JP2009131752A - 有機蒸気分離用ガス分離膜モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 選択的透過性を有する多数の中空糸膜からなる中空糸束の少なくとも一方の端部が、硬化樹脂からなる管板によって、固着され、結束されている、有機蒸気分離を行うための分離膜モジュールを構成する中空糸エレメントであって、
透過側空間にのみ開放された穿孔が、管板の無垢部にあることを特徴とする有機蒸気分離用の中空糸エレメント。
【選択図】 図1
Description
中空糸膜埋設部においては、中空糸膜と中空糸膜との間を樹脂が埋めている構造となっており、樹脂の厚みが薄くなっている。したがって、中空糸膜埋設部の樹脂は、ほぼ均一に膨潤していると考えられる。しかも、樹脂が膨潤したことにより変形した場合でも、中空糸膜埋設部には、中空糸膜の内部空間があるため変形の余地が存在し、少々の変形は吸収することができる。
それに対して、無垢部は、樹脂のみで構成されているために、無垢部に浸透している有機蒸気混合物は、樹脂内を拡散することによってのみ輸送される。樹脂内の拡散は、一般に早いものではないので、無垢部において、浸透している有機蒸気混合物の濃度は、場所により異なると考えられる。管板内に浸透している有機蒸気混合物は、接触面積および拡散距離の問題から、主として中空糸膜を介して中空糸膜埋設部から無垢部に向かい拡散しているため、特に中空糸膜埋設部との境界部分と、管板の外縁部とでは、浸透している有機蒸気混合物の濃度が大きく異なり、樹脂の膨潤の程度も同様に大きく異なっていると考えられる。しかも、無垢部の樹脂が、膨潤したことにより変形しようとすると、無垢部は樹脂のみにより構成され変形の自由度が少なく、かつ、管板の外縁部においては、容器に制約されて変形できない。よって、無垢部に内部応力が生じやすい。また、変形方向が中空糸膜埋設部を向くこととなるので、中空糸膜埋設部と無垢部との境界部分に、特に応力が集中しやすい。
また、有機蒸気分離の操作を停止した際には、管板に浸透している有機蒸気混合物が乾燥することにより管板は収縮する。乾燥の際においても、前述の膨潤の際と同様に、中空糸膜埋設部では均一に乾燥されやすく、無垢部においては不均一に乾燥されやすい。したがって、膨潤の場合と同様に、無垢部に内部応力が生じやすく、中空糸膜埋設部と無垢部との境界部分に応力が集中しやすい。
前述のとおり、管板の中空糸膜埋設部と無垢部とは、有機蒸気分離を行っている際、および、有機蒸気分離を静止した際において、樹脂の膨潤および変形のメカニズムが異なっており、管板の無垢部における中空糸膜埋設部に近接した部分に応力が集中しやすい。結果として、管板の無垢部、特に中空糸膜埋設部に近接した部分が破損することがある。前述の応力により管板が破損すると、管板の気密性が失われることにより、有機蒸気分離を行う際の分離性能が低下する。したがって、有機蒸気分離を、長期間、安定した分離性能で行うことが困難である。
透過側空間にのみ開放された穿孔が、管板の無垢部にあることを特徴とする有機蒸気分離用の中空糸エレメントに関する。
中空糸膜は選択的透過性を有するため、透過蒸気は中空糸膜を透過する速度が速い成分(以下、高透過成分と記載することもある)に富み、非透過蒸気は高透過成分が少なくなる。この結果、有機蒸気混合物は、高透過成分に富んだ透過蒸気と、高透過成分が少ない非透過蒸気とに分離される。
中空糸型ガス分離膜モジュールにおいては、中空糸膜の内部空間を供給側空間とするボアフィード型、反対に中空糸膜の外部空間を供給側空間とするシェルフィード型の2種類がある。ボアフィード型ガス分離膜モジュールにおいては、中空糸膜の内側空間および、連通する混合ガス導入口および非透過ガス排出口が供給側空間となり、容器内側であって中空糸膜の外側空間および連通する透過ガス排出口が透過側空間となる。また、シェルフィード型ガス分離膜モジュールにおいては、容器内側であって中空糸膜の外側空間が供給側空間となり、中空糸膜の内部空間および連通する透過ガス排出口が透過側空間となる。
本発明のガス分離膜モジュールは、ボアフィード型、シェルフィード型のどちらであっても良い。
穿孔が、供給側空間と透過側空間との双方と連通している場合には、供給側空間と透過側空間とが連通することとなる。したがって、管板の機能を損なうこととなり、分離膜モジュールの性能を低下させるため、適当ではない。
穿孔の深さとすると、穿孔の深さは、管板の厚み(管板の透過側空間に接した面から供給側の空間に接した面までの距離)の80%以上である事が好ましく、さらに好ましくは90%以上である。穿孔の深さが深すぎると、供給側空間の圧力により、穿孔が連通してしまうことがあるため、穿孔の深さは、管板の厚みの99.5%以下、より好ましくは99%以下であることが好ましい。
ガス分離膜モジュール用の中空糸エレメントにおいて、中空糸膜を集束した中空糸束の周囲に、管板の厚みと同程度の長さの中空管を配置した後に、管板を形成することにより、管板の無垢部に中空管を埋設する。前記中空管は、管板の面のうち、供給側空間と接する面においては、閉塞させ、かつ、管板のもう一方の、透過側空間と接する面では開口させた状態で設置される。管板の供給側空間と接する面においては、閉塞させた中空管の端部が管板の内部に埋設されている(管板の面に露出していない)事が好ましい。ボアフィード型ガス分離膜モジュール用の中空糸エレメントにおいては、中空管の中空糸束の端部(選択透過性を有する中空糸膜の開口部)を向いた方向の端部を閉塞し、中空管中空糸束の中央方向を向いた方向の端部を開口させている。
有機蒸気混合物は、有機蒸気分離を行っている間に一部が管板内部に浸透する。管板内部に浸透している有機蒸気混合物は、中空管11を通路として透過側空間へ移動して、透過蒸気と共に透過蒸気排出口3から排出される。
有機蒸気混合物は、分離する間に一部が管板内部に浸透する。管板内部に浸透している有機蒸気混合物は、中空管11を通路として透過側空間へ移動し、透過蒸気と共に透過蒸気排出口3から排出される。
シェルフィード型のモジュールにおいては、硬化樹脂からなる管板が、前記中空糸束の両端部を固着していても、前記中空糸束の一方の端部だけを固着していても良い。さらに、管板が中空糸束の両端部を固着している中空糸エレメントにおいても、一方の端部において中空糸膜の開口が維持されていれば、もう一方の端部においては、中空糸膜の開口が閉塞されていても構わない。管板が一方の端部だけを固着している中空糸エレメントにおいては、もう一方の端部は、中空糸端部を閉塞する、中空糸膜をループさせる等により、中空糸膜が開口しないように構成される。
管板は、遠心成型、静置成型等の公知の手法によって好適に形成される。
また、前記図1に示した場合には、芯管の先端は閉じており、第一管板7aに埋設されているが、芯管は必ずしも管板によって固着されている必要はなく、熱膨張によるずれなどを吸収する程度の隙間があるのが好ましい。
前記キャリアガスガイドフィルムは、管板によって中空糸膜と同様に固着されることが好ましい。更に、芯管の連通孔に近い側の第二管板に固着され、第一管板には固着せず間隙をあけて、キャリアガスが有機蒸気混合物と向流となるように配置されるのが分離効率を高めるうえで好ましい。
また、中空糸束の外周かつ分離膜モジュールの内部に、中空糸エレメントを保護するためのメッシュや2個の半割ケースからなる内套を、有機蒸気混合物の流路を確保できるようにして、備えても構わない。
容器内に中空糸エレメントを内蔵したガス分離膜モジュールは、管板で区切られ蒸気の流路を除いて密閉され、気密性を保持した空間を形成する。密閉方法は、特に限定されないが、弾性O−リングやパッキンが好適に用いられる。
具体的には、中空糸膜の透過側空間を減圧に保持して、中空糸膜の両側における高透過成分の分圧差を確保する方法が挙げられる。また、中空糸膜の二次側表面にキャリアガスを流通させる方法が挙げられる。その中で、中空糸膜の二次側表面にキャリアガスを流通させる方法が好ましく、かつ、キャリアガスが中空糸膜を挟んで有機蒸気混合物と向流になるように構成することが好ましい。
また、有機蒸気混合物は有機蒸気分離用ガス分離膜モジュールへ供給され中空糸内部を流通して非透過ガス排出口から排出されるまでの間で凝縮しない程度以上に十分高温に過熱された有機蒸気混合物として供給されることが好ましい。
本発明の有機蒸気分離用ガス分離膜モジュールへ供給される有機蒸気混合物は、好ましくは80℃以上、より好ましくは90℃以上、さらに好ましくは100℃以上の温度のものである。
また、必要に応じて有機蒸気混合物を、その温度を保持しながら圧力を低下させる処理をおこなった後、有機蒸気分離用ガス分離膜モジュールへ供給しても構わない。圧力を低下させる処理方法は、通常の減圧弁等に拠っても良いし、気化したガス混合物をデミスター(ミストセパレーター)などで処理してミストを除去すると同時に圧損を発生させることに拠っても良い。
選択的透過性を有するポリイミド製中空糸膜(外径0.5mm、内径0.3mm)を、芯管の周りに公知の手法で集束することにより、芯管を有する中空糸束を作成した。前記ポリイミド製中空糸膜を、テトロン糸で拘束したシート状の中空糸膜編織物を作成し、中空糸膜が6cmとなるように切断した後に一方の端部を封止した(図4)。前記中空糸膜編織物を、前記の芯管を有する中空糸束の両端部に、封止端を中空糸束の端部に向けて、一層分だけ巻きつけることより、中空糸膜を配列した。前記中空糸束の端部に中空糸膜を配列した状態で、ポリイミドフィルムを中空糸束に巻きつけ、重なり部分を糊付けした後に、両端部をエポキシ樹脂で固着することにより、管板の無垢部に穿孔を設けた中空糸エレメントを作成した。管板の厚みは、5cmとし、中空糸膜の有効膜面積は1.9m2とした。
前記中空糸エレメントを収納した図2の構成の有機蒸気分離用ガス分離膜モジュールを用いて、イソプロパノールの脱水を行った。イソプロパノールを94〜96重量%含有する水溶液を蒸発器で蒸発させ、過熱して120℃の有機蒸気混合物としてガス分離膜モジュールへ供給して、脱水操作を行った。供給ガスの圧力は0.1MPaG、流量は1.8kg/hrとした。
エタノールの脱水を行った。エタノールを85〜87重量%含有するの水溶液を、蒸発器で蒸発させ、過熱して120℃の有機蒸気混合物としてガス分離膜モジュールへ供給して、脱水操作を行った。供給ガスの圧力は0.18MPaG、流量は4.1kg/hrとした。
2 キャリアガス導入口
3 透過ガス排出口
4 非透過ガス排出口
5 筒状容器
6 中空糸束
6a 中空糸膜
7 管板
7a 第一管板
7b 第二管板
8 キャリアガスガイドフィルム
9 芯管
10 芯管の通連孔
11 穿孔(中空管)
12 中空管(中空糸膜)
13 合成繊維の糸(中空糸膜編織物の経糸)
14 中空糸膜の封止部
Claims (10)
- 選択的透過性を有する多数の中空糸膜からなる中空糸束の少なくとも一方の端部が、硬化樹脂からなる管板によって、固着され、結束されている、有機蒸気分離を行うための分離膜モジュールを構成する中空糸エレメントであって、
透過側空間にのみ開放された穿孔が、管板の無垢部にあることを特徴とする有機蒸気分離用の中空糸エレメント。 - 前記穿孔が、管板の外縁部にある無垢部にあることを特徴とする請求項1記載の有機蒸気分離用の中空糸エレメント。
- 前記穿孔が、中空管を管板に埋設することにより形成されていることを特徴とする請求項1乃至2に記載の有機蒸気分離用の中空糸エレメント。
- 前記中空管が、前記中空糸束を形成する中空糸膜と同様の中空糸膜からなることを特徴とする請求項3記載の有機蒸気分離用の中空糸エレメント。
- 前記選択的透過性を有する中空糸膜が、芳香族ポリイミド中空糸膜であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の有機蒸気分離用の中空糸エレメント。
- 少なくとも混合ガス導入口、透過ガス排出口および非透過ガス排出口を有する容器内に、請求項1乃至5のいずれかに記載の有機蒸気分離用の中空糸エレメントが収納されて構成されていることを特徴とする有機蒸気分離用ガス分離膜モジュール。
- 前記容器が、さらにキャリアガス導入口を有することを特徴とする請求項6に記載の有機蒸気分離用ガス分離膜モジュール。
- 混合ガス導入口および非透過ガス排出口が中空糸膜の内部空間に通じ、透過ガス排出口が中空糸膜の外部空間に通じるように構成されていることを特徴とする請求項6乃至7に記載の有機蒸気分離用ガス分離膜モジュール。
- 有機化合物を含む液体混合物を加熱蒸発させて生成した有機蒸気混合物を、請求項6乃至8のいずれかに記載の有機蒸気分離用ガス分離膜モジュールに導入し、選択的透過性を有する中空糸膜を用いて分離することを特徴とする有機蒸気分離を行う方法。
- 有機蒸気混合物を混合ガス導入口から80℃以上で導入し、高透過成分を中空糸膜を選択的に透過させ、透過蒸気又は非透過蒸気として高純度化した有機蒸気を得ることを特徴とする請求項9に記載の有機蒸気分離を行う方法。
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