JP2016007569A - 多管式分離膜モジュールの組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】組み立て時における分離膜の損傷が確実に防止される多管式分離膜モジュールの組立方法を提供する。【解決手段】多管式分離膜モジュール１は、筒状のハウジング２と、ハウジング２の長手方向に配置された複数の管状分離膜３と、管状分離膜３の連結体を支持する支持板５と、該支持板５と平行に配置され、管状分離膜が挿通された挿通孔７ａ，８ａを有するバッフル７，８とを有する。鞘管４０を挿通孔７ａ，８ａに挿入した後、鞘管４０内に管状分離膜３を挿入し、その後、鞘管４０を抜去して管状分離膜３の設置作業を行う。【選択図】図４

Description

本発明は溶液や混合気体等の流体から一部の成分を分離するために用いられる多管式分離膜モジュールの組立方法に関する。

溶液又は混合気体中の成分を分離するための機器として多管式分離膜モジュールが知られている。この多管式分離膜モジュールに用いる管状分離膜は、管状の多孔質セラミック支持体と、該支持体の外周面に設けられたゼオライト等からなる多孔質の分離膜とを有する。溶液や混合気体等の流体から特定の成分を分離するためには、溶液の流体を分離膜エレメントの一方（外面）に接触させて、もう一方（内面）を減圧することにより、特定の成分を気化させ分離する方法や、溶液を気化させて気体状態で分離膜に接触させて、非接触面側を減圧して特定成分を分離する方法、加圧状態の混合気体を分離膜に接触させて特定の成分を分離する方法などが知られている（特許文献１，２）。

このような、多管式分離膜モジュールにおいて、分離効率を高めるためには、分離対象となる溶液や混合気体等の流体を分離膜エレメントの全長にわたって効率よく接触させることが必要とされる。

特許文献１，２には、流体（液体または気体）を膜に効率よく接触させるために、多管式分離膜モジュールのハウジング内にチューブ（管状分離膜）と直交状にバッフルを設けることが記載されている。

特許文献１，２の多管式分離膜モジュールにおいては、バッフルに設けた複数の孔にそれぞれチューブを挿通している。バッフルのチューブ（管状分離膜）挿通孔の口径をチューブ外径よりも大きくし、孔の内周面とチューブ外周面との間に間隙を形成している。

特開２０１３−３９５４６号公報 特開２０１０−２４７１０７号公報

多管式分離膜モジュールを組み立てるに際しては、ハウジング内にバッフルを配置しておき、管状分離膜をバッフルの挿通孔に挿通する作業が行われる。このように管状分離膜を挿通孔に挿通しているときに管状分離膜の外周面が挿通孔に内周面に接触すると、管状分離膜外周面のゼオライト等よりなる分離膜が損傷するおそれがある。

本発明は、かかる組み立て時における分離膜の損傷が確実に防止される多管式分離膜モジュールの組立方法を提供することを目的とする。

本発明の多管式分離膜モジュールの組立方法は、筒状のハウジングと、該ハウジング内に該ハウジングの長手方向に配置された複数の管状分離膜と、該ハウジング内に配置され、管状分離膜が挿通された挿通孔を備えたバッフルとを有する多管式分離膜モジュールを組み立てる方法であって、該ハウジング内に配置されたバッフルの前記挿通孔に管状分離膜を挿通する管状分離膜挿通工程を有する多管式分離膜モジュールの組立方法において、該挿通孔に鞘管を挿通しておき、該鞘管内に管状分離膜を挿入し、その後、該鞘管を撤去することにより管状分離膜挿通工程を行うことを特徴とするものである。

本発明では、前記ハウジングを筒軸心方向が鉛直方向となるように配置しておき、前記鞘管をワークパイプに外嵌させて保持して挿通孔に挿入した後、ワークパイプを鞘管から抜去して鞘管をハウジング内に残置し、次いで該鞘管内に管状分離膜を挿入し、その後、鞘管を管状分離膜から下方に抜去することが好ましい。

本発明の多管式分離膜モジュールの組立方法にあっては、バッフルの挿通孔に管状分離膜を挿通するに際し、予め鞘管を挿通孔に挿入しておき、管状分離膜を該鞘管に挿入した後、鞘管に引き抜くので、管状分離膜の挿通作業中に管状分離膜がバッフルの挿通孔内周面に直接に当ることがなく、管状分離膜外周面の分離膜の損傷が防止される。

鞘管をワークパイプに外嵌して保持した状態で挿通孔に挿入する場合、ワークパイプの真直性が高いので、バッフルが複数枚配置されていても、各バッフルの挿通孔に鞘管付きワークパイプを容易に挿通することができる。また、ハウジングを筒軸心方向が鉛直となるように配置しておくと、ワークパイプや管状分離膜を鉛直上方から挿通孔に挿入することができ、ワークパイプや管状分離膜がたわまないので、作業効率が良好となる。

実施の形態に係る多管式分離膜モジュールの組立方法を示す断面図である。 実施の形態に係る多管式分離膜モジュールの組立方法を示す断面図である。 実施の形態に係る多管式分離膜モジュールの組立方法を示す断面図である。 実施の形態に係る多管式分離膜モジュールの組立方法を示す断面図である。 実施の形態に係る多管式分離膜モジュールの組立方法を示す断面図である。 実施の形態に係る組立方法より組み立てられた多管式分離膜モジュールのハウジング軸心線方向に沿う縦断面図である。 図６のVII−VII線断面図である。 図６のVIII−VIII線断面図である。 多管式分離膜モジュール同士の接続方式を示すブロック図である。

図６〜８を参照して、本発明の一実施の形態に係る組立方法により組み立てられた多管式分離膜モジュール１について説明する。

この多管式分離膜モジュール１は、筒軸心方向を上下方向とした円筒状ハウジング２と、ハウジング２の軸心線と平行方向に配置された複数の管状分離膜３と、ハウジング２内の上部に設けられた支持板５及び底部に設けられた支持板１５と、ハウジング２の上端に取り付けられたトップカバー６Ａ及び下端に取り付けられたボトムカバー６Ｂと、支持板５，１５と平行にハウジング２内の上部及び下部にそれぞれ配置された第１のバッフル（整流板）７及び第２のバッフル（整流板）８等とを有する。第１のバッフル７は支持板５の下側に配置され、第２のバッフル８は支持板１５の上側に配置されている。

この実施の形態では、管状分離膜３の上端にエンド管４が連結され、管状分離膜３の下端にエンドプラグ２０が連結されている。エンド管４及びエンドプラグ２０はそれぞれ熱収縮フィルムによって管状分離膜３に連結されている。

ハウジング２の上部の外周面に被処理流体の流入口９が設けられ、下部の外周面に被処理流体の流出口１０が設けられている。流入口９は、支持板５と第１のバッフル７との間の室１１に臨むように設けられている。流出口１０は、支持板１５と第２のバッフル８との間の室１２に臨むように設けられている。バッフル７，８間は膜分離を行うための主室１３となっている。

主室１３内の流れと管状分離膜３内の流れは並流であっても、向流であっても差し支えなく、被処理流体の流入口９と流出口１０とは入れ替えても差し支えない。

多管式分離膜モジュール１は、トップカバー６Ａ側を上にして使用しても（図７）、またボトムカバー６Ｂ側を上にして使用しても差し支えない。

各バッフル７，８には、管状分離膜３を挿通させるための円形の挿通孔７ａ，８ａが設けられており、管状分離膜３が各挿通孔７ａ，８ａに挿通されている。挿通孔７ａ，８ａの口径は、管状分離膜３の直径（外径）よりも大きく、挿通孔７ａ，８ａの内周面と管状分離膜３の外周面との間に全周にわたって間隙があいている。

支持板５には、管状分離膜３に連結されたエンド管４を支持するための開口５ａが設けられている。エンド管４は、開口５ａに差し込まれており、エンド管４の外周面と各開口５ａの内周面との間は溶接などにより気密にシールされている。支持板５へのエンド管４の取り付けは、エンド管４の外周部および支持板５の開口５ａにねじを切ることにより、ねじ込んでも差し支えない。

各エンド管４の上端側は、トップカバー６Ａと支持板５との間の流出室１６に向って開放している。トップカバー６Ａには、分離された透過流体の取出口６ａが設けられている。

この実施の形態では、ハウジング２の上端及び下端側とトップカバー６Ａ及びボトムカバー６Ｂの外周縁にそれぞれ外向きのフランジ２ａ，２ｂ，６ｂ，６ｃが設けられ、ボルト（図示略）によってこれらが固定されている。支持板５の周縁部は、フランジ２ａ，６ｂ間にガスケット（図示略）を介して挟持されている。

底部の支持板１５から複数のロッド１４が立設され、該ロッド１４にバッフル７，８が支持されている。ロッド１４の上端は支持板５に対しナットなどによって固着されている。バッフル７，８はロッド１４に対しピンなどの係止部材（図示略）によって所定高さに支持されている。

バッフル７，８の外周面とハウジング２の内周面との間には、Ｏリング、Ｖパッキン、Ｃリングなどのシール部材が介在されている。

管状分離膜３は、管状の多孔質支持体と、該多孔質支持体の外周面に形成されたセラミック分離膜としてのゼオライト膜とを有する。

このように構成された多管式分離膜モジュール１において、被処理流体は流入口９からハウジング２の室１１内に導入され、バッフル７の挿通孔７ａの内周面とエンド管４の外周面との間の間隙を通って主室１３に流入し、主室１３を通った後、バッフル８の挿通孔８ａとエンドプラグ２０との間隙を通って室１２に流出する。主室１３を流れる間に被処理流体の一部の成分が管状分離膜３を透過して管状分離膜３内から流出室１６及び取出口６ａを介して取り出される。透過しなかった流体は、流出口１０から多管式分離膜モジュール１外に流出する。

この実施の形態では、管状分離膜３の上下両端に連結されたエンド管４とエンドプラグ２０がそれぞれバッフル７，８の挿通孔７ａ，８ａに差し込まれている。そのため、管状分離膜３が振動ないし揺動してエンド管４及びエンドプラグ２０が挿通孔７ａ，８ａの内周面に当接してもゼオライト膜が損傷することがなく、長期にわたって安定して運転を行うことができる。

次に、この多管式分離膜モジュール１の組立方法について図１〜５を参照して説明する。図１の通り、円筒状のハウジング２を筒軸心方向が鉛直方向となるように作業台３１上に立設する。ハウジング２内にはロッド１４及び該ロッド１４に支持されたバッフル７，８が配置されている。ロッド１４は作業台３１の係止部３１ａに支持されている。

次に、図２の通り、フッ素樹脂（例えばＰＴＦＥ、ＦＥＰ）やポリイミドなどの摩擦係数の小さい合成樹脂よりなる鞘管４０をバッフル７，８の挿通孔７ａ，８ａに挿通する。この実施の形態では、鞘管４０は下端が封じられ、上端が開放した管状体よりなる。この鞘管４０をワークパイプ４１に外嵌した状態で挿通孔７ａ，８ａに挿通する。ワークパイプ４１は、挿通孔７ａ，８ａと同数個、かつ平面視において挿通孔７ａ，８ａと同配列にて配列され、昇降盤（図示略）に垂設されている。鞘管４０が外嵌されたワークパイプ４１の中心孔に負圧をかけて鞘管４０の脱落を防止するようにしてもよい。

この鞘管４０付きのワークパイプ４０を上方から挿通孔７ａ，８ａに挿通する。ハウジング２の下部に予め受台４２を配置しておき、挿通孔８ａを通過した鞘管４０及びワークパイプ４１の下端が受台４２に到達した後、ワークパイプを図３の通り引き上げる。この際、ワークパイプ４１の中心孔に空気圧（正圧）を加えてワークパイプ４１の外周面と鞘管４０の内周面との間に空気層を形成し、図３の通りワークパイプ４１を引き上げ、鞘管４０から抜去するようにしてもよい。

これにより、鞘管４０のみが挿通孔７ａ，８ａに挿通されてハウジング２内に残置される。

そこで、図４の通り、各鞘管４０内に上方から管状分離膜３を挿入する。管状分離膜３は支持板５から垂設されており、すべての管状分離膜３が同時に各鞘管４０内に挿入される。支持板５がフランジ部２ａ上に載置されるまで管状分離膜３を鞘管４０内に挿入した後、図５の通り、受台４２を撤去し、鞘管４０を下方に引き抜く。これにより、管状分離膜３の外周面を各挿通孔７ａ，８ａに全く接触させることなく、管状分離膜３をハウジング２内に設置することができる。

なお、支持板５をフランジ２ａ上に載せるときに、ロッド１４の上端を支持板５のロッド挿通孔に差し込む。その後は、ロッド１４の上端にナット締めし、トップカバー６Ａと、支持板１５を備えたボトムカバー６Ｂとをハウジング２に連結することにより、図６に示す多管式分離膜モジュール１が組み立てられる。

この実施の形態では、鞘管４０をワークパイプ４１に外嵌させて挿通孔７ａ，８ａに挿通しているので、鞘管４０の挿通作業を容易に行うことができる。ただし、鞘管４０が所定以上の剛性を有しているときには、ワークパイプ４１を用いることなく鞘管４０を挿通孔７ａ，８ａに挿通してもよい。

この実施の形態では、支持板５に垂設されている管状分離膜３を鞘管４０に挿入するものとしたが、管状分離膜３を着脱自在に保持する保持部材に垂設しておいてもよい。この場合、管状分離膜３を鞘管４０に挿入し、鞘管４０を抜去した後、管状分離膜３の下端側に雌ねじ孔を有する支持板の該雌ねじ孔を当接させ、管状分離膜３を回して管状分離膜３を該雌ねじ孔に螺合させるようにしてもよい。このように構成した場合、多管式分離膜モジュール１の１本又は一部の管状分離膜３を回して撤去し、新品の管状分離膜３と交換することができる。

次に、多管式分離膜モジュールの構成部材の材料等について説明する。エンド管４及びエンドプラグ２０の材料としては金属、セラミックスなど、流体を透過させないものが例示されるが、これに限定されない。バッフル７，８の材料としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のステンレス材が好適であるが、これに限定されない。

管状分離膜の多孔質支持体の材質としては、シリカ、α−アルミナ、γ−アルミナ、ムライト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化珪素、炭化珪素などを含むセラミックス焼結体の無機多孔質支持体が挙げられる。その中でもアルミナ、シリカ、ムライトのうち少なくとも１種を含む無機多孔質支持体が好ましい。多孔質支持体表面が有する平均細孔径は特に制限されるものではないが、細孔径が制御されているものが好ましく、通常０．０２μｍ以上、好ましくは０．０５μｍ以上、さらに好ましくは０．１μｍ以上であり、通常２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下の範囲が好ましい。

多孔質支持体の表面においてゼオライトを結晶化させゼオライト膜を形成させるのが好ましい。ゼオライト膜を構成する主たるゼオライトは、通常、酸素６−１０員環構造を有するゼオライトを含み、好ましくは酸素６−８員環構造を有するゼオライトを含む。

ここでいう酸素ｎ員環を有するゼオライトのｎの値は、ゼオライト骨格を形成する酸素とＴ元素で構成される細孔の中で最も酸素の数が大きいものを示す。例えば、ＭＯＲ型ゼオライトのように酸素１２員環と８員環の細孔が存在する場合は、酸素１２員環のゼオライトとみなす。

酸素６−１０員環構造を有するゼオライトの一例を挙げれば、ＡＥＩ、ＡＥＬ、ＡＦＧ、ＡＮＡ、ＢＲＥ、ＣＡＳ、ＣＤＯ、ＣＨＡ、ＤＡＣ、ＤＤＲ、ＤＯＨ、ＥＡＢ、ＥＰＩ、ＥＳＶ、ＥＵＯ、ＦＡＲ、ＦＲＡ、ＦＥＲ、ＧＩＳ、ＧＩＵ、ＧＯＯ、ＨＥＵ、ＩＭＦ、ＩＴＥ、ＩＴＨ、ＫＦＩ、ＬＥＶ、ＬＩＯ、ＬＯＳ、ＬＴＮ、ＭＡＲ、ＭＥＰ、ＭＥＲ、ＭＥＬ、ＭＦＩ、ＭＦＳ、ＭＯＮ、ＭＳＯ、ＭＴＦ、ＭＴＮ、ＭＴＴ、ＭＷＷ、ＮＡＴ、ＮＥＳ、ＮＯＮ、ＰＡＵ、ＰＨＩ、ＲＨＯ、ＲＲＯ、ＲＴＥ、ＲＴＨ、ＲＵＴ、ＳＧＴ、ＳＯＤ、ＳＴＦ、ＳＴＩ、ＳＴＴ、ＴＥＲ、ＴＯＬ、ＴＯＮ、ＴＳＣ、ＴＵＮ、ＵＦＩ、ＶＮＩ、ＶＳＶ、ＷＥＩ、ＹＵＧ等がある。

ゼオライト膜は、ゼオライトが単独で膜となったものでも、前記ゼオライトの粉末をポリマーなどのバインダー中に分散させて膜の形状にしたものでも、各種支持体上にゼオライトを膜状に固着させたゼオライト膜複合体でもよい。ゼオライト膜は、一部アモルファス成分などが含有されていてもよい。

ゼオライト膜の厚さとしては、特に制限されるものではないが、通常、０．１μｍ以上であり、好ましくは０．６μｍ以上、さらに好ましくは１．０μｍ以上である。また通常１００μｍ以下であり、好ましくは６０μｍ以下、さらに好ましくは２０μｍ以下の範囲である。

ただし、本発明はゼオライト膜以外の分離膜を有した管状分離膜を用いてもよい。

管状分離膜３の外径Ｃは、好ましくは３ｍｍ以上、より好ましくは６ｍｍ以上、さらに好ましくは１０ｍｍ以上、好ましくは２０ｍｍ以下、より好ましくは１８ｍｍ以下、さらに好ましくは１６ｍｍ以下である。外径Ｃが小さすぎると管状分離膜の強度が十分でなく壊れやすくなることがあり、大きすぎるとモジュール当りの膜面積が低下する。バッフル７，８の挿通孔７ａ，８ａの内周面と管状分離膜３の外周面との隙間は０．５〜１０ｍｍ特に１〜５ｍｍ程度が好適である。

この多管式分離膜モジュールにおいて、管状分離膜は通常２〜８５０本配置され、管状分離膜同士の最短距離は、２ｍｍ〜１０ｍｍとなるように配置されることが好ましい。ハウジングの大きさ、管状分離膜の本数は処理する流体量によって適宜変更されるものである。

多管式分離膜モジュールを並列に設置して流体を分岐してガスを供給してもよい。この時さらに並列したそれぞれのモジュールに直列でモジュールを設置することもできる。並列としたモジュールを直列とする場合、供給ガス量が直列方向に低下し線速が低下するので、適宜線速を保つように並列の設置数を減少させることが好ましい。

モジュールを直列に配置する場合の透過した成分はモジュール毎に排出しても良く、モジュール間を連結して集合して排出しても良い。

多管式分離膜モジュールを直列に接続する場合、図９（ａ）のように各多管式分離膜モジュール１を図６の正立状態で設置し、上流側の多管式分離膜モジュール１から流出した非透過流体を下流側の多管式分離膜モジュール１の上部の流入口９に接続してもよいが、このようにすると接続配管１ａの長さが長くなる。そこで、図９（ｂ）のように、偶数番目の多管式分離膜モジュール１については倒立状態とし、奇数番目の正立状態の多管式分離膜モジュール１から流出した非透過流体を下流側の倒立状態の多管式分離膜モジュール１の下部の流入口９に流入させるようにしてもよい。このようにすれば、接続配管１ａの長さが短くて済む。また洋上など設置面積を大きく取れない場所に多数のモジュールを配置しなければならない場合には設置面積を大きくすることなく多数のモジュールを設置することができる。奇数番目の多管式分離膜モジュール１を倒立とし、偶数番目の多管式分離膜モジュール１を正立としてもよい。

１ 多管式分離膜モジュール
２ ハウジング
３ 管状分離膜
４ エンド管
５ 支持板
６Ａ トップカバー
６Ｂ ボトムカバー
６ａ 取出口
７，８ バッフル
７ａ，８ａ 挿通孔
９ 流入口
１０ 流出口
１１，１２ 室
１３ 主室
１４ ロッド
１６ 流出室
２０ エンドプラグ
３１ 作業台
４０ 鞘管
４１ ワークパイプ
４２ 受台

Claims (5)

1. 筒状のハウジングと、
   該ハウジング内に該ハウジングの長手方向に配置された複数の管状分離膜と、
   該ハウジング内に配置され、管状分離膜が挿通された挿通孔を備えたバッフルと
   を有する多管式分離膜モジュールを組み立てる方法であって、
   該ハウジング内に配置されたバッフルの前記挿通孔に管状分離膜を挿通する管状分離膜挿通工程を有する多管式分離膜モジュールの組立方法において、
   該挿通孔に鞘管を挿通しておき、該鞘管内に管状分離膜を挿入し、その後、該鞘管を撤去することにより管状分離膜挿通工程を行うことを特徴とする多管式分離膜モジュールの組立方法。
2. 請求項１において、前記鞘管は合成樹脂製であることを特徴とする多管式分離膜モジュールの組立方法。
3. 請求項１又は２において、前記ハウジングを筒軸心方向が鉛直方向となるように配置しておき、
   前記鞘管をワークパイプに外嵌させて保持して挿通孔に挿入した後、ワークパイプを鞘管から抜去して鞘管をハウジング内に残置し、
   次いで該鞘管内に管状分離膜を挿入し、
   その後、鞘管を管状分離膜から下方に抜去することを特徴とする多管式分離膜モジュールの組立方法。
4. 請求項３において、バッフルに設けられた挿通孔と同数本のワークパイプにそれぞれ鞘管を外嵌させておき、各ワークパイプを同時に挿通孔に挿入し、各ワークパイプを同時に各鞘管から抜去してハウジング内に鞘管を残置することを特徴とする多管式分離膜モジュールの組立方法。
5. 請求項４において、ハウジング内に残置された鞘管の各々に管状分離膜を同時に挿入することを特徴とする多管式分離膜モジュールの組立方法。

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