專(zhuān)利名稱(chēng)：脫水系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用水分離膜的脫水系統(tǒng)，更具體地，本發(fā)明涉及用于適當(dāng)處理水分 離膜在對(duì)具有與水共沸組成的水和乙醇或丙醇的混合物進(jìn)行脫水時(shí)的劣化而設(shè)計(jì)的脫水 系統(tǒng)，下文中把所述混合物稱(chēng)之為待處理流體。
背景技術(shù)：
乙醇作為代替石油的替代能源已經(jīng)引起了關(guān)注，預(yù)計(jì)2010年的市場(chǎng)規(guī)模為 55, 000, OOOkL0然而，為了使用乙醇作為燃料，在對(duì)從諸如玉米的生物質(zhì)來(lái)源得到的粗產(chǎn)物 進(jìn)行蒸餾和提純之后，必須將乙醇脫水至至少99. 5重量％。為了脫水，通常是通過(guò)在蒸餾塔中對(duì)乙醇的稀水溶液進(jìn)行蒸餾，從而將所述溶液 濃縮至接近乙醇/水體系的共沸點(diǎn)，然后對(duì)其進(jìn)行脫水。有一種添加共沸劑并通過(guò)共沸蒸餾來(lái)進(jìn)行脫水的脫水技術(shù)。然而，這種技術(shù)有一 些缺點(diǎn)，例如因?yàn)樾枰M(jìn)行三元體系的共沸蒸餾和回收共沸劑的步驟而需要大量的熱能。另外，還有一種脫水技術(shù)，其中將多個(gè)分子篩容器平行布置，并以批式方式在它們 之間設(shè)置開(kāi)關(guān)以進(jìn)行脫水。然而，這種方法也存在分子篩容器的再生所需要的高能量消耗 的問(wèn)題。因此，已經(jīng)考慮使用不存在上述缺點(diǎn)的元件如水分離膜(日本專(zhuān)利申請(qǐng)待審公布 58-21629 號(hào))。然而，如果采用使用包括水分離膜的水分離膜單元的全蒸發(fā)(PV)，則所述水分離 膜單元通常的使用壽命為約2年，且需要一年一次地更換所有水分離膜。所述水分離膜單 元存在的問(wèn)題是，因?yàn)樵诟鼡Q期間會(huì)造成設(shè)備不可避免的停工期，所以降低了使用所述單 元的設(shè)備的利用率。考慮上述情況完成了本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供一種脫水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)所述脫水 系統(tǒng)通過(guò)在設(shè)備運(yùn)行的同時(shí)允許更換水分離膜單元來(lái)保持安裝有使用水分離膜的脫水系 統(tǒng)的設(shè)備的利用率。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明提供一種從待處理流體中分離水的脫水系統(tǒng)，其中所 述脫水系統(tǒng)包括至少兩個(gè)平行于待處理流體流動(dòng)方向布置的使用中的水分離膜單元；配置 所述脫水系統(tǒng)使得相對(duì)于所述至少兩個(gè)水分離膜單元，能夠平行于待處理流體流動(dòng)方向安 裝至少一個(gè)備用水分離膜單元；所述脫水系統(tǒng)包括用于待取出產(chǎn)物流體的監(jiān)測(cè)裝置；以及 所述脫水系統(tǒng)通過(guò)根據(jù)由所述監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)的產(chǎn)物流體的性質(zhì)來(lái)運(yùn)行所述至少一個(gè)備用 水分離膜單元而保持產(chǎn)物流體的性質(zhì)。在本發(fā)明的脫水系統(tǒng)中，待處理流體通常為有機(jī)水溶液。其有機(jī)組分優(yōu)選為一種 選自如下的有機(jī)組分醇類(lèi)如乙醇、丙醇、異丙醇和二醇；羧酸類(lèi)如乙酸；醚類(lèi)如二甲醚和 二乙醚；醛類(lèi)如乙醛；酮類(lèi)如丙酮和甲乙酮；以及酯類(lèi)如乙酸乙酯。
本發(fā)明脫水系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案包括監(jiān)測(cè)整個(gè)脫水系統(tǒng)待取出產(chǎn)物流體的有機(jī) 組分濃度的光密度計(jì)，作為用于產(chǎn)物流體的監(jiān)測(cè)裝置。本發(fā)明脫水系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方案包括監(jiān)測(cè)各個(gè)水分離膜單元待取出產(chǎn)物流體 的有機(jī)組分濃度的光密度計(jì)，作為用于產(chǎn)物流體的監(jiān)測(cè)裝置，其中在各個(gè)水分離膜單元上 安裝所述光密度計(jì)。本發(fā)明脫水系統(tǒng)的還一個(gè)實(shí)施方案包括監(jiān)測(cè)各個(gè)水分離膜單元待取出產(chǎn)物流體 的溫度的溫度計(jì)，作為用于產(chǎn)物流體的監(jiān)測(cè)裝置。本發(fā)明提供一種脫水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)所述脫水系統(tǒng)通過(guò)在設(shè)備運(yùn)行的同時(shí)允許更換水 分離膜單元來(lái)保持安裝有使用水分離膜的脫水系統(tǒng)的設(shè)備的利用率。


圖1為顯示根據(jù)本發(fā)明的脫水系統(tǒng)實(shí)施方案的示意圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明1 5:水分離膜單元6:進(jìn)口流量計(jì)7:出口流量計(jì)8:出口光密度計(jì)9、10、11、12和13 個(gè)體光密度計(jì)
具體實(shí)施例方式將通過(guò)參考其實(shí)施方案詳細(xì)描述本發(fā)明的脫水系統(tǒng)。圖1為本發(fā)明脫水系統(tǒng)的實(shí)施方案。根據(jù)本實(shí)施方案的脫水系統(tǒng)假定用于脫水的 待處理流體為粗乙醇。假定該粗乙醇為乙醇濃度為94. 5重量％ 94. 8重量％ (包含兩個(gè) 端值)的水溶液。換言之，認(rèn)為含乙醇作為有機(jī)組分的粗乙醇為待處理流體。最終的產(chǎn)物 流體，即產(chǎn)物乙醇(無(wú)水乙醇)具有的乙醇濃度為99. 5重量％ 99. 8重量％ (包含兩個(gè) 端值)O根據(jù)本實(shí)施方案的脫水系統(tǒng)100主要由水分離膜單元1 5、進(jìn)口流量計(jì)6、出口 流量計(jì)7、出口光密度計(jì)8以及個(gè)體光密度計(jì)9 13組成。所述脫水系統(tǒng)還具有用于水分 離膜單元1 5的進(jìn)口閥14 18以及出口閥19 23。水分離膜單元1 5為用于把粗乙醇分離成無(wú)水乙醇和水的單元。作為水分離膜 單元組成部分的水分離膜優(yōu)選是孔徑為10埃以下的二氧化硅或沸石無(wú)機(jī)水分離膜。所述 水分離膜還可以為碳膜。另外，根據(jù)日本專(zhuān)利2808479號(hào)的無(wú)機(jī)水分離膜也是適用的。這種無(wú)機(jī)水分離膜 為通過(guò)在無(wú)機(jī)多孔物體的孔內(nèi)負(fù)載由含乙氧基或甲氧基的烷氧基硅烷水解得到的二氧化 硅凝膠而得到的耐酸性復(fù)合材料分離膜，通過(guò)包括下列步驟1 11的制造方法能夠制造所 述復(fù)合材料分離膜。下述多孔基體通常為陶瓷基體如氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯或二二氧化鈦，優(yōu)選為 具有多個(gè)在縱向上具有圓形橫截面的內(nèi)部管道的圓柱形基體。在下列步驟1 11中，形成 無(wú)機(jī)水分離膜以覆蓋這些內(nèi)部管道的每一個(gè)的內(nèi)壁。這就是短語(yǔ)“在無(wú)機(jī)多孔物體的孔內(nèi)負(fù)載由含乙氧基或甲氧基的烷氧基硅烷水解得到的二氧化硅凝膠”的含義。除了所述無(wú)機(jī)水分離膜之外，還能夠使用有機(jī)膜如聚乙烯醇膜、聚酰亞胺膜以及 聚酰胺膜作為水分離膜。這些有機(jī)膜還會(huì)隨時(shí)間而變化且適用于本發(fā)明。步驟1 在通過(guò)變換作為二氧化硅溶膠原料的烷氧基硅烷、水和酸催化劑的混合 比而制備多種二氧化硅溶膠的制備條件中，把待負(fù)載二氧化硅溶膠的原料混合比分成兩種 類(lèi)型一種是用于二氧化硅溶膠1的，另一種是用于二氧化硅溶膠2的。步驟2 水的重量對(duì)作為二氧化硅溶膠1的原料的一種的烷氧基硅烷的重量之比 為0. 5 2. 0 (包含兩個(gè)端值)，而作為反應(yīng)催化劑的酸催化劑的重量對(duì)烷氧基硅烷的重量 之比為0. 01 0. 1 (包含兩個(gè)端值)。步驟3 水的重量對(duì)作為二氧化硅溶膠2的原料的一種的烷氧基硅烷的重量之比 為2. 0 50 (包含兩個(gè)端值)，而作為反應(yīng)催化劑的酸催化劑的重量對(duì)烷氧基硅烷的重量之 比為0. 01 0. 5 (包含兩個(gè)端值)。步驟4 盡管二氧化硅溶膠1的原料保持為沸騰狀態(tài)，但是把在開(kāi)始沸騰之后約 25,20以及15分鐘時(shí)的溶液分別定義為I-A溶液、I-B溶液以及1_C溶液。步驟5 對(duì)所述二氧化過(guò)溶膠2的原料進(jìn)行攪拌并在室溫下混合30 90分鐘以 制造二氧化硅溶膠2。步驟6 在把所述二氧化硅溶膠I-A溶液負(fù)載在多孔基體表面上之后，將所述多孔 基體在設(shè)定為約200°C的電爐中燃燒5 15分鐘(包含兩個(gè)端值)，再在約300°C下燃燒 5 15分鐘(包含兩個(gè)端值)，然后在約400°C下燃燒5 15分鐘(包含兩個(gè)端值)，最后 在約500°C下燃燒5 15分鐘(包含兩個(gè)端值)。步驟7 在其上已經(jīng)負(fù)載了二氧化硅溶膠I-A溶液的多孔基體表面上進(jìn)一步負(fù)載 二氧化硅溶膠I-A溶液之后，重復(fù)上面步驟6的操作兩次或三次。步驟8 接下來(lái)，在其上已經(jīng)負(fù)載了二氧化硅溶膠I-A溶液的多孔基體表面上進(jìn)一 步負(fù)載二氧化硅溶膠I-B溶液之后，進(jìn)行與上面步驟6和7中相同的加工。步驟9 接下來(lái)，在其上已經(jīng)負(fù)載了二氧化硅溶膠I-B溶液的多孔基體表面上進(jìn)一 步負(fù)載二氧化硅溶膠I-C溶液之后，進(jìn)行與上面步驟6和7中相同的加工。步驟10 接下來(lái)，在其上已經(jīng)負(fù)載了二氧化硅溶膠1-A、1-B和I-C溶液的多孔基 體表面上進(jìn)一步負(fù)載二氧化硅溶膠2溶液之后，將所述多孔基體在設(shè)定為約200°C的電爐 中燃燒5 15分鐘(包含兩個(gè)端值)，再在約300°C下燃燒5 15分鐘(包含兩個(gè)端值)， 然后在約400°C下燃燒5 15分鐘(包含兩個(gè)端值)，最后在約500°C下燃燒5 15分鐘 (包含兩個(gè)端值)。步驟11 在其上已經(jīng)負(fù)載了二氧化硅溶膠2溶液的多孔基體表面上進(jìn)一步負(fù)載二 氧化硅溶膠2溶液之后，重復(fù)上面步驟10的操作兩次或三次。通過(guò)上面步驟1 11能夠得到在其各個(gè)內(nèi)部管道內(nèi)負(fù)載了無(wú)機(jī)水分離膜的圓柱 形多孔基體(用無(wú)機(jī)水分離膜覆蓋各個(gè)內(nèi)部管道)。在本發(fā)明中，使用例如這類(lèi)基體作為構(gòu) 成各個(gè)水分離膜單元ι 5的水分離膜，所述各個(gè)水分離膜單元1 5具有構(gòu)成能夠進(jìn)行 減壓的容器的這類(lèi)水分離膜。通過(guò)換熱器(圖中未示出)將粗乙醇預(yù)熱至約90°C。所述粗乙醇流經(jīng)水分離膜的 內(nèi)部管道，因?yàn)樵O(shè)計(jì)所述水分離膜單元1 5使得粗乙醇通過(guò)泵(圖中未示出)經(jīng)由進(jìn)口流量計(jì)6和進(jìn)口閥14 18引入所述單元中。通過(guò)對(duì)水分離膜進(jìn)行減壓使得水從粗乙醇中 分離。經(jīng)由出口閥19 23以及隨后的出口光密度計(jì)8和出口流量計(jì)7將已經(jīng)從其中分離 出水的乙醇取出作為產(chǎn)物乙醇。通過(guò)個(gè)體光密度計(jì)9 13監(jiān)測(cè)水分離膜單元9 13的出 口濃度。根據(jù)本實(shí)施方案的脫水系統(tǒng)100例如在初始運(yùn)行時(shí)僅使用水分離膜單元1 4。 通過(guò)進(jìn)口流量計(jì)6和出口流量計(jì)7監(jiān)測(cè)流入和流出水分離膜單元1 4的總流速。出口光 密度計(jì)8監(jiān)測(cè)產(chǎn)物乙醇的乙醇濃度以確認(rèn)所述濃度保持在期望設(shè)定值以上。同時(shí)，個(gè)體光 密度計(jì)9 12監(jiān)測(cè)水分離膜單元1 4的出口濃度。另一方面，水分離膜單元5為備用水 分離膜單元，在初始運(yùn)行時(shí)不運(yùn)行。隨著使用水分離膜，它們通常發(fā)生劣化。當(dāng)水分離膜單元1 4的任意一個(gè)的性 能發(fā)生劣化時(shí)，通過(guò)如下所述技術(shù)來(lái)運(yùn)行所述備用水分離膜單元5。(1)在所述水分離膜單元1 4中，降低其性能已經(jīng)劣化的單元的流速。通過(guò)由個(gè) 體光密度計(jì)9 12測(cè)得的濃度來(lái)檢測(cè)任何性能劣化。出口光密度計(jì)8監(jiān)測(cè)產(chǎn)物乙醇的濃 度以確認(rèn)濃度在期望設(shè)定值以上。當(dāng)出口流量計(jì)7顯示在降低流速之后產(chǎn)物乙醇的流速僅 能保持在設(shè)定值之下時(shí)，運(yùn)行所述備用水分離膜單元5以保持產(chǎn)物乙醇的流速。通過(guò)控制單元(圖中未示出)能夠自動(dòng)進(jìn)行這類(lèi)控制。另一方面，另外關(guān)閉運(yùn)行最差的水分離膜單元的出口閥和進(jìn)口閥，以停止運(yùn)行所 述單元。然后，用新的水分離膜單元更換已經(jīng)停止運(yùn)行的水分離膜單元。將更換后的水分 離膜單元準(zhǔn)備就緒作為新的備用水分離膜單元。通過(guò)進(jìn)行上述步驟而不用停止其運(yùn)行就能 保持脫水系統(tǒng)的性能。(2)上面(1)中所述的技術(shù)還使得可以勿需諸如降低劣化單元流速的任何控制， 就能運(yùn)行備用水分離膜單元5并停止運(yùn)行性能已經(jīng)劣化的水分離膜單元來(lái)進(jìn)行單元的更 換。(3)在初始運(yùn)行時(shí)，還可以適當(dāng)降低水分離膜單元1 4的流速而不用把流速提高 到極限，且可以根據(jù)水分離膜單元性能的變化來(lái)控制總的出口流速。還可以以年度為單位開(kāi)始運(yùn)行備用水分離膜單元，例如可以更換任意一個(gè)未安裝 個(gè)體光密度計(jì)9 13的其它水分離膜單元。如果使用圖1作為實(shí)例，約每2年一次停止水 分離膜單元1 4并全部更換。實(shí)際上，一年一次地開(kāi)始運(yùn)行新的備用水分離膜單元并更換水分離膜單元是沒(méi)有 問(wèn)題的。在此情況下，更換的設(shè)備數(shù)為之前的一半。如果每6個(gè)月更換一次，則更換的設(shè)備 數(shù)與之前的相同，因?yàn)樗羞\(yùn)行單元數(shù)為四。在任一情況下，都不需要停止整個(gè)脫水系統(tǒng)的 運(yùn)行。另外，使用中的水分離膜單元數(shù)和備用水分離膜單元數(shù)不限于圖1中實(shí)施方案所 示的數(shù)。更具體地，如果系統(tǒng)包括至少兩個(gè)平行于待處理流體流動(dòng)方向布置的使用中的水 分離膜單元，且配置系統(tǒng)使得相對(duì)于所述至少兩個(gè)水分離膜單元，能夠平行于待處理流體 流動(dòng)方向安裝至少一個(gè)備用水分離膜單元，則能夠配置所述系統(tǒng)作為根據(jù)本發(fā)明的脫水系 統(tǒng)。在根據(jù)本發(fā)明的脫水系統(tǒng)中，用于監(jiān)測(cè)各個(gè)水分離膜單元1 5取出的產(chǎn)物流體的溫度的溫度計(jì)也能夠安裝在各個(gè)水分離膜單元1 5的出口和進(jìn)口處(至少在出口處)， 與光密度計(jì)一起或代替光密度計(jì)作為用于產(chǎn)物流體的監(jiān)測(cè)裝置。如果使用二氧化硅膜作為水分離膜，則二氧化硅的溶解會(huì)使得所述水分離膜的性 能劣化。這使得乙醇和水一起滲透穿過(guò)膜，增加了流體的潛熱，并降低了出口溫度。例如， 如果流體通常于90°C下流入單元并在40°C下流出單元，則可能會(huì)進(jìn)一步降低出口溫度。在 此情況下，認(rèn)為溫度的降低是由劣化引起的，根據(jù)需要降低流速并運(yùn)行備用水分離膜單元。另外，鐵銹、粘合劑材料或固體材料可能會(huì)阻塞水分離膜的孔。這升高了出口溫 度。如果流體通常于40°C下流出單元，則出口溫度不可能會(huì)降低至所述溫度。在此情況下， 認(rèn)為溫度的升高是由劣化引起的，根據(jù)需要降低流速并運(yùn)行備用水分離膜單元。在圖1中的實(shí)施方案中，對(duì)包含乙醇作為有機(jī)組分的待處理流體進(jìn)行脫水。然而， 在根據(jù)本發(fā)明的脫水系統(tǒng)中，如果流體為有機(jī)水溶液，則待處理流體不限于這類(lèi)流體。更 具體地，所述有機(jī)水溶液的有機(jī)組分可以?xún)?yōu)選為一種選自如下的有機(jī)組分醇類(lèi)如乙醇、丙 醇、異丙醇和乙二醇；羧酸類(lèi)如乙酸；醚類(lèi)如二甲醚和二乙醚；醛類(lèi)如乙醛；酮類(lèi)如丙酮和 甲乙酮；以及酯類(lèi)如乙酸乙酯。
權(quán)利要求
一種從待處理流體中分離水的脫水系統(tǒng)，其包括平行于所述待處理流體的流動(dòng)方向布置的使用中的至少兩個(gè)水分離膜單元；相對(duì)于所述至少兩個(gè)水分離膜單元的平行于所述待處理流體的流動(dòng)方向安裝的至少一個(gè)備用水分離膜單元；以及用于待取出產(chǎn)物流體的監(jiān)測(cè)裝置；其中所述脫水系統(tǒng)根據(jù)由所述監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)的所述產(chǎn)物流體的性質(zhì)來(lái)運(yùn)行所述備用水分離膜單元，從而保持所述產(chǎn)物流體的性質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的脫水系統(tǒng)，其中所述待處理流體為有機(jī)水溶液。
3.如權(quán)利要求2所述的脫水系統(tǒng)，其中所述有機(jī)水溶液的有機(jī)組分為水溶性的，且為 一種選自如下的有機(jī)組分醇類(lèi)如乙醇、丙醇、異丙醇和二醇；羧酸類(lèi)如乙酸；醚類(lèi)如二甲 醚和二乙醚；醛類(lèi)如乙醛；酮類(lèi)如丙酮和甲乙酮；以及酯類(lèi)如乙酸乙酯。
4.如權(quán)利要求2所述的脫水系統(tǒng)，其包括監(jiān)測(cè)待從整個(gè)脫水系統(tǒng)取出的產(chǎn)物流體的有 機(jī)組分濃度的光密度計(jì)，作為用于所述產(chǎn)物流體的監(jiān)測(cè)裝置。
5.如權(quán)利要求2所述的脫水系統(tǒng)，其包括監(jiān)測(cè)待從各個(gè)水分離膜單元取出的產(chǎn)物流體 的有機(jī)組分濃度的光密度計(jì)，作為用于所述產(chǎn)物流體的監(jiān)測(cè)裝置，其中在各個(gè)水分離膜單 元安裝所述光密度計(jì)。
6.如權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的脫水系統(tǒng)，其包括監(jiān)測(cè)待從各個(gè)水分離膜單元取 出的產(chǎn)物流體的溫度的溫度計(jì)，作為用于所述產(chǎn)物流體的監(jiān)測(cè)裝置。全文摘要
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種脫水系統(tǒng)，所述系統(tǒng)通過(guò)在設(shè)備工作的同時(shí)允許更換水分離膜單元來(lái)保持具有使用水分離膜的所述脫水系統(tǒng)的設(shè)備的利用率。所述脫水系統(tǒng)包括至少兩個(gè)平行于待處理流體流動(dòng)方向布置的使用中的水分離膜單元；這樣配置所述脫水系統(tǒng)使得相對(duì)于所述至少兩個(gè)水分離膜單元能夠平行于所述待處理流體流動(dòng)方向安裝至少一個(gè)備用水分離膜單元，所述水分離膜單元具有用于所述待取出產(chǎn)物流體的監(jiān)測(cè)裝置；以及所述脫水系統(tǒng)通過(guò)根據(jù)由所述監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)的所述產(chǎn)物流體的性質(zhì)來(lái)運(yùn)行所述備用水分離膜單元來(lái)保持所述產(chǎn)物流體的性質(zhì)。
文檔編號(hào)B01D71/02GK101898089SQ20091014562
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者大空弘幸, 平山晴章, 清木義夫, 田中幸男, 荻野信二, 行本敦弘 申請(qǐng)人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社