JP2009214012A - 中空糸膜モジュール、中空糸膜除湿装置および中空糸膜ガス分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中空糸膜が収納されるモジュールのフランジ構造を改良し、気泡が滞留しない形状と簡単な構造変更により十分な圧力損失低減と、分離性能の向上を図る。
【解決手段】入口キャップ７および出口キャップ１１の少なくともいずれか一方の帽体部９，１３の内面を、キャップのフランジ蓋側から帽体部側に略一定半径の球面状をなす湾曲面として形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は簡単な構成により十分な圧力損失低減および流体分離性能を向上することができる中空糸膜モジュール、この中空糸膜モジュールを用いた中空糸膜除湿装置および中空糸膜ガス分離装置に関するものである。

中空糸膜には、水分のクラッド分離を行う水用の膜と、ガスから特定分子を分離するガス分離膜の２種類に大別され、この中空糸膜を多数本束ねて缶体に収納した中空糸膜モジュールは、例えば発電所、半導体製造工場、オゾン発生用工場、回転機、計器類等、特に乾燥空気が欲しいところ等で適用されている。

除湿用中空糸膜は、膜の中に飽和空気を通し、膜内外の圧力差と膜の材質および空気内の分子の透過速度により空気中の水分を膜に吸着させ、分圧差により膜の外に排出する。これにより中空糸膜を通過した飽和空気は、水分を除去されて乾燥空気になる。この乾燥空気の一部を中空糸膜の外に流し、膜から出た水蒸気をとりこんで系外に排出させることにより、連続的に除湿作業が繰返される。

このパージ量の可変と膜の本数を増加させることで、中空糸膜による除湿性能は調整されている。特に大容量の空気を除湿する場合には膜の本数を増大させ、露点性能を向上させる場合にはパージ量を増大させること等によって対応していた。

しかし、中空糸膜モジュール本数の増加は、コスト増加および設置スペース増大の要因であり、１本のモジュール内の中空糸膜本数を増加させた大型モジュールの開発が必要となった。

従来中空糸膜モジュールは、流体入口および流体出口を有する缶体の内部に多数の中空糸膜を配置するとともに、缶体の流体入口および流体出口にフランジ蓋およびこれと一体の帽体部からなる入口キャップおよび出口キャップを設け、入口キャップ側から供給される流体を缶体内の中空糸膜内に流入させて分圧差により流体の特定分子を膜外に除去した後に流体出口側から流体を送出する種々の中空糸膜モジュールが提案されている（例えば、特許文献１，２，３等参照）。
特開２０００−２６２８３８号公報 特開平１１−２８３４１号公報 特開２００６−２４７５５０号公報

上述した文献には、入口キャップおよび出口キャップを例えば断面角形に構成したもの、また湾曲部を含めたもの等、種々の形状のものが開示されている。これらの構造は容量が少ない時は問題ないが、大容量化すると入口の圧力空気が必ずしも十分に分散せず、膜の本数を増やしても性能が向上しない問題がある。そして、従来のモジュールでは、排出した水蒸気を系外に排出しやすいように膜の束ね方等を工夫しても圧力損失は下がらず、容量が大きくなるほど膜本数に比べて性能が向上しない問題がある。

すなわち、大容量の中空糸膜モジュールの場合、中空糸膜はある程度長さに性能を左右されるが、この膜の長さは圧力損失に比例するため、１ｍ程度が適当である。そして、中空糸膜は数千本単位で缶体に入れ、モジュールとして使用する。このモジュール本数を増加させることは、コスト的に不適であり、１本のモジュール内の中空糸膜本数を増加させて、大容量化を図ることがコストダウンに繋がる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、中空糸膜のガス分離膜等に対する特性を有効に生かすため、中空糸膜が収納されるモジュールのフランジ構造を改良し、水蒸気が滞留しない形状と簡単な構造変更により十分な圧力損失低減と、分離性能の向上を図ることができる中空糸膜モジュールを提供することを目的とする。

また、本発明では、中空糸膜除湿装置の圧力損失低減および除湿性能向上および中空糸膜ガス分離装置における要素分離性能向上を図ることを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明では、流体入口および流体出口を有する缶体の内部に多数の中空糸膜を配置するとともに、前記缶体の流体入口および流体出口にフランジ蓋およびこれと一体の帽体部からなる入口キャップおよび出口キャップを設け、前記入口キャップ側から供給される流体を前記缶体内の中空糸膜内に流入させて分圧差により前記流体の特定分子を膜外に除去した後に前記流体出口側から前記流体を送出する構成の中空糸膜モジュールにおいて、前記入口キャップおよび前記出口キャップの少なくともいずれか一方の帽体部の内面を、当該キャップの前記フランジ蓋側から帽体部側に略一定半径の球面状をなす湾曲面として形成したことを特徴とする中空糸膜モジュールを提供する。

本発明において、前記入口キャップおよび／または前記出口キャップにおける湾曲面は、当該キャップにおける帽体部の前記フランジ蓋側からの立上り部分に形成した一定径の短管状周壁基部を経た部位から湾曲している構成とすることが望ましい。

また、本発明では、前記中空糸膜モジュールを用いて構成された中空糸膜除湿装置および中空糸膜ガス分離装置を提供する。

本発明によれば、ガス分離膜の特性を有効に生かすため、簡単な構造変更で十分な圧力損失低減と、分離性能の向上が図れる。特に、除湿用中空糸膜に適するものが対象であり、露点性能の向上と圧力損失低下が図れる。

除湿のシステム設計をする場合、露点性能の向上と圧力損失の低下は相反するものであるが、本発明によれば、露点性能の向上と圧力損失の低下を共に達成することができ、従来の課題を一挙に解決できる。また、モジュールの大型化が図れる。

以下、本発明に係る中空糸膜モジュール、このモジュールを用いた中空糸膜除湿装置および中空糸膜ガス分離装置の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は中空糸膜モジュールの構成例を示す縦断面図であり、１体の縦長配置の中空糸膜モジュールの主要部構成を示している。図２は図１の部分拡大図であり、要部構成を詳細に説明するものである。

図１に示すように、本実施形態の中空糸膜モジュール１は、流体入口２（図示下部）および流体出口３（図示上部）を有する直円筒状の缶体４を備え、この缶体４の軸方向両端部にフランジ４ａ，４ｂが設けられている。缶体４の内部には多数の中空糸膜５が配置され、これらの中空糸膜５は例えば缶体４の軸方向両端部（図示上下端部）に配置されたポッティング部６により固定されている。

缶体４の流体入口２には、入口キャップ７が設けられている。この入口キャップ７はフランジ蓋８およびこれと一体の帽体部９からなっており、フランジ蓋８が缶体４の軸方向一端端部（下端部）のフランジ４ａに接合されている。入口キャップ７の帽体部９は略一定半径の球面状をなす湾曲面として形成されており、この帽体部９の中心位置には処理流体導入用の流体導入口１０が開口している。

また、缶体４の流体出口３には入口キャップ７と略同様の構成を有する出口キャップ１１が設けられている。すなわち、出口キャップ１１もフランジ蓋１２およびこれと一体の帽体部１３からなっており、フランジ蓋１２が缶体４の軸方向他端端部（上端部）のフランジ４ｂに接合されている。出口キャップ１１の帽体部１３も略一定半径の球面状をなす湾曲面として形成されており、この帽体部１３の中心位置には処理流体送出用の流体送出口１４が開口している。

すなわち、本実施形態では入口キャップ７および出口キャップ１１の両方とも、帽体部９，１３の内面が、これらキャップのフランジ蓋８，１２側から帽体部１０，１３側に略一定半径の球面状をなす湾曲面として形成されている。

そして、本実施形態では、入口キャップ７および出口キャップ１１における湾曲面が、当該キャップにおける帽体部９，１３のフランジ蓋８，１２側からの立上り部分に形成した一定径の短管状周壁基部１５，１６を経た部位から湾曲している。

この構成のもとで、入口キャップ７の流体導入口１０側から供給される流体（矢印ａ）を缶体４の流体入口２から缶体４内の中空糸膜５内に流入させて分圧差により流体の特定分子を膜外に除去した後、処理後の流体（矢印ｂ）を缶体４の流体出口３を経て出口キャップ１１の流体送出口１４側から送出する構成となっている。

次に、図２により入口キャップ７および出口キャップ１１の構成を詳細に説明する。なお、本実施形態では入口キャップ７および出口キャップ１１が同一構成部材としており、寸法表示およびその説明については、出口キャップ１１側を代表として示し、入口キャップ７側では省略している。

図２に示すように、出口キャップ１１において、帽体部１３のフランジ蓋１２側からの立上り部分には、一定径の短管状周壁基部１６が一定長さ範囲（Ｌ１）で形成されている。すなわち、短管状周壁基部１６の径は缶体４の周壁と同一径として、フランジ蓋１２側から一定長さ範囲（Ｌ１）だけ延びている。したがって、この一定長さ範囲（Ｌ１）の短管状周壁基部１６では、流体ｃ１が缶体４の軸方向に沿って自然に流動することができる。

この一定長さ範囲（Ｌ１）の短管状周壁基部１６を超えた部分から、帽体部９が湾曲している。この帽体部９の湾曲長さ範囲（Ｌ２）の部分は、同一中心Ｏに対して同一半径Ｒをもつ球面状の湾曲面とされている。この湾曲長さ範囲（Ｌ２）の帽体部９の中心位置に流体送出口１４が開口している。したがって、短管状周壁基部１６の長さ範囲（Ｌ１）から先の湾曲長さ範囲（Ｌ２）では、流体が矢印ｃ２で示したように、帽体部９の湾曲面に沿って自然に流動することができる。そして、円滑な流れの後に、流体送出口１４から送出される。

図２の下部には入口キャップ７内の流体の流入状態が矢印で示されている。この入口キャップ７内においても出口キャップ１１と対称の条件により、流入する流体が矢印Ｃ３で示すように、帽体部９および短管状周壁部１５に沿って自然に流れる。

以上のように、本実施形態の中空糸膜モジュール１においては、入口キャップ７および出口キャップ１１のフランジ蓋８，１２から短管状周壁部１５，１６と、湾曲面をもつ帽体部９，１３とを備えたキャップ構造にすることにより、流体をスムーズに流すことができる。

なお、大型構造の中空糸膜モジュール１において、等径筒部である短管状周壁部１５，１６の長さ（Ｌ１）は、モジュール径ｄに対応して約３０〜５０ｍｍの範囲に設定することが望ましい。本実施形態ではキャップ構成が簡易であり、特別にコストアップとなることはない。

本実施形態の中空糸モジュール１を中空糸除湿装置に適用した場合において、入口の飽和空気は、ゆるやかな湾曲面により中空糸膜５の全体にスムーズに流れるようになる。

（実施例）
図３は本実施形態による球状断面型のエア入・出口キャップを備えた中空糸膜モジュールを除湿装置に適用した場合における性能確認用の実施例結果を示すグラフであり、縦軸に露点温度、横軸に時間（１０分間隔）を示している。

また、図４は同じく比較例として、断面角型のエア入・出口キャップを備えた中空糸膜モジュール（図示省略）の性能確認用の実施例結果を示すグラフである。

試験条件は、出口流量１５００Ｎｌ／ｍｉｎ（ノルマルリットル／毎分）、パージ流量３００Ｎｌ／ｍｉｎ（パージ率２０％）、入口空気温度１５〜１８℃、入口空気湿度４０．６〜６０．１％（室温）、入口圧力０．６５〜０．７２ＭＰａとした。

図４に示した従来例では、最高到達露点が−５４．７℃であったのに対し、図３に示した本実施形態では、最高到達露点が−６３．６℃であり、約１０℃の露点性能の向上が認められた。

また、圧力損失は約０．００７ＭＰａから０．００５ＭＰａに低下し、圧力損失の低下が認められた。

本実施形態によれば、１００Ａ〜２００Ａのモジュールに特に適しており、これによりモジュールの大型化が図れる。

図５および図６は、本発明による中空糸膜モジュール１を適用した中空糸膜除湿装置２０の構成例を示している。図５は、この中空糸膜除湿装置２０の正面図であり、図６は平面図である。

この実施形態による中空糸膜除湿装置２０では、４体の中空糸膜モジュール１を縦長配置で平行に配置してあり、ユニット架台２０ａに支持されている。各中空糸膜モジュール１の下端側の入口キャップ７には、空気導入口２１を有する空気導入管２２が接続されている。各中空糸膜モジュール１の上端側の出口キャップ１１には、出口ヘッダ配管２３が接続され、空気出口２４から処理済み流体である空気が送出される。なお、図５において、制御盤２５およびパージ弁２６が設けられている。

この構成により、除湿装置について、簡単な構造変更で十分な圧力損失低減と、分離性能の向上が図れる。特に、露点性能の向上と圧力損失低下が図れる。除湿のシステム設計をする場合、露点性能の向上と圧力損失の低下は相反するものであるが、本実施形態によれば、露点性能の向上と圧力損失の低下を共に達成することができる。特に、モジュールの大型化が図れる。なお、上記の構成は、ガス分離装置としてもそのまま適用することができる。

本発明の一実施形態による中空糸モジュールの一実施形態を示す全体縦断面図。 本発明の一実施形態による中空糸モジュールの詳細構成を示す拡大断面図。 本発明の実施例を説明するための試験結果を示すグラフ。 比較例を示すグラフ。 本発明の一実施形態による中空糸除湿装置の構成を示す正面図。 図５の平面図。

符号の説明

１ 中空糸膜モジュール
２ 流体入口
３ 流体出口
４ 缶体
４ａ，４ｂ フランジ
５ 中空糸膜
６ ポッティング部
７ 入口キャップ
８ フランジ蓋
９ 帽体部
１０ 流体導入口
１１ 出口キャップ
１２ フランジ蓋
１３ 帽体部
１４ 流体送出口
１５ 短管状周壁基部
２０ 中空糸膜除湿装置
２１ 空気導入口
２２ 空気導入管
２３ 出口ヘッダ配管
２４ 空気出口
２５ 制御盤
２６ パージ弁

Claims (4)

1. 流体入口および流体出口を有する缶体の内部に多数の中空糸膜を配置するとともに、前記缶体の流体入口および流体出口にフランジ蓋およびこれと一体の帽体部からなる入口キャップおよび出口キャップを設け、前記入口キャップ側から供給される流体を前記缶体内の中空糸膜内に流入させて分圧差により前記流体の特定分子を膜外に除去した後に前記流体出口側から前記流体を送出する構成の中空糸膜モジュールにおいて、前記入口キャップおよび前記出口キャップの少なくともいずれか一方の帽体部の内面を、当該キャップの前記フランジ蓋側から帽体部側に略一定半径の球面状をなす湾曲面として形成したことを特徴とする中空糸膜モジュール。
2. 前記入口キャップおよび／または前記出口キャップにおける湾曲面は、当該キャップにおける帽体部の前記フランジ蓋側からの立上り部分に形成した一定径の短管状周壁基部を経た部位から湾曲している請求項１記載の中空糸膜モジュール。
3. 請求項１または２記載の中空糸膜モジュールを用いて構成された中空糸膜除湿装置。
4. 請求項１または２記載の中空糸膜モジュールを用いて構成された中空糸膜ガス分離装置。

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