JP2016155098A - 分離膜モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】管状分離膜等の損傷を防止することができ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管状分離膜３とを有する。最上流側の分離膜モジュール１に対し配管５１から被処理流体が供給され、非透過流体が順次に配管５２を介在して下流側の分離膜モジュール１の流入口９に供給され、最下流の分離膜モジュール１の非透過流体が配管５３を介して流出する。各分離膜モジュール１で管状分離膜３を透過した透過流体は、配管５４及び集合配管５５を介して取り出される。配管５１及び５２にそれぞれ第１のフィルタ４１が設置され、各配管５４に第２のフィルタ４２が設置され、配管５３に第３のフィルタ４３が設置されている。
【選択図】図６

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）。

特開２０１３−３９５４６号公報 特開２０１１−１５２５０７号公報

ゼオライト膜がハウジング内に設置された分離膜モジュールにおいて、流入する被処理流体に粒子が含まれていると、ゼオライト膜が破損するおそれがある。分離膜モジュールが直列に複数接続されている場合、１つの分離膜モジュールでゼオライト膜が破損すると、破片が下流側の分離膜モジュールに流入し、ゼオライト膜が破損するおそれがある。また、分離膜モジュールの下流側に設置されたポンプ等の機器も粒子によって破損するおそれがある。

本発明は、粒子の流入による分離膜の破損が防止され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、ハウジングと、該ハウジング内に配置された管状分離膜とを有し、被処理流体が該ハウジング内に供給され、管状分離膜を透過した流体が取り出される分離膜モジュールにおいて該分離膜モジュールに流入する被処理流体を濾過処理する第１のフィルタを備えたものである。

本発明では、該分離膜モジュールから流出する透過流体を濾過処理する第２のフィルタを備えることが好ましい。

本発明では、分離膜モジュールから流出した非透過流体を濾過する第３のフィルタを備えてもよい。

本発明の分離膜モジュールにあっては、第１のフィルタを備えることにより、分離膜モジュールへの粒子の流入が防止され、分離膜の破損が防止される。第２のフィルタを備えた場合には、分離膜モジュールで分離膜の破損が生じても、下流側に設置された分離膜モジュールへの破片の流入が防止される。また、分離膜モジュールの下流側に設置されたポンプ等の機器への破片の流入が防止され、該機器の破損が防止される。

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。 フィルタの一例を示す断面図である。 膜分離システムのフロー図である。 膜分離システムのフロー図である。 膜分離システムのフロー図である。

図１〜５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、ハウジング２の内周面に周設された支持座２ｔに支持されている。支持板５の下面外周部と支持座２ｔの上面との間にシール部材が介在されている。

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、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本以上の管状分離膜３がジョイント管（図示略）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、上部の外周面に非透過流体の流出口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限定されるものではなく、３枚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を介在させてもよい。

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、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。

図示は省略するが、エンド管４の下端近傍の外周面に溝が周設され、フッ素ゴム、フッ素樹脂などよりなるＯリングが装着されている。また、エンド管４の下端面にもエンド管４の管孔４ａと同心状の溝が周設され、Ｏリングが装着されている。これらのＯリングが差込穴の内周面と差込穴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リングと下端面のＯリングとは、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。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。

なお、エンドプラグ２０の重量軽減を図るために、エンドプラグ２０の上端面から凹所２０ｖが凹設されている。凹所２０ｖの底部とエンドプラグ２０の側周面とを連通するドレン抜き孔を設けてもよい。

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、及びエンド管４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、及びエンド管４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。

この分離膜モジュール１において、１本又は少数本の管状分離膜３に損傷が生じた場合、ハウジング２内への被処理流体の流入を停止させた後、ボトムカバー６Ａをハウジング２から取り外す。そして、管状分離膜３が差し込まれた差込穴５ａに連なる大孔５ｃに対して閉塞部材を装着するのが好ましい。

この実施の形態では、分離膜モジュール１の流入口９と透過流体の取出口６ａとに、粒子を除去するためのフィルタが設置されている。このフィルタの構成の一例を図５に示す。

このフィルタ３０は、上面が開放したケース３１と、該ケース３１の上面を閉鎖する蓋３２と、該ケース３１に設けられた入口３３及び出口３４と、入口３３及び出口３４間を隔てるように設けられたフィルタエレメント３５とを有する。ケース３１の内面に支持部３６が突設され、フィルタエレメント３５が該支持部３６上に設置されている。フィルタエレメント３５とケース３１又は支持部３６との間にはガスケット（図示略）が介在され、流体が短絡しないように構成されている。フィルタエレメント３５としては、不織布をプリーツ形状に成形し、枠内に納め込んだもの等を用いることができる。ただし、フィルタエレメント３５の材質はこれに限定されるものではなく、メッシュ等を用いてもよい。

なお、蓋３２はボルト３７によってケース３１に取り付けられている。このボルト３７を外して蓋３２を開けることにより、フィルタエレメント３５の清掃や交換が可能である。

この分離膜モジュール１を直列に接続した構成の一例を図６に示す。

図６では、分離膜モジュール１の被処理流体の導入配管５１に上記構成の第１のフィルタ４１が設置され、透過流体の取出配管５２に第２のフィルタ４２が設置されている。なお、図６では、複数の分離膜モジュール１が直列に接続されており、最上流側の分離膜モジュール１に対し配管５１から被処理流体が供給され、非透過流体が順次に配管５２を介在して下流側の分離膜モジュール１の流入口９に供給され、最下流の分離膜モジュール１の非透過流体が配管５３を介して流出する。各分離膜モジュール１で管状分離膜３を透過した透過流体は、配管５４及び集合配管５５を介して取り出される。

配管５１及び５２にそれぞれ第１のフィルタ４１が設置されている。各配管５４に第２のフィルタ４２が設置されている。配管５３に第３のフィルタ４３が設置されている。各フィルタ４１〜４３としては、図５のフィルタ３０が用いられている。

図６では、各分離膜モジュール１に流入する被処理流体が第１のフィルタ４１によって粒子除去処理されるので、粒子が分離膜モジュール１内に流入して管状分離膜３が破損することが防止される。また、いずれかの分離膜モジュール１において、一部の管状分離膜３が破損し、破片が生じたとしても、破片は下流側の第１のフィルタ４１で除去され、下流側の分離膜モジュール１に流入しない。

また、破片が透過流体取出口６ａから流出しても、第２のフィルタ４２によって除去されるので、配管５５以降に設置されたポンプ等の機器が粒子噛み込みによって破損することが防止される。なお、第１のフィルタ４１を設けず、第２のフィルタ４２のみを設けてもよい。

さらに、この図６の形態では、配管５３に第３のフィルタ４３が設置されているので、配管５３以降に設置されたポンプ等の機器が粒子噛み込みによって破損することが防止される。

図６では、各分離膜モジュール１の透過流体用配管５４にそれぞれ第２のフィルタ４２が設置されているが、図７のように集合配管５５に第２のフィルタ４２を設置し、各配管５４には第２のフィルタ４２を設けないようにしてもよい。また、図７のように、第１のフィルタ４１を各分離膜モジュール毎に設けずとも、被処理流体の入口部分の１つのみを設置することでもよい。

図７では、分離膜モジュール１の直列接続体が１系列のみ設置されているが、図８のようにかかる直列接続体を複数列並列に設置してもよい。このように、一部の管状分離膜３に損傷が生じても、その管状分離膜３が連なる大孔５ｃを閉塞部材で閉塞することにより、短時間で定常運転に復帰することができる。また、図８のように、複数の分離膜モジュール系列を並列設置している場合には、損傷が生じた分離膜モジュール系列のみを運転停止とし、他の分離膜モジュール系列については定常通りの運転を継続することができる。なお、１つの系列を予備系列としてもよい。

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、樹脂など、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５０〜１２００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。

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。

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
５ａ 差込穴
５ｃ 大孔
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
２０ エンドプラグ
３０ フィルタ
４１ 第１のフィルタ
４２ 第２のフィルタ
４３ 第３のフィルタ

Claims (5)

1. ハウジングと、
   該ハウジング内に配置された管状分離膜と
   を有し、
   被処理流体が該ハウジング内に供給され、管状分離膜を透過した流体が取り出される分離膜モジュールにおいて、
   該分離膜モジュールに流入する被処理流体を濾過処理する第１のフィルタを備えた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、前記分離膜モジュールから流出する透過流体を濾過処理する第２のフィルタを備えたことを特徴とする分離膜モジュール。
3. 請求項１又は２において、複数の分離膜モジュールが直列に接続されており、各分離膜モジュールにそれぞれ前記第１のフィルタが設けられていることを特徴とする分離膜モジュール。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、前記分離膜モジュールから流出した非透過流体を濾過処理するための第３のフィルタを備えたことを特徴とする分離膜モジュール。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、前記管状分離膜はゼオライト膜であることを特徴とする分離膜モジュール。

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