JP2019198809A - 分離膜モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】分離膜モジュールに設置された分離膜エレメントを効率的に利用することができる高性能な分離膜モジュールの提供。【解決手段】本発明の分離膜モジュールは、流体中の複数成分のうち少なくとも一つの成分を透過分離する複数の分離膜エレメント１１と、複数の分離膜エレメント１１を収納する筐体１２と、筐体１２に接続され分離対象となる流体を筐体１２内部に導入する導入部１３と、導入部１３と複数の分離膜エレメント１１との間に設置され、導入部１３から導入された流体を筐体１２全体に拡散する流体拡散部１４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、分離膜モジュールの構造に係る。特に、モジュール内部にバッフル板を備え、このバッフル板で成分分離能を有する分離膜単管を複数本束ねたものに関する。

ゼオライトは分子程度の大きさの細孔を有する結晶性アルミノケイ酸塩であり、ゼオライトからなる膜は分子のサイズや形状の違いにより選択的に分子を通過させる性質を有するので、分子ふるいとして広く利用されている。水と有機溶媒系混合液の分離にゼオライト膜を使用するとエネルギー効率のよいことが知られている。

このような、ゼオライト膜は単体としての機械的強度を有さないため、多孔質セラミック管の外側に成膜されることで管式の分離膜エレメントとして形成される。そして、これら分離膜エレメントを使用するにあたっては、分離膜エレメントを多数本束ね、これらを筐体内に収容した分離膜モジュールが構成される。

分離膜モジュールの構成例を図７に示す（例えば特許文献１参照）。
分離膜モジュール１００において、分離対象流体は、導入部１０３から筐体１０２に導入し、バッフル１０７と分離膜エレメント１０１との間隙を通過しながら分離対称成分を１０１で分離しながら流通し、第１の排出部１０５から排出される。このとき、分離膜エレメント１０１の内側は、分離膜エレメント１０１の外側よりも分離対称成分の分圧差が低圧となるように構成され、一般的には第２の排出部１０６に接続された真空ポンプで減圧されている。

分離膜モジュールの設計においては、単体の分離膜エレメントの性能と、分離膜モジュールに設置される分離膜エレメントの本数とに基づいて、分離対象物の分離性能を設計するようになっている。

特開２０１０−２４７１０７号公報

しかしながら、実際に製作された分離膜モジュールの分離性能は、その設計値との間に大きな乖離がある。すなわち、複数本の分離膜エレメントを備えた分離膜モジュールにおいては、単体の分離膜エレメンの本数倍の分離性能が実現されることが期待されるが、実際には設計値よりも低い。

本発明の発明者らがこのような分離膜モジュールの分離性能の設計値と実効値との乖離について実験的に検討した結果、分離膜モジュールの筐体外周部に設置された分離膜エレメントにおいては成分分離が殆ど行われていないことが判明した。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、分離膜モジュールに設置された分離膜エレメントを効率的に利用することができる高性能な分離膜モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の分離膜モジュールは、流体中の複数成分のうち少なくとも一つの成分を透過分離する複数の分離膜エレメントと、前記複数の分離膜エレメントを収納する筐体と、前記筐体に接続され分離対象となる流体を前記筐体内部に導入する導入部と、前記導入部と前記複数の分離膜エレメントとの間に設置され、前記導入部から導入された流体を前記筐体全体に拡散する流体拡散部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の分離膜モジュールは、前記複数の分離膜モジュールのそれぞれは円筒形状であり、前記筐体は円筒形状であり、前記複数の分離膜モジュールの長手方向と前記筐体の長手方向とは略平行であり、前記流体拡散部は、前記流体を前記筐体の外周部方向に拡散することを特徴とする。

また、本発明の分離膜モジュールは、前記流体拡散部が貫通孔を備えた板状の部材からなる拡散板を有していることを特徴とする。
また、本発明の分離膜モジュールは、複数の前記拡散板を有することを特徴とする。

また、本発明の分離膜モジュールは、複数の前記拡散板のうち、前記導入部に近い位置に配置された拡散板の貫通孔を含む面積が、他の拡散板の貫通孔を含む面積よりも小さいことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、分離膜モジュールに設置された分離膜エレメントを効率的に利用することができる高性能な分離膜モジュールを提供することすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、図面の説明においては、同一または同等の要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。

(実施の形態)
図１は、本発明の実施の形態による分離膜モジュール１の断面図である。
分離膜モジュール１は、複数の分離膜エレメント１１と、分離膜エレメント１１を収納する筐体１２と、筐体１２に流体を導入する導入部１３と、導入部から導入された流体を筐体全体に拡散する流体拡散部１４と、分離膜エレメント１１によって処理された流体を排出する第１の排出部１５と、分離膜エレメント１１を透過した成分を排出する第２の排出部１６と、分離膜エレメント１１の長手方向と垂直に設置された複数のバッフル板１７と、を備えている。

分離膜エレメント１１は、例えばアルミナの多孔質で構成された支持管（円筒形状）の表面に例えばゼオライトのような分子篩性能を有する物質が膜状に形成されて構成されたものである。分離膜エレメント１１の導入部１３側の端部は封止端であり、第２の排出部１６側の端部は第２の排出部１６と接続された開放端である。

分離膜エレメント１１を用いて分離操作を行う場合、分離膜エレメント１１の内側は、分離膜エレメント１１の外側よりも分離対称成分の分圧差が低圧となるように構成される。一般的には第２の排出部１６を介して真空ポンプなどに接続されている。

分離対象物が分離膜エレメント１１表面に導入されると、分離対称成分が分離膜エレメント１１表面から内側に透過し、分離対象物中の分離対称成分の濃度が低下する。
例えば、分離膜の膜状物質がＡ型ゼオライト、分離対象物が水とエタノールとの混合物である場合には、分離対称成分は水となり、エタノールと水との混合物中の水の濃度を低下させる操作となる。

筐体１２は、分離膜エレメント１１を収納する筒型形状、より一般的には、円筒形状の容器であり、分離膜エレメント１１は筐体１２の長手方向と分離膜エレメント１１の長手方向とが略平行になるように筐体１２内に設置される。なお、筐体１２は、ＳＵＳ３０４のような金属で構成されてもよいし、強度が得られるのであればテフロン（登録商標）のような樹脂で構成されてもよい。

筐体１２の一端部には、分離対象物となる流体を導入する導入部１３が設置されている。また、筐体１２の他端部は、分離膜エレメント１１を設置するための貫通孔を備えている。分離膜エレメント１１が設置された貫通孔の空隙は、分離膜エレメント１１を介さずに筐体１２と第２の排出部１６との間で流体が流通しないように密閉されている。

また、筐体１２の側面には、処理済みの分離対象物を排出する第１の排出部１５が設置される。なお、第１の排出部１５は出来るだけ導入部１３から遠い位置に設置されることが好ましい。

流体拡散部１４は、複数の分離膜エレメント１１と導入部１３との間に導入部１３から導入された流体を筐体１２全体、すなわち、筐体１２の中心部から筐体１２の長手方向の垂直断面の外周方向に拡散するようになっている。流体拡散部１４によって拡散された流体は、分離膜エレメント１１のそれぞれの表面に対して一定以上の流速をもって供給され、分離膜エレメント１１の表面に沿って流れ第１の排出部１５に到達する。

通常、分離対象流体が導入部１３から筐体１２に流入する際、流体はある一定の速度と圧力とをもって流入してくるが、例えば図１のように、導入部１３が筐体１２の中心部に設置されている場合、流体拡散部１４が無いと流体は筐体１２の中心部分を支配的に流れ、第１の排出部１５から流出する。
このため、筐体１２の外周部では流体が充満された状態となっていながら、新たに導入部１３から流入した流体が流通し難い状態、すなわち流体が滞留した状態となっている。

新たに流入してきた流体と接する筐体１２中心部に設置された分離膜エレメント１１は、分離対象流体内に含まれる分離対称成分の濃度が高いために、その分離能力を充分に発揮することができる。
一方、筐体１２の外周部に設置された分離膜エレメント１１は、外周部に滞留した流体は分離対象成分の多くが分離膜エレメント１１により分離されたことにより分離対称成分の濃度が分離能力の限界に近い程度に低い状態となっているため、その分離能力を発揮することができない。
なお、この現象は、後述する実施例、比較例１および比較例２の結果から推測されたものである。

流体拡散部１４の構成としては、導入部１３から導入された流体が筐体１２の中心部から筐体１２の長手方向の垂直断面の外周方向に拡散するような構成であればいかなる態様をもとりうる。

図２は、流体拡散部１４の一構成例を示す図である。流体拡散部１４は、第１の流体拡散板２１と第２の流体拡散板２２で構成され、図２ａに示すように分離膜エレメント１１と導入部１３との間に設置されている。なお、第１の拡散板２１および第２の拡散板２２は金属板で構成されてもよいし、樹脂板で構成されてもよい。

第１の拡散板２１、第２の拡散板２２には複数の貫通孔２３、２４がそれぞれ設けられており、例えば、第１の拡散板２１と第２の拡散板２２とをそれぞれの中心が一致するように重ね合わせた際にそれぞれの貫通孔の位置が中心付近で一致しないようになっている（図２b、図２c参照）。

この構成によれば、導入部１３から導入された流体の一部は第１の拡散板２１の表面に衝突した後に乱流を形成し、筐体の外周部方向に拡散されながら貫通孔２３を経由して第２の拡散板２２表面に到達する。第２の拡散板２２表面に導入された流体は第１の拡散板２１の際と同様に拡散されながら貫通孔２４を経由して分離膜エレメント１１に到達する。分離膜エレメント１１に到達した流体は、分離膜エレメント１１の表面に沿って流れ、最終的に第１の排出部１５に到達する。

なお、第１の拡散板２１の直径は第２の拡散板２２よりも小さいことが好ましい。この構成により、筐体１２外周部における流体の流路抵抗が小さくなるため流体が筐体１２外周部方向に流れやすくなる。
また、第１の拡散板２１と第２の拡散板２２とをそれぞれの中心が一致するように重ね合わせた際にそれぞれの貫通孔の位置が一致していたとしても本発明が目的とする効果を得ることができる。

また同様に、流体拡散部１４を第１の拡散板２１のみで構成してもよい。この場合、筐体１２内壁と第１の拡散板２１との間に隙間が有ってもよいし、無くてもよい。貫通孔の数、場所についても、本発明が目的とする効果が最大限に高まるように適宜変更することができる。

さらに、流体拡散部１４を上述したような板状部材に貫通孔を備えた構成ではなく、金属や樹脂などからなるメッシュ状の部材やスポンジ状の部材で構成するのでもよい。この場合においても、部材の密度、直径、長さなど、本発明が目的とする効果が最大限に高まるように適宜変更することができる。

図３は、流体拡散部１４の第１の拡散板２１および第２の拡散板２２の貫通孔の断面形状を示す図である。なお、図３では、第１の拡散板２１における貫通孔２３として例示したが、第２の拡散板における貫通孔２４にも適用することができる。

第１の拡散板２１および第２の拡散板２２の断面形状は、図３に示すように、流体の進行方向に対して略平行（直行形状）（図３ａ）でもよいし、テーパー形状（図３ｂ）、逆テーパー形状（図３ｃ）、平行四辺形状（図３ｄ）、平行四辺形を折り返した形状（図３ｅ）、ジグザグ形状（図３ｆ）など、流体の流速、物性、筐体１２または導入部１３の直径に基づいて様々な形状を取ることができる。

また、第１の拡散板２１および第２の拡散板２２に複数の貫通孔を備えている場合には、より本発明が目的とする効果を得るために、様々な断面形状の貫通孔を同一の第１の拡散板２１または第２の拡散板２２の中に適宜配置することができる。

第１の排出部１５は、複数の分離膜エレメント１１によって処理が施された流体を筐体１２から排出するようになっている。
第２の排出部１６は、図示しない外部の真空ポンプに接続されており、複数の分離膜エレメント１１を透過した成分を吸引し、真空ポンプ側に排出するようになっている。

バッフル板１７は、複数の貫通孔を備えた板状の部材であり、貫通孔の内側に分離膜エレメント１１が設置される。そして、分離膜エレメント１１とバッフル板１７の貫通孔の内壁との間で形成される間隙に流体が流れ込み、その流体の乱流を誘発するようになっている。
分離膜エレメント１１の表面において乱流が発生すると、分離膜エレメント１１表面に対して常に透過成分の濃度が高い流体が供給されるため、分離膜エレメント１１の成分分離能力を効果的に発揮させることができる。

このように、本発明の実施の形態の分離膜モジュール１は、流体拡散部１４が流体の流れを筐体全体に拡散させ、筐体１２内部で流体の澱みの発生を抑制することができるため、分離膜モジュールに設置された分離膜エレメントを効率的に利用することができ、高性能な分離膜モジュールを提供することができる。

（変形例）
流体拡散部１４は他の変形例を適用することができる。
例えば、流体拡散部１４は中心に開口部を有する螺旋部材によって構成され、これまでの例と同様に本発明が目的とする効果を得ることができる。螺旋部材の螺旋形状は、一定の直径であってもよいし、分離膜エレメント１１の長手方向に対して徐々に直径が変化するようになっていてもよい。さらに、螺旋の表面形状、幅、中心部の直径なども、本発明が目的とする効果が最大限に高まるように適宜変更することができる。

また、螺旋状バッフル板をバッフル板１７と流体拡散部１４との間に設置してもよい。螺旋状バッフル板に衝突した流体は、分離膜エレメント１１との間で形成された間隙から漏出する一部の流体を除いて、螺旋状バッフル板表面に沿って流れ、筐体１２の長手方向の垂直断面全体に対して拡散するようになっている。
この構成により、流体は筐体全体に拡散するようになり、分離膜モジュール内部に設置された分離膜エレメントの利用効率を高めることができる。

また、本発明の実施の形態において、流体拡散部１４は、導入部１３とは一体化されていない異なる部材として構成されていたが、例えば導入部１３の内面に流体の乱流を誘発させる加工を施して、筐体１２に流体が導入された直後から、筐体１２外周部方向に流体が拡散するように構成されているのでもよい。この場合においても、この導入部１３の加工部分を本発明の流体拡散部１４として見做すことができる。

また、本発明の実施の形態において、導入部１３は、筐体１２の長手方向の垂直断面に対して中心部付近に設置されているが、導入部１３の中心部が筐体１２の中心部からずれた位置に設置されてもよいし、導入部１３が筐体１２の側面部に設置されるようになっていてもよい。いずれの場合においても、流体拡散部１４は分離対象流体が導入部１３から第１の排出部１５に辿りつく過程で筐体１２全体に拡散されるように構成されていればよい。

（実施例）
本発明の効果を検証するために、図１に示した分離膜モジュール１と同様の基本構成を有する分離膜モジュールを作製した。
分離膜エレメントは、長さ８００ｍｍ、外径１２ｍｍであり、その本数は３１本（分離膜エレメントの断面配列については図４参照）である。分離膜エレメントは外径１２ｍｍのアルミナ多孔質体の外表面にＡ型ゼオライト１５μｍが積層されたものである。

筐体１２は円筒形状であり、内径は１１０．１ｍｍ、長手方向の長さは全長５９０ｍｍとなっている。
導入部１３は円筒形状であり、配管径２５Ａ(内径は２７．0ｍｍ、導入部１３の端部から分離膜エレメント１１までの距離は約８０ｍｍとなっている。
バッフル板１７の貫通孔の直径はΦ１４ｍｍであり、バッフル板１７の枚数は７枚である。

流体拡散部１４は図２に示した２枚の拡散板を備えたものであり、各拡散板に設けられた貫通孔の断面は図３ａで例示した直行形状である。
流体拡散部１４の第１の拡散板２１は直径１０７ｍｍであり、貫通孔２３の内径は４ｍｍである。また、筐体１２の内壁と第１の拡散板２１とが形成する間隙の幅は１．５ｍｍであり、導入部１３の端部から第１の拡散板２１までの距離は２５ｍｍとなっている。

流体拡散部１４の第２の拡散板２２は直径１０９ｍｍであり、貫通孔２４の内径は６ｍｍである。また、筐体１２の内壁と第１の拡散板２１とが形成する間隙の幅は０．５であり、第１の拡散板２１から第２の拡散板２２までの距離は２５ｍｍとなっており、分離膜エレメント１１との距離は２５ｍｍである。また、第２の拡散板２２の貫通孔の配列は、図４に示す分離膜エレメントの配列と一致している。

上記の分離膜モジュールに対して、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）および水の混合物（ＩＰＡ：水＝８５wt%：１５wt%）を、温度１００℃、流量２０Ｌ／minで導入した。
また、第２の排出部１６には真空ポンプを接続し、第２の排出部１６と真空ポンプとの間にはチラー式コンデンサー及び透過捕集容器を設置した。

（比較例１）
比較例１として、上記の実施例で作製した分離膜モジュールから流体拡散部を取り外し、同様の運転試験を行った。

（比較例２）
比較例２として、上記の実施例で作製した分離膜モジュールから流体解散部を取り外し、また、筐体外周部に近い位置に設置された分離膜エレメント１８本を抜き出し、抜き出した部分を密封したうえで、実施例と同様の運転試験を行った。分離膜エレメント１８本を抜き出した後の分離膜エレメントの設置配列を図５に示す。

（実施例、比較例の分離膜モジュールの運転試験結果）
図６は、上記の実施例、各比較例の分離膜モジュールにおける運転試験を行い、チラー式コンデンサーにて凝縮された透過成分を３０分毎に補修容器より排出しながら測定した結果を示している。

実施例の分離膜モジュールの運転試験結果においては、時間あたりの透過成分量で設計値にはわずかに及ばないものの、いずれの時間においても安定した透過成分の捕集に成功している。
比較例１の分離膜モジュールの運転試験結果においては、運転開始初期では実施例と同様の透過成分量が得られたものの、時間の経過とともに徐々に減少し、２時間後には飽和した。

比較例２の分離膜モジュールの運転試験結果においては、運転開始初期から一定時間が経過しても安定した透過成分量が得られているが、その透過成分量は実施例１には及ばない。ただし、比較例１の飽和領域における透過成分量と大きな差がなかった。

実施例および各比較例の結果から、上述したように流体拡散部を備えない分離膜モジュールでは、筐体外周部では流体の滞留が発生しており、その周辺に設置されている分離膜エレメントは分離能力を発揮できていないと推測できる。

その一方、本発明の分離膜モジュールのように、流体拡散部を備えて筐体外周部に流体が拡散するように構成されている場合には、筐体外周部での流体の滞留が抑制され、筐体外周部付近に配置された分離膜エレメントにおいても、その分離性能を発揮することができ、分離膜モジュールに設置された分離膜エレメントを高効率に利用可能となっている。

本発明の実施の形態の分離膜モジュールの断面を示す模式図 本発明の実施の形態の流体拡散部の一例を示す模式図 本発明の実施の形態の流体拡散部の貫通孔の断面形状を示す模式図 本発明の実施例の分離膜モジュールにおける分離膜エレメントの配列を示す模式図 比較例２の分離膜モジュールにおける分離膜エレメントの配列を示す模式図 実施例、比較例１および比較例２の透過成分の捕集量の時間経過観察結果を示すグラフ 従来の分離膜モジュールの断面を示す模式図

１、４１、１０１ ・・ 分離膜モジュール
１１、１０１ ・・ 分離膜エレメント
１２、１０２ ・・ 筐体
１３、１０３ ・・ 導入部
１４ ・・ 流体拡散部
１５、１０５ ・・ 第１の排出部
１６、１０６ ・・ 第２の排出部
１７、１０７ ・・ バッフル板
２１ ・・ 第１の拡散板
２２ ・・ 第２の拡散板
２３、２４ ・・ 貫通孔

Claims (5)

1. 流体中の複数成分のうち少なくとも一つの成分を透過分離する複数の分離膜エレメントと、
   前記複数の分離膜エレメントを収納する筐体と、
   前記筐体に接続され、分離対象となる流体を前記筐体内部に導入する導入部と、
   前記導入部と前記複数の分離膜エレメントとの間に設置され、前記導入部から導入された流体を前記筐体全体に拡散する流体拡散部と、
   を備えたことを特徴とする分離膜モジュール。
2. 前記複数の分離膜モジュールのそれぞれは円筒形状であり、
   前記筐体は円筒形状であり、
   前記複数の分離膜モジュールの長手方向と前記筐体の長手方向とは略平行であり、
   前記流体拡散部は、前記流体を前記筐体の外周部方向に拡散することを特徴とする請求項１に記載の分離膜モジュール。
3. 前記流体拡散部は、貫通孔を備えた板状の部材からなる拡散板を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の分離膜モジュール。
4. 前記流体拡散部は、複数の前記拡散板を有することを特徴とする請求項３に記載の分離膜モジュール。
5. 複数の前記拡散板のうち、前記導入部に近い位置に配置された拡散板の貫通孔を含む面積が、他の拡散板の貫通孔を含む面積よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の分離膜モジュール。