膜分离装置以及膜分离方法

专利名称：膜分离装置以及膜分离方法
技术领域：
本发明涉及一种使用分离膜将流体分离的膜分离装置以及膜分离方法。
背景技术：
专利文献I中记载了一种加热模块，其具有单元操作部、热交换器、以及设置在单元操作部的输出侧和热交换器之间的压缩机。单元操作部通过单元操作来输出由输入流体生成的输出流体。所输出的输出流体通过压缩机被压缩。输入流体通过热交换器与压缩后的输出流体进行热交换。在此，作为单元操作部的一个例子，有膜分离器。现有技术文献专利文献专利文献1:特开2010 — 36056号公报(第9页、图1 (C))

发明内容
一般地，膜分离器输出未透过分离膜的流体和透过分离膜的流体这两种流体。然而，在专利文献I记载的技术中，该单元操作部(膜分离器)的输出流体仅为一种，未提及残留的流体。本发明的目的在于提供一种膜分离装置以及膜分离方法，其利用分别从膜分离器的非透过侧和透过侧排出的流体Y、z，对向膜分离器供给的流体X进行加热，由此能够减少装置整体的能耗。围绕上述目的的第I发明的膜分离装置包括膜分离器，其中供给含成分A和成分B的流体X，使用分离膜将所述流体X分离成所述成分A的浓度高于该流体X的流体Y、和所述成分A的浓度低于该流体X的流体Z ;第I压缩机，其对从所述膜分离器排出的所述流体Y进行绝热压缩；第I热交换器，其中导入由所述第I压缩机进行绝热压缩后的所述流体Y作为热源；以及第2热交换器，其中导入所述流体Z作为热源。所述流体X被分流至第I供给管线和第2供给管线进行输送，由该第I供给管线和第2供给管线输送的所述流体X分别通过所述第I热交换器和第2热交换器被加热，然后再次合流，之后被供给到所述膜分离器。在第I发明的膜分离装置中，在所述膜分离器和所述第2热交换器之间还可以具有对从所述膜分离器排出的所述流体Z进行绝热压缩的第2压缩机；可以将由所述第2压缩机进行绝热压缩后的所述流体Z导入所述第2热交换器。围绕上述目的的第2发明的膜分离装置包括膜分离器，其中供给含成分A和成分B的流体X，使用分离膜将所述流体X分离成所述成分A的浓度高于该流体X的流体Y、和所述成分A的浓度低于该流体X的流体Z ;第2压缩机，其对从所述膜分离器排出的所述流体Z进行绝热压缩；第I热交换器，其中导入从所述膜分离器排出的所述流体Y作为热源；以及第2热交换器，其中导入由所述第2压缩机进行绝热压缩后的所述流体Z作为热源。所述流体X被分流至第I供给管线和第2供给管线进行输送，由该第I供给管线和第2供给管线输送的所述流体X分别通过所述第I热交换器和第2热交换器被加热后，在该第I供给管线和该第2供给管线合流的合流点再次合流，然后通过设置在该合流点和所述膜分离器之间的第3压缩机被绝热压缩，之后被供给到所述膜分离器。在第2发明的膜分离装置中，在所述膜分离器和所述第I热交换器之间还可以具有膨胀机。在第I发明和第2发明的膜分离装置中，还可以包括第I阀门，其调节流过所述第I供给管线的所述流体X的流量；以及控制装置，其控制所述第I阀门。由所述第2热交换器加热后的所述流体X、与作为热源导入该第2热交换器的所述流体Z的温度差ΛΤ2为基准值TS2以上时，所述控制装置可以根据所述温度差ΛΤ2与所述基准值TS2的差，调节所述第I阀门的开度，以控制在所述第2热交换器中交换的热量。在第I发明和第2发明的膜分离装置中，还可以包括第2阀门，其调节流过所述第2供给管线的所述流体X的流量；由所述第I热交换器加热后的所述流体X、与作为热源导入该第I热交换器的所述流体Y的温度差ΛΤ1为基准值TSl以上时，所述控制装置可以根据所述温度差Λ Tl与所述基准值TSl的差，调节所述第2阀门的开度，以控制利用所述第I热交换器进行交换的热量。在第I发明和第2发明的膜分离装置中，优选所述基准值TS1、TS2分别为2 50。。。在第I发明和第2发明的膜分离装置中，还可以包括驱动所述第2压缩机的变频器；所述变频器可以控制所述第2压缩机的转速，使从所述膜分离器排出的所述流体Z的压力在预定范围内。在第I发明和第2发明的膜分离装置中，在所述第I供给管线和所述第2供给管线合流的合流点与所述 膜分离器之间，还可以具有利用外部热源来调节所述流体X的温度的第3热交换器。在第2发明的膜分离装置中，在所述合流点和所述第3压缩机之间还可以具有过热器，其以由该第3压缩机进行压缩后的所述流体X为热源，对在该合流点合流后的所述流体X进行加热；以及冷却器，其调节由所述过热器加热后的该流体X的温度。进入所述第3压缩机的所述流体X也可以通过所述过热器被加热后，利用所述冷却器进行温度调节。在第2发明的膜分离装置中，优选设置有旁路管线，其连接所述过热器的被加热流体的入口侧和对所述被加热流体进行加热的加热流体的出口侧；启动该膜分离装置时，优选利用所述旁路管线来连接所述入口侧和所述出口侧，使得空气或惰性气体在所述过热器和所述第3压缩机之间循环。在第I发明的膜分离装置中，在所述膜分离器和所述第2热交换器之间还可以具有以外部蒸汽为热源的加热器；所述流体Z可以通过所述加热器进行升温升压，可以将升温升压后的该流体Z导入所述第2热交换器。在第I发明和第2发明的膜分离装置中，优选所述流体Y和所述流体Z分别为气体，所述分离膜为沸石膜或聚酰亚胺膜。在第I发明和第2发明的膜分离装置中，优选所述成分A为乙醇，所述成分B为水。围绕上述目的的第3发明的膜分离方法，包括工序α，使用膜分离器，将含成分A和成分B的流体X分离成所述成分A的浓度高于该流体X的流体Y、和所述成分A的浓度低于该流体X的流体Z ;以及工序β，对通过所述工序α分离后的所述流体Y进行升温升压。所述流体X被分支为第I供给管线和第2供给管线进行输送，由该第I供给管线和第2供给管线输送的所述流体X，分别与在所述工序β中升温升压后的所述流体Y和从所述膜分离器排出的所述流体Z进行热交换而被加热，然后再次合流，之后被供给到所述膜分离器。在第3发明的膜分离方法中，还可以包括对从所述膜分离器排出的所述流体Z进行升温升压的工序Y ;可以将分支为所述第2供给管线的所述流体X与升温升压后的所述流体Z进行热交换,从而进行加热。围绕上述目的的第4发明的膜分离方法包括工序α，使用膜分离器，将含成分A和成分B的流体X分离成所述成分A的浓度高于该流体X的流体Y、和所述成分A的浓度低于该流体X的流体Z ;工序ε，使通过所述工序α分离后的所述流体Y膨胀；以及工序Y，使通过所述工序α分离后的所述流体Z升温升压。所述流体X被分支为第I供给管线和第2供给管线进行输送，由该第I供给管线和第2供给管线输送的所述流体X，分别与在所述工序ε中膨胀后的所述流体Y和在所述工序Y中升温升压后的所述流体Z进行热交换而被加热后，再次合流，然后被绝热压缩，之后被供给到所述膜分离器。在第I方面以及从属于第I方面的第2、5 14方面的膜分离装置中，由于利用并列设置的第I热交换器和第2热交换器，从膜分离器排出的流体Y、Z中回收热，因此，与不包括本发明的结构的情况相比，能够减少能耗。在第3方面以及从属于第3方面的第4 14方面的膜分离装置中，由于增加了推动力，因此，能够减小需要的分离膜的面积。在第4方面的膜分离 装置中，通过设置膨胀机，在使从膜分离器排出的高压流体Y变为低压的过程中，能够以膨胀能量为动力进行回收。在第5 7方面的膜分离装置中，仅通过设置阀门，能够根据流体的温度，简单地控制利用热交换器交换的热量。在第8方面的膜分离装置中，由于从膜分离器排出的流体Z的压力被维持在预定范围内，因此，能够将推动力维持在预定范围内。在第9方面的膜分离装置中，由于第3热交换器抑制流体X的供给条件的改变，因此，能够使膜分离装置稳定运转。在第10、11方面的膜分离装置中，由于利用过热器对流体X进行加热，因此，能够使流体X不冷凝，防止第3压缩机的损伤。在第12方面的膜分离装置中，能够利用蒸汽热动力来提供电动机动力。在第15、16方面的膜分离方法中，由于从分离后的流体Y、Z回收热，因此，与未采用本发明的方法的情况相比，能够减少能耗。在第17方面的膜分离方法中，通过设置使流体Y膨胀的工序ε，在使经过了工序α的高压流体Y变为低压的过程中，能够回收作为动力的膨胀能量。


图1是本发明的第I实施方式的膜分离装置的结构图；图2是本发明的第2实施方式的膜分离装置的结构图3是本发明的第3实施方式的膜分离装置的结构图；图4是本发明的第4实施方式的膜分离装置的结构图；图5是表示膜分离装置所具有的第3压缩机和过热器的循环工作的说明图；图6是本发明的第5实施方式的膜分离装置的结构图；图7是比较例的现有的膜分离装置的结构图；图8是本发明的实施例1的膜分离装置的结构图；图9是本发明的实施例2的膜分离装置的结构图；图10是本发明的实施例3的膜分离装置的结构图。附图标记说明 10 :膜分离装置、11 第I热交换器、12 :第2热交换器、13 第3热交换器、20 :膜分离器、21 第I压缩机、22 第2压缩机、25、26 :变频器、27 :泵、31 第I供给管线、32 :第2供给管线、35 :非透过侧管线、36 :压力传感器、37 :透过侧管线、38 :压力传感器、40 :膜分离装置、43 :第3压缩机、44 :膨胀机、50 :膜分离装置、51 第I阀门、52 第2阀门、61 :第I温度传感器、62 :第2温度传感器、63 :第3温度传感器、64 :第4温度传感器、68 :控制装置、70 :膜分离装置、71 :过热器、72 :旁路管线、73 :第3供给管线、74 :冷却器、80 :膜分离装置、81 :真空泵、90 :膜分离装置、91 :泵、92 :加热器、93 :膜分离器、94 :膨胀机、95 :冷凝器、96 冷冻器、97 :真空泵
具体实施例方式下面参照附图对本发明的具体实施方式
进行说明，以理解本发明。但是，本发明的技术范围并不限定于以下说明的实施方式。如图1所示，本发明的第I实施方式的膜分离装置10，能够将从外部供给的乙醇(成分A的一个例子)和水(成分B的一个例子)混合而成的乙醇混合液分离成浓度更高的乙醇和水。该膜分离装置10包括 第I热交换器11、第2热交换器12、第3热交换器13、膜分离器20、第I压缩机21以及第2压缩机22。以下，按照膜分离器20、第I压缩机21、第I热交换器11、第2压缩机22、第2热交换器12、以及第3热交换器13的顺序进行说明。膜分离器20能够利用蒸汽渗透(蒸汽汽化)法，将所供给的乙醇混合液的蒸汽(以下仅称作“乙醇混合蒸汽”)分离成乙醇浓度更高的蒸汽(流体Y的一个例子，以下仅称作“乙醇蒸汽”)和乙醇浓度更低的蒸汽(流体Z的一个例子，以下仅称作“水蒸汽”)。例如，膜分离器20能够将乙醇浓度为85. 7重量％的乙醇混合蒸汽分离成乙醇浓度为99. 5重量％的乙醇蒸汽、和乙醇浓度为13. O重量％的水蒸汽。膜分离器20具有多个分离膜被收容于壳体的膜模块。该分离膜例如为沸石膜或聚酰亚胺膜。分离膜具有易透过水、难以透过乙醇的性质。膜分离器20利用该性质，并且能够以膜分离器20的入口侧和出口侧的压力差为推动力，从乙醇混合蒸汽中分离乙醇蒸汽和水蒸汽。第I压缩机21能够对从膜分离器20中排出的乙醇蒸汽进行绝热压缩。第I压缩机21利用变频器25来控制旋转速度。第I热交换器11能够对通过泵27供给的乙醇混合液进行加热。加热后的乙醇混合液成为乙醇混合蒸汽。第I热交换器11以由第I压缩机21进行绝热压缩后的乙醇蒸汽为热源。此外，乙醇混合蒸汽和乙醇混合液均为流体X的一个例子。第2压缩机22能够对从膜分离器20中排出的水蒸汽进行绝热压缩。第2压缩机22通过变频器26来控制旋转速度。第2热交换器12能够对通过泵27供给的乙醇混合液进行加热。加热后的乙醇混合液成为乙醇混合蒸汽。第2热交换器12以由第2压缩机22进行绝热压缩后的水蒸汽为热源。此外，第I和第2热交换器11、12为单独的单元，但是，也可以构成为一体。第3热交换器13能够调节由第I和第2热交换器11、12加热后的乙醇混合蒸汽的温度。第3热交换器13以由未图示的蒸汽管线供给的外部蒸汽(外部热源的一个例子)为热源。下面对膜分离装置10的工作进行说明。乙醇混合液由泵27输出，在分支点a处分支成第I供给管线31和第2供给管线32进行输送。通过第I供给管线31输送的乙醇混合液，利用第I热交换器11进行加热。由第I热交换器11加热后的乙醇混合液成为乙醇混合蒸汽，进而向下游输送。同样，通过第2供给管线32输送的乙醇混合液，利用第2热交换器12进行加热。由第2热交换器12加热后的乙醇混合液也成为乙醇混合蒸汽，进而向下游输送。分别由第I供给管线31和第2供给管线32输送的乙醇混合蒸汽在合流点b再次合流。合流后的乙醇混合蒸汽通过第3热交换器13来调节温度，之后被供给到膜分离器20。在此，第3热交换器13在乙醇混合蒸汽的温度等供给条件改变时，起到抑制该改变的作用。例如，乙醇混合液的流量改变，使从第I和第2热交换器11、12排出的乙醇混合蒸汽的温度低于预定温度时，第3热交换器13增加热交换量，使乙醇混合液的温度上升。这样，即使所供给的乙醇混合液的流量改变，也能够利用第3热交换器13，使膜分离装置10稳定运转。另外，启动膜分离装置10时，由于乙醇混合液通过第I和第2热交换器11、12，未被充分加热，因此，第3热交换器13能够补足该加热不足部分，能够使膜分离装置10稳定运转。被供给到膜分离器20的乙醇混合蒸汽，利用分离膜，被分离成乙醇蒸汽和水蒸汽。从膜分离器20排出的乙醇蒸汽由非透过侧管线35输送，利用第I压缩机21进行绝热压缩。在此，如上所述，第I压缩机21由变频器25驱动。该变频器25根据测量从膜分离器20排出的乙醇蒸汽的压力的压力传感器36的输出值而工作。详细地，压力传感器36的输出值反馈给变频器25，变频器25根据该输出值来控制第I压缩机21的转速，使乙醇蒸汽的压力在预定范围内。由此，非透过侧管线35的压力被维持在预定范围内。由第I压缩机21绝热压缩后的乙醇蒸汽被升温升压，之后进入第I热交换器11，与流过第I供给管线31的乙醇混合液进行热交换。乙醇蒸汽在第I热交换器11中被冷凝，成为浓缩乙醇液。另一方面，从膜分离器20排出的水蒸汽由透过侧管线37输送，利用第2压缩机22进行绝热压缩。在此，如上所述，第2压缩机22由变频器26驱动。该变频器26根据测量从膜分离器20排出的水蒸汽的压力的压力传感器38的输出值而工作。详细地，压力传感器38的输出值反馈给变频器26，变频器26根据该输出值来控制第2压缩机22的转速，使水蒸汽的压力在预定范围内。由此，透过侧管线37的压力被维持在预定范围内。其结果，用于膜分离的推动力被维持在预定范围内。由第2压缩机22绝热压缩后的水蒸汽被升温升压，之后进入第2热交换器12，与流过第2供给管线32的乙醇混合液进行热交换。这样，由于利用并列设置的第I和第2热交换器11、12，乙醇混合液与从膜分离器20排出并进行压缩后的乙醇蒸汽和水蒸汽有效地进行热交换，因此，与现有技术相比，能够减少膜分离装置10的能耗。此外，虽然也可以通过串联设置第I和第2热交换器11、12来构成膜分离装置，但是，与并列设置第I和第2热交换器11、12时相比，热交换的效率降低。因此，优选并列设置第I和第2热交换器11、12的本实施方式。下面对本发明的第2实施方式的膜分离装置40进行说明。对于与第I实施方式的膜分离装置10相同的结构单元，附以相同的附图标记，省略其详细说明。如图2所示，本实施方式的膜分离装置40，与膜分离装置10相比，进一步具有第3压缩机43，而且还具有膨胀机44来代替第I压缩机21 (以及第I压缩机21所附带的压力传感器36和变频器25)。但是，并非必须膨胀机44。即，本实施方式的膜分离装置40也可以通过从第I实施方式的膜分离装置10上卸下第I压缩机21 (以及第I压缩机21所附带的压力传感器36和变频器25)，并将第3压缩机43安装在膜分离装置10上而形成。第3压缩机43在合流点b与膜分离器20之间，被设置在第3热交换器13的下游侦U。第3压缩机43能够对从第3热交换器13排出的乙醇混合蒸汽进行绝热压缩。从第3压缩机43排出的乙醇混合蒸汽被导入膜分离器20。膨胀机44能够在使从膜分离器20排出的高压乙醇蒸汽变为低压的过程中，回收作为动力的膨胀能量。

下面对膜分离装置40的工作进行说明。乙醇混合液由泵27输出，在分支点a处分支成第I供给管线31和第2供给管线32进行输送。通过第I供给管线31输送的乙醇混合液，利用第I热交换器11进行加热。由第I热交换器11加热后的乙醇混合液成为乙醇混合蒸汽，进而向下游输送。同样，通过第2供给管线32输送的乙醇混合液，利用第2热交换器12进行加热。由第2热交换器12加热后的乙醇混合液也成为乙醇混合蒸汽，进而向下游输送。分别由第I供给管线31和第2供给管线32输送的乙醇混合蒸汽在合流点b再次合流。合流后的乙醇混合蒸汽通过第3热交换器13来调节温度，之后通过第3压缩机43被绝热压缩。绝热压缩后的乙醇混合蒸汽被升温升压，之后被供给到膜分离器20。之后的工作与第I实施方式的膜分离装置10相同，因此，省略其说明。这样，膜分离装置40由于在第I和第2热交换器11、12与膜分离器20之间具有第3压缩机43，因此，增加了膜分离器20的推动力。其结果，如下所述，能够减少所需要的分离膜的面积。—般，以膜分离器20的I次侧(入口)和2次侧(非透过侧出口)的压力差为推动力(透过驱动力)的膜的单位膜面积的气体透过速度J [kmol · m/ (s · m2)]用下式表示。J = P * (ph — pi) / δ 式(I)在此，P:气体透过系数[kmol · m/ (s · m2 · kPa) ]、ph 1 次侧压力(kPaA)、pl 2 次侧压力(kPaA)、δ :膜的有效厚度(m)。因此，通过使用第3压缩机43，使导入膜分离器20之前的乙醇混合蒸汽升压，由此能够增大膜分离器的推动力(ph - pi),从而增大透过速度J。因此,与增大透过速度J相应地，能够减小所需要的膜面积。例如，2次侧压力pi为13kPaA、I次侧压力ph从101. 3kPaA升压到520kPaA时的膜透过速度，根据式(I)进行估算，如下所示。Jl = P * (101. 3-13)/5 式(2)J2 = P * (520 — 13) / δ式(3)J1/J2 = 5. 7式(4)在此，Jl是I次侧压力ph为101. 3kPaA时的气体透过速度、J2是I次侧压力ph为520kPaA时的气体透过速度。S卩，透过速度J为5. 7倍，因此，能够使所需要的分离膜面积减少到5. 7分之I。还可以使用外部蒸汽等传热介质来代替第3压缩机43，使乙醇混合蒸汽升温升压。下面对本发明的第3实施 方式的膜分离装置50进行说明。对于与第I和第2实施方式的膜分离装置10、40相同的结构单元，附以相同的附图标记，省略其详细说明。在本实施方式中，以第2实施方式的膜分离装置40为基础构成膜分离装置50，但是，也可以以第I实施方式的膜分离装置10为基础构成膜分离装置50。进而，还可以以后述的第4实施方式的膜分离装置70、或者第5实施方式的膜分离装置80为基础构成膜分离装置50。如图3所示，第I阀门51设置在第I供给管线31上，能够增减流过第I供给管线31的乙醇混合液的流量。第I阀门51在第I供给管线31上即可，也可以设置在第I热交换器11的后段。第2阀门52设置在第2供给管线32，能够增减流过第2供给管线32的乙醇混合液的流量。第2阀门52在第2供给管线32上即可，也可以设置在第2热交换器12的后段。而且，第I温度传感器61设置在第I供给管线31上的第I热交换器11的后段，能够测量由第I热交换器11加热后的乙醇混合蒸汽的温度Tl。第2温度传感器62设置在第2供给管线32上的第2热交换器12的后段，能够测量由第2热交换器12加热后的乙醇混合蒸汽的温度T2。第3温度传感器63设置在非透过侧管线35上的第I热交换器11的入口侧与膨胀机44的出口侧之间，能够测量作为热源导入第I热交换器11的乙醇蒸汽的温度T3。第4温度传感器64设置在透过侧管线37上的第2热交换器12的入口侧与第2压缩机22的出口侧之间，能够测量作为热源导入第2热交换器12的水蒸汽的温度T4。第I 4温度传感器61 64的测量值分别被输入控制装置(CNT) 68，控制装置68能够根据这些测量值，调节第I和第2阀门51、52的开度。下面对该控制装置68的工作进行说明。控制装置68监视由第I温度传感器61和第3温度传感器63测量的温度的差Λ Tl(=Τ3 — Tl)。控制装置68监视由第2温度传感器62和第4温度传感器64测量的温度的差 ΛΤ2 (= Τ4 — Τ2)。在温度差Λ Tl和温度差ΛΤ2分别低于预定的基准值TSl、TS2时，第I和第2阀门51、52为全开的状态。该基准值TS例如可以为2 50°C，优选为2 30°C，进一步优选为2 20°C。
然而，无论何种原因使温度差Λ Tl为基准值TSl以上时，减小第2阀门52的开度，从而减少流过第2供给管线32的乙醇混合液的流量。由此，更多的乙醇混合液流过第I供给管线31，因此，在第I热交换器11中进行更多的热交换。另一方面，温度差ΛΤ2为基准值TS2以上时，减小第I阀门51的开度，从而减少流过第I供给管线31的乙醇混合液的流量。由此，更多的乙醇混合液流过第2供给管线32，因此，在第2热交换器12中进行更多的热交换。温度差Λ Tl和温度差ΛΤ2分别为基准值TS1、TS2以上时，可以求出距离各自的基准值TS1、TS2的偏差dTl、dT2，根据偏差dTl和偏差dT2的大小，减小第I和第2阀门51、52的开度，从而调节乙醇混合液的流量。具体地，偏差dT2大于偏差dTl时，可以减小第I阀门51的开度；偏差dT2为偏差dTl以下时，可以减小第2阀门52的开度，从而调节乙醇混合液的流量。这样，控制装置68根据由第I热交换器11加热后的乙醇混合液与作为热源导入第I热交换器11的乙醇蒸汽的温度差Λ Tl、以及由第2热交换器12加热后的乙醇混合液与作为热源导入第2热交换器12的水蒸汽的温度差ΛΤ2，通过调节第I和第2阀门51、52的开度，能够调节在第I和第2热交换器11、12中进行热交换的供给乙醇的流量。其结果，能够控制第I和第2热交换器11、12中的热交换量，能够有效利用乙醇蒸汽和水蒸汽的热能。此外，控制装置68例如能够通过PI控制来控制热交换量。接着，对本发明的第4实施方式的膜分离装置70进行说明。对于与第I和第2实施方式的膜分离装置10、40相同的结构单元，附以相同的附图标记，省略其详细说明。在本实施方式中，以第2实施方式的膜分离装置40为基础构成膜分离装置70，但是，也可以以第I实施方式的膜分离装置10为基础构成膜分离装置70。如图4所示，膜分离装置70具有过热器71来代替第2实施方式的膜分离装置40的第3热交换器13。为调节乙醇混合蒸汽的温度，在过热器71与第3压缩机43之间还具有冷却器74。 分别由第I供给管线31和第2供给管线32输送的乙醇混合蒸汽在合流点b再次合流。合流后的乙醇混合蒸汽通过过热器71被加热，之后通过冷却器74来调节温度，然后通过第3压缩机43被绝热压缩。绝热压缩后的乙醇混合蒸汽被升温升压，成为过热器71的热源。在过热器71中进行热交换后的乙醇混合蒸汽被供给到膜分离器20。之后的工作与第2实施方式的膜分离装置40相同，因此，省略其说明。这样，由于由第3压缩机43进行绝热压缩的乙醇混合蒸汽事先在过热器71中被加热，因此，乙醇混合蒸汽不会在第3压缩机43的入口或其内部冷凝。因此，能够防止第3压缩机43发生机械损伤。而且，通过将由第3压缩机43进行升温升压后的乙醇混合蒸汽用作过热器71的热源,使乙醇混合蒸汽的热能在过热器71中回用(self-recycling),由此能够抑制能量损失。在此，在膜分离装置70中设置有旁路管线72，其能够连接过热器71的被加热流体(在合流点b处合流后的乙醇混合蒸汽)的入口侧和对被加热流体进行加热的加热流体(由第3压缩机43进行绝热压缩后的乙醇混合蒸汽)的出口侧。旁路管线72在膜分离装置70启动时使用。正常运转时，旁路管线72在连接点e、f从连接合流点b和膜分离器20的第3供给管线73上断开。但是，装置启动时，旁路管线72在连接点e、f处与第3供给管线73连接。而且，在连接点e、f处，改变流体流动的方向，形成从连接点f出发，经过过热器71、冷却器74、第3压缩机43、过热器71、以及连接点e，再次返回连接点f的循环管线(参照图5)。从未图示的气体供给口填充惰性气体至循环管线。从膜分离装置70开始运转至经过预定时间T，使第3压缩机43工作，对所供给的惰性气体进行绝热压缩。惰性气体被升温升压，成为过热器71的热源。然后，过热器71对成为热源的惰性气体进行加热，加热后的惰性气体再次进入第3压缩机43。经过时间T后，旁路管线72断开，乙醇混合蒸汽流入过热器71的被加热流体的入口侧。这样，通过连接旁路管线72形成循环管线，使第3压缩机43暖机运转，能够防止膜分离装置70启动时第3压缩机43内部的冷凝。其结果，能够防止第3压缩机43的损伤。在本实施方式中，相对于第3压缩机43设置有过热器71，也可以相对于第I压缩机21同样地设置过热器。还可以用在常温(10°C 40°C)下不会冷凝的气体(例如空气)来代替惰性气体。还可以在合流点b和连接点f之间设置第3热交换器13。下面对本发明的第5实施方式的膜分离装置80进行说明。对于与第I实施方式的膜分离装置10相同的结构单元，附以相同的附图标记，省略其详细说明。在本实施方式中，以第I实施方式的膜分离装置10为基础构成膜分离装置80，但是，也可以以第2实施方式的膜分离装置40为基础构成膜分离装置80。而且，还可以适用在第3实施方式中说明过的流量控制。如图6所示，与膜分离装置10相比，本实施方式的膜分离装置80省略第2压缩机22，是未对从膜分离器20排出的流体Z进行绝热压缩而导入第2热交换器12的结构。此时，在第2热交换器12的流体Z的出口侧设置真空泵81，使膜透过的压力为与膜规格相应的压力(作为一个例子，为13kPaA)。而且，优选通过泵27供给到第2热交换器12的乙醇混合液的温度，低于从膜分离器20排出的蒸汽冷凝的温度。作为一个例子，膜分离器20的透过蒸汽的压力为13kPaA时，在34°C下冷凝，因此，将供给到第2热交换器12的乙醇混合液的温度设定为低于34°C (优选为25°C)。这样，只要是在第2热交换器12的流体Z的出口侧设置有真空泵81、并且将乙醇混合液的温度设定为低于透过蒸汽冷凝的温度的结构，就能够进行利用潜热的热交换，而且，由于蒸汽在第2热交换器12中冷凝，体积大幅度减小，因此，能够将新设置的真空泵81的动力抑制地较低。由于通过冷凝，使得蒸汽未被直接导入真空泵81，因此，能够防止真空泵81的故障等。下面对膜分离装置80的工作进行说明。在分支点a处分支后，由第I供给管线31被输送的乙醇混合液，通过第I热交换器11被加热。热源为由第I压缩机21进行绝热压缩后的乙醇蒸汽。另一方面，由第2供给管线32输送的乙醇混合液，通过第2热交换器12被加热。热源为从膜分离器20排出的透过蒸汽。如上所述，通过使透过蒸汽冷凝，在第2热交换器21中进行利用显热和潜热的热交换，与非透过侧的乙醇相比，从流量为少量的透过蒸汽中有效地进行热回收。在第I和第2热交换器11、12中加热后的乙醇混合液，在合流点b处混合，如果混合后的温度低于规定的设定温度，则利用第3热交换器13进行加热。规定温度的被加热后的供给乙醇蒸汽成为与膜规格相应的I次侧压力ph。并且，供给到膜分离器20的乙醇蒸汽被分离成浓度得以提高的乙醇蒸汽和透过膜的透过蒸汽，并分别被排出。乙醇蒸汽通过第I压缩机21被绝热压缩后，作为热源被供给到第I热交换器11。另一方面，透过蒸汽作为热源被供给到第2热交换器12。在如上所述构成的第5实施方式中，与其它实施方式同样地，能够减少装置整体的能耗。在其它实施方式中，由于设置第2压缩机22，因此，也可以不必将乙醇混合液的温度设定为25°C，例如可以设定为35°C。S卩，由泵27供给的乙醇混合液的温度不受限定。实施例下面通过实施例对上述的第1、第4及第5实施方式的膜分离装置10、70、80的效果进行更具体的说明。现有的膜分离装置90、第I实施方式的膜分离装置10、第4实施方式的膜分离装置70、以及第5实施方式的膜分离装置80，分别作为比较例、实施例1、实施例2以及实施例3，利用模型求出能耗。关于I)供给到膜分离装置的乙醇混合液、2)从膜分离装置排出的乙醇蒸汽、以及3)从膜分离装置排出的水蒸汽，其中的各流量以及各乙醇浓度的条件，在各个模型中分别相同。即，在各个模型中，I)供给到膜分离装置的乙醇混合液的流量均为24. 2kg/h、乙醇浓度均为85. 7重量％。2)从膜分离装置排出的乙醇蒸汽的流量均为20. 4kg/h、乙醇浓度均为99. 5重量％。3)从膜分离装置排出的水蒸汽的流量均为3. 8kg/h、乙醇浓度均为13重量％。分离膜为沸石膜(膜面积为2. 4m2)。压缩机和膨胀机的绝热效率为50%。(比较例)如图7所示，在现有的通常的膜分离装置90中，由泵91输出的乙醇混合液通过加热器92被加热，成为乙醇混合蒸 汽，之后被供给到膜分离器93。所供给的乙醇混合蒸汽被分离成乙醇蒸汽和水蒸汽。从膜分离器93排出的乙醇蒸汽在膨胀机94中膨胀，通过冷凝器95被冷却。另一方面，从膜分离器93排出的水蒸汽通过冷冻器96被冷却，通过真空泵97被压缩、冷凝。在该现有的膜分离装置90中，通过泵91和加热器92，能量被消耗。真空泵97的能耗很少，因此无视。通过膨胀机94，能量被回收。供给到膜分离装置90的乙醇混合液、乙醇混合蒸汽、乙醇蒸汽、以及水蒸汽的状态，分别如图7所示。在该图所示的条件下，各仪器的能耗(换算成蒸汽)如下所示被模型化。(I)泵 91 0. 044 (kff)(2)加热器 92 :8· 37X0. 366 (kW)(3)膨胀机 94 : — O. 297 (kW)因此，能耗(换算成电力)的总El如下所示。El = (O. 044 + 8. 37X0. 366 — O. 297)= 2. 810 (kff)(实施例1)在第I实施方式的膜分离装置10中，通过泵27、第I压缩机21、以及第2压缩机22，能量被消耗。供给到膜分离装置10的乙醇混合液、乙醇混合蒸汽、乙醇蒸汽、以及水蒸汽的状态，分别如图8所示。在该图所示的条件下，各仪器的能耗(换算成电力)如下所示被模型化。(I)泵 27 :0. 044 (kW)(2)第 I 压缩机 21 0. 220 (kff)(3)第 2 压缩机 22 :1.716 (kW)因此，能耗的总E2如下所示。E2 = O. 044 + O. 220 +1. 716=1. 980 (kff)比较本实施例和比较例可以看出，本实施例的能耗大幅度减少。在膜分离装置10中，使用第I和第2压缩机21、22分别使乙醇蒸汽和水蒸汽升温升压。由此，使冷凝点上升，有效利用这些蒸汽所具有的潜热和显热。另外，认为在膜分离装置10中，不需要现有的膜分离装置90需要的冷冻器动力。(实施例2)在第4实施方式的膜分离装置70 (正常工作时)中，通过泵27、第I压缩机21、第2压缩机22、以及第3压缩机43,能量被消耗。供给到膜分离装置70的乙醇混合液、乙醇混合蒸汽、乙醇蒸汽、以及水蒸汽的状态，分别如图9所示。在该图所示的条件下，各仪器的能耗(换算成电力)如下所示被模型化。(I)泵 27 :0· 044 (kW)(2)膨胀机 44: — 0.227 (kW)(3)第 2 压缩机 22 0. 792 (kff)(4)第 3 压缩机 43 :1· 949 (kW)因此，能耗的总E3如下所示。E3 = O. 044 — O. 227 + O. 792 +1. 949= 2. 558 (kff)比较本实施例和比较例可以看出，本实施例的能耗较低。(实施例3)在第5实施方式的膜分离装置80中，通过泵27、第I压缩机21，能量被消耗。基于上述描述过的理由，真空泵81的能耗很少，因此无视。在本实施例中，伴随着乙醇混合液的温度为25°C，热交换后的乙醇和透过蒸汽(冷凝水)的温度为30°C。供给到膜分离装置80的乙醇混合液、乙醇混合蒸汽、乙醇蒸汽、以及水蒸汽的状态，分别如图10所示。在该图所示的条件下，各仪器的能耗(换算成电力)如下所示被模型化。(I)泵 27 :0· 044 (kW)(2)第 I 压缩机 21 :0. 331 (kW)因此，能耗的总E4如下所示。E4 = O. 044 + O. 331= O. 375 (kff)比较本实施例和比较例可以看出，本实施例的能耗较低。本发明并不限定于上述的实施方式，可以在不改变本发明的主旨的范围内进行变更。例如，组合上述的各实施方式和变形例的一部分或全部而构成发明的情况，也包含在本发明的技术范围内。泵27可以作为膜分离装置的一部分被设置，也可以被设置在膜分离装置的外部。膜分离装置并不限于乙醇的分离，可以适用于在半导体工厂中使用的溶剂(例如异丙醇)的分离。膜分离器不限于使用蒸汽渗透法的膜分离器。还可以是使用使液体汽化并分离的(浸透汽化)法的膜分离器，可以通过回收透过侧的气体的潜热，回收非透过侧的液体的显热，从而同样地构成膜分离装置。还可以具有以外部蒸汽为热源的第I加热器来代替第I压缩机21，乙醇蒸汽通过第I加热器被升温升压。而且，还可以具有以外部蒸汽为热源的第2加热器来代替第2压缩机22，水蒸汽通过第2加热器被升温升压。
权利要求
1.一种膜分离装置，其特征在于，包括膜分离器，其中供给含成分A和成分B的流体X，使用分离膜将所述流体X分离成所述成分A的浓度高于该流体X的流体Y、和所述成分A的浓度低于该流体X的流体Z ；第I压缩机，其对从所述膜分离器排出的所述流体Y进行绝热压缩；第I热交换器，其中导入由所述第I压缩机进行绝热压缩后的所述流体Y作为热源；以及第2热交换器，其中导入所述流体Z作为热源，所述流体X被分流至第I供给管线和第2供给管线进行输送，由该第I供给管线和第 2供给管线输送的所述流体X分别通过所述第I热交换器和第2热交换器被加热，然后再次合流，之后被供给到所述膜分离器。
2.根据权利要求1所述的膜分离装置，其特征在于，在所述膜分离器和所述第2热交换器之间，还具有对从所述膜分离器排出的所述流体Z进行绝热压缩的第2压缩机；将由所述第2压缩机进行绝热压缩后的所述流体Z导入所述第2热交换器。
3.一种膜分离装置，其特征在于，包括膜分离器，其中供给含成分A和成分B的流体X，使用分离膜将所述流体X分离成所述成分A的浓度高于该流体X的流体Y、和所述成分A的浓度低于该流体X的流体Z ；第2压缩机，其对从所述膜分离器排出的所述流体Z进行绝热压缩；第I热交换器，其中导入从所述膜分离器排出的所述流体Y作为热源；以及第2热交换器，其中导入由所述第2压缩机进行绝热压缩后的所述流体Z作为热源，所述流体X被分流至第I供给管线和第2供给管线进行输送，由该第I供给管线和第 2供给管线输送的所述流体X分别通过所述第I热交换器和第2热交换器被加热后，在该第I供给管线和该第2供给管线合流的合流点再次合流，然后通过设置在该合流点和所述膜分离器之间的第3压缩机被绝热压缩，之后被供给到所述膜分离器。
4.根据权利要求3所述的膜分离装置，其特征在于，在所述膜分离器和所述第I热交换器之间还具有膨胀机。
5.根据权利要求1 4中任意一项所述的膜分离装置，其特征在于，还包括第I阀门，其调节流过所述第I供给管线的所述流体X的流量；以及控制装置，其控制所述第I阀门，由所述第2热交换器加热后的所述流体X、与作为热源导入该第2热交换器的所述流体 Z的温度差ΛΤ2为基准值TS2以上时，所述控制装置根据所述温度差ΛΤ2与所述基准值TS2的差，调节所述第I阀门的开度，以控制在所述第2热交换器中交换的热量。
6.根据权利要求5所述的膜分离装置，其特征在于，还包括第2阀门，其调节流过所述第2供给管线的所述流体X的流量；由所述第I热交换器加热后的所述流体X、与作为热源导入该第I热交换器的所述流体 Y的温度差Λ Tl为基准值TSl以上时，所述控制装置根据所述温度差△!!与所述基准值TSl的差，调节所述第2阀门的开度，以控制利用所述第I热交换器进行交换的热量。
7.根据权利要求6所述的膜分离装置，其特征在于，所述基准值TS1、TS2分别为2 50。。。
8.根据权利要求2 4中任意一项所述的膜分离装置，其特征在于，还包括驱动所述第 2压缩机的变频器；所述变频器控制所述第2压缩机的转速，使从所述膜分离器排出的所述流体Z的压力在预定范围内。
9.根据权利要求1 8中任意一项所述的膜分离装置，其特征在于，在所述第I供给管线和所述第2供给管线合流的合流点与所述膜分离器之间，还具有利用外部热源来调节所述流体X的温度的第3热交换器。
10.根据权利要求3中所述的膜分离装置，其特征在于，在所述合流点和所述第3压缩机之间还具有过热器，其以由该第3压缩机进行压缩后的所述流体X为热源，对在该合流点合流后的所述流体X进行加热；以及冷却器，其调节由所述过热器加热后的该流体X的温度，进入所述第3压缩机的所述流体X通过所述过热器被加热后，利用所述冷却器进行温度调节。
11.根据权利要求10所述的膜分离装置，其特征在于，设置有旁路管线，其连接所述过热器的被加热流体的入口侧和对所述被加热流体进行加热的加热流体的出口侧；启动该膜分离装置时，利用所述旁路管线来连接所述入口侧和所述出口侧，使得空气或惰性气体在所述过热器和所述第3压缩机之间循环。
12.根据权利要求1所述的膜分离装置，其特征在于，在所述膜分离器和所述第2热交换器之间还具有以外部蒸汽为热源的加热器；所述流体Z通过所述加热器进行升温升压，将升温升压后的该流体Z导入所述第2热交换器。
13.根据权利要求1 12中任意一项所述的膜分离装置，其特征在于，所述流体Y和所述流体Z分别为气体，所述分离膜为沸石膜或聚酰亚胺膜。
14.根据权利要求13所述的膜分离装置，其特征在于，所述成分A为乙醇，所述成分B 为水。
15.—种膜分离方法,其特征在于,包括工序α，使用膜分离器，将含成分A和成分B的流体X分离成所述成分A的浓度高于该流体X的流体Y、和所述成分A的浓度低于该流体X的流体Z ；以及工序β，对通过所述工序α分离后的所述流体Y进行升温升压，所述流体X被分支为第I供给管线和第2供给管线进行输送，由该第I供给管线和第 2供给管线输送的所述流体X，分别与在所述工序β中升温升压后的所述流体Y和从所述膜分离器排出的所述流体Z进行热交换而被加热，然后再次合流，之后被供给到所述膜分离器。
16.根据权利要求15所述的膜分离方法，其特征在于，还包括对从所述膜分离器排出的所述流体Z进行升温升压的工序Y ；将分支为所述第2供给管线的所述流体X与升温升压后的所述流体Z进行热交换，从而进行加热。
17.—种膜分离方法,其特征在于,包括工序α，使用膜分离器，将含成分A和成分B的流体X分离成所述成分A的浓度高于该流体X的流体Y、和所述成分A的浓度低于该流体X的流体Z ；工序ε，使通过所述工序α分离后的所述流体Y膨胀；以及工序Y，使通过所述工序α分离后的所述流体Z升温升压，所述流体X被分支为第I供给管线和第2供给管线进行输送，由该第I供给管线和第 2供给管线输送的所述流体X，分别与在所述工序ε中膨胀后的所述流体Y和在所述工序 Y中升温升压后的所述流体Z进行热交换而被加热后，再次合流，然后被绝热压缩，之后被供给到所述膜分离器。
全文摘要
本发明提供一种能减少能耗的膜分离装置以及膜分离方法。本发明的膜分离装置(10)包括膜分离器(20)，其中供给含成分A和成分B的流体X，使用分离膜将流体X分离成成分A的浓度高于流体X的流体Y、和成分A的浓度低于流体X的流体Z；第1压缩机(21)，其对流体Y进行绝热压缩；第1热交换器(11)，其中导入作为热源的由第1压缩机(21)进行绝热压缩后的流体Y；以及第2热交换器(12)，其中导入作为热源的流体Z。流体X被分支为第1和第2供给管线(31)、(32)进行输送，分支后的该流体X分别通过第1和第2热交换器(11)、(12)被加热，然后再次合流，之后被供给到膜分离器(20)。
文档编号B01D71/02GK103052437SQ20118003842
公开日2013年4月17日 申请日期2011年7月29日 优先权日2010年8月5日
发明者木内崇文, 日高亮太, 石桥洋一, 甘蔗寂树, 堤敦司 申请人:新日铁住金工程技术株式会社, 国立大学法人东京大学