JP2570592Y2

JP2570592Y2 - 中空糸型モジュール

Info

Publication number: JP2570592Y2
Application number: JP1991102150U
Authority: JP
Inventors: 孝典穴澤; 俊和菅沼; 泰子國長
Original assignee: Dainippon Ink and Chemicals Co Ltd
Current assignee: DIC Corp
Priority date: 1991-12-11
Filing date: 1991-12-11
Publication date: 1998-05-06
Anticipated expiration: 2006-12-11
Also published as: JPH0551432U

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、中空糸分離膜の内側を
１次側とし、膜の外側に気体が接触する用法で使用され
る中空糸型モジュールに関するものであり、例えば、窒
素富化、水素分離、ヘリウム分離その他の気体分離、水
から酸素、炭酸ガスなどの気体や、トリクロロエチレン
などの揮発制物質を除去する脱気や脱揮、水／アルコー
ルなどを分離する浸透気化（パ−ベ−パレ−ション）や
膜蒸留等の用途において、分離の効率を向上させたモジ
ュールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】膜分離において、中空糸膜（以後単に中
空糸と呼ぶ場合もある）は通常、ハウジングに収められ
た、いわゆるモジュールの形状で使用される。モジュー
ルは、中空糸膜を束状、巻き取られた状態もしくは編組
された状態などでハウジングに装填し、その両端部を樹
脂にて封止し、端面を切断することにより、中空糸膜の
内側が外側と隔てられ、封止部に中空糸膜内側が開口し
た構造を持つ。その代表的な構造を図１に示す。

【０００３】モジュールを使用するに当り、例えば気体
分離膜モジュールの場合、混合気体を接続口５から中空
糸膜の内側に導入し、中空糸膜内側の反対の端である接
続口６から取り出される非透過ガスと、中空糸膜を透過
して接続口７及び／または７’より取り出される透過ガ
スとに分離される。あるいはまた、接続口７または７’
より中空糸膜の外側に混合気体を導入し、接続口７また
は７’から流出する非透過ガスと、接続口５及び／また
は６から取り出される、中空糸膜内側に透過した透過ガ
スとに分離される。この時、化学工学的には、混合ガス
と透過ガスを向流（カウンタ−フロ−）に流すのが最も
効率が高いとされている。

【０００４】しかしながら、図１の構造のモジュールに
おいて、例えば接続口５より中空糸膜内側に混合ガスを
導入し、接続口７’を閉じ、接続口７から透過ガスを取
り出すことにより向流で作動するよう試みても、分離さ
れるガスの濃度や収率は理論値より相当低く、十字流
（クロスフロー）型のシミュレーション結果に近い性能
を示すに過ぎなかった。また図１のモジュールを使用し
て、混合ガスを接続口７に導入することにより中空糸膜
の外側に流し、透過ガスを接続口５から取り出す試みを
行ってもさらに低い結果を得るだけであった。即ち、中
空糸型モジュールにおいて、理論に近い向流型の性能を
実現することは困難であった。

【０００５】気体分離以外の分離、例えば、液体からの
脱気や脱揮、あるいはパーベ−パレ−ションや膜蒸留に
於ても、１次側が気体でなく液体であることが異なるだ
けであり、向流型が最も効率が良いこと、中空糸型モジ
ュールにおいて理想的な向流型が実現していないことに
ついて事情は同じであった。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】本考案は、中空糸膜外
側の気体の流れを理想的な向流モデルに近付けた中空糸
型モジュールを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本考案者等は、中空糸型
膜モジュールにおいて最も分離効率が高いとされる向流
型の性能を実現すべく、上記課題について鋭意検討を行
った結果本考案に到達した。

【０００８】即ち本考案の要旨は、複数の中空糸膜がハ
ウジングに装填され、中空糸膜の両端部が樹脂で封止さ
れた膜モジュールにおいて、中空糸が複数の組に分割さ
れ、それぞれの中空糸膜の組が、上記樹脂でその末端が
封止された実質上気体不透過性の筒に装填され、該筒が
該筒の樹脂から露出した片末端から中空糸膜の長さ方向
長さ（中空糸膜の長さ方向長さとは、樹脂封止された両
端部を除く樹脂から露出した部分の長さを意味する）の
５０％を越える位置部分で開口しているものであるか、
又は該筒が、上記樹脂でその片末端が封止され、前記中
空糸膜の長さ方向長さの５０〜９９．５％の長さを有す
るものであって、長さ方向の少なくとも５０％までの位
置範囲には開口を持たないことを特徴とする中空糸型モ
ジュールであり、特に筒の片末端から前記中空糸膜の長
さ方向長さの５０％を越える部分が筒で被われていない
か、あるいは筒の片末端から中空糸膜の長さ方向長さの
５０％を越える部分に一個または複数個の孔が穿たれて
いることを特徴とする中空糸型モジュールにある。

【０００９】本考案をその要部についてさらに詳細に説
明すると、例えば実施例で使用する図２および図３に示
されたモジュールに見られるように、まず、本考案のモ
ジュールは中空糸膜１の両端が別々に樹脂で封止され
（４，４’）、中空糸膜１の内側に通じる両端部には別
々の接続口５，６を有しており、中空糸膜の一端から気
体または液体を導入し、他端から流出させることが可能
なタイプである。

【００１０】中空糸１は複数の組に分けられてそれぞれ
筒９に装填されている。筒９は、一方の封止部４に気密
に接続され、モジュール内の封止部間距離の５０〜９
９．５％の範囲の中空糸を被っている。筒９は実質的に
気体不透過性であり、中空糸膜１を透過した気体は、筒
の壁を透過することなく筒の内部を流れ、筒の開口部１
０からハウジング２の内側空間８に出、接続口７からモ
ジュール外に取り出される。筒９の長さが５０％より短
いと向流として働く部分が減少し、分離効率の低下を招
く。また筒９の長さが９９．５％より長いと筒９の開口
部１０からモジュールハウジングの内部空間８に出る際
の圧力損失が増大しこれまた分離効率の低下を招く。

【００１１】筒９の、封止部４に接続されていない側の
端は、直角に切断されている必要はなく、斜めに切断さ
れた形状あるいはその他の複雑な形状であってもよい。
筒の断面が筒に直角でない場合には、筒の長さは平均値
をもってする。中空糸膜の、筒で被われていない部分を
補強する意味で筒の外側または内側に筒状の網を装着す
ることも可能である。

【００１２】本考案になる他のモジュールは、筒の代わ
りに、実質的に気体不透過性のフィルムまたはシート
（以下シートと略す）が中空糸の組毎に巻かれている物
である。シート９は一方の封止部４に接続され、モジュ
ール内の封止部間距離の５０〜９９．５％の範囲の中空
糸を被っている。巻かれたシートの内端または外端は、
気密な筒になるように接着する必要はない。このため中
空糸膜１を透過した気体の一部は、シート９の隙間から
ハウジングの内部空間８に漏洩するがその影響は無視で
き、大部分は筒状に巻かれたシートの内部を流れ、筒状
シートの開口部１０からモジュールハウジングの内側空
間８に出、接続口７からモジュール外に取り出される。
シートの外側または内側に、補強の意味で筒状の網を装
着することも可能である。

【００１３】本考案になるさらにもう一つのモジュール
は、やはり実施例で使用される図４に見られるモジュー
ルの如く、中空糸膜１が複数の組に分割され、それぞれ
の中空糸の組が、一方の封止部４から他の封止部４’ま
で筒９の中に装填されており、筒９は、少なくとも一方
の封止部４に気密に接している。筒９は封止部４から、
中空糸膜の長さ方向の５０％の位置まで孔がなく実質上
気体不透過性であり、５０％を越える部分に孔１１が穿
たれている。孔は一個でもよいし複数個であってもよ
い。また孔の形状は円形である必要はなく、例えばスリ
ット状であっても、異形孔であってもよい。中空糸膜１
を透過した気体は、実質的に筒の壁を透過することなく
筒の内部を流れ、孔１１からハウジング２の内側空間８
に出、接続口７からモジュール外に取り出される。

【００１４】本考案において、筒またはシートの筒に装
填される中空糸の組は、実質的に並行な中空糸束であっ
てもよいし、単糸または複数本の中空糸を綾角３０度以
上で巻き取った一巻きを、巻き取りの際の回転面に概ね
平行に切断して複数の中空糸の集合したものであっても
よいし、また中空糸同士または中空糸と他の糸条とで構
成された、編組物または織物であってもよい。勿論、中
空糸の組が中空糸の一巻きを切断した中空糸の集合体で
ある場合、切断は封止操作の前に実施されてもよいし後
に実施されてもよい。しかしながら本考案のモジュール
は、実質的に並行な中空糸束の場合に最も性能改善効果
が大きく、生産上の効率からも実質的に並行な中空糸束
とするのが好ましい。尚、綾状に巻き取られた中空糸の
場合等の実質的に並行な中空糸束に該当しない場合は、
前記中空糸膜の長さ方向長さとしては、両端封止樹脂間
の空間直線距離がそれに該当する。

【００１５】中空糸の一組は、中空糸１００〜３０００
０本で構成されていることが好ましい。中空糸の組が実
質上並行な束であり、かつ中空糸外径が１５０〜４００
μｍの場合には、１０００〜１００００本であることが
好ましく、同じく中空糸外径４００〜１０００μｍの場
合には１００〜２０００本であることが好ましい。中空
糸の一組が綾角３０度以上で巻き取られた中空糸の一巻
きである場合や、中空糸同士または他の糸条やテープと
で構成された編組物や織物である場合には、封止部の切
断面に現れた中空糸の本数をもって一組の中空糸の数と
する。一組の中空糸の本数が多すぎると性能改善効果が
減少し、少なすぎると製造コストがかさむ。

【００１６】筒または巻かれたシート内の中空糸の充填
率は、２５〜７５％であることが好ましく、充填される
中空糸が実質上並行な束である場合には、４５〜７５％
であることがさらに好ましい。ここで言う充填率とは、
筒または巻かれたシートの断面積に対する中空糸の占め
る面積のことである。最密充填の場合の充填率は約９１
％となる。充填率は高いほうが本発明の効果が発揮され
るが、７５％より高すぎると封止が不完全になり易くな
り製造歩留まりが低下する。一方充填率が２５％より低
すぎると性能改善効果が減少する。

【００１７】モジュール内の筒または巻かれたシートの
断面形状は円である必要はなく、任意の形状であってよ
いし、各筒毎に異なっていることも可能である。筒また
は巻かれたシートの直径や断面積についても、中空糸本
数や充填率の条件を満たしておれば特に制約はなく、任
意の値を採り得るし、各筒毎に異なっていてもよい。モ
ジュールハウジングの断面形状についても特に制約はな
い。

【００１８】ハウジングに充填される筒の数についても
特に制約は無いものの、モジュールハウジングが円筒状
の場合には、充填効率の点から３、４、５、７または１
５本以上であることが好ましい。

【００１９】封止部（チューブシートともいう）４，
４’はハウジング２に接着されていてもよいし、オ−リ
ングやパッキンを用いてハウジングに気密に固定されて
いてもよい。また、複数の筒９をまとめて一つのチュー
ブシートとしてもよいし、筒毎に封止し、その複数個を
ハウジングに装着することもできる。

【００２０】中空糸１の外側もしくは筒９の外側とモジ
ュールハウジング２の内側とで構成された空間８に通じ
る接続口７の位置や数については制約はなく、モジュー
ルの任意の位置に任意の数を設置することができる。

【００２１】本考案のモジュールは、中空糸内側を１次
側とし、かつ、１次側に導入する液体または気体を、筒
９または筒状に巻かれたシート９の開口部１０に近い側
の、あるいは筒９に穿たれた孔１１に近い側の１次側接
続口５から導入することにより、向流型モジュールとし
て働き、その性能が発揮される。

【００２２】

【実施例】以下実施例により、本考案をさらに具体的に
説明するが、これらの例により本考案が限定されるもの
ではない。

【００２３】［実施例１］特開平１ー１０４２７１の製造例２記載の方法にしたが
って、ポリ（４メチルペンテン１）を溶融押出しにより
中空糸状に成形し、熱処理、冷延伸、熱延伸、および熱
固定の処理を加えることにより、外径２５０μｍ、内径
２００μｍ、酸素透過速度８．０×１０^-6（ｃｍ³／ｃ
ｍ²,Ｓec,ｃｍＨｇ）、酸素／窒素分離係数４．１の中
空糸膜を得た。この中空糸膜各６０００本を内径２５ｍ
ｍ、外径３２ｍｍの硬質塩化ビニル製の７本の筒にそれ
ぞれ装填し、その７本の筒を内径１００ｍｍの硬質塩化
ビニル製の円筒型ハウジングに納め、２液型ポリウレタ
ン樹脂にて両端を遠心封止した後端部を切断して、図２
および図３に見られる様な、封止部厚みが平均５ｃｍ、
封止部内側間平均距離４０ｃｍのモジュールを製作し
た。この時、中空糸１を装填した筒９の一方の端は封止
樹脂４に埋め込んで接着し、封止部４の内面から筒９の
他の端までの長さが３５ｃｍ、筒９に被われない中空糸
部分が５ｃｍになるように設定した。

【００２４】このモジュールの、筒９の途切れている方
に近い側の接続口５より中空糸内側に７．０Ｋｇｆ／ｃ
ｍ²Gの空気を導入し、接続口６に流量調節バルブ（図示
せず）を接続して、非透過気体を取り出した。一方接続
口７は大気解放とし、膜を透過した気体を排出した。

【００２５】接続口６から取り出される気体の窒素濃度
が９９．０％になるように、接続口６に接続された流量
調節バルブを調節したところ、接続口６から取り出され
る窒素富化空気の流量は１１３ｌ／ｍｉｎであった。
また、収率（接続口５に導入される空気流入量に対する
窒素富化空気の取り出し量の比）は２０％であった。

【００２６】［実施例２］中空糸を筒９に装填する代わりにポリエステルフィルム
で巻き、それをハウジングに収めたこと以外は実施例１
と同様のモジュールを作成した。この場合も、両封止部
の間でポリエステルフィルムで被われている中空糸の長
さは３５ｃｍ、フィルムからはみ出ている長さは５ｃｍ
とした。このモジュールを使用して、実施例１と同様の
実験を行ったところ、結果は実施例１と全く同じであっ
た。

【００２７】［実施例３］図４に示されたように、実施例１で使用した筒９の代わ
りに、全長５０cmでかつ端から１０cmの範囲にのみ直径
１cmの多数の孔が穿たれた筒９を使用し、この筒の両端
各５cmを封止樹脂に埋め込んだこと以外は実施例１と同
様のモジュールを作成し、筒９の孔の穿たれた部分に近
い側の接続口５より中空糸内側に空気を導入し、実施例
１と同様の実験を行った。結果は実施例１と全く同様で
あった。

【００２８】［比較例１］筒９を使用せずに、中空糸膜４２０００本を実質上並行
に１つの束にまとめて直接ハウジングに収めたほかは、
実施例１と同様にして同寸法のモジュールを製作した。
このモジュールを用いて実施例１と同様の実験を行った
ところ、窒素濃度９９．０％となる流量は９２ｌ／ｍ
ｉｎ、収率は１７％であった。

【００２９】［実施例４］実施例１で使用したモジュールの接続口５から溶存酸素
濃度８．３ｐｐｍの水道水を導入し、接続口７に水封式
真空ポンプを接続して約３０ｔｏｒｒに減圧し、接続口
６から流出する水の溶存酸素濃度を測定しつつ、接続口
６に接続された流量調節バルブ（図示せず）にて水流量
を調節したところ、流出水の溶存酸素濃度が０．５０ｐ
ｐｍとなる流量は４７０ｌ／ｍｉｎであった。

【００３０】［比較例２］筒９として長さ２０ｃｍの筒を使用し、封止樹脂に埋め
込まれた部分が５ｃｍ、封止部の内面から筒９の他の端
までの長さが１５ｃｍとなるように封止したこと以外
は、実施例１と同様の封止部内側間平均距離４０ｃｍの
モジュールを作成し、実施例１と同様の試験を行ったと
ころ、窒素濃度９９．０％となる流量は９８ｌ／ｍｉ
ｎ、収率は１８％であった。

【００３１】［比較例３］比較例１で使用したモジュールを使用したこと以外は実
施例４と全く同じ実験を行ったところ、流出水の溶存酸
素濃度が０．５０ｐｐｍとなる流量は４５０ｌ／ｍｉｎ
であった。

【００３２】

【考案の効果】本考案の構造を取ることにより、気体分
離に於ては、濃縮気体の濃度増加、収率の増加、運転エ
ネルギーコストの減少が計れる。また、液体の脱気や脱
揮に於ては、残存気体濃度や残存揮発性物質濃度の減
少、処理量の増加、運転エネルギーコストの減少が計れ
る。さらに、浸透気化や膜蒸留においても、濃縮液体の
濃度増加、収率の増加、運転エネルギーコストの減少が
計れる。さらに、モジュールをコンパクトにでき、かつ
製造が容易であるため、設置スペースの節約、モジュー
ル製造コストの低廉化が計れる。

【００３３】

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のモジュールの部分縦断面正面図。

【図２】本考案のモジュールの縦断面正面図。

【図３】図２のＡ部における横断面側面図。

【図４】本考案のモジュールの縦断面正面図。

【符号の説明】１中空糸膜２ハウジング３封止部４、４’ キャップ内側空間５、６、７、７’ 接続口８ハウジング内側空間９筒、または筒状に巻いたシート１０筒の開口部１１孔

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】複数の中空糸膜がハウジングに装填され、
中空糸膜の両端部が樹脂で封止された膜モジュールにお
いて、中空糸膜が複数の組に分割され、それぞれの中空
糸膜の組が、上記樹脂でその末端が封止された実質上気
体不透過性の筒に装填され、該筒が該筒の樹脂から露出
した片末端から中空糸膜の長さ方向長さ（中空糸膜の長
さ方向長さとは、樹脂封止された両端部を除く樹脂から
露出した部分の長さを意味する）の５０％までの位置範
囲には開口を持たず、５０％を越える位置部分で開口し
ているものであることを特徴とする中空糸型モジュー
ル。
【請求項２】筒が、樹脂でその片末端が封止され、その
樹脂から露出した部分が中空糸膜の長さ方向長さの５０
〜９９．５％の長さを有するものであって、長さ方向の
少なくとも５０％までの位置範囲には開口を持たないこ
とを特徴とする請求項１記載の中空糸型モジュール。
【請求項３】筒の片末端から中空糸膜の長さ方向長さの
５０％を越える部分が筒で被われていないことを特徴と
する請求項２記載の中空糸型モジュール。
【請求項４】筒の片末端から中空糸膜の長さ方向長さの
５０％を越える部分に一個または複数個の孔が穿たれて
いることを特徴とする請求項１記載の中空糸型モジュー
ル。
【請求項５】筒がフィルムまたはシートを巻いたものか
らなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記
載の中空糸型モジュール。
【請求項６】中空糸膜の組が、実質的に並行な中空糸束
である請求項１〜５のいずれか１項記載の中空糸型モジ
ュール。
【請求項７】中空糸膜の組が、中空糸膜または中空糸膜
と他の糸条もしくはテープとから構成された、編組物ま
たは織物である請求項１〜５のいずれか１項記載の中空
糸型モジュール。
【請求項８】筒内の中空糸膜の充填率が２５〜７５％で
ある請求項１〜７のいずれか１項記載の中空糸型モジュ
ール。
【請求項９】筒内の中空糸膜の充填率が４５〜７５％で
ある請求項６記載の中空糸型モジュール。
【請求項１０】中空糸膜の組がそれぞれ中空糸膜１００
〜１００００本で構成されている請求項１〜９のいずれ
か１項記載の中空糸型モジュール。
【請求項１１】中空糸膜の組の数が３、４、５、７また
は１５組以上である請求項１〜１０のいずれか１項記載
の中空糸型モジュール。