JP2018161613A - 多管式分離膜モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】被処理流体の淀みが生じることがなく、分離効率が高い多管式分離膜モジュールを提供する。【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を支持する支持板５Ｌ，５Ｒと、該支持板５と平行に配置された複数枚のバッフル６とを有する。被処理流体は、第２開口１１、ディストリビュータ１０、及び第１開口８を介してハウジング２内に流入する。【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多管式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、円筒状ハウジング内に多数の管状分離膜をハウジングに長手方向に設置した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分離膜エレメントは、分離すべき物質の分子程度の大きさの微細孔を有するゼオライト等からなる多孔質の分離膜を管状に形成したものである。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。

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には、被処理流体をハウジング内で蛇行させるために、複数枚の欠円形バッフルを管状分離膜と直交状に設けることが記載されている。この特許文献１の多管式分離膜モジュールにおいては、被処理流体の流入部付近や非透過流体の流出部付近に流れの淀みが生じやすく、分離効率が低下する。

特開２０１３−３９５４６号公報

本発明は、被処理流体の流れに淀みが生じることが防止され、分離効率が高い多管式分離膜モジュールを提供することを目的とする。

本発明の多管式分離膜モジュールは、被処理流体の流入部及び非透過流体の流出部を有した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、該ハウジング内の端部側に配置され、該管状分離膜の一端側を支持する支持板と、該ハウジング内において被処理流体を蛇行させるためにハウジング長手方向に間隔をおいて配置された複数枚のバッフルとを有する多管式分離膜モジュールにおいて、前記流入部側において前記ハウジングの内周又は外周に沿って延在するディストリビュータと、該ハウジングに流体を該ディストリビュータから流入させる第１開口と、該ディストリビュータ内に流体を多管式分離膜モジュール外から流入させる第２開口とが設けられており、該第１開口と該第２開口とは、非対面位置に設けられていることを特徴とするものである。

本発明の一態様では、前記ディストリビュータは前記ハウジングの外周を取り巻いており、前記ハウジングに前記第１開口が設けられている。

発明の一態様では、前記バッフルは、円板の外周縁の一部を弦方向に切り欠いた欠円形状である。

本発明の多管式分離膜モジュールにあっては、流入部にディストリビュータが設けられており、該ハウジング内にディストリビュータから被処理流体を流入させる第1開口が設けられているので、ハウジング内の流入部側に被処理流体の淀みが生じることが防止される。これにより、多管式分離膜モジュールの分離効率が向上する。

実施の形態に係る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断面図である。 図１及び図５のII−II線断面図である。 バッフルの正面図である。 管状分離膜の長手方向の拡大断面図である。 別の実施の形態に係る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断面図である。 さらに別の実施の形態に係る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断面図である。 図６のＶII−ＶII線断面図である。 別のバッフルの正面図である。 さらに別のバッフルの正面図である。

図１〜４を参照して、本発明の一実施の形態に係る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、筒軸心方向を水平方向とした胴部２Ｍ、左鏡板部２Ｌ及び右鏡板部２Ｒを有する円筒状ハウジング２と、ハウジング２内にハウジング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内の左側及び右側にそれぞれ設けられた左支持板５Ｌ及び右支持板５Ｒと、支持板５Ｌ，５Ｒと平行にハウジング２内に配置された欠円形のバッフル（邪魔板）６と、胴部２Ｍの右端側に設けられた流出口７と、胴部２Ｍの左端側に設けられた第１開口８と、胴部２Ｍの左端近傍の外周を囲むディストリビュータ１０と、該ディストリビュータ１０に設けられた第２開口１１と、支持板５Ｌ，５Ｒ間の主室１２等を有する。

ディストリビュータ１０は、胴部２Ｍと同軸の円筒部１０ａと、該円筒部１０ａの左端及び右端から内向きに設けられた鍔部１０ｂ，１０ｃとを有している。この鍔部１０ｂ，１０ｃの内周縁が胴部２Ｍの外周面に溶接等により固着されている。円筒部１０ａに第２開口１１が設けられている。

第１開口８は、ディストリビュータ１０内と主室１２内とを連通するように設けられている。第１開口８のハウジング２の軸心に対する中心角θは、４０〜１６０°特に６０〜１２０°が好ましい。第１開口８と第２開口１１とは、非対面状に位置する。

バッフル６は、図３の通り、弦方向に延在した切欠縁部６ａを有した欠円形である。胴部２Ｍ内において、バッフル６は、右支持板５Ｒ側から胴部２Ｍの長手方向中間付近まで、切欠縁部６ａが左又は下側になるものと、右又は上側になるものとが交互に配設されている。また、バッフル６は、左支持板５Ｌ側から胴部２Ｍの長手方向中間付近まで、切欠縁部６ａが左又は下側になるものと、右又は上側になるものとが交互に配設されている。これにより、主室１２内には、第１開口８から流出口７にかけて、被処理流体が蛇行して流れるように流路がジグザグ状に形成されている。

左右の鏡板部２Ｌ，２Ｒにそれぞれ透過流体の流出口１３，１４が設けられている。鏡板部２Ｌ，２Ｒに設けられたフランジ１５，１６と、胴部２Ｍの左右両端に設けられたフランジ１７，１８との間に、左支持板５Ｌ及び右支持板５Ｒの外周縁部が挟持されている。

各バッフル６には、管状分離膜３を挿通させるための円形の挿通孔６ｂが設けられており、管状分離膜３が各挿通孔６ｂに挿通されている。挿通孔６ｂの口径は、管状分離膜３の直径（外径）よりも大きく、挿通孔６ｂの内周面と管状分離膜３の外周面との間に間隙があいている。

支持板５Ｌ，５Ｒには、管状分離膜３を支持するための開口（符号略）が支持板５Ｌ，５Ｒの厚み方向に貫設されている。

図４の通り、管状分離膜３の基端側にソケット３ａが連結されている。該ソケット３ａが支持板５Ｌ，５Ｒの該開口に差し込まれて固定されている。ソケット３ａの外周面と各開口の内周面との間は気密にシールされている。各管状分離膜３の先端側は、エンドプラグ３ｂによって閉塞されている。ソケット３ａ及びエンドプラグ３ｂはそれぞれ熱収縮チューブ３ｅ，３ｆによって管状分離膜３に固定されている。

基端側が左支持板５Ｌに固定された左側の管状分離膜３の先端部は、胴部２Ｍの長手方向中間近傍まで延在している。基端側が右支持板５Ｍに固定された右側の管状分離膜３の先端部は、胴部２Ｍの長手方向中間近傍まで延在している。

左支持板５Ｌに固定された左側の管状分離膜３内は、左鏡板部２Ｌと左支持板５Ｌとで囲まれた左流出室１９Ｌ内に連通している。右支持板５Ｒに固定された右側の管状分離膜３内は、右鏡板部２Ｒと右支持板５Ｒとで囲まれた右流出室１９Ｒ内に連通している。

図示は省略するが、左右の支持板５Ｌ，５Ｒから複数のロッドが胴部２Ｍの軸心線方向と平行方向に立設されている。各ロッドは胴部２Ｍの中間付近まで延在している。このロッドにバッフル６が支持されている。ロッドの基端は支持板５Ｌ，５Ｒに対しナットなどによって固着されている。バッフル６はロッドに対しピンなどの係止部材（図示略）によって所定位置に支持されている。

バッフル６の円弧形の外周縁６ｃは胴部２Ｍの内周面に当接している。支持板５Ｌ，５Ｒ及びバッフル６の材料としては、フッ素樹脂などの合成樹脂や、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ゼオライト膜とを有する。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。

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の長さは好ましくは２０ｃｍ以上、好ましくは２００ｃｍ以下である。これよりも短い場合には熱収縮フィルム３ｅ，３ｆで被覆される箇所の割合が高くなるため、膜の分離に使用できる露出部の割合が低下し、これ以上長い場合には取扱いが難しくなることがある。

本発明の多管式分離膜モジュールにおいて、バッフル６，６間の距離は通常５０〜５００ｃｍ程度である。また、管状分離膜３は通常１枚の支持板につき１０〜２０００（２枚の支持板ではその２倍）配置される。管状分離膜３は、管状分離膜３同士の最短距離が２〜１０ｍｍ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、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。

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、被処理流体は第２開口１１、ディストリビュータ１０及び第１開口８を経由して主室１２内に導入され、各バッフル６に案内されてジグザグ状に蛇行して流れ、流出口７から多管式分離膜モジュール１外に流出する。

主室１２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から流出室１９Ｌ，１９Ｒに流入し、流出口１３，１４を介して取り出される。

上記実施の形態では、ハウジング２の外周囲にディストリビュータ１０を設置し、胴部２Ｍに第１開口８を設けているが、本発明では、胴部２Ｍの内周面に沿ってディストリビュータを設け、該ディストリビュータに第１開口を設け、胴部２Ｍに第２開口を設けてもよい。

上記実施の形態では、流入側にのみディストリビュータ１０が設けられているが、流出口にもディストリビュータが設けられてもよい。図５は、かかる実施の形態に係る多管式分離膜モジュール１Ａを示すものであり、流出側にディストリビュータ１０Ａが設けられている。ディストリビュータ１０Ａに流出口７が設けられている。ディストリビュータ１０Ａのその他の構成は、ディストリビュータ１０と同様である。胴部２Ａには、前記第１開口８と同様の開口が設けられている。多管式分離膜モジュール１Ａのその他の構成は、多管式分離膜モジュール１と同じであり、同一符号は同一部分を示している。

図６〜９を参照してさらに別の実施の形態を説明する。上記各実施の形態では、半円よりも大きいバッフル６Ａ，６Ｂをハウジング軸線方向に交互に設けているが、図６〜９では、半円よりも小さい円弧板形状の１対のバッフル６Ｃ，６Ｃと、略長方形であるが、１対の短辺は円弧形となっているバッフル６Ｄとをハウジング軸線方向に交互に設けている。また、図７の通り、２個の第１開口８をハウジング直径方向に対峙させて設けている。開口８，８を結ぶ方向は、バッフル６Ｃの弦方向及びバッフル６Ｄの長辺方向とそれぞれ直交方向となっている。

本発明の多管式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、液体の混合物に使用することが好ましい。

分離または濃縮の対象となる混合物が、例えば、有機化合物と水との混合物（以下これを、「含水有機化合物」と略称することがある。）の場合、ゼオライト膜に対する水の透過性が高い。従って、混合物から水を分離し、有機化合物を元の混合物中で濃縮する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。

本発明は、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液体の混合物である場合に好適である。液体の混合物としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール等の有機性液体や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。これらの液体成分からなる混合物のうち、パーミエンスの高い成分は、分離膜を透過し分離され、パーミエンスの低い成分は供給側に濃縮される。

本発明の多管式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、供給流体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。

１，１Ａ，１Ｂ 多管式分離膜モジュール
２ ハウジング
３ 管状分離膜
５Ｌ，５Ｒ 支持板
６，６Ａ〜６Ｄ バッフル
６ａ 切欠縁部
７ 流出口
８ 第１開口
１０、１０Ａ ディストリビュータ
１１ 第２開口

Claims (3)

1. 被処理流体の流入部及び非透過流体の流出部を有した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、
   該ハウジング内の端部側に配置され、該管状分離膜の一端側を支持する支持板と、
   該ハウジング内において被処理流体を蛇行させるためにハウジング長手方向に間隔をおいて配置された複数枚のバッフルと
   を有する多管式分離膜モジュールにおいて、
   前記流入部側において前記ハウジングの内周又は外周に沿って延在するディストリビュータと、
   該ハウジングに流体を該ディストリビュータから流入させる第１開口と、
   該ディストリビュータ内に流体を多管式分離膜モジュール外から流入させる第２開口と
   が設けられており、
   該第１開口と該第２開口とは、非対面位置に設けられていることを特徴とする多管式分離膜モジュール。
2. 請求項１において、前記ディストリビュータは前記ハウジングの外周を取り巻いており、前記ハウジングに前記第１開口が設けられていることを特徴とする多管式分離膜モジュール。
3. 請求項２において、前記バッフルは、円板の外周縁の一部を弦方向に切り欠いた欠円形状であることを特徴とする多管式分離膜モジュール。

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