JPH07100134B2 - 溶液分離装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、浸透気化法によって混合溶液から混合成分を
分離するようにした溶液分離装置に関するものである。

［従来の技術］ 浸透気化法（パーベーパレーション）は、例えば水の混
入したアルコールから水を分離除去する場合等に適用さ
れる。従来では、第３図に示すように、アルコールｄと
水ｅの混合溶液Ｄを溶液流通系路21内に流通させ、その
系路途中に図のような分離手段22を介設しておくのが一
般的である。この分離手段22は、混合溶液Ｄから水ｅだ
けを選択透過させ得る機能膜23を流通系路21に臨んで設
け、この機能膜23の外側を、冷却装置24とセパレータ25
とを介して真空ポンプ26で排気する構成になっている。

これにより、アルコールｄ中に混在する水分ｅは、真空
ポンプ26の連続的な吸引力によって逐次機能膜23から外
側へ浸透気化するとともに、真空ポンプ26の吸入口に至
る前に、冷却装置24で凝縮されて液化し、セパレータ25
で分離除去されることになる。

この手法によれば、醸造したアルコールを変質させずに
濃縮することが可能になるほか、他の機能膜を用いれ
ば、それらに応じた種々の用途に発展させることが期待
できるものである。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、浸透気化法として図示のような構成を採用す
ると、冷却効率と排気効率の２点で問題が生じる。

前者の問題は、排気と冷却とを同一ライン上で行なって
いることに原因がある。すなわち、この構成によると、
冷却装置24に入る水蒸気ｅは減圧されて部分圧力が低く
なった状態にあるため、凝縮温度は常温下の値を下回っ
ており、通常の冷却程度では液化しなくなる。このた
め、特に大量に溶液分離を行なう場合には、非常に大き
な冷却装置24を設けなければならないという不都合が生
じる。また、混合溶液Ｄの蒸発潜熱がこれに与える影響
も無視できない。

後者の問題は、セパレータ25で除去されない水分ｅが真
空ポンプ26内に回り込んだ場合に生じる。この場合、前
者の不都合によってその量が多くなる程効率低下が顕著
になり、ポンプ26をフル回転させても、空転するだけで
圧力が下がらない事態が生じる。これは、真空ポンプ26
の吸気側Ｘを、空気が円滑に流通しない閉路構成にして
いる点にも問題があり、真空ポンプ26内が希薄になると
やはり空転する。これらの状態を回避するためには、ポ
ンプ容量を大きくする以外にはなく、やはり冷却装置24
と同様、大形化を避けることができない。

さらに、真空ポンプ26からの大気放出を低温低圧のまま
行なうとシステム効率が低下するため、図示以外に加熱
手段を設けるようにしているが、これによって、冷却装
置と加熱装置とを別途設けるといった無駄が生じる。

以上述べた不具合は、水とアルコールの混合溶液に限ら
ず、図示の装置を用いて浸透気化を行なおうとる場合に
全般的に起こり得るものである。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので
あって、これらを好適に解決することを目的としてい
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、かかる目的を達成するために、次のような構
成を採用したものである。

すなわち、本発明の溶液分離装置は、主成分と混合成分
との混合溶液を流通させる溶液流通系路と、シャフトに
よってタービンとコンプレッサを単軸結合するとともに
タービンで断熱膨脹した気体を低圧系路を介してコンプ
レッサに導入するようにした加減圧機構と、前記混合溶
液に対してその主成分は透過せずに混合成分のみを選択
的に透過し得る機能膜と、この機能膜を介して前記溶液
流通系路内を流通する混合溶液と前記低圧系路内を流通
する気体とが間接的に接触し得るように構成した分離室
と、この分離室よりも下流側における前記低圧系路中に
介設した混合成分抽出手段とを具備してなることを特徴
としている。

［作用］ タービンで断熱膨脹した低温低圧の気体は分離室に導入
される。分離室では、機能膜を隔てて気体と混合溶液と
が間接的に接触するので、機能膜からは混合成分が溶液
流通系路側から低圧系路側に浸透気化してくる。気体
は、この混合成分を連行して混合成分抽出手段に入る。
ここで気体中の混合成分が除去される。そして、最後に
気体はコンプレッサに導入されて断熱圧縮され、しかる
後大気放出される。一方、前記分離室からは、混合成分
の分離された、主成分濃度の高い溶液が得られることに
なる。

しかして、このような構成であれば、タービンによる断
熱膨脹は冷却と減圧とを同時に効率良く行ない得るもの
であるため、システムの大形化を招かずに、浸透気化に
必要な低圧状態と混合成分の凝縮に必要な低温状態とを
比較的容易に得ることができる。

そして、これにより混合成分の分離が効果的に行なわれ
ると、コンプレッサに回り込む蒸気は極めて微量になる
ので、蒸気がコンプレッサの圧縮能力に悪影響を及ぼす
ことは殆ど考えられない。しかも、低圧系路はタービン
からコンプレッサまで接続され、空気が常に流通してい
る状態にしてあるため、コンプレッサ内が必要以上に希
薄になって空転するといったことも本来的に起こり得な
い。また、コンプレッサで気体を断熱圧縮すると、加熱
手段を設けずとも昇温昇圧が行なわれるので、大気放出
が容易となり、しかもその際、タービンとコンプレッサ
はシャフトによって単軸結合されているので、タービン
の発生動力はシャフトを介してコンプレッサに入力さ
れ、断熱圧縮のエネルギーとして使用される。したがっ
て、この構成によれば、冷却装置と加熱装置とを別途に
設けるといった無駄がない上に、エネルギーの有効利用
によってシステム効率が大幅に向上される。

以上をまとめると、次のようにする。すなわち、従来の
装置では、冷却手段や排気手段を付設した場合に、シス
テム構成上生じる既述の不具合によってそれらの能力を
十分発揮し得なくなる状態が生じ、これを補うために必
要以上に大きな容量のものを使用しなければならなかっ
た。これに対し、この装置によれば、システム上の不具
合を伴なわないため、タービンコンプレッサの能力がい
かんなく発揮され、設備を必要最少限の容量でまかなう
ことが可能になるとともに、これに加え、タービンとコ
ンプレッサとの単軸結合からエネルギー回収が行なわれ
る等の、システム効率を向上させるための他の効果も付
随して得られるので、結果として、容量のわりには浸透
気化能力の大きいシステムが実現されることになる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

この溶液分離装置は、第１図に示すように、主成分ａと
混合成分ｂとの混合溶液Ａを流通させる溶液流通系路１
と、シャフト２によってタービン３とコンプレッサ４を
単軸結合するとともにタービン３で断熱膨脹した気体Ｃ
を低圧系路５を介してコンプレッサ４に導入するように
した加熱圧機構６と、前記混合溶液Ａに対してその主成
分ａは透過せずに混合成分ｂのみを選択的に透過し得る
機能膜７と、この機能膜７を介して前記溶液流通系路１
内を流通する混合溶液Ａと前記低圧系路５内を流通する
気体Ｃとが間接的に接触し得るように構成した分離室８
と、この分離室８よりも下流側における前記低圧系路５
中に介設した混合成分抽出手段９とを具備して構成さ
れ、この他に、再生熱交換器10と、モータ駆動によるコ
ンプレッサ11を備えている。

具体的に気体Ｃの流れに沿って説明すると、気体Ｃはタ
ービン３に導入されて該タービン３に対して仕事をし、
この際に断熱膨脹して低温低圧の気体になる。この気体
Ｃは、低圧系路５に沿って先ず再生熱交換器10の低温側
に案内される。ここで、分離室８から出てくる比較的高
温の、混合成分ｂを含んだ気体Ｃと熱交換して昇温した
後、該分離室８へ向かう。この分離室８は、内部を機能
膜７によって２つの流路に区画してあり、その一方の流
路に気体Ｃが、その他方の流路に混合溶液Ａがそれぞれ
導入され得るように、低圧系路５と溶液流通系路１とが
接続してある。そして、両系路５、１内を流通する気体
Ｃおよび混合溶液Ａが、前述したようにこの機能膜７を
介して間接的に接触し得るように構成してある。また、
機能膜７は、混合成分ｂに対してのみ選択透過性を有し
たもので、例えばａがアルコール、ｂが水であれば、機
能膜７にはキチン膜やアルギン酸膜を始め、ポリ塩化ビ
ニル等を原料とする高分子膜を適用することができる。
特に、ポリ塩化ビニルを原料とした高分子膜には、アル
コール濃度を80％にまで濃縮し得る高水準の浸透気化能
力を発揮するものがあり、かかる混合物Ａの分離には好
適に使用することができる。これは、アミノ酸の一種で
あるサルコシンと二酸化炭素、水酸化ナトリウムから合
成した化学物質をポリ塩化ビニールと反応させることに
より作られる。

そして、この分離室８で、機能膜７から混合成分ｂが溶
液流通系路１側から低圧系路５側に浸透気化してくるの
で、気体Ｃはこの混合成分ｂの蒸気を連行して前述した
再生熱交換器10の高温側に入る。ここで、気体Ｃはター
ビン３からの低温気体Ｃによって混合成分ｂとともにそ
の凝縮温度以下に冷却される。これによって混合成分ｂ
は液化し、次に配置した混合成分抽出手段９内に導入さ
れて、ここで除去される。この抽出手段９は、気体Ｃか
ら混合成分ｂを分離するセパレータ9aと、分離した混合
成分ｂを吸い出すポンプ9bと、吸い出した混合成分ｂを
外部に排出する抽出系路9cとから構成されている。

かくして、溶液分離に寄与した気体Ｃは、前記コンプレ
ッサ４に導入されて断熱膨脹され、さらに、次段に連設
してある、モータ11aを駆動源とするコンプレッサ11で
大気圧にまで昇圧された後、大気放出される。一方、前
記分離室８からは、混合成分ｂの除去された、主成分ａ
の濃度が極めて高い溶液が得られることになる。

しかして、このような構成のものであれば、タービン３
による断熱膨脹は冷却と減圧とを同時に効率良く行ない
得るものであるため、このシステムを大形化せずに、浸
透気化に必要な低圧状態と混合成分ｂの凝縮に必要な低
温状態とを比較的容易に得ることができる。

そして、これにより混合成分ｂの分離が効果的に行なわ
れると、コンプレッサ４に回り込む蒸気ｂは極めて微量
になるので、コンプレッサ４の圧縮能力に悪影響を及ぼ
すことは殆どない。しかも、低圧系路５はタービン３か
らコンプレッサ４までを接続することによって該コンプ
レッサ４に常に空気が供給される状態にしてあるため、
コンプレッサ４内が必要以上に希薄になって空転すると
いったことも本来的に起こり得ない。また、コンプレッ
サ４、11による断熱圧縮を利用すると、別段の加熱手段
を設けずとも気体Ｃが昇温昇圧されるので、これによっ
て大気放出を容易に行なうことが可能となる。しかも、
タービン３とコンプレッサ４はシャフト２によって単軸
結合されているので、タービン３の発生動力はシャフト
２を介してコンプレッサ４に伝えられ、断熱圧縮の際の
エネルギーとして使用される。したがって、この構成に
よれば、冷却装置と加熱装置とを別途に設けるといった
無駄がなく、システム効率が大幅に向上される。

以上によって、この溶液分離装置は、タービンコン３と
プレッサ４、並びに低圧系路５とにより構成された加減
圧機構６の機能を、その各部位において最大限に有効利
用することができるので、エネルギー消費が少なく、シ
ステムの効率が従来に比して大幅に改善されることにな
り、結果として、設備を大形化することなく浸透気化能
力の向上を図り得るものとなる。また、これによって大
量処理等も容易に行なうことが可能となる。

なお、タービン３およびコンプレッサ４は多段に構成し
てもよく、また必要に応じて、コンプレッサ４とコンプ
レッサ11との間に第２図に示すような再凝縮部12を追加
してもよい。さらに、選択透過膜は多種類の成分の中か
ら１または複数種類の成分を透過させるようなものであ
っても勿論構わない。その他、分離室内の流路を対向流
となるように設ける等、各部の構成は図示実施例のみに
限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形
が可能である。

［発明の効果］ 本発明は、以上のような構成により、システム効率を改
善して、装置の大形化を招くことなく浸透気化能力を向
上させた溶液分離装置を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すシステム構成図、第２
図は他の実施例を示す部分的なシステム構成図、第３図
は従来の装置を示すシステム構成図である。 １……溶液流通系路、２……シャフト ３……タービン、４……コンプレッサ ５……低圧系路、６……加減圧機構 ７……機能膜、８……分離室 ９……混合成分抽出手段 Ａ……混合溶液、ａ……主成分 ｂ……混合成分、Ｃ……気体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主成分と混合成分との混合溶液を流通させ
   る溶液流通系路と、シャフトによってタービンとコンプ
   レッサを単軸結合するとともにタービンで断熱膨脹した
   気体を低圧系路を介してコンプレッサに導入するように
   した加減圧機構と、前記混合溶液に対してその主成分は
   透過せずに混合成分のみを選択的に透過し得る機能膜
   と、この機能膜を介して前記溶液流通系路内を流通する
   混合溶液と前記低圧系路内を流通する気体とが間接的に
   接触し得るように構成した分離室と、この分離室よりも
   下流側における前記低圧系路中に介設した混合成分抽出
   手段とを具備してなることを特徴とする溶液分離装置。