JP2016155094A - 分離膜モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】管状分離膜の一端に接続されたエンド管が支持板に容易に装着されると共に、この支持板の製造も容易である分離膜モジュールを提供する。【解決手段】分離膜モジュールは、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の一端に接続されたエンド管４と、エンド管４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。支持板５に設けられた差込穴５ａにエンド管４が差し込まれている。エンド管４はＯリング３０，３１が装着され、差込穴５ａとの間がシールされている。【選択図】図１

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分離膜モジュールに関する。

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分離膜モジュールが知られている。この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）。

特許文献２に、固定部材に管状部材をねじ込みにより固定し、この管状部材の挿入部にゼオライト膜の一端を嵌合させた構造が記載されている。

特開２０１３−３９５４６号公報 特開２０１１−１５２５０７号公報

固定部材に管状部材をねじ込みにより固定する方式の場合、ゼオライト分離膜の本数が多いと、ねじ切り作業及びねじ込み作業に著しく手間がかかり、分離膜モジュールの製造期間が長くなり、製造コストも高くなる。

本発明は、管状分離膜の一端に接続されたエンド管が支持板に容易に装着されると共に、この支持板の製造も容易である分離膜モジュールを提供することを目的とする。

本発明の分離膜モジュールは、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を有し、被処理流体が該ハウジング内を一端側から他端側に流れ、管状分離膜を透過した流体が該管状分離膜を通って取り出される分離膜モジュールであって、該管状分離膜の一端部にエンド管が接続され、該エンド管は、前記ハウジングを横断するように設置された支持板の一方の板面から突出している分離膜モジュールにおいて、該支持板の一方の板面に差込穴が設けられ、前記エンド管が該差込穴に差し込まれており、該エンド管と差込穴との間がＯリングでシールされていることを特徴とするものである。

本発明の分離膜モジュールにあっては、支持板に設けた差込穴にエンド管を差し込むことによりエンド管が支持板に接続される。この差し込み作業は極めて容易である。また、多数の差込穴であっても容易に穿設することができる。従って、本発明によると支持板の製造も容易である。

実施の形態に係る分離膜モジュールのハウジング軸心線方向に沿う断面図である。 図１のII−II線断面図である。 図１のIII−III線断面図である。 エンド管及び支持板の拡大断面図である。 図４の一部の拡大図である。 実施の形態に係る分離膜モジュールのハウジング軸心線方向に沿う断面図である。

図１〜６を参照して、本発明の一実施の形態に係る分離膜モジュールについて説明する。

この分離膜モジュール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内の下部に設けられた支持板５と、ハウジング２の下端に取り付けられたボトムカバー６Ａ及び上端に取り付けられたトップカバー６Ｂと、支持板５と平行にハウジング２内の下部及び上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等を有する。第１のバッフル７は支持板５の上側に配置されている。

この実施の形態では、ハウジング２の下端及び上端側とボトムカバー６Ａ及びトップカバー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。

この実施の形態では、管状分離膜３の下端にエンド管４が連結されている。管状分離膜３の上端にエンドプラグ２０が連結されている。なお、図１〜３では、管状分離膜は７本のみ示されているが、実際は図４のように多数本設けられている。また、２本の管状分離膜３は図６に示す通りジョイント管１７によって連結された管状分離膜連結体とされていてもよい。

ハウジング２の下部の外周面に被処理流体の流入口９が設けられ、上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、第２のバッフル８の上側の室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。

底部の支持板５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の下端には雄ねじが刻設されており、支持板５の雌ねじ穴に螺着されている。バッフル７，８はロッド１４に外嵌された鞘管１４Ａ，１４Ｂ（図４）によって所定高さに支持されている。鞘管１４Ａは、支持板５とバッフル７との間に配置されている。鞘管１４Ｂは、バッフル７，８間に配置されている。バッフル８は、鞘管１４Ｂの上端面に載設され、ロッド１４の上端に螺着されたナットによって固定されている。バッフルの数はこの実施の形態によらず、３以上のバッフルを使用してもよい。

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。

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、エンド管４及びエンドプラグ２０の連結体が各挿通孔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、エンド管４及びエンドプラグ２０の直径（外径）よりも大きく、挿通孔７ａ，８ａの内周面と、エンド管４及びエンドプラグ２０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の上面側には、管状分離膜３に連結されたエンド管４の下端が差し込まれた差込穴５ａが設けられている。差込穴５ａは、円柱形であり、支持板５の上面から厚み方向の途中まで延在している。差込穴５ａの穴底は、小孔５ｂと大孔５ｃとを介して支持板５の下側の流出室１６に臨んでいる。

各エンド管４の管孔４ａは、小孔５ｂ及び大孔５ｃを介して、ボトムカバー６Ａと支持板５との間の流出室１６に連通している。ボトムカバー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。

エンド管４の下端近傍の外周面に溝４ｂが周設され、フッ素ゴム、フッ素樹脂などよりなるＯリング３０が装着されている。この実施の形態では、溝４ａは複数条設けられている。

また、エンド管４の下端面にもエンド管４の管孔４ａと同心状の溝４ｃが周設され、Ｏリング３１が装着されている。Ｏリング３０が差込穴５ａの内周面に密着し、Ｏリング３１が差込穴５ａの穴底面に密着することによりエンド管４の外面と差込穴５ａとの間のシールが行われる。

なお、エンド管４の外周面のＯリング３０と下端面のＯリング３１とは、いずれか一方のみが設けられてもよい。

図５の通り、エンド管４の上端部は小径部４ｇとなっており、管状分離膜３の下部に差し込まれている。この小径部４ｇの外周面に周設された溝にＯリング３２が装着されている。また、管状分離膜３の下端面とエンド管４の段差面との間にもＯリング３３が介在されている。エンド管４と管状分離膜３の接続部は、上記のようなＯリングを使用せず、熱収縮チューブを用いることでシールしてもよいし、Ｏリングを使用した上にさらに熱収縮チューブを用いてもよい。

管状分離膜３の上端にエンドプラグ２０が連結されている。エンドプラグ２０は円柱状またはこれの一部を削った形状であり、管状分離膜３の上端を封止している。エンドプラグ２０の下端には、管状分離膜３内に差し込まれた小径部が設けられている。エンドプラグ２０と管状分離膜３との間はＯリングによってシールされている。図示は省略するが、このエンドプラグ２０と管状分離膜３とのシール構造は、前記エンド管４と管状分離膜３とのシール構造と同様のものとなっている。また、エンドプラグ２０と管状分離膜３は、Ｏリングを使用せず、熱収縮チューブを用いることでシールしてもよいし、Ｏリングを使用した上にさらに熱収縮チューブを用いてもよい。

図６の通り、この実施の形態では複数本、例えば２本の管状分離膜３がジョイント管１７を介して連結されている。このジョイント管１７は、管軸方向に貫通する貫通孔を有する。ジョイント管１７の両端側（上端側と下端側）は、管状分離膜３内に差し込まれる小径部となっている。小径部の外周面には溝が周回して設けられ、Ｏリング（図示略）が装着されている。

また、ジョイント管１７の両端側の小径部同士の間は大径部となっており、小径部と大径部との境界部は段差面となっている。この段差面と管状分離膜３の端面との間にもＯリングが介在されている。ジョイント管１７と管状分離膜３は、Ｏリングを使用せず、熱収縮チューブを用いることでシールしてもよいし、Ｏリングを使用した上にさらに熱収縮チューブを用いてもよい。

この実施の形態では、管状分離膜３の上端側にエンドプラグ２０を配置しているので、管状分離膜３、エンドプラグ２０、エンド管４及びジョイント管１７に対し、それらの端面同士が押し付けられる方向に荷重がかかっている。

ただし、本発明では、エンド管４及び支持板５を管状分離膜３の上端側に配置し、エンドプラグ２０を管状分離膜３の下端側に配置してもよい。この場合、エンドプラグ２０を上方に付勢するためのスプリング等の付勢部材を設けることにより、管状分離膜３、エンドプラグ２０、エンド管４及びジョイント管１７に対し、それらの端面同士が押し付けられる方向に荷重を加えることが好ましい。

この実施の形態では、管状分離膜３、エンド管４及びエンドプラグ２０の連結体の該エンド管４の下端部を、支持板５に設けた差込穴５ａに差し込んで管状分離膜３、エンド管４及びエンドプラグ２０の連結体を支持板５に立設する。差込穴５ａにエンド管４の下端部を差し込むだけでエンド管４と支持板５とを気密ないし液密状に容易に連結することができる。また、差込穴５ａが円柱形であるので、支持板５に差込穴５ａを穿設する作業は容易であり、支持板５の製作も容易である。従って、分離膜モジュールの製作工期の短縮及び製作コストの低減を図ることができる。

このように構成された分離膜モジュール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から分離膜モジュール１外に流出する。

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。

分離膜モジュール１は、図１のようにトップカバー６Ｂ側を上にして使用してもよく、またボトムカバー６Ａ側を上にして使用しても差し支えない。また、ボトムカバー６Ａとトップカバー６Ｂを結ぶ方向が略水平方向となるように、分離膜モジュール１を横置きに設置して使用しても差し支えない。

この実施の形態では、管状分離膜３を平行に多数本配列設置しており、膜面積が大きいので、効率良く膜分離が行われる。

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。

以下、本発明の分離膜モジュールを構成する各部材の好適な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及びジョイント管１７の材質は、通常、ステンレスなどの金属材料であるが、分離条件における耐熱性と供給、透過成分に対する耐性があれば特に限定されず、用途によっては、樹脂材料など他の材質に変更可能である。

管状分離膜３は、好ましくは、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無機分離膜としてのゼオライト膜とを有する。この管状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や金属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。
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。

管状分離膜３のうちゼオライト膜で覆われた部分の長さは好ましくは２０ｃｍ以上、好ましくは２００ｃｍ以下である。

本発明の分離膜モジュールにおいて、管状分離膜は、単管式でも多管式でもよく、通常１〜３０００本、特に５０〜８５０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。なお、管状分離膜はジョイント管１７によって連結されなくてもよい。

本発明の分離膜モジュールにおいて、分離または濃縮の対象となる被処理流体としては、分離膜によって分離または濃縮が可能な複数の成分からなる気体または液体の混合物であれば特に制限はなく、如何なる混合物であってもよいが、気体の混合物に使用することが好ましい。

分離または濃縮にはパーベーパレーション法（浸透気化法）、ベーパーパーミエーション法（蒸気透過法）と呼ばれる分離または濃縮方法を用いることができる。パーベーパレーション法は、液体の混合物をそのまま分離膜に導入する分離または濃縮方法であるため、分離または濃縮を含むプロセスを簡便なものにすることができる。

本発明において、分離または濃縮の対象となる混合物が、複数の成分からなる気体の混合物である場合、気体の混合物としては、例えば、二酸化炭素、酸素、窒素、水素、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ノルマルブタン、イソブタン、１−ブテン、２-ブテン、イソブテン、トルエンなどの芳香族系化合物、六フッ化硫黄、ヘリウム、一酸化炭素、一酸化窒素、水などから選ばれる少なくとも１種の成分を含むものが挙げられる。これらの気体成分からなる混合物のうち、パーミエンスの高い気体成分は、分離膜を透過し分離され、パーミエンスの低い気体成分は供給ガス側に濃縮される。

本発明の分離膜モジュールは、流体量、あるいは目的の分離度、濃縮度によって連結して使用することができる。流体量が多い場合または目的の分離度・濃縮度が高く１つのモジュールでは処理が十分できない場合には出口から出た流体をさらにもう一つのモジュールの入口に入るように配管を接続して使用することが好ましい。また分離度、濃縮度に応じてさらに連結して目的の分離度・濃縮度とすることができる。

本発明の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させて排出しても良い。

１ 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 ボトムカバー
６Ｂ トップカバー
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
１７ ジョイント管
２０ エンドプラグ
３０〜３３ Ｏリング

Claims (3)

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
   を有し、
   被処理流体が該ハウジング内を一端側から他端側に流れ、管状分離膜を透過した流体が該管状分離膜を通って取り出される分離膜モジュールであって、
   該管状分離膜の一端部にエンド管が接続され、
   該エンド管は、前記ハウジングを横断するように設置された支持板の一方の板面から突出している分離膜モジュールにおいて、
   該支持板の一方の板面に差込穴が設けられ、前記エンド管が該差込穴に差し込まれており、
   該エンド管と差込穴との間がＯリングでシールされていることを特徴とする分離膜モジュール。
2. 請求項１において、前記Ｏリングは、前記エンド管の外周面及びエンド管の端面の少なくとも一方に設けられた溝に装着されていることを特徴とする分離膜モジュール。
3. 請求項２において、前記Ｏリングを装着したエンド管が前記差込穴に差し込まれることによりエンド管と支持板とが連結されたことを特徴とする分離膜モジュール。

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