持する温度保持手段を有すること
構成（２）：前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管が、分離膜モジュールの透過水出口から凝縮器へ向かって下向きに配置されていること
［２］ 構成（１）を少なくとも備え、前記温度保持手段として、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管を被覆する断熱部材を有する、前記［１］に記載の脱水システム。
［３］ 構成（１）を少なくとも備え、前記温度保持手段として、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管を加熱する加熱手段を有する、前記［１］または［２］に記載の脱水システム。
［４］ 前記加熱手段が、スチームトレースである、前記［３］に記載の脱水システム。
［５］ 構成（１）および構成（２）の両方を備える、前記［１］から［４］のいずれかに記載の脱水システム。
［６］ 前記［１］から［５］のいずれかに記載の脱水システムの運転方法であって、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管の温度が、２０℃以上になるように保持する脱水システムの運転方法。
［７］ 前記配管の温度を、前記分離膜モジュールの設定温度に対して−２０℃〜２０℃の範囲となるよう調整する、前記［６］に記載の脱水システムの運転方法。
また、分離膜モジュールを有する脱水システムにおける分離膜モジュールと凝縮器との間を接続する配管の圧力が特定の圧力より大きくなると、膜エレメントが破損しやすい状況となる。本発明は、前記圧力を特定の圧力以下に制御することにより、膜エレメントの破損を抑制できるものである。
すなわち、本発明の実施形態には、更に、以下が含まれる。
［８］ 含水有機化合物から水を分離する脱水システムの運転方法であって、
筒状の多孔質セラミック支持体と、該支持体上に設けられたゼオライト膜とを有する、１又は複数の筒状の膜エレメントが内部に配置され、当該１又は複数の筒状の膜エレメントによって、供給された含水有機化合物から水を分離する分離膜モジュールと、
前記筒状の膜エレメントの水の透過側を減圧にする減圧手段と、
前記分離膜モジュールと前記減圧手段との間に配管を介して設けられ、前記筒状の膜エレメントを透過した水蒸気を水に凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器を透過した水を蓄える貯水容器と、
を備え、
前記貯水容器に蓄えられた水を排出するときに、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管の圧力を、絶対圧２０ｋＰａ以下に制御することを特徴とする脱水システムの運転方法。
［９］ 前記凝縮器と前記貯水容器との間を接続する配管に設けられた開閉可能な圧力制御部材を有し、前記貯水容器内の水を排出するときに、前記圧力制御部材を最初にクローズすることにより、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間の配管の圧力を制御する、前記［８］に記載の運転方法。
［１０］ 前記貯水容器から水が排出された後、前記貯水容器、及び前記圧力制御部材と前記貯水容器との間を接続する配管を減圧する時に、前記凝縮器と前記貯水容器との間を接続する配管に設けられた圧力制御部材を最後にオープンする、前記［８］または［９］に記載の運転方法。
また、本発明の実施形態には、更に、以下が含まれる。
［１１］ 含水有機化合物から水を分離する脱水方法であって、
筒状の多孔質セラミック支持体と、該支持体上に設けられたゼオライト膜とを有する、１又は複数の筒状の膜エレメントが内部に配置され、当該１又は複数の筒状の膜エレメントによって、供給された含水有機化合物から水を分離する分離膜モジュールと、
前記筒状の膜エレメントの水の透過側を減圧にする減圧手段と、
前記分離膜モジュールと前記減圧手段との間に配管を介して設けられ、前記筒状の膜エレメントを透過した水蒸気を水に凝縮する凝縮器と、
を備え、
前記凝縮した水の膜エレメントへの再流入防止手段を備えることを特徴とする含水有機化合物の脱水方法。
［１２］ 再流入防止手段が、
以下の構成（１）および構成（２）の少なくとも１つを備えることを特徴とする、前記［１１］に記載の含水有機化合物の脱水方法。
構成（１）：前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管を、水が凝縮しない温度に保持する温度保持手段を有すること
構成（２）：前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管が、分離膜モジュールの透過水出口から凝縮器へ向かって下向きに配置されていること
［１３］ 前記凝縮器を透過した水を蓄える貯水容器を備え、
再流入防止手段が、
前記貯水容器に蓄えられた水を排出するときに、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管の圧力を、絶対圧２０ｋＰａ以下に制御することを特徴とする、前記［１１］に記載の含水有機化合物の脱水方法。
本発明によれば、分離膜モジュールと凝縮器との間を接続する配管で発生する凝縮水に由来する膜エレメントの破損の発生が抑制され、長期間の安定運転が可能な脱水システム及び脱水方法、並びに脱水システムの長期安定した運転方法が提供される。
本発明の脱水システムの一実施形態である、パーベーパレーション法（ＰＶ法）に使用される脱水システムの概略図である。 本発明の脱水システムの一実施形態である、パーベーパレーション法（ＰＶ法）に使用される脱水システムの概略図である。 本発明の運転方法の一実施形態に係る脱水システムにおける分離膜モジュールと減圧手段との間の拡大模式図である。 膜エレメントの一例を説明するための概略図である。
以下、本発明について例示物等を示して詳細に説明するが、本発明は以下の例示物等に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変更して実施できる。なお、本明細書において、「〜」とはその前後の数値又は物理量を含む表現として用いるものとする。
本発明の実施形態である脱水システムは、含水有機化合物から水を分離する脱水システムであって、筒状の多孔質セラミック支持体と、該支持体上に設けられたゼオライト膜とを有する、１又は複数の筒状の膜エレメントが内部に配置され、当該１又は複数の筒状の膜エレメントによって、供給された含水有機化合物から水を分離する分離膜モジュールと、前記筒状の膜エレメントの水の透過側を減圧にする減圧手段と、前記分離膜モジュールと前記減圧手段との間に配管を介して設けられ、前記筒状の膜エレメントを透過した水蒸気を水に凝縮する凝縮器と、を備え、以下の構成（１）および構成（２）の少なくとも１つを備える。
構成（１）：前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管を、水が凝縮しない温度に保持する温度保持手段を有すること
構成（２）：前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管が、分離膜モジュールの透過水出口から凝縮器へ向かって下向きに配置されていること
なお、「前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管」を、以下、「透過配管」と記載する場合がある。
本実施形態の脱水システムにおける特徴は、構成（１）及び構成（２）の少なくとも１つを備えることにある。ここで、構成（１）及び構成（２）に共通する技術的思想として、当該脱水システムにおける分離膜モジュールと凝縮器との間を接続する配管（透過配管）における凝縮水の発生を抑制すること、及び透過配管に発生した凝縮水が分離膜モジュールに逆流することを抑制することが挙げられる。
透過配管における凝縮水の発生や逆流を抑制することにより、膜エレメントの破損の発生を抑制することができる。なお、本明細書において、「膜エレメントの破損」は、膜エレメントを構成する、筒状の多孔質セラミック支持体及びゼオライト膜のいずれか又は両方にひび割れ、折損等の欠陥が生じ、膜エレメントの水透過選択性が低下した状態を意味する。
構成（１）及び構成（２）は、それぞれ透過配管における凝縮水の発生や逆流の抑制に寄与し得るが、特に構成（１）を備えることにより、配管を水の飽和蒸気温度以上に保持できるので、特に透過配管における凝縮水が発生することを抑制することができる。
また、構成（２）を備えることにより、凝縮水が発生した場合でも下方に流れ落ちるため、特に凝縮水が発生した場合における分離膜モジュールへの凝縮水の逆流を抑制することができる。なお、「分離膜モジュールの透過水出口から凝縮器へ向かって下向きに配置」とは、凝縮器が分離膜モジュールの透過水出口位置より下部に設定され、透過配管が分離膜モジュールの透過水出口位置より上部になることがないように接続されていればよいが、逆流の発生を回避できるように、少なくとも分離膜モジュールの透過水出口の直後の透過配管はできる限り垂直方向になるように設けられていることが好ましい。
本実施形態の脱水システムにおける透過配管の太さ（内径）は、配管の長さ、処理対象となる含水有機化合物（種類、含水率処理量等）、脱水システムの他の設備（凝集器、減圧手段等）、他の脱水設備の有無等を考慮して適宜選択されるが、透過配管の太さ（内径）が小さいと凝縮水が発生しやすくなるため、２ｃｍ以上が好ましく、２．５ｃｍ以上がより好ましい。
本実施形態の脱水システムの好適な形態は、構成（１）を少なくとも備え、前記温度保持手段として、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管を被覆する断熱部材を有する形態である。
また、本実施形態の脱水システムの他の好適な形態は、構成（１）を少なくとも備え、前記温度保持手段として前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管を加熱する加熱手段を有する形態である。より好ましくは、温度保持手段として、断熱部材と加熱手段の両方を有する形態である。
加熱方法としては特に限定されないが、例えば、スチームトレース（蒸気配管）を巻きつける、伝熱ヒーターの電熱線を巻き付ける（電気トレース）、等が挙げられる。前記加熱手段が、化学プラント等で熱源が容易に得られ、また温度制御が容易であることからスチームトレースを巻き付けることが好ましい。
透過配管における凝縮水由来の問題をより抑制できる点で、本実施形態の脱水システムは、構成（１）および構成（２）の両方を備えることがより好適である。
また、本実施形態の脱水システムの運転方法は、上記脱水システムの運転方法であって、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管（透過配管）の温度が、２０℃以上になるように保持する方法である。当該配管の温度を２０℃以上になるように保持することにより、配管内で凝縮水が発生することを回避できる。より確実に凝縮水の発生を回避できる点で、透過配管温度は、４０℃以上が好ましく、６０℃以上がより好ましく、８０℃以上がさらに好ましく、１００℃以上がより好ましく、１１０℃以上が特に好ましく、１２０℃以上が最も好ましい。
より好適には、前記配管（透過配管）の温度を、前記分離膜モジュールの設定温度に対して−２０℃〜２０℃の範囲となるよう調整することが好ましい。
本実施形態の脱水システムは、蒸留塔等の従来の脱水設備の代替手段として利用してもよく、蒸留塔等の他の脱水設備の後工程の手段として利用してもよい。例えば、分離膜モジュールの前段工程に配置された蒸留塔から回収された含水有機化合物を脱水システムに供給してもよい。この場合、蒸留塔と本発明の脱水システムの運転条件は、対象となる含水有機化合物の種類や含水量等を考慮して適宜決定すればよい。
本実施形態の脱水システムによる脱水濃縮となる含水有機化合物に特に制限はないが、例えば、含水有機酸、含水アルコール、含水有機溶剤等の含水有機化合物が挙げられる。より具体的には、含水の、クエン酸、コハク酸、エチレンジアミン四酢酸、酒石酸、サリチル酸、シュウ酸、酢酸、蟻酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、安息香酸、アクリル酸、アジピン酸、マロン酸、林檎酸、フタル酸、グリコール酸、テレフタル酸、フマル酸等の有機酸類；フェノール類；メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコール、イソブチルアルコール、ｓ−ブチルアルコール、ｔ−ブチルアルコール等のアルコール類；アセトン、メチルイソブチルケトン等のケトン類；アルデヒド類；ジオキサン、テトラヒドロフラン等のエーテル類；ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン等のアミド等の窒素含有有機化合物類；酢酸エステル等のエステル類；ヘキサン、トルエン等の有機溶剤類、等が挙げられる。
処理対象の含水有機化合物における水の含有量には特に制限はなく、例えば、５重量％以上の水含有量の含水有機化合物に適用できる。
以下、本実施形態の脱水システム及びその運転方法を、図面を参照して説明する。
含水有機化合物の脱水濃縮方法としては、パーベーパレーション法（ＰＶ法）とベーパーパーミエーション法（ＶＰ法）とに大別され、以下の実施形態の説明において、蒸留塔から供給される含水有機化合物のパーベーパレーション法（ＰＶ法）による脱水システムおよびその運転方法を例示するが、本発明は当該実施形態に限定されない。
図１は、本実施形態の含水有機化合物の脱水システムの一実施形態としてのＰＶ法による脱水システムの概略図である。
図１に係る本実施形態の脱水システム１００では、蒸留塔１１において原料となる原料有機化合物の蒸留が行われ、低沸点成分を塔頂から配管Ｐ1'を介して排出され、高沸点成分（液体成分）は塔底から配管Ｐ1を介して分離膜モジュール１０に供給される。図１に係る実施形態では、この高沸点成分を構成する含水有機化合物を対象として例示するが、配管Ｐ1'を介して排出される低沸点成分を凝縮した後に得られる液体成分を構成する含水有機化合物を対象にすることもできる。
分離膜モジュール１０には、筒状の多孔質セラミック支持体と、該支持体上に設けられたゼオライト膜とを有する、１又は複数の筒状の膜エレメント（図４参照）が内部に配置されている。筒状の膜エレメントは有機化合物を透過させず、水分を選択的に透過させる分離膜(ゼオライト膜)を有している。
分離膜モジュール１０では含水有機化合物を筒状の膜エレメントの外側面に接触させ、内側面側を減圧手段により減圧することにより、水を膜エレメントの外側面から内側面へ透過させることにより、有機化合物の濃縮と水分の回収が行われる。また、ＰＶ法では、処理対象である含水有機化合物は脱水が進むにつれて通常は温度低下を引き起こすため、分離膜モジュール１０には加熱手段（図示せず）が設けられている。
分離膜モジュールにおいて、膜エレメントは、単管式でも多管式でもよく、通常１〜２０００本、特に５０〜１０００本配置され、膜エレメント同士の距離は、５ｍｍ〜１０ｍｍとなるように配置されることが好ましい。分離膜モジュールにおけるハウジングの大きさ、膜エレメントの本数は処理する流体量によって適宜変更される。具体的な膜エレメントの構成については後述する。
膜エレメントを透過せずに脱水濃縮された含水有機化合物は配管Ｐ2を介して排出され、含水率が基準値以上である間は配管Ｐ2Aを介して蒸留塔１１に循環され、含水率が基準値以下になると配管Ｐ2Bを介して脱水有機化合物として回収される。
分離膜モジュール１０の後段には、凝縮器１２、貯水タンク１３、真空ポンプ１４が直列に配置されており、膜エレメントにおける分離膜を透過した水（蒸気）は凝縮器１２にて凝縮水となった後に、貯水タンク１３に供され貯留される。貯留された水は所定量になると、貯水タンク１３の底部から排出される。膜を透過する水の駆動力に必要な透過側の減圧は、減圧手段として真空ポンプ１４によって与えられ、真空度は配管途中に設けられた圧力制御弁（図示せず）によって制御される。
本実施形態では、分離膜モジュール１０と凝縮器１２との間を接続する配管Ｐ3（透過配管）は、温度保持手段として断熱部材１５によって被覆されており、さらに、図示しないが配管Ｐ3の外壁には加熱手段として、スチームトレースが巻き付けられている。
ここで、断熱部材１５やスチームトレースは、分離膜モジュール１０から排出される水蒸気が配管Ｐ3において凝縮することに起因する凝縮水の発生を抑制するための温度保持手段である。すなわち、配管Ｐ3（透過配管）において、凝縮水の発生が抑制できる温度に保持できればよい。より具体的には、配管Ｐ3（透過配管）の温度を２０℃以上になるように保持することが好ましく、より確実に凝縮水の発生を回避できる点で、透過配管温度は、４０℃以上が好ましく、６０℃以上がより好ましく、８０℃以上がさらに好ましく、１００℃以上がより好ましく、１１０℃以上が特に好ましく、１２０℃以上が最も好ましい。
配管Ｐ3（透過配管）の温度は、分離膜モジュール１０の設定温度に対して−２０℃〜２０℃の範囲となるよう調整することが好ましい。
また、分離膜モジュール１０の稼働期間中、継続して配管Ｐ3（透過配管）を加熱することが好ましいが、仮に何らかの理由によって一時的に配管Ｐ3（透過配管）の加熱が中断されたとしても、断熱部材１５によって温度保持することができる。
断熱部材１５は、例えば、グラスウールやロックウール等の一般的な断熱性の材料により形成されており、配管Ｐ3（透過配管）を覆うように設けられている。ここで、断熱部材１５はできる限り配管Ｐ3を隙間なく被覆することが好ましい。隙間が生じると、加熱手段による加熱がない、又は加熱が不十分な場合に凝縮水発生の原因になる場合がある。
一方、配管Ｐ3に巻き付けたスチームトレースは、配管Ｐ3を所定温度に加熱することができる限り、間隔が空いていてもよいし、空いていなくてもよく、配管Ｐ3を所定温度に加熱することができればよい。なお、スチームトレースの熱源として、化学プラントにおける別系統の加熱蒸気を用いてもよい。
なお、本実施形態では加熱手段としてスチームトレースを使用しているが、他の加熱手段（伝熱ヒーター等）でもよい。
また、配管Ｐ3（透過配管）は、分離膜モジュール１０の透過水出口から凝縮器１２へ向かって下向きに配置されている。この構成により、仮に配管Ｐ3（透過配管）において、凝縮水が発生した場合においても、凝縮水が分離膜モジュールに逆流することが回避される。なお、本実施形態では配管Ｐ3（透過配管）は分離膜モジュール１０の透過水出口（透過水蒸気の出口）の直後の透過配管は垂直方向になるように設けられている。このような構成であると、上記温度保持手段の不具合等により、配管Ｐ3（透過配管）において凝縮水が発生した場合においても、より確実に分離膜モジュール１０への逆流を防止できるため好ましい。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
例えば、上記実施形態では、分離膜モジュールを有する脱水システムを、蒸留塔から供される液体状の含水有機化合物を処理するＰＶ法の例を示したが、ＶＰ法において本実施形態の脱水システムを用いてもよい。なお、分離膜モジュールに蒸留塔の塔底および／または蒸留塔の途中段から回収された、例えば、含水有機酸、含水アルコール、含水有機溶剤等の含水有機化合物の液体（供給液）を供給する場合は一般にＰＶ法が適用され、分離膜モジュールに蒸留塔の塔頂および／または蒸留塔の途中段から回収された、例えば、含水有機酸、含水アルコール、含水有機溶剤等の含水有機化合物の気体を供給する場合は一般にＶＰ法が適用される。
上記実施の形態では一つの分離膜モジュールを有する脱水システムとしたが、複数の分離膜モジュールを直列又は並列で有する脱水システムとしてもよい。また、上記実施形態では、蒸留塔を使用しているが、原料有機化合物を直接分離膜モジュールを有する脱水システムに供してもよい。
上記実施の形態では、配管Ｐ3（透過配管）が温度保持手段を有し、かつ、分離モジュールの透過水出口から凝集器に向かって下向きに配置されている構成であるが、これらの一方のみを有する構成でもよい。但し、凝縮水の発生自体を抑制することができる点で、少なくとも温度保持手段を有していることが好ましい。
また、本発明は、別の実施形態として、含水有機化合物から水を分離する脱水システムの運転方法であって、筒状の多孔質セラミック支持体と、該支持体上に設けられたゼオライト膜とを有する、１又は複数の筒状の膜エレメントが内部に配置され、当該１又は複数の筒状の膜エレメントによって、供給された含水有機化合物から水を分離する分離膜モジュールと、前記筒状の膜エレメントの水の透過側を減圧にする減圧手段と、前記分離膜モジュールと前記減圧手段との間に配管を介して設けられ、前記筒状の膜エレメントを透過した水蒸気を水に凝縮する凝縮器と、前記凝縮器を透過した水を蓄える貯水容器と、を備え、前記貯水容器に蓄えられた水を排出するときに、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管の圧力を、絶対圧２０ｋＰａ以下に制御する脱水システムの運転方法（以下、「本実施形態の運転方法」と称す。）に関する。
以下「前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管」を「透過配管」と記載する場合がある。
本実施形態の運転方法の特徴は、前記貯水容器に蓄えられた水を排出するときに、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管の圧力を、絶対圧２０ｋＰａ以下に制御することにある。
前記貯水容器から水を排出するときにおける前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管の圧力についてはこれまで重要視されていなかったが、当該配管をこのように圧力制御することにより、水の逆流等が防止されるため、逆流した水に起因する、例えばヒートショック等が原因となる膜エレメントの破損の発生が抑制される。
すなわち、本発明者の検討から、前記凝縮器と前記貯水容器、及びそれらを接続する配管内に溜まった水が膜内側に到達することでヒートショックを起こし、膜エレメントの破損が生じることが分かった。特に、より高温（例えば１３０℃程度）の含水有機化合物からの水分の除去等の場合に、膜エレメントの破損が生じる可能性が高い。
本実施形態の運転方法において、前記凝縮器と前記貯水容器との間を接続する配管に設けられた開閉可能な圧力制御部材を有し、前記貯水容器内の水を排出するときに、前記圧力制御部材を最初にクローズすることにより、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間の配管からの圧力を制御することが好ましい。
ここで、本実施形態において「前記圧力制御部材を最初にクローズする」とは、前記貯水容器の減圧状態を解除する操作よりも前に少なくともクローズすることを意味する。
含水有機化合物を分離膜の外表面へ供給して分離を行っている際に、前記貯水容器内の水を排出する場合、前記圧力制御部材がオープンの状態であると、前記貯水容器の減圧状態を解除するために当該容器に導入される気体（通常、大気）が配管を介して、分離膜の内側まで導入される。
これに伴い、前記凝縮器と前記貯水容器、及びそれらを接続する配管内に溜まった水が膜内側に到達することでヒートショックを起こし、膜エレメントの破損が生じる。
そこで、前記圧力制御部材を前記貯水容器に気体を導入するよりも先にクローズして分離膜モジュールの透過側の真空状態を保つ。時間の経過とともに透過側へ水分が透過することによって、透過側の圧力が徐々に上昇するが、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間の配管をモニターして絶対圧２０ｋＰａを超えないような条件で圧力制御部材を制御することにより、分離膜〜前記凝縮器〜前記圧力制御部材間の圧力を常に一定の範囲に保ち、圧力変動に起因する膜エレメントの破損を抑制することができる。
前記貯水容器から水が排出された後、前記貯水容器、及び前記圧力制御部材と前記貯水容器との間を接続する配管を再度減圧する時に、前記圧力制御部材を最後にオープンすることにより、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間の圧力を制御することが好ましい。このように運転することにより、圧力変動に起因する膜エレメントの破損が抑制される。
ここで、「前記圧力制御部材を最後にオープンにする」とは、前記貯水容器を減圧状態にする操作よりも後に少なくともオープンにすることを意味する。
本実施形態の運転方法において、蒸留塔等の従来の脱水設備、脱水濃縮となる含水有機化合物、及び濃縮方法に関するそれぞれの条件については、前記実施形態の条件を同様に適用できる。
図２は、本実施形態の含水有機化合物の脱水システムの一実施形態としてのＰＶ法によるものであり、前記圧力を特定の圧力以下に制御することにより、膜エレメントの破損が抑制される脱水システムの概略図である。また、図３に分離膜モジュールと減圧手段との間の拡大模式図を示す。なお、図２における分離膜モジュールと減圧手段との間は簡易的に記載している。
図２に係る本実施形態の脱水システム２００では、蒸留塔１１において原料となる原料有機化合物の蒸留が行われ、低沸点成分を塔頂から配管Ｐ1'を介して排出され、高沸点成分（液体成分）は塔底から配管Ｐ1を介して分離膜モジュール１０に供給される。図２に係る実施形態では、この高沸点成分を構成する含水有機化合物を対象として例示するが、配管Ｐ1'を介して排出される低沸点成分を凝縮した後に得られる液体成分を構成する含水有機化合物を対象にすることもできる。
分離膜モジュール１０には、筒状の多孔質セラミック支持体と、該支持体上に設けられたゼオライト膜とを有する、１又は複数の筒状の膜エレメント（図３参照）が内部に配置されている。筒状の膜エレメントは有機化合物を透過させず、水分を選択的に透過させる分離膜(ゼオライト膜)を有している。
分離膜モジュール１０では含水有機化合物を筒状の膜エレメントの外側面に接触させ、内側面側を減圧手段により減圧することにより、水を膜エレメントの外側面から内側面へ透過させることにより、有機化合物の濃縮と水分の回収が行われる。また、ＰＶ法では、処理対象である含水有機化合物は脱水が進むにつれて通常は温度低下を引き起こすため、分離膜モジュール１０には加熱手段（図示せず）が設けられている。
分離膜モジュールにおいて、膜エレメントは、単管式でも多管式でもよく、通常１〜２０００本、特に５０〜１０００本配置され、膜エレメント同士の距離は、５ｍｍ〜１０ｍｍとなるように配置されることが好ましい。分離膜モジュールにおけるハウジングの大きさ、膜エレメントの本数は処理する流体量によって適宜変更される。具体的な膜エレメントの構成については後述する。
膜エレメントを透過せずに脱水濃縮された含水有機化合物は配管Ｐ2を介して排出され、含水率が基準値以上である間は配管Ｐ2Aを介して蒸留塔１１に循環され、含水率が基準値以下になると配管Ｐ2Bを介して脱水有機化合物として回収される。
ここで、脱水システムの運転方法を、図３に示す分離膜モジュールと減圧手段との間の拡大模式図を参照して説明する。
分離膜モジュール１０の後段には、凝縮器１２、貯水容器１３Ａ、真空ポンプ１４が直列に配置されており、膜エレメントにおける分離膜を透過した水（蒸気）は凝縮器１２にて凝縮水となった後に、貯水容器１３Ａに供され一時的に貯留される。貯留された水は所定量になると、貯水容器１３Ａの底部から排出され、配管を介して貯水容器１３Ｂに供される。貯水容器１３Ｂは、貯水容器１３Ａより大きな容器であり、多量の水を貯留することができる。
膜を透過する水の駆動力に必要な透過側の減圧は、減圧手段として真空ポンプ１４によって与えられ、真空度は配管途中に設けられた圧力制御部材であるバルブＶ1〜Ｖ4によって制御される。
具体的には、運転中には、バルブＶ1、バルブＶ4をオープンにし（バルブＶ2、バルブＶ3はクローズ）、貯水容器１３Ａに蓄えられた水の量が所定量になったら、まず、バルブＶ1をクローズする。その後、バルブＶ4をクローズ、バルブＶ2とバルブＶ3をオープンにして、貯水容器１３Ａを大気開放することにより貯水容器１３Ａに蓄えられた水を、貯水容器１３Ｂに移動させる。なお、バルブＶ1をクローズした後のバルブＶ2、 バルブＶ3及びバルブＶ4の開閉操作は同時に実施するが、時間差があってもよい。
なお、本実施形態では、貯水容器１３Ａを大気開放して貯水容器１３Ａに蓄えられた水を、貯水容器１３Ｂに移動させているが、貯水容器１３Ａへは大気以外の気体を導入して減圧状態を解除してもよい。また、貯水容器１３Ｂは通常大気圧であるが、これを減圧にしてもよい。
従来の運転法では、貯水容器１３Ａからの排水及び真空度の回復操作の際に４つのバルブＶ1〜Ｖ4を特段制御することなく、ほぼ同時に動かしていたが、本実施形態の運転方法では、分離膜モジュール１０と凝縮器１２との間を接続する配管（配管Ｐ3）の圧力を、絶対圧２０ｋＰａ以下に制御されるように運転を行う。具体的には、運転時にはバルブＶ1、バルブＶ4がオープンで、バルブＶ2、バルブＶ3がクローズの状態であり、分離膜モジュールの透過側の絶対圧は０．５〜１５ｋＰａ程度であり、分離膜モジュール１０と凝縮器１２との間を接続する配管である配管Ｐ3の圧力も同様である。貯水容器１３Ａから排水する際にはバルブＶ1、バルブＶ4がクローズされているが、分離膜モジュールにおける膜エレメントの外側と内側では依然水分圧差があるため、時間の経過とともに透過側の圧力が徐々に上昇する。そこで、配管Ｐ3をモニターして絶対圧２０ｋＰａを超えないような条件で、貯水容器１３Ａの排水（バルブＶ2、バルブＶ3の操作）、貯水容器１３Ａの真空度の回復操作（バルブＶ4の操作）及び配管Ｐ3（透過側の圧力に相当）の真空度の回復操作（バルブＶ1の操作）を行う。
バルブＶ1をクローズしてから、配管Ｐ3の絶対圧が２０ｋＰａに到達するまでの時間は、運転時の真空度、対象となる含水有機化合物（及びその含水率）、分離膜モジュール（構成要素の膜エレメント）、配管Ｐ3の内容積等に依存し、一概にはいえないが、通常、１〜３分程度である。この間に貯水容器１３Ａの排水、及び真空度の回復が行えるように、貯水容器１３Ａの内容積、排水までに蓄えられる水の量、真空ポンプ１４の出力等が適宜設定される。
以下に本実施形態の運転方法の具体的な条件の一例を記載するが、これに限定されるものではない。
例えば、分離膜モジュール１０に、内径１２ｍｍで長さ１２００ｍｍのゼオライト膜エレメントを６本装着したモジュールを使用し、貯水容器１３Ａの内容積２０Ｌ、配管Ｐ3の内容積２〜３Ｌである場合、各バルブの開閉間隔に係る順番と時間間隔の一例は、
（１）Ｖ1クローズ、
（２）Ｖ4クローズ（Ｖ1クローズから１５秒後）、
（３）Ｖ3オープン（Ｖ4クローズから５秒後）、
（４）Ｖ2オープン（Ｖ3オープンから５秒後）、
（５）Ｖ2、Ｖ3をクローズ（Ｖ2オープンから４０秒後（貯水容器１３Ｂからの液排出時間））、
（６）Ｖ4オープン（Ｖ2、Ｖ3をクローズから５秒後）、
（７）Ｖ1オープン（Ｖ4オープンから３０秒後）、
である。
ここで、上述した具体的な条件の一例として記載したように、貯水容器１３Ａから水が排出された後、貯水容器１３Ａ及び配管Ｐ3を減圧する時に、バルブＶ1を最後にオープンすることが好ましい。貯水容器１３Ａ及び配管Ｐ3が目的とする減圧状態となった後にバルブＶ1をオープンすることにより、分離膜モジュール〜凝縮器〜バルブＶ1間の圧力が常に一定の範囲に保たれるため、圧力変動に起因する膜エレメントの破損を抑制することができる。
また、本発明の別の実施形態である、含水有機化合物から水を分離する脱水方法は、少なくとも、筒状の多孔質セラミック支持体と、該支持体上に設けられたゼオライト膜とを有する、１又は複数の筒状の膜エレメントが内部に配置され、当該１又は複数の筒状の膜エレメントによって、供給された含水有機化合物から水を分離する分離膜モジュールと、前記筒状の膜エレメントの水の透過側を減圧にする減圧手段と、前記分離膜モジュールと前記減圧手段との間に配管を介して設けられ、前記筒状の膜エレメントを透過した水蒸気を水に凝縮する凝縮器と、を備え、前記凝縮した水の膜エレメントへの再流入防止手段を備える。
前記再流入防止手段の好適な形態は、以下の構成（１）および構成（２）の少なくとも１つを備える形態である。
構成（１）：前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管を、水が凝縮しない温度に保持する温度保持手段を有すること
構成（２）：前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管が、分離膜モジュールの透過水出口から凝縮器へ向かって下向きに配置されていること
また、別の前記再流入防止手段の好適な形態は、前記凝縮器を透過した水を蓄える貯水容器を備え、前記貯水容器に蓄えられた水を排出するときに、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管の圧力を、絶対圧２０ｋＰａ以下に制御する形態である。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
本発明の脱水システムにおける分離膜モジュールの内部に配置される膜エレメントについて説明する。なお、以下に説明する膜エレメントは、本発明の脱水システムで使用される膜エレメントに好適な形態を示すものであり、本発明の目的を損なわない限り、以下に限定されるものではない。
図４に示す本実施形態に用いられる膜エレメント１は、筒状の多孔質セラミック支持体上（外側）にゼオライト膜を有してなり、全体として筒状とされている。ここで、「筒状」とは、円筒状に限られるものではなく、角筒状であってもよいが、シール性が向上する観点からは、円筒状（管状）とすることが好ましい。
図４（Ａ）、（Ｂ）に、膜エレメント１の一例を示す。図４（Ａ）が膜エレメント１の外観を概略的に示す図であり、図４（Ｂ）が図４（Ａ）のIIＢ−IIＢ断面を概略的に示す図である。図４に示すように、膜エレメント１は、円筒状の多孔質セラミック支持体１ａと、当該多孔質セラミック支持体１ａの外側（外壁表面）に形成されたゼオライト膜１ｂとを有している。
なお、上記実施形態の脱水システムにおける膜エレメント１では図４に示す多孔質セラミック支持体の外壁のみにゼオライト膜を有する膜エレメント１を使用しているが、多孔質セラミック支持体の内壁のみ、又は内壁と外壁の両方にゼオライト膜を有する膜エレメントを使用することもできる。
多孔質セラミック支持体１ａは、ゼオライト膜１ｂを支持する支持体として機能する。多孔質セラミック支持体１ａを構成する材料は特に限定されるものではなく、その表面などにゼオライトを膜状に結晶化できるような化学的安定性がある多孔質の無機物質であればいかなるものであってもよい。具体的には、例えば、シリカ、α−アルミナ、γ−アルミナ、ムライト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックス焼結体などが挙げられる。中でもα−アルミナ、γ−アルミナ等のアルミナやムライトが好ましく、アルミナが特に好ましい。
多孔質セラミック支持体１ａそれ自体は分子篩能を有する必要はない。多孔質セラミック支持体１ａには、外側から内側に向かって連通する細かな気孔（空孔、空隙）が設けられている。気孔を有する多孔質セラミック支持体１ａは公知のものを用いることができる。
多孔質セラミック支持体１ａは、気孔率が、通常２０％以上、好ましくは２５％以上、より好ましくは３０％以上であり、通常８０％以下、好ましくは６０％以下、より好ましくは５０％以下で、その平均細孔径が通常０．０１μｍ以上、好ましくは０．０５μｍ以上、より好ましくは０．１μｍ以上、上限は通常２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下である。このような気孔を有する多孔質セラミック支持体１ａであれば、十分な強度を有してゼオライト膜１ｂを適切に支持することができ、また、ゼオライト膜１ｂを透過した分子を十分な速度で透過させることが可能、或いは、ゼオライト膜１ｂへと分子を十分な速度で到達させることが可能である。さらに、加締めによってシール部材から圧力が付与されても容易に割れることがない。尚、多孔質セラミック支持体１ａの気孔率や細孔径は、水銀圧入法、断面をＳＥＭで観察することなどによって容易に特定可能である。平均細孔径についても同様であるが、真比重を用いて体積と質量から計算することもできる。
多孔質セラミック支持体１ａの厚みは、所定の強度を有する限り特に限定されるものではない。材質や気孔率等によっても異なるが、例えば、厚みを０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。より好ましくは０．８ｍｍ以上である。さらに好ましくは１．３ｍｍ以上である。
多孔質セラミック支持体１ａの内径も所定の強度を有する限り特に限定されるものではない。材質や気孔率等によっても異なるが、例えば、上記した多孔質セラミック支持体１ａの厚みに対する内径の比（内径（ｍｍ）／厚み（ｍｍ））を２０以下とすることが好ましい。より好ましくは１７以下であり、さらに好ましくは１３以下であり、特に好ましくは９以下である。
多孔質セラミック支持体１ａの長さ（軸方向長さ）は特に限定されるものではない。
ゼオライト膜１ｂは、多孔質セラミック支持体１ａの外側（外表面）に形成される薄い層である。ゼオライト膜１ｂは、適切に分子篩能を発揮できれば、その形態は特に限定されるものではない。
ゼオライト膜１ｂとしてアルミノケイ酸塩であることが好ましいが、膜の性能を大きく損なわない限りＡｌの代わりにＧａ、Ｆｅ、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｚｎ等の金属元素を用いてもよく、Ａｌと共にＧａ、Ｆｅ、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐ等の元素を含んでいてもよい。
また、ゼオライト膜の細孔を形成する結晶ゼオライトの骨格が酸素８員環以下の環であることが好ましく、酸素６〜８員環であることがより好ましい。
ゼオライトの構造としては、例えばＡＥＩ、ＡＦＧ、ＡＮＡ、ＣＨＡ、ＤＤＲ、ＥＡＢ、ＥＲＩ、ＥＳＶ、ＦＡＲ、ＦＲＡ、ＧＩＳ、ＩＴＥ、ＫＦＩ、ＬＥＶ、ＬＩＯ、ＬＯＳ、ＬＴＡ、ＬＴＮ、ＭＡＲ、ＰＡＵ、ＲＨＯ、ＲＴＨ、ＳＯＤ、ＳＴＩ、ＴＯＬ、ＵＦＩなどが挙げられる。これらのうち、ＡＥＩ、ＣＨＡ、ＤＤＲ、ＥＲＩ、ＫＦＩ、ＬＥＶ、ＰＡＵ、ＲＨＯ、ＲＴＨ、ＳＯＤ、ＬＴＡ、ＵＦＩ型ゼオライトにより構成される膜を用いることが好ましく、ＣＨＡ、ＤＤＲ、ＲＨＯ、ＳＯＤ型ゼオライトにより構成される膜を用いることがより好ましい。なお、酸素ｎ員環を有するゼオライトのｎの値は、ゼオライト骨格とＴ元素（骨格を構成する酸素以外の元素）で構成される細孔の中で最も酸素元素の数が大きいものをさす。
ゼオライト膜１ｂとしてゼオライト膜を合成する場合、必要に応じて有機テンプレート（構造規定剤）を用いることができるが、通常は目的とするゼオライト構造を作成可能なテンプレートであれば特に制限はなく、テンプレートなしで合成可能であれば用いなくてもよい。
ゼオライト膜１ｂの厚みは、特に限定されないが、通常、０．０１μｍ〜３０μｍ、好ましくは０．０１μｍ〜１０μｍであるが、膜性能を大きく損なわない限り膜厚は薄いことが好ましい。
多孔質セラミック支持体１ａの表面にゼオライト膜１ｂを形成する方法としては多孔質セラミック支持体１ａの表面において、ゼオライトを膜状に結晶化させる方法等が挙げられる（例えば、国際公開第２０１３／１２５６６０号パンフレット等を参照）。
図４では、多孔質セラミック支持体１ａの外壁にゼオライト膜１ｂが形成されている形態について説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。多孔質セラミック支持体１ａの内壁にゼオライト膜１ｂが形成されている形態、多孔質セラミック支持体１ａの外壁と内壁との双方にゼオライト膜１ｂが形成されている形態のいずれであってもよい。
本発明の含水有機溶媒の脱水システムは、分離膜モジュールの分離膜エレメントの破損の発生が抑制されるため、長期間の定常的な運転が求められる用途（例えば、化学プラント）に好適である。
１ 分離膜エレメント
１ａ 多孔質セラミック支持体
１ｂ ゼオライト膜
１０ 分離膜モジュール
１１ 蒸留塔
１２ 凝縮器
１３ 貯水タンク
１３Ａ，１３Ｂ 貯水容器
１４ 真空ポンプ
１５ 断熱部材
１００，２００ 脱水システム
Ｐ1，Ｐ1'，Ｐ2，Ｐ2A，Ｐ2B 配管（非透過側）
Ｐ3 配管（透過配管）
Ｐ4，Ｐ5，Ｐ6 配管
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４ バルブ（圧力制御部材）

Claims (13)

  1. 含水有機化合物から水を分離する脱水システムであって、
    筒状の多孔質セラミック支持体と、該支持体上に設けられたゼオライト膜とを有する、１又は複数の筒状の膜エレメントが内部に配置され、当該１又は複数の筒状の膜エレメントによって、供給された含水有機化合物から水を分離する分離膜モジュールと、
    前記筒状の膜エレメントの水の透過側を減圧にする減圧手段と、
    前記分離膜モジュールと前記減圧手段との間に配管を介して設けられ、前記筒状の膜エレメントを透過した水蒸気を水に凝縮する凝縮器と、
    を備え、
    以下の構成（１）および構成（２）の少なくとも１つを備えることを特徴とする含水有機化合物の脱水システム。
    構成（１）：前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管を、水が凝縮しない温度に保持する温度保持手段を有すること
    構成（２）：前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管が、分離膜モジュールの透過水出口から凝縮器へ向かって下向きに配置されていること
  2. 構成（１）を少なくとも備え、前記温度保持手段として、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管を被覆する断熱部材を有する、請求項１に記載の脱水システム。
  3. 構成（１）を少なくとも備え、前記温度保持手段として前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管を加熱する加熱手段を有する、請求項１または２に記載の脱水システム。
  4. 前記加熱手段が、スチームトレースまたは電気トレースである、請求項３に記載の脱水システム。
  5. 構成（１）および構成（２）の両方を備える、請求項１から４のいずれかに記載の脱水システム。
  6. 請求項１から５のいずれかに記載の脱水システムの運転方法であって、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管の温度が、２０℃以上になるように保持する脱水システムの運転方法。
  7. 前記配管の温度を、前記分離膜モジュールの設定温度に対して−２０℃〜２０℃の範囲となるよう調整する、請求項６に記載の脱水システムの運転方法。
  8. 含水有機化合物から水を分離する脱水システムの運転方法であって、
    筒状の多孔質セラミック支持体と、該支持体上に設けられたゼオライト膜とを有する、１又は複数の筒状の膜エレメントが内部に配置され、当該１又は複数の筒状の膜エレメントによって、供給された含水有機化合物から水を分離する分離膜モジュールと、
    前記筒状の膜エレメントの水の透過側を減圧にする減圧手段と、
    前記分離膜モジュールと前記減圧手段との間に配管を介して設けられ、前記筒状の膜エレメントを透過した水蒸気を水に凝縮する凝縮器と、
    前記凝縮器を透過した水を蓄える貯水容器と、
    を備え、
    前記貯水容器に蓄えられた水を排出するときに、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管の圧力を、絶対圧２０ｋＰａ以下に制御することを特徴とする脱水システムの運転方法。
  9. 前記凝縮器と前記貯水容器との間を接続する配管に設けられた開閉可能な圧力制御部材を有し、前記貯水容器内の水を排出するときに、前記圧力制御部材を最初にクローズすることにより、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間の配管の圧力を制御する、請求項８に記載の運転方法。
  10. 前記貯水容器から水が排出された後、前記貯水容器、及び前記圧力制御部材と前記貯水容器との間を接続する配管を減圧する時に、前記凝縮器と前記貯水容器との間を接続する配管に設けられた圧力制御部材を最後にオープンする、請求項８または９に記載の運転方法。
  11. 含水有機化合物から水を分離する脱水方法であって、
    筒状の多孔質セラミック支持体と、該支持体上に設けられたゼオライト膜とを有する、１又は複数の筒状の膜エレメントが内部に配置され、当該１又は複数の筒状の膜エレメントによって、供給された含水有機化合物から水を分離する分離膜モジュールと、
    前記筒状の膜エレメントの水の透過側を減圧にする減圧手段と、
    前記分離膜モジュールと前記減圧手段との間に配管を介して設けられ、前記筒状の膜エレメントを透過した水蒸気を水に凝縮する凝縮器と、
    を備え、
    前記凝縮した水の膜エレメントへの再流入防止手段を備えることを特徴とする含水有機化合物の脱水方法。
  12. 再流入防止手段が、
    以下の構成（１）および構成（２）の少なくとも１つを備えることを特徴とする、請求項１１に記載の含水有機化合物の脱水方法。
    構成（１）：前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管を、水が凝縮しない温度に保持する温度保持手段を有すること
    構成（２）：前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管が、分離膜モジュールの透過水出口から凝縮器へ向かって下向きに配置されていること
  13. 前記凝縮器を透過した水を蓄える貯水容器を備え、
    再流入防止手段が、
    前記貯水容器に蓄えられた水を排出するときに、前記分離膜モジュールと前記凝縮器との間を接続する配管の圧力を、絶対圧２０ｋＰａ以下に制御することを特徴とする、請求項１１に記載の含水有機化合物の脱水方法。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11578628B2 (en) 2020-10-23 2023-02-14 Gas Technology Insitute Method and system to selectively recover water vapor and latent heat from exhaust gas streams
KR102464360B1 (ko) * 2021-12-27 2022-11-09 (주)파인텍 분리막을 이용한 유기용제 탈수장치
CN116409839B (zh) * 2023-06-12 2023-08-08 东莞市鹏锦机械科技有限公司 一种nmp废液提纯系统及工艺

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5573301A (en) * 1978-11-24 1980-06-03 Japan Atom Energy Res Inst Concentrating method and apparatus for aqueous solution
JPS58180204A (ja) * 1982-04-19 1983-10-21 Kuri Kagaku Sochi Kk 滲透蒸発膜を用いる分離法
JPS6191302U (ja) * 1984-11-20 1986-06-13
JPH0557151A (ja) * 1991-08-30 1993-03-09 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd 有機物選択透過分離装置
JPH0731130U (ja) * 1993-11-05 1995-06-13 日東電工株式会社 浸透気化膜分離装置
JP2007090233A (ja) * 2005-09-28 2007-04-12 Bussan Nanotech Research Institute Inc ゼオライト分離膜の製造方法
WO2013125660A1 (ja) * 2012-02-24 2013-08-29 三菱化学株式会社 ゼオライト膜複合体
JP2014046300A (ja) * 2012-09-03 2014-03-17 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 膜による溶液の脱水法
JP2014092058A (ja) * 2012-11-02 2014-05-19 Honda Motor Co Ltd 燃料分離装置
JP2015127026A (ja) * 2013-12-27 2015-07-09 日本碍子株式会社 分離装置、分離方法及び分離膜
JP2016027938A (ja) * 2014-07-11 2016-02-25 日本碍子株式会社 膜の再生方法、膜の再生装置及び分離装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3679990D1 (de) * 1986-07-29 1991-08-01 Gft Ges Fuer Trenntechnik Pervaporationsverfahren und -membran.
US4787919A (en) * 1987-06-23 1988-11-29 Union Carbide Corporation Membrane separation system and process
WO2004073841A1 (ja) * 2003-02-21 2004-09-02 Bussan Nanotech Research Institute, Inc. 水溶性有機物の濃縮方法
WO2007058698A2 (en) * 2005-09-13 2007-05-24 Rasirc Method of producing high purity steam
US8926731B2 (en) * 2005-09-13 2015-01-06 Rasirc Methods and devices for producing high purity steam
CN102206197A (zh) * 2011-03-31 2011-10-05 天津大学 带有中间储罐间歇精馏与渗透汽化耦合分离四氢呋喃和水的装置和方法
CN202516478U (zh) * 2012-05-07 2012-11-07 成都连接流体分离科技有限公司 麦芽糖醇稀液连续式膜浓缩设备
US9682902B2 (en) * 2012-11-16 2017-06-20 Exxonmobil Research And Engineering Company Membrane separation process using mixed vapor-liquid feed
CN103071307B (zh) * 2013-01-23 2015-04-22 江苏九天高科技股份有限公司 一种精馏-蒸汽渗透耦合的有机溶剂脱水方法及装置
JP6221889B2 (ja) * 2014-03-26 2017-11-01 三菱ケミカル株式会社 多管式分離膜モジュール

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5573301A (en) * 1978-11-24 1980-06-03 Japan Atom Energy Res Inst Concentrating method and apparatus for aqueous solution
JPS58180204A (ja) * 1982-04-19 1983-10-21 Kuri Kagaku Sochi Kk 滲透蒸発膜を用いる分離法
JPS6191302U (ja) * 1984-11-20 1986-06-13
JPH0557151A (ja) * 1991-08-30 1993-03-09 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd 有機物選択透過分離装置
JPH0731130U (ja) * 1993-11-05 1995-06-13 日東電工株式会社 浸透気化膜分離装置
JP2007090233A (ja) * 2005-09-28 2007-04-12 Bussan Nanotech Research Institute Inc ゼオライト分離膜の製造方法
WO2013125660A1 (ja) * 2012-02-24 2013-08-29 三菱化学株式会社 ゼオライト膜複合体
JP2014046300A (ja) * 2012-09-03 2014-03-17 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 膜による溶液の脱水法
JP2014092058A (ja) * 2012-11-02 2014-05-19 Honda Motor Co Ltd 燃料分離装置
JP2015127026A (ja) * 2013-12-27 2015-07-09 日本碍子株式会社 分離装置、分離方法及び分離膜
JP2016027938A (ja) * 2014-07-11 2016-02-25 日本碍子株式会社 膜の再生方法、膜の再生装置及び分離装置

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