JP2008290012A - 流体処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膜モジュールユニットを複数段有する流体処理装置を、コンパクト化し低コスト化する方法を提供する。
【解決手段】膜モジュールをｎ本有する膜モジュールユニットＡ（以下ＵＡ）と、ＵＡでの被処理流体をさらに処理する、膜モジュールユニットＢ（以下ＵＢ）とを、並列に配置する流体処理装置であって、（ａ）ＵＢにおける膜モジュール本数が（ｎ―１）以下であり、（ｂ）膜モジュールが並列に配置されてなり、（ｃ）各筒状ベッセルが、両端部に被処理流体流通口を有すると共に一方の端部に処理流体流出口を有し、（ｄ）前記被処理流体流通口で隣接する膜モジュールが接続されてなり、（ｅ）ＵＡとＵＢとの接続は、前記両端部に設けられた被処理流体流通口のうち一方の端部に設けられた被処理流体流通口でのみ実施され、（ｆ）前記２本の膜モジュール以外の隣接する膜モジュールの接続は、前記両端部の外周面に設けられた被処理流体流通口で実施する。
【選択図】なし

Description

本発明は、流体中の混合または溶解成分を分離する流体処理装置の膜モジュール接続方法に関するものである。

海水淡水化などの溶解成分を分離する流体処理装置は、図７のように、筒状ベッセル１の中に逆浸透膜（分離膜）などから構成した分離膜エレメント２（例えばスパイラル型の分離膜エレメント）を内挿してなる単位構造体の膜モジュール１０を１本若しくは複数本有している。それぞれの膜モジュール１０においては、一方の端部の外周面にある流通口１１に海水などの被処理流体を加圧供給すると、各段の分離膜エレメント２で分離膜を介して溶解成分が分離され、分離後の低圧淡水が、中心管３を経て、通常、前記流通口１１が設けられた端部とは異なる端部（他方の端部）に設けられた淡水排出管（処理流体流出口４）から排出され、また高圧の濃縮水が、前記他方の端部の外周面に設けられた流通口１２から排出される。膜モジュール１０を複数本用いる場合は、膜モジュール１０の外周面にある流通口同士を直接接続し、図８のような膜モジュールユニットが構成される（特許文献１）。

このような流体処理においては、一般的に少ない供給水量で多くの低圧淡水を得るため、膜モジュールユニットから排出される濃縮水を更に処理するが、このとき前段より膜モジュールの本数が少ない膜モジュールユニットを次段に設け、これに前段からの濃縮水（被処理流体）を供給して低圧淡水をより多く得る方法が採用される。この場合、前段の膜モジュールユニットから排出される濃縮水は図９のように、一旦配管１３に集合させたのち次段の膜モジュールユニットに供給される。

しかしながら、このように、前段から排出される濃縮水を一旦配管１３に集合させると、膜モジュールユニット構造体が大きくなると共に製作コストがかかる。また前段から次段に供給する濃縮水の配管１３を設けるため、膜モジュールユニットの製作コストがかかると共に被処理流体の流体圧損が大きくなり、膜モジュールユニットに供給する原水加圧圧力を大きくしなくてはならなくなるため、原水加圧装置（原水加圧ポンプ）のコストがかかると同時に電力量も大きくなる。
特許第３８６１３２６号（請求項８〜請求項１０）

本発明の目的は、膜モジュールユニットを複数段有する流体処理装置を少ない部材で構成することで、コンパクト化かつ低コスト化を達成することにある。

前記課題を解決するための本発明は、次の（１）〜（４）のいずれかを特徴とするものである。
（１）筒状ベッセルに分離膜エレメントを内挿してなる膜モジュールを複数本有する膜モジュールユニットＡと、該膜モジュールユニットＡでの被処理流体をさらに処理する、筒状ベッセルに分離膜エレメントを内挿してなる膜モジュールを有する膜モジュールユニットＢとを、並列に配置してなる流体処理装置であって、
（ａ）膜モジュールユニットＡにおける膜モジュールの本数がｎであるとき、膜モジュールユニットＢにおける膜モジュールの本数が（ｎ―１）以下であり、
（ｂ）それら膜モジュールが互いに並列に配置されてなり、
（ｃ）各筒状ベッセルが、それぞれ、両端部の外周面に被処理流体流通口を有するとともに一方の端部の端面に処理流体流出口を有し、
（ｄ）前記被処理流体流通口で隣接する膜モジュールが接続されてなり、
（ｅ）膜モジュールユニットＡと膜モジュールユニットＢとの境界に相当する２本の膜モジュールの接続は、前記両端部の外周面に設けられた被処理流体流通口のうち一方の端部に設けられた被処理流体流通口でのみ実施され、
（ｆ）前記２本の膜モジュール以外の隣接する膜モジュールの接続は、前記両端部の外周面に設けられた被処理流体流通口で実施されてなる
ことを特徴とする流体処理装置。
（２）膜モジュールが鉛直方向に積層されてなる、前記（１）に記載の流体処理装置。
（３）膜モジュールユニットＡにおいて、該膜モジュールユニットにおける一方の端部に設けられた被処理流体流通口は、その面積が被処理流体の流れ方向に関して上流側ほど大きくなり、該膜モジュールユニットにおける他方の端部に設けられた被処理流体流通口は、その面積が被処理流体の流れ方向に関して下流側ほど大きい、前記（１）または（２）に記載の流体処理装置。
（４）各膜モジュールユニットの処理流体流出口に異なる後処理手段を接続してなる、前記（１）〜（３）のいずれかに記載の流体処理装置。

なお、本発明において「並列に配置」とは、並べつらねて配置することをいい、直列接続に対する語として用いられる並列接続を意味するものではない。

本発明によれば、膜モジュールユニットを複数段有する流体処理装置において、上流側の膜モジュールユニットに供した被処理流体を、従来のように筒状ベッセルとは別に用意していた配管に一旦集合することなく、下流側の膜モジュールユニットに供給分配することができるので、従来必要とされていた配管等が不要になる。したがって、流体処理装置の部材点数を低減することができ、コンパクト化かつ製作コストの低減が可能になる。更に従来必要とされていた配管等によって生じていた流体圧損がなくなるため、原水加圧ポンプのコストを低減でき、電力量も低減できる。

本発明にかかる流体処理装置を図１及び図２を参照しながら説明する。

図１に示す流体処理装置は、複数本の膜モジュール１０−１ａ、１０−２ａ、１０−３ａ、１０−４ａがこの順序で並列に配置されてなる膜モジュールユニットＡと、膜モジュール１０−１ｂ、１０−２ｂがこの順序で並列に配置されてなる膜モジュールユニットＢとで構成されている。各膜モジュールは、分離膜エレメント２が筒状ベッセル１に内挿されてなり、該筒状ベッセル１それぞれには、両端部の外周面に被処理流体の流通口１１、１２が、また一方の端部の端面に処理流体流出口４が設けられている。

膜モジュールユニットＡにおいて、各筒状ベッセルは、それぞれ、両端部の外周面に有する流通口１１−１２ａ、１１−２１ａ、１１−２２ａ、１１−３１ａ、１１−３２ａ、１１−４１ａ、１２−１２ａ、１２−２１ａ、１２−２２ａ、１２−３１ａ、１２−３２ａ、１２−４１ａで、隣接する膜モジュールと接続されている。また膜モジュールユニットＢにおいても同様に、筒状ベッセルが、流通口１１−１２ｂ、１１−２１ｂ、１２−１２ｂ、１２−２１ｂで隣接する膜モジュールと接続されている。そして、膜モジュールユニットA、Ｂは、互いに並列に配置され、それらの境界に位置する２本の膜モジュール１０−４ａ、１０−１ｂが流通口１２−４２ａ、１１−１１ｂで互いに接続されることで連結されている。

すなわち、膜モジュールユニットＡと膜モジュールユニットＢは、それらの境界に相当する２本の膜モジュールの接続（膜モジュール１０−４ａと膜モジュール１０−１bとの接続）が、筒状ベッセル１の両端部の外周面に設けられた被処理流体の流通口のうち一方の端部に設けられた流通口でのみ実施され、かかる２本の膜モジュール以外の隣接する膜モジュールの接続（膜モジュール１０−１aと膜モジュール１０−２ａの間、膜モジュール１０−２ａと１０−３ａの間、膜モジュール１０−１ｂと膜モジュール１０−２ｂの間の接続）は、前記両端部の外周面に設けられた被処理流体の流通口で実施されている。

なお、本実施形態においては、膜モジュールユニットＡが４本の膜モジュールを、膜モジュールユニットＢが２本の膜モジュールを備えているが、膜モジュールユニットＡにおける膜モジュールの本数は複数本であればよく、また、膜モジュールユニットＢは、膜モジュールユニットＡにおける膜モジュールの本数をｎとしたとき、膜モジュールの本数が（ｎ―１）以下であればよい。

また、本実施形態では、膜モジュールユニットの接続数が２段であるが、３段以上であってもよい。

上記のように膜モジュールユニット同士を接続したものは図２(A)のように１列としたり図２(B)のように複数列並べたりしてもよい。

このような構成の装置における流体処理は以下のように行われる。

まず、被処理流体（海水等）を、供給管１５を経て膜モジュールユニットＡの第一の膜モジュール１０−１ａの流通口１１−１１ａから装置内に供給する。被処理流体の一部はそのまま流通口１１−１２ａから、これと連結された流通口１１−２１ａより第二の膜モジュール１０−２ａに流入する。同時に、残りの被処理流体は、第一の膜モジュール１０−１ａに内挿している分離膜エレメント２により処理されながら流通し、濃縮流体が流通口１２−１２ａから、これと連結された流通口１２−２１ａより第二の膜モジュール１０−２ａに流入する。

第二の膜モジュール１０−２ａに流入した被処理流体は、さらに分岐して、一部が第二の流通口１１−２２ａからこれと連結された流通口１１−３１ａより第三の膜モジュール１０−３ａに流入し、残りの被処理流体が第二の膜モジュール１０−２ａで内挿している分離膜エレメント２により処理される。第二の膜モジュール１０−２ａを経て濃縮された被処理流体（濃縮流体）は、第一の膜モジュール１０−１ａの流通口１２−１２ａと第二の膜モジュール１０−２ａの流通口１２−２１ａを経て流入してきた濃縮流体と混ざり合い、流通口１２−２２ａからこれと連結された流通口１２−３１ａより第三の膜モジュール１０−３ａに流入する。

第三の膜モジュール１０−３ａに流入した被処理流体は、さらに分岐して、一部が第三の流通口１１−３２ａからこれと連結された流通口１１−４１ａより第四の膜モジュール１０−４ａに流入し、残りの被処理流体が第三の膜モジュール１０−３ａで内挿している分離膜エレメント２により処理される。第三の膜モジュール１０−３ａを経て濃縮された被処理流体（濃縮流体）は、第二の膜モジュール１０−２ａの流通口１２−２２ａと第三の膜モジュール１０−３ａの流通口１２−３１ａを経て流入してきた濃縮流体と混ざり合い、流通口１２−３２ａからこれと連結された流通口１２−４１ａより第四の膜モジュール１０−４ａに流入する。

第四の膜モジュール１０−４ａに流入した被処理流体は、内挿している分離膜エレメント２により処理されて、第三の膜モジュール１０−３ａの流通口１２−３２ａと第四の膜モジュール１０−４ａの流通口１２−４１ａを経て流入してきた濃縮流体と混ざり合い、膜モジュールユニットＡの総合濃縮流体として流通口１２−４２ａから排出される。

排出された膜モジュールユニットＡの総合濃縮流体は、続けて、膜モジュールユニットＡに連結された流通口１１−１１ｂより膜モジュールユニットＢの第一の膜モジュール１０−１ｂに被処理流体として流入する。膜モジュールユニットＢにおける第一の膜モジュール１０−１ｂに流入した被処理流体（膜モジュールユニットＡの総合濃縮流体）は、一部がそのまま流通口１１−１２ｂからこれと連結された流入側流通口１１−２１ｂより第二の膜モジュール１０−２ｂに流入し、残りの被処理流体が第一の膜モジュール１０−１ｂに内挿している分離膜エレメント２により処理される。第一の膜モジュール１０−１ｂを経て濃縮された濃縮流体は、流通口１２−１２ｂからこれと連結された流通口１２−２１ｂより第二の膜モジュール１０−２ｂに流入する。

第二の膜モジュール１０−２ｂに流入した被処理流体（膜モジュールユニットＡの総合濃縮流体の一部）は、内挿している分離膜エレメント２により処理されて、第一の膜モジュール１０−１ｂの流通口１２−１２ｂと第二の膜モジュール１０−２ｂの流通口１２−２１ｂを経て流入してきた濃縮流体と混ざり合い、膜モジュールユニットＢの総合濃縮流体として流通口１２−２２ｂから排出される。

一方、各膜モジュールにおいて分離膜を透過した透過流体（淡水等）は、それぞれの筒状ベッセル１の一方の端部の端面に設けられた処理流体流出口から取り出される。なお、透過流体は、図１のように膜モジュールユニットＡと膜モジュールユニットＢとが互いに反対方向に排出されてもよく、また膜モジュールユニットＡもしくは膜モジュールユニットＢのいずれかの膜モジュールユニットの排出方向を逆にし、膜モジュールユニットＡ，Ｂの排出方向を全て同一方向としてもよい。排出方向を同一とすることで、淡水の集水配管を膜モジュールユニットＡ，Ｂで共有できるため淡水集水配管を簡素化できる。また、膜モジュールユニットが３個以上ある場合でも、透過流体排出方向を全て同一方向としてもよい。

また、膜モジュールは、水平方向に並べて互いの流通口を接続してもよいが、膜モジュール内の空気や流体中に混入した空気を抜けやすくするため、図１のとおり鉛直方向に積層して並べ、被処理流体および濃縮流体の流れ方向を下から上へとすることが好ましい。

さらに、各膜モジュールに設けている流通口の口径、いいかえれば流通口の面積は全てを同じ面積にしなくともよい。具体的には、膜モジュール１０−２ａにおいて、被処理流体流入側の流通口１１−２１ａ、１１−２２ａと被処理流体（濃縮流体）排出側の流通口１２−２１ａ、１２−２２ａの面積は同じでなくともよい。ただし、これらに対向する隣接した膜モジュールの流通口１１−１２ａ、１１−３１ａ、１２−１２ａ、１２−３１ａは、それぞれ流通口１１−２１ａ、１１−２２ａ、１２−２１ａ、１２−２２ａと同一形状、同一面積とする。

また、流通口の面積は、流通口を通過する流体量により変化させるのもよい。例えば、膜モジュールユニットＡにおいて、膜モジュール１０−１ａに流入する被処理流体は、流通口１１−１１ａを通過する被処理流体量より流通口１１−１２ａを通過する被処理流体量のほうが少なく、同様に膜モジュール１０−２ａでは流通口１１−２１ａを通過する被処理流体量より流通口１１−２２ａを通過する被処理流体量のほうが少ない。また、排出側に関しては、膜モジュール１０−２ａに流入する濃縮流体は、流通口１２−２１ａを通過する濃縮流体量より流通口１２−２２ａを通過する濃縮流体量のほうが多く、同様に膜モジュール１０−３ａでは流通口１２−３１ａを通過する濃縮流体量より流通口１２−３２ａを通過する濃縮流体量のほうが多い。よって、複数本の膜モジュールからなる膜モジュールユニットＡにおいて、被処理流体流入側の流通口は、その面積を、被処理流体の流れ方向に対し上流側ほど大きくし、被処理流体（濃縮流体）排出側の流通口は、その面積を、濃縮水の流れ方向に対し下流側ほど大きくすることが好ましい。なお、流通口の面積を変化させるのは、膜モジュールユニットＡのみでなく、複数の膜モジュールで構成される他の膜モジュールユニット（例えば膜モジュールユニットＢ）においても同様であることが好ましい。これにより筒状ベッセル自身や流通口同士を接続する締付けリング（例えばビクトリックジョイント）のコストを低減することができる。

図１に示す態様においては、膜モジュールユニットＡ、膜モジュールユニットＢそれぞれの最下段と最上段の膜モジュールに流通口を３個しか設けていないが、最下段と最上段の膜モジュールにも４個目の流通口を設け、該４個目の流通口を圧力計等計装機器類や流体のサンプリングのための座として使用することも好ましい。

さらに、図１に示す流体処理装置においては、分離膜エレメント２で処理して得られた透過流体（淡水など）が中心管３を経て処理流体流出口４より排出される。この透過流体の排出方向は、図１のように、膜モジュールユニットＡと膜モジュールユニットＢとで互いに反対であってもよく、また膜モジュールユニットＡもしくは膜モジュールユニットＢのいずれかの膜モジュールユニットの透過流体排出方向を逆にし、膜モジュールユニットＡ，Ｂの排出方向を全て同一方向としてもよい。透過流体の排出方向を同一とすることで、かかる透過流体の集水配管を膜モジュールユニットＡ，Ｂで共有でき、透過流体集水配管を簡素化できる。また、膜モジュールユニットが３個以上ある場合でも、透過流体排出方向を全て同一方向としてもよい。

もちろん、各膜モジュールユニットの透過流体排出方向を同一方向としても、透過流体集合配管を共有しない場合もある。その例として、膜モジュールユニットＡ，Ｂで処理して淡水を得る場合、得られる淡水の水質は、両膜モジュールユニットで使用する分離膜エレメントが同じ分離性能を示す場合、前段の膜モジュールニットＡから排出される淡水のほうが、後段の膜モジュールユニットBより排出される淡水より溶解成分が少なく清澄である。両膜モジュールユニットの淡水を混合しても目標水質を満足できる場合はよいが、そうでない場合、そのなかでも膜モジュールユニットＡの淡水が目標水質を満足するが、膜モジュールユニットＢの淡水が目標水質を満足しない場合がある。その場合、淡水をさらに同様の分離膜を利用した流体処理装置で処理したり、イオン交換樹脂処理等を行うなど後処理を実施する場合がある。この時、両膜モジュールユニットから排出された淡水を混合したものを後処理にかけてももちろんよいが、目標水質を満足していない膜モジュールユニットＢのみの淡水を後処理にかけるほうが、後処理の処理水量が少なく後処理設備の規模を低減できるためコストと設置場所が低減できるためよい。このように各膜モジュールユニットから排出される淡水の水質により、目標水質を満足させるため、前段の膜モジュールユニットの淡水を後処理にかけず、残りの膜モジュールからの淡水のみ後処理にかけたり、または各膜モジュールユニットの淡水を種類の異なる後処理にかけたりすることが好ましい。

＜実施例１＞
図３及び図４に示すように装置を構成した。すなわち、筒状ベッセル１に分離膜エレメント２を５本装填した膜モジュールを４本鉛直方向に並べ接続した膜モジュールユニットＡと、同様の膜モジュールを２本鉛直に並べ接続した膜モジュールユニットＢとを鉛直方向に積層し、流通口同士で接続し、さらにそれを水平に４列並べて流体処理装置を構成した。そして、温度２５度、ｐＨ８、蒸発残留物２００ｍｇ／ｌの被処理流体を、３２００ｍ^３／日で処理し、蒸発残留物１０ｍｇ／ｌ以下の淡水を造水量２４００ｍ^３／日で得る運転を想定した。

＜比較例１＞
図５及び図６に示す従来法の装置を構成した。すなわち、筒状ベッセル１に分離膜エレメント２を５本装填した膜モジュールを４本鉛直方向に並べ接続した膜モジュールユニットＡと、同様の膜モジュールを２本鉛直に並べ接続した膜モジュールユニットＢとをそれぞれ水平に４列並べ、膜モジュールユニットＡから排出される濃縮水を一旦配管１３に集合させた後、膜モジュールユニットＢに供給するように構成した。そして、被処理流体、処理条件は実施例１と同様の条件で淡水を得る運転を想定した。

上記実施例１、比較例１の結果、実施例１ではモジュールユニット高さが比較例１に比べて約５００ｍｍ低くなり、また集合配管が不要であるので圧力損失を低減でき電力消費量を約３％改善できることを確認した。

本発明は、海水などの流体中の溶解成分を除去し、清澄な淡水などの透過流体を得ることを目的とした流体処理装置以外に、流体中の溶解成分を濃縮した濃縮流体を得ることを目的とした流体処理装置等にも利用できる。

本発明の一実施形態を示す流体処理装置の概略正面図である。 本発明の一実施形態を示す流体処理装置の概略側面図で、（Ａ）は膜モジュールユニットを水平方向に１列配置した態様、（Ｂ）は膜モジュールユニットを水平方向に４列配置した態様を示す。 実施例１における流体処理装置の概略正面図である。 図３の装置の概略側面図である。 比較例１における流体処理装置の概略正面図である。 図５の概略側面図であって、（Ａ）が図５の一方の側面からの図であり、（Ｂ）が（Ａ）とは反対側の側面図である。 単一の膜モジュールの概略正面図である。 単一の膜モジュールユニットの概略正面図である。 従来の流体処理装置の概略図であって、（Ａ）が側面図であり、（Ｂ）が正面図、（Ｃ）が（Ａ）とは反対側の側面図である。

符号の説明

１：筒状ベッセル
２：分離膜エレメント
３：中心管
４：処理流体流出口
１０：膜モジュール
１１：流通口（流入側）
１２：流通口（排出側）
１３：配管
１５：供給管
１６：排出管

Claims (4)

1. 筒状ベッセルに分離膜エレメントを内挿してなる膜モジュールを複数本有する膜モジュールユニットＡと、該膜モジュールユニットＡでの被処理流体をさらに処理する、筒状ベッセルに分離膜エレメントを内挿してなる膜モジュールを有する膜モジュールユニットＢとを、並列に配置してなる流体処理装置であって、
   （ａ）膜モジュールユニットＡにおける膜モジュールの本数がｎであるとき、膜モジュールユニットＢにおける膜モジュールの本数が（ｎ―１）以下であり、
   （ｂ）それら膜モジュールが互いに並列に配置されてなり、
   （ｃ）各筒状ベッセルが、それぞれ、両端部の外周面に被処理流体流通口を有するとともに一方の端部の端面に処理流体流出口を有し、
   （ｄ）前記被処理流体流通口で隣接する膜モジュールが接続されてなり、
   （ｅ）膜モジュールユニットＡと膜モジュールユニットＢとの境界に相当する２本の膜モジュールの接続は、前記両端部の外周面に設けられた被処理流体流通口のうち一方の端部に設けられた被処理流体流通口でのみ実施され、
   （ｆ）前記２本の膜モジュール以外の隣接する膜モジュールの接続は、前記両端部の外周面に設けられた被処理流体流通口で実施されてなる
   ことを特徴とする流体処理装置。
2. 膜モジュールが鉛直方向に積層されてなる、請求項１に記載の流体処理装置。
3. 膜モジュールユニットＡにおいて、該膜モジュールユニットにおける一方の端部に設けられた被処理流体流通口は、その面積が被処理流体の流れ方向に関して上流側ほど大きくなり、該膜モジュールユニットにおける他方の端部に設けられた被処理流体流通口は、その面積が被処理流体の流れ方向に関して下流側ほど大きい、請求項１または請求項２に記載の流体処理装置。
4. 各膜モジュールユニットの処理流体流出口に異なる後処理手段を接続してなる、請求項１〜３のいずれかに記載の流体処理装置。

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