JP2019098212A - 分離膜モジュール及び多管式分離膜モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】混合流体から一部の成分を効率的に分離できる分離膜モジュール及び多管式分離膜モジュールの提供。【解決手段】外管３１と管状分離膜エレメント３３とを含む管ユニット２９と、供給ユニットと、排出ユニットとを備え、供給ユニットは外管３１と管状分離膜エレメント３３との間隙に混合流体を供給し、間隙において混合流体を第１方向に流し、排出ユニットは混合流体から管状分離膜エレメント３３により分離され管状分離膜エレメント３３の内部に移動した透過流体を排出し、管状分離膜エレメント３３の内部において透過流体を第１方向とは反対の第２方向に流す分離膜モジュール。【選択図】図１

Description

本開示は分離膜モジュール及び多管式分離膜モジュールに関する。

従来、外管と、その外管内に設けられた管状分離膜エレメントと、を含む管ユニットを複数備える多管式分離膜モジュールが知られている。外管は開口部を有している。その開口部から、外管と管状分離膜エレメントとの間隙に混合流体を導入することができる。混合流体に含まれる一部の成分は、管状分離膜エレメントにより分離され、管状分離膜エレメントの内部に移動する。管状分離膜エレメントの一端に設けられた開口部から、分離した成分を取り出すことができる（特許文献１参照）。

特許第３７６０４１５号公報

特許文献１記載の技術では、少なくとも一部の管ユニットにおいて、混合流体が間隙を流れる方向と、分離された成分が管状分離膜エレメントの内部を流れる方向とが同じであった。そのため、混合流体から一部の成分を効率的に分離することが困難であった。本開示の一局面は、混合流体から一部の成分を効率的に分離できる分離膜モジュール及び多管式分離膜モジュールを提供することを目的とする。

本開示の一局面は、外管と、前記外管内に設けられた管状分離膜エレメントと、を含む管ユニットを備える分離膜モジュールであって、前記外管と前記管状分離膜エレメントとの間隙に混合流体を供給する供給ユニットと、前記混合流体から前記管状分離膜エレメントにより分離され、前記管状分離膜エレメントの内部に移動した透過流体を排出する排出ユニットと、を備え、前記供給ユニットは、前記間隙において、前記混合流体を、前記管状分離膜エレメントの軸方向である第１方向に流すように構成され、前記排出ユニットは、前記管状分離膜エレメントの内部において、前記透過流体を、前記第１方向とは反対の第２方向に流すように構成された分離膜モジュールである。

本開示の一局面である分離膜モジュールは、間隙において、混合流体を、第１方向に流す。混合流体に含まれ、管状分離膜エレメントにより分離される成分（以下では分離成分とする）は、混合流体が第１方向に流れるにつれて、管状分離膜エレメントによって徐々に分離され、管状分離膜エレメントの内部に移動する。そのため、間隙を流れる混合流体に含まれる分離成分の濃度は、第２方向にゆくほど高い。混合流体に含まれる分離成分の濃度が高いほど、分離成分は管状分離膜エレメントによって分離され易く、管状分離膜エレメントの内部に移動し易い。よって、混合流体に含まれる分離成分は、主として、第２方向の側において分離され、管状分離膜エレメントの内部に移動する。

本開示の一局面である分離膜モジュールは、管状分離膜エレメントの内部において、透過流体を、第２方向に流す。分離成分は、上述したように、主として、第２方向の側において、混合流体から分離され、管状分離膜エレメントの内部に移動するから、混合流体から分離された分離成分は、透過流体の下流側において、透過流体に加わる。その結果、混合流体から分離成分を効率的に分離することができる。

本開示の別の局面は、外管及び前記外管内に設けられた管状分離膜エレメントを含む管ユニットと、前記管ユニットを複数収容する容器と、を備える多管式分離膜モジュールであって、前記管ユニットは、前記外管と前記管状分離膜エレメントとの間に間隙を有し、前記外管は、前記外管の軸方向である第１方向の側に外管出口を有するとともに、前記第１方向とは反対の第２方向の側に外管入口を有し、前記管状分離膜エレメントは、前記第１方向の側が封止されるともに、前記第２方向の側にエレメント出口を有し、前記容器は、前記容器の内部を、混合流体を前記容器の内部に導入する容器入口を有する第１区画と、前記混合流体から前記管状分離膜エレメントにより分離され、前記管状分離膜エレメントの内部に移動した透過流体を前記容器の外部に排出する容器第１出口を有する第２区画と、前記混合流体から前記透過流体を除いた残余の流体を前記容器の内部から排出する容器第２出口を有する第３区画と、に区画する隔壁を有し、前記間隙は、前記外管入口において前記第１区画と連通するとともに、前記外管出口において前記第３区画と連通し、前記管状分離膜エレメントの内部は、前記エレメント出口において前記第２区画と連通する多管式分離膜モジュールである。

本開示の別の局面である多管式分離膜モジュールは、本開示の一局面である多管式分離膜モジュールと同様の効果を奏する。
さらに、本開示の別の局面である多管式分離膜モジュールは、容器を備える。容器の内部は、第１区画と、第２区画と、第３区画とに区画されている。

第１区画は、容器入口を有する。容器入口は、混合流体を容器の内部に導入する。第２区画は、容器第１出口を有する。容器第１出口は、混合流体から管状分離膜エレメントにより分離され、管状分離膜エレメントの内部に移動した透過流体を容器の外部に排出する。第３区画は、容器第２出口を有する。容器第２出口は、混合流体から透過流体を除いた残余の流体を容器の内部から排出する。
外管と管状分離膜エレメントとの間隙は、外管入口において第１区画と連通する。また、外管と管状分離膜エレメントとの間隙は、外管出口において第３区画と連通する。管状分離膜エレメントの内部は、エレメント出口において第２区画と連通する。

容器入口から混合流体を第１区画に導入すれば、混合流体は、外管入口から間隙に入り、間隙内を第１方向に流れる。また、容器第１出口から透過流体を排出すれば、透過流体は、管状分離膜エレメントの内部を第２方向に流れる。

よって、本開示の別の局面である多管式分離膜モジュールは、間隙において混合流体が流れる方向と、管状分離膜エレメントの内部において透過流体が流れる方向とを簡易な構成で制御できる。

多管式分離膜モジュール１の構成を表す側面図である。 管ユニット２９の構成を表す側断面図である。 図１におけるIII-III断面での断面図である。

本開示の例示的な実施形態を説明する。
１．多管式分離膜モジュール１の構成
多管式分離膜モジュール１の構成を図１〜図３に基づき説明する。多管式分離膜モジュール１は分離膜モジュールに対応する。図１に示すように、多管式分離膜モジュール１は、容器３を備える。容器３は、シェル５と、第１支持板７と、第２支持板９と、第１カバー１１と、第２カバー１３と、を備える。第１支持板７及び第２支持板９は隔壁に対応す
る。

シェル５は、両端に開口部を有する中空円筒状の部材である。第１支持板７は円板状の部材である。第１支持板７は、シェル５における第２方向Ｄ２側の開口部を塞いでいる。第２方向Ｄ２は、図１、図２に示すように、シェル５の軸方向に平行な方向である。第１支持板７は、孔１５を複数備えている。孔１５は第１支持板７を厚み方向に貫通する。孔１５は、後述する管状部材４３を差し込むための孔である。

第２支持板９は円板状の部材である。第２支持板９は、シェル５における第１方向Ｄ１側の開口部を塞いでいる。第１方向Ｄ１は、第２方向Ｄ２の反対方向である。第２支持板９は、孔１７を複数備えている。孔１７は第２支持板９を厚み方向に貫通する。孔１７は、後述する外管３１を差し込むための孔である。

容器３の内部のうち、シェル５と、第１支持板７と、第２支持板９とにより囲まれた区画を以下では第１区画１９とする。第１区画１９は、後述する外管入口３５及び容器入口６を除き、閉じられた空間である。

シェル５は容器入口６を備える。容器入口６は第１区画１９と外部とを連通する。容器入口６は、混合流体を容器３の内部に導入する。本実施形態において、容器入口６は、シェル５のうち、第２方向Ｄ２の側に設けられている。容器入口６は、シェル５のうち、第１方向Ｄ１の側に設けられていてもよい。
第１カバー１１は、第１支持板７に対し、シェル５とは反対側から接合している。第１カバー１１は、一方に開放端を有する容器状の部材である。第１カバー１１は、その開放端を第１支持板７に接合している。容器３の内部のうち、第１支持板７と、第１カバー１１とにより囲まれた区画を以下では第２区画２１とする。第２区画２１は、後述する貫通孔４９及び容器第１出口２３を除き、閉じられた空間である。

第１カバー１１は、容器第１出口２３を備える。容器第１出口２３は、第２区画２１と外部とを連通する。容器第１出口２３は、後述する透過流体を容器３の外部に排出する。容器第１出口２３は、第１カバー１１のうち、第２方向Ｄ２の側に設けられている。
第２カバー１３は、第２支持板９に対し、シェル５とは反対側から接合している。第２カバー１３は、一方に開放端を有する容器状の部材である。第２カバー１３は、その開放端を第２支持板９に接合している。容器３の内部のうち、第２支持板９と、第２カバー１３とにより囲まれた区画を以下では第３区画２５とする。第３区画２５は、後述する外管出口３９及び容器第２出口２７を除き、閉じられた空間である。

第２カバー１３は、容器第２出口２７を備える。容器第２出口２７は、第３区画２５と外部とを連通する。容器第２出口２７は、混合流体から透過流体を除いた残余の流体を容器３の内部から排出する。容器第２出口２７は、第２カバー１３のうち、第１方向Ｄ１の側に設けられている。
図１に示すように、多管式分離膜モジュール１は、複数の管ユニット２９を備えている。複数の管ユニット２９は、それぞれ、容器３に収容されている。複数の管ユニット２９は、それぞれ、第１支持板７及び第２支持板９により支持されている。すなわち、管ユニット２９における第２方向Ｄ２側の端部は第１支持板７により支持され、管ユニット２９における第１方向Ｄ１側の端部は第２支持板９により支持されている。管ユニット２９の軸方向は、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２に平行である。

全ての管ユニット２９は、後述する外管入口３５の向きを除き、同一の構成を有する。図２に示すように、管ユニット２９は、外管３１と、管状分離膜エレメント３３と、を備える。外管３１は、中空円筒状の部材である。外管３１の軸方向は、第１方向Ｄ１及び第
２方向Ｄ２に平行である。

外管３１のうち、第１方向Ｄ１側の一部３１Ａは、孔１７を通り、第３区画２５内に突出している。外管３１のうち、一部３１Ａ以外の部分は、第１区画１９内にある。孔１７の内周面と、外管３１の外周面とは隙間無く接合している。

外管３１における第２方向Ｄ２側の端部３７は、第１支持板７に隙間無く接合している。外管３１は、外管入口３５を備える。外管入口３５は、外管３１の内部と外部とを連通する。外管入口３５は、第１区画１９に含まれる。外管入口３５は、外管３１の側面であって、端部３７付近に設けられている。

外管３１は外管出口３９を備える。外管出口３９は、外管３１の内部と外部とを連通する。外管出口３９は、外管３１における第１方向Ｄ１側の端部に設けられ、第３区画２５に含まれる。
管状分離膜エレメント３３は、本体部４１と、管状部材４３と、封止栓４５と、を備える。封止栓４５は封止部に対応する。本体部４１は中空円筒状の部材である。本体部４１は、アルミナを主成分とする多孔質チューブの外周面に分離膜を形成したものである。分離膜として、例えば、ゼオライト膜、カーボン膜等が挙げられる。

管状部材４３は、本体部４１における第２方向Ｄ２側の端部に嵌合している。管状部材４３は貫通孔４９を備える。貫通孔４９は、管状分離膜エレメント３３の内部と外部とを連通している。貫通孔４９はエレメント出口に対応する。管状分離膜エレメント３３の内部は、貫通孔４９において第２区画２１と連通する。

封止栓４５は、本体部４１における第１方向Ｄ１側の端部に嵌合している。封止栓４５は、本体部４１における第１方向Ｄ１側の端部を封止する。
管状分離膜エレメント３３は、外管３１内に設けられている。管状分離膜エレメント３３の軸方向は、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２に平行である。管状分離膜エレメント３３の外径は、外管３１の内径より小さい。管状分離膜エレメント３３の中心軸と、外管３１の中心軸とは一致する。管状分離膜エレメント３３と外管３１との間には間隙４７が存在する。間隙４７は、管状分離膜エレメント３３の外部であり、且つ外管３１の内部である空間である。間隙４７は、外管入口３５において第１区画１９と連通する。間隙４７は、外管出口３９において第３区画２５と連通する。

管状部材４３のうち、第２方向Ｄ２側の一部は、孔１５を通り、第２区画２１内に突出している。貫通孔４９は、管状分離膜エレメント３３の内部と、第２区画２１とを連通する。管状部材４３の外周面と、孔１５の内周面とは、隙間無く接合している。管状分離膜エレメント３３におけるその他の部分は第１区画１９内にある。

なお、容器入口６、第１区画１９、及び外管入口３５は供給ユニットに対応する。貫通孔４９、第２区画２１、及び容器第１出口２３は排出ユニットに対応する。
図３に示すように、複数の管ユニット２９には、第２方向Ｄ２から見たとき、第１支持板７の中央に位置する１つの管ユニット２９Ａと、それを取り囲むように配置された複数の管ユニット２９Ｂとが含まれる。第２方向Ｄ２から見たとき、管ユニット２９Ａにおける外管入口３５は、容器入口６とは反対側に設けられている。第２方向Ｄ２から見たとき、管ユニット２９Ｂにおける外管入口３５は、管ユニット２９Ａと対向する側に設けられている。

２．多管式分離膜モジュール１が実行する処理
容器入口６から混合流体を第１区画１９内に導入する。例えば、混合流体を加圧するこ
とで、容器入口６から混合流体を第１区画１９内に導入することができる。

混合流体は、第１区画１９内を図１及び図２に示す矢印Ｆ１の方向に流れ、外管入口３５に至る。さらに、混合流体は、外管入口３５から間隙４７に入り、図１及び図２に示す矢印Ｆ２の方向に流れる。矢印Ｆ２の方向は、第１方向Ｄ１と同じである。

このとき、混合流体に含まれる一部の成分（以下では分離成分とする）は、管状分離膜エレメント３３により分離され、管状分離膜エレメント３３の内部に移動する。分離成分から成る流体（以下では透過流体とする）は、管状分離膜エレメント３３の内部を矢印Ｆ３の方向に流れ、貫通孔４９から第２区画２１に入る。さらに、透過流体は、第２区画２１内を矢印Ｆ４の方向に流れ、容器第１出口２３から排出される。矢印Ｆ３の方向は、第２方向Ｄ２と同じである。分離膜エレメント３３の内部において、封止栓４５の側の圧力を、貫通孔４９の側の圧力よりも相対的に高くすることで、透過流体を矢印Ｆ３の方向に流すことができる。例えば、貫通孔４９の側を減圧することで、透過流体を矢印Ｆ３の方向に流すことができる。

混合流体から分離成分を除いた残余の流体は、間隙４７内を矢印Ｆ２の方向に流れ、外管出口３９から第３区画２５に入る。さらに、残余の流体は、第３区画２５内を矢印Ｆ５の方向に流れ、容器第２出口２７から排出される。外管入口３５の側の圧力を、外管出口３９の側の圧力よりも相対的に高くすることで、透過流体を矢印Ｆ２の方向に流すことができる。例えば、外管入口３５の側を加圧することで、残余の流体を矢印Ｆ２の方向に流すことができる。

３．多管式分離膜モジュール１が奏する効果
（１Ａ）多管式分離膜モジュール１は、間隙４７において、混合流体を、第１方向Ｄ１に流す。混合流体に含まれる分離成分は、混合流体が第１方向Ｄ１に流れるにつれて、管状分離膜エレメント３３によって徐々に分離され、管状分離膜エレメント３３の内部に移動する。そのため、間隙４７を流れる混合流体に含まれる分離成分の濃度は、第２方向Ｄ２にゆくほど高い。混合流体に含まれる分離成分の濃度が高いほど、分離成分は管状分離膜エレメント３３によって分離され易く、管状分離膜エレメント３３の内部に移動し易い。よって、混合流体に含まれる分離成分は、主として、第２方向Ｄ２の側において分離され、管状分離膜エレメント３３の内部に移動する。

多管式分離膜モジュール１は、管状分離膜エレメント３３の内部において、透過流体を、第２方向Ｄ２に流す。分離成分は、上述したように、主として、第２方向Ｄ２の側において、混合流体から分離され、管状分離膜エレメント３３の内部に移動するから、分離成分は、透過流体の下流側において、透過流体に加わる。その結果、混合流体から分離成分を効率的に分離することができる。

（１Ｂ）外管３１は、第２方向Ｄ２の側に外管入口３５を備えるとともに、第１方向Ｄ１の側に外管出口３９を備える。また、管状分離膜エレメント３３は、第１方向Ｄ１の側の端部が封止されているとともに、第２方向Ｄ２の側の端部に貫通孔４９を備える。

そのため、外管入口３５から間隙４７に混合流体を供給し、貫通孔４９から透過流体を排出すれば、間隙４７において、混合流体を第１方向Ｄ１に流すことができ、管状分離膜エレメント３３の内部において、透過流体を第２方向Ｄ２に流すことができる。

（１Ｃ）多管式分離膜モジュール１は、容器３を備える。容器３の内部は、第１区画１９と、第２区画２１と、第３区画２５とに区画されている。第１区画１９は、容器入口６を有する。容器入口６は、混合流体を容器３の内部に導入する。第２区画２１は、容器第
１出口２３を有する。容器第１出口２３は、混合流体から管状分離膜エレメント３３により分離され、管状分離膜エレメント３３の内部に移動した透過流体を容器３の外部に排出する。第３区画２５は、容器第２出口２７を有する。容器第２出口２７は、混合流体から透過流体を除いた残余の流体を容器３の内部から排出する。

間隙４７は、外管入口３５において第１区画１９と連通する。また、間隙４７は、外管出口３９において第３区画２５と連通する。管状分離膜エレメント３３の内部は、貫通孔４９において第２区画２１と連通する。

容器入口６から混合流体を第１区画１９に導入すれば、混合流体は、外管入口３５から間隙４７に入り、間隙４７内を第１方向Ｄ１に流れる。また、容器第１出口２３から透過流体を排出すれば、透過流体は、管状分離膜エレメント３３の内部を第２方向Ｄ２に流れる。

よって、多管式分離膜モジュール１は、間隙４７において混合流体が流れる方向と、管状分離膜エレメント３３の内部において透過流体が流れる方向とを簡易な構成で制御できる。
（１Ｄ）図３に示すように、第２方向Ｄ２から見たとき、管ユニット２９Ａにおける外管入口３５は、容器入口６とは反対側に設けられている。また、第２方向Ｄ２から見たとき、管ユニット２９Ｂにおける外管入口３５は、管ユニット２９Ａと対向する側に設けられている。そのことにより、容器入口６から容器３内に導入した混合流体が、一部の管ユニット２９に偏って導入されることを抑制できる。

４．他の実施形態
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（１）本開示は、多管式分離膜モジュール１ではなく、管ユニットを１本のみ備える分離モジュールであってもよい。
（２）容器３は一体型の容器であってもよい。その場合、例えば、容器３の内部の隔壁により、容器３の内部を区画することができる。
（３）間隙４７のうち、第２方向Ｄ２の側の端部は、第１支持板７以外の部材によって封止されてもよい。例えば、間隙４７のうち、第２方向Ｄ２の側の端部を、嵌合部材によって封止してもよい。
（４）上記各実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

（５）上述した多管式分離膜モジュールの他、当該多管式分離膜モジュールを構成要素とするシステム、多管式分離膜モジュールの製造方法、混合流体から一部の成分を分離する分離方法等、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１…多管式分離膜モジュール、３…容器、５…シェル、６…容器入口、７…第１支持板、９…第２支持板、１１…第１カバー、１３…第２カバー、１５…孔、１７…孔、１９…第１区画、２１…第２区画、２３…容器第１出口、２５…第３区画、２７…容器第２出口、２９…管ユニット、３１…外管、３３…管状分離膜エレメント、３５…外管入口、３７…
端部、３９…外管出口、４１…本体部、４３…管状部材、４５…封止栓、４７…間隙、４９…貫通孔

Claims (3)

1. 外管と、前記外管内に設けられた管状分離膜エレメントと、を含む管ユニットを備える分離膜モジュールであって、
   前記外管と前記管状分離膜エレメントとの間隙に混合流体を供給する供給ユニットと、
   前記混合流体から前記管状分離膜エレメントにより分離され、前記管状分離膜エレメントの内部に移動した透過流体を排出する排出ユニットと、
   を備え、
   前記供給ユニットは、前記間隙において、前記混合流体を、前記管状分離膜エレメントの軸方向である第１方向に流すように構成され、
   前記排出ユニットは、前記管状分離膜エレメントの内部において、前記透過流体を、前記第１方向とは反対の第２方向に流すように構成された分離膜モジュール。
2. 請求項１に記載の分離膜モジュールであって、
   前記外管は、前記第２方向の側に外管入口を備えるとともに、前記第１方向の側に外管出口を備え、
   前記管状分離膜エレメントは、前記第１方向の側の端部が封止されているとともに、前記第２方向の側の端部にエレメント出口を備え、
   前記供給ユニットは、前記外管入口から前記間隙に前記混合流体を供給し、
   前記排出ユニットは、前記エレメント出口から前記透過流体を排出する分離膜モジュール。
3. 外管及び前記外管内に設けられた管状分離膜エレメントを含む管ユニットと、前記管ユニットを複数収容する容器と、を備える多管式分離膜モジュールであって、
   前記管ユニットは、前記外管と前記管状分離膜エレメントとの間に間隙を有し、
   前記外管は、前記外管の軸方向である第１方向の側に外管出口を有するとともに、前記第１方向とは反対の第２方向の側に外管入口を有し、
   前記管状分離膜エレメントは、前記第１方向の側が封止されるともに、前記第２方向の側にエレメント出口を有し、
   前記容器は、前記容器の内部を、混合流体を前記容器の内部に導入する容器入口を有する第１区画と、前記混合流体から前記管状分離膜エレメントにより分離され、前記管状分離膜エレメントの内部に移動した透過流体を前記容器の外部に排出する容器第１出口を有する第２区画と、前記混合流体から前記透過流体を除いた残余の流体を前記容器の内部から排出する容器第２出口を有する第３区画と、に区画する隔壁を有し、
   前記間隙は、前記外管入口において前記第１区画と連通するとともに、前記外管出口において前記第３区画と連通し、
   前記管状分離膜エレメントの内部は、前記エレメント出口において前記第２区画と連通する多管式分離膜モジュール。

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