JPH0295420A - 液体分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、２種以上の液体を含む混合液から所望の液体
を分離するための液体分離装置に関するものである。

（従来の技術） 一般に、２種以上の液体を含む混合液から所望の液体を
分離する方法としては、蒸留法が古くから採用されてき
ている。しかし、該蒸留法は、混合液を構成する各液体
の沸点に大きな差異が存するらのには適用できるものの
、共沸点を有する混合液や近沸点混合液等を分離するも
のには適用できないという難点があった。そこで、この
ような混合液から所望の液体を分離する場合、例えば、
所定の第３成分を添加することによって、液体分離を可
能としだ共沸蒸留法が採用されることらあるが、該蒸留
法では、極めて大量のスチームを消費するし、第３成分
の添加による分離液の汚染や装置の１ｓｔ雉化を招くな
ど問題が多い。

このような事情を背景に最近特に活発な研究・開発が行
なわれているものに、特定な物質のみを選択的に透過さ
せろ選択性透過膜があり、本出願人もかかる選択性透過
膜の開発を行っており、特願昭６２−３５４０１号とし
７て既に出願している。

そして、上記の如き選択性透過膜を使用した浸透気化法
による液体分離システムの開発も進められている。

−１−記液体分離システムは、対象混合液が供給されろ
第１次室と分離された液体が貯溜される第２次室とを前
記選択性透過膜で仕切り、該第２次室を真空ポンプ等の
減圧手段によって真空状態に減圧することにより前記選
択性透過膜の第１次室側境界面と第２次室側境界面との
分圧差に応じて高圧側（即ち、第１次室側）から低圧側
（即ち、第２次室側）へ所望の液体を透過させるように
している。

（発明が解決しようとする課題） 上記の如き選択性透過膜を使用した浸透気化法による液
体分離システムにおいては、該選択性透過膜で分離対象
となる選択成分のみを透過させるようになっているとこ
ろから、浸透気化の進行に伴って選択性透過膜の供給液
側表面逓倍に分離対象成分が欠乏した状態の層、所謂−
度境膜が生ずることがある。一方、選択性透過膜を介し
て膜分離を行う際の駆動ノコは、供給液側（換言すれば
、第１次室側）と減圧側（換言すれば、第２次室側）と
における分離対象成分の分圧差に上り生ぜしめられると
いう事実がある。従って、上記の如き濃度境膜の生成に
よる透過膜表面近傍における分離対象成分の濃度低下は
、膜分離駆動力の減少にっながり、結果としてｄ過辻度
の減少を引き起こすこととなる。かかる透過速度の減少
は、液体分離における効率の低下、液体分離に要する時
間の増大を招くこととなり、前記濃度境膜の生成をいか
に少なくするかということが、選択性透過膜を使用した
液体分離装置における重要な技術的解決課題とされてき
ている。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、第１次室
内へ流通せしめられる混合液の乱流化を促進することに
より、選択性透過５＠の表面近傍での濃度境膜の生成を
阻止し得るようにすることを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明では、」二足課題を解決するための手段として、
次の手段が採用されており、図面を参照して以下に説明
する。

請求項１記載の液体分離装置においては、分離すべき液
体とその池の液体とを含む所定の混合液が供給される高
圧側の第１火室１１と、該第１次室１１に対して分離す
べき液体を選択的に透過さ仕る選択性透過膜３を介して
接する低圧側の第２火室２１とを備えてなるものにおい
て、１１り記第１火室ｌｌ内に、該第１次室１１へ供給
される混合液の乱流化を促すべく作用する撹拌手段へを
配設している。

また、請求項２記載の液体分離装置においては、前記撹
拌手段Ａを、第１次室ｌｉ内における混合液流路の中心
部位に混合液の流れと直交する如く立設された複数の撹
拌ロッド７．７・・により構成している。

さらに、請求項３の液体分離装置においては、ＡＤ記撹
拌ロッド７．７・・を、第１次室側境界における前記選
択性透過膜３の第１次室側境界表面近傍に立設している
。

さらにまた、請求項４記載の液体分離装置においては、
前記撹拌手段Ａを、前記第１次室ｌｉ内における混合液
流路の中心部位に立設され且つ混合液の流れに直交する
方向に延びる交互に連続した凹条８ａおよび凸条８ｂを
有する波板部材８によって構成している。

（作　用） 本発明では、上記手段によって次のような作用が得られ
る。

即ち、請求項１記載の液体分離装置においては、第１次
室ＩＩ内に、該第１次室＋１へ供給される混合液の乱流
化を促すべく作用する撹拌手段Ａを配設したことにより
、第１次室ＩＩ内を流通する供給液（即ち、混合液）の
乱流化が促進されることとなり、選択性透過膜３の表面
近傍における濃度境膜の生成が可及的に阻止されること
となるのである。

また、請求項２記載の液体分離装置においては、前記撹
拌手段Ａを、第１次室ｌｌ内における混合液流路の中心
部位に混合液の流れと直交する如く立設された複数の撹
拌ロッド７．７・・で構成したことにより、供給混合液
の流路が撹拌ロッド７゜７・・の存在によって拡大・縮
小を繰り返して乱流化され、該乱流化により濃度境膜の
生成が効果的に阻止されるとともに、第１次室Ｉｌと第
２火室２１との間の高低圧差があまりない時には混合液
の流動によって選択性透過膜３か揺動するおそれがある
が、前記撹拌ロッド７．７・・の存在により隣合う選択
性透過膜３，３同士が接触するのをも防止し得ることと
なるのである。

さらに、請求項３記載の液体分離装置においては、前記
撹拌ロッド７．７・・を前記選択性透過膜３の第１次室
ｌｌ側表面近傍に混合液の流れと直交する如く立設した
ことにより、選択性透過膜３の表面近傍を流れる供給混
合液が撹拌ロッド７゜７・・との衝突により乱流化され
ることとなり、該乱流化により濃度境膜の生成が効果的
に阻止されるとともに、第１火室１１と第２火室２１と
の間の高低圧差があまりない時には混合液の流動によっ
て選択性透過膜３が揺動するおそれがあるが、前記撹拌
ロッド７．７・・の存在によって隣合う選択性透過膜３
．３同士が接触するのをも防止し得ることとなるのであ
る。

さらにまた、請求項４記載の液体分離装置においては、
前記撹拌手段Ａを、前記第１火室１１内における混合液
流路の中心部位に立設され且つ混合液の流れに直交する
方向に延びる交互に連続した凹条８ａおよび凸条８ｂを
有する波板部材８によって構成したことにより、供給混
合液が波板部材８の凹条８ａおよび凸条８ｂに沿って流
動１−て乱流化されることとなり、該乱流化により濃度
境膜の生成が効果的に阻止されるとともに、第１次室Ｉ
Ｉと第２火室２１との間の高低圧差があまりない時には
混合液の流動によって選択性透過膜３が■動するおそれ
があるが、前記波板部材８の存在によって隣合う選択性
透過膜３．３同士が接触するのをも防止し得ることとな
るのである。

（発明の効果） 本発明によれば、次のような優れた効果を奏することが
できるのである。

請求項■記載の液体分離装置においては、第１火室１１
内に、該第１次室１１へ供給される混合液の乱流化を促
すべく作用する撹拌手段Ａを配設したので、第１次室ｌ
ｌ内を流通する供給液（即ち、混合液）の乱流化が促進
されることとなり、選択性透過膜３の表面近傍における
Ω度境膜の生成が可及的に阻止されることとなり、透過
膜（９）および透過効率の大幅な向上を図り得るととも
に、液体分離に要する時間の大幅な短縮をも可能とする
。

また、請求項２記載の液体分離装置における如く、前記
撹拌手段Ａを、第１次室ＩＩ内における混合液流路の中
心部位に混合液の流れと直交する如く立設された複数の
撹拌ロッド７４７・・により構成すれば、供給混合液の
流路が撹拌ロッド７７・・の存在によって拡大・縮小を
繰り返して乱流化され、該乱流化により濃度境膜の生成
がより効果的に阻止されるとともに、第１火室１１と第
２火室２１との間の高低圧差があまりない時には混合液
の流動によって選択性透過膜３が揺動するおそれがある
が、前記撹拌ロッド７．７・・の存在によって隣合う選
択性透過膜３．３同士が接触するのをも防止し得ること
となり、透過速度および透過効率の大幅な向上と液体分
離に要する時間の大幅な短縮とを図り得ることは勿論、
選択性透過膜３の耐久性向上にも大いに寄与することと
なさらに、請求項３記載の液体分離装置におけろ如く、
前記撹拌ロッド７．７・・を前記選択性透過膜３の第１
次室Ｉ！側表面近傍に混合液の流れと直交する如く立設
すれば、選択性透過膜３の表面近傍を流れる供給混合液
が撹拌ロッド７．７・・との衝突により乱流化されるこ
ととなり、該乱流化により濃度境膜の生成がより一層効
果的に阻止されるととしに、第１次室！ｌと第２タネ２
１との間の高低圧差かあまりない時には混合液の流動に
より−で選択性透過膜３か揺動４−るおそれがあるが、
前記撹拌ロツＦ’　７　、７・・の（￥ｒ■ミにＬって
隣合う選択性透過膜３．３同士が接触するのをも防止し
得ることとなり、透過速度および透過効率の向−ヒ、液
体分離に要士る時間の短縮および選択性透過膜３の耐久
性向上に関してさらに望ましい結果が得られる。

さらにまた、請求項４記載の液体分離装置にお］る如く
、記撹拌手段Ａを、前記第１次室ｌｌ内における混合液
流路の中心部位に立設され且つ、混合液の流れに直交す
る方向に延びる交互に連続した凹条８ａおよび凸条８ｂ
を有する波板部材８によって構成したことにより、供給
混合液が波板部材８の凹条８ａおよび凸条８ｂに沿って
流動して乱流化されることとなり、該乱流化により濃度
境膜の生成が効果的に阻止されるとともに、第１火室１
１と第２タネ２１との間の高低圧差があまりない時には
混合液の流動によって選択性透過膜３が揺動するおそれ
があるが、前記波板部材８の存在によって隣合う選択性
透過膜３．３同士が接触するのをも防止し得ることとな
り、透過速度および透過効率の向上、液体分離に要する
時間の短縮および選択性透過膜３の耐久性向上に関して
望ましい結果が得られる。

（実施例） 以下、添付の図面を参照して本発明の幾つかの好適な実
施例を説明する。

実施例１ 第１図および第２図には、本発明の実施例１にかかる液
体分離装置が示されている。

本実施例の液体分離装置は、プレート及フレーム式のモ
ジュール構造とされており、図示のらのは、前記モジュ
ール単体を示している。

また、本実施例の液体分離装置は、水により希釈された
アルコール水溶液を対象混合液とし、該アルコール水溶
液から分離対象成分である水（１１゜０）を浸透気化法
に３Ｌり分離して、アルコールを濃縮する装置として使
用されるものである。

この液体分離装置面（具体的には、液体分離用単位モノ
、−ル）は、混合液（即ち、アルコール水溶液）供給用
の高圧側第１次室１１を形成する第１フレームｌと、該
第１フレームｌの両側に隣接配置され、低圧側第２次室
２１．２１を形成する第２フレーム２．２と、前記第１
フレーム１と第２フレーム２．２との間に介設される選
択性透過膜３．３とからなっている。

前記第１フレームｌは、矩形枠体からなっており、その
前枠１ａ下部には、フィートパイプ４を介してフィード
タンク５に連通せしめられた混合液供給口１２が設けら
れている。また、＋１７ｊ記第１フレームｌの後枠１ｂ
ｌ：部には、分離対象成分である水（ｉｉ、ｏ）が透過
除去されて６縮されたアルコールをυＦ出するための排
出口１３が設けられている。即ち、前記第１７１ノーム
ｌ内に形成されろ第１次室ＩＩ内においては、混合液が
供給口１２から排出口１３に向って流通せしめられるこ
ととなっているのである。符号６はフィードポンプであ
る。

前記第２フレーム２は、前記第１フレームｌと同形状の
矩形枠からなっており、その内部に形成される第２タネ
２１は、選択性透過膜３により第１フレームＩ内の第１
火室１１と仕切られている。

そして、前記第２フレーム２には、第２火室２１内を略
真空状態に減圧するための減圧手段として作用する真空
ポンプ（図示省略）に接続される吸引口２２が設けられ
ている。

前記選択性透過膜３は、混合液中に含まれる特定成分分
子（本実施例の場合、水分子）のみを選択的に透過させ
る性質を有する無定形高分子膜からなっており、第１火
室１１を流通する混合液から水分子のみを第２火室２１
へ透過せしめる作用を有している。なお、この選択性透
過膜３としては、例えば、α−フルオロアクリル酸共重
合体あるいはα−フルオロアクリル酸共重合体に対して
エチレン性不飽和化合物（例えば、スチレン、塩化ビニ
ル、アクリロニトリル、ヒドロキシエチルアクリレート
、アクリル酸等）を共重合したものを膜状に成形したも
のが用いられろ。

しかして、前記第１フレームｌにより形成される第１次
室ｌｌ内には、混合液流路の中心部において前記第１フ
レーム１の上下枠体１　ｃ、　ｌ　ｄ間に架設され、前
後方向（換言すれば、混合液流通方向）に所定間隔を保
って並設された複数本の撹拌ロッド７．７・・が設けら
れている。該撹拌ロッド７の外径は、前記第１フレーム
１のＩＪよりも小さく決定されており、この撹拌ロッド
７．７・・の存在により、第１次室ｌｌ内において供給
口１２から排出口１３に至る混合液流路が拡大・縮小を
繰り返す如く構成されることとなっている。即ち、撹拌
ロッド７．７・・の存在により１．混合液流路が拡大・
縮小を繰り返す如くなし、以って選択性透過膜３の表面
近傍における流速増大による乱流化促進を図り得るよう
にしているのである。

つまり、本実施例では、撹拌ロッド７．７・・が、第１
火室１１内を流通する混合液の乱流化を促進する撹拌手
段Ａとして作用することとなっているのである。また、
装置の起動時あるいは停止時等において、第１火室１１
と第２火室２１との間に高低圧差があまりない時には、
混合液の流動に起因して選択性透過膜３が揺動すること
があるが、この撹拌ロッド７の存在により、第１火室１
１両側の選択性透過膜３．３が接触し合うことか防ｌ−
される。つまり、撹拌ロッド７．７・・は、両選択性透
過膜３．３間の間隔を保持するスペーサとしての作用を
もなすのである。

ついで、図示の液体分離装置の作用を説明する。

まず、フィードタンク５よりフィードポンプ６を介して
混合液供給口１２に連続的に供給されろアルコール水溶
液（即ち、水により希釈されたアルコール）は、その供
給および排出速度に応じて第１火室１１内をゆっくりと
流れる。

一方、第１火室１１へのアルコール水溶液の供給と同時
に、第２火室２１は、減圧手段の作動により略真空状態
となるように減圧され、その結果、選択性透過膜３にお
ける第１次室ｌｌ側と第２火室２１側との間に所定値以
上の圧力差が実現せしめられるようになっている。

そして、上述したように、本実施例における選択性透過
膜３は、分離対象成分である水分子のみを透過させる特
性を有する無定形高分子膜からなっており、その選択特
性に対応した水分子を、面記第１次室１１と第２火室２
１との間の水分子の分圧差に比例した透過速度で第１火
室１１から第２火室２１へ透過させる。かくして、第１
火室１１から第２火室２１への水分子の透過分離により
、第１次室ｔｌを流通するアルコール水溶液は濃縮され
て高濃度のアルコールとなって排出口１３から排出され
る。

この場合における水分子の透過は、高圧側から低圧側へ
の吸引エネルギーによる選択性透過膜３表面への水分子
の吸着、溶解作用に伴う分子多動による水分子の選択性
透過膜３中への溶は込み、該選択性透過膜３中における
水分子の低圧側への拡散および選択性透過膜３の低圧側
表面からの水分子の脱離という過程を順次径て行なわれ
る。上記の如き水分子透過のメカニズムにおけろ透過速
度は種々の要因に依存することがわかっているが、透過
速度を支配する重要な要因として、選択性透過膜３の高
圧側と低圧側とにおける分離対象成分（本実施例の場合
、水分子）の分圧差がある。該分圧差は、選択性透過膜
３の高圧側と低圧側とにおける分離対象成分の濃度差に
より決定されることは良く知られている事実である。

ところが、選択性透過膜３を介しての水分子の選択透過
が連続的に行なわれると、選択性透過膜３の第１火室１
１側（即ち、高圧側）に水分子か欠乏した層（換言すれ
ば、アルコール濃度の高い層）が生成されることとなる
。これは、一般に濃度境膜と呼ばれるものであり、該濃
度境膜の生成により選択性透過膜３の高圧側、と低圧側
とにおける分離対象成分（＋分子）の濃度差が極めて小
さくなり、水分子の透過速度が著しく低下してしまうと
いう問題が生しる（第７図参照）。」二足の如き濃度境
膜の生成は、流通流体か層状流をなしている場合に顕著
であり、流通流体の乱流化を促進ケることで、濃度境膜
の生成は阻止される。

従って、本実施例の如く、１１；ｉ記第１フレーム１に
より形成される第１次室ｌｌ内に、混合液流路の中心部
において前記第１フレーム１の上下枠体Ｉ　ａ、　ｌ　
ｂ間に架設され、前後方向（換言すれば、混合液流通方
向）に所定間隔を保って並設された複数本の撹拌ロンｌ
；’　７　、７・・を設けると、第１火室１１内におい
て供給口１２から排出口Ｉ３に至る混合液流路が、前記
撹拌ロッド７．７・・により拡大・縮小を繰り返すこと
となり、選択性透過膜３の第１次室ＩＩ側表面と傍にお
けろ流速増反により乱流化が促進されることとなる。該
乱流化の促進により選択性透過膜３の高圧側（換言すれ
ば、第１次室ｌｌ側）におけろ濃度境膜の生成が阻＋ｈ
されることとなり、選択性透過膜３の高圧側表面への分
離対象成分（水分子−）の補給が連続的に行なわれるこ
ととなるのである。従って、選択性透過膜３の高圧側と
低圧側とにおける分離対象成分の濃度差を常に所定値以
−Ｌに維持し得ることとなり、透過速度および透過効率
の向上を図り得ることとなるのである。

また、装置の起動時あるいは停止時におけるように、第
１火室１１と第２火室２１との間の高低圧差があまりな
い時には、第１火室１■を流通する混合液の流動により
選択性透過膜３．３か揺動することがあるが、前記撹拌
ロッド７がスペーサとしての作用することにより、内選
択性透過膜３゜３の接触が防止されることとなり、耐久
性向上にも寄与する。

実施例２ 第３図および第４図には、本発明の実施例２にかかる液
体分離装置が示されている。

本実施例の液体分離装置の場合、第１次室ｉｌ内に設け
られる撹拌ロッド７が、前記実施例１のものに比べて極
めて小径とされており、しかも、第１次室ＩＩの両側に
配設された選択性通過膜３３の表面近傍位置に並設され
ている。つまり、第１フレームｌの上下枠１　ｃ、　Ｉ
　ｄ間において、選択性通過膜３．３に近接した位置に
、複数本の７．７・・か混合液の流通方向に所定間隔を
保って２列縦隊に並設されているのである。その他の構
成は、１ｉｉｉ記実施例１の６のと同様なので、重複を
避けるため説明を省略４−る。

上記の如く構成したことにより、本実施例の１夜体分雌
装置においては、第１火室＋１内を流通−４ろ混合液（
アルコール水溶液）ｈ（、選択性通過膜３゜３の表面近
傍において撹拌ロンドア、７・・に衝突して乱流化され
ろこととなり、前述の実施例Ｉの場合よりより効果的に
濃度境膜の生成が阻止されることとなる。なお、本実施
例における撹拌ロッド７．７・・ら、前記実施例１にお
けろ場合と同様に選択性透過膜３．３間の間隔を保持す
るためのスペーサとしての作用を何している。

実施例３ 第５図および第６図には、本発明の実施例３にかかる液
体分離装置が示されている。

本実施例の液体分離装置の場合、第１次室ｌｌ内には、
該第１次室１１における混合液流路の中心部位にケ設さ
れ且つ混合液の流れに直交する方向に延びる交互に連続
した凹条８ａおよび凸条８１）を有する波板部材８が設
けられている。該波板部材８は、第１次室ＩＩを流通す
る混合液の乱流化を促進する撹拌手段Ａとして作用する
ものである。

つまり、第１フレームｌの上下枠１ｃ、ｌｄ間において
、混合液流路の中心部位に波板部位８が架設されている
のである。その他の構成は、前記実施例１のものと同様
なので、重複を避けるため説明を省略する。

上記の如く構成したことにより、本実施例の液体分離装
置においては、第１火室１１内を流通する混合液（アル
コール水溶液）が、波板部材８の凹条８ａおよび凸条８
ｂにより乱流化されることとなり、前述の実施例１の場
合と同様に濃度境膜の生成が阻止されることとなる。な
お、本実施例における波板部材８も、前記実施例１にお
けろ場合と同様に選択性透過膜３，３間の間隔を保持す
るためのスペーサとしての作用を有している。

上記説明においては、アルコール水溶液から水成分を分
離して高濃度のアルコールを得ろ場合に適用されるもの
を実施例としているが、本発明は、選択性透過膜の材質
を適当に選定することにより、その他の混合液（例えば
、共沸混合液、近沸点混合液等）から特定の成分を分離
するものにも適用可能なことは勿論である。

また、本発明は、上記各実施例の構成に限定されろもの
ではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜設
計変更可能なことも勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１にかかる液体分離装置のモジ
ュール構造を示す分解斜視図、第２図は第１図図示の液
体分離装置の横断面図、第３図は本発明の実施例２にか
かる液体分離装置のモジュール構造を示す分解斜視図、
第４図は第３図図示の液体分離装置の横断面図、第５図
は本発明の実施例３にかかる液体分離装置のモジュール
構造を示す分解斜視図、第６図は第５図図示の液体分離
装置の横断面図、第７図は選択性透過膜の境界面におけ
る水分子の濃度差と水分子の透過速度との関係を示す特
性図である。 ３・・・・・・・選択性透過膜 ７・・・・・・・撹拌ロッド ８・・・・・・・波板部材 ８ａ・・・・・・凹条 ８ｂ・・・・・・凸条 ＩＩ・・・・・・第１次室 ２】・・・・・・第２次室 Ａ・・・・・・・撹拌手段 第２図 第４図 ２１第２次′Ｊ６ 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、分離すべき液体とその他の液体とを含む所定の混合
   液が供給される高圧側の第１次室（１１）と、該第１次
   室（１１）に対して分離すべき液体を選択的に透過させ
   る選択性透過膜（３）を介して接する低圧側の第２次室
   （２１）とを備えてなる液体分離装置であって、前記第
   １次室（１１）内には、該第１次室（１１）へ供給され
   る混合液の乱流化を促すべく作用する撹拌手段（Ａ）を
   配設したことを特徴とする液体分離装置。 ２、前記請求項１記載の液体分離装置において、前記撹
   拌手段（Ａ）が、第１次室（１１）内における混合液流
   路の中心部位に混合液の流れと直交する如く立設された
   複数の撹拌ロッド（７）、（７）・・からなっているこ
   とを特徴とする液体分離装置。 ３、前記第１項記載の液体分離装置において、前記撹拌
   ロッド（７）、（７）・・が、前記選択性透過膜（３）
   の第１次室（１１）側表面近傍に混合液の流れと直交す
   る立設されていることを特徴とする液体分離装置。 ４、前記第１項記載の液体分離装置において、前記撹拌
   手段（Ａ）が、前記第１次室（１１）内における混合液
   流路の中心部位に立設され且つ混合液の流れに直交する
   方向に延びる交互に連続した凹条（８ａ）および凸条（
   ８ｂ）を有する波板部材（８）からなっていることを特
   徴とする液体分離装置。