脱水システム及び脱水方法
【課題】 膜性能の向上を図った脱水システムを提供する。
【解決手段】 脱水装置１本体内に、液体５０を通すための上下に延びる一以上の流路を有する水分離膜の下部に液体入口を、上部に液体出口を有してなる水分離膜部１０と、該水分離膜部の外側面と、装置本体内壁とで規定されるシェル部１１とを備える脱水装置１であって、液体が該流路を上昇しながら該液体中の水分が該水分離膜を透過して該シェル部に放出されて液体が脱水される脱水装置１と、該シェル部１１を減圧する減圧手段１３と、該水分離膜部に供給する前の液体を加圧する加圧手段と、加圧した液体を加熱する加熱手段とを備えてなる脱水システム。
【解決手段】 脱水装置１本体内に、液体５０を通すための上下に延びる一以上の流路を有する水分離膜の下部に液体入口を、上部に液体出口を有してなる水分離膜部１０と、該水分離膜部の外側面と、装置本体内壁とで規定されるシェル部１１とを備える脱水装置１であって、液体が該流路を上昇しながら該液体中の水分が該水分離膜を透過して該シェル部に放出されて液体が脱水される脱水装置１と、該シェル部１１を減圧する減圧手段１３と、該水分離膜部に供給する前の液体を加圧する加圧手段と、加圧した液体を加熱する加熱手段とを備えてなる脱水システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脱水システム及び脱水方法に関する。さらに詳しくは、水との共沸組成を持つエタノールやプロパノールと水との混合物、あるいは酸と水との混合物などを効率的に脱水することができる脱水システム及び脱水方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油燃料を代替する燃料源として、エタノールが注目されており、その市場規模は、２０１０年に５５００万キロリットルと予測されている。しかし、メタノールを燃料として採用するためには、トウモロコシ等のバイオ原料から得た粗製物を蒸留精製し、少なくとも９９．７ｗｔ％以上に脱水しなければならない。
従来、脱水にあたっては、希薄エタノール水溶液を、蒸留塔で蒸留することにより、エタノール／水系の共沸点近くまで濃縮し、次いで脱水するといったことが行われている。
【０００３】
脱水するための手法としては、エントレーナを加え、共沸蒸留で脱水する方法がある。しかし、この方法では、三成分系を共沸蒸留し、さらにエントレーナを回収するといった工程を踏む必要があり、多大の熱エネルギーを必要とするといったような幾つかの欠点があった。
【０００４】
また、モレキュラーシーブ槽を複数並列し、これらをバッチ切替しながら脱水する方法もある。しかし、この方法でも、モレキュラーシーブ槽の再生に多大なエネルギーを消費するという難点があった。
【０００５】
さらに、膜分離器を用いたパーベーパレーション法膜分離により、完全に相互溶解する液体混合物から水を分離する方法が知られている（特許文献１：特開平７−１２４４４４号公報）。パーベーパレーション法膜分離は、相互溶解する液体混合物の分離において、分離性のよさ、省エネルギーといった利点を有する。
【特許文献１】特開平７−１２４４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パーベーパレーション法膜分離は、エタノール燃料等の精製において有望な方法であるが、実用化に向けて、さらなる高性能が求められている。特に、高純度のエタノール無水物等をさらに高い効率で得ることが求められている。
【０００７】
水分離膜反応器を用いてパーベーパレーション法膜分離を行う場合に、処理対象となる流体の温度が高いほど水分離膜の膜性能を表す透過フラックス（単位はｋｇ／ｍ2ｈ）が大きくなり、分離性能が良くなることが知られている。しかし、流体の温度を上げて分離性能を向上させるために、液体混合物をガス化するまで加熱すると、気化熱に伴って加熱量が増大するという問題があった。また、液体混合物をガスと液体の混相になるまで加熱すると、キャビテーションにより、膜の破壊が生ずるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、液体混合物を液体状態のまま高温化することにより、上記問題を生ずることなく透過フラックスを増加させ、結果的に膜性能を向上させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明は、脱水システムであって、脱水装置本体内に、液体を通すための上下に延びる一以上の流路を有する水分離膜の下部に液体入口を、上部に液体出口を有してなる水分離膜部と、該水分離膜部の外側面と、装置本体内壁とで規定されるシェル部とを備える脱水装置であって、該液体が該流路を上昇しながら該液体中の水分が該水分離膜を透過して該シェル部に放出されて液体が脱水される脱水装置と、該シェル部を減圧する減圧手段と、該水分離膜部に供給する前の液体を加圧する加圧手段と、該水分離膜部に供給する前の加圧した液体を加熱する加熱手段とを備えてなることを特徴とする。
ここで、水分離膜部に供給する前の液体を加圧する加圧手段は、脱水装置の前段に設けられたものであってもよく、脱水装置の後段に設けられたものであってもよく、それらの両方であってもよい。脱水装置の後段に設けられた加圧手段も、脱水装置の前段に設けられる加圧手段と同様に液体を加圧された状態で脱水装置に供給することができる。
【００１０】
さらに、本発明に係る脱水システムでは、別の形態で、前記脱水装置の後段に、液体の濃度分析装置を備えてなることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明に係る脱水システムでは、別の形態で、前記脱水装置の前段に、前記濃度分析装置に接続された、液体の流量調節装置をさらに備えてなるように構成している。
【００１２】
さらに、本発明に係る脱水システムでは、別の形態で、前記脱水装置が二以上の水分離膜部を有し、該脱水装置が二以上直列に接続されており、隣り合う前後の脱水装置を接続する管に、前段の脱水装置から回収された液体を混合する混合機をさらに備えてなるように構成している。
【００１３】
本発明は、別の側面で、脱水方法であり、上下に延びる一以上の流路を有する水分離膜の下部入口から上部出口に向けて液体を流し、該水分離膜の外側を減圧して、該液体中の水分を該水分離膜の外側に透過させる脱水方法であって、該液体を加圧下で昇温させた後に該水分離膜に供給することを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明に係る脱水方法では、別の形態で、脱水された前記液体の無水物濃度または水分濃度を測定し、該濃度に応じて前記水分離膜に供給する液体の量を調節することを特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明に係る脱水方法では、また別の形態で、前記水分離膜を、二以上並列して脱水を行う工程と、各水分離膜から回収された液体を混合する工程と、混合された液体をさらに水分離膜を用いて脱水する工程とを含んでなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、液体を加圧下、高温で水分離膜部に供給することにより、液体のガス化に伴う問題を生ずることなく膜分離性能を増大させ、高い脱水性能を実現する脱水システムおよび脱水方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る脱水装置、脱水システム及び脱水方法について、その実施の形態を参照しながらさらに詳細に説明する。
図１に、本発明に係る脱水システムの一実施の形態を示す。
図１に示す脱水システムは、主たる構成要素として、脱水装置１本体内に、水分離膜部１０と、シェル部１１と、真空ダクト１４とを備えた脱水装置１と、減圧手段１３と、昇圧用ポンプ１２と、熱交換器１６と、圧力調節装置１５とを備えている。
【００１８】
脱水装置１の水分離膜部１０は、脱水装置１本体内にあって、水分離膜１０ｄから構成されており、液体の入口１０ａが鉛直方向下側に、出口１０ｂが上側にあって、その内部には、液体を通すための上下に延びる一以上の中空部である液体の流路１０ｃが形成されている。シェル部１１は、水分離膜部１０の側面の外側にある。シェル部１１には、真空ダクト１４が設けられ、真空ダクト１４は減圧装置１３に接続されている。
【００１９】
水分離膜部１０は、無水物と水との混合物である液体５０を、無水物と水とに分離する。かかる水分離膜部１０としては、様々な形態のものが知られており、市販されている。本実施形態による水分離膜部１０としては、一例として、モノリス型のものと、チューブラ型の水分離膜部を用いることができる。
【００２０】
図２Ａおよび図２Ｂにモノリス型の水分離膜部１１０の例を挙げて説明する。図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａにおける断面である。モノリス型の水分離膜部は、円柱状の水分離膜１１０ｄに複数の液体を通すための上下に延びる一以上の中空部である、液体の流路１１０ｃが設けられたものである。かかる水分離膜においては、水分離膜内部の液体の流路１１０ｃを、膜の一次側、または供給側といい、水分離膜１１０ｄの外側を、膜の二次側、または透過側とよぶ。
【００２１】
このような水分離膜部を用いたパーベーパレーション法膜分離においては、水分離膜部１１０を、好ましくは、流路の方向が鉛直方向と平行になるように設置する。そして、水分離膜部１１０の透過側を減圧しながら、鉛直方向下側の入口１１０ａから液体５０を供給し、重力と逆の向きに流して、鉛直方向上側の出口１１０ｂから液体５０を回収する。かかる操作により、液体５０中の水が、水蒸気５１となって、水分離膜１１０ｄの側面から、透過側に引き抜かれる。その結果、水分離膜部出口１１０ｂから回収される液体５０は、脱水されたものとなっている。
【００２２】
図示したモノリス型の水分離膜部１１０は、概略的なものであるが、一例として、直径が３０ｍｍの円柱状の水分離膜に対して、直径が３ｍｍの穴を３０個設けた水分離膜部を用いることができる。別の例として、直径が１５０〜２００ｍｍの水分離膜部に対して、直径が２ｍｍの穴を２００個設けた水分離膜部を用いることができる。水分離膜部の長さは、所望の膜性能に応じて当業者が適宜決定することができるが、一例として、１５０ｍｍから１ｍのものを用いることができる。
【００２３】
別の例として、図３Ａおよび図３Ｂにチューブラ型の水分離膜部を挙げて説明する。図３Ｂは、図３ＡのＢ−Ｂにおける断面である。チューブラ型の水分離膜部２１０は、水分離膜２１０ｄの内部に液体の流路２１０ｃがひとつだけ設けられたものである。チューブラ型の水分離膜部２１０も、その設置態様および作用効果は、モノリス型の水分離膜部と同様である。チューブラ型の水分離膜部の一例としては、外径が１０ｍｍ、内径が７ｍｍのものを用いることができ、別の例としては、外径が３０ｍｍ、内径が２２ｍｍのものを用いることができる。長さは、一例として、１５０ｍｍから１ｍのものを用いることができる。
【００２４】
水分離膜部を構成する水分離膜の材質としては、無機材でナノオーダーまたはそれ以下の孔径が精密に制御された微細孔多孔膜を用いることができる。微細孔多孔膜は、小分子ガスを通し、大分子ガスを排除する分子ふるい効果を発現し、その透過係数は温度上昇とともに増加する活性化拡散の挙動を示す。微細孔多孔膜の例としては、炭素膜、シリカ膜、ゼオライト膜が挙げられる。本実施形態においては、水分離膜としては、細孔径１０オングストローム以下のシリカ系又はゼオライト系の無機水分離膜が好適である。
【００２５】
また、特許第２８０８４７９号記載の無機水分離膜も適用可能である。該特許第２８０８４７９号の無機水分離膜は、無機多孔体の細孔内に、エトキシ基又はメトキシ基を含むアルコキシシランの加水分解を経て得られたシリカゲルを担持することによって得られる耐酸性複合分離膜である。
【００２６】
水分離膜部の形態、サイズ、および材質は、使用目的に応じて当業者が適宜選択することができる。本実施形態においては、水分離膜部は、物理的強度に優れた水分離膜材により構成されることが好ましい。水分離膜部内の流路に、加圧された液体を供給して用いるためである。
【００２７】
脱水装置１本体内のシェル部１１は、水分離膜部１０の周囲にあって、水分離膜の透過側にあたり、水分離膜部１０の側面から放出される水蒸気５１の流路となる部分である。本実施形態においては、シェル部１１は、水分離膜部１０の側面と、脱水装置１本体の内壁とにより規定される空間部分である。シェル部１１は、水分離膜部に供給する前の液体５０、または水分離膜部１０から回収される液体５０が流れ込むことがないように構成されている。
【００２８】
シェル部１１には、真空ダクト１４が設けられる。真空ダクト１４は、減圧装置１３に接続する接続口である。真空ダクト１４は、シェル部１１に放出された水蒸気５１を回収する。真空ダクト１４は、図示するように横向きに設けられてもよく、鉛直方向下向きに設けられてもよく、その向きが限定されるものではない。また、その取り付け位置および数が限定されるものではない。
【００２９】
減圧装置１３は、シェル部１１を減圧して、水分離膜部１０から放出された水蒸気５１を吸引する手段である。圧力を、１０〜１００ｔｏｒｒ（１３３３．２２〜１３３３２．２Ｐａ）程度にまで減圧するものであればよく、通常の減圧ポンプ等を用いることができる。
【００３０】
昇圧用ポンプ１２は、脱水装置１及び熱交換器１６の前段に設けられる加圧手段である。昇圧用ポンプ１２は、処理対象となる液体５０を所定の圧力にまで加圧するものであって、通常の昇圧用ポンプ等を用いることができる。液体５０を、好ましくは２ａｔｍから１０ａｔｍにまで加圧できるものであればよい。
【００３１】
熱交換器１６は、脱水装置１の前段であって、昇圧用ポンプ１２の後段に設けられる加熱手段である。熱交換器１６は、その前段の昇圧用ポンプ１２等の加圧手段で所定の圧力にまで加圧された液体５０を、好ましくは、かかる圧力における共沸点付近であって、共沸点未満の温度にまで昇温する。加熱手段としては、通常の熱交換器、ヒータ等を用いることができる。
【００３２】
圧力調節装置１５は、脱水装置１の後段に設けられる加圧手段である。圧力調節装置１５は、脱水装置１から回収される液体５０の圧力を測定し、必要に応じて後段のバルブを開閉して、圧力を所定の値に調節するものである。
【００３３】
次に、本実施の形態に係る脱水システムにより液体を脱水する方法の一形態を説明する。本実施の形態に係る脱水システムの対象とする液体５０は、一般的には、水と相互溶解する液体および水の混合物である。具体的には、エタノールと水との混合物、プロパノールと水との混合物、又は酢酸などの酸と水との混合物が挙げられる。液体は、原料となる混合物を、蒸留塔やアルコール選択膜で処理して、アルコールまたは酸の濃度を、８０〜９５ｗｔ％としたものである。以下、燃料として有用なエタノールと水との混合物を液体の一例として脱水方法を説明する。本実施の形態に係る脱水装置に供給する液体におけるエタノール濃度は、好ましくは、９５ｗｔ％である。
【００３４】
図１に示すように、９５ｗｔ％のエタノールと、５ｗｔ％の水との混合物である液体５０を昇圧用ポンプ１２で加圧する。液体の圧力が、常圧より大きくなるように加圧することが好ましく、１．５〜１０ａｔｍに加圧することが好ましく、２〜３ａｔｍに加圧することがさらに好ましい。しかし、加圧の程度は、使用する水分離膜の物理的強度との関係で、当業者が適宜決定することができる。
【００３５】
加圧した液体５０は、好ましくは熱交換器などで昇温する。液体の温度は、圧力との関係で決定され、所定の圧力において共沸点付近であって共沸点未満の温度とすることが好ましい。例えば、共沸点より１０から３０℃低い温度から、共沸点未満の温度範囲にまで昇温することが好ましい。また、液体５０に含まれる無水物の分解温度より低い温度内となるようにする必要がある。一例として、好ましい処理対象の液体５０として挙げられるエタノールと水の混合物においては、供給時の温度は、９０〜１５０℃とすることができる。また、エタノールの分解温度は２００℃であるため、エタノールを含む液体５０の供給時の温度は、２００℃より低い温度である。
【００３６】
昇温したあとの液体５０は、水分離膜部１０の液体入口１０ａから供給する。液体５０の供給流速は、０．５〜１ｍ／ｓｅｃとすることが好ましい。しかし、供給流速は、透過フラックスとの関係で当業者が適宜決定することができる。
【００３７】
液体５０を水分離膜部１０に供給しながら、シェル部１１を減圧する。このとき、シェル部１１の圧力が、１０〜１００ｔｏｒｒ（１３３３．２２〜１３３３２．２Ｐａ）程度となるように減圧することが好ましい。水分離膜の供給側と透過側の差圧により分離を促進するためである。本実施形態では、供給側の液体が加圧されているため、液体５０を常圧下で供給する場合と比較して、供給側と透過側の差圧が特に大きくなっており、水分離膜部１０からの水蒸気５１の透過がより促進されることとなる。
【００３８】
液体５０は、水分離膜部１０の下から上へ流路１０ｃを通過する。このあいだに、流路１０ｃを流れる液体５０中の水が、分離膜１０ｄを介してシェル部１１へ水蒸気５１として取り出される。出口１０ｂから回収される液体５０は、含有する水濃度が低下したものとなっている。液体５０の圧力は、脱水装置１の後段にある圧力調節装置１５により監視し、必要に応じて最適値に調節する。シェル部１１へ放出された水蒸気５１は、真空ダクト１４から回収される。回収された水蒸気５１は、その後段で、冷却器で凝縮される。
【００３９】
本実施形態では、説明を簡単にするため、一つの水分離膜部を備える脱水装置の形態を図示したが、脱水装置１は、脱水装置本体内に複数の水分離膜部１０を並列に接続して備えることができる。この場合、複数の水分離膜部１０は、脱水装置本体内に平行に設置することができる。この場合も、シェル部１１は、脱水装置本体の内壁と、複数の水分離膜部１０の外側面とで規定される一つの連続した空間となっていて、その内部を水蒸気が移動することができる。脱水装置本体内に複数の水分離膜部を並列に接続して設けることにより、一つの脱水装置にて一度に処理する流体の量を増やすことができる。
また、本実施形態では、脱水装置の前段に昇圧用ポンプを、後段に圧力調節装置を設けた形態、すなわち加圧手段が脱水装置の前後に二つ設けられた形態を図示したが、例えば、原料の元圧が高い場合には脱水装置の前段の昇圧用ポンプがなく、後段の圧力調節装置のみで圧力を調節するシステムであってもよい。あるいは、後段の圧力調節装置がなく、前段の昇圧用ポンプのみで圧力を調節するシステムであってもよい。いずれの形態であっても、加圧手段は、脱水装置に供給される液体を加圧された状態とすることができる。
【００４０】
また、本実施形態の変形形態として、シェル部１１にダクトを介して接続した減圧装置に代えて、シェル部に不活性ガスの供給口と排出口とを設けることもできる。かかる形態においては、シェル部に不活性ガスを流すことにより、図１に示す本実施の形態と同様の作用、効果を得ることができる。不活性ガスとしては、一例として、窒素、アルゴンなどを用いることができる。供給される不活性ガスの流速は、例えば、５〜１５ｍ／ｓｅｃ以上とすることが好ましい。
【００４１】
さらに、本実施形態の別の変形形態として、シェル部１１の上方であって、水分離膜部１０の出口１０ｂ付近に加熱手段を備え、シェル部１１の下方であって、水分離膜部１０の入口１０ａ付近に減圧手段に接続されるダクトが設けられているものであってもよく、シェル部１１の上方であって、水分離膜部１０の出口１０ｂ付近に加熱した不活性ガスを供給する機構をさらに備えるものであってもよい。かかる変形形態においては、シェル部１１において、上方から下方に向かう熱対流を形成する。そして、熱対流により、水分離膜部１０の出口１０ｂ付近を流れる液体１０を、水分離膜を介してシェル部１１から加熱し、水分離膜部１０の出口１０ｂ付近での透過フラックスを上げることができる。
本実施形態にかかる上下に延びる水分離膜部においては、出口に近づくにつれて水の気化熱により液体の温度が低下し、透過フラックスが下がるという現象がみられる。水分離膜部をシェル部１１に設けた加熱手段で加熱することにより、処理対象となる液体の温度の低下を防止し、透過フラックスを高く保つことができる。
【００４２】
図１に示す本実施の形態にかかる方法によれば、液体５０を加圧して水分離膜反応部１０に供給することにより、膜性能を上げることができる。
膜性能は、透過フラックスで評価することができ、透過フラックスは温度に比例することが知られている。図４は、エタノールと水の混合物について、異なる圧力における温度と透過フラックスの関係を概略的に示すグラフである。破線は、常圧における液体混合物の温度と透過フラックスの関係を示す。常圧での液体混合物の共沸点は約８０℃であり、それより高い温度ではガスを含んだ状態となる。したがって、常圧で、８０℃以上の液体を膜反応部１０に供給すると、高い透過フラックスは得られるものの、キャビテーションや加熱量の問題から不利である。実線は、２ａｔｍにおける液体の温度と透過フラックスの関係を示す。２ａｔｍでの液体混合物の共沸点は約１００℃であり、約１００℃まで昇温してもエタノールと水の混合物は液体のままである。そして、約１００℃付近での透過フラックスは、約８０℃付近での透過フラックスより約２０％増加するため、水分離性能を上昇させることができる。そして、常圧のときと比較して、供給側と透過側との差圧が大きくなることにより、透過性が約２０％増加するという利点もある。
【００４３】
このように、水分離膜部１０に供給する液体５０を、加圧下で共沸点付近であって共沸点未満まで昇温することによって、水分離膜部１０において、高い透過フラックスを得ることができ、液体５０の気化による問題点を生ずることなく、膜性能を高めることができる。そして、液体５０中のエタノール濃度が、燃料に適する９９．７ｗｔ％以上となるまで脱水することができる。
【００４４】
次に、図５に、本発明に係る脱水システムの別の実施の形態を示す。
図５の脱水システムは、主たる構成要素として、脱水装置１と、液体濃度分析装置２、流量調節装置３と、減圧装置１３と、昇圧用ポンプ１２とを備えている。減圧装置１３は脱水装置の１シェル部１１に接続されている。液体濃度分析装置２は脱水装置１の後段に設けられている。昇圧用ポンプ１２および流量調節装置３は脱水装置１の前段に設けられている。そして、液体濃度分析装置２と流量調節装置３とが接続されている。
【００４５】
脱水装置１は、図１について説明した実施の形態、またはその変形形態にかかる装置を用いることができ、同一の構成・作用を持つ。なお、図５に示した脱水装置１は模式的なものであって、液体の流れの向きや、複数の水分離膜部の設置方向や入口及び出口の位置を正確に示したものではない。
【００４６】
液体濃度分析装置２は、脱水装置１から排出された液体中の、無水物または水分の濃度を測定する。具体的には、ガスクロマトグラフィー分析装置、密度計などを用いることができる。オンラインで測定することができるものが好ましい。
流量調節装置３は、脱水装置１に供給する液体の量を調節する。流量調節装置３は液体濃度分析装置２からの濃度情報に応じて、脱水装置１に供給する液体の量を増減させるように、バルブ４をコントロールするものを使用することができる。
【００４７】
次に、本実施の形態に係る脱水システムにより、エタノールと水の混合物である液体５０を脱水する方法の一形態を説明する。
図５に示すように、エタノール濃度が９５ｗｔ％の液体５０は、昇圧用ポンプ１２で昇圧され、熱交換器１６を経て、脱水装置１に送られる。脱水装置１では、液体５０から水が水蒸気５１として分離され、エタノール濃度が高くなった液体５０が回収される。脱水装置１の後段の液体濃度測定装置であるガスクロマトグラフィー２では、回収された液体中のエタノール濃度または水分濃度を測定する。エタノール濃度または水分濃度の測定は、オンラインで随時行う。そして、ガスクロマトグラフィー２は、測定結果を、ガスクロマトグラフィー２に接続されている流量調節装置３に送信する。流量調節装置３では、エタノール濃度の測定結果に基づいて、脱水装置１に供給する液体５０量を調節する。具体的には、エタノール濃度が低いときには、バルブ４を操作して脱水装置１に供給する液体５０を低減させるようにする。かかる操作により、脱水装置１の出口の液体５０中のエタノール濃度をモニタリングし、流量調節装置３にフィードバックすることで、安定した品質のエタノールを得るシステムを実現することが可能となる。
【００４８】
図５に示す本実施形態の変形形態として、液体濃度分析装置のみを含み、流量調節装置を含まない脱水システムとすることもできる。このとき、ガスクロマトグラフィーなどの液体濃度分析装置は、回収されるエタノールの濃度を単にモニタリングすることができ、場合により、例えば水分離膜の取替え時期の指標を得ることができる。
【００４９】
図５に係る実施の形態およびその変形形態によれば、液体濃度分析装置２を備えることにより、脱水装置１出口での液体５０中のエタノールなどの無水物の濃度、または水分濃度を検出することができるため、安定した品質の無水物を得ることができる。
【００５０】
次に、図６に、本発明に係る脱水システムの別の実施の形態を示す。
図６の脱水システムは、主たる構成要素として、第一の脱水装置１と、第二の脱水装置１と、混合機５と、液体濃度分析装置２、流量調節装置３と、減圧装置１３と、昇圧用ポンプ１２とを備えている。二つの脱水装置１は、管で直列に接続されている。そして、混合機５は、第一の脱水装置の後段であって、第二の脱水装置の前段に設けられる。
【００５１】
脱水装置１は、図１について説明した実施の形態、またはその変形形態にかかる装置を用いることができ、同一の構成・作用を持つ。特に、図６に示す脱水システムにおいては、第一の脱水装置１は、装置本体内に複数の水分離膜部１０を並列に接続して備える並列処理型のものである。
混合機５は、第一の脱水装置１から回収された、脱水された液体を混合するものである。混合機５としては、管中に設けられた羽根状のものを用いることができる。
【００５２】
次に、本実施の形態に係る脱水システムにより、エタノールと水の混合物を脱水する方法の一形態を説明する。
図６に示すように、９５ｗｔ％のエタノールを含む液体５０は、昇圧用ポンプ１２で昇圧し、好ましくは熱交換器１６で加熱して、第一の脱水装置１に送られる。第一の脱水装置１では、各水分離膜部で液体５０から水が水蒸気５１として分離され、エタノール濃度が高くなった液体５０が回収される。各水分離膜部から回収された液体５０は、各水分離膜部の個体差によりエタノール濃度が異なっている場合がある。これらの液体５０は、次いで、一つの管に集められて混合機５に供給される。そして、混合機５で十分に混合され、均一の濃度になって、第二の脱水装置１に供給される。第二の脱水装置１では、液体５０からさらなる水が水蒸気５１として分離され、さらに純度の高い無水エタノールが回収される。
【００５３】
本実施形態の変形形態として、三以上の脱水装置が管で直列に接続されているものであってもよい。この場合も、同様に二段目以降の各脱水装置の前段に混合機が設けられる。すなわち、隣り合う二つの脱水装置の間に、混合機が設けられる。また、本実施の形態に係る脱水システムでは、液体濃度測定装置２及び流量調節装置３を含まないものであってもよい。
また、図示する実施形態においては、昇圧用ポンプは、第一の脱水装置の前段にのみ設け、圧力調節装置は第二の脱水装置の後段にのみ設けているが、各脱水装置について、前段に昇圧用ポンプと、後段に圧力調節装置を設けることもできる。
【００５４】
図６にかかる実施の形態およびその変形形態によれば、混合機５を備えることにより、複数の水分離膜部を備える脱水装置１において生じうる、各水分離膜部から回収される液体５０中の無水物濃度のばらつきをなくし、均一化したうえで、次の脱水装置１に送ることができる。かかる操作がないと、第一の脱水装置１での脱水が無駄になってしまう場合がある。例えば、ある水分離膜部から回収された液体５０は無水物濃度が目的濃度以上の９９．９％にまで脱水されており、別の水分離膜部から回収された液体５０は目的濃度に達しない９７．０％にまでしか脱水されなかった場合、混合機５がないと、それらは、そのままの濃度で第二の脱水装置１に供給することになる。このとき、無水物濃度が９９．９％の液体５０を第二の脱水装置１の水分離膜部に供給し、脱水しても、大きな脱水効果が得られることはなく、処理が無駄になってしまう一方、無水物濃度が９７．０％の液体５０を第二の脱水装置１水分離膜部に供給し、脱水しても、目的濃度に達することができず、最終的に得られる液体５０の無水物濃度が全体として目的濃度に達しないことになる場合がある。これに対し、混合機５で混合することにより、液体５０中の無水物濃度を均一化し、第二の脱水装置１に供給した場合、少なくとも無駄な工程は生じず、第一の脱水装置１での脱水効果が次の段階の装置で生かされることになる。このように、混合機５を備えることで、第一の脱水装置１での脱水効果を確実に次の装置に反映させ、総合的な脱水システムとしての安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る脱水システムの一実施の形態を説明する概念図である。
【図２】本発明に係る水分離膜部の一実施の形態を説明する概念図である。
【図３】本発明に係る水分離膜部の他の実施の形態を説明する概念図である。
【図４】液体の温度、圧力及び透過フラックスの関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係る脱水システムの他の実施の形態を説明する概念図である。
【図６】本発明に係る脱水システムの他の実施の形態を説明する概念図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 脱水装置
２ 液体濃度測定装置
３ 流量調節装置
４ バルブ
５ 混合機
１０、１１０、２１０ 水分離膜部
１０ａ、１１０ａ、２１０ａ 液体入口
１０ｂ、１１０ｂ、２１０ｂ 液体出口
１０ｃ、１１０ｃ、２１０ｃ 流路
１０ｄ、１１０ｄ、２１０ｄ 水分離膜
１１ シェル部
１２ 昇圧用ポンプ
１３ 減圧装置
１４ ダクト
１５ 圧力調節装置
１６ 熱交換器
５０ 液体
５１ 水蒸気
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脱水システム及び脱水方法に関する。さらに詳しくは、水との共沸組成を持つエタノールやプロパノールと水との混合物、あるいは酸と水との混合物などを効率的に脱水することができる脱水システム及び脱水方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油燃料を代替する燃料源として、エタノールが注目されており、その市場規模は、２０１０年に５５００万キロリットルと予測されている。しかし、メタノールを燃料として採用するためには、トウモロコシ等のバイオ原料から得た粗製物を蒸留精製し、少なくとも９９．７ｗｔ％以上に脱水しなければならない。
従来、脱水にあたっては、希薄エタノール水溶液を、蒸留塔で蒸留することにより、エタノール／水系の共沸点近くまで濃縮し、次いで脱水するといったことが行われている。
【０００３】
脱水するための手法としては、エントレーナを加え、共沸蒸留で脱水する方法がある。しかし、この方法では、三成分系を共沸蒸留し、さらにエントレーナを回収するといった工程を踏む必要があり、多大の熱エネルギーを必要とするといったような幾つかの欠点があった。
【０００４】
また、モレキュラーシーブ槽を複数並列し、これらをバッチ切替しながら脱水する方法もある。しかし、この方法でも、モレキュラーシーブ槽の再生に多大なエネルギーを消費するという難点があった。
【０００５】
さらに、膜分離器を用いたパーベーパレーション法膜分離により、完全に相互溶解する液体混合物から水を分離する方法が知られている（特許文献１：特開平７−１２４４４４号公報）。パーベーパレーション法膜分離は、相互溶解する液体混合物の分離において、分離性のよさ、省エネルギーといった利点を有する。
【特許文献１】特開平７−１２４４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パーベーパレーション法膜分離は、エタノール燃料等の精製において有望な方法であるが、実用化に向けて、さらなる高性能が求められている。特に、高純度のエタノール無水物等をさらに高い効率で得ることが求められている。
【０００７】
水分離膜反応器を用いてパーベーパレーション法膜分離を行う場合に、処理対象となる流体の温度が高いほど水分離膜の膜性能を表す透過フラックス（単位はｋｇ／ｍ2ｈ）が大きくなり、分離性能が良くなることが知られている。しかし、流体の温度を上げて分離性能を向上させるために、液体混合物をガス化するまで加熱すると、気化熱に伴って加熱量が増大するという問題があった。また、液体混合物をガスと液体の混相になるまで加熱すると、キャビテーションにより、膜の破壊が生ずるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、液体混合物を液体状態のまま高温化することにより、上記問題を生ずることなく透過フラックスを増加させ、結果的に膜性能を向上させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明は、脱水システムであって、脱水装置本体内に、液体を通すための上下に延びる一以上の流路を有する水分離膜の下部に液体入口を、上部に液体出口を有してなる水分離膜部と、該水分離膜部の外側面と、装置本体内壁とで規定されるシェル部とを備える脱水装置であって、該液体が該流路を上昇しながら該液体中の水分が該水分離膜を透過して該シェル部に放出されて液体が脱水される脱水装置と、該シェル部を減圧する減圧手段と、該水分離膜部に供給する前の液体を加圧する加圧手段と、該水分離膜部に供給する前の加圧した液体を加熱する加熱手段とを備えてなることを特徴とする。
ここで、水分離膜部に供給する前の液体を加圧する加圧手段は、脱水装置の前段に設けられたものであってもよく、脱水装置の後段に設けられたものであってもよく、それらの両方であってもよい。脱水装置の後段に設けられた加圧手段も、脱水装置の前段に設けられる加圧手段と同様に液体を加圧された状態で脱水装置に供給することができる。
【００１０】
さらに、本発明に係る脱水システムでは、別の形態で、前記脱水装置の後段に、液体の濃度分析装置を備えてなることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明に係る脱水システムでは、別の形態で、前記脱水装置の前段に、前記濃度分析装置に接続された、液体の流量調節装置をさらに備えてなるように構成している。
【００１２】
さらに、本発明に係る脱水システムでは、別の形態で、前記脱水装置が二以上の水分離膜部を有し、該脱水装置が二以上直列に接続されており、隣り合う前後の脱水装置を接続する管に、前段の脱水装置から回収された液体を混合する混合機をさらに備えてなるように構成している。
【００１３】
本発明は、別の側面で、脱水方法であり、上下に延びる一以上の流路を有する水分離膜の下部入口から上部出口に向けて液体を流し、該水分離膜の外側を減圧して、該液体中の水分を該水分離膜の外側に透過させる脱水方法であって、該液体を加圧下で昇温させた後に該水分離膜に供給することを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明に係る脱水方法では、別の形態で、脱水された前記液体の無水物濃度または水分濃度を測定し、該濃度に応じて前記水分離膜に供給する液体の量を調節することを特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明に係る脱水方法では、また別の形態で、前記水分離膜を、二以上並列して脱水を行う工程と、各水分離膜から回収された液体を混合する工程と、混合された液体をさらに水分離膜を用いて脱水する工程とを含んでなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、液体を加圧下、高温で水分離膜部に供給することにより、液体のガス化に伴う問題を生ずることなく膜分離性能を増大させ、高い脱水性能を実現する脱水システムおよび脱水方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る脱水装置、脱水システム及び脱水方法について、その実施の形態を参照しながらさらに詳細に説明する。
図１に、本発明に係る脱水システムの一実施の形態を示す。
図１に示す脱水システムは、主たる構成要素として、脱水装置１本体内に、水分離膜部１０と、シェル部１１と、真空ダクト１４とを備えた脱水装置１と、減圧手段１３と、昇圧用ポンプ１２と、熱交換器１６と、圧力調節装置１５とを備えている。
【００１８】
脱水装置１の水分離膜部１０は、脱水装置１本体内にあって、水分離膜１０ｄから構成されており、液体の入口１０ａが鉛直方向下側に、出口１０ｂが上側にあって、その内部には、液体を通すための上下に延びる一以上の中空部である液体の流路１０ｃが形成されている。シェル部１１は、水分離膜部１０の側面の外側にある。シェル部１１には、真空ダクト１４が設けられ、真空ダクト１４は減圧装置１３に接続されている。
【００１９】
水分離膜部１０は、無水物と水との混合物である液体５０を、無水物と水とに分離する。かかる水分離膜部１０としては、様々な形態のものが知られており、市販されている。本実施形態による水分離膜部１０としては、一例として、モノリス型のものと、チューブラ型の水分離膜部を用いることができる。
【００２０】
図２Ａおよび図２Ｂにモノリス型の水分離膜部１１０の例を挙げて説明する。図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａにおける断面である。モノリス型の水分離膜部は、円柱状の水分離膜１１０ｄに複数の液体を通すための上下に延びる一以上の中空部である、液体の流路１１０ｃが設けられたものである。かかる水分離膜においては、水分離膜内部の液体の流路１１０ｃを、膜の一次側、または供給側といい、水分離膜１１０ｄの外側を、膜の二次側、または透過側とよぶ。
【００２１】
このような水分離膜部を用いたパーベーパレーション法膜分離においては、水分離膜部１１０を、好ましくは、流路の方向が鉛直方向と平行になるように設置する。そして、水分離膜部１１０の透過側を減圧しながら、鉛直方向下側の入口１１０ａから液体５０を供給し、重力と逆の向きに流して、鉛直方向上側の出口１１０ｂから液体５０を回収する。かかる操作により、液体５０中の水が、水蒸気５１となって、水分離膜１１０ｄの側面から、透過側に引き抜かれる。その結果、水分離膜部出口１１０ｂから回収される液体５０は、脱水されたものとなっている。
【００２２】
図示したモノリス型の水分離膜部１１０は、概略的なものであるが、一例として、直径が３０ｍｍの円柱状の水分離膜に対して、直径が３ｍｍの穴を３０個設けた水分離膜部を用いることができる。別の例として、直径が１５０〜２００ｍｍの水分離膜部に対して、直径が２ｍｍの穴を２００個設けた水分離膜部を用いることができる。水分離膜部の長さは、所望の膜性能に応じて当業者が適宜決定することができるが、一例として、１５０ｍｍから１ｍのものを用いることができる。
【００２３】
別の例として、図３Ａおよび図３Ｂにチューブラ型の水分離膜部を挙げて説明する。図３Ｂは、図３ＡのＢ−Ｂにおける断面である。チューブラ型の水分離膜部２１０は、水分離膜２１０ｄの内部に液体の流路２１０ｃがひとつだけ設けられたものである。チューブラ型の水分離膜部２１０も、その設置態様および作用効果は、モノリス型の水分離膜部と同様である。チューブラ型の水分離膜部の一例としては、外径が１０ｍｍ、内径が７ｍｍのものを用いることができ、別の例としては、外径が３０ｍｍ、内径が２２ｍｍのものを用いることができる。長さは、一例として、１５０ｍｍから１ｍのものを用いることができる。
【００２４】
水分離膜部を構成する水分離膜の材質としては、無機材でナノオーダーまたはそれ以下の孔径が精密に制御された微細孔多孔膜を用いることができる。微細孔多孔膜は、小分子ガスを通し、大分子ガスを排除する分子ふるい効果を発現し、その透過係数は温度上昇とともに増加する活性化拡散の挙動を示す。微細孔多孔膜の例としては、炭素膜、シリカ膜、ゼオライト膜が挙げられる。本実施形態においては、水分離膜としては、細孔径１０オングストローム以下のシリカ系又はゼオライト系の無機水分離膜が好適である。
【００２５】
また、特許第２８０８４７９号記載の無機水分離膜も適用可能である。該特許第２８０８４７９号の無機水分離膜は、無機多孔体の細孔内に、エトキシ基又はメトキシ基を含むアルコキシシランの加水分解を経て得られたシリカゲルを担持することによって得られる耐酸性複合分離膜である。
【００２６】
水分離膜部の形態、サイズ、および材質は、使用目的に応じて当業者が適宜選択することができる。本実施形態においては、水分離膜部は、物理的強度に優れた水分離膜材により構成されることが好ましい。水分離膜部内の流路に、加圧された液体を供給して用いるためである。
【００２７】
脱水装置１本体内のシェル部１１は、水分離膜部１０の周囲にあって、水分離膜の透過側にあたり、水分離膜部１０の側面から放出される水蒸気５１の流路となる部分である。本実施形態においては、シェル部１１は、水分離膜部１０の側面と、脱水装置１本体の内壁とにより規定される空間部分である。シェル部１１は、水分離膜部に供給する前の液体５０、または水分離膜部１０から回収される液体５０が流れ込むことがないように構成されている。
【００２８】
シェル部１１には、真空ダクト１４が設けられる。真空ダクト１４は、減圧装置１３に接続する接続口である。真空ダクト１４は、シェル部１１に放出された水蒸気５１を回収する。真空ダクト１４は、図示するように横向きに設けられてもよく、鉛直方向下向きに設けられてもよく、その向きが限定されるものではない。また、その取り付け位置および数が限定されるものではない。
【００２９】
減圧装置１３は、シェル部１１を減圧して、水分離膜部１０から放出された水蒸気５１を吸引する手段である。圧力を、１０〜１００ｔｏｒｒ（１３３３．２２〜１３３３２．２Ｐａ）程度にまで減圧するものであればよく、通常の減圧ポンプ等を用いることができる。
【００３０】
昇圧用ポンプ１２は、脱水装置１及び熱交換器１６の前段に設けられる加圧手段である。昇圧用ポンプ１２は、処理対象となる液体５０を所定の圧力にまで加圧するものであって、通常の昇圧用ポンプ等を用いることができる。液体５０を、好ましくは２ａｔｍから１０ａｔｍにまで加圧できるものであればよい。
【００３１】
熱交換器１６は、脱水装置１の前段であって、昇圧用ポンプ１２の後段に設けられる加熱手段である。熱交換器１６は、その前段の昇圧用ポンプ１２等の加圧手段で所定の圧力にまで加圧された液体５０を、好ましくは、かかる圧力における共沸点付近であって、共沸点未満の温度にまで昇温する。加熱手段としては、通常の熱交換器、ヒータ等を用いることができる。
【００３２】
圧力調節装置１５は、脱水装置１の後段に設けられる加圧手段である。圧力調節装置１５は、脱水装置１から回収される液体５０の圧力を測定し、必要に応じて後段のバルブを開閉して、圧力を所定の値に調節するものである。
【００３３】
次に、本実施の形態に係る脱水システムにより液体を脱水する方法の一形態を説明する。本実施の形態に係る脱水システムの対象とする液体５０は、一般的には、水と相互溶解する液体および水の混合物である。具体的には、エタノールと水との混合物、プロパノールと水との混合物、又は酢酸などの酸と水との混合物が挙げられる。液体は、原料となる混合物を、蒸留塔やアルコール選択膜で処理して、アルコールまたは酸の濃度を、８０〜９５ｗｔ％としたものである。以下、燃料として有用なエタノールと水との混合物を液体の一例として脱水方法を説明する。本実施の形態に係る脱水装置に供給する液体におけるエタノール濃度は、好ましくは、９５ｗｔ％である。
【００３４】
図１に示すように、９５ｗｔ％のエタノールと、５ｗｔ％の水との混合物である液体５０を昇圧用ポンプ１２で加圧する。液体の圧力が、常圧より大きくなるように加圧することが好ましく、１．５〜１０ａｔｍに加圧することが好ましく、２〜３ａｔｍに加圧することがさらに好ましい。しかし、加圧の程度は、使用する水分離膜の物理的強度との関係で、当業者が適宜決定することができる。
【００３５】
加圧した液体５０は、好ましくは熱交換器などで昇温する。液体の温度は、圧力との関係で決定され、所定の圧力において共沸点付近であって共沸点未満の温度とすることが好ましい。例えば、共沸点より１０から３０℃低い温度から、共沸点未満の温度範囲にまで昇温することが好ましい。また、液体５０に含まれる無水物の分解温度より低い温度内となるようにする必要がある。一例として、好ましい処理対象の液体５０として挙げられるエタノールと水の混合物においては、供給時の温度は、９０〜１５０℃とすることができる。また、エタノールの分解温度は２００℃であるため、エタノールを含む液体５０の供給時の温度は、２００℃より低い温度である。
【００３６】
昇温したあとの液体５０は、水分離膜部１０の液体入口１０ａから供給する。液体５０の供給流速は、０．５〜１ｍ／ｓｅｃとすることが好ましい。しかし、供給流速は、透過フラックスとの関係で当業者が適宜決定することができる。
【００３７】
液体５０を水分離膜部１０に供給しながら、シェル部１１を減圧する。このとき、シェル部１１の圧力が、１０〜１００ｔｏｒｒ（１３３３．２２〜１３３３２．２Ｐａ）程度となるように減圧することが好ましい。水分離膜の供給側と透過側の差圧により分離を促進するためである。本実施形態では、供給側の液体が加圧されているため、液体５０を常圧下で供給する場合と比較して、供給側と透過側の差圧が特に大きくなっており、水分離膜部１０からの水蒸気５１の透過がより促進されることとなる。
【００３８】
液体５０は、水分離膜部１０の下から上へ流路１０ｃを通過する。このあいだに、流路１０ｃを流れる液体５０中の水が、分離膜１０ｄを介してシェル部１１へ水蒸気５１として取り出される。出口１０ｂから回収される液体５０は、含有する水濃度が低下したものとなっている。液体５０の圧力は、脱水装置１の後段にある圧力調節装置１５により監視し、必要に応じて最適値に調節する。シェル部１１へ放出された水蒸気５１は、真空ダクト１４から回収される。回収された水蒸気５１は、その後段で、冷却器で凝縮される。
【００３９】
本実施形態では、説明を簡単にするため、一つの水分離膜部を備える脱水装置の形態を図示したが、脱水装置１は、脱水装置本体内に複数の水分離膜部１０を並列に接続して備えることができる。この場合、複数の水分離膜部１０は、脱水装置本体内に平行に設置することができる。この場合も、シェル部１１は、脱水装置本体の内壁と、複数の水分離膜部１０の外側面とで規定される一つの連続した空間となっていて、その内部を水蒸気が移動することができる。脱水装置本体内に複数の水分離膜部を並列に接続して設けることにより、一つの脱水装置にて一度に処理する流体の量を増やすことができる。
また、本実施形態では、脱水装置の前段に昇圧用ポンプを、後段に圧力調節装置を設けた形態、すなわち加圧手段が脱水装置の前後に二つ設けられた形態を図示したが、例えば、原料の元圧が高い場合には脱水装置の前段の昇圧用ポンプがなく、後段の圧力調節装置のみで圧力を調節するシステムであってもよい。あるいは、後段の圧力調節装置がなく、前段の昇圧用ポンプのみで圧力を調節するシステムであってもよい。いずれの形態であっても、加圧手段は、脱水装置に供給される液体を加圧された状態とすることができる。
【００４０】
また、本実施形態の変形形態として、シェル部１１にダクトを介して接続した減圧装置に代えて、シェル部に不活性ガスの供給口と排出口とを設けることもできる。かかる形態においては、シェル部に不活性ガスを流すことにより、図１に示す本実施の形態と同様の作用、効果を得ることができる。不活性ガスとしては、一例として、窒素、アルゴンなどを用いることができる。供給される不活性ガスの流速は、例えば、５〜１５ｍ／ｓｅｃ以上とすることが好ましい。
【００４１】
さらに、本実施形態の別の変形形態として、シェル部１１の上方であって、水分離膜部１０の出口１０ｂ付近に加熱手段を備え、シェル部１１の下方であって、水分離膜部１０の入口１０ａ付近に減圧手段に接続されるダクトが設けられているものであってもよく、シェル部１１の上方であって、水分離膜部１０の出口１０ｂ付近に加熱した不活性ガスを供給する機構をさらに備えるものであってもよい。かかる変形形態においては、シェル部１１において、上方から下方に向かう熱対流を形成する。そして、熱対流により、水分離膜部１０の出口１０ｂ付近を流れる液体１０を、水分離膜を介してシェル部１１から加熱し、水分離膜部１０の出口１０ｂ付近での透過フラックスを上げることができる。
本実施形態にかかる上下に延びる水分離膜部においては、出口に近づくにつれて水の気化熱により液体の温度が低下し、透過フラックスが下がるという現象がみられる。水分離膜部をシェル部１１に設けた加熱手段で加熱することにより、処理対象となる液体の温度の低下を防止し、透過フラックスを高く保つことができる。
【００４２】
図１に示す本実施の形態にかかる方法によれば、液体５０を加圧して水分離膜反応部１０に供給することにより、膜性能を上げることができる。
膜性能は、透過フラックスで評価することができ、透過フラックスは温度に比例することが知られている。図４は、エタノールと水の混合物について、異なる圧力における温度と透過フラックスの関係を概略的に示すグラフである。破線は、常圧における液体混合物の温度と透過フラックスの関係を示す。常圧での液体混合物の共沸点は約８０℃であり、それより高い温度ではガスを含んだ状態となる。したがって、常圧で、８０℃以上の液体を膜反応部１０に供給すると、高い透過フラックスは得られるものの、キャビテーションや加熱量の問題から不利である。実線は、２ａｔｍにおける液体の温度と透過フラックスの関係を示す。２ａｔｍでの液体混合物の共沸点は約１００℃であり、約１００℃まで昇温してもエタノールと水の混合物は液体のままである。そして、約１００℃付近での透過フラックスは、約８０℃付近での透過フラックスより約２０％増加するため、水分離性能を上昇させることができる。そして、常圧のときと比較して、供給側と透過側との差圧が大きくなることにより、透過性が約２０％増加するという利点もある。
【００４３】
このように、水分離膜部１０に供給する液体５０を、加圧下で共沸点付近であって共沸点未満まで昇温することによって、水分離膜部１０において、高い透過フラックスを得ることができ、液体５０の気化による問題点を生ずることなく、膜性能を高めることができる。そして、液体５０中のエタノール濃度が、燃料に適する９９．７ｗｔ％以上となるまで脱水することができる。
【００４４】
次に、図５に、本発明に係る脱水システムの別の実施の形態を示す。
図５の脱水システムは、主たる構成要素として、脱水装置１と、液体濃度分析装置２、流量調節装置３と、減圧装置１３と、昇圧用ポンプ１２とを備えている。減圧装置１３は脱水装置の１シェル部１１に接続されている。液体濃度分析装置２は脱水装置１の後段に設けられている。昇圧用ポンプ１２および流量調節装置３は脱水装置１の前段に設けられている。そして、液体濃度分析装置２と流量調節装置３とが接続されている。
【００４５】
脱水装置１は、図１について説明した実施の形態、またはその変形形態にかかる装置を用いることができ、同一の構成・作用を持つ。なお、図５に示した脱水装置１は模式的なものであって、液体の流れの向きや、複数の水分離膜部の設置方向や入口及び出口の位置を正確に示したものではない。
【００４６】
液体濃度分析装置２は、脱水装置１から排出された液体中の、無水物または水分の濃度を測定する。具体的には、ガスクロマトグラフィー分析装置、密度計などを用いることができる。オンラインで測定することができるものが好ましい。
流量調節装置３は、脱水装置１に供給する液体の量を調節する。流量調節装置３は液体濃度分析装置２からの濃度情報に応じて、脱水装置１に供給する液体の量を増減させるように、バルブ４をコントロールするものを使用することができる。
【００４７】
次に、本実施の形態に係る脱水システムにより、エタノールと水の混合物である液体５０を脱水する方法の一形態を説明する。
図５に示すように、エタノール濃度が９５ｗｔ％の液体５０は、昇圧用ポンプ１２で昇圧され、熱交換器１６を経て、脱水装置１に送られる。脱水装置１では、液体５０から水が水蒸気５１として分離され、エタノール濃度が高くなった液体５０が回収される。脱水装置１の後段の液体濃度測定装置であるガスクロマトグラフィー２では、回収された液体中のエタノール濃度または水分濃度を測定する。エタノール濃度または水分濃度の測定は、オンラインで随時行う。そして、ガスクロマトグラフィー２は、測定結果を、ガスクロマトグラフィー２に接続されている流量調節装置３に送信する。流量調節装置３では、エタノール濃度の測定結果に基づいて、脱水装置１に供給する液体５０量を調節する。具体的には、エタノール濃度が低いときには、バルブ４を操作して脱水装置１に供給する液体５０を低減させるようにする。かかる操作により、脱水装置１の出口の液体５０中のエタノール濃度をモニタリングし、流量調節装置３にフィードバックすることで、安定した品質のエタノールを得るシステムを実現することが可能となる。
【００４８】
図５に示す本実施形態の変形形態として、液体濃度分析装置のみを含み、流量調節装置を含まない脱水システムとすることもできる。このとき、ガスクロマトグラフィーなどの液体濃度分析装置は、回収されるエタノールの濃度を単にモニタリングすることができ、場合により、例えば水分離膜の取替え時期の指標を得ることができる。
【００４９】
図５に係る実施の形態およびその変形形態によれば、液体濃度分析装置２を備えることにより、脱水装置１出口での液体５０中のエタノールなどの無水物の濃度、または水分濃度を検出することができるため、安定した品質の無水物を得ることができる。
【００５０】
次に、図６に、本発明に係る脱水システムの別の実施の形態を示す。
図６の脱水システムは、主たる構成要素として、第一の脱水装置１と、第二の脱水装置１と、混合機５と、液体濃度分析装置２、流量調節装置３と、減圧装置１３と、昇圧用ポンプ１２とを備えている。二つの脱水装置１は、管で直列に接続されている。そして、混合機５は、第一の脱水装置の後段であって、第二の脱水装置の前段に設けられる。
【００５１】
脱水装置１は、図１について説明した実施の形態、またはその変形形態にかかる装置を用いることができ、同一の構成・作用を持つ。特に、図６に示す脱水システムにおいては、第一の脱水装置１は、装置本体内に複数の水分離膜部１０を並列に接続して備える並列処理型のものである。
混合機５は、第一の脱水装置１から回収された、脱水された液体を混合するものである。混合機５としては、管中に設けられた羽根状のものを用いることができる。
【００５２】
次に、本実施の形態に係る脱水システムにより、エタノールと水の混合物を脱水する方法の一形態を説明する。
図６に示すように、９５ｗｔ％のエタノールを含む液体５０は、昇圧用ポンプ１２で昇圧し、好ましくは熱交換器１６で加熱して、第一の脱水装置１に送られる。第一の脱水装置１では、各水分離膜部で液体５０から水が水蒸気５１として分離され、エタノール濃度が高くなった液体５０が回収される。各水分離膜部から回収された液体５０は、各水分離膜部の個体差によりエタノール濃度が異なっている場合がある。これらの液体５０は、次いで、一つの管に集められて混合機５に供給される。そして、混合機５で十分に混合され、均一の濃度になって、第二の脱水装置１に供給される。第二の脱水装置１では、液体５０からさらなる水が水蒸気５１として分離され、さらに純度の高い無水エタノールが回収される。
【００５３】
本実施形態の変形形態として、三以上の脱水装置が管で直列に接続されているものであってもよい。この場合も、同様に二段目以降の各脱水装置の前段に混合機が設けられる。すなわち、隣り合う二つの脱水装置の間に、混合機が設けられる。また、本実施の形態に係る脱水システムでは、液体濃度測定装置２及び流量調節装置３を含まないものであってもよい。
また、図示する実施形態においては、昇圧用ポンプは、第一の脱水装置の前段にのみ設け、圧力調節装置は第二の脱水装置の後段にのみ設けているが、各脱水装置について、前段に昇圧用ポンプと、後段に圧力調節装置を設けることもできる。
【００５４】
図６にかかる実施の形態およびその変形形態によれば、混合機５を備えることにより、複数の水分離膜部を備える脱水装置１において生じうる、各水分離膜部から回収される液体５０中の無水物濃度のばらつきをなくし、均一化したうえで、次の脱水装置１に送ることができる。かかる操作がないと、第一の脱水装置１での脱水が無駄になってしまう場合がある。例えば、ある水分離膜部から回収された液体５０は無水物濃度が目的濃度以上の９９．９％にまで脱水されており、別の水分離膜部から回収された液体５０は目的濃度に達しない９７．０％にまでしか脱水されなかった場合、混合機５がないと、それらは、そのままの濃度で第二の脱水装置１に供給することになる。このとき、無水物濃度が９９．９％の液体５０を第二の脱水装置１の水分離膜部に供給し、脱水しても、大きな脱水効果が得られることはなく、処理が無駄になってしまう一方、無水物濃度が９７．０％の液体５０を第二の脱水装置１水分離膜部に供給し、脱水しても、目的濃度に達することができず、最終的に得られる液体５０の無水物濃度が全体として目的濃度に達しないことになる場合がある。これに対し、混合機５で混合することにより、液体５０中の無水物濃度を均一化し、第二の脱水装置１に供給した場合、少なくとも無駄な工程は生じず、第一の脱水装置１での脱水効果が次の段階の装置で生かされることになる。このように、混合機５を備えることで、第一の脱水装置１での脱水効果を確実に次の装置に反映させ、総合的な脱水システムとしての安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る脱水システムの一実施の形態を説明する概念図である。
【図２】本発明に係る水分離膜部の一実施の形態を説明する概念図である。
【図３】本発明に係る水分離膜部の他の実施の形態を説明する概念図である。
【図４】液体の温度、圧力及び透過フラックスの関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係る脱水システムの他の実施の形態を説明する概念図である。
【図６】本発明に係る脱水システムの他の実施の形態を説明する概念図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 脱水装置
２ 液体濃度測定装置
３ 流量調節装置
４ バルブ
５ 混合機
１０、１１０、２１０ 水分離膜部
１０ａ、１１０ａ、２１０ａ 液体入口
１０ｂ、１１０ｂ、２１０ｂ 液体出口
１０ｃ、１１０ｃ、２１０ｃ 流路
１０ｄ、１１０ｄ、２１０ｄ 水分離膜
１１ シェル部
１２ 昇圧用ポンプ
１３ 減圧装置
１４ ダクト
１５ 圧力調節装置
１６ 熱交換器
５０ 液体
５１ 水蒸気
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脱水装置本体内に、
液体を通すための上下に延びる一以上の流路を有する水分離膜の下部に液体入口を、上部に液体出口を有してなる水分離膜部と、
該水分離膜部の外側面と、装置本体内壁とで規定されるシェル部と
を備える脱水装置であって、該液体が該水分離膜を上昇しながら、該液体中の水分が該水分離膜を透過し、該シェル部に移動して液体が脱水される脱水装置と、
該シェル部を減圧する減圧手段と、
該水分離膜部に供給する前の液体を加圧する加圧手段と、
該水分離膜部に供給する前の加圧した液体を加熱する加熱手段と
を備えてなる脱水システム。
【請求項２】
前記脱水装置の後段に、液体の濃度分析装置を備えてなる請求項１に記載の脱水システム。
【請求項３】
前記脱水装置の前段に、前記濃度分析装置に接続された、液体の流量調節装置をさらに備えてなる請求項２に記載の脱水システム。
【請求項４】
前記脱水装置が二以上の水分離膜部を有し、該脱水装置が二以上直列に接続されており、隣り合う前後の脱水装置を接続する管に、前段の脱水装置から回収された液体を混合する混合機をさらに備えてなる請求項１に記載の脱水システム。
【請求項５】
上下に延びる一以上の流路を有する水分離膜の下部入口から上部出口に向けて液体を流し、該水分離膜の外側を減圧して、該液体中の水分を該水分離膜の外側に透過させる脱水方法であって、
該液体を加圧下で昇温させた状態で該水分離膜に供給する脱水方法。
【請求項６】
脱水された前記液体の無水物濃度または水分濃度を測定し、該濃度に応じて前記水分離膜に供給する液体の量を調節する請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記水分離膜を、二以上並列して脱水を行う工程と、
各水分離膜から回収された液体を混合する工程と、
混合された液体をさらに水分離膜を用いて脱水する工程と
を含んでなる請求項５または６に記載の脱水方法。
【請求項１】
脱水装置本体内に、
液体を通すための上下に延びる一以上の流路を有する水分離膜の下部に液体入口を、上部に液体出口を有してなる水分離膜部と、
該水分離膜部の外側面と、装置本体内壁とで規定されるシェル部と
を備える脱水装置であって、該液体が該水分離膜を上昇しながら、該液体中の水分が該水分離膜を透過し、該シェル部に移動して液体が脱水される脱水装置と、
該シェル部を減圧する減圧手段と、
該水分離膜部に供給する前の液体を加圧する加圧手段と、
該水分離膜部に供給する前の加圧した液体を加熱する加熱手段と
を備えてなる脱水システム。
【請求項２】
前記脱水装置の後段に、液体の濃度分析装置を備えてなる請求項１に記載の脱水システム。
【請求項３】
前記脱水装置の前段に、前記濃度分析装置に接続された、液体の流量調節装置をさらに備えてなる請求項２に記載の脱水システム。
【請求項４】
前記脱水装置が二以上の水分離膜部を有し、該脱水装置が二以上直列に接続されており、隣り合う前後の脱水装置を接続する管に、前段の脱水装置から回収された液体を混合する混合機をさらに備えてなる請求項１に記載の脱水システム。
【請求項５】
上下に延びる一以上の流路を有する水分離膜の下部入口から上部出口に向けて液体を流し、該水分離膜の外側を減圧して、該液体中の水分を該水分離膜の外側に透過させる脱水方法であって、
該液体を加圧下で昇温させた状態で該水分離膜に供給する脱水方法。
【請求項６】
脱水された前記液体の無水物濃度または水分濃度を測定し、該濃度に応じて前記水分離膜に供給する液体の量を調節する請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記水分離膜を、二以上並列して脱水を行う工程と、
各水分離膜から回収された液体を混合する工程と、
混合された液体をさらに水分離膜を用いて脱水する工程と
を含んでなる請求項５または６に記載の脱水方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２２１１７６（Ｐ２００８−２２１１７６Ａ）
【公開日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−６６２８７（Ｐ２００７−６６２８７）
【出願日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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