JPS58180204A - 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膜による液の分離能力及び収率を
高める改良に関する。

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１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（ｐｇｒｇｖａｐｏｒａｔｉｏル）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、従来竜ロファン、ナイロン、ナフイヨ
ン等の膜が使用されている。

この従来の滲透蒸発法においては、膜の蒸発側を例えば
１ト一ル程度のかなりの高真空にしなければ所定の分離
能力が得られず、高真空装置を必要とすること、設備費
及び運転費がかなり高くつくこと、及び分離能力が未だ
比較的小さいレベルにあること等から、工業的実施には
未だ不適尚であった。

本発明者等は、上述した滲透蒸発膜の蒸発側にキャリヤ
ガスを通じながら吸引操作を行うときには、従来の方法
に比して著しく低い減圧度にしながら、しかも高い分離
能力が得られることを見出した。

即ち、本斃明によれば、滲透蒸発膜の一方の面に分離す
べき混合原液を為圧で通し、他方の面を直接減圧或いは
一ヤリャガスを流しながら、減圧に吸引し、前記膜を透
過して蒸発する前記原液よりも特定の成分に富んだ蒸気
と前記原液よりも他の成分に富んだ残液とに分離するこ
とを特徴とする滲透蒸発膜を用いる分離法が提供される
。

本発明を添付図面を参照しつつ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を示す第１
図において、円筒形の本体シェル１の内部には、多数の
浸透蒸発膜チューブ２が一対のチューブ支持管板！、５
によって気密に保持されている。シェル１の両開目端部
にはフランジ４，４が設けられており、この７ランジ４
を介してパイプ６を備えた鏡板５がボルト等により夫々
締結されており、全体として耐圧構造容器となっている
。

この具体例に示す装置においては、浸透蒸発膜チューブ
２の外方の空間７が分離すべき混合原液を通ずる高圧側
室となっており、一方チューブ内空間８が蒸気を取出す
減圧側室となっている。これに関連して、シェル１の側
壁には液入口９及び液出口１０が設けられ、下方鏡板５
のバイブロにはガス出ロバルプ１１及び上方鏡板５のバ
イブロにはガス人口バルブ１２が夫々設けられている。

また、分離すべき混合原液を加熱するためにシェル１の
外側には加熱用ジャケット１３が設けられ、これにスチ
ーム人口１４及びドレン出口１５が設けられている。

ガス出ロバルプ１１には、ガス弓１出し用のパイプ１６
が接続され、これに真空ポンプ１７、コンデンす−乃至
は冷却鰺１８及び凝縮液タンク１９が順次接続される。

凝縮液タンク１９の排気側には、ヒーター２０が接続さ
れ、ヒーター２０を通った排気はパイプ２１を介してガ
ス人口バルブ１２に至るようになっている。

尚、チューブ２を構成する滲透蒸発膜として社、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（
Ｊ）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（ｙ）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ｙ　＝　ｘ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。

本発明者！１＄は、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・エラストマー膜は、
上側の凸の滲透蒸発曲線を示す膜であり、一方ボリフエ
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、原液に比して溶媒外に富んだ蒸
気が回収され、一方後者の膜を使用すると原液に比して
溶媒外に富んだ液分が回収されることが見出されている
。

剣先ば、ｔＪｇ２図は、メタノール（・）、エタノール
（○）及びイソ−プロパツール（ム）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ＣＸ）
　ｔ−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ＳＲ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。

再び第１図に戻って、本発明方法を実施するに際しては
、液入口９から分離すべき混合原液を装置内の高圧室７
内に供給し、必要によりスチーム入口１４から加熱用ジ
ャケット１６内にスチームを供給して、混合原液を所定
の温度に維持する。

次いで、ガス入口バルブ１２ｔ−絞り（１２は減圧弁を
使用することが好ましい）、ガス出口バルブ１１を開い
て、真空ポンプ１６を運転し、滲透蒸発膜チューブ２の
減圧１ｉ１８を一定の減圧下に維持する。これにより、
原料溶液中の一定成分は溶液側から減圧室側へとチュー
ブ２を滲透し、表面からＪ！尭し、賦圧！８にＦｉ混合
原液よりも特定の成分に富んだ蒸気が充満する。

この蒸気は、ガス出口１１、パイプ１６を通して真空ポ
ンプ１７内に吸引される。真空ポンプ１７の排出側は大
気圧近辺となっており、この排出ガスはコンデンサー１
８を通ることにより潜熱が奪われるように冷却され、排
出ガス中の蒸気は凝縮液タンク１９中に液体の形で回収
される。未凝縮ガスはヒーター２０により加熱され、パ
イプ２１及び絞られたガス入口バルブ１２を通って、キ
ャリヤーガスとして滲透蒸発膜チューブ２内の減圧ｍ８
に吹込まれる。

本発明によれば、蒸気が弗化する滲透蒸発膜の減圧室側
にキャリヤガスを通ずることによって、後述する例に示
す通り極めて顕著な利点が達成される。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（１ｍｌ’）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３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、本発明の好適態様に従い、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そ循環すると、全ての分離操作を
密閉系（クローズトナーキット）内で行うことが可能と
なり、分離回収率の点でも令書防止の点で４１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。

第１図に示す装置の運転に際して減圧室８の蒸気が特定
の成分に富んでいることの逆の結果として、高圧［７内
に残留する液は特定の成分がより稀薄な濃度となってお
り、この残留液は液出口１０から連続的に或いは間欠的
に装置外部に取出される。これに対応して、液入口９か
ら分離すべき混合原液が高圧室７内に連続的或いは間欠
的に供給されることになる。尚、本明細書において、高
圧［７と呼ぶのは、減圧ｉｉ！８に対して相対的に高圧
であるという意味であり、高圧室７内に供給される混合
原液圧は給液ポンプ圧であることが理解されるべきであ
ゐ、ｌｌ縮液檜１９に回収される液も連続的或い社間欠
的に系外に取出される。

本発明の一つの好適態様においては、混合原液の重量分
率（−）対蒸気の重量分率（ｙ）をプロットした滲透蒸
発膜１１においで、凸の曲線或いは凹のｍ−を示す滲透
蒸発膜の内、同種の滲透蒸発傾向を示す滲透蒸発膜を備
えた複数個のユニットを直列に接続して使用し、第一段
のユニットから回収される蒸気の凝縮物或いは残留濃縮
液を、第二段以後のユニットの高圧室に液として供給し
、滲透蒸発操作を行なう。

この態様に用いる装置の配置を示す第６図において、説
明の１禎を避けるため、嬉１図の装置の部材と共通の部
材は共通の引照数字で示されており、第一段のユニット
の部材には−の添字が、第二段のユニットの部材には滲
の添字が付されている。

これら各ユニットにおいて、第一段のユニットに使用さ
れる滲透蒸発膜チューブ２ａが、第２図において上に凸
の滲透蒸発曲線を示す膜、例えばオルガノポリシロキサ
ン膜から成っているときには、第二段のユニットに使用
される滲透蒸発膜チューブ２ｈもこれと同じ或いは同種
の膜から成っている。

第５図の装置において、各ｗニットの構成及び操作は、
第１図に示したものと同様であるが、第一段ユニットの
凝縮液槽１９ａに回収される凝縮液が給液ポンプ２２に
より配管２６を通して、第二ユニットの液入口９ｋに供
給される濃度が第１図のものと異なっている。

即ち、第３図において、凝縮液槽１９ｇに回収される蒸
気凝縮物は第一段ユニットの高圧室７ｇＫ供給される混
合原液に比して特定成分が濃縮されたものであるが、こ
の濃縮物を第二段ユニットの高圧８７４に供給し、第二
段ユニットにおいても滲透蒸発操作を行わせることによ
り、第二段ユニットの凝縮液槽１９ｈＫ％定成分がより
高濃度に濃縮された鎖縮液を回収することが可能となる
。

本発明のこの態様によれば、単に濃縮を高度に行えるば
かりではなく、膜分離能力の点でも顕著な利点が達成さ
れる。例えば、第２図に示す通り、水−アルコール混合
系に対して、ｓＲＨを使用した場合、蒸気濃縮液はアル
コール分が濃縮されたものとなる。−方、混合原液中の
アルコール重量分率（−）と蒸気の単位膜面積及び単位
時間当りの収量Ｑ　（１／ｍ”　ＡＴ）との関係を示す
第４図を参照すると、混合原液中のアルコール重量分率
（ｘ）の増加につれて蒸気収量は単調に増加することが
わかる。かくして、第６図に示す態様によれば、滲透蒸
発操作を直列的に多段に行うことにより、膜分離能力の
上でも顕著な利点が達成されることが了解される。

更に、浸透蒸発法による利点として、共沸混合物を形成
するような液体成分の組合せからも、一定の成分を共沸
点濃度よりも嵩い濃度で含有する濃縮物ｔ％られること
か挙げられる。例えば、イソプロパツール水系は、水の
負度が２８．５−１即ちイソプロパノールの濃度が７１
．７１ｉで共沸するが、本発明によれば、第２図に示す
通り、この共沸混合物よりもイソプロパツール濃度が低
い原溶液（例えば濃度２０嚢）から共沸混合物よりもイ
ソプロパツール濃度の高い蒸気（例えば濃度４８−）が
一段の滲透蒸発操作で回収され、これよりも濃度の低い
イソプロパノ−ルー水系では、二段の滲透蒸発操作で共
沸混合物濃度よりもアルコールが高濃度の蒸気が回収さ
れることになる。

第２図に示すように、回収を目的とする成分が残液中Ｋ
ｌｌ縮されるＰ２Ｏ膜やＣＩ膜の場合には、第二ユニッ
トの液入口９ｋに、第一ユニットの液出口１０４１から
排出される残留濃縮液を供給して―透ＪＩＪ１操作を行
えばよい。

本発明の更に別の態様によれば、混合原液の重量分率対
蒸気の重量分率を、プロットした滲透蒸発−線において
凸の一纏或いは凹の曲線を示す滲透蒸発膜の内、一方の
滲透蒸発曲線を示す滲透蒸発膜を備えた第一のユニット
を使用して第一段の滲透Ｍ斃操作を行い、原発分離後の
残留液を、逆の滲透Ｈ斃傾向を示す滲透１１１尭膜を備
えた第二のユニットの高圧室に供給して滲透蒸発操作を
行い、第二の為ニットの残留液を第一のユニットの高圧
麿儒に循環する。

この一様を示す第５図において、第一ユニット及び第二
ユニットの構造及び操作は第３図のものと同機であり、
第Ｓ−ニットの部材には、第−及び第二のユニットの各
部材と共通の引照数字とＣの添字とが付されている。

第三ユニットの滲透蒸発膜チューブ２Ｃは、第１及び第
二のユニットの滲透蒸発膜’１ｍ及び２ｂとは逆の滲透
蒸発傾向を有するように、例えば第１及び第２のユニッ
トの滲透蒸発膜がＳＲ膜であるのに対して、第３のユニ
ットの滲透蒸発膜２ｃはＰＰＯ膜或いはＣＡ膜であるよ
うに両膜の組合せが選ばれる。

この第５図において、第一ユニットの液出口１０αは配
管２４を経て、また第三ユニットの液出口１０Ａは配管
２５を経て第三ユニットの液入口９ｃに夫々接続される
。更に、第三ユニットの液出口１０Ｃは配管２６を経て
、第一ユニットの液入口９４に接続される。勿論、これ
ら配管２４．２５及び２６には、図示していないが、給
液ポンプや弁乃至は流量調節弁圧力コントローラー或い
は更に液貯槽等の給液上必要な機構を付属させることが
できる。

第一ユニット及び第三ユニットでは、回収すべき特定成
分が蒸気凝縮物中に濃縮される一方で、高圧室７α及び
７ｈに蒸発操作後に残留する残留液中では上記成分が稀
薄な状態となっている。この特定成分が稀薄な状態とな
った残留液は、第一ユニットの液出口１０αから配管２
４を経て、また第三ユニットの液出口１０ｂから配管２
５を経て、１三ユニツトの液入口９Ｃから第三ユニット
の高圧Ｗ１７Ｃに送られる。

第三ユニットの滲透蒸発膜２Ｃは、第−及び第二のユニ
ットの滲透蒸発膜２α、２ｂとは逆に、原液中の特定成
分が残留液中に濃縮され、且つ原液中の他の成分が蒸気
中に一層されるような滲透蒸発特性を示す。その結果と
して、第三ユニットの高圧室７Ｃからの残留液は特定成
分がより高濃度に濃縮されたものとなり、この濃縮液を
液出口１０Ｃ１配管２６を経て第一ユニットの液入口９
αに循環することにより、特定成分の分離回収が一層効
率良（行えるようになる。尚、第三ユニットの凝縮液槽
１９Ｃには他の成分が高度に＃縮された液が回収される
ことになる。　　　　　　＼ 本発明の―透蒸発分離法は、水と櫨々の有機液体とを含
む溶液から、有機液体と水とを分離する用途に使用し得
る他、複数種の有機液体の溶液からこれらの各成分を分
離する用途に有利に使用できる。

また、滲透蒸発装置内に混合原液を連続的に供給する場
合には、キャリヤガスを別個の人口から供給する代りに
、供給する混合原液を空気、脅素勢のガスで飽和させ、
この飽和したガスをキャリヤガスとして用いることもで
きる。

本発明を次の例で説明する。

実施例を 第１図の装置において シェル径　　　　　　　１００ｍ 滲透蒸発膜本数　　　　約６３０本／−雪としたものを
使用し、原液としてエタノール１〇−１水９０−を用い
て滲透蒸発操作に賦し、膜分離能力を測定した。

運転条件及び結果を下記に示す。

尚、膜分離能力は、滲透蒸発膜の単位膜面積及び単位時
間蟲りの収量（Ｉ／が・Ａつで示した。

（１）真空度　　　１００）−ル 中ヤリャガス流量　　　　５ＱＮＬ／ｗｘ加熱ガス温度
　　　　　　５０℃ 冷却ガス温度　　　　　　２５℃ 分離液―度　　　　　　　エタノール４８−水　　　　
５１− 膜分離能力　　　　　　　９０９／が・ｈｒ（２）真空
度　　　１トール キャリヤガス　　　　　　なし Ｓ尭温度　　　　　２５℃ 膜分離能力　　　　　　　２８Ｉ／が・ムｒ以上の結果
より、単に真空度１トールに吸引するよりも加温のキャ
リヤガスを通しながら、真空度１００トールとした場合
でも約３倍の分離能力があることが壜鱗される。

実施例２ 実施例１において、第５図に示す装置を使用する以外は
！Ｉ！施例１と同様にして滲透蒸発操作を行い分離液濃
度を測定し、膜分離能力を評価した。

運転条件及び結果を下記に示す。

（１）真空度　　１００トール キャリヤガス流量　　５　Ｑ　ＭＬ／肩加熱加熱ガス温
度　５０℃ ガス冷却温度　　　　２５℃ 分離液濃度 上記結果より、滲透蒸発操作を直列的に多段に行うこと
により、膜分離能力の上で顕著な利点が達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施に好適に使用される装置の配置
を示す図、 第２図は、本発明方法によゐ滲透蒸発分離の結果を示す
ｆｉａＥ。 第６図は、本発明の実施に好適に使用される装置の他の
態様を示す図、 第４図は、本発明方法による滲透蒸発分離に賦した時の
アルコール重量分率（−）と蒸気の巣位膜面積及び単位
時間蟲りの収量Ｑとの関係を示す線図、 第５図は、本発明の実施に好適に使用される装置の更に
他の態様を示す図であって、 側照数字はそれぞれ、１は本体シェル、２は滲透Ｍ斃膜
チューブ、６は滲透蒸発膜チューブ支持管板、４は７ク
ンジ、５は鏡板、６はガス入口バイブ、７は液高圧側家
、８は滲透蒸発膜チューブ内部、９は液入口、１０は液
出口、１１はガス出ロハルプ、１２はガス入口バルブ、
１３はシェル、１４はスチーム入口、１５はドレン出口
、１６はガス出口バイブ、１７は真空ポンプ、１８はコ
ンデンサー、１９＃′ｉ凝縮液タンク、２０はヒーター
、１ｇ、１．６は本体シェル、２ａ、２には滲透蒸発膜
チューブ、ｓａ、ｓｂｕ滲透蒸発膜チューブ支持管板、
７ｍ、７には液高圧室側、ｆ３ｇ、８ｈは滲透蒸発膜チ
ューブ内部、９ｍ、９には液入口、１０４１．１（ｌは
液出口、１１１．１１ｂはガス出ロバルプ、１２ａ、１
２７はガス入口バルブ、１６ｇ、１６ｈはガス出口バイ
ブ、１７α、１７ｈは真空ポンプ、１８α、１８ＡＵコ
ンデンサー、１９＠、１９轟唸凝縮液タンク、２０８．
２０ｈはヒーター、２１１！、２１は循環ガスパイプ、
２２はポンプ、２６はパイプ、１ａ、１に、１ｃは本体
シェル、２ａ、２に、２ｃは滲透蒸発膜チューブ、７ｇ
、７に、７ｃは液高圧室側、８α。 ｆ３ｈ、ｆ３ｃは滲透蒸発膜チューブ内部、９ｇ、９Ａ
、ｑｃｌｄ液入口、１０ａ、１１，１０Ｃ液出口、１１
Ｇ、　１１　ｂ　、　１１　ｅＢガス出ロバルプ、１？
、１２Ａ、１？はガス入口バルブ、１６ａ。 １６ｈ、１６Ｃはガス出口バイブ、１７ｔｌ、１７ｋ。 １７Ｃは真空ポンプ、１８ａ、１８ｂ、１８ｃはコンデ
ンサー、１９ｇ、１９ｈ、１？Ｆｉ凝縮液タンク、２０
ａ、２０Ａｓ２０Ｃはヒーター、２１ａ、２１．２ＩＣ
は循環ガスパイプ、２２はポンプ、２Ｍ、２４．２５．
２６はパイプを示す。 冴１１ す２図 −メタノ−Ｉし１ ｑｂ

Claims (6)

【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、他方の面を直筆に減圧するか、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と前
   記原液よりも他の成分に富んだ残液とに分離することを
   特徴とする滲透蒸発膜を用いる分離法。
2. （２）　　Ｗｋ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＋？ヤリャガス
   として循環することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の分離法。
3. （３）　　混合原液の重量分率対蒸気の重量分率をプロ
   ットした滲透蒸発−線において、凸の曲線或いは凹の曲
   線を示す滲透蒸発膜の内、同種の滲透原発傾向を示す滲
   透蒸発膜を備えた複数値のユニットを直列に接続して使
   用し、第一段のユニットから回収される蒸気の凝縮物或
   いは残留濃縮液を、第二段以後のユニットの為圧室に液
   として供給し、滲透蒸発操作舎行なう特許請求の範囲第
   １項記載の方法。
4. （４）混合原液の重量分率対蒸気の重量分率をプロット
   した滲透蒸発操作において凸の曲線或いは凹の曲線を示
   す滲透蒸発膜の内、一方の滲透原発傾向を示す滲透蒸発
   膜を備えた第一のユニットを使用して菖一段の滲透蒸発
   操作を行い、蒸発分離後の残留液を、逆の滲透原発傾向
   を示す滲透蒸発膜を備えた第二のユニットの高圧室に供
   給して滲透蒸発操作を行い、第二のユニットの残留液を
   第一のユニットの高圧車側に循環する特許請求の範囲１
   １１１項記載の方法。
5. （５）用いる滲透蒸発膜がオルガノポリシロキサン・エ
   ラストマー膜である特許請求の範囲第１項記載の方法。
6. （６）用いる滲透蒸発膜がボリフエニレンオキシド膜或
   いは酢酸セルロース膜である特許請求の範囲第１項記載
   の方法。