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WO2019189358A1 - 高含水系における低Ｓｉゼオライト膜適応脱水システムおよび脱水方法 - Google Patents

高含水系における低Ｓｉゼオライト膜適応脱水システムおよび脱水方法 Download PDF

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Publication number
WO2019189358A1
WO2019189358A1 PCT/JP2019/013187 JP2019013187W WO2019189358A1 WO 2019189358 A1 WO2019189358 A1 WO 2019189358A1 JP 2019013187 W JP2019013187 W JP 2019013187W WO 2019189358 A1 WO2019189358 A1 WO 2019189358A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fluid
membrane module
concentrated fluid
water
membrane
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/013187
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
正史 岡田
猛 矢野
祥広 浅利
健太郎 篠矢
Original Assignee
日立造船株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日立造船株式会社 filed Critical 日立造船株式会社
Publication of WO2019189358A1 publication Critical patent/WO2019189358A1/ja

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02—Inorganic material
    • B01D71/0215—Silicon carbide; Silicon nitride; Silicon oxycarbide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/36—Pervaporation; Membrane distillation; Liquid permeation
    • B01D61/363—Vapour permeation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B39/00—Compounds having molecular sieve and base-exchange properties, e.g. crystalline zeolites; Their preparation; After-treatment, e.g. ion-exchange or dealumination
    • C01B39/02—Crystalline aluminosilicate zeolites; Isomorphous compounds thereof; Direct preparation thereof; Preparation thereof starting from a reaction mixture containing a crystalline zeolite of another type, or from preformed reactants; After-treatment thereof
    • C01B39/46—Other types characterised by their X-ray diffraction pattern and their defined composition

Definitions

  • the present invention relates to a dehydration technique using a zeolite membrane in a high water content system.
  • Patent Document 1 As a dehydration system using a non-polymer membrane, a system using an A-type zeolite membrane described in Patent Document 1 has been reported. This A-type zeolite membrane is formed on the surface of a porous support such as alumina by a hydrothermal synthesis method. Patent Document 4 reports a method for producing a Y-type zeolite membrane and a method for separating a liquid mixture by a pervaporation method using this membrane.
  • A-type zeolite has the characteristics that the crystal skeleton structure belongs to the LTA type and the Si / Al ratio is small as a zeolite for separating water.
  • X-type and Y-type zeolites have a crystal skeleton structure belonging to the FAU type, the X type has a Si / Al ratio of 1 to 1.5, the Y type has a Si / Al ratio of 1.5 to 3, The Si / Al ratio is relatively small.
  • a zeolite membrane having a small Si / Al ratio is preferable in terms of a large permeation flux.
  • the throughput per unit time is large, which is advantageous in terms of efficiency.
  • the LTA type and the FAU type are codes obtained by classifying zeolites determined by the International Zeolite Association (IZA) according to the structure.
  • a typical LTA-type zeolite includes the above-mentioned A-type zeolite having a Si / Al ratio of 1, which is preferable in that a high permeation flux can be obtained when water is separated.
  • the separation membrane device according to the invention described in Patent Document 2 is an invention for improving the separation efficiency.
  • the glassy carbon is exemplified as a type of separation membrane in Patent Document 2 (paragraph [0035])
  • a device has been devised to make the life of the separation membrane module uniform (paragraphs [0042] to [0045]).
  • An object of the present invention is to provide a dehydration system and a dehydration method that can use a zeolite membrane having a large permeation flux and a small Si / Al ratio, and that can extend the membrane life even in a high water content system.
  • the present invention (1) is a dehydration system for removing moisture from a water-containing separated fluid, a membrane module having a zeolite membrane having an LTA type crystal structure, and the water-containing separated fluid at the inlet of the membrane module
  • a predetermined amount of the concentrated fluid stored in the concentrated fluid tank is returned to the membrane module through the reflux passage, and the predetermined amount flows into the inlet of the membrane module.
  • the dehydration is characterized in that the combined water content of the separation fluid and the concentrated fluid refluxed through the reflux passage is adjusted to 20 wt% or less. It is a stem.
  • a predetermined amount is returned to the membrane module through the reflux passage from the concentrated fluid tank in which the low moisture concentration fluid that is the non-permeating fluid of the membrane module is stored, and the fluid flowing into the membrane module is returned. It is characterized in that the moisture content is 20 wt% or less.
  • the probability of collapse of the crystal structure starting from the Al atoms of the zeolite can be greatly reduced.
  • the present invention (2) is the dehydration system according to the present invention (1), wherein the zeolite membrane is an A-type zeolite membrane.
  • the zeolite membrane is an A-type zeolite membrane, a dehydration system having a high permeation flux and a high throughput can be obtained, and the production of this A-type zeolite membrane requires a structure directing agent that causes high production costs. In addition, since no firing step is required, a low-cost dehydration system can be constructed.
  • the water-containing separation fluid is injected into the inlet of a membrane module on which a zeolite membrane having an LTA type crystal structure is mounted, and the concentrated fluid from which a certain amount of water has been removed by the membrane module is supplied to the outlet of the membrane module.
  • the concentrated fluid from which a certain amount of water has been removed is stored in the concentrated fluid tank in the first step, and then a predetermined amount is returned to the inlet of the membrane module in the second step. Since the combined water content of the water-containing separated fluid injected into the inlet and the concentrated fluid to be refluxed is 20 wt% or less, even if the membrane module is equipped with a zeolite membrane having an LTA type crystal structure Further, the zeolite crystal starting from Al atoms in the zeolite crystal of the zeolite membrane is unlikely to collapse, and the life of the membrane module can be prolonged.
  • the present invention (4) is the dehydration method according to the present invention (3), wherein the zeolite membrane is an A-type zeolite membrane.
  • the zeolite membrane is an A-type zeolite membrane, a dehydration method having a high permeation flux and a high processing capacity can be achieved, and the production of this A-type zeolite membrane requires a structure directing agent that causes high production costs. In addition, since a baking step is not required, a low-cost dehydration method can be constructed.
  • the present invention (5) is a dehydration system for removing water from a water-containing separated fluid, a membrane module having a zeolite membrane having a FAU crystal structure, and the water-containing separated fluid at the inlet of the membrane module
  • a predetermined amount of the concentrated fluid stored in the concentrated fluid tank is returned to the membrane module through the reflux passage, and the predetermined amount flows into the inlet of the membrane module.
  • Dehydration characterized in that the combined water content of the separation fluid and the concentrated fluid refluxed through the reflux passage is adjusted to 35 wt% or less It is a stem.
  • the rate is 35 wt% or less.
  • the probability of collapse of the crystal structure starting from the Al atoms of the zeolite can be greatly reduced.
  • the present invention (6) is the dehydration system according to the present invention (5), wherein the zeolite membrane is an X-type or Y-type zeolite membrane.
  • the zeolite membrane is an X-type or Y-type zeolite membrane
  • a dehydration system having a high permeation flux and a high processing capacity can be obtained, and the production of the X-type or Y-type zeolite membrane causes a high production cost. Since a structure directing agent is not required and a firing step is not required, a low-cost dehydration system can be constructed.
  • the water-containing separated fluid is injected into the inlet of a membrane module on which a zeolite membrane having a crystal structure of FAU type is mounted, and the concentrated fluid from which a certain amount of water has been removed by the membrane module is supplied to the outlet of the membrane module.
  • a dehydration method comprising: a second step in which a predetermined amount of the concentrated fluid is refluxed so that a combined moisture content of the water-containing separated fluid injected into the inlet of the module and the concentrated fluid to be refluxed is 35 wt% or less.
  • the concentrated fluid from which a certain amount of water has been removed is stored in the concentrated fluid tank in the first step, and then a predetermined amount is returned to the inlet of the membrane module in the second step. Since the combined moisture content of the water-containing separated fluid injected into the inlet and the concentrated fluid to be refluxed is 35 wt% or less, even if the membrane module is equipped with a zeolite membrane having a FAU type crystal structure Further, the zeolite crystal starting from Al atoms in the zeolite crystal of the zeolite membrane is unlikely to collapse, and the life of the membrane module can be prolonged.
  • the present invention (8) is the dehydration method according to the present invention (7), wherein the zeolite membrane is an X-type or Y-type zeolite membrane.
  • the zeolite membrane is an X-type or Y-type zeolite membrane, it can be a dehydration method having a high permeation flux and a high treatment capacity. In the production of this X-type or Y-type zeolite membrane, Therefore, a low-cost dehydration method can be constructed since a structure directing agent is not required and a baking step is not required.
  • the crystal structure is an LTA type or FAU type zeolite membrane, it is possible to provide a dehydration system in which crystal collapse due to water contained in the fluid to be separated hardly occurs and the permeation flux is large. Moreover, the dehydration method can be provided.
  • FIG. 5 shows the change over time in the separation factor when the combined moisture content of the water-containing separated fluid flowing into the inlet of the A-type zeolite membrane module and the concentrated fluid refluxed through the reflux passage in the ethanol / water separation test is 10 wt%.
  • FIG. 5 shows the change over time in the separation coefficient when the combined water content of the water-containing separated fluid flowing into the inlet of the A-type zeolite membrane module and the concentrated fluid refluxed through the reflux passage in the ethanol / water separation test is 15 wt%.
  • FIG. 5 shows the change over time in the separation factor when the combined moisture content of the water-containing separated fluid flowing into the inlet of the A-type zeolite membrane module and the concentrated fluid refluxed through the reflux passage in the ethanol-water separation test is 20 wt%.
  • FIG. 6 shows the change over time in the separation coefficient when the combined water content of the water-containing separated fluid flowing into the inlet of the A-type zeolite membrane module and the concentrated fluid refluxed through the reflux passage in the ethanol / water separation test is 30 wt%. . (Comparative Example 1) FIG.
  • FIG. 6 shows the change over time in the separation coefficient when the combined moisture content of the water-containing separated fluid flowing into the inlet of the Y-type zeolite membrane module and the concentrated fluid refluxed through the reflux passage in an ethanol / water separation test is 20 wt%.
  • FIG. 6 shows the change over time in the separation coefficient when the combined water content of the water-containing separated fluid flowing into the inlet of the Y-type zeolite membrane module and the concentrated fluid refluxed through the reflux passage in the ethanol / water separation test is 30 wt%. . (Example 7) FIG.
  • FIG. 5 shows the change over time in the separation coefficient when the combined water content of the water-containing separated fluid flowing into the inlet of the Y-type zeolite membrane module and the concentrated fluid refluxed through the reflux passage in the ethanol / water separation test is 35 wt%.
  • FIG. 5 shows the change over time in the separation coefficient when the combined water content of the water-containing separated fluid flowing into the inlet of the Y-type zeolite membrane module and the concentrated fluid refluxed through the reflux passage is 50 wt% in the ethanol-water separation test. . (Comparative Example 2)
  • Zeolite membranes mounted on the membrane module used in the dehydration system of the present invention are ceramics such as alumina, silica, mullite, zirconia, titania, silicon nitride, silicon carbide, metals such as aluminum, silver, stainless steel, polyethylene, polypropylene
  • An LTA type zeolite layer is formed on a porous support made of an organic polymer such as polytetrafluoroethylene, polysulfone or polyimide.
  • the porous support (a) can firmly support the zeolite layer, (b) the pressure loss is as small as possible, and (c) the porous support is sufficiently self-supporting.
  • the average pore diameter of the porous support so as to satisfy the condition of having supportability (mechanical strength).
  • a porous support having an average pore diameter of 0.05 to 10 ⁇ m and a porosity of about 10 to 60% can be used.
  • the average pore diameter of the porous support is a value determined by the bubble point method.
  • the average pore diameter of the porous support is less than 0.05 ⁇ m, the material permeation resistance is large, which is not practical. When this average pore diameter exceeds 10 ⁇ m, it is difficult to form a dense zeolite layer. Further, when the porosity is less than 10%, the material permeation resistance is large, and when it exceeds 60%, the selectivity is lowered and the strength as a support cannot be obtained.
  • an alumina porous support having an average pore diameter of 0.1 to 2 ⁇ m and a porosity of 30 to 50% is particularly preferable.
  • the shape of the porous support is not particularly limited, but the shape generally used for the pervaporation method or the vapor permeation method is a tube having an outer diameter of about 10 mm and a length of 20 to 200 cm. Monolith shape with a thickness of 0.2 mm to several mm, or a large number of holes with an inner diameter of 2 to 12 mm formed in a cylinder with an outer diameter of 30 to 100 mm, a length of 20 to 200 cm and more. It is preferable that
  • sodium silicate as a silica source, silica gel, sol, silica powder, etc.
  • sodium aluminate as an alumina source, hydroxide
  • a method for forming an LTA-type or FAU-type zeolite layer on such a porous support sodium silicate as a silica source, silica gel, sol, silica powder, etc., sodium aluminate as an alumina source, hydroxide
  • aluminum or the like is used as a starting material and deposited by a synthesis method such as a hydrothermal synthesis method or a gas phase method.
  • the preferable synthesis temperature condition is 60 to 150 ° C., and the reaction for 1 to 24 hours at such temperature is about 1 to 5 times. Preferably it is done.
  • the temperature is preferably 80 to 300 ° C., and the reaction time is usually 2 to 720 hours, preferably 4 to 120 hours.
  • the seed crystal of each type of zeolite is charged into the porous support, for example, by being embedded in the porous support.
  • a raw material solution having a composition of Y-type zeolite for example, H. Robson, Verified Synthesis ofZeolytic Materials, Second Edition, Elsevier, p156 (2001)
  • Y-type by dip-coating and / or suctioning on a porous support and hydrothermal synthesis in the same raw material solution at 60 to 120 ° C. (preferably 80 to 100 ° C.) for 5 to 100 hours (preferably 10 to 24 hours)
  • a method for synthesizing a zeolite membrane is exemplified. Such a method is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-289735.
  • a FAU type zeolite membrane can be obtained.
  • Examples of the water-containing separation fluid to be separated by the dehydration system of the present invention include alcohols such as methanol, ethanol and propanol, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, and organic substances such as halogenated hydrocarbons such as carbon tetrachloride and trichloroethylene. A mixture containing two or more of such organic substances may be used.
  • FIG. 1 shows a dehydration system using a membrane module on which an LTA type or FAU type zeolite membrane is mounted.
  • the dehydration system 10 includes a supply fluid tank 11, a membrane module 17, a concentrated fluid tank 20, a reflux passage 21, a permeate fluid tank 26, and the like as main devices.
  • the water-containing separated fluid is stored in the supply fluid tank 11 and flows through the inlet-side passage 15 toward the membrane module 17 by the pump 12 provided in the passage of the inlet-side passage 15 connected to the supply fluid tank 11. Heating is performed by the pre-heater 13 and the heater 14 on the way, and the dehydration is performed by flowing into the membrane module 17 from the inlet 16 of the membrane module 17.
  • the fluid that has not passed through the zeolite membrane of the membrane module 17 flows from the outlet 18 through the outlet-side passage 19 to the concentrated fluid tank 20 and is stored.
  • a predetermined amount of the partially dehydrated concentrated fluid stored in the concentrated fluid tank 20 flows into the inlet-side passage 15 through the reflux passage 21 and joins the water-containing separated fluid from the supply fluid tank 11 to form a membrane module. It is supposed to flow into 17.
  • the amount of the concentrated fluid refluxed through the reflux passage 21 is 20 wt% or less when the combined water content of the water-containing separated fluid and the concentrated fluid refluxed through the reflux passage 21 is an LTA type zeolite membrane.
  • the zeolite membrane is FAU type, it is adjusted to 35% or less.
  • the predetermined amount refers to the amount (flow rate) of the concentrated fluid required for that purpose.
  • the concentrated fluid other than the concentrated fluid to be refluxed out of the concentrated fluid stored in the concentrated fluid tank 20 is taken out by the pump 27.
  • the permeate fluid that exits from the outlet 22 of the membrane module 17 passes through the permeate fluid outlet side passage 23, is temporarily stored in the permeate fluid tank 26, and is appropriately discharged by the pump 28.
  • a vacuum pump 25 is connected to the permeable fluid tank 26, and gas such as water vapor in the tank 26 is discharged.
  • the permeate fluid is cooled by the permeation condenser 24 on the way.
  • FIG. 2 shows an example of a conventional dehydration system 30.
  • the difference from FIG. 1 is that there is no concentrated fluid tank 20, no reflux passage 21, and the concentrated fluid exiting from the outlet 18 of the membrane module 17 is directly taken out through the outlet side passage 19.
  • Example 1 In the case where the membrane module 17 of the dehydration system 10 shown in FIG. 1 is an LTA (A type) zeolite membrane, the dehydration performance of a water-containing separated fluid containing 2-propanol and water was examined.
  • the membrane module 17 of Example 1 has an A-type zeolite membrane loaded with a seed crystal on an alumina porous support.
  • the heating by the heater 14 is set to 70 ° C.
  • the cooling water temperature by the permeation condenser 24 is set to 0 ° C. to 3 ° C.
  • the temperature of the permeated fluid flowing out from the pump 28 is set to 7 ° C. to 10 ° C.
  • the water content of the mixed fluid of 2-propanol and water was 35 wt%, and the combined water content of the water-containing separated fluid and the concentrated fluid refluxed through the reflux passage 21 was set to 15 wt%.
  • the flow rate of the water-containing separated fluid from the supply fluid tank 11 is 210 kg / h
  • the combined flow rates of the water-containing separated fluid and the concentrated fluid refluxed through the reflux passage 21 are 630 kg / h, 560 kg / h, and 510 kg / h.
  • Table 1 shows the case where the combined flow rate is 630 kg / h
  • Table 2 shows the case where the combined flow rate is 560 kg / h
  • Table 3 shows the case where the combined flow rate is 510 kg / h.
  • Examples 2 to 4, Comparative Example 1 Next, a dehydration test of a fluid to be treated having different moisture contents by the membrane module 17 equipped with the A-type zeolite membrane used in the calculation of Example 1 was performed, and a test for measuring the membrane life for about 1500 hours or more was performed. It was.
  • the fluid to be treated is a mixture of ethanol and water, and the water content is 4 wt% (Example 2), 15 wt% (Example 3), 20 wt% (Example 4), and 30 wt% (Comparative Example 1). Performed under conditions. Membrane life was done by following the change in separation factor.
  • FIG. 3 shows a case where the water content is 10 wt%
  • FIG. 4 shows a case where the water content is 15 wt%
  • FIG. 5 shows a case where the water content is 20 wt%
  • FIG. 6 shows a case where the water content is 30 wt%.
  • the lifetime is 2519 hours or more, when the moisture content is 15 wt%, the lifetime is 2042 hours or more, and when the moisture content is 20 wt%, the lifetime is 1498 hours or more. It was.
  • the separation factor rapidly decreased in 45 hours, confirming the collapse of the zeolite crystals. It is considered that there is a critical concentration of water that rapidly causes crystal collapse of the zeolite membrane while the moisture content of the fluid flowing into the inlet 16 of the membrane module 17 is more than 20 wt% and less than 30 wt%.
  • Example 5 In the case where the membrane module 17 of the dehydration system 10 shown in FIG. 1 is a FAU type (Y type) zeolite membrane, the dehydration performance of the water-containing separated fluid containing 2-propanol and water was examined.
  • the membrane module 17 of Example 1 has an A-type zeolite membrane loaded with a seed crystal on an alumina porous support.
  • the heating by the heater 14 is set to 70 ° C.
  • the cooling water temperature by the permeation condenser 24 is set to 0 ° C. to 3 ° C.
  • the temperature of the permeated fluid flowing out from the pump 28 is set to 7 ° C. to 10 ° C.
  • the water content of the mixed fluid of 2-propanol and water was 35 wt%, and the combined water content of the water-containing separated fluid and the concentrated fluid refluxed through the reflux passage 21 was set to 30 wt%.
  • the flow rate of the hydrated separated fluid from the supply fluid tank 11 is 210 kg / h
  • the combined flow rate of the hydrated separated fluid and the concentrated fluid refluxed through the reflux passage 21 is 252 kg / h, 249 kg / h, and 246 kg / h.
  • Table 4 shows the case where the combined flow rate is 252 kg / h
  • Table 5 shows the case where the combined flow rate is 249 kg / h
  • Table 6 shows the case where the combined flow rate is 246 kg / h.
  • Examples 6 to 8, Comparative Example 2 Next, a dehydration test of a fluid to be treated having a different moisture content by the membrane module 17 equipped with the Y-type zeolite membrane used in the calculation of Example 5 was performed. The test was performed to measure the membrane life for about 1500 hours or more. It was.
  • the fluid to be treated is a mixed liquid of ethanol and water, and the moisture content is 20 wt% (Example 6), 30 wt% (Example 7), 35 wt% (Example 8), and 50 wt% (Comparative Example 2). Performed under conditions. Membrane life was done by following the change in separation factor.
  • FIG. 7 shows the case where the water content is 20 wt%
  • FIG. 8 shows the case where the water content is 30 wt%
  • FIG. 9 shows the case where the water content is 35 wt%
  • FIG. 10 shows the case where the water content is 50 wt%.
  • the lifetime is 1498 hours or more
  • the lifetime is 2042 hours or more
  • the moisture content is 35 wt%
  • the lifetime is 1485 hours or more. It was.
  • the separation factor rapidly decreased in 28 hours, confirming the collapse of the zeolite crystals. It is considered that there is a critical concentration of water that rapidly causes crystal collapse of the zeolite membrane while the water content of the fluid flowing into the inlet 16 of the membrane module 17 is more than 35 wt% and less than 50 wt%.

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Abstract

結晶構造がＬＴＡ型のゼオライト膜を用い、高含水系において膜寿命を長くすることができる脱水システムを提供する　含水被分離流体から水分を除去する脱水システム10であって、結晶構造がＬＴＡ型またはＦＡＵ型のゼオライト膜が搭載された膜モジュール17と、流体が膜モジュール17の入口16に流れ込む入口側通路15と、濃縮流体が排出される出口18と連なる出口側通路19と、出口側通路19と連なる濃縮流体タンク20と、濃縮流体タンク20から入口側通路15と連結される還流通路21とを備え、濃縮流体タンク20の濃縮流体の所定量を、還流通路21を通じて膜モジュール17に還流させ、所定量は、膜モジュール17の入口16に流れ込む含水被分離流体および還流通路21を通って還流される濃縮流体の合算含水率が所定値以下になるように調整されていることを特徴とする脱水システム10である。

Description

高含水系における低Ｓｉゼオライト膜適応脱水システムおよび脱水方法
　本発明は、高含水系におけるゼオライト膜による脱水技術に関する。
　非高分子膜を用いた脱水システムとしては特許文献１に記載のＡ型ゼオライト膜を用いたものが報告されている。このＡ型ゼオライト膜は、アルミナ等の多孔質支持体表面に水熱合成法によって製膜されたものである。また、特許文献４には、Ｙ型ゼオライト膜の製造法及びこの膜を用いた浸透気化法による液体混合物の分離法が報告されている。
　Ａ型ゼオライトは、結晶骨格構造がＬＴＡ型に属し、水を分離するゼオライトとしてはＳｉ／Ａｌ比が小さいという特徴を有する。Ｘ型及びＹ型ゼオライトは、結晶骨格構造がＦＡＵ型に属し、Ｘ型はＳｉ／Ａｌ比が１～１．５であり、Ｙ型は、Ｓｉ／Ａｌ比が１．５～３であり、Ｓｉ／Ａｌ比は比較的小さい。
　高含水系（含水率が２０ｗｔ％超）における脱水においては、Ｓｉ／Ａｌ比が小さなゼオライト膜は透過流束が大きい点で好ましい。高い透過流束を有するゼオライト膜によって脱水を行うと単位時間当たりの処理量が大きく効率性の点で有利となる。
　このＬＴＡ型やＦＡＵ型は、国際ゼオライト学会（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｚｅｏｌｉｔｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ、ＩＺＡ）が定めたゼオライトを構造により分類したコードである。
　代表的なＬＴＡ型のゼオライトには、Ｓｉ／Ａｌ比が１の上記Ａ型ゼオライトがあり、水を分離する上で高透過流束が得られる点で好ましい。
　特許文献２に記載の発明である分離膜装置は、分離効率を向上させるための発明である。特許文献２に分離膜の種類として例示されているのはガラス状炭素であるが（段落［００３５］）、水の影響を受けて劣化しやすいとの記載がある（段落［００４５］）。混合流体供給管に近いほど劣化しやすい傾向があることから、特許文献２に記載の発明では、分離膜単管を回転させ、混合流体供給管との距離を変化させることによって、劣化の度合いを均一化して分離膜モジュールの寿命を長くする工夫がなされている（段落［００４２］～［００４５］）。
特開２００３－２１０９５０号公報 特開２０１１－２３００３２号公報 国際公開ＷＯ２０１０／１０６８８１号公報 特開２００６－１５９０３１号公報
　特許文献１に記載のＡ型ゼオライト膜では、高含水系で水分を分離すると、水分子によってゼオライト結晶中のＡｌが起点となって結晶が崩壊し、分離性能が短時間で低下してしまうという問題がある。特許文献４に記載のＹ型ゼオライト膜においても同様の問題を有している。
　ゼオライト結晶構造中のＡｌが水による結晶崩壊の原因であることから、Ｓｉ／Ａｌ比の高い高シリカゼオライト膜を用いる試みや、特許文献３に記載のようにＡｌを含まないシリカライト膜を用いる試みがなされている。このような高シリカゼオライト膜やシリカライト膜では、水による結晶崩壊の程度は少なくなり膜寿命も延びるものの、透過流束が下がるため分離効率の点で問題がある。
　本発明の目的は、透過流束が大きなＳｉ／Ａｌ比の小さなゼオライト膜を用い、かつ高含水系においても膜寿命を長くすることができる脱水システムおよび脱水方法を提供することである。
　本発明（１）は、含水被分離流体から水分を除去する脱水システムであって、結晶構造がＬＴＡ型のゼオライト膜が搭載された膜モジュールと、前記含水被分離流体が前記膜モジュールの入口に流れ込む入口側通路と、前記膜モジュールから非透過流体である濃縮流体が排出される出口と連なる出口側通路と、前記出口側通路と連なる濃縮流体タンクと、前記濃縮流体タンクから前記入口側通路と連結される還流通路とを備え、前記濃縮流体タンクに貯められた前記濃縮流体の所定量を、前記還流通路を通じて前記膜モジュールに還流させ、前記所定量は、前記膜モジュールの入口に流れ込む含水被分離流体および前記還流通路を通って還流される濃縮流体の合算含水率が２０ｗｔ％以下になるように調整されていることを特徴とする脱水システムである。
　本発明（１）においては、膜モジュールの非透過流体である水分濃度の低い流体が貯められた濃縮流体タンクから所定量を、還流通路を通じて膜モジュールに還流させて、膜モジュールに流入する流体の含水率を２０ｗｔ％以下にすることを特徴としている。
　このように膜モジュールに流入する流体の含水率を一定濃度以下にすることによって、ゼオライトのＡｌ原子を起点とする結晶構造の崩壊確率を大幅に下げることができる。
　本発明（２）は、前記ゼオライト膜が、Ａ型ゼオライト膜である本発明（１）に記載の脱水システムである。
　ゼオライト膜がＡ型ゼオライト膜であることで、透過流束が高く処理能力の高い脱水システムとすることができ、このＡ型ゼオライト膜の製造では、製造コスト高の原因となる構造規定剤を必要とせず、焼成工程を必要としないので低コストの脱水システムを構築することができる。
　本発明（３）は、含水被分離流体を結晶構造がＬＴＡ型のゼオライト膜が搭載された膜モジュールの入口に注入し、前記膜モジュールによって一定の水分を除去した濃縮流体を前記膜モジュールの出口から取り出して濃縮流体タンクに貯める第１ステップと、前記第１ステップと並行して行われる、前記濃縮流体タンクに貯められた前記濃縮流体の所定量を前記膜モジュールの入口に還流させ、前記膜モジュールの入口に注入される含水被分離流体と還流される濃縮流体の合算含水率が２０ｗｔ％以下になるように前記濃縮流体の所定量が還流される第２ステップと、を含む脱水方法である。
　本発明（３）による脱水方法では、第１ステップにおいて一定の水分を除去した濃縮流体が濃縮流体タンクに貯められ、そこから第２ステップにおいて所定量を膜モジュールの入口に還流させて膜モジュールの入口に注入される含水被分離流体と還流される濃縮流体の合算含水率が２０ｗｔ％以下になるようにされているので、結晶構造がＬＴＡ型のゼオライト膜が搭載された膜モジュールであっても、ゼオライト膜のゼオライト結晶中のＡｌ原子が起点となるゼオライト結晶の崩壊が起こりにくく、膜モジュールの寿命の長期化を図ることができる。
　本発明（４）は、前記ゼオライト膜が、Ａ型ゼオライト膜である本発明（３）に記載の脱水方法である。
　ゼオライト膜がＡ型ゼオライト膜であることで、透過流束が高く処理能力の高い脱水方法とすることができ、このＡ型ゼオライト膜の製造では、製造コスト高の原因となる構造規定剤を必要とせず、焼成工程を必要としないので低コストの脱水方法を構築することができる。
　本発明（５）は、含水被分離流体から水分を除去する脱水システムであって、結晶構造がＦＡＵ型のゼオライト膜が搭載された膜モジュールと、前記含水被分離流体が前記膜モジュールの入口に流れ込む入口側通路と、前記膜モジュールから非透過流体である濃縮流体が排出される出口と連なる出口側通路と、前記出口側通路と連なる濃縮流体タンクと、前記濃縮流体タンクから前記入口側通路と連結される還流通路とを備え、前記濃縮流体タンクに貯められた前記濃縮流体の所定量を、前記還流通路を通じて前記膜モジュールに還流させ、前記所定量は、前記膜モジュールの入口に流れ込む含水被分離流体および前記還流通路を通って還流される濃縮流体の合算含水率が３５ｗｔ％以下になるように調整されていることを特徴とする脱水システムである。
　発明（５）においては、膜モジュールの非透過流体である水分濃度の低い流体が貯められた濃縮流体タンクから所定量を、還流通路を通じて膜モジュールに還流させて、膜モジュールに流入する流体の含水率を３５ｗｔ％以下にすることを特徴としている。
　このように膜モジュールに流入する流体の含水率を一定濃度以下にすることによって、ゼオライトのＡｌ原子を起点とする結晶構造の崩壊確率を大幅に下げることができる。
　本発明（６）は、前記ゼオライト膜が、Ｘ型またはＹ型ゼオライト膜である本発明（５）に記載の脱水システムである。
　ゼオライト膜がＸ型またはＹ型ゼオライト膜であることで、透過流束が高く処理能力の高い脱水システムとすることができ、Ｘ型またはＹ型ゼオライト膜の製造では、製造コスト高の原因となる構造規定剤を必要とせず、焼成工程を必要としないので低コストの脱水システムを構築することができる。
　本発明（７）は、含水被分離流体を結晶構造がＦＡＵ型のゼオライト膜が搭載された膜モジュールの入口に注入し、前記膜モジュールによって一定の水分を除去した濃縮流体を前記膜モジュールの出口から取り出して濃縮流体タンクに貯める第１ステップと、前記第１ステップと並行して行われる、前記濃縮流体タンクに貯められた前記濃縮流体の所定量を前記膜モジュールの入口に還流させ、前記膜モジュールの入口に注入される含水被分離流体と還流される濃縮流体の合算含水率が３５ｗｔ％以下になるように前記濃縮流体の所定量が還流される第２ステップと、を含む脱水方法である。
　本発明（７）による脱水方法では、第１ステップにおいて一定の水分を除去した濃縮流体が濃縮流体タンクに貯められ、そこから第２ステップにおいて所定量を膜モジュールの入口に還流させて膜モジュールの入口に注入される含水被分離流体と還流される濃縮流体の合算含水率が３５ｗｔ％以下になるようにされているので、結晶構造がＦＡＵ型のゼオライト膜が搭載された膜モジュールであっても、ゼオライト膜のゼオライト結晶中のＡｌ原子が起点となるゼオライト結晶の崩壊が起こりにくく、膜モジュールの寿命の長期化を図ることができる。
本発明（８）は、前記ゼオライト膜が、Ｘ型またはＹ型ゼオライト膜である本発明（７）に記載の脱水方法である。
　ゼオライト膜がＸ型またはＹ型ゼオライト膜であることで、透過流束が高く処理能力の高い脱水方法とすることができ、このＸ型またはＹ型ゼオライト膜の製造では、製造コスト高の原因となる構造規定剤を必要とせず、焼成工程を必要としないので低コストの脱水方法を構築することができる。
　本発明により、結晶構造がＬＴＡ型またはＦＡＵ型のゼオライト膜であっても、被分離流体に含まれる水による結晶崩壊が起こりにくく、かつ透過流束の大きな脱水システムを提供することができる。また、その脱水方法を提供することができる。
本発明の脱水システムの一例を示す。 従来の脱水システムの一例を示す。 エタノールと水の分離試験においてＡ型ゼオライト膜モジュールの入口に流れ込む含水被分離流体および前記還流通路を通って還流される濃縮流体の合算含水率が１０ｗｔ％のときの分離係数の経時的変化を示す。(実施例２) エタノールと水の分離試験においてＡ型ゼオライト膜モジュールの入口に流れ込む含水被分離流体および前記還流通路を通って還流される濃縮流体の合算含水率が１５ｗｔ％のときの分離係数の経時的変化を示す。(実施例３) エタノールと水の分離試験においてＡ型ゼオライト膜モジュールの入口に流れ込む含水被分離流体および前記還流通路を通って還流される濃縮流体の合算含水率が２０ｗｔ％のときの分離係数の経時的変化を示す。(実施例４) エタノールと水の分離試験においてＡ型ゼオライト膜モジュールの入口に流れ込む含水被分離流体および前記還流通路を通って還流される濃縮流体の合算含水率が３０ｗｔ％のときの分離係数の経時的変化を示す。(比較例１) エタノールと水の分離試験においてＹ型ゼオライト膜モジュールの入口に流れ込む含水被分離流体および前記還流通路を通って還流される濃縮流体の合算含水率が２０ｗｔ％のときの分離係数の経時的変化を示す。(実施例６) エタノールと水の分離試験においてＹ型ゼオライト膜モジュールの入口に流れ込む含水被分離流体および前記還流通路を通って還流される濃縮流体の合算含水率が３０ｗｔ％のときの分離係数の経時的変化を示す。(実施例７) エタノールと水の分離試験においてＹ型ゼオライト膜モジュールの入口に流れ込む含水被分離流体および前記還流通路を通って還流される濃縮流体の合算含水率が３５ｗｔ％のときの分離係数の経時的変化を示す。(実施例８) エタノールと水の分離試験においてＹ型ゼオライト膜モジュールの入口に流れ込む含水被分離流体および前記還流通路を通って還流される濃縮流体の合算含水率が５０ｗｔ％のときの分離係数の経時的変化を示す。(比較例２)
　本発明の脱水システムに用いられる膜モジュールに搭載されるゼオライト膜は、アルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニア、チタニア、チッ化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックス、アルミニウム、銀、ステンレス等の金属、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリイミド等の有機高分子よりなる多孔質支持体上にＬＴＡ型のゼオライト層を形成したものである。ゼオライト膜を分子ふるい等として利用する場合、多孔質支持体は（ａ）ゼオライト層を強固に担持することができ、（ｂ）圧損ができるだけ小さく、かつ（ｃ）多孔質支持体が十分な自己支持性（機械的強度）を有するという条件を満たすように、多孔質支持体の平均細孔径等を設定するのが好ましい。具体的には、多孔質支持体の平均細孔径は０．０５～１０μｍで、気孔率が１０～６０％程度のものを用いることができる。多孔質支持体の平均細孔径はバブルポイント法により求められる値である。
　多孔質支持体の平均細孔径が０．０５μｍ未満であると、物質透過抵抗が大きいため実用的でない。この平均細孔径が１０μｍを超えると緻密なゼオライト層を形成することが難しい。また、気孔率が１０％未満では物質透過抵抗が大きく、６０％を超えると選択性が低下する上に、支持体としての強度が得られない。
　多孔質支持体としては、特に、平均細孔径０．１～２μｍ，気孔率３０～５０％のアルミナ製多孔質支持体が好ましい。
　なお、多孔質支持体の形状には特に制限はないが、一般にパーベーパレーション法或いはベーパーパーミエーション法に用いられる形状としては、外径１０ｍｍ前後、長さ２０～２００ｃｍの管状であって、その厚さが０．２ｍｍ～数ｍｍのもの、或いは、外径３０～１００ｍｍ程度、長さ２０～２００ｃｍ及びそれ以上の円柱に内径２～１２ｍｍ程度の孔が軸方向に多数個形成されたモノリス形状であることが好ましい。
　このような多孔質支持体上にＬＴＡ型やＦＡＵ型のゼオライト層を形成する方法としては、シリカ源としてのケイ酸ナトリウム、シリカゲルやゾル、シリカ粉末など、アルミナ源としてのアルミン酸ナトリウム、水酸化アルミニウムなどを出発原料として、水熱合成法や気相法などの合成法で析出させる方法が挙げられる。
　なお、特に水熱合成法によりＡ型ゼオライト層の成膜を行う場合、その好ましい合成温度条件は６０～１５０℃であり、このような温度にて１～２４時間の反応を１～５回程度行うのが好ましい。Ｘ型やＹ型のゼオライト層の成膜を行う場合、８０～３００℃が好ましく、反応時間は、通常２～７２０時間、好ましくは４～１２０時間である。それぞれの型の成膜においては、それぞれの型のゼオライトの種結晶を、例えば多孔質支持体内に埋め込むなどして、多孔質支持体に仕込んでおくことが好ましい。
　Ａ型ゼオライト層の成膜を行う場合は、原料の仕込み組成比（モル比。以下組成比はモル比で示す。）は、Ｈ２Ｏ／Ｎａ２Ｏ＝２０～３００，Ｎａ２Ｏ／ＳｉＯ２＝０．３～２，ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３＝２～６，特に、Ｈ２Ｏ／Ｎａ２Ｏ＝６０，Ｎａ２Ｏ／ＳｉＯ２＝１，ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３＝２となるように調整するのが好ましい。
　Ｘ型ゼオライト層の成膜を行う場合は、例えば、種晶を表面に施した多孔質アルミナ支持体を、Ｈ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、ＳｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３の各成分モル組成比で、それぞれＨ２Ｏ／Ｎａ２Ｏ＝３０～６０、Ｎａ２Ｏ／ＳｉＯ２＝１～２、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３＝４～１２となるように調整した反応液中に浸漬し、５０～２００℃に加温して３時間～１０時間反応させることで製造することができる。このような方法は、特許第３７５４５２０号公報に開示がある。
　Ｙ型ゼオライト層の成膜を行う場合は、例えば、Ｙ型ゼオライトの組成を持つ原料溶液（例えば、Ｈ．Ｒｏｂｓｏｎ， Ｖｅｒｉｆｉｅｄ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆＺｅｏｌｉｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，ｐ１５６ （２００１））を用いて、多孔質支持体にディップコート及び／又は吸引し、同原料溶液中で６０～１２０℃（好ましくは８０～１００℃）、５～１００時間（好ましくは１０～２４時間）水熱合成することでＹ型ゼオライト膜を合成する方法が例示される。このような方法は、特開２００５－２８９７３５に開示がある。
　このようにして、多孔質支持体の表面にゼオライト層を層厚が１０～５０μｍ、多孔質支持体を含むゼオライト膜の全膜厚が０．５～２ｍｍ程度となるように析出させたＬＴＡ型またはＦＡＵ型のゼオライト膜を得ることができる。
　本発明の脱水システムの分離対象とする含水被分離流体としては、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、四塩化炭素、トリクロロエチレン等のハロゲン化炭化水素のごとき有機物を挙げることができ、このような有機物を２種類もしくはそれ以上含む混合物であってもよい。
　ＬＴＡ型またはＦＡＵ型のゼオライト膜が搭載された膜モジュールを用いた脱水システムを図１に示す。
　脱水システム10は、主たる装置として、供給流体タンク11、膜モジュール17、濃縮流体タンク20、還流通路21、透過流体タンク26等から構成されている。
　含水被分離流体は、供給流体タンク11に貯められており、供給流体タンク11とつながる入口側通路15の経路に備えられたポンプ12によって膜モジュール17に向けて入口側通路15を通って流れる。途中のプレヒーター13およびヒーター14によって加熱され、膜モジュール17の入口16から膜モジュール17内に流れ込み脱水が行われる。
　膜モジュール17のゼオライト膜を通らなかった流体は出口18から出口側通路19を通って、濃縮流体タンク20に流れ込み貯められる。この濃縮流体タンク20に貯められた一部脱水された濃縮流体の所定量が、還流通路21を通って入口側通路15に流れ込み、供給流体タンク11からの含水被分離流体と合流して膜モジュール17に流れ込むようになっている。
　還流通路21を通って還流される濃縮流体の量は、含水被分離流体および還流通路21を通って還流される濃縮流体の合算含水率が、ゼオライト膜がＬＴＡ型の場合は２０ｗｔ％以下になるように調整され、ゼオライト膜がＦＡＵ型の場合は３５％以下になるように調整される。前記所定量とは、そのために必要な濃縮流体の量（流量）のことを指している。このように、この合算含水率を２０ｗｔ％または３５ｗｔ％以下とすることによってゼオライト膜を構成するゼオライト結晶の崩壊確率を下げることができる。
　濃縮流体タンク20に貯められた濃縮流体の内、還流される濃縮流体以外の濃縮流体は、ポンプ27によって取り出される。
　一方、膜モジュール17の出口22から出てくる透過流体は、透過流体出口側通路23を通り、透過流体タンク26に一旦貯められ、ポンプ28によって適宜排出される。透過流体タンク26には、真空ポンプ25が接続されており、タンク26内の水蒸気等のガスが排出される。透過流体は、途中で透過コンデンサー24によって冷却される。
　図２は、従来の脱水システム30の例を示す。図１と異なる点は、濃縮流体タンク20がなく、還流通路21がなく、膜モジュール17の出口18から出てくる濃縮流体は、出口側通路19を通って、直接取り出される。
　このような従来のシステムで高含水系の被分離流体を脱水する場合には、ＬＴＡ型またはＦＡＵ型のゼオライト膜を用いると、Ａｌ原子を起点として結晶構造の崩壊が起こり、数時間で使用できなくなる場合がある。よって、このようなシステムで使用されるゼオライト膜はＣＨＡ型ゼオライトなど、ＬＴＡ型やＦＡＵ型と比べて高価なゼオライト膜を使用しなければならず、しかも透過流束はＬＴＡ型やＦＡＵ型と比べて小さくなる。
（実施例１）
　図１に示す脱水システム10の膜モジュール17がＬＴＡ型（Ａ型）ゼオライト膜である場合において２－プロパノールおよび水の含水被分離流体の脱水性能について検討を行った。実施例１の膜モジュール17は、アルミナ製多孔質支持体に種結晶を仕込んで製膜したＡ型ゼオライト膜を搭載したものである。図１において、ヒーター14での加温を７０℃、透過コンデンサー24による冷却水温度を０℃～３℃、ポンプ28から流れ出る透過流体の温度を７℃～１０℃となるように設定した。
　２－プロパノールおよび水の混合流体の含水率は３５ｗｔ％であり、含水被分離流体および還流通路21を通って還流される濃縮流体の合算含水率を１５ｗｔ％となるように設定した。
　供給流体タンク11からの含水被分離流体の流量を２１０ｋｇ／ｈとし、含水被分離流体および還流通路21を通って還流される濃縮流体の合算流量を、６３０ｋｇ／ｈ、５６０ｋｇ／ｈおよび５１０ｋｇ／ｈの３通りで検討を行った。その時の、ポイントＰ１～Ｐ５のそれぞれの温度、流量および含水率を計算により求めた。合算流量が６３０ｋｇ／ｈの場合を表１に、合算流量が５６０ｋｇ／ｈの場合を表２に、合算流量が５１０ｋｇ／ｈの場合を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
   　 
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
   　 
　表１～表３の結果を見ると、位置Ｐ４においては、いずれも濃縮流体の含水率は１ｗｔ％～５ｗｔ％で、濃縮流体の流量は１３８ｋｇ／ｈ～１４４ｋｇ／ｈと、良い結果が得られている。
（実施例２～４、比較例１）
　次に実施例１の計算に用いたＡ型ゼオライト膜を搭載した膜モジュール17によって含水率の異なった被処理流体の脱水処理試験を、約１５００時間以上を目途として膜寿命を測定する試験を行った。
　被処理流体は、エタノールと水との混合液とし、含水率を１０ｗｔ％（実施例２）、１５ｗｔ％（実施例３）、２０ｗｔ％（実施例４）、３０ｗｔ％（比較例１）の４条件で行った。膜寿命は、分離係数の変化を追跡することによって行った。含水率１０ｗｔ％の場合を図３、含水率１５ｗｔ％の場合を図４、含水率２０ｗｔ％の場合を図５、含水率３０ｗｔ％の場合を図６に示す。
　含水率１０ｗｔ％の場合の寿命は２５１９時間以上、含水率１５ｗｔ％の場合の寿命は２０４２時間以上、含水率２０ｗｔ％の場合の寿命は１４９８時間以上といずれも実用に耐えうる寿命を有していた。
　含水率３０ｗｔ％の場合は、４５時間で分離係数の急激な低下が起こり、ゼオライト結晶の崩壊が確認された。膜モジュール17の入口16に流入する流体の含水率が、２０ｗｔ％超３０ｗｔ％未満の間に、ゼオライト膜の結晶崩壊を急激に起こさせる水の臨界濃度が存在すると考えられる。
（実施例５）
　図１に示す脱水システム10の膜モジュール17がＦＡＵ型（Ｙ型）ゼオライト膜である場合において２－プロパノールおよび水の含水被分離流体の脱水性能について検討を行った。実施例１の膜モジュール17は、アルミナ製多孔質支持体に種結晶を仕込んで製膜したＡ型ゼオライト膜を搭載したものである。図１において、ヒーター14での加温を７０℃、透過コンデンサー24による冷却水温度を０℃～３℃、ポンプ28から流れ出る透過流体の温度を７℃～１０℃となるように設定した。
　２－プロパノールおよび水の混合流体の含水率は３５ｗｔ％であり、含水被分離流体および還流通路21を通って還流される濃縮流体の合算含水率を３０ｗｔ％となるように設定した。
　供給流体タンク11からの含水被分離流体の流量を２１０ｋｇ／ｈとし、含水被分離流体および還流通路21を通って還流される濃縮流体の合算流量を、２５２ｋｇ／ｈ、２４９ｋｇ／ｈおよび２４６ｋｇ／ｈの３通りで検討を行った。その時の、ポイントＰ１～Ｐ５のそれぞれの温度、流量および含水率を計算により求めた。合算流量が２５２ｋｇ／ｈの場合を表４に、合算流量が２４９ｋｇ／ｈの場合を表５に、合算流量が２４６ｋｇ／ｈの場合を表６に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
   　 
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表４～表６の結果を見ると、位置Ｐ４においては、いずれも濃縮流体の含水率は１ｗｔ％～５ｗｔ％で、濃縮流体の流量は１３８ｋｇ／ｈ～１４４ｋｇ／ｈと、良い結果が得られている。
（実施例６～８、比較例２）
　次に実施例５の計算に用いたＹ型ゼオライト膜を搭載した膜モジュール17によって含水率の異なった被処理流体の脱水処理試験を、約１５００時間以上を目途として膜寿命を測定する試験を行った。
　被処理流体は、エタノールと水との混合液とし、含水率を２０ｗｔ％（実施例６）、３０ｗｔ％（実施例７）、３５ｗｔ％（実施例８）、５０ｗｔ％（比較例２）の４条件で行った。膜寿命は、分離係数の変化を追跡することによって行った。含水率２０ｗｔ％の場合を図７、含水率３０ｗｔ％の場合を図８、含水率３５ｗｔ％の場合を図９、含水率５０ｗｔ％の場合を図１０に示す。
　含水率２０ｗｔ％の場合の寿命は１４９８時間以上、含水率３０ｗｔ％の場合の寿命は２０４２時間以上、含水率３５ｗｔ％の場合の寿命は１４８５時間以上といずれも実用に耐えうる寿命を有していた。
　含水率５０ｗｔ％の場合は、２８時間で分離係数の急激な低下が起こり、ゼオライト結晶の崩壊が確認された。膜モジュール17の入口16に流入する流体の含水率が、３５ｗｔ％超５０ｗｔ％未満の間に、ゼオライト膜の結晶崩壊を急激に起こさせる水の臨界濃度が存在すると考えられる。
 
１０：脱水システム
１１：供給流体タンク
１２、２７、２８：ポンプ
１３：プレヒーター
１４：ヒーター
１５：入口側通路
１６：入口
１７：膜モジュール
１８：出口
１９：出口側通路
２０：濃縮流体タンク
２１：還流通路
２２：出口
２３：透過流体出口側通路
２４：透過コンデンサー
２５：真空ポンプ
２６：透過流体タンク
３０：従来の脱水システム

Claims (8)

  1. 　含水被分離流体から水分を除去する脱水システムであって、
    　結晶構造がＬＴＡ型のゼオライト膜が搭載された膜モジュールと、
    　前記含水被分離流体が前記膜モジュールの入口に流れ込む入口側通路と、
    　前記膜モジュールから非透過流体である濃縮流体が排出される出口と連なる出口側通路と、
    　前記出口側通路と連なる濃縮流体タンクと、
    　前記濃縮流体タンクから前記入口側通路と連結される還流通路とを備え、
    　前記濃縮流体タンクに貯められた前記濃縮流体の所定量を、前記還流通路を通じて前記膜モジュールに還流させ、
    　前記所定量は、前記膜モジュールの入口に流れ込む含水被分離流体および前記還流通路を通って還流される濃縮流体の合算含水率が２０ｗｔ％以下になるように調整されていることを特徴とする脱水システム。
  2. 　前記ゼオライト膜が、Ａ型ゼオライト膜である請求項１に記載の脱水システム。
  3. 　含水被分離流体を結晶構造がＬＴＡ型のゼオライト膜が搭載された膜モジュールの入口に注入し、前記膜モジュールによって一定の水分を除去した濃縮流体を前記膜モジュールの出口から取り出して濃縮流体タンクに貯める第１ステップと、
    　前記第１ステップと並行して行われる、前記濃縮流体タンクに貯められた前記濃縮流体の所定量を前記膜モジュールの入口に還流させ、前記膜モジュールの入口に注入される含水被分離流体と還流される濃縮流体の合算含水率が２０ｗｔ％以下になるように前記濃縮流体の所定量が還流される第２ステップと、
    　を含む脱水方法。
  4. 　前記ゼオライト膜が、Ａ型ゼオライト膜である請求項３に記載の脱水方法。
  5. 　含水被分離流体から水分を除去する脱水システムであって、
    　結晶構造がＦＡＵ型のゼオライト膜が搭載された膜モジュールと、
    　前記含水被分離流体が前記膜モジュールの入口に流れ込む入口側通路と、
    　前記膜モジュールから非透過流体である濃縮流体が排出される出口と連なる出口側通路と、
    　前記出口側通路と連なる濃縮流体タンクと、
    　前記濃縮流体タンクから前記入口側通路と連結される還流通路とを備え、
    　前記濃縮流体タンクに貯められた前記濃縮流体の所定量を、前記還流通路を通じて前記膜モジュールに還流させ、
    　前記所定量は、前記膜モジュールの入口に流れ込む含水被分離流体および前記還流通路を通って還流される濃縮流体の合算含水率が３５ｗｔ％以下になるように調整されていることを特徴とする脱水システム。
  6. 　前記ゼオライト膜が、Ｘ型またはＹ型ゼオライト膜である請求項５に記載の脱水システム。
  7. 　含水被分離流体を結晶構造がＦＡＵ型のゼオライト膜が搭載された膜モジュールの入口に注入し、前記膜モジュールによって一定の水分を除去した濃縮流体を前記膜モジュールの出口から取り出して濃縮流体タンクに貯める第１ステップと、
    　前記第１ステップと並行して行われる、前記濃縮流体タンクに貯められた前記濃縮流体の所定量を前記膜モジュールの入口に還流させ、前記膜モジュールの入口に注入される含水被分離流体と還流される濃縮流体の合算含水率が３５ｗｔ％以下になるように前記濃縮流体の所定量が還流される第２ステップと、
    　を含む脱水方法。
  8. 　前記ゼオライト膜が、Ｘ型またはＹ型ゼオライト膜である請求項７に記載の脱水方法。
     
     
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