JP2008296165A - 膜分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 膜性能が十分に発揮され、工業的に実施可能な膜分離装置を提供すること。
【解決手段】 膜分離装置内部に、一端が封止された複数の管状分離膜を並列に配置収容し、管状分離膜の他端は本体に固定した管板に嵌合支持されて、本体片端のみに設けられた開口部に開放され、膜分離装置内部には、管状分離膜を支持するとともに流体の流れが管状分離膜を横断して装置内を蛇行して流れるように、一部が切り欠かれたバッフルを複数備えた膜分離装置により上記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、膜分離装置に関する。さらに詳しくは、膜分離装置内部に、一端が封止された複数の管状分離膜が並列に配置収容され、管状分離膜の他端は本体に固定した管板に嵌合支持されて、本体片端のみに設けられた開口部に開放され、管状分離膜を支持するとともに流体の流れが管状分離膜を横断して装置内を蛇行して流れるように、一部が切り欠かれたバッフルを複数備えた膜分離装置に関する。

これまで、清水の製造や排水処理、人工腎臓など広い分野で膜分離が行われており、中空糸などの有機高分子膜が実用に供されている。高分子膜は多管式で用いられることが多いが、従来の有機高分子膜を用いた膜分離装置は、構造的にはそれほど困難なものではなく、例えば、中空糸を多数束ねてモジュール化した程度のものである。すなわち、有機高分子膜材料は強度が大きく、特に柔軟性があるためシール構造のみ確実にすれば実用に供することができるので、一般にはシール用の樹脂を用いてシールした簡単な構造となっている。

しかしながら、例えば、セラミック膜などの無機多孔質膜を用いた精密な膜分離が要求される工業的な膜分離装置については、汎用化に向けた設備の開発が始まったばかりで定型品と云われるようなものはない。化学プラントでクロスフロー方式のセラミック膜濾過装置は若干見られるが、それらは腐食対策を目的とした粗な濾過用途に用いられているに過ぎない。

セラミック膜などの無機多孔体を支持層とし、それに分離層を形成した分離膜を用いた場合、分離膜は本質的に非常に脆く、膜強度が弱いため、衝撃を与えない構造で、かつ熱による伸縮を補償する構造とする必要がある。そのため、装置を製作するにあたっては、従来の有機高分子膜を用いた膜分離装置の知識がほとんど利用できず、全く違う構造の装置開発が必要であるが、このような検討はまだ始まったばかりである。

これまで、多管式の膜分離装置として、チューブ型膜モジュールが知られている。このモジュールは、両端に開口部を有する本体と、開口部にそれぞれ設けた管板と、本体を閉止するチャンネルとからなり、チューブ膜を管板の外面側から挿入して螺合固定するように構成されている（特許文献１）。しかし、これらのチューブ型膜モジュールは、両端に開口部を有するものであり、膜透過流体は両端の開口部から流出するため、チューブ膜の性能が有効に活用されない。
特開平８−１３１７８１号公報

また、別のチューブ型膜モジュールとして、管板に多数の固定孔を開口するとともに、外周にテーパー状のネジ部を有する管端部材を固定孔に螺合して取り付け、管端部材にチューブ膜を嵌合固定し、その接合部分の外周を熱収縮性のチューブで覆ったチューブ型膜モジュールも知られている（特許文献２）。このチューブ膜は閉塞端を自由端とするもので、膜透過流体は一方の開口部から流出する。したがって、特許文献２に開示されたチューブ型膜モジュールは、特許文献１に開示されたチューブ型膜モジュールよりも改良されたものとなっているが、依然としてチューブ膜の性能が十分に発揮されるとはいい難い。
特開平８−１３１７８２号公報

一方、上述した従来のチューブ型膜モジュールは、被分離流体の流速を十分に大きくできていないことに鑑み、各管状分離膜エレメントを僅かな間隙で包囲する管状部材を設けた多管式分離膜モジュールが提案されている（特許文献３）。この多管式分離膜モジュールでは、多管を二重管とすることにより、被処理流体の流速を大きくすることができるが、工業的規模で考えた場合、各多管を全て二重管構造とする製造面での問題がある。
ＷＯ２００４／０３５１８２公報

したがって、本発明の目的は、膜性能が十分に発揮され、工業的に実施可能な膜分離装置を提供することにある。さらに具体的に述べると、脆弱な分離膜が破壊しないような構造にすると同時に、全膜面積を効率的に使用できるようにすることにより、装置のコンパクト化、低コスト化を達成し、装置の規模を実験室段階から実用化段階に引き上げることにある。

本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、一端が封止された複数の管状分離膜を並列に配置収容し、本体片端のみに開口部を設け、装置内部に、流体の流れが管状分離膜を横断して蛇行して流れるように円板状のバッフルを複数備えた膜分離装置により、上記目的を達成することができることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明は、被分離流体を透過流体と非透過流体とに分離するための膜分離装置であって、該膜分離装置内部には、一端が封止された複数の管状分離膜が並列に配置収容され、管状分離膜の他端は本体に固定した管板に嵌合支持されて、本体片端のみに設けられた開口部に開放され、管状分離膜を支持するとともに流体の流れが管状分離膜を横断して装置内を蛇行して流れるように、一部が切り欠かれたバッフルを複数備えたことを特徴とする膜分離装置である。

本発明により、膜分離装置内部に、一端が封止された複数の管状分離膜が並列に配置収容され、管状分離膜の他端は本体に固定した管板に嵌合支持されて、本体片端のみに設けられた開口部に開放され、管状分離膜を支持するとともに、流体の流れが管状分離膜を横断して装置内を蛇行して流れるように円板状のバッフルを複数備えた膜分離装置を提供することができる。本発明の膜分離装置は、分離膜同士が接触しない構造となっており、また、熱による伸縮を補償するために、分離膜を伸縮方向に固定せず、かつリークが発生しない構造となっており、さらに、膜の全面積が分離に有効に活用され、膜面流速を上げることができるので、膜性能が十分に発揮され、工業的に実施可能な膜分離装置とすることができる。

本発明の膜分離装置は、被分離流体を透過流体と非透過流体とに分離するための装置であり、後述するように、分離膜に熱の伸縮応力が掛からないようになっており、開口部を１ケ所とすることによって、被分離液体の流速を上げるとともに、管状分離膜の膜面積が有効に活用される。本発明の膜分離装置の内部には一端が封止され、他端が開放された複数の管状分離膜が並列に配置収容される。一端が封止された管状分離膜は、後述するキャップ部に示されるように、管状分離膜端部をキャップに嵌着することにより一端を封止すればよい。

管状分離膜の開放された他端部は、本体に固定した管板に嵌合支持されて、本体片端のみに設けられた開口部に開放される。そして、膜分離装置内部には、管状分離膜を支持するとともに流体の流れが管状分離膜を横断して装置内を蛇行して流れるように、一部が切り欠かれたバッフルを複数備える。

管状分離膜としては、各種有機高分子膜、無機多孔膜などが適用可能であるが、無機多孔体に分離層を形成した分離膜を使用するのが好ましい。

無機多孔体としては、制限されるものではないが、セラミックスが好ましく、分離層はシリカで構成されたものが好ましい。また、分離層の平均細孔径は３Å以上１０Å以下であるのが好ましく、さらに、分離膜としては、無機多孔体と分離層の間に中間層を備えた複合分離膜を使用すると分離効果の点で好ましい。

膜分離装置に供される被分離流体としては、例えば酢酸などのカルボン酸の水溶液、酢酸メチルなどのカルボン酸エステルとメタノールなどの低級アルコールとの混合物が好ましい。

膜分離装置を製作するにあたっては、運転時、メインテナンス時も膜に損傷を与えないような構造とすることは勿論であるが、膜の表面積を全て有効に活用することが極めて重要である。従って、被分離流体の滞留部分がないように、かつ膜表面が絶えず新鮮な処理流体で置換されることに留意することが重要である。

すなわち、管状分離膜が破壊しないような構造にするためには、分離膜が動かないこと、特に分離膜同士が接触しない構造にし、さらに熱による伸縮を補償するために、分離膜を伸縮方向に固定せず、かつリークが発生しない構造が要求される。また、分離膜を効率的に使用できるようにするためには、膜の全面積が分離に有効に活用されること、および膜面における物質の置換、つまり膜面流速を上げることが重要である。以下、本発明の膜分離装置を図によって具体的に説明する。

図１は本発明の膜分離装置の概略図であり、膜分離装置において、被分離流体は、膜透過流体と膜非透過流体とに分離される。分離に供される被分離流体、膜透過流体および膜非透過流体における流体は、通常、液体または蒸気である。図１において、１は容器本体であり、容器内部には、一端が封止された複数の管状分離膜２が並列に配置収容される。図を簡潔にするため、図１では管状分離膜は２本が示されている。

管状分離膜の一端は、キャップ部３により、端板４に封止固着され、管状分離膜の他端は本体に固定した管板５、支持板６に嵌合支持されて、本体片端のみに設けられた開口部７に開放される。８は支持板ステー、９は仕切り板、１０はバッフルで、一部が切り欠かれた円板状である。図１において、管状分離膜は仕切り板により上下に分割された例である。

バッフルは、管状分離膜を支持するとともに、流体の流れが管状分離膜を横断して装置内を蛇行して流れるように配置される。１１は端板を固定するための取付具、１２は管板部の取付具である。また、１３は管状分離膜を管板、支持板に固定するためのＯ−リング部である。１４はシェル、１５は容器カバーである。

管状分離膜は複数のバッフルによって保持されているので、容易に破損することはない。また、管状分離膜とバッフルは互いにすべるようになっており、熱の伸縮応力が掛からないようになっている。管状分離膜の寿命によって能力が落ちたり、万一破損した場合は、容器本体、容器カバー、容器端板をとりはずして交換すればよい。

被分離流体は、被分離流体供給口１６から容器内に導入され、管状分離膜を透過した膜透過流体は、容器の一端のみに設けられた開口部７から、膜透過流体出口１７から流出する。一方、管状分離膜を透過しなかった膜非透過流体は、膜非透過流体出口１８から流出する。１９は膜分離装置の架台である。

図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図であり、図３は、図１におけるＢ−Ｂ断面図である。図２に示すようにバッフル１０の端部には切り欠きがあり、被分離流体は、管状分離膜を横断して流れ、切り欠き部分を潜って装置内を蛇行して流れる。図３における破線矢印は、被分離流体が、バッフルで区画された一つ前の管状分離膜を横断して流れる方向を示しており、図３の左側の切り欠き部分を潜って実線矢印のように流れ、右側の切り欠き部分を潜って、次の区画へ流入し、順次容器内を蛇行して流れることを繰り返すことにより、分離膜の膜面積が有効に活用される。図３では、管状分離膜群は仕切り板で２分割されている例である。

図４はキャップ部３の詳細図であり、２０はキャップであり、キャップは端板に当接し、キャップ中に管状分離膜が嵌着されることによって管状分離膜の一端が封止される。また、図５はＯ−リング部の詳細図であり、２１はＯ−リングである。Ｏ−リングを取り付けることにより、分離膜の熱による伸縮分を吸収することができる。

本発明の膜分離装置において、開口部（チャンネル）と管板を別々に製作し、本体フランジと開口部フランジとで管板を挟む構造の膜分離装置にすると、破損した分離膜の交換や補修が容易であり、好ましい。

本発明の膜分離装置の規模を大きくする場合は、当然ながら耐圧的に、また強度的に板圧などは大きくして行く必要は有るが、基本構造を変更する必要はない。すなわち、分離効率を上げるために、仕切り板の数を追加したり、仕切り板９を偶数枚追加し往復流れを多重往復流れにすることは可能であり、そのような工夫を加えることは自由である。

以下、本発明の膜分離装置を用いて膜分離を行った例を示す。管状分離膜として、内径１２ｍｍ、長さ８００ｍｍのセラミックスを支持体とし、シリカを５〜６μｍの厚さに塗布して得た複合分離膜４０本を用いて４０重量％の酢酸水溶液の膜分離を行った。酢酸水溶液を被分離流体とした場合、膜透過流体は水、膜非透過流体は酢酸となる。

被分離流体側温度を１４０℃、圧力を０．３ＭＰaとし、膜透過流体側の温度を１４０℃、圧力を０．１ＭＰaとしたところ、被分離流体中の水分の約４０％を分離除去することができた。温度を上げ、圧力差を大きくすればさらに分離能力を向上させることができるが、エネルギーコストの面を勘案して最適な運転条件を選択すべきことはいうまでもない。

本発明の膜分離装置は、一端が封止された複数の管状分離膜が並列に配置収容され、管状分離膜の他端は本体に固定した管板に嵌合支持されて、本体片端のみに設けられた開口部に開放され、膜分離装置内部には、管状分離膜を支持するとともに、流体の流れが管状分離膜を横断して装置内を蛇行して流れるように円板状のバッフルを複数備えた膜分離装置であり、本発明の膜分離装置によれば、膜性能が十分に発揮され、熱ロスが少ないため、大幅にエネルギーコストを削減することができるので、工業的に実施可能であり、今後の化学プラントにおいて有用性が高い。

本発明の膜分離装置の概略図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 図１のキャップ部の詳細図である。 図１のＯ−リング部の詳細図である。

符号の説明

１ 容器本体
２ 管状分離膜
３ キャップ部
４ 端板
５ 管板
６ 支持板
７ 開口部（チャンネル）
８ 支持板ステー
９ 仕切り板
１０ バッフル
１１ 取付具
１２ 取付具
１３ Ｏ−リング部
１４ シェル
１５ 容器カバー
１６ 被分離流体供給口
１７ 膜透過流体出口
１８ 膜非透過流体出口
１９ 架台
２０ キャップ
２１ Ｏ−リング

Claims (6)

1. 被分離流体を透過流体と非透過流体とに分離するための膜分離装置であって、該膜分離装置内部には、一端が封止された複数の管状分離膜が並列に配置収容され、管状分離膜の他端は本体に固定した管板に嵌合支持されて、本体片端のみに設けられた開口部に開放され、管状分離膜を支持するとともに流体の流れが管状分離膜を横断して装置内を蛇行して流れるように、一部が切り欠かれたバッフルを複数備えたことを特徴とする膜分離装置。
2. 該管状分離膜が無機多孔体に分離層を形成した分離膜である請求項１記載の膜分離装置。
3. 該無機多孔体がセラミックスである請求項２記載の膜分離装置。
4. 該分離層がシリカである請求項１〜３いずれかに記載の膜分離装置。
5. 該分離層の表面の平均細孔径が３Å以上１０Å以下である請求項１〜４いずれかに記載の膜分離装置。
6. 該膜分離装置が、開口部（チャンネル）と管板を別々に製作し、本体フランジと開口部フランジとで管板を挟む構造である請求項１〜６いずれかに記載の膜分離装置。

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