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JP2010508137A - 液体の精製のための膜蒸留方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、膜蒸留によって液体を精製するための方法であって、
液体の加熱された蒸発しているストリーム（濃縮物ストリーム）を多孔性の疎水性膜（１０）に沿う濃縮物チャンネルに通し、それによって前記液体の蒸気が前記膜の孔を介して前記膜の他の側に流れること、及び前記膜の前記他の側で前記蒸気を凝縮して、凝縮物チャンネル（５）中に凝縮物ストリームを与え、前記凝縮物は凝縮器表面（３）に向かって凝縮熱（潜熱）を渡すことによって生成され、前記凝縮器表面は、精製されるべき液体の供給物ストリームと前記凝縮物ストリームとの間に非多孔性分離を形成し、前記供給物ストリームは、前記濃縮物ストリームと向流で供給物チャンネル（２）に通され、その供給物チャンネル内にスペーサ物体（４）が配置され、それによって前記潜熱の少なくとも一部分は、前記凝縮器表面を介して前記供給物ストリームに移され、及びそれによって前記濃縮物ストリーム（９）と前記供給物ストリームとの間に正の液体圧差が、濃縮物チャンネル及び供給物チャンネルのそれぞれの少なくとも一部分に亘って、前記濃縮物チャンネル及び前記供給物チャンネルの対応する点でかけられることを含む、前記方法を提供する。本発明はさらに、前記方法において使用するために適切な装置を提供する。

【選択図】図２

Description

本発明は、膜蒸留によって液体を精製するための、特に海水若しくは汽水又は工程用水から脱塩水を生成するための方法、及びそのような方法を実行するための装置に関する。
膜蒸留は、非選択的な、多孔性の膜が使用されるという点で、既知の蒸留技術（例えば、多段フラッシュ、多重効用蒸留及び蒸気圧縮）と異なる。この膜は、暖かい、蒸発している濃縮物ストリームと凝縮された製品（凝縮物ストリーム）との間に分離を形成する。材料（通常、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリビニリデンフロリド又はポリテトラフルオロエテン）の適切な選択の結果として、孔（0.00001〜0.005 mm、通常0.0001〜0.0005 mmの直径）は、液体によって湿らされていない；蒸気だけが該膜を通る。
膜蒸留は、米国特許第3,334,186号明細書に最初に記載された。目的は、空気を満たされた多孔性の疎水性膜の使用によって海水脱塩の効率を改善することであった。本該明細書に関係する方法は、いわゆる直接接触膜蒸留であった：温かい海水ストリーム及び冷たい凝縮物ストリームは両方とも、膜との直接接触にある。
疎水性の、非常に多孔性の膜の新しい世代が入手可能になったときに、膜蒸留における実質的な関心が1980年代中頃に生じた。しかしながら、研究は膜蒸留が競合技術よりも少なくとも高価であることを示し、それ故に商業的用途がなかった。
４つのタイプの膜蒸留が、区別されうる：
１．直接接触膜蒸留(DCMD)、それでは、温かい、蒸発しているストリーム、及び、冷たい凝縮物ストリーム（蒸留物ストリーム）の両方が、膜と直接接触する。
２．空気ギャップ膜蒸留(AGMD)、それでは、凝縮器表面が空気ギャップによって膜から分離される。
３．スイープガス式膜蒸留(SGMD)、それでは、凝縮物が不活性ガスによって蒸気状態で除去される。
４．真空膜蒸留(VMD)、それでは、凝縮物が真空によって蒸気状態で除去される。
今まで、直接接触膜蒸留は、最も多く注目されている。
この点において、例えば米国特許第4,545,862号明細書が参照されることができ、該明細書は、平らなモジュール及び（平膜を有する）らせん状に巻かれたモジュールの両方を記載する。そのようなモジュールが、塩水脱塩について試験された。これらの試験のために、凝縮物ストリームは向流で供給された海水ストリームから、蒸発している濃縮物に分離され、従って海水ストリームは有効に凝縮熱を吸収した。この特許では、毎時、総膜表面積ｍ２当たり2.21リットルの流速が、温かい凝縮水と４℃の海水との間の温度差ΔＴで達成され、生成された凝縮物ｋｇ当たり２１２キロジュールのみのエネルギー消費をもたらしたという実施例が記載されている。これらのデータから、比流速が、0.09 m/sの濃縮物チャンネルの比較的高い平均速度で、総計1.30.10−１０m３/m２.s.Paになることが計算されうる。比流速は、濃縮物ストリームと供給物ストリームとの大部分の間の単位水蒸気圧力差当たり、単位膜表面積当たりの凝縮物流速として定義される。
平膜の使用に加えて、直接接触膜蒸留のための中空糸膜の利点が知られている。膜ファイバーのコンパクトな包装の結果、m３当たり500m２までの表面積が得られることができ、それはより低い機器費用を可能にする。その上、直接接触膜蒸留モジュールを熱交換モジュールと周期的に組み合わせること、従って凝縮熱を回収することが提案されている（K. Schneider, T. J. van Gassel, Membrandestillation, Chem. Ing.Tech. 第56巻 (1984年) 第514〜521頁を参照）。また、供給液体を脱ガスすること、及び減圧下で凝縮物ストリームをポンプ排出することによってDCMDの孔内に減圧をもたらすことが示唆され、該手段は凝縮物流速を２倍にすること示された。海水淡水化について、毎時当たり、m２当たりおよそ5リットルの凝縮物流速が20℃のΔT(蒸気圧力で5kPa差)及びkg水当たり1,000kJ以上の特定のエネルギー消費について得られたことが見つけられた。
1984年以来、DCMDに関する従来技術に認められる進展はほとんどなかった。
空気ギャップ膜蒸留は、1971年に、英国特許出願第1 225 254 A号明細書に最初に記載された。空気ギャップの使用に加えて、供給物及び濃縮物の向流(従って潜熱の回収)が既に提案されている。さらに、AGMDは、1982年に、独国特許出願第3,123,409号明細書(シーメンス)に記載された。この出願は、平らな多孔性膜と冷たい凝縮表面との間に、空気又は任意的により軽いガス（例えば水素）で満たされた(3mmの厚さを備えた)ギャップの使用に関する。目的は、膜を通じて伝導によりかなりの熱の輸送を低減することであった。伝導による熱輸送が蒸発によるそれとほぼ等しかったことが実験的に確証された。その上、蒸発しているストリームに向流で入来海水を供給すること、従って熱を回収することが提案された。熱源として太陽熱の使用がまたクレームされた。理論的な例は、毎時m２当たり3.36kgの凝縮物流速が5℃の温度差ΔTで達成され、およそ4.9％の回収及び生成された水のキログラム当たり850kJを超えるエネルギー消費を伴うことが記載されている。
欧州特許出願第0 164 326号明細書は、膜蒸留とともに空気ギャップを使用すること、様々な特徴が同心チューブの形状で構築されることを記載する。この変形例（その中で平膜の束が使用される）が、文献「Design and field tests of a new membrane distillation desalinationprocess」、(Desalination、第56巻、(1985年)、第345〜354頁)に記載されている。そこで、蒸発の熱の回収が可能でないことの結果として、海水及び濃縮物の向流の原理が放棄されたことは著しい。次に、エネルギー消費図も与えられていない。国際特許出願公開WO 8607585 A号パンフレット(1986年)は、上記仕事について使用された同じモデルデータに基づき、しかし0.2〜1.0mmの空気ギャップ厚さが高い流速及びかなりの熱の低い損失(目標は300〜800kJ/kg水である)の両方を達成するために必要とされることがこれらから推定される。あまりにも楽観的な見方がされた結果として、熱い及び冷たい壁での及びそれらの中の温度変化のモデルにおいて考慮されていなかった。
米国特許第4,879,041号明細書では、空気ギャップ膜蒸留は、特に、半導体産業のための超純水を調製するために記載されている。ここで、大量輸送と熱輸送での空気ギャップの厚さの影響は、平膜シートを使用する場合に、3〜10mmの領域内で調査された。輸送が5mm未満の厚さでの拡散によって及び5mm以上の厚さでの自由対流によって決定されることがこれらの調査から結論付けられた。測定された性能は、並であった：およそ20kPaの蒸気圧差について毎時、m２当たり3.6kgの最大凝縮物流速。ここで再び、凝縮熱は回収されず、及びそれ故に、膜なしに慣用の多段蒸留へのスイッチバックが数年後にあったことはまた驚くべきことでない。
この文献に基づいて、空気ギャップシステムについての選択は、低いエネルギー消費が重要な要求である場合に明白な選択でないことが欧州特許出願1 185 356号明細書において結論付けられた。しかしながら、最近の文献は、低いエネルギー消費を得るために、真空を備えている又は備えていない空気ギャップが凝縮物に向かう凝縮水ストリーム及び／又は供給物ストリームからの顕熱の流れを減少することが必要であることを教示する（C. M. Guyt, Influence of membrane properties and air gap on theperformance of a membrane distillation module, Thesis University of Twente,2003年; K. W. Lawson, D. R. Lloyd, Membrane distillation, Review, J. Membrane Science 第124巻 (1997年) 第1〜25頁）。
米国特許第3,334,186号明細書 米国特許第4,545,862号明細書 英国特許出願第1 225 254 A号明細書 独国特許出願第3,123,409号明細書 欧州特許出願第0 164 326号明細書 国際特許出願公開WO 8607585 A号パンフレット 米国特許第4,879,041号明細書 欧州特許出願1 185 356号明細書
K. Schneider, T.J. van Gassel,Membrandestillation, Chem. Ing. Tech. 第56巻 (1984年) 第514〜521頁 Design and field tests of a new membrane distillation desalinationprocess (Desalination 第56巻(1985年) C.M. Guyt, Influence of membrane properties and air gap on theperformance of a membrane distillation module, Thesis University of Twente,2003年 K. W. Lawson, D. R. Lloyd, Membrane distillation, Review, J.Membrane Science 第124巻 (1997年) 第1〜25頁
しかしながら、本発明の目的は、直接接触膜蒸留の性能（比流速、又は単位駆動力当たり、単位膜面積当たりの凝縮物流速）における進歩を達成し、従って、そのような膜蒸留システムの費用及びエネルギー消費の両方を明らかに減少させることである。
驚いたことに、従来技術とは逆に、膜蒸留モジュール内の液体圧の特定の管理形態が維持される方法によって確立されうる。
従って、本発明は、膜蒸留によって液体を精製するための方法であって、
− 液体の加熱された蒸発しているストリーム（濃縮物ストリーム）を多孔性の疎水性膜に沿う濃縮物チャンネルに通し、それによって上記液体の蒸気が上記膜の孔を介して上記膜の他の側に流れること、及び
− 上記膜の上記他の側で上記蒸気を凝縮して、凝縮物チャンネル中に凝縮物ストリームを与え、上記凝縮物は凝縮器表面に向かって凝縮熱（潜熱）を渡すことによって生成され、上記凝縮器表面は、精製されるべき液体の供給物ストリームと上記凝縮物ストリームとの間に非多孔性分離を形成し、上記供給物ストリームは、上記濃縮物ストリームと向流で供給物チャンネルに通され、その供給物チャンネル内にスペーサ物体が配置され、それによって上記潜熱の少なくとも一部分は、上記凝縮器表面を介して上記供給物ストリームに移され、及びそれによって上記濃縮物ストリームと上記供給物ストリームとの間に正の液体圧差が、濃縮物チャンネル及び供給物チャンネルのそれぞれの少なくとも一部分に亘って、上記濃縮物チャンネル及び上記供給物チャンネルの対応する点でかけられること
を含む、上記方法に関する。
本発明に従って、優れた性能が確立されうる。この観点において、1.5.10 −１０ m３/m２.s.Paよりも高い比流速が確立されうることが観察され、それは既知の工程において類似の工程状態で得られる流速よりも典型的に約50％高い。比流速は、濃縮物ストリーム及び供給物ストリームの大部分の間に単位水蒸気圧力差当たり、単位膜表面積当たりの凝縮物流速として定義される。
好ましくは、濃縮物ストリームと供給物ストリームとの間に正の液体圧差が、濃縮物チャンネル及び供給物チャンネルの総長のそれぞれの少なくとも５０％に亘って、及びより好ましくは濃縮物チャンネル及び供給物チャンネルのそれぞれの総長の少なくとも７５％に亘って、濃縮物チャンネル及び供給物チャンネルの対応する点でかけられる。
本発明に従って、特定の魅力的な結果は、多孔質膜が50〜1000μｍの厚さを有している場合に得られる。好ましくは、多孔質膜は、100〜600μｍ、より好ましくは125〜500μｍ、及び最も好ましくは150〜400μｍの厚さを有する。
濃縮物チャンネルは、多孔性の疎水性膜（70％よりも大きい、好ましくは80％よりも大きい孔隙率、及び2.0μｍよりも小さい、好ましくは0.01〜0.5μｍの孔サイズ）によって定められる。多孔性の疎水性膜が液体によってぬらすことができないことが認識されるだろう。従って、蒸気のみ（液体でない）が、そのような膜を通しうる。関係のある膜は、例えばPTFE、PVDF、PP及びPEなどの材料でできている商業的に入手可能な膜でありうる。本発明に従って使用されるべき多孔質膜は、摩耗に対して膜を保護する及び／又は機械的な支持を与える他の材料（例えば、PP、PETなどの非織布)でラミネートされうる。例えばポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドなどの材料でできているいわゆる非対称の精密濾過及び限外濾過膜がまた使用されうる。この文脈において、例えば被覆又は他の表面修飾によって、これらの膜表面を完全に又は部分的に追加的に疎水性にすることが望ましい。最も単純な実施態様では、濃縮物チャンネルは、並列に置かれた平膜エンベロープ又は中空糸ファイバー又はキャピラリー膜からなる。濃縮物は、エンベロープの内部又はこれらファイバー／キャピラリーの内腔を通じて流れる。非対称の膜が使用される場合、最も狭い孔を備えている膜の活性層は濃縮物側にある。濃縮物チャンネルはまた、平板膜又は膜シートによって、任意的にらせん状に巻かれた構造に形成されうる。
供給物チャンネル（それを介して供給物ストリームが流れる）は好ましくは、同様に、並列に置かれた親水性又は疎水性材料のいずれかで作られた平らなエンベロープ又は中空糸ファイバー／キャピラリーによって形成される。これらのチャンネルの壁は今、非多孔性であり、すなわち蒸気透過性でないか、又は辛うじて蒸気透過性である。典型的に、上記壁がシート又はファイバー／キャピラリー形状のいずれかにおいて、典型的に、10〜2000μｍ、好ましくは20〜200μｍの厚さを有している。それらは、高分子材料（PP、PE、PETなど；例えば熱伝導率を改善するためにフィルター材料を備えている又は備えていない）、金属（鋼、アルミニウムなど)から、又はこの材料のラミネートなどから作られうる。その上、凝縮器物体がそのような形状を与えられうるので、熱伝導についての結果として生じる有効面積は、複数のファイバー／キャピラリーの使用によって、例えば畝、ひだは他の波形による膜面積よりも高い。
本発明に従って、スペーサ物体は供給チェンネル内に配置される。好ましくは、全体の供給物チャンネルがスペーサ物体で充填される。適切には、濃縮物チャンネルにおいて、またスペーサ物体が配置される。好ましくは、全体の供給物チャンネルがスペーサ物体で充填される。さらに、必要であれば、凝縮物チャンネル内で、またスペーサ物体が配置されうる。個々のチャンネルでは、同じタイプのスペーサ物体又は異なるタイプのスペーサ物体が適用されうる。適切には、供給物チャンネル及び凝縮物チャンネルの両方において、同様のタイプのスペーサ物体が適用される。スペーサ物体は適切には、PP、PE、EVAなどのポリマーの、様々な形状での織られた又は不織のフィラメントで作られた網、工業織物などからなりうる。適切な形状は、対称な正方形、長方形、菱形、波状など；また非対称の形状を含み、及びフィラメントが使用されうる。スペーサ物体の好ましい形状は、不織、菱形形状である。
凝縮物ストリームの排出は、凝縮物チャンネル内に施与されている親水性又は多孔性物体（例えば織物又は棒）を介して生じうる。さらに、凝縮物チャンネルを生成された水それ自体以外の材料から空にしておくこと、及び（凝縮物の生産中に構築された）圧力によって、若しくは重力によって、又は吸収によって、凝縮物ストリームを排出することがまた可能である。
本発明に従う方法は、多くの実施態様において実装されうる。適切には、濃縮物ストリームのためのフローチャンネルを制限するために、任意的にらせん状に織られた構造の平膜シート若しくはプレート、又は複数のキャピラリー様チャンネルから構成されるプレート様構造が使用されうる。これに加えて、中空糸又はキャピラリーアレイが使用されうる。同じことが供給物チャンネルに適用され、該供給物チャンネル中では、精製されるべき供給物が濃縮物ストリームと向流で流れ、及び凝縮物チャンネルについて、該濃縮物チャンネルを通って濃縮物（凝縮物）は、濃縮物ストリームと並流で又は向流若しくは交差流のいずれかで流れる。
これらの実施態様は、通常、キャピラリー／中空糸の幾つかの並列なエンベロープ又はアレイで構築され、適切な接合技術（エポキシ、ポリウレタンなどの適切な樹脂を使用してのポッティング；１つ又は２つ／複数の成分組成のいずれかで例えばポリシロキサン、ポリウレタンなどを使用しての接着；ホットメルト材料；熱溶融物体又は超音波圧接技術；及び接合の技術者に既知の全ての他の技術）によって互いに一緒にされる。
本発明に従う方法の第１の実施態様では、加熱されるべき供給物ストリームは、蒸発している濃縮物ストリームに実質的に理想的な向流で流れ、及び凝縮物（蒸留物）ストリームは濃縮物ストリームと並流で及び／又は供給物ストリームに向流で流れ、該手段によって凝縮物ストリームの顕熱が供給物ストリーム内に回収される。
この実施態様に関して、米国特許第4,545,862号明細書が、平らな疎水性の且つ薄いPTFE膜を使用して、平らな及び（好ましくは）らせん状に巻かれたモジュールが施与される方法を記載することが注目される。該方法は、塩水脱塩について試験された。これらの試験について、凝縮物ストリームは、蒸発している濃縮物に向流で供給された海水ストリームから分けられ、従って該海水ストリームは凝縮の熱を有効に吸収する。凝縮物ストリームの２つの放出オプション、すなわちモジュールの冷たい側（供給物の入口、濃縮物の出口）から及びモジュールの熱い側（供給物の出口、濃縮物の入口）の両方を試験後、モジュールの性能（流れ）が、第１のオプションを適用した場合に相当に増加したことが驚くべきことに見つけられた。これは、凝縮器シート（それは非常に柔軟で且つ順応性のある膜材料よりも堅く、従って濃縮物チャンネルを形成するスペーサ物体（網）内に部分的に後者に圧力をかける）の表面に垂直な方向において膜材料の局所的な変形；及び濃縮物及び凝縮物ストリームの並流の適用による「ミルキング」効果に貢献し、凝縮物を吐き出すことを「強要する」。さらに、米国特許第4,545,862号明細書において、潜熱の回収は、供給物及び濃縮物ストリームの向流によって達成される。典型的に、該供給物は、濃縮物チャンネルに入る蒸発している濃縮物ストリームの圧力よりも高い圧力下で供給物チャンネル内にポンプ輸送される。
しかしながら、本発明は、濃縮物チャンネル及び供給物チャンネルのそれぞれの少なくとも一部分に亘って上記濃縮物チャンネル及び上記供給物チャンネルの対応する点で、上記濃縮物ストリームと上記供給物ストリームとの間の液体圧差が使用されるという点で上記及び既知の方法と本質的に異なる。そうすることによって、膜は、非浸透性の凝縮器表面に対して又は凝縮器表面と膜との間に置かれた凝縮物放出物体に対して施与される場合に圧力をかけられるだろう。次に、濃縮器壁は、供給物チャンネル内に置かれたスペーサ物体に対して圧力をかけられるだろう。米国特許第4,545,862号明細書では、図１Ａ、図１Ｂ及び図３に示されているように、並びにカラム６、５２〜６３行、及びカラム８、１３〜２４行及び４２〜６８行に記載されているように、この構成は可能でないことが注目される。なぜならば、
− スペーサ物体は供給物チャンネル30中に存在しない。
− 相対的に厄介なコンデンサーシート物体１２が濃縮物チャンネル20におけるスペーサ物体54に対して圧力をかける。
− 供給物と濃縮物との間の圧差の結果として、凝縮器表面に垂直な方角に作用する力は、常に、濃縮物に向かう供給物からである；その場合にのみ、上記した「ミルキング効果」が得られうる。
− これは、濃縮物チャンネルと供給物チャンネルとの間の液体圧差が常に負である
ことであるからである。
本発明では、供給物チャンネルはスペーサ物体を有し、凝縮器シート物体は、濃縮物及び供給物チャンネルの間に正の液体圧差によってこの物体に対して押しつけられ、及びこれによって米国特許第4,545,862号明細書に記載された「ミルキング効果」は得ることが可能でない。さらに、本発明に従うプロセスは、米国特許第4,545,862号明細書に記載されている構成を使用して実行されることができないことが注目される。
本発明に従う方法の他の実施態様では、濃縮物チャンネル内に、更なるチャンネルが配置され、該更なるチャンネルに流体が通され、それによって正の液体圧差が濃縮物ストリームと流体ストリームとの間にかけられる。好ましくは、上記流体ストリームは上記更なるチャンネルを通って上記濃縮物ストリームと並流で通じ、及び該流体ストリームは好ましくは、残留熱ストリーム（廃熱又は温かい液体から得られる熱など）を有する。好ましくは、該更なるチャンネルは非透過性壁を含み、それを通じて、熱い流体が濃縮物ストリームの液圧と等しいか又は好ましくはそれよりもわずかに高い液圧で、濃縮物ストリームと並流で適切にポンプ輸送され、供給／凝縮物／濃縮物チャンネルに余分な、従って有利な圧力をもたらしうる。
この実施態様は、残留熱が完全に利用されること、及び供給物ストリームの入口側に向かう駆動力が上昇する温度差によって維持されることの有利点を有する。これについての適切なモジュールは特別にコンパクトであり且つ費用のかからない構築でありうる。
本発明に従う方法の更なる実施態様では、凝縮物ストリームは凝縮物チャンネルの熱い側で、従って濃縮物ストリームと向流で放出される。この変形は、熱い凝縮物ストリームが生成され、凝縮物ストリームと現在並流で流れる供給物ストリームから潜熱が取り除かれ、それによって供給物ストリームがより多くの顕熱を奪うことができ、従ってより多くの蒸気が凝縮されることができ、より多くの凝縮物を生成する。
本発明に従う方法のさらに他の魅力的な実施態様では、凝縮物ストリームは、凝縮物チャンネルの熱い側で放出される。従って、凝縮物ストリームは、濃縮物ストリームと向流で放出される。適切に、且つ余分な加熱の有り又は無しで、上記凝縮物ストリームは、本明細書に上記されているように、濃縮物チャンネル内に配置される更なるチャンネル内に導入されうる。この実施態様は、より多くの凝縮物が所与の供給物ストリームフローで生産されること、及び供給物ストリームから取られた顕熱が濃縮物ストリームに並流に移転され、従って蒸気形成のために導入されなければならない熱の量を減少し、該方法におけるエネルギー消費の非常に魅力的な縮小をもたらす。
本発明は、特に、海水の脱塩に適している。これについての既存技術（例えば、多段フラッシュ蒸留及び逆浸透）が、事実上最大限度まで最適化されており、及び、単位製品当たりのあまりにも高いエネルギー消費及びあまりにも高い投資レベルの故に、オンショア精製生産技術と比較してあまりにも高価である。本発明の使用によって、素晴らしい結果が、高い流速、低い熱損失、非常に低いエネルギー消費、高い水回収、良い水品質、及び水生産費用における進歩の観点において達成される。該方法は、相対的に低い温度での使用に適している（低位熱、廃熱、太陽熱収集器など）。エネルギー効率における実質的な改良は、特に小規模用途の場合に予想される。
本発明はまた、本発明に従う方法において使用するために適切な装置であって、該装置が、スペーサ物体が供給物チャンネル内に配置されている該供給物チャンネル、凝縮物チャンネル及び濃縮物チャンネルを有するセグメントを有し、上記セグメントが、供給されるべき供給液体のための第１の分配チャンバー、放出されるべき供給液体のための、上記第１の分配チャンバーと反対側に配置された第２の分配チャンバー、供給されるべき濃縮物ストリームのための第３の分配チャンバー、及び放出されるべき上記濃縮物ストリームのための、上記第３の分配チャンバーと反対側に配置された第４の分配チャンバーを有し、上記セグメントは、該セグメント内に上記供給物ストリーム圧力下でポンプ輸送するための第１のポンプ、及び熱交換機及び／又は濃縮物チャンネルの上記分配チャンバー内に（上記供給物チャンネル内の圧力に関係する）高圧下で上記濃縮物ストリームをポンプで排出するための、上記第２の分配チャンバーの下流又は上記熱交換機の下流に配置された第２のポンプを備えられており、上記供給物チャンネルと上記凝縮物チャンネルとの間の壁は、非多孔性膜の形態である凝縮器表面を含み、及び上記濃縮器チャンネルと上記凝縮物チャンネルとの間の壁は多孔性膜を含む、上記装置に関する。
好ましくは、上記多孔性膜は100〜600μｍ、より好ましくは125〜500μｍ、及び最も好ましくは150〜400μｍの厚さを有する。
本発明の非常に魅力的な実施態様では、該装置は、本明細書に上記されているように複数のセグメントを含み、それらは互いに並列に接続されている。その場合、第１のポンプが、一連の接続されたセグメントの上流に適切に配置されており、一方、１以上の更なるポンプが、一連の接続されたセグメントの下流に又は互いに接続された個々のセグメント間に適切に配置されている。濃縮物チャンネル内の圧力対供給物チャンネル内の圧力をより正確に制御するために、１以上のポンプが互いと並列に接続された個々のセグメント間に適用されうることが理解されるであろう。
非常に魅力的な実施態様では、濃縮物チャンネル内に更なるチャンネルが配置され、該更なるチャンネルを流体が通され、それによって流体ストリームは濃縮物ストリームの液圧と等しいか又はそれよりも高い。好ましくは、流体ストリームは、上記濃縮物ストリームと並流で更なるチャンネルに通され、流体ストリームは好ましくは残留熱ストリームを含む。好ましくは、該更なるチャンネルは非透過性壁を含み、それを通じて、熱い流体が濃縮物ストリームの液圧と等しいか又は好ましくはそれよりもわずかに高い液圧で、濃縮物ストリームと並流で適切にポンプ輸送され、膜／凝縮物／濃縮器のチャンネルに余分の、従って有利な圧力をもたらす。
他の魅力的な実施態様では、使用されるべきセグメント（モジュール）の一つの側又は両側から圧力がかけられ、該圧力は、濃縮物ストリームの液圧と等しいか又はそれよりも高い。このように、追加の圧力は、膜／凝縮物／濃縮器のチャンネル上で有利にもたらされる。上記追加の圧力は、使用されるべきセグメントの一つの側又は両側で手段を使用することによって確立されることができ、手段内に適切な流体（例えば油、水、空気、又は他のガス）を導入することによって上記手段の体積が増加されうる。このように、バルーンタイプの構造は、セグメントの一つの側又は両側で得られることができ、該圧力が掛けられた構造は、膜／凝縮物／濃縮器のチャンネルに追加の圧力をもたらす。そのような手段が可撓性材料で通常作られるであろうことが理解されるだろう。
本発明は今、本発明の様々な魅力的な実施態様が示されている図１〜５に基づいてより詳細に記載されるだろう。
本発明の第１の実施態様の膜蒸留装置を示す。 本発明の第２の実施態様の膜蒸留装置を示す。 本発明の第３の実施態様の膜蒸留装置を示す。 本発明の第３の実施態様の膜蒸留装置を示す。 本発明の第４の実施態様の膜蒸留装置を示す。
図１において、「モジュール」と呼ばれる複数の並列に置かれたチャンネル及び物体が、本発明に従い記載される。該モジュールは、冷たい側Ｃ及び熱い側Ｈに分割される。相対的に冷たい供給物ストリーム１が、供給ポンプ１Ｐを使用して、冷たい側Ｃの並列の供給物チャンネル２内にポンプ輸送される。これらの供給物チャンネルは、非多孔性の壁３及びスペーサ物体４によって構築される。これらの供給物チャンネル２では、供給物ストリームは、壁３の他の側にあるより温い凝縮物チャンネル５から熱を取り上げることによって加熱される。従って、徐々に供給物ストリームは熱くなり、そしてポンプ６Ｐを使用して、熱い側Ｈでストリーム６としてモジュールを離れる。このポンプは、供給物チャンネル２における圧力が相対的に低い（典型的に0.1〜3.0バール（絶対圧））ことを吸引によって保証する。相対的に熱い供給物ストリーム６は、熱交換機７内にポンプ輸送され、そこではそれは外部熱入力１５によってさらに加熱され（使用される熱は、廃熱、太陽熱、熱い固体物体などでありうる）、そして相対的に熱い濃縮物ストリーム８として装置を離れる。ストリーム８は熱い側Ｈでモジュールに入り、そして並列に置かれた濃縮物チャンネル９を通じて、ストリーム１と事実上向流で流れる。濃縮物チャンネル９は、蒸気透過性膜１０及びスペーサ物体１１によって構築される。これら濃縮物チャンネルにおいて、水蒸気の蒸発及び水蒸気が純粋の、液体凝縮物１３を形成する凝縮物チャンネル５内への膜１１を通じていくらかの熱伝導の故に、濃縮物ストリーム８は徐々に冷やされる。凝縮物チャンネルは、一つの側にある膜１０及び他の側にある非多孔性凝縮器壁３によって定められる。チャンネル５内で、スペーサ物体１２が配置されうる。しかしながら、これは、本発明の全ての適用において厳密に必要でない。凝縮物チャンネル５における放出された熱は壁３を通じて供給物ストリーム１内にほとんど移転され、供給物チャンネル２において流れる。液体の凝縮物は好ましくは冷たい側Ｃでモジュールを離れ、それによってまたストリーム１３の顕熱が回収され、そしてストリーム１内に移転される。しかしながら、それはまたモジュールのＣ及びＨの両側で放出されうる。この放出は、重力、ポンプ輸送によって、及び／又は生成された水の結果としてチャンネル５内の圧力形成によって生じうる。相対的に冷たい且つ濃縮された濃縮物ストリームは、ストリーム１４として冷たい側Ｃでモジュールを離れる。モジュールの大部分（特に、熱い側Ｈ）について、濃縮物チャンネル９内の絶対的な液圧は、対応する供給物チャンネル２内よりも高い。濃縮物チャンネルにおける典型的な絶対的な液圧は、1.0〜4.0バールである。
図２では、本発明の第２の実施態様が示されている。この実施態様は、濃縮物チャンネル９内の第４のタイプのチャンネル１７の導入によって図１に示されるものと異なる。これらのチャンネル１７内では、液体圧力は好ましくは、チャンネル９の対応する部分内の圧力と等しいか又はそれよりも高い。これは、これらのチャンネル１７内で流体１６（液体若しくはガス又は分散物など）を入れることによって確立されうる。好ましくは、流体１６は、チャンネル９を通じて並流に流れる濃縮物ストリーム８と等しいか又はそれよりも高い温度を有し、従ってストリーム８に熱を渡す。チャンネル１７は、２つの非多孔性の、熱伝導性の、壁３と類似（しかし必ずしも同じでない）の材料から作られている壁２０、及びスペーサ物体１８によって構築される。
図３及び図４は、それぞれ第４のチャンネルを備えていない及び備えている本発明の第３の実施態様を示しており、凝縮物ストリーム１３はモジュールの熱い側Ｈで専ら放出されるという点で図１及び図２に示される実施態様と異なる。
図５では、本発明の第４の実施態様が示されており、第４のチャンネル１７内にポンプ輸送される流体が凝縮物ストリーム１３それ自身であり、それは上記された第３の実施態様に従うモジュールの熱い側Ｈで放出されるという点で図２及び図４と異なる。上記流体（凝縮物ストリーム１３）は好ましくは、熱入力２２を使用して、熱交換装置２１内においてさらに加熱され（両方は、個々に熱入力１５、装置７と同じでありうる）、引き続き、加熱された凝縮物ストリーム２３としてチャンネル１７内に（必要であればポンプ２３Ｐを使用して）ポンプ輸送される。そうすることによって、ストリーム２３のほとんどの熱は濃縮物チャンネル９に移転され、そして冷やされた凝縮物は、ストリーム２４として冷たい側Ｃでモジュールを離れる。
膜蒸留モジュールは、３つの濃縮器エンベロップ（従って３つの供給物チャンネル）を形成するために、６枚のＰＥＴシート（厚さ75μｍ、幅0.50ｍ、長さ1.50ｍ）、及びポリプロピレンスペーサ物体（厚さ2mm）を使用して構築される。さらに、同様のサイズの４枚の多孔性の伸長されたPTFE（孔隙率80%、厚さ120μｍ）が２つの膜エンベロップを形成するために使用され、該エンベロップ内に２つの余分な廃熱チャンネル（図２の「更なるチャンネル」１７）が４枚の追加のＰＥＴシート及び２つのスペーサ物体（厚さ0.8mm）を使用して置かれた。各膜エンベロップ２内に２つのＰＰスペーサ物体（厚さ1.6mm）を使用して、２つの「更なるチャンネル」１７の周りに４つの濃縮物チャンネル９、４つの凝縮物チャンネル５及び３つの供給物チャンネル２を有するモジュールが得られた（図２）。
このようにして得られたモジュールの総膜表面積は、3.0m２であった。人工的な海水での膜蒸留実験が、濃縮物チャンネルにおける55℃の平均温度及び濃縮物チャンネルにおける約0.04 m/sの平均流速で、このモジュールを使用して実行された。従来技術の圧力設定（すなわち、供給物チャンネルにおける圧力が、本発明に従う設定に反して、濃縮物チャンネルにおける圧力よりも高い）を使用して、次の絶対圧が測定された：P-供給物 1 = 1.56 バール、P-供給物 6 = 1.50 バール、P- 濃縮物8 = 1.42 バール、及び P-濃縮物 14 = 1.08バール。1.15.10−１０ m３/m２.s.Paの比流速が測定された。本発明に従う圧力設定を使用して、次の絶対圧が測定された：P-供給物 1 = 0.99 バール、P-供給物 6 = 0.62 バール、P-濃縮物8= 1.54 バール、及び P-濃縮物14 = 1.12 バール。1.70 .10−１０ m３/m２.s.Paの比流速が測定された；これは、従来技術のプロセスに従って得られたよりもほぼ50％高かった。
供給速度が0.06 m/sの濃縮物チャンネルにおける平均流速を得るために増加されたのみで、実施例１において適用された同じモジュール及び同じプロセス条件が使用された。
従来技術の圧力設定（上記を参照）を使用して、下記の絶対圧が測定された：P- 供給物 1 = 2.35 バール、P-供給物 6 = 2.25 バール、P-濃縮物8 = 2.05 バール、及び P- 濃縮物 14 =1.14 バール。1.25.10−１０m３/m２.s.Paの比流速が測定された。本発明に従う圧力設定を使用して、次の絶対圧が測定された：P-供給物 1 = 1.11 バール、P-供給物 6 = 0.73 バール、P-濃縮物8= 1.35 バール、及び P-濃縮物14 = 1.14 バール。1.75 .10−１０ m３/m２.s.Paの比流速が測定された；これは、従来技術のプロセスによって得られたよりも40％高かった。
0.06 m/sの濃縮物チャンネルにおける同じ平均流速を使用して、実施例２に適用された同じモジュール及び同じプロセス条件が使用された。単に今、「更なるチャンネル」における圧力が、濃縮物チャンネルにおけるそれと等しいか又はそれよりも高い値に増加された。従来技術の圧力設定（上記を参照）を使用して、次の絶対圧が測定された：P- 供給物 1 = 1.93 バール、P-供給物 6 = 1.83 バール、P-濃縮物8 = 1.70 バール、及び P- 濃縮物 14 =1.12 バール。1.25.10−１０m３/m２.s.Paの比流速が測定された。本発明に従う圧力設定を使用して、次の絶対圧が測定された：P-供給物 1 = 0.88 バール、P-供給物 6 = 0.49 バール、P-濃縮物8= 1.40 バール、及び P-濃縮物14 = 1.13 バール。第４のチャンネルにおける圧力は、上流で（ライン２３を参照）1.47 バール、及び下流で（ライン２４を参照）1.38 バールであった。1.90.10−１０ m３/m２.s.Paの比流速が測定された；これは、従来技術のプロセスに従って得られた結果と比較された場合に60％以上高かった。
上記結果から、従来技術のプロセスと比較された場合に、かなりの改善が本発明に従って確立されることは当業者にとって明らかであろう。
１ 供給物ストリーム
２ 供給物チャンネル
３ 壁
４ スペーサ物体
５ 凝縮物チャンネル
６ 供給物ストリーム
７ 熱交換機
８ 濃縮物ストリーム
９ 濃縮物チャンネル
１０ 蒸気透過性膜
１１ スペーサ物体
１２ スペーサ物体
１３ 凝縮物ストリーム
１４ ストリーム
１５ 外部熱入力
１６ 流体
１７ 更なるチャンネル
１８ スペーサ物体

Claims (20)

  1. 膜蒸留によって液体を精製するための方法であって、
    液体の加熱された蒸発しているストリーム（濃縮物ストリーム）を多孔性の疎水性膜に沿う濃縮物チャンネルに通し、それによって前記液体の蒸気が前記膜の孔を介して前記膜の他の側に流れること、及び
    前記膜の前記他の側で前記蒸気を凝縮して、凝縮物チャンネル中に凝縮物ストリームを与え、前記凝縮物は凝縮器表面に向かって凝縮熱（潜熱）を渡すことによって生成され、前記凝縮器表面は、精製されるべき液体の供給物ストリームと前記凝縮物ストリームとの間に非多孔性分離を形成し、前記供給物ストリームは、前記濃縮物ストリームと向流で供給物チャンネルに通され、その供給物チャンネル内にスペーサ物体が配置され、それによって前記潜熱の少なくとも一部分は、前記凝縮器表面を介して前記供給物ストリームに移され、及びそれによって前記濃縮物ストリームと前記供給物ストリームとの間に正の液体圧差が、濃縮物チャンネル及び供給物チャンネルのそれぞれの少なくとも一部分に亘って、前記濃縮物チャンネル及び前記供給物チャンネルの対応する点でかけられること
    を含む、前記方法。
  2. 前記濃縮物ストリームと前記供給物ストリームとの間に正の液体圧差が、濃縮物チャンネル及び供給物チャンネルの総長のそれぞれの少なくとも５０％に亘って、前記濃縮物チャンネル及び前記供給物チャンネルの対応する点でかけられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記濃縮物ストリームと前記供給物ストリームとの間に正の液体圧差が、濃縮物チャンネル及び供給物チャンネルのそれぞれの総長の少なくとも７５％に亘って、前記濃縮物チャンネル及び前記供給物チャンネルの対応する点でかけられることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
  4. 前記多孔性膜は100〜600μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記多孔性膜は125〜500μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
  6. 前記多孔性膜は200〜400μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
  7. 前記濃縮物チャンネル内に、更なるチャンネルが施与され、流体ストリームが該更なるチャンネルを通って前記濃縮物ストリームに流れ、それによって前記流体ストリームの液体圧が前記濃縮物ストリームの液体圧に等しいか又はそれよりも高いことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 前記流体ストリームは、前記更なるチャンネルを通って前記濃縮物ストリームと並流で流れ、該流体ストリームは濃縮物ストリームを加熱することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
  9. 前記濃縮物ストリームが残留熱によって加熱されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
  10. 前記凝縮物ストリームが前記凝縮物チャンネルの熱い側で放出され、前記供給物ストリームと並流で流れること特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
  11. 前記凝縮物ストリームは気圧よりも高い圧下で放出されること特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. 前記凝縮物ストリームが前記凝縮物チャンネルの熱い側で放出され、熱が前記放出された凝縮物ストリームに加えられ、及びそのようにして得られた前記加熱された凝縮物ストリームが、前記濃縮物チャンネル内に施与された前記更なるチャンネルを通されること特徴とする、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の方法。
  13. 請求項１〜６、１０及び１１のいずれか１項に記載の方法において使用するために適切な装置であって、該装置が、スペーサ物体が供給物チャンネル内に配置されている該供給物チャンネル、凝縮物チャンネル及び濃縮物チャンネルを有するセグメントを有し、前記セグメントが、供給されるべき供給液体のための第１の分配チャンバー、放出されるべき供給液体のための、前記第１の分配チャンバーと反対側に配置された第２の分配チャンバー、供給されるべき濃縮物ストリームのための第３の分配チャンバー、及び放出されるべき前記濃縮物ストリームのための、前記第３の分配チャンバーと反対側に配置された第４の分配チャンバーを有し、前記セグメントは、該セグメント内に前記供給物ストリームを圧力下でポンプ輸送するための第１のポンプ、及び前記濃縮物チャンネル内に前記濃縮物ストリームを圧力下でポンプ輸送するための、前記第２の分配チャンバーの下流に配置された第２のポンプを備えられており、前記供給物チャンネルと前記凝縮物チャンネルとの間の壁は、非多孔性膜の形態である凝縮器表面を含み、及び前記濃縮物チャンネルと前記凝縮物チャンネルとの間の壁は多孔性膜を含む、前記装置。
  14. 前記多孔性膜は100〜600μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
  15. 前記多孔性膜は125〜500μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
  16. 前記多孔性膜は200〜400μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
  17. 請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の複数のセグメントを含み、該セグメントは互いに並列に接続されていることを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の装置。
  18. 第１の圧力手段が、一連の接続されたセグメントの上流に配置されており、及び１以上の更なるポンプが、一連の接続されたセグメントの下流に又は互いに並列に接続された個々のセグメント間に配置されていることを特徴とする、請求項１７に記載の装置。
  19. 前記濃縮物チャンネル内に、熱移転にもたらされるべき流体ストリームが前記濃縮物ストリームと接触することを許すための更なるチャンネルが配置されることを特徴とする、請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の装置。
  20. 一又は複数のセグメントの一つの側又は両側は、手段内に適切な流体を導入することによってその体積が増加されうる上記手段を含み、それによって運転中に、前記手段の前記増加された体積が、膜／凝縮物／濃縮器のチャンネルに追加の圧力をもたらすことを特徴とする、請求項１３〜１９のいずれか１項に記載の装置。
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