(57)【要約】【課題】有機溶剤と水との混合物を脱水して有機溶剤の濃縮液を得る際に、廃棄されるこ有機溶剤の量を減少させつつ装置規模を小さくし、かつ、エネルギー消費量を低減する。【解決手段】脱水膜モジュールの透過室から排出される成分を第１の凝縮温度で凝縮させる第１の凝縮器と、第１の凝縮器に対して直列に設けられて第１の凝縮器での未凝縮の気相成分が供給され、第１の凝縮温度よりも低い第２の凝縮温度で気相成分を凝縮させる第２の凝縮器と、を設ける。凝縮のしやすさの差に基づき、第１の凝縮器及び第２の凝縮器の一方で発生した凝縮液を装置の外部に排出し、第１の凝縮器及び第２の凝縮器の他方で発生した凝縮液を回収して入口側に循環させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機溶剤と水との混合液が供給されて前記混合液の脱水を行い、濃縮した有機溶剤を排出する脱水装置であって、
脱水膜を備えて前記混合液が供給される第１の脱水膜モジュールと、
前記第１の脱水膜モジュールの透過室から排出される成分を第１の凝縮温度で凝縮させる第１の凝縮器と、
前記第１の凝縮器に対して直列に設けられて前記第１の凝縮器での未凝縮の気相成分が供給され、前記第１の凝縮温度よりも低い第２の凝縮温度で前記気相成分を凝縮させる第２の凝縮器と、
を備え、
前記有機溶剤と前記水との凝縮のしやすさの差に基づき、前記第１の凝縮器及び前記第２の凝縮器の一方で発生した凝縮液を前記脱水装置の外部に排出し、前記第１の凝縮器及び前記第２の凝縮器の他方で発生した凝縮液を回収して前記脱水装置の入口側に循環させる、脱水装置。
【請求項２】
脱水膜を備えて前記第１の脱水膜モジュールの濃縮室から排出される成分が供給される第２の脱水膜モジュールを備え、
前記第２の脱水膜モジュールの透過室から排出される成分を凝縮させた凝縮液を回収して前記脱水装置の入口側に循環させる、請求項１に記載の脱水装置。
【請求項３】
前記前段の脱水膜モジュールの前段に、脱水膜を備える初段の脱水膜モジュールをさらに有し、前記初段の脱水膜モジュールの透過室から排出される成分を凝縮させた凝縮液を前記脱水装置の外部に排出する、請求項１または２に記載の脱水装置。
【請求項４】
前記第１の凝縮器から前記第２の凝縮器に送られる前記気相成分の温度を検出するセンサと、
前記センサでの検出結果に基づき、前記第１の凝縮器に対する冷媒の供給量を変化させる調節弁と、
をさらに備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の脱水装置。
【請求項５】
前記脱水膜は浸透気化膜である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の脱水装置。
【請求項６】
前記有機溶剤はＮ−メチル−２−ピロリドンであり、前記第１の凝縮器で発生した凝縮液が回収されて前記前段の脱水膜モジュールの入口に循環し、前記第２の凝縮器で発生した凝縮液が前記脱水装置の外部に排出される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の脱水装置。
【請求項７】
有機溶剤と水との混合液が供給されて前記混合液の脱水を行い、濃縮した有機溶剤を排出する脱水方法であって、
それぞれ脱水膜を備えた１以上の脱水膜モジュールからなる膜装置であって、複数の脱水膜モジュールが設けられるときには前段の脱水膜モジュールの濃縮室から排出される成分が後段の脱水膜モジュールに供給されるように前記複数の脱水膜モジュールが直列に接続されている前記膜装置に対して前記混合液を供給し、
前記膜装置のいずれかの１つの脱水膜モジュールを第１の脱水膜モジュールとして前記第１の脱水膜モジュールの透過室から排出される成分を第１の凝縮温度で凝縮させて第１の凝縮液とし、
前記第１の脱水膜モジュールの透過室から排出される成分のうち前記第１の凝縮温度では凝縮しなかった気相成分を、前記第１の凝縮温度よりも低い第２の凝縮温度で凝縮させて第２の凝縮液とし、
前記有機溶剤と前記水との凝縮のしやすさの差に基づき、前記第１の凝縮液及び前記第２の凝縮液の一方を外部に排出し、前記第１の凝縮液及び前記第２の凝縮液の他方を回収して前記膜装置における最先頭の脱水膜モジュールの入口に循環させる、脱水方法。
【請求項８】
前記第１の脱水膜モジュールが前記膜装置における最後尾の脱水膜モジュールでない場合に、前記第１の脱水膜モジュールよりも後段の脱水膜モジュールの透過室から排出される成分を凝縮させた凝縮液を回収して前記最先頭の脱水膜モジュールの入口に循環させる、請求項７に記載の脱水方法。
【請求項９】
前記第１の凝縮器から前記第２の凝縮器に送られる前記気相成分の温度を検出し、検出結果に基づいて、前記第１の凝縮液を凝縮させるときの冷媒の供給量を変化させる、請求項７または８に記載の脱水方法。
【請求項１０】
前記脱水膜は浸透気化膜である、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の脱水方法。
【請求項１１】
前記有機溶剤はＮ−メチル−２−ピロリドンであり、前記第１の凝縮液を前記最先頭の脱水膜モジュールの入口に循環させ、前記第２の凝縮液を外部に排出する、請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の脱水方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機溶剤と水との混合物から水を分離して有機溶剤の脱水を行う装置及び方法に関し、特に、浸透気化膜などの脱水膜を用いる脱水装置及び脱水方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機溶剤の中には水に対して高い溶解度を有するものがある。このような水溶性の有機溶剤を使用したのち回収して再利用する場合、有機溶剤と水との混合液が回収されることが多いため、この混合液から再利用対象となる有機溶剤を分離して精製する必要がある。従来から有機溶剤と水との混合液から有機溶剤を分離して回収する方法の１つとして、設備規模が小さくて済むとともに省エネルギー性能に優れた浸透気化（Pervaporation：ＰＶ）法が知られている。浸透気化法では、分離処理の対象となる成分（例えば水分）に対して親和性を有する浸透気化膜を分離膜として使用する。分離膜を挟んで一方の側を濃縮側あるいは濃縮室と呼び、他方の側を透過側あるいは透過室と呼ぶとして、分離処理の対象となる成分を含む混合液（例えば有機溶剤と水との混合液）を分離膜の濃縮側に供給し、分離膜の透過側では減圧にしたり不活性ガスを流すことで、分離膜における各成分の透過速度差により分離を行うものである。水分を透過させるための分離膜としては、例えば、ゼオライト膜が使用される。分離膜によって水分のみが透過側に移動するとすれば、分離膜の濃縮側には有機溶剤が残存することとなり、有機溶剤を回収することができる。有機溶剤から水分を分離して有機溶剤の脱水を行うための分離膜を特に脱水膜と呼ぶ。浸透気化膜装置における分離性能を向上させる手法として、それぞれが浸透気化膜を備える浸透気化膜モジュールを直列に接続する手法がある。
【０００３】
有機溶剤と水との混合液から有機溶剤を回収し精製することの例として、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰと略記する）と水との混合液すなわちＮＭＰ水溶液からのＮＭＰの回収が挙げられる。ＮＭＰは水に対して高い溶解性を有し、例えば、リチウムイオン二次電池の製造工程において電極活物質などの粒子を分散させたスラリーを電極集電体上に塗布し乾燥させて電極を形成する際に、スラリーの分散媒として広く用いられている。スラリーを乾燥させる際にＮＭＰが回収され、回収されたＮＭＰは精製した後に再利用することができる。ＮＭＰの回収では、気化したＮＭＰを例えば水スクラバーによって回収する。したがってＮＭＰは、ＮＭＰ水溶液として回収されることになる。このとき、回収されたＮＭＰ水溶液におけるＮＭＰ濃度は、７０〜９０質量％程度である。特許文献１は、リチウムイオン二次電池の製造工程から回収されたＮＭＰ水溶液から精製ＮＭＰを得るシステムにおいて、１段目の浸透気化膜モジュールの濃縮側出口を２段目の浸透気化膜モジュールの濃縮側に設けられた入口に接続するように２台の浸透気化膜モジュールを直列に接続してＮＭＰ水溶液の脱水を行うことを開示している。同様に特許文献２は、リチウムイオン二次電池の製造工程から回収されたＮＭＰ水溶液から精製ＮＭＰを得るシステムにおいて、３台の浸透気化膜モジュールを直列に接続してＮＭＰ水溶液から濃縮ＮＭＰを得ることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−０７１１３９号公報
【特許文献２】国際公開第２０１８／２０７４３１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
有機溶剤の水溶液を浸透気化膜装置に供給して有機溶剤の脱水を行い、有機溶剤の濃縮を行う場合、浸透気化膜では実際には有機溶剤のリークがあるから、浸透気化膜の透過側には水に随伴して有機溶剤が多少なりとも現れる。浸透気化膜以外の脱水膜でも同様である。特許文献２に開示された精製システムでは、有機溶剤であるＮＭＰの回収率を高めるために、直列接続された３台の浸透気化膜モジュールのうち、１段目の浸透気化膜モジュールの透過側から排出される気体を冷却して得られる凝縮液におけるＮＭＰの含有量は相対的に少ないのでこの凝縮液を廃棄している。その一方で、２段目と３段目の浸透気化膜モジュールの透過側から排出される気体を冷却して得られる凝縮液におけるＮＭＰの含有量は相対的に多いのでこちらの凝縮液は廃棄せずに１段目の浸透気化膜モジュールに循環させている。
【０００６】
浸透気化膜装置の透過側に現れた有機溶剤を廃棄することは、廃棄した有機溶剤と同じ量の有機溶剤をシステムに追加することを意味するから、その分のコストが発生する。さらに、有機溶剤の廃棄に際してそのまま環境中に放出することはできないから、廃棄処理に関するコストも発生する。そのため廃棄される有機溶剤の量を減少させることが望まれる。複数の浸透気化膜モジュールを直列に接続して有機溶剤の脱水を行う装置において、装置外に廃棄されることとなる有機溶剤の量を減らすためには、できるだけ前段の浸透気化膜モジュールの透過側出口から排出される水分濃度の高い部分のみを廃棄するように運転条件を定めればよいことになる。しかしながらこのような運転条件では、後段の浸透気化膜モジュールの透過側出口から得られて前段の浸透気化膜モジュールに循環される凝縮液の量が多くなるので全体として浸透気化膜装置や配管、凝縮器の規模を大きくする必要が生じ、また、凝縮のための冷却エネルギーや凝縮液の再加熱のための熱エネルギーを多く必要とするようになる。
【０００７】
本発明の目的は、システム外に廃棄されることとなる有機溶剤の量を減少させつつ装置規模を小さくでき、かつ、エネルギー消費量を低減することができる有機溶剤の脱水装置及び脱水方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の脱水装置は、有機溶剤と水との混合液が供給されて混合液の脱水を行い、濃縮した有機溶剤を排出する脱水装置であって、脱水膜を備えて混合液が供給される第１の脱水膜モジュールと、第１の脱水膜モジュールの透過室から排出される成分を第１の凝縮温度で凝縮させる第１の凝縮器と、第１の凝縮器に対して直列に設けられて第１の凝縮器での未凝縮の気相成分が供給され、第１の凝縮温度よりも低い第２の凝縮温度で気相成分を凝縮させる第２の凝縮器と、を備え、有機溶剤と水との凝縮のしやすさの差に基づき、第１の凝縮器及び第２の凝縮器の一方で発生した凝縮液を脱水装置の外部に排出し、第１の凝縮器及び第２の凝縮器の他方で発生した凝縮液を回収して脱水装置の入口側に循環させる。
【０００９】
本発明の脱水方法は、有機溶剤と水との混合液が供給されて混合液の脱水を行い、濃縮した有機溶剤を排出する脱水方法であって、それぞれ脱水膜を備えた１以上の脱水膜モジュールからなる膜装置であって、複数の脱水膜モジュールが設けられるときには前段の脱水膜モジュールの濃縮室から排出される成分が後段の脱水膜モジュールに供給されるように複数の脱水膜モジュールが直列に接続されている膜装置に対して混合液を供給し、膜装置のいずれか１つの脱水膜モジュールを第１の脱水膜モジュールとして第１の脱水膜モジュールの透過室から排出される成分を第１の凝縮温度で凝縮させて第１の凝縮液とし、第１の脱水膜モジュールの透過室から排出される成分のうち第１の凝縮温度では凝縮しなかった気相成分を、第１の凝縮温度よりも低い第２の凝縮温度で凝縮させて第２の凝縮液とし、有機溶剤と水との凝縮のしやすさの差に基づき、第１の凝縮液及び第２の凝縮液の一方を外部に排出し、第１の凝縮液及び第２の凝縮液の他方を回収して膜装置における最先頭の脱水膜モジュールの入口に循環させる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、有機溶剤と水との混合物を脱水して有機溶剤の濃縮液を得る際に、システム外に廃棄されることとなる有機溶剤の量を減少させつつ装置規模を小さくでき、かつ、エネルギー消費量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】精製システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施の一形態の脱水装置の構成を示す図である。
【図３】別の実施形態の脱水装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本発明に基づく脱水装置は、有機溶剤と水との混合液から水を除去して有機溶剤の脱水を行うものであり、例えば有機溶剤の精製を行うシステムにおいて、脱水されて濃縮された有機溶剤を得るために使用される。そこでまず、本発明に基づく脱水装置が適用可能であって、有機溶剤を精製するために用いられる精製システムについて説明する。図１は、精製システム１の概略構成の一例を示している。図中、ＣＷは冷却水を、ＢＲ１，ＢＲ２はブラインを、ＳＴは高温蒸気を意味する。
【００１３】
図１に示す精製システム１によって精製可能な有機溶剤としては、メタノール、エタノール、２−プロパノールなどのアルコール類の他、大気圧（０．１０１３Ｍｐａ）での沸点が水の沸点（１００℃）よりも高く、好ましくは大気圧下での沸点が浸透気化膜装置の一般的な運転温度である１２０℃であるかそれ以上である有機溶剤が挙げられる。このような有機溶剤の例を表１に示す。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
以下では、有機溶剤がＮＭＰであるとして、ＮＭＰ水溶液を精製する場合を例に挙げて精製システム１を説明する。精製システム１は、ＮＭＰ水溶液から微粒子、溶存酸素、イオン成分等を除去する第１のサブシステム１００と、微粒子、溶存酸素、イオン成分等が除去されたＮＭＰ水溶液から浸透気化膜装置によって水分のほとんどを除去してＮＭＰ濃縮液を生成する第２のサブシステム２００と、ＮＭＰ濃縮液を蒸留してＮＭＰ精製液を生成する第３のサブシステム３００と、を有している。以下、個々のサブシステムの構成を説明する。
【００１６】
（第１のサブシステム１００）
第１のサブシステム１００は、上述のようにして回収された処理対象のＮＭＰ水溶液を受け入れる受入部１０１を有している。ＮＭＰ水溶液は、水スクラバーなどのＮＭＰ回収手段（図示せず）と接続された第１のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ１０１によって、受入部１０１すなわち原液タンクに供給される。受入部１０１は複数の容器（第１〜第３の容器１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ）を有し、これらの容器１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃは精製システム１に供給されるＮＭＰ水溶液の原液の受け入れ、分析、移送などの目的に応じて切替え可能とされている。分析の結果問題がなければ、ＮＭＰ水溶液は後段に移送されて精製処理を受け、精製処理に適さない場合は廃液槽（図示せず）に移送される。受入部１０１は第２のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ１０２を介して、ＮＭＰ水溶液に含まれる微粒子を除去する第１の精密ろ過膜装置１０２と接続されている。第２のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ１０２上にはＮＭＰ水溶液を圧送するポンプ１０７が設けられている。第１の精密ろ過膜装置１０２は膜脱気装置１０３（後述）の上流に設けられているが、膜脱気装置１０３の下流、すなわち膜脱気装置１０３とイオン交換装置１０４（後述）との間に設けられてもよく、あるいは、膜脱気装置１０３の上流と、膜脱気装置１０３とイオン交換装置１０４との間の両方に設けられてもよい。
【００１７】
第１の精密ろ過膜装置１０２は第３のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ１０３を介して、ＮＭＰ水溶液の溶存酸素を除去する膜脱気装置１０３と接続されている。後述するように、ＮＭＰ水溶液は浸透気化膜装置２０１に導入される前に１２０℃程度まで加熱される。１２０℃程度まで加熱されたＮＭＰ水溶液では、ＮＭＰ水溶液中に含まれる溶存酸素が過酸化水素になり、この過酸化水素がＮＭＰを酸化させ、劣化させる可能性がある。予めＮＭＰ水溶液中の溶存酸素を除去することによって、ＮＭＰの酸化を抑制することができる。溶存酸素の濃度を監視するため、膜脱気装置１０３の入口ラインＬ１０３と出口ラインＬ１０４には溶存酸素計（図示せず）が設けられている。また、膜脱気装置１０３の入口ラインＬ１０３には水分濃度計と比抵抗計（ともに図示せず）が設けられている。受入部１０１の下流のポンプ１０７と第１の精密ろ過膜装置１０２との間にはヒータ１０８が設けられている。ヒータ１０８には高温蒸気が供給され、高温蒸気によってＮＭＰ水溶液を加熱する。蒸気配管には高温蒸気の流量を調整する流量調整弁Ｖ１０３が設けられている。
【００１８】
膜脱気装置１０３の脱気膜は、ポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリウレタン、エポキシ樹脂などから形成することができる。ＮＭＰは一部の有機材料を溶解させる性質があるため、脱気膜はポリオレフィン、ＰＴＦＥまたはＰＦＡで形成することが好ましい。脱気膜は非多孔性であることが好ましい。中空糸状の脱気膜の内部を流れるＮＭＰ水溶液の溶存酸素が、真空ポンプ１０９によって負圧にされた脱気膜の外部に移動することによって、脱気、すなわち溶存酸素の除去が行われる。なお、脱気膜の外側（ガス透過側）に窒素ガス等の不活性ガスをスウィープして酸素分圧を下げてもよく、真空法とスウィープ法を併用してもよい。
【００１９】
膜脱気装置１０３は第４のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ１０４を介して、ＮＭＰ水溶液のイオン成分を除去するイオン交換装置１０４と接続されている。イオン交換装置１０４にはアニオン交換樹脂もしくはカチオン交換樹脂が単床で、または、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂が混床もしくは複層床で充填されている。なお、イオン交換樹脂の種類は、ゲル型、ＭＲ型のいずれでもよい。イオン交換装置１０４は第５のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ１０５を介して第２の精密ろ過膜装置１０５と接続されている。第２の精密ろ過膜装置１０５はイオン交換装置１０４から流出する可能性のある樹脂を捕捉し、樹脂の下流への流出を防止する。第２の精密ろ過膜装置１０５は第６のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ１０６を介して、１次処理液槽１０６と接続されている。１次処理液槽１０６は、第１の精密ろ過膜装置１０２、膜脱気装置１０３、イオン交換装置１０４及び第２の精密ろ過膜装置１０５で処理されたＮＭＰ水溶液を受け入れ、受け入れたＮＭＰ水溶液を浸透気化膜装置２０１に供給する。以下、１次処理液槽１０６に貯留され、浸透気化膜装置２０１に供給されるＮＭＰ水溶液を１次処理液という場合がある。
【００２０】
イオン交換装置１０４の入口ラインＬ１０４と出口ラインＬ１０５には比抵抗計（図示せず）が設けられている。イオン交換装置１０４で処理されたＮＭＰ水溶液の比抵抗が所定の値より小さい場合、すなわちイオン成分が十分に除去されないときは、イオン交換装置１０４を通るループに沿ってＮＭＰ水溶液を循環させることができる。具体的には、第５のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ１０５から分岐して受入部１０１に接続された戻りラインＬ１０７が設けられている。通常は第５のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ１０５の弁Ｖ１０１が開けられ、戻りラインＬ１０７の弁Ｖ１０２が閉じられているが、ＮＭＰ水溶液の比抵抗が所定の値より小さい場合は第５のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ１０５の弁Ｖ１０１を閉じ、戻りラインＬ１０７の弁Ｖ１０２を開く。これによって、受入部１０１、第１の精密ろ過膜装置１０２、膜脱気装置１０３、イオン交換装置１０４を通る循環ループが形成される。ＮＭＰ水溶液がこの循環ループに沿って流れることで、ＮＭＰ水溶液に含まれるイオン成分が十分に除去される。
【００２１】
なお、前述の膜脱気装置１０３で処理されたＮＭＰ水溶液の溶存酸素が所定の値より大きい場合、すなわち溶存酸素が十分に除去されないときも、前述のイオン交換装置１０４を通るループに沿ってＮＭＰ水溶液を循環させることができる。これにより、ＮＭＰ水溶液に含まれる溶存酸素も十分に除去される。
【００２２】
（第２のサブシステム２００）
微粒子と溶存酸素とイオン成分が除去され１次処理液槽１０６に貯蔵された１次処理液は次に第２のサブシステム２００に供給され、ほとんどの水分が除去されたＮＭＰ濃縮液が生成される。１次処理液槽１０６は第７のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ２０１を介して、浸透気化膜装置２０１に接続されている。第７のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ２０１にはポンプ２２４と弁Ｖ２０１が設けられている。第７のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ２０１には外部蒸気を用いた第１のヒータ２０５と、第１のヒータ２０５の上流（一次側）に位置する廃熱回収熱交換器２０６と、が設置されており、これらの第１のヒータ２０５及び廃熱回収熱交換器２０６によってＮＭＰ水溶液は１２０℃程度まで加熱される。浸透気化膜装置２０１に供給されるＮＭＰ水溶液を１２０℃程度まで加熱することで、浸透気化膜装置２０１の脱水性能を高めることができる。廃熱回収熱交換器２０６は、第７のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ２０１を流れるＮＭＰ水溶液と、ＮＭＰ濃縮液排出ラインＬ２０４を流れるＮＭＰ濃縮液との間で熱交換を行う。第１のヒータ２０５は外部の蒸気源（図示せず）から供給される高温蒸気によってＮＭＰ水溶液を加熱する。第１のヒータ２０５の蒸気供給ラインには蒸気供給量を調整するための弁Ｖ２０２が設けられている。第１のヒータ２０５の下流には温度警報表示器２２３が設けられている。温度警報表示器２２３で検出された温度に基づき弁Ｖ２０２の開度が調整され、ＮＭＰ水溶液の温度が１２０℃程度に制御される。第７のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ２０１の廃熱回収熱交換器２０６の上流には流量警報表示器２２５が設けられている。流量警報表示器２２５で検出された流量に基づき弁Ｖ２０１の開度が調整され、ＮＭＰ水溶液の流量が所定の範囲内に制御される。
【００２３】
浸透気化膜装置２０１は直列に接続された複数の浸透気化膜モジュール２０２〜２０４を有している。本実施形態では３台の浸透気化膜モジュール、すなわち上流から下流に向けて第１の浸透気化膜モジュール２０２、第２の浸透気化膜モジュール２０３、第３の浸透気化膜モジュール２０４が直列に接続されているが、台数は３台に限定されない。第１の浸透気化膜モジュール２０２は第１の接続ラインＬ２０２を介して第２の浸透気化膜モジュール２０３に接続されている。第２の浸透気化膜モジュール２０３は第２の接続ラインＬ２０３を介して第３の浸透気化膜モジュール２０４に接続されている。第１〜第３の浸透気化膜装置２０２，２０３，２０４は分離膜（浸透気化膜）２０２ｃ、２０３ｃ、２０４ｃによって、上流側の濃縮室２０２ａ，２０３ａ，２０４ａと下流側の透過室２０２ｂ，２０３ｂ，２０４ｂとに区画されている。分離膜２０２ｃ，２０３ｃ，２０４ｃは水に対する親和性を有しているため、水をＮＭＰよりも大きな透過速度で分離膜２０２ｃ，２０３ｃ，２０４ｃを透過させる。透過室２０２ｂ，２０３ｂ，２０４ｂ側を負圧とすることで、透過速度の大きい水が透過速度の小さい少量のＮＭＰともに蒸気（気相）の形態で透過室２０２ｂ，２０３ｂ，２０４ｂに移動し、ほとんどのＮＭＰは濃縮室２０２ａ，２０３ａ，２０４ａに残存する。この原理を用いてＮＭＰ水溶液から水分の一部が除去され、ＮＭＰ水溶液の濃縮液が生成される。第３の浸透気化膜モジュール２０４の出口では、ＮＭＰ濃度が９９．９９％程度まで高められたＮＭＰ濃縮液（水分は０．０１％未満）が得られる。
【００２４】
ＮＭＰ水溶液は第１〜第３の浸透気化膜モジュール２０２，２０３，２０４を順次流通し、徐々にＮＭＰ水溶液中の水分が除去される。水分の除去効率を維持するため、第１の接続ラインＬ２０２と第２の接続ラインＬ２０３にはそれぞれ、第２のヒータ２０７と第３のヒータ２０８が設けられている。第２及び第３のヒータ２０７，２０８は第１のヒータ２０５と同様、熱交換器であり、外部の蒸気源から供給される高温蒸気によってＮＭＰ水溶液を１２０℃程度まで加熱する。第２及び第３のヒータ２０７，２０８の蒸気供給ラインにはそれぞれ、蒸気供給量を調整するための弁Ｖ２０３，Ｖ２０４が設けられている。第３の浸透気化膜モジュール２０４から排出されたＮＭＰ濃縮水はＮＭＰ濃縮液排出ラインＬ２０４を通って第３のサブシステム３００の中継槽３０１に供給される。上述のように、ＮＭＰ濃縮液排出ラインＬ２０４を流れるＮＭＰ濃縮液は、廃熱回収式熱交換器２０６によって、第７のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ２０１を流れるＮＭＰ水溶液との間で熱交換を行い、ＮＭＰ水溶液を予熱する。
【００２５】
ＮＭＰ濃縮液排出ラインＬ２０４から分岐して１次処理液槽１０６に接続されるＮＭＰ濃縮液の戻りラインＬ２１５が設けられている。通常はＮＭＰ濃縮液排出ラインＬ２０４の弁Ｖ２０５が開かれ、戻りラインＬ２１５の弁Ｖ２０６が閉じられ、ＮＭＰ濃縮液は中継槽３０１に供給される。一方、中継槽３０１にＮＭＰ濃縮液を供給できない場合などは弁Ｖ２０５が閉じられ、弁Ｖ２０６が開かれて、ＮＭＰ濃縮液が１次処理液槽１０６に戻される。なお、ＮＭＰ濃縮液を１次処理液槽１０６に返送する場合は、戻りラインＬ２１５に設けられた冷却器２２６によって、ＮＭＰ濃縮液の温度がＮＭＰ水溶液（１次処理液）の温度と同程度になるように冷却水により冷却する。
【００２６】
第１〜第３の浸透気化膜モジュール２０２，２０３，２０４の透過室２０２ｂ，２０３ｂ，２０４ｂはそれぞれ第１〜第３の透過液排出ラインＬ２０６，Ｌ２０９，Ｌ２１２によって第１〜第３の透過液タンク２１４，２１５，２１６に接続されている。第１〜第３の透過液タンク２１４，２１５，２１６の上部には、透過室２０２ｂ，２０３ｂ，２０４ｂに負圧を印加し、透過室２０２ｂ，２０３ｂ，２０４ｂの内部を負圧に維持可能な第１〜第３の真空ポンプ２１７，２１８，２１９が設けられている。気相の水と少量のＮＭＰは冷却水またはブラインによって凝縮され、透過液となって第１〜第３の透過液タンク２１４，２１５，２１６の底部に収集される。第１〜第３の透過液タンク２１４，２１５，２１６は透過液を一時的に貯蔵することができる。具体的には、冷却水ＣＷ及びブラインＢＲ１，ＢＲ２はそれぞれ、第１〜第３の透過液タンク２１４，２１５，２１６の周囲を覆う冷却ジャケット（図示せず）を流れて気相の水及びＮＭＰを保冷し、さらに冷却ラインＬ２０７，Ｌ２１０、Ｌ２１３を通って、第１〜第３の透過液排出ラインＬ２０６，Ｌ２０９，Ｌ２１２に設けられた第１〜第３の熱交換器２１１，２１２，２１３に供給され、気相の水及びＮＭＰを凝縮する。ブラインＢＲ１，ＢＲ２の温度は０〜−２０℃程度が好ましい。
【００２７】
第１〜第３の熱交換器２１１，２１２，２１３はそれぞれ、第１〜第３の透過液排出ラインＬ２０６，Ｌ２０９，Ｌ２１２を介して第１〜第３の浸透気化膜モジュール２０２，２０３，２０４の透過室２０２ｂ，２０３ｂ，２０４ｂと連通している。第１〜第３の熱交換器２１１，２１２，２１３は、透過室２０２ｂ，２０３ｂ，２０４ｂに透過した透過蒸気を冷却し、凝縮して、透過液を生成する冷却器である。透過室２０２ｂ，２０３ｂ，２０４ｂは第１〜第３の熱交換器２１１，２１２，２１３の下流で第１〜第３の透過液タンク２１４，２１５，２１６と連通している。
【００２８】
第１〜第３の透過液タンク２１４，２１５，２１６の底部にはそれぞれ第１〜第３の透過水排出ラインＬ２０８，Ｌ２１１，Ｌ２１４が接続されている。第１〜第３の透過液タンク２１４，２１５，２１６の上部にはそれぞれ、後述する不活性ガス供給母管Ｌ４０１から分岐した不活性ガス供給ラインＬ４０６Ａ，４０６Ｂ，４０６Ｃが接続されている。凝縮された水と少量のＮＭＰは第１〜第３の透過液タンク２１４，２１５，２１６に一時的に貯蔵され、不活性ガス供給ラインＬ４０６Ａ，４０６Ｂ，４０６Ｃから供給される不活性ガスで第１〜第３の透過液タンク２１４，２１５，２１６の内部を加圧することによって、第１〜第３の透過液タンク２１４，２１５，２１６から排出される。第１の透過液タンク２１４から排出された透過水は廃液槽に排出され、第２〜第３の透過液タンク２１５，２１６から排出された透過水は後述するように再利用される。
【００２９】
第１の透過液タンク２１４に収集された気相の水と少量のＮＭＰを冷却した冷却水ＣＷは第１の冷却水排出ラインＬ２２０に排出される。第１の冷却水排出ラインＬ２２０を流れる冷却水の一部は、第１の冷却水排出ラインＬ２２０から分岐した冷却水排出ラインＬ２２１を通って、第２の透過水排出ラインＬ２１１に設けられた熱交換器２２０に供給され、第２の透過水排出ラインＬ２１１を流れるＮＭＰを含む透過水を加熱する。冷却水の残りは、第３の透過水排出ラインＬ２１４に設けられた熱交換器２２１に供給され、第３の透過水排出ラインＬ２１４を流れるＮＭＰを含む透過水を加熱する。第２及び第３の透過水排出ラインＬ２１１，Ｌ２１４の熱交換器２２０，２２１の下流には水分濃度、流量などを計測する計測器２２２，２２３が設けられている。
【００３０】
最上流の浸透気化膜モジュール、すなわち第１の浸透気化膜モジュール２０２はＣＨＡ型、Ｔ型、Ｙ型またはＭＯＲ型のゼオライトからなる浸透気化膜２０２ｃを有している。最上流の浸透気化膜モジュール以外の浸透気化膜モジュール、すなわち第２及び第３の浸透気化膜モジュール２０３，２０４はＡ型ゼオライトからなる浸透気化膜２０３ｃ，２０４ｃを有している。Ａ型ゼオライトは、比較的安価で脱水性能が高いものの、水分濃度が高いＮＭＰ水溶液を処理する場合に、リークや性能低下が生じやすい。これに対し、Ａ型以外のゼオライトは上述の環境でより長期間性能を保持することができる。このため、１０〜２０重量％の水を含有するＮＭＰ水溶液を処理する第１の浸透気化膜モジュール２０２の浸透気化膜２０２ｃはＣＨＡ型、Ｔ型、Ｙ型またはＭＯＲ型のゼオライトを用い、水分含有量の少ないＮＭＰ水溶液を処理する第２及び第３の浸透気化膜モジュール２０３，２０４の浸透気化膜２０３ｃ，２０４ｃはＡ型ゼオライトを用いている。なお、第１の浸透気化膜モジュール２０２を構成する複数の浸透気化膜のすべてがＣＨＡ型、Ｔ型、Ｙ型またはＭＯＲ型のゼオライトからなっている必要はなく、一部の膜がＡ型ゼオライトからなっていてもよい。
【００３１】
第３の透過液排出ラインＬ２１２には冷却器２０９とメカニカルブースターポンプ２１０が設けられている。冷却器２０９は第３の浸透気化膜モジュール２０４から排出された透過液を予冷する。メカニカルブースターポンプ２１０および冷却器２０９は第３の浸透気化膜モジュール２０４の透過室２０４ｂに大きな負圧を印加するために設けられている。第３の浸透気化膜モジュール２０４に供給されるＮＭＰ水溶液の水分含有量は非常に少ないため、第３の真空ポンプ２１９に加えてメカニカルブースターポンプ２１０で十分な負圧を印加することで、水をＮＭＰ水溶液から効率的に分離することができる。冷却器２０９及びメカニカルブースターポンプ２１０は省略することができる。また、冷却器２０９とメカニカルブースターポンプ２１０との間に、冷却器２０９で凝縮された透過水を貯留するためのポッド（図示せず）を設けることもできる。
【００３２】
第２及び第３の浸透気化膜モジュール２０３，２０４の透過液は浸透気化膜装置２０１の上流側に回収される。具体的には第２及び第３の透過液排出ラインＬ２１１，Ｌ２１４は透過液回収ラインＬ２０５に接続され、透過液回収ラインＬ２０５は１次処理液槽１０６に接続されている。第２及び第３の透過液排出ラインＬ２１１，Ｌ２１４から排出される透過液は第１の透過液排出ラインＬ２０８から排出される透過液と比べＮＭＰの含有量が高いため、これを回収することで、ＮＭＰの回収率を高めることができる。透過液が回収される浸透気化膜モジュールは第２及び第３の浸透気化膜モジュール２０３，２０４に限定されず、少なくとも最下流の浸透気化膜モジュール（第３の浸透気化膜モジュール２０４）の透過液が浸透気化膜装置２０１の上流側に回収されればよい。透過液は受入部１０１に回収してもよく、透過液回収ラインＬ２０５に分岐ライン（図示せず）を設けることによって、１次処理液槽１０６と受入部１０１とに選択的に回収してもよい。
【００３３】
（第３のサブシステム３００）
第２のサブシステム２００で生成されたＮＭＰ濃縮液は、ほとんどの水分が除去されている。しかし、ＮＭＰ濃縮液は色度成分や浸透気化膜モジュールから溶出した浸透気化膜２０２ｃ，２０３ｃ，２０４ｃの微粒子およびイオン成分をわずかに含むため、さらに浸透気化膜装置２０１の下流に位置する第３のサブシステム３００で蒸留されてＮＭＰ精製液が生成される。第３のサブシステム３００はＮＭＰ濃縮液を蒸留し凝縮することによってＮＭＰの精製液を生成することから、ＮＭＰ濃縮液の蒸留精製装置として機能する。なお、以下に述べる第３のサブシステム３００は単蒸留方式を用いているが、ＮＭＰ濃縮液を蒸留することが可能な限り蒸留方法は限定されない。例えば、精密蒸留方式を用いることもできる。ただし、エネルギー消費が少ないこと、装置サイズが小さいこと、操作が簡単であることなどの理由から単蒸留方式が好ましい。また、単蒸留方式の中でも、本実施形態で用いている減圧単蒸留方式は熱劣化を防止できる観点から特に望ましい。
【００３４】
前述のように、ＮＭＰ濃縮液は一旦中継槽３０１に貯留される。第３のサブシステム３００は第２のサブシステム２００から独立したサブシステムであり、例えば、第２のサブシステム２００の運転中に第３のサブシステム３００の運転を一時的に停止するといった運用がなされることがある。このため、中継槽３０１を設けることで、第２のサブシステム２００と第３のサブシステム３００を、互いの独立性を維持しながらより弾力的に運用することが可能となる。中継槽３０１は第１のＮＭＰ濃縮液供給ラインＬ３０１を介して再生器３０２に接続されている。第１のＮＭＰ濃縮液供給ラインＬ３０１にはポンプ３０６と弁Ｖ３０１が設けられている。再生器３０２は熱交換器であり、後述する蒸発缶３０３で蒸発したＮＭＰ濃縮液（以下、ＮＭＰ精製ガスという）との間で熱交換を行う。これによって、蒸発缶３０３の熱負荷を低減することができる。再生器３０２は第２のＮＭＰ濃縮液供給ラインＬ３０２を介して蒸発缶３０３に接続されている。蒸発缶３０３は外部の蒸気源（図示せず）から供給される高温蒸気によってＮＭＰ濃縮液を加熱し蒸発させる。蒸発缶３０３の蒸気供給ラインには蒸気供給量を調整するための弁Ｖ３０２が設けられている。蒸発缶３０３の底部には高温の液相のＮＭＰ濃縮液が滞留し、その上部に微粒子が除去された気相のＮＭＰ精製ガスが形成される。液相のＮＭＰ濃縮液に含まれる色度成分も蒸発しにくいため、蒸発缶３０３の底部に蓄積される。なお、本実施形態における蒸発缶３０３としては、液膜流下式の蒸発缶を例に挙げて以下に説明するが、液膜流下式以外の蒸発缶、例えばフラッシュ式、カランドリア式などの蒸発缶を用いてもよい。蒸発缶３０３の底部と頂部には循環ラインＬ３０３が接続されており、蒸発缶３０３を含む循環経路が循環ラインＬ３０３によって形成されている。循環経路上では、液相のＮＭＰ濃縮液を取り出して蒸発缶３０３に戻し、液膜流下にて再度加熱するサイクルが繰り返される。蒸気取り出し缶３０４（後述）の底部には、循環ラインＬ３０３と合流するＮＭＰ濃縮液取り出しラインＬ３０６が設けられている。蒸気取り出し缶３０４の底部に滞留するＮＭＰ濃縮液も、ＮＭＰ濃縮液取り出しラインＬ３０６と循環ラインＬ３０３を通って蒸発缶３０３に戻され、再度加熱される。循環ラインＬ３０３には循環ポンプ３０７と弁Ｖ３０３が設けられている。循環ラインＬ３０３からは、弁Ｖ３０４が設けられたＮＭＰ濃縮液の不純物排出ラインＬ３０９が分岐している。
【００３５】
蒸発缶３０３のＮＭＰ精製ガスは蒸発缶３０３の気相部から取り出され、第１のＮＭＰ精製ガス取り出しラインＬ３０４によって蒸気取り出し缶３０４に取り出される。蒸気取り出し缶３０４は第２のＮＭＰ精製ガス取り出しラインＬ３０５を介して再生器３０２と接続されている。ＮＭＰ精製ガスの熱は再生器３０２で液相のＮＭＰ濃縮液と熱交換される。再生器３０２を出たＮＭＰ精製ガスはさらに第３のＮＭＰ精製ガス取り出しラインＬ３０７によってコンデンサ３０５に導入され、冷却水ＣＷによって凝縮されてＮＭＰ精製液となる。コンデンサ３０５の内部では底部にＮＭＰ精製液が貯留され、その上はＮＭＰ精製ガスからなる気相部となっている。コンデンサ３０５の気相部は、負圧ラインＬ３１０によって真空ポンプ３０９と連通しており、コンデンサ３０５の気相部は真空ポンプ３０９によって負圧にされる。蒸発缶３０３を含む第３のサブシステム３００の気相部も真空ポンプ３０９によって負圧にされ、蒸発缶３０３において減圧蒸発が行われる。これによって、ＮＭＰ濃縮液の蒸発が促進される。負圧ラインＬ３１０のコンデンサ３０５と真空ポンプ３０９との間にはガスクーラ３１０が設けられ、コンデンサ３０５から真空ポンプ３０９に排出される、ＮＭＰ精製ガスを含む気体が冷却される。コンデンサ３０５の冷却水はコンデンサ３０５と接続された冷却水排水ラインＬ３１１に排出される。冷却水排水ラインＬ３１１には熱交換器３１１が設けられており、不純物排出ラインＬ３０９を流れるＮＭＰ濃縮液が、排出される前に熱交換器３１１で冷却される。
【００３６】
コンデンサ３０５の出口にはＮＭＰ精製液取り出し配管Ｌ３０８が接続されている。ＮＭＰ精製液は、ＮＭＰ精製液取り出し配管Ｌ３０８に設けられたポンプ３０８によって、払出し部３１１に送られる。払出し部３１１は受入部１０１と同様、複数の容器（第１〜第３の容器３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃ）を有し、これらの容器３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃは精製システム１から払い出されるＮＭＰ精製液の受け入れ、分析、移送などの目的に応じて切替え可能とされている。分析の結果問題がなければ、ＮＭＰ精製液は排出ラインＬ３１２を通ってリチウムイオン二次電池の製造システムに移送され、当該製造システムで再利用される。問題がある場合は、ＮＭＰ精製液は廃液槽（図示せず）に移送される。
【００３７】
（不活性ガス供給手段）
本実施形態の精製システム１はさらに、容器の気相部を不活性ガスで充填する不活性ガス供給手段を備えている。上述のように、浸透気化膜装置２０１の上流及び下流にはＮＭＰ水溶液、ＮＭＰ濃縮液またはＮＭＰ精製液が貯留される様々な容器が設けられている。これらの容器のいくつかは、内部にＮＭＰ水溶液、ＮＭＰ濃縮液またはＮＭＰ精製液と、気相部との界面が形成される。この条件を満たす容器として以下が挙げられる。
【００３８】
（１）ＮＭＰ水溶液の受入部１０１の第１〜第３の容器１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ
（２）１次処理液槽１０６
（３）中継槽３０１
（４）再生器３０２
（５）蒸発缶３０３
（６）蒸気取り出し缶３０４
（７）コンデンサ３０５
（８）ＮＭＰ精製液の払出し部３１１の第１〜第３の容器３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃ
従来の容器（不活性ガス供給手段に関する以下の記載では、容器は容器１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０６，３０１〜３０５，３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃを意味する）の気相部は空気で形成されていた。しかし、発明者はこれらの容器に空気が充填されている場合、ＮＭＰが気相部の空気と結合して、ＮＭＰの過酸化物（ＮＭＰ−Ｏ−Ｏ−Ｈ；５−ハイドロパーオキソ−１−メチル−２−ピロリドン）が生成されることを見出した。ＮＭＰの過酸化物は蓄積されると爆発の可能性がある。そこで、本実施形態ではこれらの容器に不活性ガス供給手段を設けている。不活性ガスとしては窒素ガスが好ましく、アルゴンガスを用いることもできる。不活性ガス供給手段は以下に述べる不活性ガス供給母管Ｌ４０１と、母管Ｌ４０１から分岐し各容器に不活性ガスを供給する不活性ガス供給ラインと、各不活性ガス供給ライン上に設置されたガスシールユニット、とから構成される。
【００３９】
具体的には不活性ガスの供給源（図示せず）に不活性ガス供給母管Ｌ４０１が接続され、不活性ガス供給母管Ｌ４０１と受入部１０１、１次処理液槽１０６、中継槽３０１、払出し部３１１がそれぞれ不活性ガス供給ラインＬ４０２，Ｌ４０３，Ｌ４０４，Ｌ４０７で接続されている。不活性ガス供給ラインＬ４０２，Ｌ４０３，Ｌ４０４，Ｌ４０７は容器の頂部に接続されている。不活性ガス供給ラインＬ４０２，Ｌ４０３，Ｌ４０４，Ｌ４０７にはそれぞれガスシールユニットＵ４０２，Ｕ４０３，Ｕ４０４，Ｕ４０５が設けられている。さらに、コンデンサ３０５（より正確にはガスクーラ３１０）と真空ポンプ３０９との間の負圧ラインＬ３１０にスウィープ用の不活性ガス供給ラインＬ４０５が接続されている。不活性ガスは不活性ガス供給ラインＬ４０５からコンデンサ３０５に供給され、さらにラインＬ３０７，Ｌ３０２，Ｌ３０４，Ｌ３０５を通って再生器３０２、蒸発缶３０３及び蒸気取り出し缶３０４にも不活性ガスが供給される。図示は省略するが、再生器３０２、蒸発缶３０３、蒸気取り出し缶３０４にも、同様の真空ポンプとスウィープ用の不活性ガス供給ラインを設けることができる。
【００４０】
不活性ガスは精製システム１が最初に稼動する際に容器に充填される。このとき、容器の内部は空気で満たされているため、ガスシールユニットＵ４０２，Ｕ４０３，Ｕ４０４，Ｕ４０５を通して不活性ガスを容器に送り込み、容器の内部の空気を強制的に不活性ガスに置換する。ガスシールユニットＵ４０２，Ｕ４０３，Ｕ４０４，Ｕ４０５は、下流側の容器の圧力が低下すると自動的に開き、不活性ガスを容器に充填するようにされている。従って、容器内のＮＭＰ水溶液、ＮＭＰ濃縮液及びＮＭＰ精製液の量が低下すると容器の圧力が下がり、ガスシールユニットＵ４０２，Ｕ４０３，Ｕ４０４，Ｕ４０５を介して不活性ガスが容器に補充される。他のガスシールユニットについても同様である。
【００４１】
容器に不活性ガスを充填することで、ＮＭＰ過酸化物の爆発の可能性を低減できるだけでなく、容器内のＮＭＰ水溶液、ＮＭＰ濃縮液及びＮＭＰ精製液に溶け込む水分量および溶存酸素量を抑えることができる。この結果、浸透気化膜モジュールの負荷を軽減することができる。また、容器内に酸素がほとんど存在しないため、ＮＭＰ水溶液、ＮＭＰ濃縮液及びＮＭＰ精製液の酸化を防止する効果も得られる。
【００４２】
次に、本発明の実施の一形態の脱水装置について説明する。図１に示した精製システムでは、第２のサブシステム２００において、浸透気化膜を用いてＮＭＰ水溶液を脱水し、ＮＭＰ濃縮液を生成している。第２のサブシステム２００では、第１〜第３の浸透気化膜モジュール２０２〜２０４が直列に接続されて浸透気化膜装置２０１を構成しており、第１の浸透気化膜モジュール２０２の透過室２０２ｂから排出して凝縮した液体は廃液槽に送られ、第２及び第３の浸透気化膜モジュール２０３，２０４の透過室２０３ｂ，２０４ｂから排出して凝縮した液体は、ＮＭＰを含有する液体として、再度、浸透気化膜装置２０１によって処理するために、１次処理液槽１０６に送られている。本実施形態の脱水装置は、このような第２のサブシステム２００を置き換えて使用可能なものである。
【００４３】
図２は、本実施形態の脱水装置を示している。この脱水装置は、図１に示す精製システムにおける第２のサブシステム２００におけるものと同じ構成の３台の浸透気化膜モジュール２０２〜２０４を備えており、これらの浸透気化膜モジュール２０２〜２０４は、それぞれ浸透気化膜２０２ｃ〜２０４ｃを備え、図１におけるものと同様に相互に直列に接続している。図２では、説明を簡単にするため、各浸透気化膜モジュール２０２〜２０４の濃縮室２０２ａ〜２０４ａに供給される液体を加熱する機構や透過室２０２ｂ〜２０４ｂを減圧にする機構は描かれていないが、当業者であれば、図１を参照して加熱機構や減圧機構がどのように設けられるかを理解することができよう。
【００４４】
第１の浸透気化膜モジュール２０２の濃縮室２０２ａに対して第７のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ２０１からＮＭＰ水溶液が供給されており、この濃縮室２０２ａで生じた濃縮液は第１の接続ラインＬ２０２を介して第２の浸透気化膜モジュール２０３の濃縮室２０３ａに供給される。第２の浸透気化膜モジュール２０３の濃縮室２０３ａで濃縮された濃縮液は第２の接続ラインＬ２０３を介して第３の浸透気化膜モジュール２０４の濃縮室２０４ａに供給され、第３の浸透気化膜モジュール２０４でさらに濃縮されて得られるＮＭＰ濃縮液は、濃縮室２０４ａからＮＭＰ濃縮液排出ラインＬ２０４を通って第３のサブシステム（図１参照）に送られる。第１〜第３の浸透気化膜モジュール２０２〜２０４の透過室２０２ｂ，２０３ｂ，２０４ｂには、それぞれ、第１〜第３の透過液排出ラインＬ２０６，Ｌ２０９，Ｌ２１２に接続している。本実施形態の脱水装置に関してここまで説明した構成は、図１に示す精製システムでの第２のサブシステム２００におけるものと同じである。
【００４５】
第１の浸透気化膜モジュール２０２の透過室２０２ｂからは、浸透気化膜２０２ｃを透過した水分が気相状態（すなわち水蒸気）で排出されるとともに、リークしたＮＭＰが水蒸気と混合した気相状態で、あるいは気相に若干の液相が混じった状態で排出される。言い換えれば、水とＮＭＰとが混合した流体が排出される。第１の透過液排出ラインＬ２０６は、冷媒として冷却水が供給される凝縮器（コンデンサ）６０１に接続しているので、これらの水分及びＮＭＰは、第１の透過液排出ラインＬ２０６を介して凝縮器６０１に供給され、凝縮器６０１において冷却水で冷却されることによって凝縮液となる。凝縮器６０１の出口にはタンク６０２が接続しており、凝縮器６０１で生じた凝縮液はタンク６０２に一時的に貯えられる。
【００４６】
第２の浸透気化膜モジュール２０３の透過室２０３ｂからも同様に水とＮＭＰの混合物が第２の透過液排出ラインＬ２０９を介して排出されるが、本実施形態では、第２の透過液排出ラインＬ２０９から排出される混合物を凝縮温度が異なる２段の凝縮器６１１，６２１を用いて凝縮させている。すなわち、第２の透過液排出ラインＬ２０９に対して凝縮器６１１が接続するとともに、凝縮器６１１から分岐する配管６２０に対して凝縮器６２１が接続している。第２の透過液排出ラインＬ２０９から排出される水及びＮＭＰは、まず、凝縮器６１１に供給される。凝縮器６１１には冷水Ａが冷媒として供給されており、凝縮器６１１は、冷水Ａによって冷却することによって、第２の透過液排出ラインＬ２０９から供給されてきた気相成分を所定の凝縮温度Ｔ1で凝縮させる。凝縮器６１１の凝縮液出口にはタンク６１２が接続しており、凝縮器６１１で発生した凝縮液はタンク６１２に一時的に貯えられる。凝縮温度Ｔ1は、減圧のために不図示の真空ポンプによって吸引される分などを除いて気相成分の全てを凝縮させるためには不十分な温度であって、凝縮器６１１内には未凝縮の気相成分が残ることになる。この未凝縮の気相成分は配管６２０を介して凝縮器６２１に送られる。凝縮器６２１にも冷水Ａが冷媒として供給されており、凝縮温度Ｔ1よりも低い凝縮温度Ｔ2で気相成分を凝縮させる。凝縮温度Ｔ2は、残存気体を完全に凝縮させるような温度に設定される。凝縮器６２１の出口にはタンク６２２が接続し、凝縮器６２１内で発生した凝縮液はタンク６２２に一時的に貯えられる。
【００４７】
本実施形態では、凝縮器６１１，６２１における凝縮温度Ｔ1，Ｔ2、特に高温側の凝縮温度Ｔ1は、廃棄される有機溶剤の量を決定付ける重要なパラメータであり、凝縮器６１１，６１２の運転管理において正確に制御される必要がある。そこで、凝縮器６１１に供給される冷水の配管に電磁調節弁６１５を設けるとともに、凝縮器６１１，６１２を接続する配管６２０にその配管を通過する気体の温度を計測する温度センサ６１４を設けている。そして、温度センサ６１４で測定される温度が凝縮温度Ｔ1となるように、温度センサ６１４での検出値に応じて電磁調節弁６１５の開度を調整して凝縮器６１１への冷水Ａの供給量を変化させる制御を実行する。
【００４８】
第３の浸透気化膜モジュール２０４の透過室２０４ｂからも同様に水とＮＭＰの混合物が第３の透過液排出ラインＬ２１２を介して排出されるが、第３の透過液排出ラインＬ２１２は凝縮器６３１に接続しているので、水分及びＮＭＰは凝縮器６３１に供給される。凝縮器６３１は、冷水Ｂが冷媒として供給されており、水分及びＮＭＰは凝縮器６３１内で凝縮し凝縮液が生成する。凝縮器６３１の出口にはタンク６３２が接続しており、凝縮器６３１内で発生した凝縮液はタンク６３２に一時的に貯えられる。
【００４９】
ここで脱水装置内の各場所における流体中のＮＭＰ濃度について検討する。浸透気化膜モジュール２０２〜２０４の透過室２０２ｂ，２０３ｂ，２０４ｂから排出される流体におけるＮＭＰ濃度は、後段の浸透気化膜モジュールになるほど高くなると考えられる。そして、第２の浸透気化膜モジュール２０３の透過室２０３ｂから排出される水とＮＭＰとの混合物を考えると、この混合物は、まず、凝縮器６１１において凝縮温度Ｔ1で凝縮され、ここで凝縮しなかった気相成分は次に凝縮器６２１において凝縮温度Ｔ2で凝縮される。大気圧（１０１．３ｋＰａ）におけるＮＭＰの沸点は水の沸点よりも十分に高く、凝縮器６１１，６２１内が減圧されていることを考慮しても、ＮＭＰの方が水よりも凝縮しやすいといえる。Ｔ1＞Ｔ2であるので、凝縮温度がＴ1である凝縮器６１１で発生する凝縮液におけるＮＭＰ濃度の方が、凝縮温度がＴ2である凝縮器６２１で発生する凝縮液におけるＮＭＰ濃度よりも高くなる。
【００５０】
このように脱水装置内の場所によって凝縮液におけるＮＭＰ濃度が異なることに基づき、本実施形態の脱水装置では、凝縮器６１１で発生した凝縮液と第３の浸透気化膜モジュール２０４の透過室２０４ｂから排出される成分から生じた凝縮液とを回収して第１の浸透気化膜モジュール２０２の入口に循環させる。そして、凝縮器６２１で発生した凝縮液と第１の浸透気化膜モジュール２０２の透過室２０２ｂから排出される成分から生じた凝縮液とについては、脱水装置の外部に排出することとする。このため脱水装置には、第７のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ２０１に合流する循環ラインＬ２５４と、凝縮液を装置外に排出するための排出ラインＬ２５５と、タンク６１２，６３２内の凝縮液を循環ラインＬ２５４にそれぞれ供給するためのポンプ６１３，６３３と、タンク６０２，６２２内の凝縮液を排出ラインＬ２５５を介して排出するためのポンプ６０３，６２３とが設けられている。循環ラインＬ２５４は、図１に示す構成での透過液回収ラインＬ２０５に対応するものである。図２においては循環ラインＬ２５４は、第７のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ２０１に直接合流しているが、図１に示すように循環ラインＬ２５４を１次処理液槽１０６に接続してもよい。排出ラインＬ２５５は、図１に示す構成での第１の透過水排出ラインＬ２０８に対応する。
【００５１】
一例として、脱水装置の外部から第７のＮＭＰ水溶液供給ラインＬ２０１に供給されるＮＭＰ水溶液におけるＮＭＰ濃度が９０％（すなわち水分濃度は１０％）である場合を考える。なおこのＮＭＰ水溶液には循環ラインＬ２５４を介して凝縮液が加わるので、第１の浸透気化膜モジュール２０２の入口でのＮＭＰ濃度は９０％とは限らない。ここでは質量百分率によって濃度を示している。第２の浸透気化膜モジュール２０３の透過室２０３ｂからのＮＭＰと水分との混合物を凝縮する凝縮器６１１，６１２のうち、１段目の凝縮器６１１での凝縮温度Ｔ1が１３℃、２段目の凝縮器６２１での凝縮温度Ｔ2が３℃であるとすると、第１の浸透気化膜モジュール２０２に対応するタンク６０２に貯えられる凝縮液のＮＭＰ濃度は１２％、第２の浸透気化膜モジュール２０３の透過室２０３ｂから排出される水とＮＭＰとの混合物におけるＮＭＰ濃度は５２％、第３の浸透気化膜モジュール２０４の濃縮室２０４ａから得られるＮＭＰ濃縮液のＮＭＰ濃度は９９．９９％以上となる。そして、第２の浸透気化膜モジュール２０３に接続する２段の凝縮器６１１，６２１に関し、凝縮器６１１に対応するタンク６１２に貯えられる凝縮液のＮＭＰ濃度は８５％、凝縮器６２１に対応するタンク６２２に貯えられる凝縮液のＮＭＰ濃度は５％となる。
【００５２】
本実施形態の脱水装置では、３台の浸透気化膜モジュール２０２〜２０４を直列に接続した場合において、１段目の浸透気化膜モジュール２０２については、その透過室２０２ｂから排出される成分でのＮＭＰ濃度が低い条件、すなわち脱水をあまり行わない条件で運転し、２段目の浸透気化膜モジュール２０３では十分な脱水が行われるようにする。十分な脱水が行われるように２段目の浸透気化膜モジュール２０３を運転すると、その透過室２０３ｂから排出される流体にはかなりのＮＭＰが含まれることになる。そこで本実施形態では、透過室２０３ｂから排出される流体に対して２段の凝縮プロセスを適用し、１段目の凝縮プロセスでは凝縮温度Ｔ1を高く設定してＮＭＰに富んだ凝縮液を得てこれを回収している。２段目の凝縮プロセスでは低い凝縮温度Ｔ2を用いて残存気体を完全に凝縮させるが、こちらの凝縮液は水を主体とするものであるので廃棄する。３段目の浸透気化膜モジュール２０４には、既に十分な脱水が行われたＮＭＰ水溶液が供給されるので、ここで仕上げの脱水を行うことにより、この浸透気化膜モジュール２０４からは高濃度のＮＭＰ濃縮液が得られることになる。
【００５３】
上述した本実施形態の脱水装置は、水とＮＭＰとの混合液から濃縮ＮＭＰを得るためだけに利用できるものはなく、ＮＭＰ以外の有機溶剤と水との混合液から脱水された有機溶剤を得るためにも使用することができる。大気圧における沸点が水より低い有機溶剤の場合には、第２の浸透気化膜モジュール２０３の透過室２０３ｂに接続する２段の凝縮器６１１，６２１で発生する凝縮液のうち、１段目の凝縮器６１１で発生する凝縮液よりも２段目の凝縮器６２１で発生する凝縮液の方が有機溶剤濃度が高いと考えられる。したがってこの場合は、第１の浸透気化膜モジュール２０２に対応するタンク６０２と凝縮器６１１に対応するタンク６１２とに貯えられた凝縮液を廃棄し、凝縮器６２１に対応するタンク６２２と第３の浸透気化膜モジュール２０４に対応するタンク６３２に貯えられた凝縮液を回収して第１の浸透気化膜モジュール２０２の入口に循環させればよい。
【００５４】
本発明に基づく脱水装置では、直列接続される浸透気化膜モジュールの数は３に限られるものではなく、４以上とすることもできる。その場合は、図２に示す構成において、第１の浸透気化膜モジュール２０２の前段、及び第３の浸透気化膜モジュール２０４の後段の少なくとも一方に１以上の浸透気化膜モジュールを設ければよい。第１の浸透気化膜モジュール２０２の前段に設けられる浸透気化膜モジュールについては、その透過室から排出される流体を廃棄し、第３の浸透気化膜モジュール２０４の後段に設けられる浸透気化膜モジュールについては、その透過室から排出される流体を回収して最初段の浸透気化膜モジュールの入口に循環させる。
【００５５】
さらに本発明に基づく脱水装置では、直列接続される浸透気化膜モジュールの数は２であってもよい。図３は、本発明の別の実施形態の脱水装置であって、直列接続される浸透気化膜モジュールの数は２である脱水装置を示している。図３に示される脱水装置は、有機溶剤と水との混合液すなわち有機溶剤水溶液を供給されて、有機溶剤水溶液の脱水を行い、脱水後の有機溶剤濃縮液を排出するものである。この脱水装置は、図２に示す脱水装置において第１の浸透気化膜モジュール２０２とそれに関連する凝縮器６０１、タンク６０２及びポンプ６０３を撤去したものに相当する。有機溶剤水溶液は、供給ラインＬ５０１を介してこの脱水装置における１段目の浸透気化膜モジュール２０３の濃縮室２０３ａに供給され、有機溶剤濃縮液は、濃縮液ラインＬ５０２を介して２段目の浸透気化膜モジュール２０４の濃縮室２０４ａから装置外部に供給される。凝縮液を供給ラインＬ５０１に循環させるための循環ラインＬ５０３が設けられるとともに、凝縮液を装置外に廃棄するための廃棄ラインＬ５０４も設けられている。１段目の浸透気化膜モジュール２０３の透過室２０３ｂに対して２段の凝縮器６１１，６２１が直列に設けられているが、ここでも、１段目の凝縮器６１１での凝縮温度Ｔ1は２段目の凝縮器６２１での凝縮温度Ｔ2よりも高くなっている。１段目の浸透気化膜モジュール２０３では十分な脱水を行い、２段目の浸透気化膜モジュール２０４に持ち込まれる水分量を減らすようにする。
【００５６】
有機溶剤がＮＭＰなどのその大気圧での沸点が水よりも高いものであるとすると、高い凝縮温度において有機溶剤の方が水よりも凝縮しやすく、凝縮器６１１で生成する凝縮液には、凝縮器６２１に生成する凝縮液よりも高い濃度で有機溶剤が含まれることになる。そこで、凝縮器６２１に接続するタンク６２２に貯えられた凝縮液をポンプ６２３により廃棄ラインＬ５０４を介して脱水装置の外部に排出する。凝縮器６１１に接続するタンク６１２に貯えられた凝縮液と、２段目の浸透気化膜モジュール２０４の透過室２０４ｂに対応するタンク６３２に貯えられた凝縮液とをそれぞれポンプ６１３，６３３を介して循環ラインＬ５０３に送り、これらの凝縮液を１段目の浸透気化膜モジュール２０３の入口に循環させる。
【００５７】
有機溶剤がその大気圧での沸点が水よりも低いものであるとすると、高い凝縮温度において水の方が有機溶媒よりも凝縮しやすいので、その場合は、凝縮器６１１に接続するタンク６１２に貯えられた凝縮液を廃棄し、凝縮器６２１に接続するタンク６２２に貯えられた凝縮液とタンク６３２に貯えられた凝縮液とを１段目の浸透気化膜モジュール２０３の入口に循環させる。
【００５８】
さらに図３に示す構成において、２段目の浸透気化膜モジュール２０４の後段に１以上の付加的な浸透気化膜モジュールを設け、付加的に設けられる浸透気化膜モジュールについては、その透過室から排出される流体を回収して１段目の浸透気化膜モジュール２０３の入口に循環させるようにしてもよい。
【００５９】
本発明において、直列接続される浸透気化膜モジュールの数が２である構成は、図３に示されるものに限定されない。例えば、図２に示す構成において、第３の浸透気化膜モジュール２０４を設けずに第２の浸透気化膜モジュール２０３の濃縮室から排出される流体を有機溶剤濃縮液とすることができる。この場合、第１の浸透気化膜モジュール２０２の前段に１以上の付加的な浸透気化膜モジュールを設け、付加的な浸透気化膜モジュールの透過室から排出される流体を廃棄するようにしてもよい。
【００６０】
さらに本発明に基づく脱水装置では、単一の浸透気化膜モジュールのみを備えていてもよい。この場合、この単一の浸透気化膜モジュールの透過室から排出される上述したものと同様の２段の凝縮器によって凝縮させ、より水分が多く含まれている方の凝縮液を廃棄し、より有機溶剤を多く含んでいる方の凝縮液を浸透気化膜モジュールの入口に循環させればよい。
【００６１】
以上、本発明に基づく脱水装置について、浸透気化膜を用いて脱水する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明に基づく脱水装置では、浸透気化膜以外の脱水膜を用いて脱水を行うことが可能である。そのような脱水膜の一例として、例えば、蒸気透過（ＶＰ：vapor permeation）膜がある。本発明の脱水装置は、任意の脱水膜を備える脱水膜モジュールを用いて構成することができる。
【符号の説明】
【００６２】
２０２〜２０４    浸透気化膜モジュール
２０２ａ，２０３ａ，２０４ａ    濃縮室
２０２ｂ，２０３ｂ，２０４ｂ    透過室
２０２ｃ，２０３ｃ，２０４ｃ    浸透気化膜
６０１，６１１，６２１，６３１    凝縮器
６０２，６１２，６２２，６３２    タンク
６０３，６１３，６２３，６３３    ポンプ
６１４    温度センサ
６１５    電磁調節弁
【図１】
2020146639.tif 000004
【図２】
2020146639.tif 000005
【図３】
2020146639.tif 000006