脱水装置に用いられる膜容器
【課題】本発明の目的は、脱水装置に用いられる膜容器において被処理流体の流速が速くなり、十分な水の分離性能を得ることが可能な膜容器を提供することにある。
【解決手段】本発明は、脱水装置１に用いられる膜容器６である。本発明の膜容器６は、被処理流体が流入する流体入口１４と、被処理流体が流出する流体出口１６とを有するケーシング１０と、被処理流体の流れ方向に沿って並列に配置された複数の流路１１を有する膜容器本体９とを備え、複数の流路１１は、流体入口１４に接続された最上流部分１１Ａと、流体出口１６に接続された最下流部分１１Ｃとを備え、最上流部分１１Ａと最下流部分１１Ｃとの間には、被処理流体の流れ方向を逆向きに折り返すための折返部１５，１７が設けられ、流体入口１４に流入した被処理流体が、最上流部分１１Ａを流れて折返部１５，１７を経由して最下流部分１１Ｃまで流れるようになっている。
【解決手段】本発明は、脱水装置１に用いられる膜容器６である。本発明の膜容器６は、被処理流体が流入する流体入口１４と、被処理流体が流出する流体出口１６とを有するケーシング１０と、被処理流体の流れ方向に沿って並列に配置された複数の流路１１を有する膜容器本体９とを備え、複数の流路１１は、流体入口１４に接続された最上流部分１１Ａと、流体出口１６に接続された最下流部分１１Ｃとを備え、最上流部分１１Ａと最下流部分１１Ｃとの間には、被処理流体の流れ方向を逆向きに折り返すための折返部１５，１７が設けられ、流体入口１４に流入した被処理流体が、最上流部分１１Ａを流れて折返部１５，１７を経由して最下流部分１１Ｃまで流れるようになっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水との共沸組成を持つエタノールと水との混合物（被処理流体）を脱水する脱水装置に関する。詳しくは、本発明は、水分離膜を有する、脱水装置内の膜容器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、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いる。しかしながら、エ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９９．５ｗｔ％以上の濃度に脱水しなければならない。
【０００３】
従来、脱水の方法としては、水分離膜を用いたパーベーパレーション法（ＰＶ法）によって被処理流体から水を分離する方法が知られている（例えば、特許文献１）。
特許文献１の脱水装置においては、複数の円柱状の水分離膜がシェル部の内部において直列に配置されている。各水分離膜は、所定の直径を有する複数の流路を備えている。この水分離膜においては、被処理流体が、全ての流路を所定の速度で同時に流れるようになっており、流路を流れている間に被処理流体から水が分離されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１５５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来より、上述のような水分離膜を用いる構成では、被処理流体の流速によって水の分離性能が大きく変化することが知られている。以下に詳しく説明する。
【０００６】
図６は、水分離膜を透過した物質（水及びエタノール）の透過量に対する水の透過量の比を示している。
図６に示すように、流速が約０．６ｍ／ｓでは水の透過量の比が約１になっているが、被処理流体の流速が小さくなるほど、水分離膜を透過した物質における水の透過量の割合が小さくなる。このように、水分離膜を用いる場合、被処理流体の流速が小さい場合には、水分離膜における水の透過量の割合が小さくなり、水の分離性能が低下することになる。
【０００７】
また、被処理流体の流速が小さいと、水分離膜の近傍で濃度分極が生じるという問題もある。濃度分極とは、水分離膜の近傍で発生する現象であり、水分離膜に透過されない溶質（ここでは、水）が水分離膜に垂直な方向に濃度の勾配を作る現象である。
【０００８】
図７は、濃度分極が発生した場合と濃度分極が発生していない場合とを示しており、（ａ）は被処理流体の流速が小さい場合であり、（ｂ）は被処理流体の流速が大きい場合を示している。
図７（ａ）の（１）のグラフに示すように、被処理流体の流速が小さいと、水分離膜の近傍ほど水の濃度が低く、水分離膜に対して垂直な方向（断面方向）に水分離膜から離れるほど水の濃度が高くなる。このような濃度分極が生じる結果、図７（ａ）の（２）のグラフに示すように、被処理流体の流れ方向に水の濃度の変化を見ると、水の濃度がほとんど小さくならず、水の分離性能が低下していることがわかる。
一方、図７（ｂ）の（１）に示すように、被処理流体の流速が十分にある場合、水分離膜において水が透過し、濃度分極が発生しない。その結果、図７（ｂ）の（２）のグラフに示すように、被処理流体の流れ方向に水の濃度の変化を見ると、水の濃度が徐々に小さくなっており、十分な水の分離性能が得られている。
【０００９】
例えば、２０万ｔ／年のエタノール処理を考慮した場合、従来の特許文献１の水分離膜では、以下の問題が生じる。
従来の特許文献１の水分離膜では、被処理流体が全ての流路を同時に流れる構成となっているので、被処理流体の流量に対して流路の断面積（被処理流体の流れ方向に垂直方向の断面積）が大きく、被処理流体の流速が速くならなかった。その結果、十分な水の分離性能が得られないという問題があった。当然ながら、２０万ｔ／年以下のエタノール処理の場合では、更に被処理流体の流速が遅くなるので、水の分離性能が更に低下することになる。つまり、水の分離性能の低下が影響し、脱水装置をスケールダウンできないという問題もあった。
また、被処理流体の流速を速くするためにポンプの容量を上げることも考えられるが、装置のコストが増大してしまう。したがって、ポンプの容量を上げずに流速を速くする対策が必要となる。
【００１０】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、脱水装置に用いられる膜容器において被処理流体の流速を速くし、十分な水の分離性能を得ることが可能な膜容器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、被処理流体が流入する流体入口と、前記被処理流体が流出する流体出口とを有するケーシングと、前記被処理流体の流れ方向に沿って並列に配置された複数の流路を有する膜容器本体とを備え、前記被処理流体が前記複数の流路を通過している間に前記被処理流体から水を分離する膜容器において、前記複数の流路は、前記流体入口に接続された最上流部分と、前記流体出口に接続された最下流部分とを備え、前記最上流部分と前記最下流部分との間には、前記被処理流体の流れ方向を逆向きに折り返すための折返部が設けられ、前記流体入口に流入した前記被処理流体が、前記最上流部分を流れて前記折返部を経由して前記最下流部分まで流れるようになっている。
【００１２】
また、本発明によれば、前記複数の流路の前記最上流部分と前記最下流部分との間には、前記折返部によって前記被処理流体の流れ方向が少なくとも１回折り返される中間部分が設けられており、前記流体入口に流入した前記被処理流体が、前記最上流部分及び前記中間部分を順次通過して、前記最下流部分まで流れるようになっている。
【００１３】
また、本発明によれば、前記最上流部分は、前記膜容器本体の中心軸周りに配置され、前記中間部分は、前記最上流部分の外側周囲に配置され、前記最下流部分は、前記中間部分の外側周囲に配置されている。
【００１４】
また、本発明において、より好ましくは、前記最上流部分における前記被処理流体の流れ方向に対して垂直方向の断面積の総計と、前記最下流部分における前記断面積の総計と、前記中間部分において前記被処理流体の流れ方向が同じで且つ前記最上流部分から数えてｎ番目（ｎは１以上）に位置する流路の部分における前記断面積の総計とが、同じになるように設定されているとよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る脱水装置に用いられる膜容器によれば、被処理流体が流入する流体入口と、前記被処理流体が流出する流体出口とを有するケーシングと、前記被処理流体の流れ方向に沿って並列に配置された複数の流路を有する膜容器本体とを備え、前記被処理流体が前記複数の流路を通過している間に前記被処理流体から水を分離する膜容器において、前記複数の流路は、前記流体入口に接続された最上流部分と、前記流体出口に接続された最下流部分とを備え、前記最上流部分と前記最下流部分との間には、前記被処理流体の流れ方向を逆向きに折り返すための折返部が設けられ、前記流体入口に流入した前記被処理流体が、前記最上流部分を流れて前記折返部を経由して前記最下流部分まで流れるようになっている。
従来では、被処理流体が膜容器本体の全ての流路を同時に流れるので、被処理流体の流量に対して流路の断面積（被処理流体の流れ方向に垂直方向の断面積）が大きく、十分な流速を得ることができなかった。
本発明によれば、複数の流路を最上流部分と最下流部分とに分けているので、被処理流体の流量に対して流路の断面積が小さくなり、従来と同じポンプを使用した場合でも膜容器本体内を流れる被処理流体の流速を速くすることができる。これにより、膜容器本体内において濃度分極が生じず、十分な水の分離性能を確保することができる。
また、膜容器本体内において被処理流体の流速が十分に得られるので、水の分離性能を低下させずに、脱水装置を容易にスケールダウンすることもできる。
【００１６】
また、本発明に係る脱水装置に用いられる膜容器によれば、前記複数の流路の前記最上流部分と前記最下流部分との間には、前記折返部によって前記被処理流体の流れ方向が少なくとも１回折り返される中間部分が設けられており、前記流体入口に流入した前記被処理流体が、前記最上流部分及び前記中間部分を順次通過して、前記最下流部分まで流れるようになっているので、被処理流体の流量に対して流路の断面積がより小さくなり、膜容器本体内を流れる被処理流体の流速をさらに速くすることができる。したがって、濃度分極が生じるのをより効果的に防ぐことができ、十分な水の分離性能を確保することができる。
【００１７】
また、本発明に係る脱水装置に用いられる膜容器によれば、前記最上流部分は、前記膜容器本体の中心軸周りに配置され、前記中間部分は、前記最上流部分の外側周囲に配置され、前記最下流部分は、前記中間部分の外側周囲に配置されているので、膜容器本体内において被処理流体が中心から外側に向かって順次通過する構成となり、膜容器のケーシングの構成もより簡易化することができる。
【００１８】
また、本発明に係る脱水装置に用いられる膜容器によれば、前記最上流部分における前記被処理流体の流れ方向に対して垂直方向の断面積の総計と、前記最下流部分における前記断面積の総計と、前記中間部分において前記被処理流体の流れ方向が同じで且つ前記最上流部分から数えてｎ番目（ｎは１以上）に位置する流路の部分における前記断面積の総計とが、同じになるように設定されているので、流路の各部分を流れる被処理流体の流速を一定の範囲に維持することができる。これにより、複数の流路の各部分において水の分離性能に差が生じることもなく、十分な水の分離性能を各部分において安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る脱水装置の全体を示した模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る膜容器の斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る膜容器の膜容器本体を示した図であり、（ａ）は、膜容器本体における横断面図であり、（ｂ）は膜容器本体における縦断面図（長手方向の断面図）である。
【図４】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る膜容器の平面図であり、（ａ）は、膜容器を上方から見た平面図であり、（ｂ）は、膜容器を下方から見た平面図である。
【図６】水分離膜を透過した物質（水及びエタノール）の透過量に対する水の透過量の比を示した図である。
【図７】（ａ）は、被処理流体の流速が小さいために濃度分極が発生した場合を示した図であり、（ｂ）は、被処理流体の流速が大きいために濃度分極が発生していない場合を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態に係る脱水装置を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る脱水装置の全体を示した模式図である。
【００２１】
本実施形態に係る脱水装置１は、被処理流体として、粗エタノール水溶液を脱水するものである。この粗エタノール水溶液の濃度としては、エタノール濃度約９１ｗｔ％を想定している。本実施形態に係る脱水装置１は、有機成分としてエタノールを含む粗エタノールを処理し、最終的には、エタノール濃度が９９．５ｗｔ％〜９９．８ｗｔ％の範囲の製品エタノール（無水エタノール）を精製するものである。
【００２２】
図１に示すように、脱水装置１は、被処理流体（粗エタノール水溶液）が供給される第１のタンク２と、脱水処理後の製品エタノールが流入する第２のタンク３と、第１のタンク２と第２のタンク３との間に配置された複数の水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅと、被処理流体から分離された水が流入する第３のタンク５とから構成されている。
【００２３】
図１に示すように、複数の水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅは、直列に接続されている。各水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅは、後述する膜容器６（図２参照）を備えており、供給側が液相で透過側が気相となるパーベパレーション法によって水を分離するものである。ここで、水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅの膜容器６においては、被処理流体の流路を供給側と呼び、膜容器６の外側を透過側と呼ぶ。
水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅにおいては、透過側を減圧装置（図示）により減圧した状態で被処理流体が流入し、これにより、被処理流体の中の水が水蒸気となって透過側に引き抜かれる。各水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅにおいて引き抜かれた水蒸気は、図１に示すように、第３のタンク５に流入することになる。
【００２４】
図１に示すように、各水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅの間には、熱交換器７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅがそれぞれ配置されている。パーベパレーション法における水の透過速度は、一般に、非処理流体の温度低下によって大きく低下することが知られているため、熱交換器７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅが、水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅに流入する被処理流体の温度を加熱し、被処理流体の温度低下を防止するようになっている。
【００２５】
以上から、本実施形態に係る脱水装置１においては、第１のタンク２に供給された被処理流体がポンプ８により送出され、被処理流体が、熱交換器７Ａ→水分離膜ユニット４Ａ→熱交換器７Ｂ→水分離膜ユニット４Ｂ→熱交換器７Ｃ→水分離膜ユニット４Ｃ→熱交換器７Ｄ→水分離膜ユニット４Ｄ→熱交換器７Ｅ→水分離膜ユニット４Ｅの順で流れる。最下流の水分離膜ユニット４Ｅを出た被処理流体は、第２のタンク３に流入し、製品エタノールとして回収される。また、図１に示すように、各水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅにおいて引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク５に流入することになる。
【００２６】
図２は、本発明の実施形態に係る水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ内の膜容器６を示した図である。
本実施形態において、水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ（図１参照）は、膜容器６を備えている。図２に示すように、膜容器６は、膜容器本体９と、膜容器本体９に嵌合されるケーシング１０とを備えている。
【００２７】
図３は、本発明の実施形態に係る膜容器６の膜容器本体９を示した図であり、（ａ）は、膜容器本体９における横断面図であり、（ｂ）は膜容器本体９における縦断面図（長手方向の断面図）である。
膜容器本体９は、モノリス型の水分離膜からなり、円柱状に形成されている。図３に示すように、膜容器本体９には、膜容器本体９の長手方向に沿って複数の流路１１が並列に設けられている。膜容器本体９は、被処理流体の流れ方向が流路１１の延在方向と平行になるように、水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ内に設置されている。
【００２８】
図３に示すように、水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅに流入した被処理流体は、膜容器本体９の流路１１（すなわち、供給側）を通る。そして、減圧装置（図示せず）による減圧操作により、被処理流体の中の水が水蒸気となって膜容器本体９の側面９ａから膜容器本体９の外側（すなわち、透過側）に引き抜かれる。
【００２９】
なお、図３に示した膜容器本体９は、分かり易くするため流路１１の穴を大きくして概略的に示しているが、膜容器本体９の材質としては、無機材でナノオーダー又はそれより小さい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。
【００３０】
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。
なお、無機水分離膜が担持される多孔質基材としては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアのようなセラミック基材が一般的であり、筒型形状であって、長手方向に複数の断面円形の流路（内管）を持つものが好適である。無機水分離膜は、このような内管の内部壁を被覆するように形成される。
【００３１】
また、水分離膜としては、無機水分離膜以外に、ポリビニルアルコール膜、ポリイミド膜、ポリアミド膜といった有機膜を用いることもできる。
【００３２】
なお、一例として、膜容器本体９の直径が１８０ｍｍであり、膜容器本体９の長手方向の長さが１０００ｍｍの円柱状のものを使用することができる。この例では、膜容器本体９の長手方向に直径３ｍｍの流路が２０００個設けられている。なお、膜容器本体９の材質やサイズ、流路の直径及び数等は、使用目的に応じて当業者が適宜選択することができる。
【００３３】
以下では、本発明に係る膜容器６の特徴について詳しく説明する。
また、図４は、図２のＡ−Ａ線断面図である。図５は、膜容器６の平面図を示しており、（ａ）は、図２の膜容器６を上方から見た平面図であり、（ｂ）は、図２の膜容器６を下方から見た平面図である。
【００３４】
図４に示すように、本実施形態に係る膜容器本体９の複数の流路１１は、最上流に位置する最上流部分１１Ａと、２番目に上流側に位置する中間部分１１Ｂと、最下流に位置する最下流部分１１Ｃとから構成されている。最上流部分１１Ａは、膜容器本体９の中心軸（半径方向の中心）周りに配置されており、中間部分１１Ｂは、最上流部分１１Ａに対して半径方向外側の周囲に配置されている。また、最下流部分１１Ｃは、中間部分１１Ｂに対して半径方向外側の周囲に配置されている。
【００３５】
図３ないし図５に示すように、膜容器６のケーシング１０は、膜容器本体９の下端部９ｂに配置された下側シェル部１２と、膜容器本体９の上端部９ｃに配置された上側シェル部１３とを備えている。
【００３６】
図４及び図５に示すように、下側シェル部１２の半径方向の略中央の位置には、被処理流体が流入する円形状の流体入口１４が設けられている。この下側シェル部１２の流体入口１４は、流路１１の最上流部分１１Ａに接続されている。
また、下側シェル部１２の流体入口１４の周囲には、流路１１の中間部分１１Ｂと最下流部分１１Ｃとを接続する下側折返部１５が設けられている。この下側折返部１５は、下側シェル部１２における膜容器本体９との接触表面を凹状にして形成したものである。下側折返部１５は、中間部分１１Ｂを流れて来た被処理流体を逆方向に折返して最下流部分１１Ｃに流すようになっている。
【００３７】
図４及び図５に示すように、上側シェル部１３には、膜容器本体９の上端部９ｃの円周方向に沿うように流体出口１６が設けられている。この流体出口１６は、流路１１の最下流部分１１Ｃに接続されている。
また、上側シェル部１３の半径方向の略中央の位置には、流路１１の最上流部分１１Ａと中間部分１１Ｂとを接続する上側折返部１７が設けられている。この上側折返部１７は、上側シェル部１３における膜容器本体９との接触表面を凹状にして形成したものである。上側折返部１７は、最上流部分１１Ａを流れて来た被処理流体を逆方向に折返して中間部分１１Ｂに流すようになっている。
【００３８】
以上の構成から、本実施形態に係る膜容器６においては、被処理流体が下側シェル部１２の流体入口１４に流入すると、被処理流体は、流路１１の最上流部分１１Ａ→上側折返部１７→流路１１の中間部分１１Ｂ→下側折返部１５→流路１１の最下流部分１１Ｃ→上側シェル部１３の流体出口１６の順に流れる。この際、減圧装置による減圧操作により、被処理流体の中の水が水蒸気となって膜容器本体９の側面９ａから膜容器本体９の外側に引き抜かれる。
【００３９】
なお、本実施形態において、より好ましくは、最上流部分１１Ａ、中間部分１１Ｂ、及び最下流部分１１Ｃを流れる被処理流体の流速が一定の範囲に収まるように設定するのがよい。これは、例えば、最上流部分１１Ａにおける半径方向（被処理流体の流れ方向に対して垂直方向）の断面積の総計と、中間部分１１Ｂにおける半径方向の断面積の総計と、最下流部分１１Ｃにおける半径方向の断面積の総計とが、同じになるように設定すればよい。例えば、各流路１１の直径が全て同じである場合は、最上流部分１１Ａ、中間部分１１Ｂ、及び最下流部分１１Ｃのそれぞれに割り当てられる流路１１の本数が同じになるように設定すればよい。これにより、最上流部分１１Ａ、中間部分１１Ｂ、及び最下流部分１１Ｃの半径方向の断面積の総計を略同じにすることができる。このような構成とすることで、最上流部分１１Ａ、中間部分１１Ｂ、及び最下流部分１１Ｃを流れる被処理流体の流速を一定の範囲に維持することができる。
【００４０】
本実施形態に係る脱水装置１の膜容器６によれば、被処理流体が流入する流体入口１４と、被処理流体が流出する流体出口１６とを有するケーシング１０と、被処理流体の流れ方向に沿って並列に配置された複数の流路１１を有する膜容器本体９とを備え、複数の流路１１は、最上流に位置する最上流部分１１Ａと、２番目に上流側に位置する中間部分１１Ｂと、最下流に位置する最下流部分１１Ｃとから構成され、最上流部分１１Ａと中間部分１１Ｂとの間には、被処理流体の流れ方向を逆向きに折り返すための上側折返部１７が設けられ、中間部分１１Ｂと最下流部分１１Ｃとの間には、被処理流体の流れ方向を逆向きに折り返すための下側折返部１５が設けられ、流体入口１４に流入した被処理流体が、最上流部分１１Ａ及び中間部分１１Ｂを順次通過して、最下流部分１１Ｃまで流れるようになっている。
例えば、２０万ｔ／年のエタノール処理を考慮した場合、従来の特許文献１の水分離膜では、被処理流体が膜容器本体の全ての流路を同時に流れるので、被処理流体の流量に対して流路の断面積（被処理流体の流れ方向に垂直方向の断面積）が大きく、十分な流速を得ることができなかった。
これに対し、本実施形態に係る脱水装置１の膜容器６によれば、被処理流体の流量に対して流路の断面積が小さくなり、従来と同じポンプを使用した場合でも膜容器本体９内を流れる被処理流体の流速を速くすることができる。これにより、膜容器本体９内において濃度分極が生じず、十分な水の分離性能を確保することができる。
【００４１】
また、２０万ｔ／年以下のエタノール処理の場合では、水の分離性能の低下が影響し、脱水装置１をスケールダウンできないという問題があった。これに対し、本実施形態に係る脱水装置１の膜容器６によれば、膜容器本体９内において被処理流体の流速が十分に得られるので、水の分離性能を低下させずに、脱水装置１を容易にスケールダウンすることもできる。
【００４２】
なお、本実施形態において、膜容器６内を流れる被処理流体の流速は少なくとも０．４ｍ／ｓとなるように設定するのがよい。このような流速の設定にすれば、被処理流体の流れが乱流となり、濃度分極を回避できる可能性が高いためである。また、水の分離性能をより向上させるために、より好ましくは、被処理流体の流速を１．０ｍ／ｓに設定するのがよい。
【００４３】
また、本実施形態に係る脱水装置１の膜容器６によれば、最上流部分１１Ａは、膜容器本体９の中心軸（半径方向の中心）周りに配置されており、中間部分１１Ｂは、最上流部分１１Ａに対して半径方向外側の周囲に配置されており、最下流部分１１Ｃは、中間部分１１Ｂに対して半径方向外側の周囲に配置されているので、膜容器本体９内において被処理流体が中心から外側に向かって順次通過する構成となり、膜容器６のケーシング１０の構成もより簡易化することができる。
【００４４】
更に、本実施形態に係る脱水装置１の膜容器６によれば、最上流部分１１Ａにおける半径方向（被処理流体の流れ方向に対して垂直方向）の断面積の総計と、中間部分１１Ｂにおける半径方向の断面積の総計と、最下流部分１１Ｃにおける半径方向の断面積の総計とが、同じになるように設定されているので、複数の流路１１における各部分１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの被処理流体の流速が一定となる。これにより、複数の流路１１の各部分１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃにおいて水の分離性能に差が生じることもなく、十分な水の分離性能を各部分において安定して得ることができる。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
【００４６】
本実施形態では、膜容器６内において被処理流体が中心から外側に向かって順次通過するように最上流部分１１Ａ、中間部分１１Ｂ、及び最下流部分１１Ｃを配置しているが、このような構成に制限されない。例えば、膜容器本体９において半径方向の外側から中心に向かって順次通過するように最上流部分１１Ａ、中間部分１１Ｂ、及び最下流部分１１Ｃを配置してもよい。
【００４７】
本実施形態では、複数の流路１１を３つの部分、すなわち、最上流部分１１Ａ、中間部分１１Ｂ、及び最下流部分１１Ｃで構成しているが、このような構成に制限されない。
例えば、膜容器本体９において被処理流体の流れ方向が少なくとも１回折り返すようにすればよく、複数の流路１１を最上流部分１１Ａと最下流部分１１Ｃの２つで構成してもよい。
【００４８】
また、流路１１の中間部分１１Ｂにおいて被処理流体の流れ方向が複数回折り返すように構成してもよい。例えば、流路１１の中間部分１１Ｂを更に３つの部分に分けてもよい。この場合、中間部分１１Ｂは、最上流部分１１Ａから折り返して被処理流体が下向きに流れる第１の部分と、第１の部分から折り返して被処理流体が上向きに流れる第２の部分と、第２の部分から折り返して被処理流体が下向きに流れる第３の部分とを備えることになる。ここで、中間部分１１Ｂの第１の部分は、最上流部分１１Ａから数えて１番目に上流に位置する部分であり、第２の部分は、最上流部分１１Ａから数えて２番目に上流に位置する部分であり、第３の部分は、最上流部分１１Ａから数えて３番目に上流に位置する部分である。
このような構成において、流路１１の各部分における被処理流体の流速を一定にするためには、最上流部分１１Ａにおける半径方向の断面積の総計と、中間部分１１Ｂの第１の部分における半径方向の断面積の総計と、中間部分１１Ｂの第２の部分における半径方向の断面積の総計と、中間部分１１Ｂの第３の部分における半径方向の断面積の総計と、最下流部分１１Ｃにおける半径方向の断面積の総計とが、同じになるように設定すればよい。
【００４９】
本実施形態では、エタノールを有機成分として含む被処理流体を脱水の対象としている。しかしながら、本発明に係る膜容器６においては、被処理流体が、有機水溶液であれば適用することができる。例えば、有機水溶液の有機成分としては、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、グリコール等のアルコール、酢酸等のカルボン酸、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等のエーテル、アセトアルデヒド等のアルデヒド、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン、酢酸エチルエステル等のエステルからなる群から選択される一の有機成分であればよい。
【符号の説明】
【００５０】
１ 脱水装置
２ 第１のタンク
３ 第２のタンク
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ 水分離膜ユニット
５ 第３のタンク
６ 膜容器
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ 熱交換器
８ ポンプ
９ 膜容器本体
１０ ケーシング
１１ 流路
１１Ａ 流路の最上流部分
１１Ｂ 流路の中間部分
１１Ｃ 流路の最下流部分
１２ ケーシングの下側シェル部
１３ ケーシングの上側シェル部
１４ 流体入口
１５ 下側折返部
１６ 流体出口
１７ 上側折返部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水との共沸組成を持つエタノールと水との混合物（被処理流体）を脱水する脱水装置に関する。詳しくは、本発明は、水分離膜を有する、脱水装置内の膜容器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、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いる。しかしながら、エ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９９．５ｗｔ％以上の濃度に脱水しなければならない。
【０００３】
従来、脱水の方法としては、水分離膜を用いたパーベーパレーション法（ＰＶ法）によって被処理流体から水を分離する方法が知られている（例えば、特許文献１）。
特許文献１の脱水装置においては、複数の円柱状の水分離膜がシェル部の内部において直列に配置されている。各水分離膜は、所定の直径を有する複数の流路を備えている。この水分離膜においては、被処理流体が、全ての流路を所定の速度で同時に流れるようになっており、流路を流れている間に被処理流体から水が分離されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１５５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来より、上述のような水分離膜を用いる構成では、被処理流体の流速によって水の分離性能が大きく変化することが知られている。以下に詳しく説明する。
【０００６】
図６は、水分離膜を透過した物質（水及びエタノール）の透過量に対する水の透過量の比を示している。
図６に示すように、流速が約０．６ｍ／ｓでは水の透過量の比が約１になっているが、被処理流体の流速が小さくなるほど、水分離膜を透過した物質における水の透過量の割合が小さくなる。このように、水分離膜を用いる場合、被処理流体の流速が小さい場合には、水分離膜における水の透過量の割合が小さくなり、水の分離性能が低下することになる。
【０００７】
また、被処理流体の流速が小さいと、水分離膜の近傍で濃度分極が生じるという問題もある。濃度分極とは、水分離膜の近傍で発生する現象であり、水分離膜に透過されない溶質（ここでは、水）が水分離膜に垂直な方向に濃度の勾配を作る現象である。
【０００８】
図７は、濃度分極が発生した場合と濃度分極が発生していない場合とを示しており、（ａ）は被処理流体の流速が小さい場合であり、（ｂ）は被処理流体の流速が大きい場合を示している。
図７（ａ）の（１）のグラフに示すように、被処理流体の流速が小さいと、水分離膜の近傍ほど水の濃度が低く、水分離膜に対して垂直な方向（断面方向）に水分離膜から離れるほど水の濃度が高くなる。このような濃度分極が生じる結果、図７（ａ）の（２）のグラフに示すように、被処理流体の流れ方向に水の濃度の変化を見ると、水の濃度がほとんど小さくならず、水の分離性能が低下していることがわかる。
一方、図７（ｂ）の（１）に示すように、被処理流体の流速が十分にある場合、水分離膜において水が透過し、濃度分極が発生しない。その結果、図７（ｂ）の（２）のグラフに示すように、被処理流体の流れ方向に水の濃度の変化を見ると、水の濃度が徐々に小さくなっており、十分な水の分離性能が得られている。
【０００９】
例えば、２０万ｔ／年のエタノール処理を考慮した場合、従来の特許文献１の水分離膜では、以下の問題が生じる。
従来の特許文献１の水分離膜では、被処理流体が全ての流路を同時に流れる構成となっているので、被処理流体の流量に対して流路の断面積（被処理流体の流れ方向に垂直方向の断面積）が大きく、被処理流体の流速が速くならなかった。その結果、十分な水の分離性能が得られないという問題があった。当然ながら、２０万ｔ／年以下のエタノール処理の場合では、更に被処理流体の流速が遅くなるので、水の分離性能が更に低下することになる。つまり、水の分離性能の低下が影響し、脱水装置をスケールダウンできないという問題もあった。
また、被処理流体の流速を速くするためにポンプの容量を上げることも考えられるが、装置のコストが増大してしまう。したがって、ポンプの容量を上げずに流速を速くする対策が必要となる。
【００１０】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、脱水装置に用いられる膜容器において被処理流体の流速を速くし、十分な水の分離性能を得ることが可能な膜容器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、被処理流体が流入する流体入口と、前記被処理流体が流出する流体出口とを有するケーシングと、前記被処理流体の流れ方向に沿って並列に配置された複数の流路を有する膜容器本体とを備え、前記被処理流体が前記複数の流路を通過している間に前記被処理流体から水を分離する膜容器において、前記複数の流路は、前記流体入口に接続された最上流部分と、前記流体出口に接続された最下流部分とを備え、前記最上流部分と前記最下流部分との間には、前記被処理流体の流れ方向を逆向きに折り返すための折返部が設けられ、前記流体入口に流入した前記被処理流体が、前記最上流部分を流れて前記折返部を経由して前記最下流部分まで流れるようになっている。
【００１２】
また、本発明によれば、前記複数の流路の前記最上流部分と前記最下流部分との間には、前記折返部によって前記被処理流体の流れ方向が少なくとも１回折り返される中間部分が設けられており、前記流体入口に流入した前記被処理流体が、前記最上流部分及び前記中間部分を順次通過して、前記最下流部分まで流れるようになっている。
【００１３】
また、本発明によれば、前記最上流部分は、前記膜容器本体の中心軸周りに配置され、前記中間部分は、前記最上流部分の外側周囲に配置され、前記最下流部分は、前記中間部分の外側周囲に配置されている。
【００１４】
また、本発明において、より好ましくは、前記最上流部分における前記被処理流体の流れ方向に対して垂直方向の断面積の総計と、前記最下流部分における前記断面積の総計と、前記中間部分において前記被処理流体の流れ方向が同じで且つ前記最上流部分から数えてｎ番目（ｎは１以上）に位置する流路の部分における前記断面積の総計とが、同じになるように設定されているとよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る脱水装置に用いられる膜容器によれば、被処理流体が流入する流体入口と、前記被処理流体が流出する流体出口とを有するケーシングと、前記被処理流体の流れ方向に沿って並列に配置された複数の流路を有する膜容器本体とを備え、前記被処理流体が前記複数の流路を通過している間に前記被処理流体から水を分離する膜容器において、前記複数の流路は、前記流体入口に接続された最上流部分と、前記流体出口に接続された最下流部分とを備え、前記最上流部分と前記最下流部分との間には、前記被処理流体の流れ方向を逆向きに折り返すための折返部が設けられ、前記流体入口に流入した前記被処理流体が、前記最上流部分を流れて前記折返部を経由して前記最下流部分まで流れるようになっている。
従来では、被処理流体が膜容器本体の全ての流路を同時に流れるので、被処理流体の流量に対して流路の断面積（被処理流体の流れ方向に垂直方向の断面積）が大きく、十分な流速を得ることができなかった。
本発明によれば、複数の流路を最上流部分と最下流部分とに分けているので、被処理流体の流量に対して流路の断面積が小さくなり、従来と同じポンプを使用した場合でも膜容器本体内を流れる被処理流体の流速を速くすることができる。これにより、膜容器本体内において濃度分極が生じず、十分な水の分離性能を確保することができる。
また、膜容器本体内において被処理流体の流速が十分に得られるので、水の分離性能を低下させずに、脱水装置を容易にスケールダウンすることもできる。
【００１６】
また、本発明に係る脱水装置に用いられる膜容器によれば、前記複数の流路の前記最上流部分と前記最下流部分との間には、前記折返部によって前記被処理流体の流れ方向が少なくとも１回折り返される中間部分が設けられており、前記流体入口に流入した前記被処理流体が、前記最上流部分及び前記中間部分を順次通過して、前記最下流部分まで流れるようになっているので、被処理流体の流量に対して流路の断面積がより小さくなり、膜容器本体内を流れる被処理流体の流速をさらに速くすることができる。したがって、濃度分極が生じるのをより効果的に防ぐことができ、十分な水の分離性能を確保することができる。
【００１７】
また、本発明に係る脱水装置に用いられる膜容器によれば、前記最上流部分は、前記膜容器本体の中心軸周りに配置され、前記中間部分は、前記最上流部分の外側周囲に配置され、前記最下流部分は、前記中間部分の外側周囲に配置されているので、膜容器本体内において被処理流体が中心から外側に向かって順次通過する構成となり、膜容器のケーシングの構成もより簡易化することができる。
【００１８】
また、本発明に係る脱水装置に用いられる膜容器によれば、前記最上流部分における前記被処理流体の流れ方向に対して垂直方向の断面積の総計と、前記最下流部分における前記断面積の総計と、前記中間部分において前記被処理流体の流れ方向が同じで且つ前記最上流部分から数えてｎ番目（ｎは１以上）に位置する流路の部分における前記断面積の総計とが、同じになるように設定されているので、流路の各部分を流れる被処理流体の流速を一定の範囲に維持することができる。これにより、複数の流路の各部分において水の分離性能に差が生じることもなく、十分な水の分離性能を各部分において安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る脱水装置の全体を示した模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る膜容器の斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る膜容器の膜容器本体を示した図であり、（ａ）は、膜容器本体における横断面図であり、（ｂ）は膜容器本体における縦断面図（長手方向の断面図）である。
【図４】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る膜容器の平面図であり、（ａ）は、膜容器を上方から見た平面図であり、（ｂ）は、膜容器を下方から見た平面図である。
【図６】水分離膜を透過した物質（水及びエタノール）の透過量に対する水の透過量の比を示した図である。
【図７】（ａ）は、被処理流体の流速が小さいために濃度分極が発生した場合を示した図であり、（ｂ）は、被処理流体の流速が大きいために濃度分極が発生していない場合を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態に係る脱水装置を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る脱水装置の全体を示した模式図である。
【００２１】
本実施形態に係る脱水装置１は、被処理流体として、粗エタノール水溶液を脱水するものである。この粗エタノール水溶液の濃度としては、エタノール濃度約９１ｗｔ％を想定している。本実施形態に係る脱水装置１は、有機成分としてエタノールを含む粗エタノールを処理し、最終的には、エタノール濃度が９９．５ｗｔ％〜９９．８ｗｔ％の範囲の製品エタノール（無水エタノール）を精製するものである。
【００２２】
図１に示すように、脱水装置１は、被処理流体（粗エタノール水溶液）が供給される第１のタンク２と、脱水処理後の製品エタノールが流入する第２のタンク３と、第１のタンク２と第２のタンク３との間に配置された複数の水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅと、被処理流体から分離された水が流入する第３のタンク５とから構成されている。
【００２３】
図１に示すように、複数の水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅは、直列に接続されている。各水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅは、後述する膜容器６（図２参照）を備えており、供給側が液相で透過側が気相となるパーベパレーション法によって水を分離するものである。ここで、水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅの膜容器６においては、被処理流体の流路を供給側と呼び、膜容器６の外側を透過側と呼ぶ。
水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅにおいては、透過側を減圧装置（図示）により減圧した状態で被処理流体が流入し、これにより、被処理流体の中の水が水蒸気となって透過側に引き抜かれる。各水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅにおいて引き抜かれた水蒸気は、図１に示すように、第３のタンク５に流入することになる。
【００２４】
図１に示すように、各水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅの間には、熱交換器７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅがそれぞれ配置されている。パーベパレーション法における水の透過速度は、一般に、非処理流体の温度低下によって大きく低下することが知られているため、熱交換器７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅが、水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅに流入する被処理流体の温度を加熱し、被処理流体の温度低下を防止するようになっている。
【００２５】
以上から、本実施形態に係る脱水装置１においては、第１のタンク２に供給された被処理流体がポンプ８により送出され、被処理流体が、熱交換器７Ａ→水分離膜ユニット４Ａ→熱交換器７Ｂ→水分離膜ユニット４Ｂ→熱交換器７Ｃ→水分離膜ユニット４Ｃ→熱交換器７Ｄ→水分離膜ユニット４Ｄ→熱交換器７Ｅ→水分離膜ユニット４Ｅの順で流れる。最下流の水分離膜ユニット４Ｅを出た被処理流体は、第２のタンク３に流入し、製品エタノールとして回収される。また、図１に示すように、各水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅにおいて引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク５に流入することになる。
【００２６】
図２は、本発明の実施形態に係る水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ内の膜容器６を示した図である。
本実施形態において、水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ（図１参照）は、膜容器６を備えている。図２に示すように、膜容器６は、膜容器本体９と、膜容器本体９に嵌合されるケーシング１０とを備えている。
【００２７】
図３は、本発明の実施形態に係る膜容器６の膜容器本体９を示した図であり、（ａ）は、膜容器本体９における横断面図であり、（ｂ）は膜容器本体９における縦断面図（長手方向の断面図）である。
膜容器本体９は、モノリス型の水分離膜からなり、円柱状に形成されている。図３に示すように、膜容器本体９には、膜容器本体９の長手方向に沿って複数の流路１１が並列に設けられている。膜容器本体９は、被処理流体の流れ方向が流路１１の延在方向と平行になるように、水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ内に設置されている。
【００２８】
図３に示すように、水分離膜ユニット４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅに流入した被処理流体は、膜容器本体９の流路１１（すなわち、供給側）を通る。そして、減圧装置（図示せず）による減圧操作により、被処理流体の中の水が水蒸気となって膜容器本体９の側面９ａから膜容器本体９の外側（すなわち、透過側）に引き抜かれる。
【００２９】
なお、図３に示した膜容器本体９は、分かり易くするため流路１１の穴を大きくして概略的に示しているが、膜容器本体９の材質としては、無機材でナノオーダー又はそれより小さい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。
【００３０】
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。
なお、無機水分離膜が担持される多孔質基材としては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアのようなセラミック基材が一般的であり、筒型形状であって、長手方向に複数の断面円形の流路（内管）を持つものが好適である。無機水分離膜は、このような内管の内部壁を被覆するように形成される。
【００３１】
また、水分離膜としては、無機水分離膜以外に、ポリビニルアルコール膜、ポリイミド膜、ポリアミド膜といった有機膜を用いることもできる。
【００３２】
なお、一例として、膜容器本体９の直径が１８０ｍｍであり、膜容器本体９の長手方向の長さが１０００ｍｍの円柱状のものを使用することができる。この例では、膜容器本体９の長手方向に直径３ｍｍの流路が２０００個設けられている。なお、膜容器本体９の材質やサイズ、流路の直径及び数等は、使用目的に応じて当業者が適宜選択することができる。
【００３３】
以下では、本発明に係る膜容器６の特徴について詳しく説明する。
また、図４は、図２のＡ−Ａ線断面図である。図５は、膜容器６の平面図を示しており、（ａ）は、図２の膜容器６を上方から見た平面図であり、（ｂ）は、図２の膜容器６を下方から見た平面図である。
【００３４】
図４に示すように、本実施形態に係る膜容器本体９の複数の流路１１は、最上流に位置する最上流部分１１Ａと、２番目に上流側に位置する中間部分１１Ｂと、最下流に位置する最下流部分１１Ｃとから構成されている。最上流部分１１Ａは、膜容器本体９の中心軸（半径方向の中心）周りに配置されており、中間部分１１Ｂは、最上流部分１１Ａに対して半径方向外側の周囲に配置されている。また、最下流部分１１Ｃは、中間部分１１Ｂに対して半径方向外側の周囲に配置されている。
【００３５】
図３ないし図５に示すように、膜容器６のケーシング１０は、膜容器本体９の下端部９ｂに配置された下側シェル部１２と、膜容器本体９の上端部９ｃに配置された上側シェル部１３とを備えている。
【００３６】
図４及び図５に示すように、下側シェル部１２の半径方向の略中央の位置には、被処理流体が流入する円形状の流体入口１４が設けられている。この下側シェル部１２の流体入口１４は、流路１１の最上流部分１１Ａに接続されている。
また、下側シェル部１２の流体入口１４の周囲には、流路１１の中間部分１１Ｂと最下流部分１１Ｃとを接続する下側折返部１５が設けられている。この下側折返部１５は、下側シェル部１２における膜容器本体９との接触表面を凹状にして形成したものである。下側折返部１５は、中間部分１１Ｂを流れて来た被処理流体を逆方向に折返して最下流部分１１Ｃに流すようになっている。
【００３７】
図４及び図５に示すように、上側シェル部１３には、膜容器本体９の上端部９ｃの円周方向に沿うように流体出口１６が設けられている。この流体出口１６は、流路１１の最下流部分１１Ｃに接続されている。
また、上側シェル部１３の半径方向の略中央の位置には、流路１１の最上流部分１１Ａと中間部分１１Ｂとを接続する上側折返部１７が設けられている。この上側折返部１７は、上側シェル部１３における膜容器本体９との接触表面を凹状にして形成したものである。上側折返部１７は、最上流部分１１Ａを流れて来た被処理流体を逆方向に折返して中間部分１１Ｂに流すようになっている。
【００３８】
以上の構成から、本実施形態に係る膜容器６においては、被処理流体が下側シェル部１２の流体入口１４に流入すると、被処理流体は、流路１１の最上流部分１１Ａ→上側折返部１７→流路１１の中間部分１１Ｂ→下側折返部１５→流路１１の最下流部分１１Ｃ→上側シェル部１３の流体出口１６の順に流れる。この際、減圧装置による減圧操作により、被処理流体の中の水が水蒸気となって膜容器本体９の側面９ａから膜容器本体９の外側に引き抜かれる。
【００３９】
なお、本実施形態において、より好ましくは、最上流部分１１Ａ、中間部分１１Ｂ、及び最下流部分１１Ｃを流れる被処理流体の流速が一定の範囲に収まるように設定するのがよい。これは、例えば、最上流部分１１Ａにおける半径方向（被処理流体の流れ方向に対して垂直方向）の断面積の総計と、中間部分１１Ｂにおける半径方向の断面積の総計と、最下流部分１１Ｃにおける半径方向の断面積の総計とが、同じになるように設定すればよい。例えば、各流路１１の直径が全て同じである場合は、最上流部分１１Ａ、中間部分１１Ｂ、及び最下流部分１１Ｃのそれぞれに割り当てられる流路１１の本数が同じになるように設定すればよい。これにより、最上流部分１１Ａ、中間部分１１Ｂ、及び最下流部分１１Ｃの半径方向の断面積の総計を略同じにすることができる。このような構成とすることで、最上流部分１１Ａ、中間部分１１Ｂ、及び最下流部分１１Ｃを流れる被処理流体の流速を一定の範囲に維持することができる。
【００４０】
本実施形態に係る脱水装置１の膜容器６によれば、被処理流体が流入する流体入口１４と、被処理流体が流出する流体出口１６とを有するケーシング１０と、被処理流体の流れ方向に沿って並列に配置された複数の流路１１を有する膜容器本体９とを備え、複数の流路１１は、最上流に位置する最上流部分１１Ａと、２番目に上流側に位置する中間部分１１Ｂと、最下流に位置する最下流部分１１Ｃとから構成され、最上流部分１１Ａと中間部分１１Ｂとの間には、被処理流体の流れ方向を逆向きに折り返すための上側折返部１７が設けられ、中間部分１１Ｂと最下流部分１１Ｃとの間には、被処理流体の流れ方向を逆向きに折り返すための下側折返部１５が設けられ、流体入口１４に流入した被処理流体が、最上流部分１１Ａ及び中間部分１１Ｂを順次通過して、最下流部分１１Ｃまで流れるようになっている。
例えば、２０万ｔ／年のエタノール処理を考慮した場合、従来の特許文献１の水分離膜では、被処理流体が膜容器本体の全ての流路を同時に流れるので、被処理流体の流量に対して流路の断面積（被処理流体の流れ方向に垂直方向の断面積）が大きく、十分な流速を得ることができなかった。
これに対し、本実施形態に係る脱水装置１の膜容器６によれば、被処理流体の流量に対して流路の断面積が小さくなり、従来と同じポンプを使用した場合でも膜容器本体９内を流れる被処理流体の流速を速くすることができる。これにより、膜容器本体９内において濃度分極が生じず、十分な水の分離性能を確保することができる。
【００４１】
また、２０万ｔ／年以下のエタノール処理の場合では、水の分離性能の低下が影響し、脱水装置１をスケールダウンできないという問題があった。これに対し、本実施形態に係る脱水装置１の膜容器６によれば、膜容器本体９内において被処理流体の流速が十分に得られるので、水の分離性能を低下させずに、脱水装置１を容易にスケールダウンすることもできる。
【００４２】
なお、本実施形態において、膜容器６内を流れる被処理流体の流速は少なくとも０．４ｍ／ｓとなるように設定するのがよい。このような流速の設定にすれば、被処理流体の流れが乱流となり、濃度分極を回避できる可能性が高いためである。また、水の分離性能をより向上させるために、より好ましくは、被処理流体の流速を１．０ｍ／ｓに設定するのがよい。
【００４３】
また、本実施形態に係る脱水装置１の膜容器６によれば、最上流部分１１Ａは、膜容器本体９の中心軸（半径方向の中心）周りに配置されており、中間部分１１Ｂは、最上流部分１１Ａに対して半径方向外側の周囲に配置されており、最下流部分１１Ｃは、中間部分１１Ｂに対して半径方向外側の周囲に配置されているので、膜容器本体９内において被処理流体が中心から外側に向かって順次通過する構成となり、膜容器６のケーシング１０の構成もより簡易化することができる。
【００４４】
更に、本実施形態に係る脱水装置１の膜容器６によれば、最上流部分１１Ａにおける半径方向（被処理流体の流れ方向に対して垂直方向）の断面積の総計と、中間部分１１Ｂにおける半径方向の断面積の総計と、最下流部分１１Ｃにおける半径方向の断面積の総計とが、同じになるように設定されているので、複数の流路１１における各部分１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの被処理流体の流速が一定となる。これにより、複数の流路１１の各部分１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃにおいて水の分離性能に差が生じることもなく、十分な水の分離性能を各部分において安定して得ることができる。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
【００４６】
本実施形態では、膜容器６内において被処理流体が中心から外側に向かって順次通過するように最上流部分１１Ａ、中間部分１１Ｂ、及び最下流部分１１Ｃを配置しているが、このような構成に制限されない。例えば、膜容器本体９において半径方向の外側から中心に向かって順次通過するように最上流部分１１Ａ、中間部分１１Ｂ、及び最下流部分１１Ｃを配置してもよい。
【００４７】
本実施形態では、複数の流路１１を３つの部分、すなわち、最上流部分１１Ａ、中間部分１１Ｂ、及び最下流部分１１Ｃで構成しているが、このような構成に制限されない。
例えば、膜容器本体９において被処理流体の流れ方向が少なくとも１回折り返すようにすればよく、複数の流路１１を最上流部分１１Ａと最下流部分１１Ｃの２つで構成してもよい。
【００４８】
また、流路１１の中間部分１１Ｂにおいて被処理流体の流れ方向が複数回折り返すように構成してもよい。例えば、流路１１の中間部分１１Ｂを更に３つの部分に分けてもよい。この場合、中間部分１１Ｂは、最上流部分１１Ａから折り返して被処理流体が下向きに流れる第１の部分と、第１の部分から折り返して被処理流体が上向きに流れる第２の部分と、第２の部分から折り返して被処理流体が下向きに流れる第３の部分とを備えることになる。ここで、中間部分１１Ｂの第１の部分は、最上流部分１１Ａから数えて１番目に上流に位置する部分であり、第２の部分は、最上流部分１１Ａから数えて２番目に上流に位置する部分であり、第３の部分は、最上流部分１１Ａから数えて３番目に上流に位置する部分である。
このような構成において、流路１１の各部分における被処理流体の流速を一定にするためには、最上流部分１１Ａにおける半径方向の断面積の総計と、中間部分１１Ｂの第１の部分における半径方向の断面積の総計と、中間部分１１Ｂの第２の部分における半径方向の断面積の総計と、中間部分１１Ｂの第３の部分における半径方向の断面積の総計と、最下流部分１１Ｃにおける半径方向の断面積の総計とが、同じになるように設定すればよい。
【００４９】
本実施形態では、エタノールを有機成分として含む被処理流体を脱水の対象としている。しかしながら、本発明に係る膜容器６においては、被処理流体が、有機水溶液であれば適用することができる。例えば、有機水溶液の有機成分としては、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、グリコール等のアルコール、酢酸等のカルボン酸、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等のエーテル、アセトアルデヒド等のアルデヒド、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン、酢酸エチルエステル等のエステルからなる群から選択される一の有機成分であればよい。
【符号の説明】
【００５０】
１ 脱水装置
２ 第１のタンク
３ 第２のタンク
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ 水分離膜ユニット
５ 第３のタンク
６ 膜容器
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ 熱交換器
８ ポンプ
９ 膜容器本体
１０ ケーシング
１１ 流路
１１Ａ 流路の最上流部分
１１Ｂ 流路の中間部分
１１Ｃ 流路の最下流部分
１２ ケーシングの下側シェル部
１３ ケーシングの上側シェル部
１４ 流体入口
１５ 下側折返部
１６ 流体出口
１７ 上側折返部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理流体が流入する流体入口と、前記被処理流体が流出する流体出口とを有するケーシングと、
前記被処理流体の流れ方向に沿って並列に配置された複数の流路を有する膜容器本体とを備え、
前記被処理流体が前記複数の流路を通過している間に前記被処理流体から水を分離する膜容器において、
前記複数の流路は、前記流体入口に接続された最上流部分と、前記流体出口に接続された最下流部分とを備え、前記最上流部分と前記最下流部分との間には、前記被処理流体の流れ方向を逆向きに折り返すための折返部が設けられ、
前記流体入口に流入した前記被処理流体が、前記最上流部分を流れて前記折返部を経由して前記最下流部分まで流れるようになっていることを特徴とする膜容器。
【請求項２】
前記複数の流路の前記最上流部分と前記最下流部分との間には、前記折返部によって前記被処理流体の流れ方向が少なくとも１回折り返される中間部分が設けられており、前記流体入口に流入した前記被処理流体が、前記最上流部分及び前記中間部分を順次通過して、前記最下流部分まで流れるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の膜容器。
【請求項３】
前記最上流部分は、前記膜容器本体の中心軸周りに配置され、前記中間部分は、前記最上流部分の外側周囲に配置され、前記最下流部分は、前記中間部分の外側周囲に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の膜容器。
【請求項４】
前記最上流部分における前記被処理流体の流れ方向に対して垂直方向の断面積の総計と、
前記最下流部分における前記断面積の総計と、
前記中間部分において前記被処理流体の流れ方向が同じで且つ前記最上流部分から数えてｎ番目（ｎは１以上）に位置する流路の部分における前記断面積の総計とが、
同じになるように設定されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の膜容器。
【請求項１】
被処理流体が流入する流体入口と、前記被処理流体が流出する流体出口とを有するケーシングと、
前記被処理流体の流れ方向に沿って並列に配置された複数の流路を有する膜容器本体とを備え、
前記被処理流体が前記複数の流路を通過している間に前記被処理流体から水を分離する膜容器において、
前記複数の流路は、前記流体入口に接続された最上流部分と、前記流体出口に接続された最下流部分とを備え、前記最上流部分と前記最下流部分との間には、前記被処理流体の流れ方向を逆向きに折り返すための折返部が設けられ、
前記流体入口に流入した前記被処理流体が、前記最上流部分を流れて前記折返部を経由して前記最下流部分まで流れるようになっていることを特徴とする膜容器。
【請求項２】
前記複数の流路の前記最上流部分と前記最下流部分との間には、前記折返部によって前記被処理流体の流れ方向が少なくとも１回折り返される中間部分が設けられており、前記流体入口に流入した前記被処理流体が、前記最上流部分及び前記中間部分を順次通過して、前記最下流部分まで流れるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の膜容器。
【請求項３】
前記最上流部分は、前記膜容器本体の中心軸周りに配置され、前記中間部分は、前記最上流部分の外側周囲に配置され、前記最下流部分は、前記中間部分の外側周囲に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の膜容器。
【請求項４】
前記最上流部分における前記被処理流体の流れ方向に対して垂直方向の断面積の総計と、
前記最下流部分における前記断面積の総計と、
前記中間部分において前記被処理流体の流れ方向が同じで且つ前記最上流部分から数えてｎ番目（ｎは１以上）に位置する流路の部分における前記断面積の総計とが、
同じになるように設定されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の膜容器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−６１４４２（Ｐ２０１２−６１４４２Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０９２２８（Ｐ２０１０−２０９２２８）
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【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２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]