JP5135844B2

JP5135844B2 - 中空糸膜モジュール

Info

Publication number: JP5135844B2
Application number: JP2007083212A
Authority: JP
Inventors: 徹宇田; 雄介井川; 穣幸田; 隆二小島
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2027-03-28
Also published as: JP2008238068A

Description

本発明は、中空糸膜モジュールに関する。さらに詳しくは、束着管が胴体部とその両末端に接合されるヘッド部とからなる中空糸膜モジュールに関する。

多孔質セラミックスは、化学的および熱的安定性が高いため、有機質分離膜が適用できないような工程において、分離膜あるいはその支持体としての利用が期待されている。中でも、中空糸膜形状の多孔質セラミックスは、比表面積が大きいなどすぐれた特性を有している。

このような中空糸膜形状の多孔質セラミックスを使用する場合には、これらを固定・密封する必要があり、そのために多孔質セラミックス中空糸膜群を束着管端部に嵌装させた貫通孔穿設平板の貫通孔に挿入し、貫通孔穿設平板の外面側をガラスシール材で被覆した多孔質セラミックス中空糸膜モジュールが、先に本出願人によって提案されている。
特開２００４−２６７８５２号公報特開２００３−２５１１６４号公報

しかしながら、ここで提案された多孔質セラミックス中空糸膜モジュールには、次のような点で改善の余地がみられた。
(1)多孔質セラミックス中空糸膜群を、束着管両端部に嵌装させた貫通孔穿設平板の貫通孔に挿入するに際し、貫通孔穿設平板同士の向きをうまく合わせる必要があり、それに伴う貫通孔穿設平板を束着管端部に嵌装させるという作業が煩雑となる。
(2)嵌装させた貫通孔穿設平板を束着管内壁に嵌装させたときに生ずる隙間を確実に封止する必要がある。
(3)束着管は、基本的には円筒形なので、その外周面にシール部材を設け、ハウジング装着時のシールを行っているが、この場合にはモジュールをハウジングに装着する際、シール部材の締付力を受けながらモジュールをハウジング内に挿入する必要があり、作業性の点で問題がみられた。
(4)このような円筒形外周面でのシールには、一般にOリング等が用いられるが、モジュールの挿入時にOリングが捩れたりして、シール性を低下させるという問題を生じ易い。
(5)多孔質セラミックス中空糸膜モジュールの利点として高い耐熱性であることが挙げられるが、このような利点を十分に発揮させるためには、高温気密性を目的として、シール部材として例えばCリングやEリング等として知られる金属製シールを使用することが考えられるが、かかる円筒形状束着管外周面でのシール構成として、このような金属製シールを使用することは実際に困難である。

本発明の目的は、束着管が胴体部とその両末端に接合されるヘッド部とからなる中空糸膜モジュールにおいて、中空糸膜を挿通、固定するヘッド部と束着管胴体部との装着が容易であり、しかもこの中空糸膜モジュールをハウジングに収容する際の装着性が改善され、また金属製シールによる装着を可能とするものを提供することにある。

かかる本発明の目的は、束着管が胴体部とその両末端に接合されるヘッド部とからなり、胴体部はその側面に流体が流れる開口部を有する筒状部材から形成され、ヘッド部は鍔部、胴体接合部、および中空糸膜を挿通し、固定する貫通孔が穿設された封止面から形成され、前記ヘッド鍔部は、キャップ部材に設けられた金属製シールを収容可能な溝に金属製シールを嵌め込んだ後、キャップ部材と２分割金属製受け板により挟み込まれており、ボルトで締結することにより、中空糸膜モジュールにキャップ部材を装着してこれをハウジングに挿入し、キャップ部材とハウジングとを封止部材により封止することによりハウジングへの装着が行われた中空糸膜モジュールによって達成される。

本発明に係る中空糸膜モジュールは、中空糸膜、特に多孔質セラミックス中空糸膜を挿通させる貫通孔を有する部材として、従来の貫通孔穿設平板に代えてヘッド部材の封止面を用いているため、束着管胴体部との装着が容易となり、また貫通孔穿設平板と束着管内壁との間に形成される隙間の封止が不要となる。

さらに、この中空糸膜モジュールには、ヘッド部に鍔部が設けられているので、ハウジングへの装着性が改善される。また、ハウジングへの装着に際し、例えばCリングやEリング等として知られる金属製シールを使用することができ、このことはハウジングに収容された中空糸膜モジュールの高温での使用を可能とさせる。

中空糸膜モジュールをハウジングに装着させたものは、クロスフロー型反応器、デッドエンド型反応器等として、水素の製造および精製、酸素の製造、炭酸ガス等のガスの分離、円筒型固体酸化物型燃料電池などに有効に使用される。

束着管１は、図１に示される如く、胴体部２とその両末端に接合されたヘッド部３、３′とからなる。束着管の内部には、中空糸膜、好ましくは多孔質セラミックス中空糸膜が1〜500本程度束ねたものが収容される。多孔質セラミックス中空糸膜としては、Al₂O₃、Y₂O₃、MgO、SiO₂、Si₃N₄、ZrO₂製などであって、その孔径が約0.1〜0.6μm、外径が約0.5〜4mm、好ましくは約1〜3mm程度、また膜厚が約0.1〜0.5mm、好ましくは約0.15〜0.3mm程度のものが用いられる。

図２(ａ)〜(ｃ)に示すように、束着管胴体部２はその側面に流体が流れる開口部を有する細長い直管状の筒体部材で形成され、両端部のそれぞれ近傍において管中心軸から両側の対称位置の部分を切除して楕円形または短孔形状の開口部２ａが左右対称形で計４つが設けられている。ただし、例えば図３に示されるように、そうした開口部２ａの設置数は４つということに限定されるものではない。このように、複数個の開口部を左右対称形に設けることは、熱膨張の関係で好ましい。束着管胴体部２の材質としては、気密性および耐熱性を有し、そこに収容される多孔質セラミックス中空糸膜の熱膨張係数と同じかまたは近い値を有するもの、好ましくは多孔質セラミックス中空糸膜と同材質のもの、例えばアルミナ管、ジルコニア管、チタニア管、シリカ管、そしてガラス管などを用いることができる。

また、図３(ａ)〜(ｃ)に示すように、束着管胴体部２としては図２に示す構造の他、やはり管中心軸から両側の対称位置の部分をこの場合ほぼ管全長に亘って長孔形状の開口部２ｂが左右対称形で２つ設けられているものも用いられる。そのように短孔形状の開口部２ａや長孔形状の開口部２ｂを胴体部側面に設ける理由は、中空糸膜３の束群に分離ガスを接触させて透過させるためのガス給排気用である。開口部２ａまたは２ｂは、その長さが15mm以上で、その両端部を約10〜40mm、好ましくは約20〜30mm残して胴体部２に設けられる。

このように、束着管２にガス給排気用の開口部２ａまたは２ｂを管体両側の対称な等配位置に対称形に設けたことで、非対称形に設けた構造のような不均衡な熱膨張で撓みや歪みが発生するのを極力抑えることができる。すなわち、束着管胴体部２の熱変形を抑えることで、中空糸膜など他の部材に影響して応力集中が生じるのを防げ、モジュールの破損といった事態を避けるのに有効である。

胴体部２の両末端に接合されるヘッド部３、３′は、図４に示される如く、鍔部４、胴体接合部５、および中空糸膜を挿通し、固定する貫通孔６が穿設された封止面７から形成される。かかる構成を有するヘッド部３、３′も、胴体部２と同様の材質で形成される。

胴体部２およびヘッド部３、３′を接合して構成される中空糸膜モジュールをハウジングに装着する際に金属製シールでシールする場合には、そこに大きな締付力がかかるので、ヘッド部３、３′の鍔部４の形状寸法が重要な要素となる。例えば、高純度アルミナ製ヘッドの場合には、その厚さTは約3〜15mm、好ましくは約5〜10mmとし、また鍔部ネックには曲率半径が約0.5〜3mm、好ましくは約1〜2mmのRを設け、シールの締め込みによる鍔部が破損をし易くなるのを防止することが望ましい。

中空糸膜貫通孔が穿設された封止面７の厚さは約3〜10mm、好ましくは約4〜7mm程度とされ、中空糸膜を挿通させる貫通孔６の内径は、中空糸膜の外径よりも約0.1〜1.0mm、好ましくは約0.1〜0.4mm程度大きく設定される。挿通された中空糸膜の開放端面および貫通孔-中空糸膜間に形成された間隙は、ガラスシール材によって封止される。封止は、ガラス粉末を分散させたペーストを封止開放面に厚さ2mm以下、好ましくは約0.01〜1.0mmで塗布し、これを約400〜1300℃、好ましくは約500〜1200℃で約5〜60分間程度焼成することにより行われる。同時に上記間隙の封止も行われる。

胴体部２の両末端薄肉部８、８′を鍔部３の接合部５の内周面にガラスまたはセラミックス等の無機系接合剤を介して嵌装接合させた中空糸膜モジュールは、一般にSUSステンレス鋼製などの耐熱性金属製ハウジングに装着して使用される。金属製シールであるCリングで固定したクロスフロー型反応器での代表例が図５に示される。ここで、符号１は中空糸膜モジュール、１０はハウジング、１１はCリング、１２はキャップ部材、１３は２枚に半割りした金属製受け板、１４はベローズ、２０は多孔質セラミックス中空糸膜であり、鍔部４はキャップ部材１２および２分割金属製受け板１３で挟み込まれている。

中空糸膜モジュール１のハウジング１０への装着は、中空糸膜モジュール１のヘッド鍔部４をシール部材１１を介してキャップ部材１２と金属製受け板１３とで挟み、これをボルトで締め込み、固定することで、キャップ部材１２が密閉装着される。キャップ部材１２には、流体用配管１５、１５′が設けられており、これを外部に延出した状態でハウジングは密閉される。

なお、金属製シールとしては、金属Oリングの「O」形の一部分、例えば内周部分を除去し、「C」字形状の断面を有する金属弾性ガスケットであるCリングやフランジのたわみが大きな条件に対応するリーク許容のガスシール用金属ガスケットであるEリング等を用いることができ、これらは例えばインコネル・ステンレス鋼を母材とし、金、銀、PTFE等のコーティング材でコーティングされているものであってもよい。Cリングにあっては、内圧用フェースタイプ、外圧用フェースタイプの2種類タイプのものがあり、その平面形状を円形の他に四角形、楕円形、レーストラック形状といった非円形形状のものもあり得る。また、Eリングにあっては、内圧、外圧用の標準型とスパンの長い高伸縮型のものもあり得る。

また、図６に示されるように、本発明の中空糸膜モジュールは、ハウジングに装着してデッドエンド型反応器としても使用できる。ここで、符号１６は封止部材である。

本発明に係る中空糸膜モジュールの中心線縦断面図である。束着管胴体部の一態様を示す斜視図(ａ)、側面図(ｂ)およびY₁−Y₁線からの縦断面図(ｃ)である。束着管胴体部の他の態様を示す斜視図(ａ)、側面図(ｂ)およびY₂−Y₂線からの縦断面図(ｃ)である。束着管ヘッド部の中心線縦断面図である。本発明の中空糸膜モジュールをハウジングに装着させたクロスフロー型反応器の中心線縦面図である。本発明の中空糸膜モジュールをハウジングに装着させたデッドエンド型反応器の中心線縦面図である。

符号の説明

１束着管
２胴体部
２ａ、２ｂ開口部
３、３′ ヘッド部
４鍔部
５胴体接合部
６貫通孔
７封止面
８、８′ 胴体部両末端薄肉部
１０ハウジング
１１金属製シール
１２キャップ部材
１３２分割金属製受け板
１４ベローズ
１５、１５′ 流体用配管
１６封止部材
２０多孔質セラミックス中空糸膜

Claims

束着管が胴体部とその両末端に接合されるヘッド部とからなり、胴体部はその側面に流体が流れる開口部を有する筒状部材から形成され、ヘッド部は鍔部、胴体接合部、および中空糸膜を挿通し、固定する貫通孔が穿設された封止面から形成され、前記ヘッド鍔部は、キャップ部材に設けられた金属製シールを収容可能な溝に金属製シールを嵌め込んだ後、キャップ部材と２分割金属製受け板により挟み込まれており、ボルトで締結することにより、中空糸膜モジュールにキャップ部材を装着してこれをハウジングに挿入し、キャップ部材とハウジングとを封止部材により封止することによりハウジングへの装着が行われた中空糸膜モジュール。
中空糸膜が多孔質セラミックス中空糸膜である請求項１記載の中空糸膜モジュール。
金属製シールがCリングまたはEリングである請求項１記載の中空糸膜モジュール。