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JPH0747111B2 - 有機液体混合物の分離方法及びその装置 - Google Patents
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JPH0747111B2 - 有機液体混合物の分離方法及びその装置 - Google Patents

有機液体混合物の分離方法及びその装置

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JPH0747111B2
JPH0747111B2 JP61238084A JP23808486A JPH0747111B2 JP H0747111 B2 JPH0747111 B2 JP H0747111B2 JP 61238084 A JP61238084 A JP 61238084A JP 23808486 A JP23808486 A JP 23808486A JP H0747111 B2 JPH0747111 B2 JP H0747111B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本願発明は、有機液体混合物を、特定の高分子膜を用い
てパーベーパレーション法により分離または濃縮する方
法と装置に関する。
[従来の技術] 高分子膜を用いて有機液体混合物を分離するプロセス
は、従来より米国特許第2953502号明細書などに開示さ
れている。この分離プロセスには、一般にパーベーパレ
ーション法と呼ばれる分離方法が用いられ、これは、高
分子膜の高圧側(一次側)に処理すべき液体を供給し、
透過し易い物質を低圧側(二次側)に蒸気として優先的
に透過させる方法である。この方法は、従来簡単な方法
では分離できなかった液体混合物、例えば共沸混合物、
沸点が近接した比揮発度の小さい混合物系、加熱によっ
て重合や変成を起す物質を含む混合物を分離または濃縮
する効果的で省エネルギー的方法として注目されてい
る。
このパーベーパレイション法は、二次側の膜表面の透過
蒸気の圧力を下げることによって透過が推進されると考
えられ、現段階では、試験研究的に二次側を真空ポンプ
で減圧に保持するか、または二次側膜表面に不活性ガス
をキャリアガスとして流して膜透過を実現している。工
業的プロセスとしては、特開昭58-95523号公報等に開示
されているように多くの場合二次側を減圧に保持する方
法が検討されている。二次側の減圧度は膜の分離性能に
大きく影響するので、膜性能を充分に発揮させて効率的
な濃縮、分離を行なうためにはできる限り二次側の圧力
を低く保持することが好ましい。実験室的レベルの試験
では通常数mmHg以下で実施されている例が多い。
また、水溶液から有機液体成分を濃縮して分離すること
を目的とする場合、透過蒸気を捕集しなければならな
い。この場合、減圧下または、不活性ガス気流下でコー
ルドトラップに導いて凝縮させる。捕集効率を上げ損失
量を減少させるためには、トラップを充分に冷却させる
必要があり、透過側の真空度を高める程、コールドトラ
ップの冷却温度を下げる必要がある。
[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、パーベーパレーション法は、現段階では
工業化の試験研究的レベルにあり、工業技術的には通常
の真空ポンプで大容量の装置を高真空度に保持すること
は困難であるという問題点があった。
また、工業的技術として、トラップを低温に保持するプ
ロセスは、エネルギーを最も多く消費するという問題点
があり、このコールドトラップの冷却温度をできる限り
高くして、しかも捕集効率を充分にあげることが要求さ
れる。
本発明は真空ポンプとメカニカルブースタポンプを効率
よく組み合わせることにより、コールドトラップの負担
を軽減するか、または省略するとともに、目的物を高真
空で効率よく分離する技術を提供する。
[問題点を解決するための手段] 上記目的を達成するため本発明は下記の構成を有する。
(1)有機液体混合物をパーベーパレーション法で分離
する方法において、膜モジュールと真空ポンプとの間に
メカニカルブースタポンプを設け、メカニカルブースタ
ポンプの圧縮比を5倍以上とし、膜モジュールの二次側
の真空度を30mmHg以下に保持することを特徴とする有機
液体混合物の分離方法。
(2)有機液体混合物をパーベーパレーション法で分離
する装置において、膜モジュールと真空ポンプとの間に
メカニカルブースタポンプを設けたことを特徴とする有
機液体混合物の分離装置。
第1図に本願発明の有機液体混合物の分離方法、及び装
置のフロー図を示し具体的に説明する。図中、1は有機
液体混合物の供給液層、2はその循環ポンプ、3は加温
装置、4はパーベーパレーション法膜モジュール、5は
メカニカルブースタポンプ、6はコールドトラップ、7
は真空ポンプを示す。処理すべき有機液体混合物を1の
供給液層に貯え、2の循環ポンプにより3の加温装置で
供給液の温度を所定の温度に調節したのち、パーベーパ
レーション用膜モジュールに供給し、しかる後8の回路
からもとの供給液層に戻し、有機液体混合物を循環させ
る。膜モジュールの二次側は、30mmHg以下、好ましくは
10mHg以下の真空度に保持され、5のメカニカルブース
タポンプで10mmHg以上好ましくは30mmHg以上、圧縮比10
倍以上に昇圧して6のコールドトラップに透過蒸気を導
き、透過蒸気を凝縮させて捕集した後、7の真空ポンプ
によりその真空度を保持する。点線で示す回路9は二次
側の運転開始時にまず7の真空ポンプにより膜モジュー
ルの二次側を所定の真空度まで排気してから、9の回路
を通じて5のメカニカルブースタポンプを始動させるた
めのものである。メカニカルブースタポンプの回路を閉
じて、9の回路により7の真空ポンプだけで運転する方
法が従来から試験的に実施されている方法に相当する。
有機液体混合物としては、通常パーベーパレーション法
の対象とされる有機液体混合物すべてに適用することが
できる。すなわち、少なくとも有機液体をその構成成分
の一つとする液体混合物であれば適用することができ
る。
有機液体混合物の具体例としては、水−メタノール、水
−エタノール、水−プロピルアルコール。水−イソプロ
ピルアルコール、水−アリルアルコール、水−メチルエ
チルケトン、水−アセトン、水−酢酸エチル、水−ブチ
ルアルコール、水−アミルアルコール、水−フルフリル
アルコール、水−テトラヒトロフラン、水−ジオキサ
ン、水−アセトニトリルなどを種とする混合物が代表例
として挙げられる。また、酢酸メチル−メタノール、酢
酸エチル−エタノール、ベンゼン−シクロヘキサン、メ
タノール−アセトン、ベンゼン−メタノール、ベンゼン
−エタノール、アセトン−フロロホルム、メタノール−
アセトン、エチルベンゼン−スチレン、パラクロロエチ
ルベンゼン、−パラクロルスチレン、トルエン−メチル
シクロヘキサン、ブタジエン−ブテン類、ブタジエン−
ブタン類などを主成分とする混合物も挙げられる。しか
しこれらの具体例に限定されるものではない。
有機液体混合物を膜モジュールに供給する時の温度は、
膜モジュールの前におく、加温装置で所定の温度に調節
することができるが、供給液層で調節することもでき
る。多くの場合、分離膜の特性から、80℃〜100℃が上
限である。しかし、無機多孔質膜を用いた膜モジュール
の場合には、100℃以上、有機液体混合物の沸点以下の
範囲も可能である。
膜モジュールとしては、パーベーパレーション法の膜モ
ジュールであれば、何ら制約されることはない。
すなわち、膜素材としては、天然高分子膜、天然高分子
を化学的に修飾、変成した構造からなる膜、合成高分子
膜、または、無機多孔質膜のいずれを用いた分離膜でも
よく、複合膜や、多孔質膜に分離活性素材を含浸した状
態の膜でもよい。
また、水溶液を対象とする場合には、水を選択的に透過
させる膜と、有機液体成分を選択的に透過させる膜があ
るが、いずれのタイプの膜でもよい。
膜形状は、中空糸膜、平膜、あるいは管状膜いずれであ
ってもよい。
膜モジュールの基本的型式は、特公昭39-28695号公報記
載の中空糸膜モジュール、特公昭47-11696号公報記載の
中空糸膜モジュール、特公昭49-8629号公報記載のスパ
イラルワウンド型平膜モジュール、あるいは、いわゆる
プレートアンドフレーム型の膜モジュールのいずれでも
よい。
メカニカルブースターポンプは、基本的には通常のルー
ツポンプが好ましく用いられるが、封止液を使用してい
ない他型式のドライポンプでもよく、有機液体混合物の
性質により耐食性に問題のないものであればさしつかえ
ない。
膜モジュールの二次側の真空度は、透過量、混入ガス
量、およびリークガス量を考慮して排気能力を選定し
て、30mmHg以下、好ましくは0.1〜10mmHgの範囲に調節
する。真空度の調節は、メカニカルブースタポンプの回
転数を膜モジュールの二次側の圧力計で調節して行なう
方法が好ましいが、メカニカルブースタポンプ前のリー
クバルブを圧力計で作動させて行うこともできる。
メカニカルブースタポンプの出口の真空度、すなわち、
コールドトラップの入口の真空度は、コールドトラップ
の捕集率(または損失率)、したがって透過成分の蒸気
圧と冷却温度との関係を考慮し、ブースタポンプの給気
側真空度と圧縮率とから決定される。この真空度はブー
スタポンプの排気量に対して真空ポンプの排気能力を選
定し、真空ポンプ前のリーク弁をメカニカルブースタポ
ンプ排気側の圧力計で作動させて調節する。通常は10mm
Hg以上、好ましくは30mmHg以上100mmHg以下の範囲で決
められる。たとえば好ましい条件としてブースタポンプ
は圧縮比5倍以上であるが、仮に圧縮比が10倍とする
と、膜モジュールの2次側の真空度を5mmHgとすると、
メカニカルブースタポンプ排気側の真空度は50mmHgにす
ることができる。従ってコールドトラップの冷却を軽減
できると同時に真空ポンプの負担も軽減できる。
本発明においては、透過蒸気成分をコールドトラップで
捕集する必要がない場合もあり得る。このような場合と
しては、たとえば有機液体から水を取り出す場合が挙げ
られる。特に含水エタノールから脱水するような系で
は、水のみを透過蒸気として取り出し、その全量を真空
ポンプ排気除去することができる。このような場合は電
力消費量が最も有利になるようにポンプ能力を設定する
ことができる。
コールドトラップは、小規模の装置の場合にはドライア
イス寒剤または液体窒素で冷却することも可能である
が、工業的レベルに於ては任意に冷却温度を調節しうる
冷却機を使用するのが好ましい。トラップの型式はコイ
ル式または多管式でもよいが、氷結による管の通路の狭
塞が発生しないようにする。複数のトラップを切換え式
にして、リーク回路と予備真空回路とを設け、連続的に
運転しうるようにしておくことが好ましい。
真空ポンプには、通常の油回転式ポンプ、多翼回転式ポ
ンプ、水封型ポンプ、乾式真空ポンプなどを一段、また
は同型式あるいは翼形式のポンプを多段に組み合わせて
使用することもできる。
[実施例] 第1図に示すフロー図に従って具体的に説明する。
温度調節のついた40lの恒温層1に10重量%のエチノー
ル水溶液を供給し、約60℃に調節してガラス製シールレ
ス型遠心ポンプ2を使って3l/分の速度でパーベーパレ
ーション用膜モジュール4に循環させる。加温装置3
は、膜モジュールの前段にステンレス製コイルを連結
し、水槽に浸漬した装置を60℃に設定して用い、膜モジ
ュールに供給するエタノール水溶液の温度を60℃±1℃
に調節した。4の膜モジュールには、10cm×10cmの有効
膜面積を有するプレートアンドフレーム型の膜モジュー
ルを使用した。分離膜には、約10μmの厚さのポリ[1
−(トリメチルシリル)−1−プロピン]のフィルムを
10枚使用して、総有効面積0.1m2の膜モジュールとし
た。メカニカルブースタポンプ5には、0.4kw/時の電動
機付の排気量108m3/時のルーツポンプを用いた。なお
前記したポリ[1−(トリメチルシリル)−1−プロピ
ン]は、特開昭60−75306号公報によって知られている
膜素材である。
真空ポンプ7には、0.75kw/時の電動機付の排気量330l/
分の油回転ポンプを、コールドトラップ6の後に連結し
て使用した。膜モジュールの二次側の真空度は真空計で
リーク弁を作動させて調節した。メカニカルブースタポ
ンプ出口側すなわちコールドトラップ入口の真空度もコ
ールドトラップと油回転式真空ポンプの間に設けたリー
ク弁で調節した。コールドトラップには内容量4lのコイ
ル式の−20℃〜−100℃の範囲で冷却温度を調節しうる
トラップを−50℃に設定して用いた。
メカニカルブースタポンプの回路を閉鎖してモジュール
の二次側、すなわち、メカニカルブースタポンプの入口
側圧力が10mmHgに到達した後、メカニカルブースタポン
プを運転し、回路9を閉鎖して約2時間ならし運転をし
た。ならし運転後、コールドトラップを切換え、4時間
運転しその間の運転状態を測定記録し、透過蒸気を捕集
してエタノール濃度の測定を行った。エタノール濃度は
ガスクロマトグラフィーで測定した。その結果、膜モジ
ュール二次側の真空度1.5mmHg、メカニカルブースタポ
ンプ出口側圧力を30mmHgに容易に保持することができ
た。油回転式真空ポンプには排気量60ml/分以下の0.2kw
/時程度の電動機付真空ポンプでも充分であることが分
った。た。トラップ捕集されたエタノール水溶液の量は
472gで濃度61.5%であった。
(比較例) 実施例に準じて運転したが、メカニカルブースタポンプ
を運転せず、330l/分の排気量の油回転真空ポンプだけ
で比較試験を行なった。その結果、膜モジュール二次側
の到達真空度は1.7mmHgで、1.5mmHg以下の真空度にする
ためには、より排気量の大きい真空ポンプが必要である
ことが分った。コールドトラップに捕集されたメタノー
ル水溶液は、実施例と同じく4時間で346gで、エタノー
ル濃度は49.7%であった。エタノールの捕集量と実施例
との差は約120gであり、実施例と同等の捕集率を得るに
は、−75℃以下に冷却しなければならないことが分っ
た。
[発明の効果] (1)メカニカルポンプと回転式真空ポンプにより、コ
ールドトラップ入口の真空度を調節することができ、冷
却に要するエネルギーを低減することができる。
(2)メカニカルブースタポンプと回転式ポンプとの組
み合せにより、より少ない消費電力量で、パーベーパレ
ーション法膜モジュールの二次側を所望の真空度に保持
することができ、膜性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本願発明の構成をフロー図で示したものであ
る。1は供給液層、2は供給液を膜モジュールに循環・
供給するポンプ、3は加熱温度装置、4はパーベーパレ
ーション用膜モジュール、5はメカニカルブースタポン
プ、6はコールドトラップ、7は真空ポンプ、8は供給
液のリターン回路、9はメカニカルブースタポンプに対
するバイパス回路を示す。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】有機液体混合物をパーベーパレーション法
    で分離する方法において、膜モジュールと真空ポンプと
    の間にメカニカルブースタポンプを設け、メカニカルブ
    ースタポンプの圧縮比を5倍以上とし、膜モジュールの
    二次側の真空度を30mmHg以下に保持することを特徴とす
    る有機液体混合物の分離方法。
  2. 【請求項2】有機液体混合物が有機液体物質を主成分と
    する含水液体であることを特徴とする特許請求の範囲第
    (1)項記載の有機液体混合物の分離方法。
  3. 【請求項3】有機液体物質が、水に可溶であり、かつ水
    より沸点が低いことを特徴とする特許請求の範囲第
    (2)項記載の有機液体混合物の分離方法。
  4. 【請求項4】メカニカルブースタポンプと真空ポンプと
    の間にコールドトラップを設けたことを特徴とする特許
    請求の範囲第(1)項記載の有機液体の分離方法。
  5. 【請求項5】有機液体混合物をパーベーパレーション法
    で分離する装置において、膜モジュールと真空ポンプと
    の間にメカニカルブースタポンプを設けたことを特徴と
    する有機液体混合物の分離装置。
  6. 【請求項6】メカニカルブースタポンプと真空ポンプと
    の間にコールドトラップを設けたことを特徴とする特許
    請求の範囲第(1)項記載の有機液体の分離装置。
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