膜分離装置及び膜分離方法
【課題】消費エネルギーを低減することが可能な膜分離装置及び膜分離方法を提供する。
【解決手段】成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘが供給され、分離膜を用いて流体Ｘを成分Ａの濃度が流体Ｘより高い流体Ｙと成分Ａの濃度が流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する膜分離器２０と、流体Ｙを断熱圧縮する第１の圧縮機２１と、第１の圧縮機２１によって断熱圧縮された流体Ｙが熱源として導入される第１の熱交換器１１と、流体Ｚが熱源として導入される第２の熱交換器１２と、を備えた膜分離装置１０であって、流体Ｘは、第１及び第２の供給ライン３１、３２とに分岐して運ばれ、分岐した流体Ｘがそれぞれ第１及び第２の熱交換器１１、１２によって加熱され、再度合流して膜分離器２０に供給される。
【解決手段】成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘが供給され、分離膜を用いて流体Ｘを成分Ａの濃度が流体Ｘより高い流体Ｙと成分Ａの濃度が流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する膜分離器２０と、流体Ｙを断熱圧縮する第１の圧縮機２１と、第１の圧縮機２１によって断熱圧縮された流体Ｙが熱源として導入される第１の熱交換器１１と、流体Ｚが熱源として導入される第２の熱交換器１２と、を備えた膜分離装置１０であって、流体Ｘは、第１及び第２の供給ライン３１、３２とに分岐して運ばれ、分岐した流体Ｘがそれぞれ第１及び第２の熱交換器１１、１２によって加熱され、再度合流して膜分離器２０に供給される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分離膜を用いて流体を分離する膜分離装置及び膜分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、単位操作部と、熱交換器と、単位操作部の出力側及び熱交換器の間に設けられた圧縮機とを有する加熱モジュールが記載されている。
単位操作部は、単位操作によって入力流体から生成される出力流体を出力する。出力された出力流体は、圧縮機によって圧縮される。入力流体は、熱交換器によって、圧縮後の出力流体と熱交換される。ここで、単位操作部の一例として、膜分離器が挙げられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３６０５６号公報（第９頁、図１（ｃ））
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、膜分離器は、分離膜を透過しない流体及び分離膜を透過する流体の２つの流体を出力する。
ところが、特許文献１に記載の技術においては、この単位操作部（膜分離器）の出力流体は１つのみであり、残りの流体についての言及がなされていない。
本発明は、膜分離器の不透過側と透過側からそれぞれ出る流体Ｙ、Ｚを利用して膜分離器に供給される流体Ｘを加熱し、装置全体の消費エネルギーを低減することが可能な膜分離装置及び膜分離方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的に沿う第１の発明に係る膜分離装置は、成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘが供給され、分離膜を用いて前記流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する膜分離器と、
前記膜分離器から出た前記流体Ｙを断熱圧縮する第１の圧縮機と、
前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記流体Ｙが熱源として導入される第１の熱交換器と、
前記流体Ｚが熱源として導入される第２の熱交換器と、を備えた膜分離装置であって、
前記流体Ｘは、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘがそれぞれ前記第１及び第２の熱交換器によって加熱され、再度合流して前記膜分離器に供給される。
【０００６】
第１の発明に係る膜分離装置において、前記膜分離器と前記第２の熱交換器との間に、前記膜分離器から出た前記流体Ｚを断熱圧縮する第２の圧縮機を更に備え、前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記流体Ｚを前記第２の熱交換器に導入することができる。
【０００７】
前記目的に沿う第２の発明に係る膜分離装置は、成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘが供給され、分離膜を用いて前記流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する膜分離器と、
前記膜分離器から出た前記流体Ｚを断熱圧縮する第２の圧縮機と、
前記膜分離器から出た前記流体Ｙが熱源として導入される第１の熱交換器と、
前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記流体Ｚが熱源として導入される第２の熱交換器と、を備えた膜分離装置であって、
前記流体Ｘは、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘがそれぞれ前記第１及び第２の熱交換器によって加熱され、該第１の供給ライン及び該第２の供給ラインが合流する合流点にて再度合流し、該合流点と前記膜分離器との間に設けられた第３の圧縮機によって断熱圧縮され、前記膜分離器に供給される。
【０００８】
第２の発明に係る膜分離装置において、前記膜分離器と前記第１の熱交換器との間に、膨張機を更に備えることができる。
【０００９】
第１及び第２の発明に係る膜分離装置において、前記第１の供給ラインを流れる前記流体Ｘの流量を調節する第１のバルブと、
前記第１のバルブを操作する制御装置とを更に備え、
前記第２の熱交換器により加熱された前記流体Ｘと、該第２の熱交換器に熱源として導入される前記流体Ｚとの温度差ΔＴ２が基準値ＴＳ２以上となった場合に、
前記制御装置が、前記温度差ΔＴ２と前記基準値ＴＳ２との差に基づいて、前記第１のバルブの開度を調節し、前記第２の熱交換器にて交換される熱量を制御することができる。
【００１０】
第１及び第２の発明に係る膜分離装置において、前記第２の供給ラインを流れる前記流体Ｘの流量を調節する第２のバルブを更に備え、
前記第１の熱交換器により加熱された前記流体Ｘと、該第１の熱交換器に熱源として導入される前記流体Ｙとの温度差ΔＴ１が基準値ＴＳ１以上となった場合に、
前記制御装置が、前記温度差ΔＴ１と前記基準値ＴＳ１との差に基づいて、前記第２のバルブの開度を調節し、前記第１の熱交換器にて交換される熱量を制御することができる。
【００１１】
第１及び第２の発明に係る膜分離装置において、前記基準値ＴＳ１、ＴＳ２は、それぞれ２〜５０℃であることが好ましい。
【００１２】
第１及び第２の発明に係る膜分離装置において、前記第２の圧縮機を駆動するインバータを更に備え、
前記インバータは、前記膜分離器から出た前記流体Ｚの圧力が予め決められた範囲に収まるように、前記第２の圧縮機の回転数を制御することができる。
【００１３】
第１及び第２の発明に係る膜分離装置において、前記第１の供給ライン及び前記第２の供給ラインが合流する合流点と前記膜分離器との間に、外部熱源により前記流体Ｘの温度を調整する第３の熱交換器を更に備えてもよい。
【００１４】
第２の発明に係る膜分離装置において、前記合流点と前記第３の圧縮機との間に、該第３の圧縮機によって圧縮された前記流体Ｘを熱源とし、該合流点にて合流した前記流体Ｘを加熱するスーパーヒータと、前記スーパーヒータによって加熱された該流体Ｘの温度を調整する冷却器とを更に備え、
前記第３の圧縮機に入る前記流体Ｘが、前記スーパーヒータによって加熱された後、前記冷却器によって温度調整されてもよい。
【００１５】
第２の発明に係る膜分離装置において、前記スーパーヒータの被加熱流体の入口側と前記被加熱流体を加熱する加熱流体の出口側とを接続することが可能なバイパスラインが設けられ、
該膜分離装置を立ち上げる際に、前記バイパスラインによって前記入口側と前記出口側とが接続され、空気又は不活性ガスが前記スーパーヒータ及び前記第３の圧縮機の間で循環することが好ましい。
【００１６】
第１の発明に係る膜分離装置において、前記膜分離器と前記第２の熱交換器との間に、外部蒸気を熱源とする加熱器を更に備え、前記流体Ｚが、前記加熱器によって昇温及び昇圧され、昇温及び昇圧された該流体Ｚを前記第２の熱交換器に導入することができる。
【００１７】
第１及び第２の発明に係る膜分離装置において、前記流体Ｙ、及び前記流体Ｚは、それぞれ気体であり、
前記分離膜は、ゼオライト膜又はポリイミド膜であることが好ましい。
【００１８】
第１及び第２の発明に係る膜分離装置において、前記成分Ａがエタノールであり、前記成分Ｂが水であることが好ましい。
【００１９】
前記目的に沿う第３の発明に係る膜分離方法は、膜分離器を用いて、成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する工程αと、
前記工程αにより分離された前記流体Ｙを昇温及び昇圧する工程βと、を含む膜分離方法であって、
前記流体Ｘが、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘが、それぞれ前記工程βにて昇温及び昇圧された前記流体Ｙ及び前記膜分離器から出た前記流体Ｚと熱交換して加熱され、再度合流して前記膜分離器に供給される。
【００２０】
第３の発明に係る膜分離方法において、前記膜分離器から出た前記流体Ｚを昇温及び昇圧する工程γを更に含み、前記第２の供給ラインに分岐された前記流体Ｘを昇温及び昇圧された前記流体Ｚと熱交換して加熱することができる。
【００２１】
前記目的に沿う第４の発明に係る膜分離方法は、膜分離器を用いて、成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する工程αと、
前記工程αにより分離された前記流体Ｙを膨張させる工程εと、
前記工程αにより分離された前記流体Ｚを昇温及び昇圧する工程γとを含む膜分離方法であって、
前記流体Ｘが、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘが、それぞれ前記工程εにて膨張した前記流体Ｙ及び前記工程γにて昇温及び昇圧された前記流体Ｚと熱交換して加熱され、再度合流して断熱圧縮され、前記膜分離器に供給される。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１及び請求項１に従属する請求項２、５〜９、１２〜１４記載の膜分離装置においては、並列に設けられた第１及び第２の熱交換器により、膜分離器から出た流体Ｙ、Ｚから熱が回収されるため、本発明の構成をとらない場合よりも消費エネルギーを低減することが可能である。
【００２３】
請求項３及び請求項３に従属する請求項４〜１１、１３、１４記載の膜分離装置においては、推進力が増加するので、必要な分離膜の面積を低減することが可能である。
【００２４】
請求項４記載の膜分離装置においては、膨張機を設けることにより、膜分離器から出た高圧の流体Ｙを低圧にする過程において、膨張エネルギーを動力として回収することが可能である。
【００２５】
請求項５〜７記載の膜分離装置においては、バルブを設けるだけで、熱交換器で交換される熱量を流体の温度に基づいて簡単に制御することが可能である。
【００２６】
請求項８記載の膜分離装置においては、膜分離器から出た流体Ｚの圧力が予め決められた範囲内に維持されるので、推進力を予め決められた範囲内に維持することが可能である。
【００２７】
請求項９記載の膜分離装置においては、第３の熱交換器が流体Ｘの供給条件の変動を抑制するため、膜分離装置を安定して運転することが可能である。
【００２８】
請求項１０、１１記載の膜分離装置においては、スーパーヒータにより流体Ｘが加熱されるので、流体Ｘが凝縮することがなく、第３の圧縮機の損傷を防止することが可能である。
【００２９】
請求項１２記載の膜分離装置においては、電動機動力を蒸気熱動力で賄うことが可能である。
【００３０】
請求項１５、１６記載の膜分離方法においては、分離された流体Ｙ、Ｚから熱が回収されるため本発明の方法をとらない場合よりも消費エネルギーを低減することが可能である。
【００３１】
請求項１７記載の膜分離方法においては、流体Ｙを膨張させる工程εを設けることにより、工程αを経た高圧の流体Ｙを低圧にする過程において、膨張エネルギーを動力として回収することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る膜分離装置の構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る膜分離装置の構成図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る膜分離装置の構成図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る膜分離装置の構成図である。
【図５】同膜分離装置が有する第３の圧縮機及びスーパーヒータの循環動作を示す説明図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態に係る膜分離装置の構成図である。
【図７】比較例に係る従来の膜分離装置の構成図である。
【図８】本発明の実施例１に係る膜分離装置の構成図である。
【図９】本発明の実施例２に係る膜分離装置の構成図である。
【図１０】本発明の実施例３に係る膜分離装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。但し、本発明の技術的範囲は、以下に説明する実施の形態によって限定されることはない。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る膜分離装置１０は、外部より供給されたエタノール（成分Ａの一例）と水（成分Ｂの一例）とが混合されたエタノール混合液をより濃度の高いエタノールと水に分離することができる。この膜分離装置１０は、第１の熱交換器１１と、第２の熱交換器１２と、第３の熱交換器１３と、膜分離器２０と、第１の圧縮機２１と、第２の圧縮機２２とを備えている。以下、膜分離器２０、第１の圧縮機２１、第１の熱交換器１１、第２の圧縮機２２、第２の熱交換器１２、及び第３の熱交換器１３の順に説明する。
【００３４】
膜分離器２０は、ベーパーパーミエーション（蒸気気化）法により、供給されたエタノール混合液の蒸気（以下、単に「エタノール混合蒸気」という。）を、よりエタノール濃度の高い蒸気（流体Ｙの一例、以下、単に「エタノール蒸気」という。）とよりエタノール濃度の低い蒸気（流体Ｚの一例、以下、単に「水蒸気」という。）とに分離することができる。例えば、膜分離器２０は、エタノール濃度８５．７ｗｔ％のエタノール混合蒸気を、エタノール濃度９９．５ｗｔ％のエタノール蒸気と、エタノール濃度１３．０ｗｔ％の水蒸気に分離することができる。
膜分離器２０は、分離膜がケーシングに収納された膜モジュールを複数備えている。この分離膜は、例えばゼオライト膜やポリイミド膜である。分離膜は、水を透過させ易く、エタノールを透過させ難い性質を有している。膜分離器２０は、この性質を利用するとともに、膜分離器２０の入口側と出口側の圧力差を推進力として、エタノール混合蒸気からエタノール蒸気と水蒸気とを分離することができる。
【００３５】
第１の圧縮機２１は、膜分離器２０から出たエタノール蒸気を断熱圧縮することができる。第１の圧縮機２１は、インバータ２５により回転速度が制御される。
【００３６】
第１の熱交換器１１は、ポンプ２７により供給されたエタノール混合液を加熱することができる。加熱されたエタノール混合液は、エタノール混合蒸気となる。第１の熱交換器１１は、第１の圧縮機２１により断熱圧縮されたエタノール蒸気を熱源としている。なお、エタノール混合蒸気及びエタノール混合液は、何れも流体Ｘの一例である。
【００３７】
第２の圧縮機２２は、膜分離器２０から出た水蒸気を断熱圧縮することができる。第２の圧縮機２２は、インバータ２６により回転速度が制御される。
【００３８】
第２の熱交換器１２は、ポンプ２７により供給されたエタノール混合液を加熱することができる。加熱されたエタノール混合液は、エタノール混合蒸気となる。第２の熱交換器１２は、第２の圧縮機２２により断熱圧縮された水蒸気を熱源としている。なお、第１及び第２の熱交換器１１、１２は別体として構成されているが、一体として構成することも可能である。
【００３９】
第３の熱交換器１３は、第１及び第２の熱交換器１１、１２により加熱されたエタノール混合蒸気の温度を調整することができる。第３の熱交換器１３は、図示しない蒸気ラインから供給される外部蒸気（外部熱源の一例）を熱源としている。
【００４０】
次に、膜分離装置１０の動作について説明する。
【００４１】
エタノール混合液は、ポンプ２７によって送出され、分岐点ａにて第１の供給ライン３１と第２の供給ライン３２とに分岐して運ばれる。第１の供給ライン３１によって運ばれたエタノール混合液は、第１の熱交換器１１によって加熱される。第１の熱交換器１１によって加熱されたエタノール混合液は、エタノール混合蒸気となって、更に下流に運ばれる。
同様に、第２の供給ライン３２によって運ばれたエタノール混合液は、第２の熱交換器１２によって加熱される。第２の熱交換器１２によって加熱されたエタノール混合液も、エタノール混合蒸気となって、更に下流に運ばれる。
第１の供給ライン３１及び第２の供給ライン３２によってそれぞれ運ばれるエタノール混合蒸気は、合流点ｂにて再度合流する。合流したエタノール混合蒸気は、第３の熱交換器１３によって温度調整され、膜分離器２０に供給される。ここで、第３の熱交換器１３は、エタノール混合蒸気の温度等の供給条件が変動した場合に、この変動を抑制するように作用する。例えば、エタノール混合液の流量が変動し、第１及び第２の熱交換器１１、１２から出たエタノール混合蒸気の温度が予め設定された温度よりも低下した場合に、第３の熱交換器１３はエタノール混合液の温度を上げるように熱交換量を増加させる。このように、供給されるエタノール混合液の流量が変動する場合であっても、第３の熱交換器１３によって膜分離装置１０を安定して運転させることが可能となる。また、膜分離装置１０の立ち上げの際には、第１及び第２の熱交換器１１、１２によって、エタノール混合液が充分に加熱されないため、第３の熱交換器１３は、その加熱不足分を補うことができ、膜分離装置１０を安定して運転することができる。
膜分離器２０に供給されたエタノール混合蒸気は、分離膜によって、エタノール蒸気と水蒸気とに分離される。
【００４２】
膜分離器２０から出たエタノール蒸気は、不透過側ライン３５によって運ばれ、第１の圧縮機２１によって断熱圧縮される。ここで、第１の圧縮機２１は、前述のようにインバータ２５により駆動される。このインバータ２５は、膜分離器２０から出たエタノール蒸気の圧力を計測する圧力センサ３６の出力値に基づいて動作する。詳細には、インバータ２５は、圧力センサ３６の出力値がフィードバックされ、エタノール蒸気の圧力が予め決められた範囲内に収まるように、第１の圧縮機２１の回転数を制御する。これにより不透過側ライン３５の圧力が予め決められた範囲内に維持される。
【００４３】
第１の圧縮機２１によって断熱圧縮されたエタノール蒸気は、昇温及び昇圧され、第１の熱交換器１１に入り、第１の供給ライン３１を流れるエタノール混合液と熱交換される。第１の熱交換器１１にてエタノール蒸気は凝縮され、濃縮されたエタノール液となる。
【００４４】
一方、膜分離器２０から出た水蒸気は、透過側ライン３７によって運ばれ、第２の圧縮機２２によって断熱圧縮される。ここで、第２の圧縮機２２は、前述のようにインバータ２６により駆動される。このインバータ２６は、膜分離器２０から出た水蒸気の圧力を計測する圧力センサ３８の出力値に基づいて動作する。詳細には、インバータ２６は、圧力センサ３８の出力値がフィードバックされ、水蒸気の圧力が予め決められた範囲内となるように、第２の圧縮機２２の回転数を制御する。これにより透過側ライン３７の圧力が予め決められた範囲内に維持される。その結果、膜分離のための推進力が予め決められた範囲内に維持される。
【００４５】
第２の圧縮機２２によって断熱圧縮された水蒸気は、昇温及び昇圧され、第２の熱交換器１２に入り、第２の供給ライン３２を流れるエタノール混合液と熱交換される。
【００４６】
このように、並列に設けられた第１及び第２の熱交換器１１、１２により、エタノール混合液と膜分離器２０を出て圧縮されたエタノール蒸気及び水蒸気とが効率的に熱交換されるので、従来よりも膜分離装置１０の消費エネルギーが低減される。なお、第１及び第２の熱交換器１１、１２を直列に設けて膜分離装置を構成することも可能であるが、第１及び第２の熱交換器１１、１２を並列に設ける場合よりも熱交換の効率が低下する。そのため、第１及び第２の熱交換器１１、１２を並列に設けた本実施の形態の方が好ましい。
【００４７】
続いて、本発明の第２の実施の形態に係る膜分離装置４０について説明する。第１の実施の形態に係る膜分離装置１０と同一の構成要素については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４８】
図２に示すように、本実施の形態に係る膜分離装置４０は、膜分離装置１０と比較すると、第３の圧縮機４３を更に備えるとともに、第１の圧縮機２１（並びに第１の圧縮機２１に付随する圧力センサ３６及びインバータ２５）に代えて膨張機４４を備えている。ただし、膨張機４４は必須ではない。即ち、本実施の形態に係る膜分離装置４０は、第１の実施の形態に係る膜分離装置１０から第１の圧縮機２１（並びに第１の圧縮機２１に付随する圧力センサ３６及びインバータ２５）を取り外し、膜分離装置１０に第３の圧縮機４３を加えたものとすることもできる。
第３の圧縮機４３は、合流点ｂと膜分離器２０の間であって、第３の熱交換器１３の下流側に設けられている。第３の圧縮機４３は、第３の熱交換器１３から出たエタノール混合蒸気を断熱圧縮することができる。第３の圧縮機４３から出たエタノール混合蒸気は、膜分離器２０に導入される。
膨張機４４は、膜分離器２０から出た高圧のエタノール蒸気を低圧にする過程において、膨張エネルギーを動力として回収することができる。
【００４９】
次に、膜分離装置４０の動作について説明する。
エタノール混合液は、ポンプ２７によって送出され、分岐点ａにて第１の供給ライン３１と第２の供給ライン３２とに分岐して運ばれる。第１の供給ライン３１によって運ばれたエタノール混合液は、第１の熱交換器１１によって加熱される。第１の熱交換器１１によって加熱されたエタノール混合液は、エタノール混合蒸気となって、更に下流に運ばれる。
同様に、第２の供給ライン３２によって運ばれたエタノール混合液は、第２の熱交換器１２によって加熱される。第２の熱交換器１２によって加熱されたエタノール混合液も、エタノール混合蒸気となって、更に下流に運ばれる。
第１の供給ライン３１及び第２の供給ライン３２によってそれぞれ運ばれるエタノール混合蒸気は、合流点ｂにて再度合流する。合流したエタノール混合蒸気は、第３の熱交換器１３によって温度調整され、第３の圧縮機４３によって断熱圧縮される。断熱圧縮されたエタノール混合蒸気は昇温及び昇圧され、膜分離器２０に供給される。
以降の動作は第１の実施の形態に係る膜分離装置１０と同様であるので、その説明は省略する。
【００５０】
このように、膜分離装置４０は、第１及び第２の熱交換器１１、１２と膜分離器２０との間に第３の圧縮機４３を備えているので、膜分離器２０の推進力が増加する。その結果、以下に説明するように、必要な分離膜の面積を低減することができる。
【００５１】
一般に、膜分離器２０の１次側（入口）と２次側（不透過側出口）の圧力差を推進力（透過駆動力）とする単位膜面積あたりのガスの透過速度Ｊ［ｋｍｏｌ・ｍ／（ｓ・ｍ２）］は、次式で表される。
Ｊ ＝ Ｐ＊（ｐｈ − ｐｌ）／δ 式（１）
ここで、Ｐ：ガス透過係数［ｋｍｏｌ・ｍ／（ｓ・ｍ２・ｋＰａ）］、ｐｈ：１次側圧力（ｋＰａＡ）、ｐｌ：２次側圧力（ｋＰａＡ）、δ：膜の有効厚さ（ｍ）である。
従って、膜分離器２０に導入される前のエタノール混合蒸気を第３の圧縮機４３を用いて昇圧することにより、膜分離器の推進力（ｐｈ − ｐｌ）が大きくなり、透過速度Ｊが大きくなる。従って、透過速度Ｊが大きくなった分、必要な膜面積を低減することができる。
例えば、２次側圧力ｐｌを１３ｋＰａＡとし、１次側圧力ｐｈを１０１．３ｋＰａＡから５２０ｋＰａＡに昇圧した場合の膜透過速度ついて、式（１）に基づいて試算すると、以下の通りである。
Ｊ１ ＝ Ｐ＊（１０１．３ − １３）／δ 式（２）
Ｊ２ ＝ Ｐ＊（５２０ − １３）／δ 式（３）
Ｊ１／Ｊ２ ＝ ５．７ 式（４）
ここで、Ｊ1：１次側圧力ｐｈを１０１．３ｋＰａＡとした場合のガスの透過速度、Ｊ２：１次側圧力ｐｈを５２０ｋＰａＡとした場合のガスの透過速度である。
即ち、透過速度Ｊは５．７倍になるため、必要な分離膜面積を、５．７分の１に削減することができる。
なお、第３の圧縮機４３に代えて、外部蒸気等の熱媒体を用い、エタノール混合蒸気を昇温及び昇圧することも可能である。
【００５２】
続いて、本発明の第３の実施の形態に係る膜分離装置５０について説明する。第１及び第２の実施の形態に係る膜分離装置１０、４０と同一の構成要素については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。なお、本実施の形態においては、第２の実施の形態に係る膜分離装置４０を基礎として膜分離装置５０を構成したが、第１の実施の形態に係る膜分離装置１０を基礎として膜分離装置５０を構成することも可能である。更に、後述する第４の実施の形態に係る膜分離装置７０、或いは第５の実施の形態に係る膜分離装置８０を基礎として膜分離装置５０を構成することも可能である。
図３に示すように、第１の供給ライン３１には、第１のバルブ５１が設けられ、第１の供給ライン３１を流れるエタノール混合液の流量を増減することができる。なお、第１のバルブ５１は、第１の供給ライン３１上であれば、第１の熱交換器１１の後段に設けられていてもよい。
また、第２の供給ライン３２には、第２のバルブ５２が設けられ、第２の供給ライン３２を流れるエタノール混合液の流量を増減することができる。なお、第２のバルブ５２は、第２の供給ライン３２上であれば、第２の熱交換器１２の後段に設けられていてもよい。
【００５３】
更に、第１の供給ライン３１の第１の熱交換器１１の後段には、第１の温度センサ６１が設けられ、第１の熱交換器１１により加熱されたエタノール混合蒸気の温度Ｔ１を計測することができる。
第２の供給ライン３２の第２の熱交換器１２の後段には、第２の温度センサ６２が設けられ、第２の熱交換器１２により加熱されたエタノール混合蒸気の温度Ｔ２を計測することができる。
不透過側ライン３５の第１の熱交換器１１の入側と膨張機４４の出側との間には、第３の温度センサ６３が設けられ、第１の熱交換器１１に熱源として導入されるエタノール蒸気の温度Ｔ３を計測することができる。
透過側ライン３７の第２の熱交換器１２の入側と第２の圧縮機２２の出側との間には、第４の温度センサ６４が設けられ、第２の熱交換器１２に熱源として導入される水蒸気の温度Ｔ４を計測することができる。
制御装置（ＣＮＴ）６８は、第１〜４の温度センサ６１〜６４の計測値がそれぞれ入力され、これら計測値に基づいて第１及び第２のバルブ５１、５２の開度を調整することができる。
【００５４】
次に、この制御装置６８の動作について説明する。
制御装置６８は、第１の温度センサ６１と第３の温度センサ６３により計測された温度の差ΔＴ１（＝Ｔ３−Ｔ１）を監視している。また、制御装置６８は、第２の温度センサ６２と第４の温度センサ６４により計測された温度の差ΔＴ２（＝Ｔ４−Ｔ２）を監視している。
第１及び第２のバルブ５１、５２は、温度差ΔＴ１及び温度差ΔＴ２がそれぞれ予め設定された基準値ＴＳ１、ＴＳ２よりも小さい場合には、全開の状態である。この基準値ＴＳは、例えば、２〜５０℃とすることができ、好ましくは２〜３０℃、更に好ましくは２〜２０℃とすることができる。
【００５５】
ところが、何らかの要因により、温度差ΔＴ１が基準値ＴＳ１以上になった場合は、第２のバルブ５２の開度を小さくし、第２の供給ライン３２を流れるエタノール混合液の流量を絞る。そうすると、より多くのエタノール混合液が第１の供給ライン３１を流れるようになるため、第１の熱交換器１１にてより多くの熱交換がされる。
一方、温度差ΔＴ２が基準値ＴＳ２以上になった場合は、第１のバルブ５１の開度を小さくし、第１の供給ライン３１を流れるエタノール混合液の流量を絞る。そうすると、より多くのエタノール混合液が第２の供給ライン３２を流れるようになるため、第２の熱交換器１２にてより多くの熱交換がされる。
温度差ΔＴ１及び温度差ΔＴ２が、それぞれ基準値ＴＳ１、ＴＳ２以上となった場合には、それぞれの基準値ＴＳ１、ＴＳ２からの偏差ｄＴ１、ｄＴ２を求め、偏差ｄＴ１及び偏差ｄＴ２の大きさに基づいて、第１及び第２のバルブ５１、５２の開度を小さくして、エタノール混合液の流量を調整することができる。具体的には、偏差ｄＴ２が偏差ｄＴ１よりも大きい場合は、第１のバルブ５１の開度を小さくし、偏差ｄＴ２が偏差ｄＴ１以下となる場合は、第２のバルブ５２の開度を小さくして、エタノール混合液の流量を調整することができる。
【００５６】
このように、制御装置６８が、第１の熱交換器１１により加熱されたエタノール混合液と第１の熱交換器１１に熱源として導入されるエタノール蒸気との温度差ΔＴ１、及び第２の熱交換器１２により加熱されたエタノール混合液と第２の熱交換器１２に熱源として導入される水蒸気との温度差ΔＴ２に基づいて、第１及び第２のバルブ５１、５２の開度を調節することにより、第１及び第２の熱交換器１１、１２にて熱交換される供給エタノールの流量が調整される。その結果、第１及び第２の熱交換器１１、１２での熱交換量が制御され、エタノール蒸気及び水蒸気の熱エネルギーが有効に利用される。なお、制御装置６８は、例えばＰＩ制御により熱交換量を制御することができる。
【００５７】
続いて、本発明の第４の実施の形態に係る膜分離装置７０について説明する。第１及び第２の実施の形態に係る膜分離装置１０、４０と同一の構成要素については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。なお、本実施の形態においては、第２の実施の形態に係る膜分離装置４０を基礎として膜分離装置７０を構成したが、第１の実施の形態に係る膜分離装置１０を基礎として膜分離装置７０を構成することも可能である。
図４に示すように、膜分離装置７０は、第２の実施の形態に係る膜分離装置４０の第３の熱交換器１３に代えて、スーパーヒータ７１を備えている。また、エタノール混合蒸気の温度を調整するため、スーパーヒータ７１と第３の圧縮機４３との間に冷却器７４を備えている。
【００５８】
第１の供給ライン３１及び第２の供給ライン３２によってそれぞれ運ばれるエタノール混合蒸気は、合流点ｂにて再度合流する。合流したエタノール混合蒸気は、スーパーヒータ７１によって加熱され、冷却器７４によって温度が調整され、第３の圧縮機４３によって断熱圧縮される。断熱圧縮されたエタノール混合蒸気は、昇温及び昇圧され、スーパーヒータ７１の熱源となる。スーパーヒータ７１にて熱交換されたエタノール混合蒸気は、膜分離器２０に供給される。
以降の動作は第２の実施の形態に係る膜分離装置４０と同様であるので、その説明は省略する。
【００５９】
このように、第３の圧縮機４３によって断熱圧縮されるエタノール混合蒸気が事前にスーパーヒータ７１にて加熱されるので、第３の圧縮機４３の入口又はその内部にてエタノール混合蒸気が凝縮することがない。そのため、第３の圧縮機４３が機械的に損傷することを防止できる。更に、第３の圧縮機４３により昇温及び昇圧されたエタノール混合蒸気をスーパーヒータ７１の熱源として利用し、エタノール混合蒸気の熱エネルギーをスーパーヒータ７１にて自己循環させることにより、エネルギー損失を抑えることができる。
【００６０】
ここで、膜分離装置７０には、スーパーヒータ７１の被加熱流体（合流点ｂにて合流したエタノール混合蒸気）の入口側と被加熱流体を加熱する加熱流体（第３の圧縮機４３によって断熱圧縮されたエタノール混合蒸気）の出口側とを接続することが可能なバイパスライン７２が設けられている。
【００６１】
バイパスライン７２は、膜分離装置７０の立ち上げの際に使用される。
バイパスライン７２は、定常運転の際には、接続点ｅ、ｆにて、合流点ｂと膜分離器２０とを接続する第３の供給ライン７３から切り離されている。
しかし、バイパスライン７２は、装置立ち上げの際には、接続点ｅ、ｆにて第３の供給ライン７３に接続される。更に、接続点ｅ、ｆにて流体が流れる方向が切り替えられ、接続点ｆから出発してスーパーヒータ７１、冷却器７４、第３の圧縮機４３、スーパーヒータ７１、及び接続点ｅを経て再び接続点ｆへと戻る循環ラインが構成される（図５参照）。
循環ラインには、図示しないガス供給口から不活性ガスが充填される。
【００６２】
膜分離装置７０の運転開始から予め決められた時間Ｔが経過するまでは、第３の圧縮機４３を動作させて供給された不活性ガスを断熱圧縮する。不活性ガスは昇温及び昇圧され、スーパーヒータ７１の熱源となる。そして、スーパーヒータ７１は熱源となった不活性ガスを加熱し、加熱された不活性ガスは再び第３の圧縮機４３に入る。時間Ｔが経過した後は、バイパスライン７２が切り離され、スーパーヒータ７１の被加熱流体の入口側には、エタノール混合蒸気が流入する。
このように、バイパスライン７２を接続して循環ラインを構成し、第３の圧縮機４３を暖機運転することにより、膜分離装置７０の立ち上げの際に第３の圧縮機４３の内部の凝縮を防止することができる。その結果、第３の圧縮機４３の損傷を防止することができる。
【００６３】
なお、本実施の形態においては、第３の圧縮機４３に対してスーパーヒータ７１が設けられているが、第１の圧縮機２１に対して同様にスーパーヒータを設けることも可能である。また、不活性ガスに代えて、常温（１０℃〜４０℃）で凝縮しないガス（例えば、空気）としてもよい。また、合流点ｂと接続点ｆとの間に第３の熱交換器１３を設けてもよい。
【００６４】
続いて、本発明の第５の実施の形態に係る膜分離装置８０について説明する。第１の実施の形態に係る膜分離装置１０と同一の構成要素については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。なお、本実施の形態においては、第１の実施の形態に係る膜分離装置１０を基礎として膜分離装置８０を構成したが、第２の実施の形態に係る膜分離装置４０を基礎として膜分離装置８０を構成することも可能である。更に、第３の実施の形態で説明した流量制御を適用することも可能である。
【００６５】
図６に示すように、本実施の形態に係る膜分離装置８０は、膜分離装置１０と比較すると、第２の圧縮機２２を省略し、膜分離器２０から出た流体Ｚを断熱圧縮しないで第２の熱交換器１２に導入する構成である。この場合、第２の熱交換器１２の流体Ｚの出口側に真空ポンプ８１を設置し、膜透過の圧力が膜仕様に応じた圧力（一例として、１３ｋＰａＡ）となるようにする。更に、ポンプ２７により第２の熱交換器１２に供給するエタノール混合液の温度が、膜分離器２０から出た蒸気が凝縮する温度よりも低い温度であることが好ましい。一例として、膜分離器２０の透過蒸気の圧力が１３ｋＰａＡの場合、３４℃で凝縮するので、第２の熱交換器１２に供給するエタノール混合液の温度を３４℃未満（好ましくは２５℃）に設定する。このように、第２の熱交換器１２の流体Ｚの出口側に真空ポンプ８１を設置すると共に、エタノール混合液の温度を透過蒸気が凝縮する温度よりも低い温度に設定した構成とすれば、潜熱を利用した熱交換を行うことができ、更に第２の熱交換器１２において蒸気が凝縮して体積が大幅に減少するので新たに設置した真空ポンプ８１の動力を低く抑えることができる。また、凝縮することによって真空ポンプ８１に蒸気が直接導入されないので、真空ポンプ８１の故障等を防止することが可能である。
【００６６】
続いて、膜分離装置８０の動作について説明する。
分岐点ａにて分岐され、第１の供給ライン３１によって移送されるエタノール混合液は、第１の熱交換器１１によって加熱される。熱源は、第１の圧縮機２１によって断熱圧縮されたエタノール蒸気である。一方、第２の供給ライン３２によって移送されるエタノール混合液は、第２の熱交換器１２によって加熱される。熱源は、膜分離器２０から排出される透過蒸気である。前述したように、透過蒸気を凝縮させることによって、第２の熱交換器１２では顕熱と潜熱を利用した熱交換が行われ、不透過側のエタノールと比較して流量が少量となる透過蒸気からも効率的に熱回収が行われる。
【００６７】
第１及び第２の熱交換器１１、１２で加熱されたエタノール混合液は、合流点ｂで混合され、混合後の温度が所定の設定温度よりも低ければ第３の熱交換器１３によって加熱される。所定温度の加熱された供給エタノール蒸気は、膜仕様に応じた１次側圧力ｐｈとなっている。そして膜分離器２０に供給されたエタノール蒸気は、濃度が高められたエタノール蒸気と、膜を透過した透過蒸気とに分離されてそれぞれ排出される。エタノール蒸気は、第１の圧縮機２１によって断熱圧縮された後、第１の熱交換器１１に熱源として供給される。一方、透過蒸気は、第２の熱交換器１２に熱源として供給される。
【００６８】
上述のように構成された第５の実施の形態においても、他の実施の形態と同様に、装置全体の消費エネルギーを低減することが可能である。なお、他の実施の形態においては、第２の圧縮機２２を配置していることから必ずしもエタノール混合液の温度を２５℃に設定しなくともよく、例えば３５℃に設定することができる。すなわち、ポンプ２７により供給するエタノール混合液の温度は、限定されない。
【実施例】
【００６９】
続いて、実施例に基づいて、前述の第１、第４及び第５の実施の形態に係る膜分離装置１０、７０、８０の効果をより具体的に説明する。
【００７０】
従来の膜分離装置９０、第１の実施の形態に係る膜分離装置１０、第４の実施の形態に係る膜分離装置７０、及び第５の実施の形態に係る膜分離装置８０について、それぞれ比較例、実施例１、実施例２及び実施例３として、消費エネルギーをシミュレーションにより求めた。なお、各シミュレーションにおいては、１）膜分離装置に供給されるエタノール混合液、２）膜分離装置から出るエタノール蒸気、及び３）膜分離装置から出る水蒸気について、各流量及び各エタノール濃度の条件を同一とした。即ち、各シミュレーションにおいて、１）膜分離装置に供給されるエタノール混合液の流量は２４．２ｋｇ／ｈ、エタノール濃度は８５．７ｗｔ％とした。また、２）膜分離装置から出るエタノール蒸気の流量は２０．４ｋｇ／ｈ、エタノール濃度は９９．５ｗｔ％とした。また、３）膜分離装置から出る水蒸気の流量は３．８ｋｇ／ｈ、エタノール濃度は１３ｗｔ％とした。また、分離膜はゼオライト膜（膜面積２．４ｍ２）である。圧縮機及び膨張機の断熱効率は５０％とした。
【００７１】
（比較例）
図７に示すように、従来の一般的な膜分離装置９０においては、ポンプ９１によって送出されたエタノール混合液が加熱器９２によって加熱され、エタノール混合蒸気となって膜分離器９３に供給される。供給されたエタノール混合蒸気は、エタノール蒸気と水蒸気に分離される。膜分離器９３から出たエタノール蒸気は、膨張機９４にて膨張し、コンデンサ９５により冷却される。一方、膜分離器９３から出た水蒸気は、チラー９６により冷却され、真空ポンプ９７によって圧縮され、凝縮する。
この従来の膜分離装置９０においては、ポンプ９１及び加熱器９２によってエネルギーが消費される。なお、真空ポンプ９７による消費エネルギーは僅かであるため、無視する。また、膨張機９４によって、エネルギーが回収される。
膜分離装置９０に供給されたエタノール混合液、エタノール混合蒸気、エタノール蒸気、及び水蒸気の状態は、それぞれ図７に示す通りである。同図に示す条件の下では、各機器による消費エネルギー（蒸気換算）は以下のようにシミュレーションされた。
（１）ポンプ９１：０．０４４（ｋＷ）
（２）加熱器９２：８．３７×０．３６６（ｋＷ）
（３）膨張機９４：−０．２９７（ｋＷ）
従って、消費エネルギー（電力換算）の合計Ｅ１は、以下の通りである。
Ｅ１＝（０．０４４＋８．３７×０．３６６−０．２９７）
＝２．８１０（ｋＷ）
【００７２】
（実施例１）
第１の実施の形態に係る膜分離装置１０においては、ポンプ２７、第１の圧縮機２１、及び第２の圧縮機２２によって、エネルギーが消費される。
膜分離装置１０に供給されたエタノール混合液、エタノール混合蒸気、エタノール蒸気、及び水蒸気の状態は、それぞれ図８に示す通りである。同図に示す条件の下では、各機器による消費エネルギー（電力換算）は以下のようにシミュレーションされた。
（１）ポンプ２７：０．０４４（ｋＷ）
（２）第１の圧縮機２１：０．２２０（ｋＷ）
（３）第２の圧縮機２２：１．７１６（ｋＷ）
従って、消費エネルギーの合計Ｅ２は、以下の通りである。
Ｅ２＝０．０４４＋０．２２０＋１．７１６
＝１．９８０（ｋＷ）
本実施例と比較例とを比べると、本実施例の方が、消費エネルギーが大きく低減されることが分かる。
膜分離装置１０では、第１及び第２の圧縮機２１、２２を用いてそれぞれエタノール蒸気及び水蒸気を昇温及び昇圧させている。これにより凝縮点を上昇させ、これら蒸気が有する潜熱と顕熱を有効に利用している。
付言すると、膜分離装置１０では、従来の膜分離装置９０に必要であったチラー動力も不要となると考えられる。
【００７３】
（実施例２）
第４の実施の形態に係る膜分離装置７０（定常動作時）においては、ポンプ２７、膨張機４４、第２の圧縮機２２、及び第３の圧縮機４３によって、エネルギーが消費される。
膜分離装置７０に供給されたエタノール混合液、エタノール混合蒸気、エタノール蒸気、及び水蒸気の状態は、それぞれ図９に示す通りである。同図に示す条件の下では、各機器による消費エネルギー（電力換算）は以下のようにシミュレーションされた。
（１）ポンプ２７：０．０４４（ｋＷ）
（２）膨張機４４：−０．２２７（ｋＷ）
（３）第２の圧縮機２２：０．７９２（ｋＷ）
（４）第３の圧縮機４３：１．９４９（ｋＷ）
従って、消費エネルギーの合計Ｅ３は、以下の通りである。
Ｅ３＝０．０４４−０．２２７＋０．７９２＋１．９４９
＝２．５５８（ｋＷ）
本実施例と比較例とを比べると、本実施例のほうが、消費エネルギーが低いことが分かる。
【００７４】
（実施例３）
第５の実施の形態に係る膜分離装置８０においては、ポンプ２７、第１の圧縮機２１によって、エネルギーが消費される。既述した理由により真空ポンプ８１による消費エネルギーは僅かであるため、無視する。なお、本実施例では、エタノール混合液の温度を２５℃としたことに伴い、熱交換後のエタノール及び透過蒸気（凝縮水）の温度を３０℃にしている。
膜分離装置８０に供給されたエタノール混合液、エタノール混合蒸気、エタノール蒸気、及び水蒸気の状態は、それぞれ図１０に示す通りである。同図に示す条件の下では、各機器による消費エネルギー（電力換算）は以下のようにシミュレーションされた。
（１）ポンプ２７：０．０４４（ｋＷ）
（２）第１の圧縮機２１：０．３３１（ｋＷ）
従って、消費エネルギーの合計Ｅ４は、以下の通りである。
Ｅ４＝０．０４４＋０．３３１
＝０．３７５（ｋＷ）
本実施例と比較例とを比べると、本実施例のほうが、消費エネルギーが低いことが分かる。
【００７５】
なお、本発明は、前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能である。例えば、前述のそれぞれ実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて発明を構成する場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
ポンプ２７は、膜分離装置の一部として設置されてもよいし、膜分離装置の外部に設置されてもよい。
膜分離装置は、エタノールの分離に限らず、半導体工場にて用いられる溶剤（例えば、イソプロパノール）の分離に適用することができる。
膜分離器は、ベーパーパーミエーション法によるものに限らない。液体を気化させて分離するパーベーパレーション（浸透気化）法によるものであっても、透過側の気体の潜熱を回収し、不透過側の液体の顕熱を回収することで同様に膜分離装置を構成できる。
また、第１の圧縮機２１に代えて、外部蒸気を熱源とする第１の加熱器を備え、エタノール蒸気が第１の加熱器によって昇温及び昇圧されてもよい。更に、第２の圧縮機２２に代えて外部蒸気を熱源とする第２の加熱器を備え、水蒸気が、第２の加熱器によって昇温及び昇圧されてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１０：膜分離装置、１１：第１の熱交換器、１２：第２の熱交換器、１３：第３の熱交換器、２０：膜分離器、２１：第１の圧縮機、２２：第２の圧縮機、２５、２６：インバータ、２７：ポンプ、３１：第１の供給ライン、３２：第２の供給ライン、３５：不透過側ライン、３６：圧力センサ、３７：透過側ライン、３８：圧力センサ、４０：膜分離装置、４３：第３の圧縮機、４４：膨張機、５０：膜分離装置、５１：第１のバルブ、５２：第２のバルブ、６１：第１の温度センサ、６２：第２の温度センサ、６３：第３の温度センサ、６４：第４の温度センサ、６８：制御装置、７０：膜分離装置、７１：スーパーヒータ、７２：バイパスライン、７３：第３の供給ライン、７４：冷却器、８０：膜分離装置、８１：真空ポンプ、９０：膜分離装置、９１：ポンプ、９２：加熱器、９３：膜分離器、９４：膨張機、９５：コンデンサ、９６：チラー、９７：真空ポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分離膜を用いて流体を分離する膜分離装置及び膜分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、単位操作部と、熱交換器と、単位操作部の出力側及び熱交換器の間に設けられた圧縮機とを有する加熱モジュールが記載されている。
単位操作部は、単位操作によって入力流体から生成される出力流体を出力する。出力された出力流体は、圧縮機によって圧縮される。入力流体は、熱交換器によって、圧縮後の出力流体と熱交換される。ここで、単位操作部の一例として、膜分離器が挙げられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３６０５６号公報（第９頁、図１（ｃ））
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、膜分離器は、分離膜を透過しない流体及び分離膜を透過する流体の２つの流体を出力する。
ところが、特許文献１に記載の技術においては、この単位操作部（膜分離器）の出力流体は１つのみであり、残りの流体についての言及がなされていない。
本発明は、膜分離器の不透過側と透過側からそれぞれ出る流体Ｙ、Ｚを利用して膜分離器に供給される流体Ｘを加熱し、装置全体の消費エネルギーを低減することが可能な膜分離装置及び膜分離方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的に沿う第１の発明に係る膜分離装置は、成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘが供給され、分離膜を用いて前記流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する膜分離器と、
前記膜分離器から出た前記流体Ｙを断熱圧縮する第１の圧縮機と、
前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記流体Ｙが熱源として導入される第１の熱交換器と、
前記流体Ｚが熱源として導入される第２の熱交換器と、を備えた膜分離装置であって、
前記流体Ｘは、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘがそれぞれ前記第１及び第２の熱交換器によって加熱され、再度合流して前記膜分離器に供給される。
【０００６】
第１の発明に係る膜分離装置において、前記膜分離器と前記第２の熱交換器との間に、前記膜分離器から出た前記流体Ｚを断熱圧縮する第２の圧縮機を更に備え、前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記流体Ｚを前記第２の熱交換器に導入することができる。
【０００７】
前記目的に沿う第２の発明に係る膜分離装置は、成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘが供給され、分離膜を用いて前記流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する膜分離器と、
前記膜分離器から出た前記流体Ｚを断熱圧縮する第２の圧縮機と、
前記膜分離器から出た前記流体Ｙが熱源として導入される第１の熱交換器と、
前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記流体Ｚが熱源として導入される第２の熱交換器と、を備えた膜分離装置であって、
前記流体Ｘは、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘがそれぞれ前記第１及び第２の熱交換器によって加熱され、該第１の供給ライン及び該第２の供給ラインが合流する合流点にて再度合流し、該合流点と前記膜分離器との間に設けられた第３の圧縮機によって断熱圧縮され、前記膜分離器に供給される。
【０００８】
第２の発明に係る膜分離装置において、前記膜分離器と前記第１の熱交換器との間に、膨張機を更に備えることができる。
【０００９】
第１及び第２の発明に係る膜分離装置において、前記第１の供給ラインを流れる前記流体Ｘの流量を調節する第１のバルブと、
前記第１のバルブを操作する制御装置とを更に備え、
前記第２の熱交換器により加熱された前記流体Ｘと、該第２の熱交換器に熱源として導入される前記流体Ｚとの温度差ΔＴ２が基準値ＴＳ２以上となった場合に、
前記制御装置が、前記温度差ΔＴ２と前記基準値ＴＳ２との差に基づいて、前記第１のバルブの開度を調節し、前記第２の熱交換器にて交換される熱量を制御することができる。
【００１０】
第１及び第２の発明に係る膜分離装置において、前記第２の供給ラインを流れる前記流体Ｘの流量を調節する第２のバルブを更に備え、
前記第１の熱交換器により加熱された前記流体Ｘと、該第１の熱交換器に熱源として導入される前記流体Ｙとの温度差ΔＴ１が基準値ＴＳ１以上となった場合に、
前記制御装置が、前記温度差ΔＴ１と前記基準値ＴＳ１との差に基づいて、前記第２のバルブの開度を調節し、前記第１の熱交換器にて交換される熱量を制御することができる。
【００１１】
第１及び第２の発明に係る膜分離装置において、前記基準値ＴＳ１、ＴＳ２は、それぞれ２〜５０℃であることが好ましい。
【００１２】
第１及び第２の発明に係る膜分離装置において、前記第２の圧縮機を駆動するインバータを更に備え、
前記インバータは、前記膜分離器から出た前記流体Ｚの圧力が予め決められた範囲に収まるように、前記第２の圧縮機の回転数を制御することができる。
【００１３】
第１及び第２の発明に係る膜分離装置において、前記第１の供給ライン及び前記第２の供給ラインが合流する合流点と前記膜分離器との間に、外部熱源により前記流体Ｘの温度を調整する第３の熱交換器を更に備えてもよい。
【００１４】
第２の発明に係る膜分離装置において、前記合流点と前記第３の圧縮機との間に、該第３の圧縮機によって圧縮された前記流体Ｘを熱源とし、該合流点にて合流した前記流体Ｘを加熱するスーパーヒータと、前記スーパーヒータによって加熱された該流体Ｘの温度を調整する冷却器とを更に備え、
前記第３の圧縮機に入る前記流体Ｘが、前記スーパーヒータによって加熱された後、前記冷却器によって温度調整されてもよい。
【００１５】
第２の発明に係る膜分離装置において、前記スーパーヒータの被加熱流体の入口側と前記被加熱流体を加熱する加熱流体の出口側とを接続することが可能なバイパスラインが設けられ、
該膜分離装置を立ち上げる際に、前記バイパスラインによって前記入口側と前記出口側とが接続され、空気又は不活性ガスが前記スーパーヒータ及び前記第３の圧縮機の間で循環することが好ましい。
【００１６】
第１の発明に係る膜分離装置において、前記膜分離器と前記第２の熱交換器との間に、外部蒸気を熱源とする加熱器を更に備え、前記流体Ｚが、前記加熱器によって昇温及び昇圧され、昇温及び昇圧された該流体Ｚを前記第２の熱交換器に導入することができる。
【００１７】
第１及び第２の発明に係る膜分離装置において、前記流体Ｙ、及び前記流体Ｚは、それぞれ気体であり、
前記分離膜は、ゼオライト膜又はポリイミド膜であることが好ましい。
【００１８】
第１及び第２の発明に係る膜分離装置において、前記成分Ａがエタノールであり、前記成分Ｂが水であることが好ましい。
【００１９】
前記目的に沿う第３の発明に係る膜分離方法は、膜分離器を用いて、成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する工程αと、
前記工程αにより分離された前記流体Ｙを昇温及び昇圧する工程βと、を含む膜分離方法であって、
前記流体Ｘが、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘが、それぞれ前記工程βにて昇温及び昇圧された前記流体Ｙ及び前記膜分離器から出た前記流体Ｚと熱交換して加熱され、再度合流して前記膜分離器に供給される。
【００２０】
第３の発明に係る膜分離方法において、前記膜分離器から出た前記流体Ｚを昇温及び昇圧する工程γを更に含み、前記第２の供給ラインに分岐された前記流体Ｘを昇温及び昇圧された前記流体Ｚと熱交換して加熱することができる。
【００２１】
前記目的に沿う第４の発明に係る膜分離方法は、膜分離器を用いて、成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する工程αと、
前記工程αにより分離された前記流体Ｙを膨張させる工程εと、
前記工程αにより分離された前記流体Ｚを昇温及び昇圧する工程γとを含む膜分離方法であって、
前記流体Ｘが、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘが、それぞれ前記工程εにて膨張した前記流体Ｙ及び前記工程γにて昇温及び昇圧された前記流体Ｚと熱交換して加熱され、再度合流して断熱圧縮され、前記膜分離器に供給される。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１及び請求項１に従属する請求項２、５〜９、１２〜１４記載の膜分離装置においては、並列に設けられた第１及び第２の熱交換器により、膜分離器から出た流体Ｙ、Ｚから熱が回収されるため、本発明の構成をとらない場合よりも消費エネルギーを低減することが可能である。
【００２３】
請求項３及び請求項３に従属する請求項４〜１１、１３、１４記載の膜分離装置においては、推進力が増加するので、必要な分離膜の面積を低減することが可能である。
【００２４】
請求項４記載の膜分離装置においては、膨張機を設けることにより、膜分離器から出た高圧の流体Ｙを低圧にする過程において、膨張エネルギーを動力として回収することが可能である。
【００２５】
請求項５〜７記載の膜分離装置においては、バルブを設けるだけで、熱交換器で交換される熱量を流体の温度に基づいて簡単に制御することが可能である。
【００２６】
請求項８記載の膜分離装置においては、膜分離器から出た流体Ｚの圧力が予め決められた範囲内に維持されるので、推進力を予め決められた範囲内に維持することが可能である。
【００２７】
請求項９記載の膜分離装置においては、第３の熱交換器が流体Ｘの供給条件の変動を抑制するため、膜分離装置を安定して運転することが可能である。
【００２８】
請求項１０、１１記載の膜分離装置においては、スーパーヒータにより流体Ｘが加熱されるので、流体Ｘが凝縮することがなく、第３の圧縮機の損傷を防止することが可能である。
【００２９】
請求項１２記載の膜分離装置においては、電動機動力を蒸気熱動力で賄うことが可能である。
【００３０】
請求項１５、１６記載の膜分離方法においては、分離された流体Ｙ、Ｚから熱が回収されるため本発明の方法をとらない場合よりも消費エネルギーを低減することが可能である。
【００３１】
請求項１７記載の膜分離方法においては、流体Ｙを膨張させる工程εを設けることにより、工程αを経た高圧の流体Ｙを低圧にする過程において、膨張エネルギーを動力として回収することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る膜分離装置の構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る膜分離装置の構成図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る膜分離装置の構成図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る膜分離装置の構成図である。
【図５】同膜分離装置が有する第３の圧縮機及びスーパーヒータの循環動作を示す説明図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態に係る膜分離装置の構成図である。
【図７】比較例に係る従来の膜分離装置の構成図である。
【図８】本発明の実施例１に係る膜分離装置の構成図である。
【図９】本発明の実施例２に係る膜分離装置の構成図である。
【図１０】本発明の実施例３に係る膜分離装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。但し、本発明の技術的範囲は、以下に説明する実施の形態によって限定されることはない。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る膜分離装置１０は、外部より供給されたエタノール（成分Ａの一例）と水（成分Ｂの一例）とが混合されたエタノール混合液をより濃度の高いエタノールと水に分離することができる。この膜分離装置１０は、第１の熱交換器１１と、第２の熱交換器１２と、第３の熱交換器１３と、膜分離器２０と、第１の圧縮機２１と、第２の圧縮機２２とを備えている。以下、膜分離器２０、第１の圧縮機２１、第１の熱交換器１１、第２の圧縮機２２、第２の熱交換器１２、及び第３の熱交換器１３の順に説明する。
【００３４】
膜分離器２０は、ベーパーパーミエーション（蒸気気化）法により、供給されたエタノール混合液の蒸気（以下、単に「エタノール混合蒸気」という。）を、よりエタノール濃度の高い蒸気（流体Ｙの一例、以下、単に「エタノール蒸気」という。）とよりエタノール濃度の低い蒸気（流体Ｚの一例、以下、単に「水蒸気」という。）とに分離することができる。例えば、膜分離器２０は、エタノール濃度８５．７ｗｔ％のエタノール混合蒸気を、エタノール濃度９９．５ｗｔ％のエタノール蒸気と、エタノール濃度１３．０ｗｔ％の水蒸気に分離することができる。
膜分離器２０は、分離膜がケーシングに収納された膜モジュールを複数備えている。この分離膜は、例えばゼオライト膜やポリイミド膜である。分離膜は、水を透過させ易く、エタノールを透過させ難い性質を有している。膜分離器２０は、この性質を利用するとともに、膜分離器２０の入口側と出口側の圧力差を推進力として、エタノール混合蒸気からエタノール蒸気と水蒸気とを分離することができる。
【００３５】
第１の圧縮機２１は、膜分離器２０から出たエタノール蒸気を断熱圧縮することができる。第１の圧縮機２１は、インバータ２５により回転速度が制御される。
【００３６】
第１の熱交換器１１は、ポンプ２７により供給されたエタノール混合液を加熱することができる。加熱されたエタノール混合液は、エタノール混合蒸気となる。第１の熱交換器１１は、第１の圧縮機２１により断熱圧縮されたエタノール蒸気を熱源としている。なお、エタノール混合蒸気及びエタノール混合液は、何れも流体Ｘの一例である。
【００３７】
第２の圧縮機２２は、膜分離器２０から出た水蒸気を断熱圧縮することができる。第２の圧縮機２２は、インバータ２６により回転速度が制御される。
【００３８】
第２の熱交換器１２は、ポンプ２７により供給されたエタノール混合液を加熱することができる。加熱されたエタノール混合液は、エタノール混合蒸気となる。第２の熱交換器１２は、第２の圧縮機２２により断熱圧縮された水蒸気を熱源としている。なお、第１及び第２の熱交換器１１、１２は別体として構成されているが、一体として構成することも可能である。
【００３９】
第３の熱交換器１３は、第１及び第２の熱交換器１１、１２により加熱されたエタノール混合蒸気の温度を調整することができる。第３の熱交換器１３は、図示しない蒸気ラインから供給される外部蒸気（外部熱源の一例）を熱源としている。
【００４０】
次に、膜分離装置１０の動作について説明する。
【００４１】
エタノール混合液は、ポンプ２７によって送出され、分岐点ａにて第１の供給ライン３１と第２の供給ライン３２とに分岐して運ばれる。第１の供給ライン３１によって運ばれたエタノール混合液は、第１の熱交換器１１によって加熱される。第１の熱交換器１１によって加熱されたエタノール混合液は、エタノール混合蒸気となって、更に下流に運ばれる。
同様に、第２の供給ライン３２によって運ばれたエタノール混合液は、第２の熱交換器１２によって加熱される。第２の熱交換器１２によって加熱されたエタノール混合液も、エタノール混合蒸気となって、更に下流に運ばれる。
第１の供給ライン３１及び第２の供給ライン３２によってそれぞれ運ばれるエタノール混合蒸気は、合流点ｂにて再度合流する。合流したエタノール混合蒸気は、第３の熱交換器１３によって温度調整され、膜分離器２０に供給される。ここで、第３の熱交換器１３は、エタノール混合蒸気の温度等の供給条件が変動した場合に、この変動を抑制するように作用する。例えば、エタノール混合液の流量が変動し、第１及び第２の熱交換器１１、１２から出たエタノール混合蒸気の温度が予め設定された温度よりも低下した場合に、第３の熱交換器１３はエタノール混合液の温度を上げるように熱交換量を増加させる。このように、供給されるエタノール混合液の流量が変動する場合であっても、第３の熱交換器１３によって膜分離装置１０を安定して運転させることが可能となる。また、膜分離装置１０の立ち上げの際には、第１及び第２の熱交換器１１、１２によって、エタノール混合液が充分に加熱されないため、第３の熱交換器１３は、その加熱不足分を補うことができ、膜分離装置１０を安定して運転することができる。
膜分離器２０に供給されたエタノール混合蒸気は、分離膜によって、エタノール蒸気と水蒸気とに分離される。
【００４２】
膜分離器２０から出たエタノール蒸気は、不透過側ライン３５によって運ばれ、第１の圧縮機２１によって断熱圧縮される。ここで、第１の圧縮機２１は、前述のようにインバータ２５により駆動される。このインバータ２５は、膜分離器２０から出たエタノール蒸気の圧力を計測する圧力センサ３６の出力値に基づいて動作する。詳細には、インバータ２５は、圧力センサ３６の出力値がフィードバックされ、エタノール蒸気の圧力が予め決められた範囲内に収まるように、第１の圧縮機２１の回転数を制御する。これにより不透過側ライン３５の圧力が予め決められた範囲内に維持される。
【００４３】
第１の圧縮機２１によって断熱圧縮されたエタノール蒸気は、昇温及び昇圧され、第１の熱交換器１１に入り、第１の供給ライン３１を流れるエタノール混合液と熱交換される。第１の熱交換器１１にてエタノール蒸気は凝縮され、濃縮されたエタノール液となる。
【００４４】
一方、膜分離器２０から出た水蒸気は、透過側ライン３７によって運ばれ、第２の圧縮機２２によって断熱圧縮される。ここで、第２の圧縮機２２は、前述のようにインバータ２６により駆動される。このインバータ２６は、膜分離器２０から出た水蒸気の圧力を計測する圧力センサ３８の出力値に基づいて動作する。詳細には、インバータ２６は、圧力センサ３８の出力値がフィードバックされ、水蒸気の圧力が予め決められた範囲内となるように、第２の圧縮機２２の回転数を制御する。これにより透過側ライン３７の圧力が予め決められた範囲内に維持される。その結果、膜分離のための推進力が予め決められた範囲内に維持される。
【００４５】
第２の圧縮機２２によって断熱圧縮された水蒸気は、昇温及び昇圧され、第２の熱交換器１２に入り、第２の供給ライン３２を流れるエタノール混合液と熱交換される。
【００４６】
このように、並列に設けられた第１及び第２の熱交換器１１、１２により、エタノール混合液と膜分離器２０を出て圧縮されたエタノール蒸気及び水蒸気とが効率的に熱交換されるので、従来よりも膜分離装置１０の消費エネルギーが低減される。なお、第１及び第２の熱交換器１１、１２を直列に設けて膜分離装置を構成することも可能であるが、第１及び第２の熱交換器１１、１２を並列に設ける場合よりも熱交換の効率が低下する。そのため、第１及び第２の熱交換器１１、１２を並列に設けた本実施の形態の方が好ましい。
【００４７】
続いて、本発明の第２の実施の形態に係る膜分離装置４０について説明する。第１の実施の形態に係る膜分離装置１０と同一の構成要素については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４８】
図２に示すように、本実施の形態に係る膜分離装置４０は、膜分離装置１０と比較すると、第３の圧縮機４３を更に備えるとともに、第１の圧縮機２１（並びに第１の圧縮機２１に付随する圧力センサ３６及びインバータ２５）に代えて膨張機４４を備えている。ただし、膨張機４４は必須ではない。即ち、本実施の形態に係る膜分離装置４０は、第１の実施の形態に係る膜分離装置１０から第１の圧縮機２１（並びに第１の圧縮機２１に付随する圧力センサ３６及びインバータ２５）を取り外し、膜分離装置１０に第３の圧縮機４３を加えたものとすることもできる。
第３の圧縮機４３は、合流点ｂと膜分離器２０の間であって、第３の熱交換器１３の下流側に設けられている。第３の圧縮機４３は、第３の熱交換器１３から出たエタノール混合蒸気を断熱圧縮することができる。第３の圧縮機４３から出たエタノール混合蒸気は、膜分離器２０に導入される。
膨張機４４は、膜分離器２０から出た高圧のエタノール蒸気を低圧にする過程において、膨張エネルギーを動力として回収することができる。
【００４９】
次に、膜分離装置４０の動作について説明する。
エタノール混合液は、ポンプ２７によって送出され、分岐点ａにて第１の供給ライン３１と第２の供給ライン３２とに分岐して運ばれる。第１の供給ライン３１によって運ばれたエタノール混合液は、第１の熱交換器１１によって加熱される。第１の熱交換器１１によって加熱されたエタノール混合液は、エタノール混合蒸気となって、更に下流に運ばれる。
同様に、第２の供給ライン３２によって運ばれたエタノール混合液は、第２の熱交換器１２によって加熱される。第２の熱交換器１２によって加熱されたエタノール混合液も、エタノール混合蒸気となって、更に下流に運ばれる。
第１の供給ライン３１及び第２の供給ライン３２によってそれぞれ運ばれるエタノール混合蒸気は、合流点ｂにて再度合流する。合流したエタノール混合蒸気は、第３の熱交換器１３によって温度調整され、第３の圧縮機４３によって断熱圧縮される。断熱圧縮されたエタノール混合蒸気は昇温及び昇圧され、膜分離器２０に供給される。
以降の動作は第１の実施の形態に係る膜分離装置１０と同様であるので、その説明は省略する。
【００５０】
このように、膜分離装置４０は、第１及び第２の熱交換器１１、１２と膜分離器２０との間に第３の圧縮機４３を備えているので、膜分離器２０の推進力が増加する。その結果、以下に説明するように、必要な分離膜の面積を低減することができる。
【００５１】
一般に、膜分離器２０の１次側（入口）と２次側（不透過側出口）の圧力差を推進力（透過駆動力）とする単位膜面積あたりのガスの透過速度Ｊ［ｋｍｏｌ・ｍ／（ｓ・ｍ２）］は、次式で表される。
Ｊ ＝ Ｐ＊（ｐｈ − ｐｌ）／δ 式（１）
ここで、Ｐ：ガス透過係数［ｋｍｏｌ・ｍ／（ｓ・ｍ２・ｋＰａ）］、ｐｈ：１次側圧力（ｋＰａＡ）、ｐｌ：２次側圧力（ｋＰａＡ）、δ：膜の有効厚さ（ｍ）である。
従って、膜分離器２０に導入される前のエタノール混合蒸気を第３の圧縮機４３を用いて昇圧することにより、膜分離器の推進力（ｐｈ − ｐｌ）が大きくなり、透過速度Ｊが大きくなる。従って、透過速度Ｊが大きくなった分、必要な膜面積を低減することができる。
例えば、２次側圧力ｐｌを１３ｋＰａＡとし、１次側圧力ｐｈを１０１．３ｋＰａＡから５２０ｋＰａＡに昇圧した場合の膜透過速度ついて、式（１）に基づいて試算すると、以下の通りである。
Ｊ１ ＝ Ｐ＊（１０１．３ − １３）／δ 式（２）
Ｊ２ ＝ Ｐ＊（５２０ − １３）／δ 式（３）
Ｊ１／Ｊ２ ＝ ５．７ 式（４）
ここで、Ｊ1：１次側圧力ｐｈを１０１．３ｋＰａＡとした場合のガスの透過速度、Ｊ２：１次側圧力ｐｈを５２０ｋＰａＡとした場合のガスの透過速度である。
即ち、透過速度Ｊは５．７倍になるため、必要な分離膜面積を、５．７分の１に削減することができる。
なお、第３の圧縮機４３に代えて、外部蒸気等の熱媒体を用い、エタノール混合蒸気を昇温及び昇圧することも可能である。
【００５２】
続いて、本発明の第３の実施の形態に係る膜分離装置５０について説明する。第１及び第２の実施の形態に係る膜分離装置１０、４０と同一の構成要素については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。なお、本実施の形態においては、第２の実施の形態に係る膜分離装置４０を基礎として膜分離装置５０を構成したが、第１の実施の形態に係る膜分離装置１０を基礎として膜分離装置５０を構成することも可能である。更に、後述する第４の実施の形態に係る膜分離装置７０、或いは第５の実施の形態に係る膜分離装置８０を基礎として膜分離装置５０を構成することも可能である。
図３に示すように、第１の供給ライン３１には、第１のバルブ５１が設けられ、第１の供給ライン３１を流れるエタノール混合液の流量を増減することができる。なお、第１のバルブ５１は、第１の供給ライン３１上であれば、第１の熱交換器１１の後段に設けられていてもよい。
また、第２の供給ライン３２には、第２のバルブ５２が設けられ、第２の供給ライン３２を流れるエタノール混合液の流量を増減することができる。なお、第２のバルブ５２は、第２の供給ライン３２上であれば、第２の熱交換器１２の後段に設けられていてもよい。
【００５３】
更に、第１の供給ライン３１の第１の熱交換器１１の後段には、第１の温度センサ６１が設けられ、第１の熱交換器１１により加熱されたエタノール混合蒸気の温度Ｔ１を計測することができる。
第２の供給ライン３２の第２の熱交換器１２の後段には、第２の温度センサ６２が設けられ、第２の熱交換器１２により加熱されたエタノール混合蒸気の温度Ｔ２を計測することができる。
不透過側ライン３５の第１の熱交換器１１の入側と膨張機４４の出側との間には、第３の温度センサ６３が設けられ、第１の熱交換器１１に熱源として導入されるエタノール蒸気の温度Ｔ３を計測することができる。
透過側ライン３７の第２の熱交換器１２の入側と第２の圧縮機２２の出側との間には、第４の温度センサ６４が設けられ、第２の熱交換器１２に熱源として導入される水蒸気の温度Ｔ４を計測することができる。
制御装置（ＣＮＴ）６８は、第１〜４の温度センサ６１〜６４の計測値がそれぞれ入力され、これら計測値に基づいて第１及び第２のバルブ５１、５２の開度を調整することができる。
【００５４】
次に、この制御装置６８の動作について説明する。
制御装置６８は、第１の温度センサ６１と第３の温度センサ６３により計測された温度の差ΔＴ１（＝Ｔ３−Ｔ１）を監視している。また、制御装置６８は、第２の温度センサ６２と第４の温度センサ６４により計測された温度の差ΔＴ２（＝Ｔ４−Ｔ２）を監視している。
第１及び第２のバルブ５１、５２は、温度差ΔＴ１及び温度差ΔＴ２がそれぞれ予め設定された基準値ＴＳ１、ＴＳ２よりも小さい場合には、全開の状態である。この基準値ＴＳは、例えば、２〜５０℃とすることができ、好ましくは２〜３０℃、更に好ましくは２〜２０℃とすることができる。
【００５５】
ところが、何らかの要因により、温度差ΔＴ１が基準値ＴＳ１以上になった場合は、第２のバルブ５２の開度を小さくし、第２の供給ライン３２を流れるエタノール混合液の流量を絞る。そうすると、より多くのエタノール混合液が第１の供給ライン３１を流れるようになるため、第１の熱交換器１１にてより多くの熱交換がされる。
一方、温度差ΔＴ２が基準値ＴＳ２以上になった場合は、第１のバルブ５１の開度を小さくし、第１の供給ライン３１を流れるエタノール混合液の流量を絞る。そうすると、より多くのエタノール混合液が第２の供給ライン３２を流れるようになるため、第２の熱交換器１２にてより多くの熱交換がされる。
温度差ΔＴ１及び温度差ΔＴ２が、それぞれ基準値ＴＳ１、ＴＳ２以上となった場合には、それぞれの基準値ＴＳ１、ＴＳ２からの偏差ｄＴ１、ｄＴ２を求め、偏差ｄＴ１及び偏差ｄＴ２の大きさに基づいて、第１及び第２のバルブ５１、５２の開度を小さくして、エタノール混合液の流量を調整することができる。具体的には、偏差ｄＴ２が偏差ｄＴ１よりも大きい場合は、第１のバルブ５１の開度を小さくし、偏差ｄＴ２が偏差ｄＴ１以下となる場合は、第２のバルブ５２の開度を小さくして、エタノール混合液の流量を調整することができる。
【００５６】
このように、制御装置６８が、第１の熱交換器１１により加熱されたエタノール混合液と第１の熱交換器１１に熱源として導入されるエタノール蒸気との温度差ΔＴ１、及び第２の熱交換器１２により加熱されたエタノール混合液と第２の熱交換器１２に熱源として導入される水蒸気との温度差ΔＴ２に基づいて、第１及び第２のバルブ５１、５２の開度を調節することにより、第１及び第２の熱交換器１１、１２にて熱交換される供給エタノールの流量が調整される。その結果、第１及び第２の熱交換器１１、１２での熱交換量が制御され、エタノール蒸気及び水蒸気の熱エネルギーが有効に利用される。なお、制御装置６８は、例えばＰＩ制御により熱交換量を制御することができる。
【００５７】
続いて、本発明の第４の実施の形態に係る膜分離装置７０について説明する。第１及び第２の実施の形態に係る膜分離装置１０、４０と同一の構成要素については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。なお、本実施の形態においては、第２の実施の形態に係る膜分離装置４０を基礎として膜分離装置７０を構成したが、第１の実施の形態に係る膜分離装置１０を基礎として膜分離装置７０を構成することも可能である。
図４に示すように、膜分離装置７０は、第２の実施の形態に係る膜分離装置４０の第３の熱交換器１３に代えて、スーパーヒータ７１を備えている。また、エタノール混合蒸気の温度を調整するため、スーパーヒータ７１と第３の圧縮機４３との間に冷却器７４を備えている。
【００５８】
第１の供給ライン３１及び第２の供給ライン３２によってそれぞれ運ばれるエタノール混合蒸気は、合流点ｂにて再度合流する。合流したエタノール混合蒸気は、スーパーヒータ７１によって加熱され、冷却器７４によって温度が調整され、第３の圧縮機４３によって断熱圧縮される。断熱圧縮されたエタノール混合蒸気は、昇温及び昇圧され、スーパーヒータ７１の熱源となる。スーパーヒータ７１にて熱交換されたエタノール混合蒸気は、膜分離器２０に供給される。
以降の動作は第２の実施の形態に係る膜分離装置４０と同様であるので、その説明は省略する。
【００５９】
このように、第３の圧縮機４３によって断熱圧縮されるエタノール混合蒸気が事前にスーパーヒータ７１にて加熱されるので、第３の圧縮機４３の入口又はその内部にてエタノール混合蒸気が凝縮することがない。そのため、第３の圧縮機４３が機械的に損傷することを防止できる。更に、第３の圧縮機４３により昇温及び昇圧されたエタノール混合蒸気をスーパーヒータ７１の熱源として利用し、エタノール混合蒸気の熱エネルギーをスーパーヒータ７１にて自己循環させることにより、エネルギー損失を抑えることができる。
【００６０】
ここで、膜分離装置７０には、スーパーヒータ７１の被加熱流体（合流点ｂにて合流したエタノール混合蒸気）の入口側と被加熱流体を加熱する加熱流体（第３の圧縮機４３によって断熱圧縮されたエタノール混合蒸気）の出口側とを接続することが可能なバイパスライン７２が設けられている。
【００６１】
バイパスライン７２は、膜分離装置７０の立ち上げの際に使用される。
バイパスライン７２は、定常運転の際には、接続点ｅ、ｆにて、合流点ｂと膜分離器２０とを接続する第３の供給ライン７３から切り離されている。
しかし、バイパスライン７２は、装置立ち上げの際には、接続点ｅ、ｆにて第３の供給ライン７３に接続される。更に、接続点ｅ、ｆにて流体が流れる方向が切り替えられ、接続点ｆから出発してスーパーヒータ７１、冷却器７４、第３の圧縮機４３、スーパーヒータ７１、及び接続点ｅを経て再び接続点ｆへと戻る循環ラインが構成される（図５参照）。
循環ラインには、図示しないガス供給口から不活性ガスが充填される。
【００６２】
膜分離装置７０の運転開始から予め決められた時間Ｔが経過するまでは、第３の圧縮機４３を動作させて供給された不活性ガスを断熱圧縮する。不活性ガスは昇温及び昇圧され、スーパーヒータ７１の熱源となる。そして、スーパーヒータ７１は熱源となった不活性ガスを加熱し、加熱された不活性ガスは再び第３の圧縮機４３に入る。時間Ｔが経過した後は、バイパスライン７２が切り離され、スーパーヒータ７１の被加熱流体の入口側には、エタノール混合蒸気が流入する。
このように、バイパスライン７２を接続して循環ラインを構成し、第３の圧縮機４３を暖機運転することにより、膜分離装置７０の立ち上げの際に第３の圧縮機４３の内部の凝縮を防止することができる。その結果、第３の圧縮機４３の損傷を防止することができる。
【００６３】
なお、本実施の形態においては、第３の圧縮機４３に対してスーパーヒータ７１が設けられているが、第１の圧縮機２１に対して同様にスーパーヒータを設けることも可能である。また、不活性ガスに代えて、常温（１０℃〜４０℃）で凝縮しないガス（例えば、空気）としてもよい。また、合流点ｂと接続点ｆとの間に第３の熱交換器１３を設けてもよい。
【００６４】
続いて、本発明の第５の実施の形態に係る膜分離装置８０について説明する。第１の実施の形態に係る膜分離装置１０と同一の構成要素については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。なお、本実施の形態においては、第１の実施の形態に係る膜分離装置１０を基礎として膜分離装置８０を構成したが、第２の実施の形態に係る膜分離装置４０を基礎として膜分離装置８０を構成することも可能である。更に、第３の実施の形態で説明した流量制御を適用することも可能である。
【００６５】
図６に示すように、本実施の形態に係る膜分離装置８０は、膜分離装置１０と比較すると、第２の圧縮機２２を省略し、膜分離器２０から出た流体Ｚを断熱圧縮しないで第２の熱交換器１２に導入する構成である。この場合、第２の熱交換器１２の流体Ｚの出口側に真空ポンプ８１を設置し、膜透過の圧力が膜仕様に応じた圧力（一例として、１３ｋＰａＡ）となるようにする。更に、ポンプ２７により第２の熱交換器１２に供給するエタノール混合液の温度が、膜分離器２０から出た蒸気が凝縮する温度よりも低い温度であることが好ましい。一例として、膜分離器２０の透過蒸気の圧力が１３ｋＰａＡの場合、３４℃で凝縮するので、第２の熱交換器１２に供給するエタノール混合液の温度を３４℃未満（好ましくは２５℃）に設定する。このように、第２の熱交換器１２の流体Ｚの出口側に真空ポンプ８１を設置すると共に、エタノール混合液の温度を透過蒸気が凝縮する温度よりも低い温度に設定した構成とすれば、潜熱を利用した熱交換を行うことができ、更に第２の熱交換器１２において蒸気が凝縮して体積が大幅に減少するので新たに設置した真空ポンプ８１の動力を低く抑えることができる。また、凝縮することによって真空ポンプ８１に蒸気が直接導入されないので、真空ポンプ８１の故障等を防止することが可能である。
【００６６】
続いて、膜分離装置８０の動作について説明する。
分岐点ａにて分岐され、第１の供給ライン３１によって移送されるエタノール混合液は、第１の熱交換器１１によって加熱される。熱源は、第１の圧縮機２１によって断熱圧縮されたエタノール蒸気である。一方、第２の供給ライン３２によって移送されるエタノール混合液は、第２の熱交換器１２によって加熱される。熱源は、膜分離器２０から排出される透過蒸気である。前述したように、透過蒸気を凝縮させることによって、第２の熱交換器１２では顕熱と潜熱を利用した熱交換が行われ、不透過側のエタノールと比較して流量が少量となる透過蒸気からも効率的に熱回収が行われる。
【００６７】
第１及び第２の熱交換器１１、１２で加熱されたエタノール混合液は、合流点ｂで混合され、混合後の温度が所定の設定温度よりも低ければ第３の熱交換器１３によって加熱される。所定温度の加熱された供給エタノール蒸気は、膜仕様に応じた１次側圧力ｐｈとなっている。そして膜分離器２０に供給されたエタノール蒸気は、濃度が高められたエタノール蒸気と、膜を透過した透過蒸気とに分離されてそれぞれ排出される。エタノール蒸気は、第１の圧縮機２１によって断熱圧縮された後、第１の熱交換器１１に熱源として供給される。一方、透過蒸気は、第２の熱交換器１２に熱源として供給される。
【００６８】
上述のように構成された第５の実施の形態においても、他の実施の形態と同様に、装置全体の消費エネルギーを低減することが可能である。なお、他の実施の形態においては、第２の圧縮機２２を配置していることから必ずしもエタノール混合液の温度を２５℃に設定しなくともよく、例えば３５℃に設定することができる。すなわち、ポンプ２７により供給するエタノール混合液の温度は、限定されない。
【実施例】
【００６９】
続いて、実施例に基づいて、前述の第１、第４及び第５の実施の形態に係る膜分離装置１０、７０、８０の効果をより具体的に説明する。
【００７０】
従来の膜分離装置９０、第１の実施の形態に係る膜分離装置１０、第４の実施の形態に係る膜分離装置７０、及び第５の実施の形態に係る膜分離装置８０について、それぞれ比較例、実施例１、実施例２及び実施例３として、消費エネルギーをシミュレーションにより求めた。なお、各シミュレーションにおいては、１）膜分離装置に供給されるエタノール混合液、２）膜分離装置から出るエタノール蒸気、及び３）膜分離装置から出る水蒸気について、各流量及び各エタノール濃度の条件を同一とした。即ち、各シミュレーションにおいて、１）膜分離装置に供給されるエタノール混合液の流量は２４．２ｋｇ／ｈ、エタノール濃度は８５．７ｗｔ％とした。また、２）膜分離装置から出るエタノール蒸気の流量は２０．４ｋｇ／ｈ、エタノール濃度は９９．５ｗｔ％とした。また、３）膜分離装置から出る水蒸気の流量は３．８ｋｇ／ｈ、エタノール濃度は１３ｗｔ％とした。また、分離膜はゼオライト膜（膜面積２．４ｍ２）である。圧縮機及び膨張機の断熱効率は５０％とした。
【００７１】
（比較例）
図７に示すように、従来の一般的な膜分離装置９０においては、ポンプ９１によって送出されたエタノール混合液が加熱器９２によって加熱され、エタノール混合蒸気となって膜分離器９３に供給される。供給されたエタノール混合蒸気は、エタノール蒸気と水蒸気に分離される。膜分離器９３から出たエタノール蒸気は、膨張機９４にて膨張し、コンデンサ９５により冷却される。一方、膜分離器９３から出た水蒸気は、チラー９６により冷却され、真空ポンプ９７によって圧縮され、凝縮する。
この従来の膜分離装置９０においては、ポンプ９１及び加熱器９２によってエネルギーが消費される。なお、真空ポンプ９７による消費エネルギーは僅かであるため、無視する。また、膨張機９４によって、エネルギーが回収される。
膜分離装置９０に供給されたエタノール混合液、エタノール混合蒸気、エタノール蒸気、及び水蒸気の状態は、それぞれ図７に示す通りである。同図に示す条件の下では、各機器による消費エネルギー（蒸気換算）は以下のようにシミュレーションされた。
（１）ポンプ９１：０．０４４（ｋＷ）
（２）加熱器９２：８．３７×０．３６６（ｋＷ）
（３）膨張機９４：−０．２９７（ｋＷ）
従って、消費エネルギー（電力換算）の合計Ｅ１は、以下の通りである。
Ｅ１＝（０．０４４＋８．３７×０．３６６−０．２９７）
＝２．８１０（ｋＷ）
【００７２】
（実施例１）
第１の実施の形態に係る膜分離装置１０においては、ポンプ２７、第１の圧縮機２１、及び第２の圧縮機２２によって、エネルギーが消費される。
膜分離装置１０に供給されたエタノール混合液、エタノール混合蒸気、エタノール蒸気、及び水蒸気の状態は、それぞれ図８に示す通りである。同図に示す条件の下では、各機器による消費エネルギー（電力換算）は以下のようにシミュレーションされた。
（１）ポンプ２７：０．０４４（ｋＷ）
（２）第１の圧縮機２１：０．２２０（ｋＷ）
（３）第２の圧縮機２２：１．７１６（ｋＷ）
従って、消費エネルギーの合計Ｅ２は、以下の通りである。
Ｅ２＝０．０４４＋０．２２０＋１．７１６
＝１．９８０（ｋＷ）
本実施例と比較例とを比べると、本実施例の方が、消費エネルギーが大きく低減されることが分かる。
膜分離装置１０では、第１及び第２の圧縮機２１、２２を用いてそれぞれエタノール蒸気及び水蒸気を昇温及び昇圧させている。これにより凝縮点を上昇させ、これら蒸気が有する潜熱と顕熱を有効に利用している。
付言すると、膜分離装置１０では、従来の膜分離装置９０に必要であったチラー動力も不要となると考えられる。
【００７３】
（実施例２）
第４の実施の形態に係る膜分離装置７０（定常動作時）においては、ポンプ２７、膨張機４４、第２の圧縮機２２、及び第３の圧縮機４３によって、エネルギーが消費される。
膜分離装置７０に供給されたエタノール混合液、エタノール混合蒸気、エタノール蒸気、及び水蒸気の状態は、それぞれ図９に示す通りである。同図に示す条件の下では、各機器による消費エネルギー（電力換算）は以下のようにシミュレーションされた。
（１）ポンプ２７：０．０４４（ｋＷ）
（２）膨張機４４：−０．２２７（ｋＷ）
（３）第２の圧縮機２２：０．７９２（ｋＷ）
（４）第３の圧縮機４３：１．９４９（ｋＷ）
従って、消費エネルギーの合計Ｅ３は、以下の通りである。
Ｅ３＝０．０４４−０．２２７＋０．７９２＋１．９４９
＝２．５５８（ｋＷ）
本実施例と比較例とを比べると、本実施例のほうが、消費エネルギーが低いことが分かる。
【００７４】
（実施例３）
第５の実施の形態に係る膜分離装置８０においては、ポンプ２７、第１の圧縮機２１によって、エネルギーが消費される。既述した理由により真空ポンプ８１による消費エネルギーは僅かであるため、無視する。なお、本実施例では、エタノール混合液の温度を２５℃としたことに伴い、熱交換後のエタノール及び透過蒸気（凝縮水）の温度を３０℃にしている。
膜分離装置８０に供給されたエタノール混合液、エタノール混合蒸気、エタノール蒸気、及び水蒸気の状態は、それぞれ図１０に示す通りである。同図に示す条件の下では、各機器による消費エネルギー（電力換算）は以下のようにシミュレーションされた。
（１）ポンプ２７：０．０４４（ｋＷ）
（２）第１の圧縮機２１：０．３３１（ｋＷ）
従って、消費エネルギーの合計Ｅ４は、以下の通りである。
Ｅ４＝０．０４４＋０．３３１
＝０．３７５（ｋＷ）
本実施例と比較例とを比べると、本実施例のほうが、消費エネルギーが低いことが分かる。
【００７５】
なお、本発明は、前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能である。例えば、前述のそれぞれ実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて発明を構成する場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
ポンプ２７は、膜分離装置の一部として設置されてもよいし、膜分離装置の外部に設置されてもよい。
膜分離装置は、エタノールの分離に限らず、半導体工場にて用いられる溶剤（例えば、イソプロパノール）の分離に適用することができる。
膜分離器は、ベーパーパーミエーション法によるものに限らない。液体を気化させて分離するパーベーパレーション（浸透気化）法によるものであっても、透過側の気体の潜熱を回収し、不透過側の液体の顕熱を回収することで同様に膜分離装置を構成できる。
また、第１の圧縮機２１に代えて、外部蒸気を熱源とする第１の加熱器を備え、エタノール蒸気が第１の加熱器によって昇温及び昇圧されてもよい。更に、第２の圧縮機２２に代えて外部蒸気を熱源とする第２の加熱器を備え、水蒸気が、第２の加熱器によって昇温及び昇圧されてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１０：膜分離装置、１１：第１の熱交換器、１２：第２の熱交換器、１３：第３の熱交換器、２０：膜分離器、２１：第１の圧縮機、２２：第２の圧縮機、２５、２６：インバータ、２７：ポンプ、３１：第１の供給ライン、３２：第２の供給ライン、３５：不透過側ライン、３６：圧力センサ、３７：透過側ライン、３８：圧力センサ、４０：膜分離装置、４３：第３の圧縮機、４４：膨張機、５０：膜分離装置、５１：第１のバルブ、５２：第２のバルブ、６１：第１の温度センサ、６２：第２の温度センサ、６３：第３の温度センサ、６４：第４の温度センサ、６８：制御装置、７０：膜分離装置、７１：スーパーヒータ、７２：バイパスライン、７３：第３の供給ライン、７４：冷却器、８０：膜分離装置、８１：真空ポンプ、９０：膜分離装置、９１：ポンプ、９２：加熱器、９３：膜分離器、９４：膨張機、９５：コンデンサ、９６：チラー、９７：真空ポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘが供給され、分離膜を用いて前記流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する膜分離器と、
前記膜分離器から出た前記流体Ｙを断熱圧縮する第１の圧縮機と、
前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記流体Ｙが熱源として導入される第１の熱交換器と、
前記流体Ｚが熱源として導入される第２の熱交換器と、を備えた膜分離装置であって、
前記流体Ｘは、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘがそれぞれ前記第１及び第２の熱交換器によって加熱され、再度合流して前記膜分離器に供給されることを特徴とする膜分離装置。
【請求項２】
請求項１記載の膜分離装置において、前記膜分離器と前記第２の熱交換器との間に、前記膜分離器から出た前記流体Ｚを断熱圧縮する第２の圧縮機を更に備え、
前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記流体Ｚを前記第２の熱交換器に導入することを特徴とする膜分離装置。
【請求項３】
成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘが供給され、分離膜を用いて前記流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する膜分離器と、
前記膜分離器から出た前記流体Ｚを断熱圧縮する第２の圧縮機と、
前記膜分離器から出た前記流体Ｙが熱源として導入される第１の熱交換器と、
前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記流体Ｚが熱源として導入される第２の熱交換器と、を備えた膜分離装置であって、
前記流体Ｘは、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘがそれぞれ前記第１及び第２の熱交換器によって加熱され、該第１の供給ライン及び該第２の供給ラインが合流する合流点にて再度合流し、該合流点と前記膜分離器との間に設けられた第３の圧縮機によって断熱圧縮され、前記膜分離器に供給されることを特徴とする膜分離装置。
【請求項４】
請求項３記載の膜分離装置において、前記膜分離器と前記第１の熱交換器との間に、膨張機を更に備えたことを特徴とする膜分離装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の膜分離装置において、前記第１の供給ラインを流れる前記流体Ｘの流量を調節する第１のバルブと、
前記第１のバルブを操作する制御装置とを更に備え、
前記第２の熱交換器により加熱された前記流体Ｘと、該第２の熱交換器に熱源として導入される前記流体Ｚとの温度差ΔＴ２が基準値ＴＳ２以上となった場合に、
前記制御装置が、前記温度差ΔＴ２と前記基準値ＴＳ２との差に基づいて、前記第１のバルブの開度を調節し、前記第２の熱交換器にて交換される熱量を制御することを特徴とする膜分離装置。
【請求項６】
請求項５記載の膜分離装置において、前記第２の供給ラインを流れる前記流体Ｘの流量を調節する第２のバルブを更に備え、
前記第１の熱交換器により加熱された前記流体Ｘと、該第１の熱交換器に熱源として導入される前記流体Ｙとの温度差ΔＴ１が基準値ＴＳ１以上となった場合に、
前記制御装置が、前記温度差ΔＴ１と前記基準値ＴＳ１との差に基づいて、前記第２のバルブの開度を調節し、前記第１の熱交換器にて交換される熱量を制御することを特徴とする膜分離装置。
【請求項７】
請求項６記載の膜分離装置において、前記基準値ＴＳ１、ＴＳ２は、それぞれ２〜５０℃であることを特徴とする膜分離装置。
【請求項８】
請求項２〜４のいずれか１項に記載の膜分離装置において、前記第２の圧縮機を駆動するインバータを更に備え、
前記インバータは、前記膜分離器から出た前記流体Ｚの圧力が予め決められた範囲に収まるように、前記第２の圧縮機の回転数を制御することを特徴とする膜分離装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の膜分離装置において、前記第１の供給ライン及び前記第２の供給ラインが合流する合流点と前記膜分離器との間に、外部熱源により前記流体Ｘの温度を調整する第３の熱交換器を更に備えたことを特徴とする膜分離装置。
【請求項１０】
請求項３又は４記載の膜分離装置において、前記合流点と前記第３の圧縮機との間に、該第３の圧縮機によって圧縮された前記流体Ｘを熱源とし、該合流点にて合流した前記流体Ｘを加熱するスーパーヒータと、前記スーパーヒータによって加熱された該流体Ｘの温度を調整する冷却器とを更に備え、
前記第３の圧縮機に入る前記流体Ｘが、前記スーパーヒータによって加熱された後、前記冷却器によって温度調整されることを特徴とする膜分離装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の膜分離装置において、前記スーパーヒータの被加熱流体の入口側と前記被加熱流体を加熱する加熱流体の出口側とを接続することが可能なバイパスラインが設けられ、
該膜分離装置を立ち上げる際に、前記バイパスラインによって前記入口側と前記出口側とが接続され、空気又は不活性ガスが前記スーパーヒータ及び前記第３の圧縮機の間で循環することを特徴とする膜分離装置。
【請求項１２】
請求項１記載の膜分離装置において、前記膜分離器と前記第２の熱交換器との間に、外部蒸気を熱源とする加熱器を更に備え、
前記流体Ｚが、前記加熱器によって昇温及び昇圧され、昇温及び昇圧された該流体Ｚを前記第２の熱交換器に導入することを特徴とする膜分離装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の膜分離装置において、前記流体Ｙ、及び前記流体Ｚは、それぞれ気体であり、
前記分離膜は、ゼオライト膜又はポリイミド膜であることを特徴とする膜分離装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の膜分離装置において、前記成分Ａがエタノールであり、前記成分Ｂが水であることを特徴とする膜分離装置。
【請求項１５】
膜分離器を用いて、成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する工程αと、
前記工程αにより分離された前記流体Ｙを昇温及び昇圧する工程βと、を含む膜分離方法であって、
前記流体Ｘが、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘが、それぞれ前記工程βにて昇温及び昇圧された前記流体Ｙ及び前記膜分離器から出た前記流体Ｚと熱交換して加熱され、再度合流して前記膜分離器に供給されることを特徴とする膜分離方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の膜分離方法において、前記膜分離器から出た前記流体Ｚを昇温及び昇圧する工程γを更に含み、前記第２の供給ラインに分岐された前記流体Ｘを昇温及び昇圧された前記流体Ｚと熱交換して加熱することを特徴とする膜分離方法。
【請求項１７】
膜分離器を用いて、成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する工程αと、
前記工程αにより分離された前記流体Ｙを膨張させる工程εと、
前記工程αにより分離された前記流体Ｚを昇温及び昇圧する工程γとを含む膜分離方法であって、
前記流体Ｘが、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘが、それぞれ前記工程εにて膨張した前記流体Ｙ及び前記工程γにて昇温及び昇圧された前記流体Ｚと熱交換して加熱され、再度合流して断熱圧縮され、前記膜分離器に供給されることを特徴とする膜分離方法。
【請求項１】
成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘが供給され、分離膜を用いて前記流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する膜分離器と、
前記膜分離器から出た前記流体Ｙを断熱圧縮する第１の圧縮機と、
前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記流体Ｙが熱源として導入される第１の熱交換器と、
前記流体Ｚが熱源として導入される第２の熱交換器と、を備えた膜分離装置であって、
前記流体Ｘは、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘがそれぞれ前記第１及び第２の熱交換器によって加熱され、再度合流して前記膜分離器に供給されることを特徴とする膜分離装置。
【請求項２】
請求項１記載の膜分離装置において、前記膜分離器と前記第２の熱交換器との間に、前記膜分離器から出た前記流体Ｚを断熱圧縮する第２の圧縮機を更に備え、
前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記流体Ｚを前記第２の熱交換器に導入することを特徴とする膜分離装置。
【請求項３】
成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘが供給され、分離膜を用いて前記流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する膜分離器と、
前記膜分離器から出た前記流体Ｚを断熱圧縮する第２の圧縮機と、
前記膜分離器から出た前記流体Ｙが熱源として導入される第１の熱交換器と、
前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記流体Ｚが熱源として導入される第２の熱交換器と、を備えた膜分離装置であって、
前記流体Ｘは、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘがそれぞれ前記第１及び第２の熱交換器によって加熱され、該第１の供給ライン及び該第２の供給ラインが合流する合流点にて再度合流し、該合流点と前記膜分離器との間に設けられた第３の圧縮機によって断熱圧縮され、前記膜分離器に供給されることを特徴とする膜分離装置。
【請求項４】
請求項３記載の膜分離装置において、前記膜分離器と前記第１の熱交換器との間に、膨張機を更に備えたことを特徴とする膜分離装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の膜分離装置において、前記第１の供給ラインを流れる前記流体Ｘの流量を調節する第１のバルブと、
前記第１のバルブを操作する制御装置とを更に備え、
前記第２の熱交換器により加熱された前記流体Ｘと、該第２の熱交換器に熱源として導入される前記流体Ｚとの温度差ΔＴ２が基準値ＴＳ２以上となった場合に、
前記制御装置が、前記温度差ΔＴ２と前記基準値ＴＳ２との差に基づいて、前記第１のバルブの開度を調節し、前記第２の熱交換器にて交換される熱量を制御することを特徴とする膜分離装置。
【請求項６】
請求項５記載の膜分離装置において、前記第２の供給ラインを流れる前記流体Ｘの流量を調節する第２のバルブを更に備え、
前記第１の熱交換器により加熱された前記流体Ｘと、該第１の熱交換器に熱源として導入される前記流体Ｙとの温度差ΔＴ１が基準値ＴＳ１以上となった場合に、
前記制御装置が、前記温度差ΔＴ１と前記基準値ＴＳ１との差に基づいて、前記第２のバルブの開度を調節し、前記第１の熱交換器にて交換される熱量を制御することを特徴とする膜分離装置。
【請求項７】
請求項６記載の膜分離装置において、前記基準値ＴＳ１、ＴＳ２は、それぞれ２〜５０℃であることを特徴とする膜分離装置。
【請求項８】
請求項２〜４のいずれか１項に記載の膜分離装置において、前記第２の圧縮機を駆動するインバータを更に備え、
前記インバータは、前記膜分離器から出た前記流体Ｚの圧力が予め決められた範囲に収まるように、前記第２の圧縮機の回転数を制御することを特徴とする膜分離装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の膜分離装置において、前記第１の供給ライン及び前記第２の供給ラインが合流する合流点と前記膜分離器との間に、外部熱源により前記流体Ｘの温度を調整する第３の熱交換器を更に備えたことを特徴とする膜分離装置。
【請求項１０】
請求項３又は４記載の膜分離装置において、前記合流点と前記第３の圧縮機との間に、該第３の圧縮機によって圧縮された前記流体Ｘを熱源とし、該合流点にて合流した前記流体Ｘを加熱するスーパーヒータと、前記スーパーヒータによって加熱された該流体Ｘの温度を調整する冷却器とを更に備え、
前記第３の圧縮機に入る前記流体Ｘが、前記スーパーヒータによって加熱された後、前記冷却器によって温度調整されることを特徴とする膜分離装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の膜分離装置において、前記スーパーヒータの被加熱流体の入口側と前記被加熱流体を加熱する加熱流体の出口側とを接続することが可能なバイパスラインが設けられ、
該膜分離装置を立ち上げる際に、前記バイパスラインによって前記入口側と前記出口側とが接続され、空気又は不活性ガスが前記スーパーヒータ及び前記第３の圧縮機の間で循環することを特徴とする膜分離装置。
【請求項１２】
請求項１記載の膜分離装置において、前記膜分離器と前記第２の熱交換器との間に、外部蒸気を熱源とする加熱器を更に備え、
前記流体Ｚが、前記加熱器によって昇温及び昇圧され、昇温及び昇圧された該流体Ｚを前記第２の熱交換器に導入することを特徴とする膜分離装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の膜分離装置において、前記流体Ｙ、及び前記流体Ｚは、それぞれ気体であり、
前記分離膜は、ゼオライト膜又はポリイミド膜であることを特徴とする膜分離装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の膜分離装置において、前記成分Ａがエタノールであり、前記成分Ｂが水であることを特徴とする膜分離装置。
【請求項１５】
膜分離器を用いて、成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する工程αと、
前記工程αにより分離された前記流体Ｙを昇温及び昇圧する工程βと、を含む膜分離方法であって、
前記流体Ｘが、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘが、それぞれ前記工程βにて昇温及び昇圧された前記流体Ｙ及び前記膜分離器から出た前記流体Ｚと熱交換して加熱され、再度合流して前記膜分離器に供給されることを特徴とする膜分離方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の膜分離方法において、前記膜分離器から出た前記流体Ｚを昇温及び昇圧する工程γを更に含み、前記第２の供給ラインに分岐された前記流体Ｘを昇温及び昇圧された前記流体Ｚと熱交換して加熱することを特徴とする膜分離方法。
【請求項１７】
膜分離器を用いて、成分Ａ及び成分Ｂを含む流体Ｘを前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより高い流体Ｙと前記成分Ａの濃度が該流体Ｘより低い流体Ｚとに分離する工程αと、
前記工程αにより分離された前記流体Ｙを膨張させる工程εと、
前記工程αにより分離された前記流体Ｚを昇温及び昇圧する工程γとを含む膜分離方法であって、
前記流体Ｘが、第１の供給ラインと第２の供給ラインとに分岐して運ばれ、該第１及び第２の供給ラインによって運ばれた前記流体Ｘが、それぞれ前記工程εにて膨張した前記流体Ｙ及び前記工程γにて昇温及び昇圧された前記流体Ｚと熱交換して加熱され、再度合流して断熱圧縮され、前記膜分離器に供給されることを特徴とする膜分離方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
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【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−５０９７４（Ｐ２０１２−５０９７４Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６３３２１（Ｐ２０１１−１６３３２１）
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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