脱水装置
【課題】本発明の目的は、水分離膜ユニットに不具合が生じた場合でも安定して運転することができ、被処理流体を所定の濃度まで確実に脱水することが可能な脱水装置を提供することにある。
【解決手段】本発明は、被処理流体から水を分離する脱水装置１であって、水を分離する前の被処理流体を貯留する第１のタンク２と、水を分離した後の被処理流体が流入する第２のタンク３と、被処理流体から水を分離するための分離膜を有し、第１のタンク２と第２のタンク３との間において被処理流体の流れ方向に沿って並列に配設された複数の膜容器ユニット１０１，・・・，１１０とを備え、被処理流体が、第１のタンク２と第２のタンク３との間を往復するように構成され、被処理流体が、複数の膜容器ユニット１０１，・・・，１１０を複数回通過するようになっている。
【解決手段】本発明は、被処理流体から水を分離する脱水装置１であって、水を分離する前の被処理流体を貯留する第１のタンク２と、水を分離した後の被処理流体が流入する第２のタンク３と、被処理流体から水を分離するための分離膜を有し、第１のタンク２と第２のタンク３との間において被処理流体の流れ方向に沿って並列に配設された複数の膜容器ユニット１０１，・・・，１１０とを備え、被処理流体が、第１のタンク２と第２のタンク３との間を往復するように構成され、被処理流体が、複数の膜容器ユニット１０１，・・・，１１０を複数回通過す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。
【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、複数の水分離膜がシェル部の内部において直列になるように配置されている。この脱水装置では、水を含む被処理流体が、直列配置された水分離膜を順次通過し、これにより、水が被処理流体から分離されるようになっている。
【０００４】
図７は、従来の脱水装置の全体を示した模式図である。
図７に示すように、脱水装置３１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３２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３３と、被処理流体を第１のタンク２から第２のタンク３へ流すためのライン３４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３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ，・・・，３５Ｊ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３６とを備えている。
【０００５】
図７に示すように、複数の水分離膜ユニット３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ，・・・，３５Ｊは、直列に接続されており、各水分離膜ユニット３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ，・・・，３５Ｊの間には、熱交換器３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃ，３７Ｄ，・・・，３７Ｊがそれぞれ配置されている。また、複数の水分離膜ユニット３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ，・・・，３５Ｊのそれぞれには、水分離膜ユニット３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ，・・・，３５Ｊを迂回するためのバイパスライン３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄ，・・・，３８Ｊがそれぞれ設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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】
【０００７】
上述の図７や特許文献１の従来の構成において、第１の問題点は、水分離膜ユニットが直列に配置されていることである。
例えば、水分離膜ユニットが直列に配置されていると、水分離膜ユニットのうち上流側の水分離膜ユニットで不具合が生じた場合、その影響が下流側の水分離膜ユニットまで波及することになる。つまり、上流側の水分離膜ユニットで不具合が生じると、脱水装置全体を停止してメンテナンスを行わなければならず、脱水装置の安定運転ができないという問題があった。また、バイパスラインを設けることで脱水装置の運転は継続できるが、水分離膜ユニットを通過する回数が少なくなり、所定の濃度まで脱水できない可能性もある。
【０００８】
また、第２の問題点としては、図７や特許文献１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してしまうことである。
【０００９】
図８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８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。
【００１０】
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。
【００１１】
図９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９（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９（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、水の分離性能に問題があることがわかる。
一方、図９（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９（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ることになる。
【００１２】
このように、水分離膜を用いる構成では、被処理流体の流速が小さくなる場合には十分な水の分離性能が得られないため、被処理流体を所定の濃度まで脱水できない可能性がある。したがって、水分離膜を用いる構成において、被処理流体を所定の濃度まで確実に脱水するための何らかの対策が必要となる。
【００１３】
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、水分離膜ユニットに不具合が生じた場合でも安定して運転することができ、被処理流体を所定の濃度まで確実に脱水することが可能な脱水装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、被処理流体から水を分離する脱水装置であって、水を分離する前の前記被処理流体を貯留する第１のタンクと、水を分離した後の前記被処理流体が流入する第２のタンクと、前記被処理流体から水を分離するための分離膜を有し、前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間において前記被処理流体の流れ方向に沿って並列に配設された複数の膜容器ユニットとを備え、前記被処理流体が、前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間を往復するように構成され、前記被処理流体が、前記複数の膜容器ユニットを複数回通過するようになっている。
【００１５】
また、本発明の別の態様によれば、前記被処理流体を前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間で往復させる第１のラインを備え、前記複数の膜容器ユニットが、前記第１のラインにおいて並列に配設され、前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記複数の膜容器ユニットを通って前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記第１のタンク内の前記被処理流体が空になった後に、前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記複数の膜容器ユニットを通って前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっている。
【００１６】
また、本発明の別の態様によれば、前記被処理流体を前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流すための第１のラインと、前記被処理流体を前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流すための第２のラインとを備え、前記複数の膜容器ユニットが、前記第１のラインにおいて並列に配設され、前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記複数の膜容器ユニットを通って前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記第１のタンク内の前記被処理流体が空になった後に、前記被処理流体が、前記第２のラインを通って前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっている。
【００１７】
また、本発明の別の態様によれば、前記被処理流体を前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流すための第１のラインと、前記被処理流体を前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流すための第２のラインとを備え、前記複数の膜容器ユニットが、前記第１のラインにおいて並列に配設された第１のユニット群と、前記第２のラインにおいて並列に配設された第２のユニット群とに分割され、前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記第１のユニット群を通って前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記第１のタンク内の前記被処理流体が空になった後に、前記被処理流体が、前記第２のライン上の前記第２のユニット群を通って前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっている。
【００１８】
また、本発明の別の態様によれば、前記被処理流体を前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流すための第１のラインと、前記被処理流体を前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流すための第２のラインと、前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間に配置され、前記第１のラインと前記第２のラインとの両方に接続された少なくとも１つの中間タンクとを備え、前記第１のラインが、前記中間タンクを間に挟むように複数の第１流体ラインに分割されるとともに、前記第２のラインが、前記中間タンクを間に挟むように複数の第２流体ラインに分割され、前記複数の膜容器ユニットが、前記第１流体ライン及び前記第２流体ラインの総数と同じ数のユニット群に分割され、前記複数の膜容器ユニットの各ユニット群は、前記第１及び第２流体ラインのそれぞれにおいて並列に配設され、前記被処理流体が、前記第１のライン上の各ユニット群と前記中間タンクとを順次通過して前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記被処理流体が、前記第２のライン上の各ユニット群と前記中間タンクとを順次通過して前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっており、前記第２のラインは、少なくとも１つのバイパスラインを備え、該バイパスラインは、前記第２のライン上のユニット群のうち１つ以上のユニット群を迂回して前記被処理流体を前記中間タンク又は前記第１のタンクへ戻すようになっている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る脱水装置によれば、複数の膜容器ユニットが並列に配設されているので、水分離膜ユニットで不具合が生じた場合、脱水装置全体を停止せずに、不具合が生じた水分離膜ユニットのみをメンテナンス及び交換を行うことができる。したがって、脱水装置の安定運転が可能となる。
【００２０】
また、複数の膜容器ユニットを並列に配置した場合は、被処理流体の流速が低下し、膜容器ユニットにおける水の分離性能が低下する可能性もあるが、被処理流体を第１のタンクと第２のタンクとの間で往復させて、被処理流体を膜容器ユニットに繰り返し通過させることによって、被処理流体を所定の濃度まで確実に脱水することができる。
【００２１】
また、本発明に係る脱水装置によれば、第２のラインが、少なくとも１つのバイパスラインを備え、該バイパスラインが、第２のライン上のユニット群のうち１つ以上のユニット群を迂回して被処理流体を中間タンク又は第１のタンクへ戻すようになっているので、被処理流体を膜容器ユニットに通過させる回数を適宜変更することができ、被処理流体の濃度を細かく調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１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】本発明の第１実施形態に係る脱水装置を用いて粗エタノール水溶液の脱水を行った場合のエタノール濃度の推移を試算した図である。
【図３】本発明の第２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４】本発明の第３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５】本発明の第４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６】本発明の第５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７】従来の脱水装置の全体を示した模式図である。
【図８】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９】（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】
【００２３】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１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、本発明の第１実施形態に係る脱水装置の全体を示した模式図である。
【００２４】
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。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。
【００２５】
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、被処理流体を第１のタンク２と第２のタンク３との間で往復させる第１のライン４１と、第１のライン４１に配設された複数（本実施形態では、１０個）の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０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４と、脱水装置１の全体の動作を制御するための制御手段５とを備えている。
【００２６】
図１に示すように、第１のタンク２には、第１のエタノール濃度計２ａが設けられており、第２のタンク３には、第２のエタノール濃度計３ａが設けられている。第１のエタノール濃度計２ａ及び第２のエタノール濃度計３ａは、制御手段５に接続されており、第１のエタノール濃度計２ａ及び第２のエタノール濃度計３ａの検出信号が、制御手段５に送信されるようになっている。
【００２７】
図１に示すように、第１のライン４１は、第１のタンク２の近傍の位置に配置された第１のポンプ６１と、第２のタンク３の近傍の位置に配置された第２のポンプ６２とを備えている。第１のポンプ６１及び第２のポンプ６２は、制御手段５に接続されている。第１のポンプ６１は、制御手段５の制御に基づいて第１のタンク２内の被処理流体を第２のタンク３に向かって流すようになっている。第２のポンプ６２もまた、制御手段５の制御に基づいて第２のタンク３内の被処理流体を第１のタンク２に向かって流すようになっている。
このような構成から、被処理流体が、第１のタンク２と第２のタンク３の間で第１のライン４１を往復するようになっている。
【００２８】
図１に示すように、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、第１のライン４１上において並列に配設されている。各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０の第１のタンク２側の部分には、第１の開閉弁２０１，２０２，２０３，２０４，・・・，２１０が設けられている。また、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０の第２のタンク３側の部分には、第２の開閉弁３０１，３０２，３０３，３０４，・・・，３１０が設けられている。
図１に示すように、第１の開閉弁２０１，２０２，２０３，２０４，・・・，２１０及び第２の開閉弁３０１，３０２，３０３，３０４，・・・，３１０は、制御手段５に接続されており、制御手段５の制御に基づいて開閉動作を行うようになっている。
【００２９】
各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、後述する膜容器（図示せず）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１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０の膜容器においては、被処理流体の流路を供給側と呼び、膜容器の外側を透過側と呼ぶ。
【００３０】
本実施形態において、膜容器は、チューブラー型の水分離膜を複数組み込んだものや、あるい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。膜容器の材質としては、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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。なお、膜容器の材質やサイズ、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】
膜容器における脱水処理は、減圧装置（図示）を用いて行われ、膜容器の透過側を減圧装置で減圧することによって、膜容器の流路を通過する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。
図１に示すように、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、蒸気弁４０１，・・・，４１０を介して第３のタンク４に接続されており、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４に流入するようになっている。
【００３４】
図１に示すように、第１のライン４１には、第１のポンプ６１と複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０との間に第１の熱交換器７１が配設されている。また、第１のライン４１には、第２のポンプ６２と複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０との間に第２の熱交換器７２が配設されている。第１の熱交換器７１及び第２の熱交換器７２は、水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０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ものである。
【００３５】
図１に示すように、第１のライン４１には、第１のポンプ６１及び第１の熱交換器７１を迂回するための第１のバイパス管８１が設けられている。この第１のバイパス管８１の両端部と第１のライン４１とは、分岐弁（図示せず）を介して接続されている。
また、第１のライン４１には、第２のポンプ６２及び第２の熱交換器７２を迂回するための第２のバイパス管８２が設けられている。この第２のバイパス管８２の両端部と第１のライン４１とは、分岐弁（図示せず）を介して接続されている。
なお、分岐弁は、制御手段５に接続されており、制御手段５の制御に基づいて開閉動作を行うようになっている。
【００３６】
図１に示すように、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、膜容器の不具合を検出するための検出器１０１ａ，・・・，１１０ａを備えている。
検出器１０１ａ，・・・，１１０ａは、膜容器の状態を連続監視し、オンラインで不具合を検出するようになっている。例えば、膜容器の閉塞などで透過量が低下した場合、検出器１０１ａ，・・・，１１０ａは、供給側の出口温度の低下が小さいことを検出する。また、膜容器に不具合が生じて透過量が増加した場合、検出器１０１ａ，・・・，１１０ａは、透過側の温度低下が大きくなったことを検出する。また、検出器１０１ａ，・・・，１１０ａは、透過量の変動によって、供給側の出口濃度が変動したことも検出するようになっている。
【００３７】
図１に示すように、検出器１０１ａ，・・・，１１０ａは、制御手段５に接続されており、検出器１０１ａ，・・・，１１０ａの検出信号は、制御手段５に送信されるようになっている。制御手段５は、膜容器に不具合が生じたことを示す検出信号を受信すると、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に対応する第１の開閉弁２０１，２０２，２０３，２０４，・・・，２１０及び第２の開閉弁３０１，３０２，３０３，３０４，・・・，３１０の両方を閉めるように制御する。このような構成により、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０だけをメンテナンス及び交換することが可能となる。
【００３８】
次に、本実施形態に係る脱水装置１の動作を、図面を参照しながら説明する。
【００３９】
図１に示すように、まず、第１のタンク２には、被処理流体（粗エタノール水溶液）が供給される。この被処理流体の供給は、間欠的に行われ、第１のタンク２が満量になった時点で一旦終了する。
次に、制御手段５は、第１のライン４１と第１のバイパス管８１との間の分岐弁を制御し、被処理流体が、第１のライン４１を流れるようにする。その後、第１のポンプ６１によって、被処理流体が第１のタンク２から第２のタンク３へ向かって流される。
第１のライン４１を流れる被処理流体は、第１の熱交換器７１によって加熱され、並列に配置された複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に流れる。この際、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４に流入する。
次に、制御手段５は、第１のライン４１と第２のバイパス管８２との間の分岐弁を制御し、被処理流体が、第２のバイパス管８２を流れるようにする。そして、第２のバイパス管８２を通過した被処理流体は、第２のタンク３に流れることになる。
【００４０】
第１のタンク２内の全ての被処理流体が第２のタンク３に流れた後、制御手段５は、第２のタンク３の第２のエタノール濃度計３ａによって測定された濃度を受信する。そして、第２のエタノール濃度計３ａによって測定された濃度が所定の濃度に達していない場合には、制御手段５は、以下のように被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ流すように制御する。
まず、制御手段５は、第１のライン４１と第２のバイパスライン８２との間の分岐弁を制御し、被処理流体が、第１のライン４１を流れるようにする。そして、第２のポンプ６２によって、被処理流体が第２のタンク３から第１のタンク２へ向かって流される。
第１のライン４１を流れる被処理流体は、第２の熱交換器７２によって加熱され、並列に配置された複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に流れる。この際、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４に流入する。
次に、制御手段５は、第１のライン４１と第１のバイパス管８１との間の分岐弁を制御し、被処理流体が、第１のバイパス管８１を流れるようにする。そして、第１のバイパス管８１を通過した被処理流体は、第１のタンク２に流れることになる。
その後、第２のタンク３内の全ての被処理流体が第１のタンク２に流れた後、制御手段５は、第１のタンク２の第１のエタノール濃度計２ａによって測定された濃度を受信する。そして、制御手段５は、第１のエタノール濃度計２ａによって測定された濃度が所定の濃度に達しているかを検知する。濃度が所定の濃度に達してない場合には、制御手段５は、再び、被処理流体を第１のタンク２から第２のタンク３へ流すように制御する。
以上のような動作を、被処理流体が所定の濃度に達するまで繰り返し行う。そして、最終的に所定の濃度に達した被処理流体は、製品エタノールとして第２のタンク３から回収される。
【００４１】
図２は、本発明の第１実施形態に係る脱水装置１を用いて粗エタノール水溶液の脱水を行った場合のエタノール濃度の推移を試算した図である。
図２の横軸の「段数」は、被処理流体を複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に通した回数に対応している。例えば、段数１とは、本実施形態では、被処理流体が第１のタンク２から第２のタンク３へ１回流れた時点を示し、段数２とは、被処理流体が第２のタンク３で折り返して再び第１のタンク２まで流れた時点を示している。
図２に示すように、本実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０を通過するごとにエタノール濃度が上昇し、製品エタノールの所定の濃度に近づいていくことがわかる。
【００４２】
本発明の第１実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、第１のライン４１上において並列に配設されているので、水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０で不具合が生じた場合、脱水装置１全体を停止せずに、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０のみをメンテナンス及び交換を行うことができる。したがって、脱水装置１の安定運転が可能となる。
【００４３】
また、例えば、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０を並列に配置した構成では、従来の直列に配置した構成で使用されているポンプをそのまま使用すると、被処理流体の流速が低下し、水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０における水の分離性能が低下する可能性がある。また、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０を並列に配置した構成において第１のポンプ６１や第２のポンプ６２の容量を大きくして被処理流体の流速を上げたとしても、従来の直列に配置した構成に比べて、被処理流体が膜容器に接触する時間が小さくなるため、被処理流体を所定の濃度まで確実に脱水できない可能性もある。
本発明の第１実施形態に係る脱水装置１は、このような問題を解決するものであり、被処理流体を第１のタンク２と第２のタンク３との間で往復させて、被処理流体を水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に繰り返し通過させることによって、被処理流体を所定の濃度まで確実に脱水することができる。
【００４４】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態に係る脱水装置１を、図面を参照しながら説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る脱水装置の全体を示した模式図である。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の部分については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００４５】
この第２実施形態においては、図３に示すように、脱水装置１は、被処理流体を第１のタンク２から第２のタンク３へ流すための第１のライン４１と、被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ流すための第２のライン４２とを備えている。
【００４６】
図３に示すように、第１のライン４１は、第１のタンク２の近傍の位置に配置された第１のポンプ６１を備え、第２のライン４２は、第２のタンク３の近傍の位置に配置された第２のポンプ６２を備えている。
第１のポンプ６１及び第２のポンプ６２は、制御手段５に接続されている。第１のポンプ６１は、制御手段５の制御に基づいて第１のタンク２内の被処理流体を第２のタンク３に向かって流すようになっている。第２のポンプ６２もまた、制御手段５の制御に基づいて第２のタンク３内の被処理流体を第１のタンク２に向かって流すようになっている。
【００４７】
図３に示すように、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、第１のライン４１上において並列に配設されている。また、第１のライン４１には、第１のポンプ６１と複数の水分離膜ユニッ１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０との間に第１の熱交換器７１が配設されている。
一方、本実施形態において、第２のライン４２は、水分離膜ユニットや熱交換器を配設しておらず、第２のライン４２は、被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ戻す専用のラインとなっている。
【００４８】
なお、図３において図示を省略しているが、上述の第１実施形態と同様に、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、膜容器の不具合を検出するための検出器を備えている。
検出器は、制御手段５に接続されており、検出器の検出信号は、制御手段５に送信されるようになっている。制御手段５は、膜容器に不具合が生じたことを示す検出信号を受信すると、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に対応する第１の開閉弁２０１，２０２，２０３，２０４，・・・，２１０及び第２の開閉弁３０１，３０２，３０３，３０４，・・・，３１０の両方を閉めるように制御する。このような構成により、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０だけをメンテナンス及び交換することが可能となる。
【００４９】
次に、本実施形態に係る脱水装置１の動作を、図面を参照しながら説明する。
【００５０】
図３に示すように、まず、第１のタンク２には、被処理流体（粗エタノール水溶液）が供給される。この被処理流体の供給は、間欠的に行われ、第１のタンク２が満量になった時点で一旦終了する。
その後、第１のポンプ６１によって、被処理流体が第１のタンク２から第２のタンク３へ向かって流される。
第１のライン４１を流れる被処理流体は、第１の熱交換器７１によって加熱され、並列に配置された複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に流れる。この際、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４に流入する。
そして、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０を通過した被処理流体は、第２のタンク３に流れることになる。
【００５１】
第１のタンク２内の被処理流体が、全て第２のタンク３に流れた後、制御手段５は、第２のタンク３の第２のエタノール濃度計３ａによって測定された濃度を受信する。
そして、第２のエタノール濃度計３ａによって測定された濃度が所定の濃度に達していない場合には、制御手段５は、第２のポンプ６２を制御する。これにより、被処理流体は、第２のライン４２を通って第２のタンク３から第１のタンク２へ向かって流れることになる。
その後、第２のタンク３内の全ての被処理流体が第１のタンク２に流れた後、制御手段５は、再び、被処理流体を第１のタンク２から第２のタンク３へ流すように制御する。
以上のような動作を、被処理流体が所定の濃度に達するまで繰り返し行う。そして、最終的に所定の濃度に達した被処理流体は、製品エタノールとして第２のタンク３から回収される。
【００５２】
本発明の第２実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、第１のライン４１上において並列に配設されているので、水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０で不具合が生じた場合、脱水装置１全体を停止せずに、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０のみをメンテナンス及び交換を行うことができる。したがって、脱水装置１の安定運転が可能となる。
【００５３】
また、本発明の第２実施形態に係る脱水装置１によれば、被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ戻すための第２のライン４２を備えているので、被処理流体を水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に繰り返し通過させることによって、被処理流体を所定の濃度まで確実に脱水することができる。
また、本発明の第２実施形態に係る脱水装置１によれば、第１のライン４１と第２のライン４２の２つのラインを設けることで被処理流体の流れが一方向となるので、装置の構成をより簡略化することができる。また、第１のタンク２の被処理流体が流れ終わる前に、第２のライン４２を用いて被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ向かって流せるので、１つのラインだけで被処理流体を往復させる構成に比べて第２のタンク３の容量を小さくすることができる。
【００５４】
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態に係る脱水装置１を、図面を参照しながら説明する。図４は、本発明の第３実施形態に係る脱水装置１の全体を示した模式図である。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の部分については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００５５】
この第３実施形態においては、図４に示すように、脱水装置１は、被処理流体を第１のタンク２から第２のタンク３へ流すための第１のライン４１と、被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ流すための第２のライン４２とを備えている。
【００５６】
図４に示すように、第１のライン４１は、第１のタンク２の近傍の位置に配置された第１のポンプ６１を備え、第２のライン４２は、第２のタンク３の近傍の位置に配置された第２のポンプ６２を備えている。
第１のポンプ６１及び第２のポンプ６２は、制御手段５に接続されている。第１のポンプ６１は、制御手段５の制御に基づいて第１のタンク２内の被処理流体を第２のタンク３に向かって流すようになっている。第２のポンプ６２もまた、制御手段５の制御に基づいて第２のタンク３内の被処理流体を第１のタンク２に向かって流すようになっている。
【００５７】
図４に示すように、本実施形態においては、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０が、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５と、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０とに分割されている。そして、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５が、第１のライン４１において並列に配設され、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０が、第２のライン４２において並列に配設されている。
【００５８】
図４に示すように、第１のライン４１には、第１のポンプ６１と第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５との間に第１の熱交換器７１が配設されている。一方、第２のライン４２には、第２のポンプ６２と第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０との間に第２の熱交換器７２が配設されている。
【００５９】
なお、図４において図示を省略しているが、上述の第１実施形態と同様に、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、膜容器の不具合を検出するための検出器を備えている。
検出器は、制御手段５に接続されており、検出器の検出信号は、制御手段５に送信されるようになっている。制御手段５は、膜容器に不具合が生じたことを示す検出信号を受信すると、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に対応する第１の開閉弁２０１，２０２，２０３，２０４，・・・，２１０及び第２の開閉弁３０１，３０２，３０３，３０４，・・・，３１０の両方を閉めるように制御する。このような構成により、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０だけをメンテナンス及び交換することが可能となる。
【００６０】
次に、本実施形態に係る脱水装置１の動作を、図面を参照しながら説明する。
【００６１】
図４に示すように、まず、第１のタンク２には、被処理流体（粗エタノール水溶液）が供給される。この被処理流体の供給は、間欠的に行われ、第１のタンク２が満量になった時点で一旦終了する。
その後、第１のポンプ６１によって、被処理流体が第１のタンク２から第２のタンク３へ向かって流される。
第１のライン４１を流れる被処理流体は、第１の熱交換器７１によって加熱され、並列に配置された第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５に流れる。この際、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４に流入する。
そして、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５を通過した被処理流体は、第２のタンク３に流れることになる。
【００６２】
第１のタンク２内の全ての被処理流体が第２のタンク３に流れた後、制御手段５は、第２のタンク３の第２のエタノール濃度計３ａによって測定された濃度を受信する。
そして、第２のエタノール濃度計３ａによって測定された濃度が所定の濃度に達していない場合には、制御手段５は、第２のポンプ６２を制御する。これにより、被処理流体は、第２のライン４２を通って第２のタンク３から第１のタンク２へ向かって流れることになる。
第２のライン４２を流れる被処理流体は、第２の熱交換器７２によって加熱され、並列に配置された第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０に流れる。この際、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４に流入する。
そして、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０を通過した被処理流体は、第１のタンク２に流れることになる。
以上のような動作を、被処理流体が所定の濃度に達するまで繰り返し行う。そして、最終的に所定の濃度に達した被処理流体は、製品エタノールとして第２のタンク３から回収される。
【００６３】
本発明の第３実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０が、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５と、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０とに分割され、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５が、第１のライン４１において並列に配設され、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０が、第２のライン４２において並列に配設されているので、水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０で不具合が生じた場合、脱水装置１全体を停止せずに、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０のみをメンテナンス及び交換を行うことができる。したがって、脱水装置１の安定運転が可能となる。
【００６４】
また、本発明の第２実施形態に係る脱水装置１によれば、被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ戻すための第２のライン４２を備えているので、被処理流体を水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に繰り返し通過させることによって、被処理流体を所定の濃度まで確実に脱水することができる。
また、本発明の第２実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０を２つのユニット群に分割しているので、被処理流体の流速の低下が抑制され、膜容器において水の分離性能の低下を抑えることができる。
【００６５】
［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態に係る脱水装置１を、図面を参照しながら説明する。図５は、本発明の第４実施形態に係る脱水装置１の全体を示した模式図である。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の部分については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００６６】
この第４実施形態においては、図５に示すように、脱水装置１は、第１のタンク２と第２のタンク３との間に配置された中間タンク９を備えている。中間タンク９は、被処理流体を第１のタンク２から第２のタンク３へ流すための第１のライン４１と、被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ流すための第２のライン４２との両方に接続されている。
図５に示すように、第１のライン４１は、被処理流体を第１のタンク２から中間タンク９へ流すための上流側流体ライン４１Ａと、被処理流体を中間タンク９から第２のタンク３へ流すための下流側流体ライン４１Ｂとから構成されている。
また、第２のライン４２は、被処理流体を第２のタンク３から中間タンク９へ流すための上流側流体ライン４２Ａと、被処理流体を中間タンク９から第１のタンク２へ流すための下流側流体ライン４２Ｂとから構成されている。
なお、図５には、１つの中間タンク９を設置した実施形態が示されているが、中間タンクを２つ以上設置してもよい。中間タンクを２つ以上設置した場合には、それぞれの中間タンクの間に水分離膜ユニットを並列に設置できる。
【００６７】
図５に示すように、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａは、第１のタンク２の近傍の位置に配置された第１のポンプ６１を備え、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｂは、中間タンク９の近傍の位置に配置された第２のポンプ６２を備えている。
また、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａは、第２のタンク３の近傍の位置に配置された第３のポンプ６３を備え、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｂは、中間タンク９の近傍の位置に配置された第４のポンプ６４を備えている。
【００６８】
この第４実施形態においては、図５に示すように、脱水装置１は、２０個の水分離膜ユニット１０１，・・・，１２０を備えている。複数の水分離膜ユニット１０１，・・・，１２０は、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５と、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０と、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５と、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０とに分割されている。
【００６９】
図５に示すように、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５が、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａにおいて並列に配設され、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０が、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｂにおいて並列に配設されている。
また、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５が、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｂにおいて並列に配設され、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０が、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａにおいて並列に配設されている。
【００７０】
図５に示すように、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａには、第１のポンプ６１と第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５との間に第１の熱交換器７１が配設されている。また、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｂには、第２のポンプ６２と第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０との間に第２の熱交換器７２が配設されている。
また、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａには、第３のポンプ６３と第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０との間に第３の熱交換器７３が配設されている。また、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｂには、第４のポンプ６４と第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５との間に第４の熱交換器７４が配設されている。
【００７１】
図５に示すように、脱水装置１は、被処理流体から分離された水が流入する第３のタンク４Ａ及び第４のタンク４Ｂを備えている。
図５に示すように、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５及び第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５は、蒸気弁を介して第３のタンク４Ａに接続されており、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５及び第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４Ａに流入するようになっている。
また、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０及び第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０は、蒸気弁を介して第４のタンク４Ｂに接続されており、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０及び第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０において引き抜かれた水蒸気は、第４のタンク４Ｂに流入するようになっている。
【００７２】
この第４実施形態においては、図５に示すように、第２のライン４２は、バイパスライン１０を備えている。バイパスライン１０は、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａに分岐弁（図示せず）を介して連結されている。
図５に示すように、バイパスライン１０は、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａと第１のタンク２とを接続するものである。バイパスライン１０は、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５及び第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０の２つのユニット群を迂回して、第２のタンク３から流れた被処理流体を直接第１のタンク２へ流すようになっている。
なお、本実施形態では、中間タンクが１つであるため、バイパスライン１０を第２のライン４２上の２つのユニット群を迂回するように設けている。一方、中間タンクを複数設けた場合には、バイパスラインは、第２のライン４２上の１つ以上のユニット群を迂回して中間タンクに接続するように設けることができる。
【００７３】
なお、図５において図示を省略しているが、上述の第１実施形態と同様に、脱水装置１は、脱水装置１の全体の動作を制御するための制御手段を備えている。制御手段は、第１ないし第４のポンプ６１，６２，６３，６４と、第１の開閉弁２０１，・・・，２２０と、第２の開閉弁３０１，・・・，３２０とを制御するようになっている。
また、図示を省略しているが、各水分離膜ユニット１０１，・・・，１２０は、膜容器の不具合を検出するための検出器を備えており、検出器は、制御手段に接続されている。制御手段は、膜容器に不具合が生じたことを示す検出信号を受信すると、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，・・・，１２０に対応する第１の開閉弁２０１・・・，２２０及び第２の開閉弁３０１，・・・，３２０の両方を閉めるように制御する。このような構成により、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，・・・，１２０だけをメンテナンス及び交換することが可能となる。
【００７４】
次に、本実施形態に係る脱水装置１の動作を、図面を参照しながら説明する。
【００７５】
まず、第１のタンク２には、被処理流体（粗エタノール水溶液）が供給される。この被処理流体の供給は、連続的に行われる。
図５に示すように、その後、第１のポンプ６１によって、被処理流体が第１のタンク２から中間タンク９に向かって流される。
第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａを流れる被処理流体は、第１の熱交換器７１によって加熱され、並列に配置された第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５に流れる。この際、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４Ａに流入する。
そして、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５を通過した被処理流体は、中間タンク９に流れることになる。
【００７６】
次に、第２のポンプ６２によって、被処理流体が中間タンク９から第２のタンク３に向かって流される。
第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｂを流れる被処理流体は、第２の熱交換器７２によって加熱され、並列に配置された第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０に流れる。この際、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０において引き抜かれた水蒸気は、第４のタンク４Ｂに流入する。
そして、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０を通過した被処理流体は、第２のタンク３に流れることになる。
【００７７】
次に、制御手段は、第２のタンク３の第２のエタノール濃度計（図示せず）によって測定された濃度を受信する。そして、第２のエタノール濃度計によって測定された濃度が所定の濃度に達していない場合には、制御手段は、第３のポンプ６３を制御する。ここで、例えば、制御手段が、現在の濃度に基づいて各ユニット群を何回通過すれば所定の濃度に到達するかを判定する。現在の濃度に基づいて２つのユニット群（第３及び第４のユニット群１１１，・・・，１２０）を迂回してもよいと判定した場合、制御手段は、バイパスライン１０と第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａとの間の分岐弁を制御し、被処理流体が、バイパスライン１０を流れるようにする。そうでない場合は、制御手段は、被処理流体が第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａを流れるようにする。以下は、被処理流体が第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａを流れる場合の動作である。
第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａを流れる被処理流体は、第３の熱交換器７３によって加熱され、並列に配置された第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０に流れる。この際、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０において引き抜かれた水蒸気は、第４のタンク４Ｂに流入する。
そして、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０を通過した被処理流体は、中間タンク９に流れることになる。
【００７８】
次に、第４のポンプ６４によって、被処理流体が中間タンク９から第１のタンク２に向かって流される。
第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｂを流れる被処理流体は、第４の熱交換器７４によって加熱され、並列に配置された第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５に流れる。この際、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４Ａに流入する。
そして、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５を通過した被処理流体は、第１のタンク２に流れることになる。
以上のような動作を、被処理流体が所定の濃度に達するまで繰り返し行う。そして、最終的に所定の濃度に達した被処理流体は、製品エタノールとして第２のタンク３から回収される。
【００７９】
本発明の第４実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，・・・，１２０は、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５と、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０と、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５と、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０とに分割され、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５が、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａにおいて並列に配設され、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０が、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｂにおいて並列に配設され、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５が、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｂにおいて並列に配設され、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０が、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａにおいて並列に配設されているので、水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１２０で不具合が生じた場合、脱水装置１全体を停止せずに、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１２０のみをメンテナンス及び交換を行うことができる。したがって、脱水装置１の安定運転が可能となる。
【００８０】
また、本発明の第４実施形態に係る脱水装置１によれば、第２のライン４２は、バイパスライン１０を備え、バイパスライン１０は、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５及び第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０の２つのユニット群を迂回して、第２のタンク３から流れた被処理流体を直接第１のタンク２へ流すようになっているので、被処理流体を膜容器ユニットに通過させる回数を適宜変更することができ、被処理流体の濃度を細かく調整することができる。
【００８１】
また、本発明の第４実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，・・・，１２０を４つのユニット群に分割しているので、被処理流体の流速の低下が抑制され、膜容器において水の分離性能の低下を抑えることができる。
また、本発明の第４実施形態に係る脱水装置１によれば、脱水装置１は、第１のタンク２と第２のタンク３との間に配置された中間タンク９を備えている。これにより、被処理流体を中間タンク９でも貯留できるので、被処理流体を第１のタンク２に連続して供給して脱水装置１全体の運転を行うことができる。
本発明の第４実施形態に係る脱水装置１によれば、原料のエタノール水溶液を脱水装置１に連続的に供給し、製品エタノールを連続的に回収することができる。
【００８２】
［第５実施形態］
以下、本発明の第５実施形態に係る脱水装置１を、図面を参照しながら説明する。図６は、本発明の第５実施形態に係る脱水装置１の全体を示した模式図である。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の部分については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００８３】
この第５実施形態においては、図６に示すように、脱水装置１は、第１のタンク２と第２のタンク３との間に第１の中間タンク９Ａ及び第２の中間タンク９Ｂを備えている。第１の中間タンク９Ａ及び第２の中間タンク９Ｂは、被処理流体を第１のタンク２から第２のタンク３へ流すための第１のライン４１と、被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ流すための第２のライン４２との両方に接続されている。また、第１の中間タンク９Ａ及び第２の中間タンク９Ｂは、被処理流体のエタノール濃度を測定するためのエタノール濃度計（図示せず）を備えている。
【００８４】
図６に示すように、第１のライン４１は、被処理流体を第１のタンク２から第１の中間タンク９Ａへ流すための上流側流体ライン４１Ａと、被処理流体を第１の中間タンク９Ａから第２の中間タンク９Ｂへ流すための中間流体ライン４１Ｂと、被処理流体を第２の中間タンク９Ｂから第２のタンク３へ流すための下流側流体ライン４１Ｃとから構成されている。
【００８５】
また、第２のライン４２は、被処理流体を第２のタンク３から第２の中間タンク９Ｂへ流すための上流側流体ライン４２Ａと、被処理流体を第２の中間タンク９Ｂから第１の中間タンク９Ａへ流すための中間流体ライン４２Ｂと、被処理流体を第１の中間タンク９Ａから第１のタンク２へ流すための下流側流体ライン４２Ｃとから構成されている。
なお、図６には、２つの中間タンク（第１の中間タンク９Ａ及び第２の中間タンク９Ｂ）を設置した実施形態が示されているが、中間タンクを３つ以上設置してもよい。中間タンクを３つ以上設置した場合には、それぞれの中間タンクの間に水分離膜ユニットを並列に設置できる。
【００８６】
図６に示すように、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａは、第１のタンク２の近傍の位置に配置された第１のポンプ６１を備え、第１のライン４１の中間流体ライン４１Ｂは、第１の中間タンク９Ａの近傍の位置に配置された第２のポンプ６２を備え、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｃは、第２の中間タンク９Ｂの近傍の位置に配置された第２のポンプ６３を備えている。
【００８７】
また、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａは、第２のタンク３の近傍の位置に配置された第４のポンプ６４を備え、第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂは、第２の中間タンク９Ｂの近傍の位置に配置された第５のポンプ６５を備え、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｃは、第１の中間タンク９Ａの近傍の位置に配置された第６のポンプ６６を備えている。
【００８８】
この第５実施形態においては、図６に示すように、脱水装置１は、３０個の水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０を備えている。複数の水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０は、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５と、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０と、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５と、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０と、第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５と、第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０とに分割されている。
【００８９】
図６に示すように、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５が、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａにおいて並列に配設され、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０が、第１のライン４１の中間流体ライン４１Ｂにおいて並列に配設され、第３のユニット群１１１，１０７，・・・，１１５が、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｃにおいて並列に配設されている。
また、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０が、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｃにおいて並列に配設され、第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５が、第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂにおいて並列に配設され、第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０が、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａにおいて並列に配設されている。
【００９０】
図６に示すように、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａには、第１のポンプ６１と第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５との間に第１の熱交換器７１が配設されている。また、第１のライン４１の中間流体ライン４１Ｂには、第２のポンプ６２と第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０との間に第２の熱交換器７２が配設されている。また、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｃには、第３のポンプ６３と第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５との間に第３の熱交換器７３が配設されている。
また、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａには、第３のポンプ６３と第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０との間に第４の熱交換器７４が配設されている。また、第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂには、第５のポンプ６５と第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５との間に第５の熱交換器７５が配設されている。また、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｃには、第６のポンプ６６と第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０との間に第６の熱交換器７６が配設されている。
【００９１】
この第５実施形態においては、図６に示すように、第２のライン４２は、第１のバイパスライン１１と、第２のバイパスライン１２とを備えている。
第１のバイパスライン１１は、第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂに分岐弁（図示せず）を介して連結されている。図６に示すように、第１のバイパスライン１１は、第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂと第１のタンク２とを接続するものである。第１のバイパスライン１１は、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０及び第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５の２つのユニット群を迂回して、第２の中間タンク９Ｂから流れた被処理流体を直接第１のタンク２へ流すようになっている。
第２のバイパスライン１２は、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａに分岐弁（図示せず）を介して連結されている。図６に示すように、第２のバイパスライン１２は、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａと第１の中間タンク９Ａとを接続するものである。第２のバイパスライン１２は、第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５及び第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０の２つのユニット群を迂回して、第２のタンク３から流れた被処理流体を直接第１の中間タンク９Ａへ流すようになっている。
なお、本実施形態では、第１及び第２のバイパスライン１１，１２が、第２のライン４２上の２つのユニット群を迂回するようになっているが、中間タンクを複数設けた場合には、バイパスラインは、第２のライン４２上の１つ以上のユニット群を迂回して中間タンクに接続するように設けることができる。
【００９２】
さらに、図６において図示を省略しているが、上述の第４実施形態と同様に、脱水装置１は、被処理流体から分離された水が流入する複数のタンクを備えている。各水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０は、これら複数のタンクに接続されており、各水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０において引き抜かれた水蒸気は、これらのタンクに流入するようになっている。
【００９３】
さらに、図６において図示を省略しているが、上述の第１実施形態と同様に、脱水装置１は、脱水装置１の全体の動作を制御するための制御手段を備えている。制御手段は、第１ないし第６のポンプ６１，６２，６３，６４，６５，６６と、第１の開閉弁２０１，・・・，２３０と、第２の開閉弁３０１，・・・，３３０とを制御するようになっている。
また、図示を省略しているが、各水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０は、膜容器の不具合を検出するための検出器を備えており、検出器は、制御手段に接続されている。制御手段は、膜容器に不具合が生じたことを示す検出信号を受信すると、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０に対応する第１の開閉弁２０１・・・，２３０及び第２の開閉弁３０１，・・・，３３０の両方を閉めるように制御する。このような構成により、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０だけをメンテナンス及び交換することが可能となる。
【００９４】
次に、本実施形態に係る脱水装置１の動作を、図面を参照しながら説明する。
【００９５】
まず、第１のタンク２には、被処理流体（粗エタノール水溶液）が供給される。この被処理流体の供給は、連続的に行われる。
図６に示すように、その後、第１のポンプ６１によって、被処理流体が第１のタンク２から第１の中間タンク９Ａに向かって流される。
第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａを流れる被処理流体は、第１の熱交換器７１によって加熱され、並列に配置された第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５に流れる。そして、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５を通過した被処理流体は、第１の中間タンク９Ａに流れることになる。
【００９６】
次に、第２のポンプ６２によって、被処理流体が第１の中間タンク９Ａから第２の中間タンク９Ｂに向かって流される。
第１のライン４１の中間流体ライン４１Ｂを流れる被処理流体は、第２の熱交換器７２によって加熱され、並列に配置された第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０に流れる。そして、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０を通過した被処理流体は第２の中間タンク９Ｂに流れることになる。
【００９７】
次に、第３のポンプ６３によって、被処理流体が第２の中間タンク９Ｂから第２のタンク３に向かって流される。
第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｃを流れる被処理流体は、第３の熱交換器７３によって加熱され、並列に配置された第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５に流れる。そして、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５を通過した被処理流体は第２のタンク３に流れることになる。
【００９８】
次に、制御手段は、第２のタンク３の第２のエタノール濃度計（図示せず）によって測定された濃度を受信する。そして、第２のエタノール濃度計によって測定された濃度が所定の濃度に達していない場合には、制御手段は、第４のポンプ６４を制御する。ここで、例えば、制御手段が、現在の濃度に基づいて各ユニット群を何回通過すれば所定の濃度に到達するかを判定する。現在の濃度に基づいて２つのユニット群（第５及び第６のユニット群１２１，・・・，１３０）を迂回してもよいと判定した場合、制御手段は、第２のバイパスライン１２と第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａとの間の分岐弁を制御し、被処理流体が、第２のバイパスライン１２を流れるようにする。そうでない場合は、制御手段は、被処理流体が第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａを流れるようにする。以下は、被処理流体が第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａを流れる場合の動作である。
第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａを流れる被処理流体は、第４の熱交換器７４によって加熱され、並列に配置された第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０に流れる。そして、第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０を通過した被処理流体は、第２の中間タンク９Ｂに流れることになる。
【００９９】
次に、制御手段は、第２の中間タンク９Ｂの第２のエタノール濃度計によって測定された濃度を受信し、その後、第５のポンプ６５を制御する。ここで、制御手段が、現在の濃度に基づいて各ユニット群を何回通過すれば所定の濃度に到達するかを判定する。現在の濃度に基づいて２つのユニット群（第４及び第５のユニット群１１６，・・・，１２５）を迂回してもよいと判定した場合、制御手段は、第１のバイパスライン１１と第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂとの間の分岐弁を制御し、被処理流体が、第１のバイパスライン１１を流れるようにする。そうでない場合は、制御手段は、被処理流体が第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂを流れるようにする。以下は、被処理流体が第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂを流れる場合の動作である。
第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂを流れる被処理流体は、第５の熱交換器７５によって加熱され、並列に配置された第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５に流れる。そして、第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５を通過した被処理流体は、第１の中間タンク９Ａに流れることになる。
【０１００】
次に、第６のポンプ６６によって、被処理流体が第１の中間タンク９Ａから第１のタンク２に向かって流される。
第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｃを流れる被処理流体は、第６の熱交換器７６によって加熱され、並列に配置された第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０に流れる。そして、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０を通過した被処理流体は、第１のタンク２に流れることになる。
以上のような動作を、被処理流体が所定の濃度に達するまで繰り返し行う。そして、最終的に所定の濃度に達した被処理流体は、製品エタノールとして第２のタンク３から回収される。
【０１０１】
本発明の第５実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０は、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５と、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０と、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５と、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０と、第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５と、第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０とに分割され、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５が、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａにおいて並列に配設され、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０が、第１のライン４１の中間流体ライン４１Ｂにおいて並列に配設され、第３のユニット群１１１，１０７，・・・，１１５が、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｃにおいて並列に配設され、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０が、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｃにおいて並列に配設され、第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５が、第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂにおいて並列に配設され、第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０が、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａにおいて並列に配設されているので、水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１３０で不具合が生じた場合、脱水装置１全体を停止せずに、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１３０のみをメンテナンス及び交換を行うことができる。したがって、脱水装置１の安定運転が可能となる。
【０１０２】
また、本発明の第５実施形態に係る脱水装置１によれば、第２のライン４２は、第１のバイパスライン１１と、第２のバイパスライン１２とを備え、第１のバイパスライン１１は、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０及び第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５の２つのユニット群を迂回して、第２の中間タンク４Ｂから流れた被処理流体を直接第１のタンク２へ流すようになっており、第２のバイパスライン１２は、第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５及び第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０の２つのユニット群を迂回して、第２のタンク３から流れた被処理流体を直接第１の中間タンク４Ａへ流すようになっているので、被処理流体を膜容器ユニットに通過させる回数を適宜変更することができ、被処理流体の濃度を細かく調整することができる。
【０１０３】
また、本発明の第５実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０を６つのユニット群に分割しているので、被処理流体の流速の低下が抑制され、膜容器において水の分離性能の低下を抑えることができる。
また、本発明の第５実施形態に係る脱水装置１によれば、脱水装置１は、第１のタンク２と第２のタンク３との間に第１の中間タンク９Ａ及び第２の中間タンク９Ｂを備えている。これにより、被処理流体を第１の中間タンク９Ａ及び第２の中間タンク９Ｂでも貯留できるので、被処理流体を第１のタンク２に連続して供給して脱水装置１全体の運転を行うことができる。
本発明の第５実施形態に係る脱水装置１によれば、原料のエタノール水溶液を脱水装置１に連続的に供給し、製品エタノールを連続的に回収することができる。
【０１０４】
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。
【０１０５】
第１ないし第３実施形態では、１０個の水分離膜ユニットを使用し、第４実施形態では、２０個の水分離膜ユニットを使用し、第５実施形態では、３０個の水分離膜ユニットを使用しているが、この数に限定されず、水分離膜ユニットの数は被処理流体の流量などに合わせて適宜変更してよい。
【０１０６】
第４及び第５実施形態では、流体ラインごとに熱交換器を設置しているが、被処理流体の温度変化が小さい場合には、全ての流体ラインに熱交換器を設置する必要はない。
【０１０７】
第５実施形態では、第１のバイパスライン１１及び第２のバイパスライン１２は、水分離膜ユニットの２つのユニット群を迂回するように設けられているが、このようなバイパスラインだけに限定されず、３つのユニット群を迂回して被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ直接流すようなバイパスラインを設けてもよい。
【符号の説明】
【０１０８】
１ 脱水装置
２ 第１のタンク
３ 第２のタンク
２ａ，３ａ エタノール濃度計
４ 第３のタンク
５ 制御手段
９，９Ａ，９Ｂ 中間タンク
１０，１１，１２ バイパスライン
４１ 第１のライン
４２ 第２のライン
４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ 第１のラインの流体ライン（第１流体ライン）
４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ 第２のラインの流体ライン（第２流体ライン）
６１，６２，６３，６４，６５，６６ ポンプ
７１，７２，７３，７４，７５，７６ 熱交換器
８１，８２ バイパス管
１０１，・・・，１３０ 水分離膜ユニット（膜容器ユニット）
１０１ａ，・・・，１１０ａ 検出器
２０１，・・・，２３０ 第１の開閉弁
３０１，・・・，３３０ 第２の開閉弁
【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。
【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、複数の水分離膜がシェル部の内部において直列になるように配置されている。この脱水装置では、水を含む被処理流体が、直列配置された水分離膜を順次通過し、これにより、水が被処理流体から分離されるようになっている。
【０００４】
図７は、従来の脱水装置の全体を示した模式図である。
図７に示すように、脱水装置３１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３２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３３と、被処理流体を第１のタンク２から第２のタンク３へ流すためのライン３４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３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ，・・・，３５Ｊ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３６とを備えている。
【０００５】
図７に示すように、複数の水分離膜ユニット３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ，・・・，３５Ｊは、直列に接続されており、各水分離膜ユニット３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ，・・・，３５Ｊの間には、熱交換器３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃ，３７Ｄ，・・・，３７Ｊがそれぞれ配置されている。また、複数の水分離膜ユニット３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ，・・・，３５Ｊのそれぞれには、水分離膜ユニット３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ，・・・，３５Ｊを迂回するためのバイパスライン３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄ，・・・，３８Ｊがそれぞれ設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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】
【０００７】
上述の図７や特許文献１の従来の構成において、第１の問題点は、水分離膜ユニットが直列に配置されていることである。
例えば、水分離膜ユニットが直列に配置されていると、水分離膜ユニットのうち上流側の水分離膜ユニットで不具合が生じた場合、その影響が下流側の水分離膜ユニットまで波及することになる。つまり、上流側の水分離膜ユニットで不具合が生じると、脱水装置全体を停止してメンテナンスを行わなければならず、脱水装置の安定運転ができないという問題があった。また、バイパスラインを設けることで脱水装置の運転は継続できるが、水分離膜ユニットを通過する回数が少なくなり、所定の濃度まで脱水できない可能性もある。
【０００８】
また、第２の問題点としては、図７や特許文献１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してしまうことである。
【０００９】
図８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８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。
【００１０】
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。
【００１１】
図９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９（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９（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、水の分離性能に問題があることがわかる。
一方、図９（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９（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ることになる。
【００１２】
このように、水分離膜を用いる構成では、被処理流体の流速が小さくなる場合には十分な水の分離性能が得られないため、被処理流体を所定の濃度まで脱水できない可能性がある。したがって、水分離膜を用いる構成において、被処理流体を所定の濃度まで確実に脱水するための何らかの対策が必要となる。
【００１３】
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、水分離膜ユニットに不具合が生じた場合でも安定して運転することができ、被処理流体を所定の濃度まで確実に脱水することが可能な脱水装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、被処理流体から水を分離する脱水装置であって、水を分離する前の前記被処理流体を貯留する第１のタンクと、水を分離した後の前記被処理流体が流入する第２のタンクと、前記被処理流体から水を分離するための分離膜を有し、前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間において前記被処理流体の流れ方向に沿って並列に配設された複数の膜容器ユニットとを備え、前記被処理流体が、前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間を往復するように構成され、前記被処理流体が、前記複数の膜容器ユニットを複数回通過するようになっている。
【００１５】
また、本発明の別の態様によれば、前記被処理流体を前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間で往復させる第１のラインを備え、前記複数の膜容器ユニットが、前記第１のラインにおいて並列に配設され、前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記複数の膜容器ユニットを通って前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記第１のタンク内の前記被処理流体が空になった後に、前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記複数の膜容器ユニットを通って前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっている。
【００１６】
また、本発明の別の態様によれば、前記被処理流体を前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流すための第１のラインと、前記被処理流体を前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流すための第２のラインとを備え、前記複数の膜容器ユニットが、前記第１のラインにおいて並列に配設され、前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記複数の膜容器ユニットを通って前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記第１のタンク内の前記被処理流体が空になった後に、前記被処理流体が、前記第２のラインを通って前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっている。
【００１７】
また、本発明の別の態様によれば、前記被処理流体を前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流すための第１のラインと、前記被処理流体を前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流すための第２のラインとを備え、前記複数の膜容器ユニットが、前記第１のラインにおいて並列に配設された第１のユニット群と、前記第２のラインにおいて並列に配設された第２のユニット群とに分割され、前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記第１のユニット群を通って前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記第１のタンク内の前記被処理流体が空になった後に、前記被処理流体が、前記第２のライン上の前記第２のユニット群を通って前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっている。
【００１８】
また、本発明の別の態様によれば、前記被処理流体を前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流すための第１のラインと、前記被処理流体を前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流すための第２のラインと、前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間に配置され、前記第１のラインと前記第２のラインとの両方に接続された少なくとも１つの中間タンクとを備え、前記第１のラインが、前記中間タンクを間に挟むように複数の第１流体ラインに分割されるとともに、前記第２のラインが、前記中間タンクを間に挟むように複数の第２流体ラインに分割され、前記複数の膜容器ユニットが、前記第１流体ライン及び前記第２流体ラインの総数と同じ数のユニット群に分割され、前記複数の膜容器ユニットの各ユニット群は、前記第１及び第２流体ラインのそれぞれにおいて並列に配設され、前記被処理流体が、前記第１のライン上の各ユニット群と前記中間タンクとを順次通過して前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記被処理流体が、前記第２のライン上の各ユニット群と前記中間タンクとを順次通過して前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっており、前記第２のラインは、少なくとも１つのバイパスラインを備え、該バイパスラインは、前記第２のライン上のユニット群のうち１つ以上のユニット群を迂回して前記被処理流体を前記中間タンク又は前記第１のタンクへ戻すようになっている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る脱水装置によれば、複数の膜容器ユニットが並列に配設されているので、水分離膜ユニットで不具合が生じた場合、脱水装置全体を停止せずに、不具合が生じた水分離膜ユニットのみをメンテナンス及び交換を行うことができる。したがって、脱水装置の安定運転が可能となる。
【００２０】
また、複数の膜容器ユニットを並列に配置した場合は、被処理流体の流速が低下し、膜容器ユニットにおける水の分離性能が低下する可能性もあるが、被処理流体を第１のタンクと第２のタンクとの間で往復させて、被処理流体を膜容器ユニットに繰り返し通過させることによって、被処理流体を所定の濃度まで確実に脱水することができる。
【００２１】
また、本発明に係る脱水装置によれば、第２のラインが、少なくとも１つのバイパスラインを備え、該バイパスラインが、第２のライン上のユニット群のうち１つ以上のユニット群を迂回して被処理流体を中間タンク又は第１のタンクへ戻すようになっているので、被処理流体を膜容器ユニットに通過させる回数を適宜変更することができ、被処理流体の濃度を細かく調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１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】本発明の第１実施形態に係る脱水装置を用いて粗エタノール水溶液の脱水を行った場合のエタノール濃度の推移を試算した図である。
【図３】本発明の第２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４】本発明の第３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５】本発明の第４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６】本発明の第５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７】従来の脱水装置の全体を示した模式図である。
【図８】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９】（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】
【００２３】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１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、本発明の第１実施形態に係る脱水装置の全体を示した模式図である。
【００２４】
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。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。
【００２５】
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、被処理流体を第１のタンク２と第２のタンク３との間で往復させる第１のライン４１と、第１のライン４１に配設された複数（本実施形態では、１０個）の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０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４と、脱水装置１の全体の動作を制御するための制御手段５とを備えている。
【００２６】
図１に示すように、第１のタンク２には、第１のエタノール濃度計２ａが設けられており、第２のタンク３には、第２のエタノール濃度計３ａが設けられている。第１のエタノール濃度計２ａ及び第２のエタノール濃度計３ａは、制御手段５に接続されており、第１のエタノール濃度計２ａ及び第２のエタノール濃度計３ａの検出信号が、制御手段５に送信されるようになっている。
【００２７】
図１に示すように、第１のライン４１は、第１のタンク２の近傍の位置に配置された第１のポンプ６１と、第２のタンク３の近傍の位置に配置された第２のポンプ６２とを備えている。第１のポンプ６１及び第２のポンプ６２は、制御手段５に接続されている。第１のポンプ６１は、制御手段５の制御に基づいて第１のタンク２内の被処理流体を第２のタンク３に向かって流すようになっている。第２のポンプ６２もまた、制御手段５の制御に基づいて第２のタンク３内の被処理流体を第１のタンク２に向かって流すようになっている。
このような構成から、被処理流体が、第１のタンク２と第２のタンク３の間で第１のライン４１を往復するようになっている。
【００２８】
図１に示すように、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、第１のライン４１上において並列に配設されている。各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０の第１のタンク２側の部分には、第１の開閉弁２０１，２０２，２０３，２０４，・・・，２１０が設けられている。また、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０の第２のタンク３側の部分には、第２の開閉弁３０１，３０２，３０３，３０４，・・・，３１０が設けられている。
図１に示すように、第１の開閉弁２０１，２０２，２０３，２０４，・・・，２１０及び第２の開閉弁３０１，３０２，３０３，３０４，・・・，３１０は、制御手段５に接続されており、制御手段５の制御に基づいて開閉動作を行うようになっている。
【００２９】
各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、後述する膜容器（図示せず）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１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０の膜容器においては、被処理流体の流路を供給側と呼び、膜容器の外側を透過側と呼ぶ。
【００３０】
本実施形態において、膜容器は、チューブラー型の水分離膜を複数組み込んだものや、あるい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。膜容器の材質としては、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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。なお、膜容器の材質やサイズ、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】
膜容器における脱水処理は、減圧装置（図示）を用いて行われ、膜容器の透過側を減圧装置で減圧することによって、膜容器の流路を通過する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。
図１に示すように、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、蒸気弁４０１，・・・，４１０を介して第３のタンク４に接続されており、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４に流入するようになっている。
【００３４】
図１に示すように、第１のライン４１には、第１のポンプ６１と複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０との間に第１の熱交換器７１が配設されている。また、第１のライン４１には、第２のポンプ６２と複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０との間に第２の熱交換器７２が配設されている。第１の熱交換器７１及び第２の熱交換器７２は、水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０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ものである。
【００３５】
図１に示すように、第１のライン４１には、第１のポンプ６１及び第１の熱交換器７１を迂回するための第１のバイパス管８１が設けられている。この第１のバイパス管８１の両端部と第１のライン４１とは、分岐弁（図示せず）を介して接続されている。
また、第１のライン４１には、第２のポンプ６２及び第２の熱交換器７２を迂回するための第２のバイパス管８２が設けられている。この第２のバイパス管８２の両端部と第１のライン４１とは、分岐弁（図示せず）を介して接続されている。
なお、分岐弁は、制御手段５に接続されており、制御手段５の制御に基づいて開閉動作を行うようになっている。
【００３６】
図１に示すように、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、膜容器の不具合を検出するための検出器１０１ａ，・・・，１１０ａを備えている。
検出器１０１ａ，・・・，１１０ａは、膜容器の状態を連続監視し、オンラインで不具合を検出するようになっている。例えば、膜容器の閉塞などで透過量が低下した場合、検出器１０１ａ，・・・，１１０ａは、供給側の出口温度の低下が小さいことを検出する。また、膜容器に不具合が生じて透過量が増加した場合、検出器１０１ａ，・・・，１１０ａは、透過側の温度低下が大きくなったことを検出する。また、検出器１０１ａ，・・・，１１０ａは、透過量の変動によって、供給側の出口濃度が変動したことも検出するようになっている。
【００３７】
図１に示すように、検出器１０１ａ，・・・，１１０ａは、制御手段５に接続されており、検出器１０１ａ，・・・，１１０ａの検出信号は、制御手段５に送信されるようになっている。制御手段５は、膜容器に不具合が生じたことを示す検出信号を受信すると、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に対応する第１の開閉弁２０１，２０２，２０３，２０４，・・・，２１０及び第２の開閉弁３０１，３０２，３０３，３０４，・・・，３１０の両方を閉めるように制御する。このような構成により、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０だけをメンテナンス及び交換することが可能となる。
【００３８】
次に、本実施形態に係る脱水装置１の動作を、図面を参照しながら説明する。
【００３９】
図１に示すように、まず、第１のタンク２には、被処理流体（粗エタノール水溶液）が供給される。この被処理流体の供給は、間欠的に行われ、第１のタンク２が満量になった時点で一旦終了する。
次に、制御手段５は、第１のライン４１と第１のバイパス管８１との間の分岐弁を制御し、被処理流体が、第１のライン４１を流れるようにする。その後、第１のポンプ６１によって、被処理流体が第１のタンク２から第２のタンク３へ向かって流される。
第１のライン４１を流れる被処理流体は、第１の熱交換器７１によって加熱され、並列に配置された複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に流れる。この際、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４に流入する。
次に、制御手段５は、第１のライン４１と第２のバイパス管８２との間の分岐弁を制御し、被処理流体が、第２のバイパス管８２を流れるようにする。そして、第２のバイパス管８２を通過した被処理流体は、第２のタンク３に流れることになる。
【００４０】
第１のタンク２内の全ての被処理流体が第２のタンク３に流れた後、制御手段５は、第２のタンク３の第２のエタノール濃度計３ａによって測定された濃度を受信する。そして、第２のエタノール濃度計３ａによって測定された濃度が所定の濃度に達していない場合には、制御手段５は、以下のように被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ流すように制御する。
まず、制御手段５は、第１のライン４１と第２のバイパスライン８２との間の分岐弁を制御し、被処理流体が、第１のライン４１を流れるようにする。そして、第２のポンプ６２によって、被処理流体が第２のタンク３から第１のタンク２へ向かって流される。
第１のライン４１を流れる被処理流体は、第２の熱交換器７２によって加熱され、並列に配置された複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に流れる。この際、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４に流入する。
次に、制御手段５は、第１のライン４１と第１のバイパス管８１との間の分岐弁を制御し、被処理流体が、第１のバイパス管８１を流れるようにする。そして、第１のバイパス管８１を通過した被処理流体は、第１のタンク２に流れることになる。
その後、第２のタンク３内の全ての被処理流体が第１のタンク２に流れた後、制御手段５は、第１のタンク２の第１のエタノール濃度計２ａによって測定された濃度を受信する。そして、制御手段５は、第１のエタノール濃度計２ａによって測定された濃度が所定の濃度に達しているかを検知する。濃度が所定の濃度に達してない場合には、制御手段５は、再び、被処理流体を第１のタンク２から第２のタンク３へ流すように制御する。
以上のような動作を、被処理流体が所定の濃度に達するまで繰り返し行う。そして、最終的に所定の濃度に達した被処理流体は、製品エタノールとして第２のタンク３から回収される。
【００４１】
図２は、本発明の第１実施形態に係る脱水装置１を用いて粗エタノール水溶液の脱水を行った場合のエタノール濃度の推移を試算した図である。
図２の横軸の「段数」は、被処理流体を複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に通した回数に対応している。例えば、段数１とは、本実施形態では、被処理流体が第１のタンク２から第２のタンク３へ１回流れた時点を示し、段数２とは、被処理流体が第２のタンク３で折り返して再び第１のタンク２まで流れた時点を示している。
図２に示すように、本実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０を通過するごとにエタノール濃度が上昇し、製品エタノールの所定の濃度に近づいていくことがわかる。
【００４２】
本発明の第１実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、第１のライン４１上において並列に配設されているので、水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０で不具合が生じた場合、脱水装置１全体を停止せずに、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０のみをメンテナンス及び交換を行うことができる。したがって、脱水装置１の安定運転が可能となる。
【００４３】
また、例えば、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０を並列に配置した構成では、従来の直列に配置した構成で使用されているポンプをそのまま使用すると、被処理流体の流速が低下し、水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０における水の分離性能が低下する可能性がある。また、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０を並列に配置した構成において第１のポンプ６１や第２のポンプ６２の容量を大きくして被処理流体の流速を上げたとしても、従来の直列に配置した構成に比べて、被処理流体が膜容器に接触する時間が小さくなるため、被処理流体を所定の濃度まで確実に脱水できない可能性もある。
本発明の第１実施形態に係る脱水装置１は、このような問題を解決するものであり、被処理流体を第１のタンク２と第２のタンク３との間で往復させて、被処理流体を水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に繰り返し通過させることによって、被処理流体を所定の濃度まで確実に脱水することができる。
【００４４】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態に係る脱水装置１を、図面を参照しながら説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る脱水装置の全体を示した模式図である。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の部分については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００４５】
この第２実施形態においては、図３に示すように、脱水装置１は、被処理流体を第１のタンク２から第２のタンク３へ流すための第１のライン４１と、被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ流すための第２のライン４２とを備えている。
【００４６】
図３に示すように、第１のライン４１は、第１のタンク２の近傍の位置に配置された第１のポンプ６１を備え、第２のライン４２は、第２のタンク３の近傍の位置に配置された第２のポンプ６２を備えている。
第１のポンプ６１及び第２のポンプ６２は、制御手段５に接続されている。第１のポンプ６１は、制御手段５の制御に基づいて第１のタンク２内の被処理流体を第２のタンク３に向かって流すようになっている。第２のポンプ６２もまた、制御手段５の制御に基づいて第２のタンク３内の被処理流体を第１のタンク２に向かって流すようになっている。
【００４７】
図３に示すように、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、第１のライン４１上において並列に配設されている。また、第１のライン４１には、第１のポンプ６１と複数の水分離膜ユニッ１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０との間に第１の熱交換器７１が配設されている。
一方、本実施形態において、第２のライン４２は、水分離膜ユニットや熱交換器を配設しておらず、第２のライン４２は、被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ戻す専用のラインとなっている。
【００４８】
なお、図３において図示を省略しているが、上述の第１実施形態と同様に、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、膜容器の不具合を検出するための検出器を備えている。
検出器は、制御手段５に接続されており、検出器の検出信号は、制御手段５に送信されるようになっている。制御手段５は、膜容器に不具合が生じたことを示す検出信号を受信すると、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に対応する第１の開閉弁２０１，２０２，２０３，２０４，・・・，２１０及び第２の開閉弁３０１，３０２，３０３，３０４，・・・，３１０の両方を閉めるように制御する。このような構成により、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０だけをメンテナンス及び交換することが可能となる。
【００４９】
次に、本実施形態に係る脱水装置１の動作を、図面を参照しながら説明する。
【００５０】
図３に示すように、まず、第１のタンク２には、被処理流体（粗エタノール水溶液）が供給される。この被処理流体の供給は、間欠的に行われ、第１のタンク２が満量になった時点で一旦終了する。
その後、第１のポンプ６１によって、被処理流体が第１のタンク２から第２のタンク３へ向かって流される。
第１のライン４１を流れる被処理流体は、第１の熱交換器７１によって加熱され、並列に配置された複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に流れる。この際、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４に流入する。
そして、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０を通過した被処理流体は、第２のタンク３に流れることになる。
【００５１】
第１のタンク２内の被処理流体が、全て第２のタンク３に流れた後、制御手段５は、第２のタンク３の第２のエタノール濃度計３ａによって測定された濃度を受信する。
そして、第２のエタノール濃度計３ａによって測定された濃度が所定の濃度に達していない場合には、制御手段５は、第２のポンプ６２を制御する。これにより、被処理流体は、第２のライン４２を通って第２のタンク３から第１のタンク２へ向かって流れることになる。
その後、第２のタンク３内の全ての被処理流体が第１のタンク２に流れた後、制御手段５は、再び、被処理流体を第１のタンク２から第２のタンク３へ流すように制御する。
以上のような動作を、被処理流体が所定の濃度に達するまで繰り返し行う。そして、最終的に所定の濃度に達した被処理流体は、製品エタノールとして第２のタンク３から回収される。
【００５２】
本発明の第２実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、第１のライン４１上において並列に配設されているので、水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０で不具合が生じた場合、脱水装置１全体を停止せずに、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０のみをメンテナンス及び交換を行うことができる。したがって、脱水装置１の安定運転が可能となる。
【００５３】
また、本発明の第２実施形態に係る脱水装置１によれば、被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ戻すための第２のライン４２を備えているので、被処理流体を水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に繰り返し通過させることによって、被処理流体を所定の濃度まで確実に脱水することができる。
また、本発明の第２実施形態に係る脱水装置１によれば、第１のライン４１と第２のライン４２の２つのラインを設けることで被処理流体の流れが一方向となるので、装置の構成をより簡略化することができる。また、第１のタンク２の被処理流体が流れ終わる前に、第２のライン４２を用いて被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ向かって流せるので、１つのラインだけで被処理流体を往復させる構成に比べて第２のタンク３の容量を小さくすることができる。
【００５４】
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態に係る脱水装置１を、図面を参照しながら説明する。図４は、本発明の第３実施形態に係る脱水装置１の全体を示した模式図である。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の部分については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００５５】
この第３実施形態においては、図４に示すように、脱水装置１は、被処理流体を第１のタンク２から第２のタンク３へ流すための第１のライン４１と、被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ流すための第２のライン４２とを備えている。
【００５６】
図４に示すように、第１のライン４１は、第１のタンク２の近傍の位置に配置された第１のポンプ６１を備え、第２のライン４２は、第２のタンク３の近傍の位置に配置された第２のポンプ６２を備えている。
第１のポンプ６１及び第２のポンプ６２は、制御手段５に接続されている。第１のポンプ６１は、制御手段５の制御に基づいて第１のタンク２内の被処理流体を第２のタンク３に向かって流すようになっている。第２のポンプ６２もまた、制御手段５の制御に基づいて第２のタンク３内の被処理流体を第１のタンク２に向かって流すようになっている。
【００５７】
図４に示すように、本実施形態においては、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０が、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５と、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０とに分割されている。そして、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５が、第１のライン４１において並列に配設され、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０が、第２のライン４２において並列に配設されている。
【００５８】
図４に示すように、第１のライン４１には、第１のポンプ６１と第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５との間に第１の熱交換器７１が配設されている。一方、第２のライン４２には、第２のポンプ６２と第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０との間に第２の熱交換器７２が配設されている。
【００５９】
なお、図４において図示を省略しているが、上述の第１実施形態と同様に、各水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０は、膜容器の不具合を検出するための検出器を備えている。
検出器は、制御手段５に接続されており、検出器の検出信号は、制御手段５に送信されるようになっている。制御手段５は、膜容器に不具合が生じたことを示す検出信号を受信すると、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に対応する第１の開閉弁２０１，２０２，２０３，２０４，・・・，２１０及び第２の開閉弁３０１，３０２，３０３，３０４，・・・，３１０の両方を閉めるように制御する。このような構成により、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０だけをメンテナンス及び交換することが可能となる。
【００６０】
次に、本実施形態に係る脱水装置１の動作を、図面を参照しながら説明する。
【００６１】
図４に示すように、まず、第１のタンク２には、被処理流体（粗エタノール水溶液）が供給される。この被処理流体の供給は、間欠的に行われ、第１のタンク２が満量になった時点で一旦終了する。
その後、第１のポンプ６１によって、被処理流体が第１のタンク２から第２のタンク３へ向かって流される。
第１のライン４１を流れる被処理流体は、第１の熱交換器７１によって加熱され、並列に配置された第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５に流れる。この際、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４に流入する。
そして、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５を通過した被処理流体は、第２のタンク３に流れることになる。
【００６２】
第１のタンク２内の全ての被処理流体が第２のタンク３に流れた後、制御手段５は、第２のタンク３の第２のエタノール濃度計３ａによって測定された濃度を受信する。
そして、第２のエタノール濃度計３ａによって測定された濃度が所定の濃度に達していない場合には、制御手段５は、第２のポンプ６２を制御する。これにより、被処理流体は、第２のライン４２を通って第２のタンク３から第１のタンク２へ向かって流れることになる。
第２のライン４２を流れる被処理流体は、第２の熱交換器７２によって加熱され、並列に配置された第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０に流れる。この際、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４に流入する。
そして、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０を通過した被処理流体は、第１のタンク２に流れることになる。
以上のような動作を、被処理流体が所定の濃度に達するまで繰り返し行う。そして、最終的に所定の濃度に達した被処理流体は、製品エタノールとして第２のタンク３から回収される。
【００６３】
本発明の第３実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０が、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５と、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０とに分割され、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５が、第１のライン４１において並列に配設され、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０が、第２のライン４２において並列に配設されているので、水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０で不具合が生じた場合、脱水装置１全体を停止せずに、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０のみをメンテナンス及び交換を行うことができる。したがって、脱水装置１の安定運転が可能となる。
【００６４】
また、本発明の第２実施形態に係る脱水装置１によれば、被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ戻すための第２のライン４２を備えているので、被処理流体を水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０に繰り返し通過させることによって、被処理流体を所定の濃度まで確実に脱水することができる。
また、本発明の第２実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１１０を２つのユニット群に分割しているので、被処理流体の流速の低下が抑制され、膜容器において水の分離性能の低下を抑えることができる。
【００６５】
［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態に係る脱水装置１を、図面を参照しながら説明する。図５は、本発明の第４実施形態に係る脱水装置１の全体を示した模式図である。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の部分については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００６６】
この第４実施形態においては、図５に示すように、脱水装置１は、第１のタンク２と第２のタンク３との間に配置された中間タンク９を備えている。中間タンク９は、被処理流体を第１のタンク２から第２のタンク３へ流すための第１のライン４１と、被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ流すための第２のライン４２との両方に接続されている。
図５に示すように、第１のライン４１は、被処理流体を第１のタンク２から中間タンク９へ流すための上流側流体ライン４１Ａと、被処理流体を中間タンク９から第２のタンク３へ流すための下流側流体ライン４１Ｂとから構成されている。
また、第２のライン４２は、被処理流体を第２のタンク３から中間タンク９へ流すための上流側流体ライン４２Ａと、被処理流体を中間タンク９から第１のタンク２へ流すための下流側流体ライン４２Ｂとから構成されている。
なお、図５には、１つの中間タンク９を設置した実施形態が示されているが、中間タンクを２つ以上設置してもよい。中間タンクを２つ以上設置した場合には、それぞれの中間タンクの間に水分離膜ユニットを並列に設置できる。
【００６７】
図５に示すように、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａは、第１のタンク２の近傍の位置に配置された第１のポンプ６１を備え、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｂは、中間タンク９の近傍の位置に配置された第２のポンプ６２を備えている。
また、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａは、第２のタンク３の近傍の位置に配置された第３のポンプ６３を備え、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｂは、中間タンク９の近傍の位置に配置された第４のポンプ６４を備えている。
【００６８】
この第４実施形態においては、図５に示すように、脱水装置１は、２０個の水分離膜ユニット１０１，・・・，１２０を備えている。複数の水分離膜ユニット１０１，・・・，１２０は、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５と、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０と、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５と、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０とに分割されている。
【００６９】
図５に示すように、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５が、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａにおいて並列に配設され、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０が、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｂにおいて並列に配設されている。
また、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５が、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｂにおいて並列に配設され、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０が、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａにおいて並列に配設されている。
【００７０】
図５に示すように、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａには、第１のポンプ６１と第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５との間に第１の熱交換器７１が配設されている。また、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｂには、第２のポンプ６２と第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０との間に第２の熱交換器７２が配設されている。
また、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａには、第３のポンプ６３と第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０との間に第３の熱交換器７３が配設されている。また、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｂには、第４のポンプ６４と第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５との間に第４の熱交換器７４が配設されている。
【００７１】
図５に示すように、脱水装置１は、被処理流体から分離された水が流入する第３のタンク４Ａ及び第４のタンク４Ｂを備えている。
図５に示すように、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５及び第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５は、蒸気弁を介して第３のタンク４Ａに接続されており、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５及び第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４Ａに流入するようになっている。
また、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０及び第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０は、蒸気弁を介して第４のタンク４Ｂに接続されており、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０及び第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０において引き抜かれた水蒸気は、第４のタンク４Ｂに流入するようになっている。
【００７２】
この第４実施形態においては、図５に示すように、第２のライン４２は、バイパスライン１０を備えている。バイパスライン１０は、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａに分岐弁（図示せず）を介して連結されている。
図５に示すように、バイパスライン１０は、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａと第１のタンク２とを接続するものである。バイパスライン１０は、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５及び第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０の２つのユニット群を迂回して、第２のタンク３から流れた被処理流体を直接第１のタンク２へ流すようになっている。
なお、本実施形態では、中間タンクが１つであるため、バイパスライン１０を第２のライン４２上の２つのユニット群を迂回するように設けている。一方、中間タンクを複数設けた場合には、バイパスラインは、第２のライン４２上の１つ以上のユニット群を迂回して中間タンクに接続するように設けることができる。
【００７３】
なお、図５において図示を省略しているが、上述の第１実施形態と同様に、脱水装置１は、脱水装置１の全体の動作を制御するための制御手段を備えている。制御手段は、第１ないし第４のポンプ６１，６２，６３，６４と、第１の開閉弁２０１，・・・，２２０と、第２の開閉弁３０１，・・・，３２０とを制御するようになっている。
また、図示を省略しているが、各水分離膜ユニット１０１，・・・，１２０は、膜容器の不具合を検出するための検出器を備えており、検出器は、制御手段に接続されている。制御手段は、膜容器に不具合が生じたことを示す検出信号を受信すると、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，・・・，１２０に対応する第１の開閉弁２０１・・・，２２０及び第２の開閉弁３０１，・・・，３２０の両方を閉めるように制御する。このような構成により、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，・・・，１２０だけをメンテナンス及び交換することが可能となる。
【００７４】
次に、本実施形態に係る脱水装置１の動作を、図面を参照しながら説明する。
【００７５】
まず、第１のタンク２には、被処理流体（粗エタノール水溶液）が供給される。この被処理流体の供給は、連続的に行われる。
図５に示すように、その後、第１のポンプ６１によって、被処理流体が第１のタンク２から中間タンク９に向かって流される。
第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａを流れる被処理流体は、第１の熱交換器７１によって加熱され、並列に配置された第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５に流れる。この際、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４Ａに流入する。
そして、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５を通過した被処理流体は、中間タンク９に流れることになる。
【００７６】
次に、第２のポンプ６２によって、被処理流体が中間タンク９から第２のタンク３に向かって流される。
第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｂを流れる被処理流体は、第２の熱交換器７２によって加熱され、並列に配置された第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０に流れる。この際、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０において引き抜かれた水蒸気は、第４のタンク４Ｂに流入する。
そして、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０を通過した被処理流体は、第２のタンク３に流れることになる。
【００７７】
次に、制御手段は、第２のタンク３の第２のエタノール濃度計（図示せず）によって測定された濃度を受信する。そして、第２のエタノール濃度計によって測定された濃度が所定の濃度に達していない場合には、制御手段は、第３のポンプ６３を制御する。ここで、例えば、制御手段が、現在の濃度に基づいて各ユニット群を何回通過すれば所定の濃度に到達するかを判定する。現在の濃度に基づいて２つのユニット群（第３及び第４のユニット群１１１，・・・，１２０）を迂回してもよいと判定した場合、制御手段は、バイパスライン１０と第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａとの間の分岐弁を制御し、被処理流体が、バイパスライン１０を流れるようにする。そうでない場合は、制御手段は、被処理流体が第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａを流れるようにする。以下は、被処理流体が第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａを流れる場合の動作である。
第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａを流れる被処理流体は、第３の熱交換器７３によって加熱され、並列に配置された第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０に流れる。この際、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０において引き抜かれた水蒸気は、第４のタンク４Ｂに流入する。
そして、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０を通過した被処理流体は、中間タンク９に流れることになる。
【００７８】
次に、第４のポンプ６４によって、被処理流体が中間タンク９から第１のタンク２に向かって流される。
第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｂを流れる被処理流体は、第４の熱交換器７４によって加熱され、並列に配置された第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５に流れる。この際、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５において引き抜かれた水蒸気は、第３のタンク４Ａに流入する。
そして、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５を通過した被処理流体は、第１のタンク２に流れることになる。
以上のような動作を、被処理流体が所定の濃度に達するまで繰り返し行う。そして、最終的に所定の濃度に達した被処理流体は、製品エタノールとして第２のタンク３から回収される。
【００７９】
本発明の第４実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，・・・，１２０は、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５と、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０と、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５と、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０とに分割され、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５が、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａにおいて並列に配設され、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０が、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｂにおいて並列に配設され、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５が、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｂにおいて並列に配設され、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０が、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａにおいて並列に配設されているので、水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１２０で不具合が生じた場合、脱水装置１全体を停止せずに、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１２０のみをメンテナンス及び交換を行うことができる。したがって、脱水装置１の安定運転が可能となる。
【００８０】
また、本発明の第４実施形態に係る脱水装置１によれば、第２のライン４２は、バイパスライン１０を備え、バイパスライン１０は、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５及び第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０の２つのユニット群を迂回して、第２のタンク３から流れた被処理流体を直接第１のタンク２へ流すようになっているので、被処理流体を膜容器ユニットに通過させる回数を適宜変更することができ、被処理流体の濃度を細かく調整することができる。
【００８１】
また、本発明の第４実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，・・・，１２０を４つのユニット群に分割しているので、被処理流体の流速の低下が抑制され、膜容器において水の分離性能の低下を抑えることができる。
また、本発明の第４実施形態に係る脱水装置１によれば、脱水装置１は、第１のタンク２と第２のタンク３との間に配置された中間タンク９を備えている。これにより、被処理流体を中間タンク９でも貯留できるので、被処理流体を第１のタンク２に連続して供給して脱水装置１全体の運転を行うことができる。
本発明の第４実施形態に係る脱水装置１によれば、原料のエタノール水溶液を脱水装置１に連続的に供給し、製品エタノールを連続的に回収することができる。
【００８２】
［第５実施形態］
以下、本発明の第５実施形態に係る脱水装置１を、図面を参照しながら説明する。図６は、本発明の第５実施形態に係る脱水装置１の全体を示した模式図である。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の部分については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００８３】
この第５実施形態においては、図６に示すように、脱水装置１は、第１のタンク２と第２のタンク３との間に第１の中間タンク９Ａ及び第２の中間タンク９Ｂを備えている。第１の中間タンク９Ａ及び第２の中間タンク９Ｂは、被処理流体を第１のタンク２から第２のタンク３へ流すための第１のライン４１と、被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ流すための第２のライン４２との両方に接続されている。また、第１の中間タンク９Ａ及び第２の中間タンク９Ｂは、被処理流体のエタノール濃度を測定するためのエタノール濃度計（図示せず）を備えている。
【００８４】
図６に示すように、第１のライン４１は、被処理流体を第１のタンク２から第１の中間タンク９Ａへ流すための上流側流体ライン４１Ａと、被処理流体を第１の中間タンク９Ａから第２の中間タンク９Ｂへ流すための中間流体ライン４１Ｂと、被処理流体を第２の中間タンク９Ｂから第２のタンク３へ流すための下流側流体ライン４１Ｃとから構成されている。
【００８５】
また、第２のライン４２は、被処理流体を第２のタンク３から第２の中間タンク９Ｂへ流すための上流側流体ライン４２Ａと、被処理流体を第２の中間タンク９Ｂから第１の中間タンク９Ａへ流すための中間流体ライン４２Ｂと、被処理流体を第１の中間タンク９Ａから第１のタンク２へ流すための下流側流体ライン４２Ｃとから構成されている。
なお、図６には、２つの中間タンク（第１の中間タンク９Ａ及び第２の中間タンク９Ｂ）を設置した実施形態が示されているが、中間タンクを３つ以上設置してもよい。中間タンクを３つ以上設置した場合には、それぞれの中間タンクの間に水分離膜ユニットを並列に設置できる。
【００８６】
図６に示すように、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａは、第１のタンク２の近傍の位置に配置された第１のポンプ６１を備え、第１のライン４１の中間流体ライン４１Ｂは、第１の中間タンク９Ａの近傍の位置に配置された第２のポンプ６２を備え、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｃは、第２の中間タンク９Ｂの近傍の位置に配置された第２のポンプ６３を備えている。
【００８７】
また、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａは、第２のタンク３の近傍の位置に配置された第４のポンプ６４を備え、第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂは、第２の中間タンク９Ｂの近傍の位置に配置された第５のポンプ６５を備え、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｃは、第１の中間タンク９Ａの近傍の位置に配置された第６のポンプ６６を備えている。
【００８８】
この第５実施形態においては、図６に示すように、脱水装置１は、３０個の水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０を備えている。複数の水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０は、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５と、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０と、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５と、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０と、第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５と、第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０とに分割されている。
【００８９】
図６に示すように、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５が、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａにおいて並列に配設され、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０が、第１のライン４１の中間流体ライン４１Ｂにおいて並列に配設され、第３のユニット群１１１，１０７，・・・，１１５が、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｃにおいて並列に配設されている。
また、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０が、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｃにおいて並列に配設され、第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５が、第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂにおいて並列に配設され、第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０が、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａにおいて並列に配設されている。
【００９０】
図６に示すように、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａには、第１のポンプ６１と第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５との間に第１の熱交換器７１が配設されている。また、第１のライン４１の中間流体ライン４１Ｂには、第２のポンプ６２と第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０との間に第２の熱交換器７２が配設されている。また、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｃには、第３のポンプ６３と第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５との間に第３の熱交換器７３が配設されている。
また、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａには、第３のポンプ６３と第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０との間に第４の熱交換器７４が配設されている。また、第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂには、第５のポンプ６５と第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５との間に第５の熱交換器７５が配設されている。また、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｃには、第６のポンプ６６と第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０との間に第６の熱交換器７６が配設されている。
【００９１】
この第５実施形態においては、図６に示すように、第２のライン４２は、第１のバイパスライン１１と、第２のバイパスライン１２とを備えている。
第１のバイパスライン１１は、第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂに分岐弁（図示せず）を介して連結されている。図６に示すように、第１のバイパスライン１１は、第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂと第１のタンク２とを接続するものである。第１のバイパスライン１１は、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０及び第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５の２つのユニット群を迂回して、第２の中間タンク９Ｂから流れた被処理流体を直接第１のタンク２へ流すようになっている。
第２のバイパスライン１２は、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａに分岐弁（図示せず）を介して連結されている。図６に示すように、第２のバイパスライン１２は、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａと第１の中間タンク９Ａとを接続するものである。第２のバイパスライン１２は、第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５及び第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０の２つのユニット群を迂回して、第２のタンク３から流れた被処理流体を直接第１の中間タンク９Ａへ流すようになっている。
なお、本実施形態では、第１及び第２のバイパスライン１１，１２が、第２のライン４２上の２つのユニット群を迂回するようになっているが、中間タンクを複数設けた場合には、バイパスラインは、第２のライン４２上の１つ以上のユニット群を迂回して中間タンクに接続するように設けることができる。
【００９２】
さらに、図６において図示を省略しているが、上述の第４実施形態と同様に、脱水装置１は、被処理流体から分離された水が流入する複数のタンクを備えている。各水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０は、これら複数のタンクに接続されており、各水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０において引き抜かれた水蒸気は、これらのタンクに流入するようになっている。
【００９３】
さらに、図６において図示を省略しているが、上述の第１実施形態と同様に、脱水装置１は、脱水装置１の全体の動作を制御するための制御手段を備えている。制御手段は、第１ないし第６のポンプ６１，６２，６３，６４，６５，６６と、第１の開閉弁２０１，・・・，２３０と、第２の開閉弁３０１，・・・，３３０とを制御するようになっている。
また、図示を省略しているが、各水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０は、膜容器の不具合を検出するための検出器を備えており、検出器は、制御手段に接続されている。制御手段は、膜容器に不具合が生じたことを示す検出信号を受信すると、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０に対応する第１の開閉弁２０１・・・，２３０及び第２の開閉弁３０１，・・・，３３０の両方を閉めるように制御する。このような構成により、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０だけをメンテナンス及び交換することが可能となる。
【００９４】
次に、本実施形態に係る脱水装置１の動作を、図面を参照しながら説明する。
【００９５】
まず、第１のタンク２には、被処理流体（粗エタノール水溶液）が供給される。この被処理流体の供給は、連続的に行われる。
図６に示すように、その後、第１のポンプ６１によって、被処理流体が第１のタンク２から第１の中間タンク９Ａに向かって流される。
第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａを流れる被処理流体は、第１の熱交換器７１によって加熱され、並列に配置された第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５に流れる。そして、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５を通過した被処理流体は、第１の中間タンク９Ａに流れることになる。
【００９６】
次に、第２のポンプ６２によって、被処理流体が第１の中間タンク９Ａから第２の中間タンク９Ｂに向かって流される。
第１のライン４１の中間流体ライン４１Ｂを流れる被処理流体は、第２の熱交換器７２によって加熱され、並列に配置された第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０に流れる。そして、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０を通過した被処理流体は第２の中間タンク９Ｂに流れることになる。
【００９７】
次に、第３のポンプ６３によって、被処理流体が第２の中間タンク９Ｂから第２のタンク３に向かって流される。
第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｃを流れる被処理流体は、第３の熱交換器７３によって加熱され、並列に配置された第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５に流れる。そして、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５を通過した被処理流体は第２のタンク３に流れることになる。
【００９８】
次に、制御手段は、第２のタンク３の第２のエタノール濃度計（図示せず）によって測定された濃度を受信する。そして、第２のエタノール濃度計によって測定された濃度が所定の濃度に達していない場合には、制御手段は、第４のポンプ６４を制御する。ここで、例えば、制御手段が、現在の濃度に基づいて各ユニット群を何回通過すれば所定の濃度に到達するかを判定する。現在の濃度に基づいて２つのユニット群（第５及び第６のユニット群１２１，・・・，１３０）を迂回してもよいと判定した場合、制御手段は、第２のバイパスライン１２と第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａとの間の分岐弁を制御し、被処理流体が、第２のバイパスライン１２を流れるようにする。そうでない場合は、制御手段は、被処理流体が第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａを流れるようにする。以下は、被処理流体が第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａを流れる場合の動作である。
第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａを流れる被処理流体は、第４の熱交換器７４によって加熱され、並列に配置された第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０に流れる。そして、第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０を通過した被処理流体は、第２の中間タンク９Ｂに流れることになる。
【００９９】
次に、制御手段は、第２の中間タンク９Ｂの第２のエタノール濃度計によって測定された濃度を受信し、その後、第５のポンプ６５を制御する。ここで、制御手段が、現在の濃度に基づいて各ユニット群を何回通過すれば所定の濃度に到達するかを判定する。現在の濃度に基づいて２つのユニット群（第４及び第５のユニット群１１６，・・・，１２５）を迂回してもよいと判定した場合、制御手段は、第１のバイパスライン１１と第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂとの間の分岐弁を制御し、被処理流体が、第１のバイパスライン１１を流れるようにする。そうでない場合は、制御手段は、被処理流体が第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂを流れるようにする。以下は、被処理流体が第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂを流れる場合の動作である。
第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂを流れる被処理流体は、第５の熱交換器７５によって加熱され、並列に配置された第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５に流れる。そして、第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５を通過した被処理流体は、第１の中間タンク９Ａに流れることになる。
【０１００】
次に、第６のポンプ６６によって、被処理流体が第１の中間タンク９Ａから第１のタンク２に向かって流される。
第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｃを流れる被処理流体は、第６の熱交換器７６によって加熱され、並列に配置された第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０に流れる。そして、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０を通過した被処理流体は、第１のタンク２に流れることになる。
以上のような動作を、被処理流体が所定の濃度に達するまで繰り返し行う。そして、最終的に所定の濃度に達した被処理流体は、製品エタノールとして第２のタンク３から回収される。
【０１０１】
本発明の第５実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０は、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５と、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０と、第３のユニット群１１１，１１２，・・・，１１５と、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０と、第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５と、第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０とに分割され、第１のユニット群１０１，１０２，・・・，１０５が、第１のライン４１の上流側流体ライン４１Ａにおいて並列に配設され、第２のユニット群１０６，１０７，・・・，１１０が、第１のライン４１の中間流体ライン４１Ｂにおいて並列に配設され、第３のユニット群１１１，１０７，・・・，１１５が、第１のライン４１の下流側流体ライン４１Ｃにおいて並列に配設され、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０が、第２のライン４２の下流側流体ライン４２Ｃにおいて並列に配設され、第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５が、第２のライン４２の中間流体ライン４２Ｂにおいて並列に配設され、第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０が、第２のライン４２の上流側流体ライン４２Ａにおいて並列に配設されているので、水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１３０で不具合が生じた場合、脱水装置１全体を停止せずに、不具合が生じた水分離膜ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，・・・，１３０のみをメンテナンス及び交換を行うことができる。したがって、脱水装置１の安定運転が可能となる。
【０１０２】
また、本発明の第５実施形態に係る脱水装置１によれば、第２のライン４２は、第１のバイパスライン１１と、第２のバイパスライン１２とを備え、第１のバイパスライン１１は、第４のユニット群１１６，１１７，・・・，１２０及び第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５の２つのユニット群を迂回して、第２の中間タンク４Ｂから流れた被処理流体を直接第１のタンク２へ流すようになっており、第２のバイパスライン１２は、第５のユニット群１２１，１２２，・・・，１２５及び第６のユニット群１２６，１２７，・・・，１３０の２つのユニット群を迂回して、第２のタンク３から流れた被処理流体を直接第１の中間タンク４Ａへ流すようになっているので、被処理流体を膜容器ユニットに通過させる回数を適宜変更することができ、被処理流体の濃度を細かく調整することができる。
【０１０３】
また、本発明の第５実施形態に係る脱水装置１によれば、複数の水分離膜ユニット１０１，・・・，１３０を６つのユニット群に分割しているので、被処理流体の流速の低下が抑制され、膜容器において水の分離性能の低下を抑えることができる。
また、本発明の第５実施形態に係る脱水装置１によれば、脱水装置１は、第１のタンク２と第２のタンク３との間に第１の中間タンク９Ａ及び第２の中間タンク９Ｂを備えている。これにより、被処理流体を第１の中間タンク９Ａ及び第２の中間タンク９Ｂでも貯留できるので、被処理流体を第１のタンク２に連続して供給して脱水装置１全体の運転を行うことができる。
本発明の第５実施形態に係る脱水装置１によれば、原料のエタノール水溶液を脱水装置１に連続的に供給し、製品エタノールを連続的に回収することができる。
【０１０４】
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。
【０１０５】
第１ないし第３実施形態では、１０個の水分離膜ユニットを使用し、第４実施形態では、２０個の水分離膜ユニットを使用し、第５実施形態では、３０個の水分離膜ユニットを使用しているが、この数に限定されず、水分離膜ユニットの数は被処理流体の流量などに合わせて適宜変更してよい。
【０１０６】
第４及び第５実施形態では、流体ラインごとに熱交換器を設置しているが、被処理流体の温度変化が小さい場合には、全ての流体ラインに熱交換器を設置する必要はない。
【０１０７】
第５実施形態では、第１のバイパスライン１１及び第２のバイパスライン１２は、水分離膜ユニットの２つのユニット群を迂回するように設けられているが、このようなバイパスラインだけに限定されず、３つのユニット群を迂回して被処理流体を第２のタンク３から第１のタンク２へ直接流すようなバイパスラインを設けてもよい。
【符号の説明】
【０１０８】
１ 脱水装置
２ 第１のタンク
３ 第２のタンク
２ａ，３ａ エタノール濃度計
４ 第３のタンク
５ 制御手段
９，９Ａ，９Ｂ 中間タンク
１０，１１，１２ バイパスライン
４１ 第１のライン
４２ 第２のライン
４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ 第１のラインの流体ライン（第１流体ライン）
４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ 第２のラインの流体ライン（第２流体ライン）
６１，６２，６３，６４，６５，６６ ポンプ
７１，７２，７３，７４，７５，７６ 熱交換器
８１，８２ バイパス管
１０１，・・・，１３０ 水分離膜ユニット（膜容器ユニット）
１０１ａ，・・・，１１０ａ 検出器
２０１，・・・，２３０ 第１の開閉弁
３０１，・・・，３３０ 第２の開閉弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理流体から水を分離する脱水装置であって、
水を分離する前の前記被処理流体を貯留する第１のタンクと、
水を分離した後の前記被処理流体が流入する第２のタンクと、
前記被処理流体から水を分離するための分離膜を有し、前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間において前記被処理流体の流れ方向に沿って並列に配設された複数の膜容器ユニットとを備え、
前記被処理流体が、前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間を往復するように構成され、前記被処理流体が、前記複数の膜容器ユニットを複数回通過するようになっていることを特徴とする脱水装置。
【請求項２】
前記被処理流体を前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間で往復させる第１のラインを備え、
前記複数の膜容器ユニットが、前記第１のラインにおいて並列に配設され、
前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記複数の膜容器ユニットを通って前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記第１のタンク内の前記被処理流体が空になった後に、前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記複数の膜容器ユニットを通って前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の脱水装置。
【請求項３】
前記被処理流体を前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流すための第１のラインと、
前記被処理流体を前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流すための第２のラインとを備え、
前記複数の膜容器ユニットが、前記第１のラインにおいて並列に配設され、
前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記複数の膜容器ユニットを通って前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記第１のタンク内の前記被処理流体が空になった後に、前記被処理流体が、前記第２のラインを通って前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の脱水装置。
【請求項４】
前記被処理流体を前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流すための第１のラインと、
前記被処理流体を前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流すための第２のラインとを備え、
前記複数の膜容器ユニットが、前記第１のラインにおいて並列に配設された第１のユニット群と、前記第２のラインにおいて並列に配設された第２のユニット群とに分割され、
前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記第１のユニット群を通って前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記第１のタンク内の前記被処理流体が空になった後に、前記被処理流体が、前記第２のライン上の前記第２のユニット群を通って前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の脱水装置。
【請求項５】
前記被処理流体を前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流すための第１のラインと、
前記被処理流体を前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流すための第２のラインと、
前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間に配置され、前記第１のラインと前記第２のラインとの両方に接続された少なくとも１つの中間タンクとを備え、
前記第１のラインが、前記中間タンクを間に挟むように複数の第１流体ラインに分割されるとともに、前記第２のラインが、前記中間タンクを間に挟むように複数の第２流体ラインに分割され、
前記複数の膜容器ユニットが、前記第１流体ライン及び前記第２流体ラインの総数と同じ数のユニット群に分割され、前記複数の膜容器ユニットの各ユニット群は、前記第１及び第２流体ラインのそれぞれにおいて並列に配設され、
前記被処理流体が、前記第１のライン上の各ユニット群と前記中間タンクとを順次通過して前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記被処理流体が、前記第２のライン上の各ユニット群と前記中間タンクとを順次通過して前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっており、
前記第２のラインは、少なくとも１つのバイパスラインを備え、該バイパスラインは、前記第２のライン上のユニット群のうち１つ以上のユニット群を迂回して前記被処理流体を前記中間タンク又は前記第１のタンクへ戻すようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１】
被処理流体から水を分離する脱水装置であって、
水を分離する前の前記被処理流体を貯留する第１のタンクと、
水を分離した後の前記被処理流体が流入する第２のタンクと、
前記被処理流体から水を分離するための分離膜を有し、前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間において前記被処理流体の流れ方向に沿って並列に配設された複数の膜容器ユニットとを備え、
前記被処理流体が、前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間を往復するように構成され、前記被処理流体が、前記複数の膜容器ユニットを複数回通過するようになっていることを特徴とする脱水装置。
【請求項２】
前記被処理流体を前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間で往復させる第１のラインを備え、
前記複数の膜容器ユニットが、前記第１のラインにおいて並列に配設され、
前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記複数の膜容器ユニットを通って前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記第１のタンク内の前記被処理流体が空になった後に、前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記複数の膜容器ユニットを通って前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の脱水装置。
【請求項３】
前記被処理流体を前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流すための第１のラインと、
前記被処理流体を前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流すための第２のラインとを備え、
前記複数の膜容器ユニットが、前記第１のラインにおいて並列に配設され、
前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記複数の膜容器ユニットを通って前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記第１のタンク内の前記被処理流体が空になった後に、前記被処理流体が、前記第２のラインを通って前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の脱水装置。
【請求項４】
前記被処理流体を前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流すための第１のラインと、
前記被処理流体を前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流すための第２のラインとを備え、
前記複数の膜容器ユニットが、前記第１のラインにおいて並列に配設された第１のユニット群と、前記第２のラインにおいて並列に配設された第２のユニット群とに分割され、
前記被処理流体が、前記第１のライン上の前記第１のユニット群を通って前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記第１のタンク内の前記被処理流体が空になった後に、前記被処理流体が、前記第２のライン上の前記第２のユニット群を通って前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の脱水装置。
【請求項５】
前記被処理流体を前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流すための第１のラインと、
前記被処理流体を前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流すための第２のラインと、
前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間に配置され、前記第１のラインと前記第２のラインとの両方に接続された少なくとも１つの中間タンクとを備え、
前記第１のラインが、前記中間タンクを間に挟むように複数の第１流体ラインに分割されるとともに、前記第２のラインが、前記中間タンクを間に挟むように複数の第２流体ラインに分割され、
前記複数の膜容器ユニットが、前記第１流体ライン及び前記第２流体ラインの総数と同じ数のユニット群に分割され、前記複数の膜容器ユニットの各ユニット群は、前記第１及び第２流体ラインのそれぞれにおいて並列に配設され、
前記被処理流体が、前記第１のライン上の各ユニット群と前記中間タンクとを順次通過して前記第１のタンクから前記第２のタンクへ流れ、前記被処理流体が、前記第２のライン上の各ユニット群と前記中間タンクとを順次通過して前記第２のタンクから前記第１のタンクへ流れるようになっており、
前記第２のラインは、少なくとも１つのバイパスラインを備え、該バイパスラインは、前記第２のライン上のユニット群のうち１つ以上のユニット群を迂回して前記被処理流体を前記中間タンク又は前記第１のタンクへ戻すようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−５５８３３（Ｐ２０１２−５５８３３Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０１８６０（Ｐ２０１０−２０１８６０）
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【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２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【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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