JP5593000B2 - 流体分離装置および混合流体の選択分離方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスや水などの流体から特定の流体成分を選択分離する流体分離装置に関し、特に、分離エレメントを直列配置して分離処理能力を大きくする流体分離装置、および、流体分離装置を用いた混合流体の選択分離方法に関する。

近年、ガス分離や上水処理などの大量の流体を扱う分野でその初期投資の優位性から膜分離技術が採用されるようになっている。その中でも特に、洗浄の容易性や耐久性が大きいなどの優位性を有するセラミックに代表される分離エレメントを、筐体に組み込んだ装置が用いられている。

上記の分離エレメントは、分離目的に応じて種々の形状が用いられるが、膜とその支持体及び流路材などが一体化されて組みたてられている。

特定のガス成分のみを透過させる特性を有するガス分離膜を多孔質基体の表面上に設けたガス分離体（上記「分離エレメント」に相当）を収納するガス分離装置が開示されている（下記特許文献１）。高温のガスを分離する場合、ガス分離体と、その固定部材とに熱膨張が生じることにより、それらの密着性が不十分となりガス漏出が生じ得る。このようなガス漏出が生じた場合、ガス分離膜を透過した特定のガス成分に残余のガス成分が混入してしまうため、特定のガス成分を効率的に分離できなくなる。

そのため、開示のガス分離装置は、ガス分離体と、ガス分離体を収容する凹部を有する収容部材と、ガス分離体の外周面と側壁との隙間に設けられたシール部材と、隙間において軸方向でシール部材を挟み込み加圧する締付部材とを備え、ガス分離体の熱膨張率に対する収容部材の熱膨張率の比が０．５５以上０．９５以下にすることで、ガス分離体と、これを固定保持する部材との接合箇所でガスの漏出を生じにくくする。

また、流体の分離処理能力を有する膜は、所望の分離能を実現するために、膜の通過速度が一定範囲に制限される。分離処理流量を上げると、それに比して、膜面積を増加させる必要がある。そのため、分離エレメントは、その一基を単独で用いることもできるが、浄水場での大量の水処理や、ガス分離などの大量の流体処理を行う場合には、多数の分離エレメントを直列に連結することにより、膜面積を増加させ分離処理能力を向上させる。

そこで、分離処理能力を向上させるために、複数の分離エレメントの各々を、互いにフランジ接続したケーシング内に配置して、直列に連結し、ろ過面積を増加させることで、水の分解処理能力を向上させる流体分離装置が開示されている（下記特許文献２）。

特開２０１１−１８９３３５号公報 特開２００４−２６１６４９号公報

分離エレメントを連結配置した流体分離装置は、単独の分離エレメントを有するものより、設置面積当たりの分離処理能力を大きくすることができるが、連結する分離エレメントの数を増やして膜面積を増加させ、分離処理能力を向上させようとすると、分離エレメントの数に比例してフランジ部が多くなり流体分離装置全体の重量が大きくなる。

さらに、流体分離装置のメンテナンスや分離エレメントを修理や交換する必要が生じた場合には、ケーシングの一部を構成する分離エレメント毎にフランジ部を分解、組立てることになり、分離エレメントの交換作業が容易でないだけでなく、分解、組立ての過程でセラミック製の分離エレメントが破損し、分離エレメントそのものが使用できなくなるなど、エレメントの交換や修理などの施工が困難になる。

上記課題を解決するために、１つの側面では、本発明の目的は、複数の分離エレメントを直列配置した分離モジュールを、ケーシングの一端から収納又は取外し可能にすることで、流体分離装置を軽量化するとともに、そのメンテナンスを容易にすることを目的とする。

上記課題を解決する形態は、以下のようなものである。
（１）混合流体から特定の流体成分を選択分離する流体分離装置において、
混合流体の取入口、選択分離した流体を排出する分離流体排出口、及び前記選択分離した後の残余流体を排出する残余流体排出口を有するケーシングと、
前記混合流体を軸方向に通過する流路を有し、特定の流体成分を混合流体の流れ方向に直交するクロスフロー流として選択的に分離する複数の分離エレメントを直列配置して、前記ケーシングの一端から収納可能な分離モジュールと、を備え、
前記分離モジュールは、
前記流路を連通する開口を有し、前記分離エレメントの外周面側空間と、前記分離エレメント間の空間とを隔離するように、隣接する分離エレメントの間に設ける第１接続治具と、
前記直列配置する複数の分離エレメントの端面側空間と、前記流路とを連通する開口を有し、前記端面側空間と分離エレメントの外周面側空間とを隔離するように、前記直列配置する複数の分離エレメントの両端に設ける第２接続治具と、
前記第１及び第２接続治具を連結する連結治具とを有することを特徴とする流体分離装置。
（２）前記第２接続治具と、前記ケーシングの内周面とに接触することにより、前記直列配置する複数の分離エレメントの端面側空間と分離エレメントの外周面側空間とを隔離するシール部材をさらに備える（１）に記載の流体分離装置。
（３）前記ケーシングは、前記取入口を設けた入口側蓋部材と、前記残余流体排出口を設けた出口側蓋部材と、前記分離流体排出口を設けるとともに、前記分離モジュールを格納する筒状本体とを有し、前記入口側蓋部材及び出口側蓋部材の少なくとも１つと筒状本体との間はフランジで密封状態に接続可能となっており、
前記入口側蓋部材又は出口側蓋部材と、前記筒状本体との間で挟持され、開口を有する円盤状であり、且つ、前記開口に前記ケーシングの内径より中心方向に突起して、前記第２接続治具と接触する突起部を有する固定部材をさらに備える（１）又は（２）に記載の流体分離装置。
（４）前記ケーシングは、前記取入口を設けた入口側蓋部材と、前記残余流体排出口を設けた出口側蓋部材と、前記分離流体排出口を設けるとともに、前記分離モジュールを格納する筒状本体とを有し、前記入口側蓋部材及び出口側蓋部材の少なくとも１つと筒状本体との間はフランジで密封状態に接続可能となっており、
前記第２接続治具は、前記入口側蓋部材又は出口側蓋部材を取り外し後に、着脱可能なように、前記筒状本体に設けられる（１）〜（３）の何れか１項に記載の流体分離装置。
（５）前記ケーシングは、圧力が１〜１５ＭＰａＡの流体を保持可能な肉厚で構成される（１）〜（４）の何れか１項に記載の流体分離装置。
（６）前記第２接続治具の一方が、その外径がケーシングの内径より大きく前記フランジで一体に固定可能であり、他方がケーシングの内径より小さい（１）〜（５）の何れか１項に記載の流体分離装置。
（７）前記連結治具は、軸方向長さの調整可能な棒状で締結部がボルトナットで構成するロッドである（１）〜（６）の何れか１項に記載の流体分離装置。
（８）前記連結治具は、筒状である（１）〜（７）の何れか１項に記載の流体分離装置。
（９）前記分離モジュールは、直列配置した複数の分離エレメントを、並列配置して収納する（１）〜（８）の何れか１項に記載の流体分離装置。
（１０）混合流体から特定の流体成分を選択分離する流体分離装置を用いた混合流体の選択分離方法であって、
前記流体分離装置は、混合流体の取入口、選択分離した流体を排出する分離流体排出口、及び前記選択分離した後の残余流体を排出する残余流体排出口を有するケーシングと、前記混合流体を軸方向に通過する流路を有し、特定の流体成分を混合流体の流れ方向に直交するクロスフロー流として選択的に分離する複数の分離エレメントを直列配置して、前記ケーシングの一端から収納可能な分離モジュールと、を備え、
前記分離モジュールは、
前記流路を連通する開口を有し、前記分離エレメントの外周面側空間と、前記分離エレメント間の空間とを隔離するように、隣接する分離エレメントの間に設ける第１接続治具と、
前記直列配置する複数の分離エレメントの端面側空間と、前記流路とを連通する開口を有し、
前記端面側空間と分離エレメントの外周面側空間とを隔離するように、前記直列配置する複数の分離エレメントの両端に設ける第２接続治具と、前記第１及び第２接続治具を連結する連結治具とを有し、
前記選択分離方法は、前記分離エレメントで、特定の流体成分を混合流体の流れ方向に直交するクロスフロー流として選択的に分離し、前記第１接続治具で、前記選択分離された流体と、混合流体とを隔離し、前記第２接続治具で、前記選択分離された流体と、混合流体とを隔離することを特徴とする混合流体の選択分離方法。
（１１）前記混合流体は、１〜１５ＭＰａＡの圧力である（１０）に記載の混合流体の選択分離方法。

本発明の実施形態に係る流体分離装置は、複数の分離エレメントを直列配置した分離モジュールを、ケーシングの一端から収納又は取外し可能にすることで、軽量化するとともに、そのメンテナンスを容易にする効果を奏する。これにより、分離エレメントの交換作業や流体分離装置を組み立てる際の施工性を大幅に向上することが可能になる。

流体分離装置の一例を示す斜視図である。 モノリス形状の分離エレメントの一例を示す図である。 円筒形状の分離エレメントの一例を示す図である。 貫通孔矩形の分離エレメントの一例を示す図である。 チューブラー型の分離エレメントの一例を示す図である。 ケーシングに対する分離モジュールの収納又は取外しを示す模式図である。 流体分離装置の一例を示す断面図である。 図４のＥ−Ｅ線で切断して矢印方向にみた断面説明図である。 図４のＦ−Ｆ線で切断して矢印方向にみた断面説明図である。 ３つの分離エレメントを有する流体分離装置の一例を示す断面図である。 第２接続冶具の第２例を示す断面図である。 第２接続冶具の第３例を示す断面図である。 固定部材の一例を示す断面図である。 ケーシングの第２例を示す断面図である。 連結治具の第２例を示す斜視図である。 連結治具の第２例を示す断面図である。 直列配置した複数の分離エレメントセットを並列配置して収納する分離モジュールを備える流体分離装置の一例を示す断面図である。 流体分離装置を、天然ガス田に適用した一例を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態を、図面を参照して説明する。

１．流体分離装置
本実施形態に係る流体分離装置は、混合流体から特定の流体成分を選択分離し、
（Ａ）混合流体の取入口２１、選択分離した流体を排出する分離流体排出口２８、及び前記選択分離した後の残余流体を排出する残余流体排出口２２を有するケーシング２０と、
（Ｂ）前記混合流体を軸方向に通過する流路を有し、特定の流体成分を混合流体の流れ方向に直交するクロスフロー流として選択的に分離する複数の分離エレメント２を直列配置して、前記ケーシングの一端から収納可能な分離モジュール１０と、を備え、
前記分離モジュールは、
（Ｂ１）前記流路を連通する開口を有し、前記分離エレメント２の外径より大きい外径の円盤状であり、前記分離エレメント２の外周面側空間と、前記分離エレメント２間の空間とを隔離するように、隣接する分離エレメント２の間に設ける第１接続治具７と、
（Ｂ２）前記直列配置する複数の分離エレメント２の端面側空間と、前記流路とを連通する開口を有し、前記分離エレメント２の外径より大きい外径の円盤状であり、前記端面側空間と分離エレメントの外周面側空間とを隔離するように、前記直列配置する複数の分離エレメント２の両端に設ける第２接続治具８と、
（Ｂ３）前記第１接続治具７及び第２接続治具８を連結する連結治具９とを有する。

流体分離装置は、さらに、
（Ｂ４）前記第２接続冶具８と、前記ケーシング２０の内周面とに接触することにより、前記直列配置する複数の分離エレメントの端面側空間と分離エレメント２の外周面側空間とを隔離するシール部材Ｓを、を有する。

図１は、流体分離装置の一例を示す斜視図である。図１において、流体分離装置１は、ケーシング２０と分離モジュール１０とを備え、それぞれ波線及び実線で示される。

（Ｂ）分離モジュール
分離モジュール１０は、ケーシング２０の一端から収納および取出し可能である。
分離モジュール１０には、隣接した分離エレメント２の間に第１接続冶具７が設けられ、２基連結した分離エレメントの両端部にはそれぞれ第２接続冶具８が設けられている。そして、第１接続冶具７と第２接続冶具８との間に分離エレメント２を挟み込み、連結治具９により第１接続冶具７と第２接続冶具８とを連結することで、複数の分離エレメント２が、分離モジュール１０として一体に構成され、分離エレメント２としてではなく、分離モジュール１０としての単体移動や、輸送が可能になる。

分離モジュール１０は、ケーシング２０の取入口から流入した混合流体から、分離膜を通過可能な流体を選択分離した分離流体を、その外周方向に分離し、分離流体排出口２８から排出する。また、混合流体の一部を分離した後の残りの流体である残余流体は、分離エレメント２の軸心方向から排出される。

分離エレメント２は、混合流体を軸方向に通過する流路を有し、特定の流体成分を混合流体の流れ方向に直交するクロスフロー流として選択的に分離する。分離モジュール１０において、分離エレメント２は、直列配置する。

本実施形態に係る分離エレメントは、供給される流体の全量を分離するのではなく、原料流体を膜面に対し平行な流れとして供給し、並行流と直交する方向に特定の流体成分を膜分離するクロスフロー方式であり、直列に連結配置することにより、膜面積が増加して、分離能力が向上する。例えば、以下に示すような態様がある。

図２Ａは、モノリス形状の分離エレメントの一例を示す図である。モノリス形状とは、全体が多数の細孔を有する円柱状の多孔質体からなり、流体の流路となる軸方向に複数の貫通孔が設けられた基材と、その複数の貫通孔の内壁に形成された、基材より平均細孔径が小さい多孔質膜とを有する形状である。図２Ａに示す分離エレメント２は、円柱状の多孔質体からなり、混合流体の流路となる複数の貫通孔３を有する基材と、複数の貫通孔３の内壁及び／又は柱状の多孔質体の外周面に設けられる基材より平均細孔径が小さく混合流体の一部が通過可能な多孔質を薄膜状形成した分離膜とを備えている。貫通孔を通過する混合流体のうち、分離膜から透過可能な特定の流体成分は、分離膜を通過して、分離流体として径方向に排出される。

図２Ｂは、円筒形状の分離エレメントの一例を示す図である。図２Ｂに示すように、流体の流路となる貫通孔３は、１つであってもよい。

図２Ｃは、貫通孔矩形の分離エレメントの一例を示す図である。図２Ｃに示す分離エレメントは、貫通孔３が矩形形状である。また、図２Ｃに示す貫通孔３の端面の一部を封止し、端部において隣接する貫通孔に流体を端部側で通過可能にすることで、流体経路を長くしてもよい。

図２Ｄは、チューブラー型の分離エレメントの一例を示す図である。チューブラー型は、バンドル等でチューブ３ａを多数本束ねて、片端あるいは両端を固定したものである。チューブ３ａそのものが分離機能を有する基材となる。

分離膜を構成する多孔質体の平均細孔径や基材を構成する多孔質体の平均細孔径は、要求される分離性能（透過すべき物質や捕集すべき物質の粒径）や流体透過量（処理量）に応じて適宜設計される。分離膜を構成する多孔質体の平均細孔径は約０．１ｎｍ〜１．０μｍ、基材を構成する多孔質体の平均細孔径は約１〜数１００μｍに構成されるのが一般的である。

分離エレメント２の基材および分離膜を構成する無機材料は、上記の多孔質体構造を形成可能な材料であれば特に制限はなく、例えば、ゼオライト、ジルコニア、αアルミナ、γアルミナ、シリカ、コージェライト、ムライト、酸化チタン、溶融シリカ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミニウムチタネート、リチウムアルミニウムシリケートなどが挙げられる。また、分離エレメント２は、炭素製であってもよい。

二酸化炭素（以下、ＣＯ２という）分離用の分離膜としては、例えば、ゼオライト膜がある。ゼオライト膜とは、ＤＤＲ（Ｄｅｃａ−Ｄｏｄｅｃａｓｉｌ
３Ｒ）型ゼオライトに代表される結晶構造中の細孔を利用してガス分離を行う膜である。ＣＯ２分離膜として好適に用いられるＤＤＲ型ゼオライトは、主たる成分がシリカ（ＳｉＯ２）であり、酸素８員環からなる細孔を含む多面体により形成されている。ＤＤＲ型ゼオライトの細孔径は４．４×３．６オングストロームと小さいので、ＣＯ２を選択的に分離することができる。

ＣＯ２分離用の分離膜を使うことで、例えば、メタンとＣＯ２を含む混合流体から、ＣＯ２を選択分離することができる。

また、水素分離用の分離膜としては、例えば、水素選択透過性金属膜がある。水素選択透過性金属膜とは、水素選択透過性金属（例えば、パラジウム（Ｐｄ）やパラジウム合金）が水素を溶解する性質を利用した膜である。

２．ケーシングに対する分離モジュールの収納又は取外し方法
図３は、ケーシングに対する分離モジュールの収納又は取外しを示す模式図である。分離モジュール１０は、ケーシング２０の筒状本体２６の内径に収納可能な寸法で構成されるため、矢印１００で示すように、分離モジュール１０を、ケーシングの一端から下方に押し込むことで収納し、又は、分離モジュール１０を、ケーシングの一端から上方に引くことにより、取り出すことができる。なお、図３では、分離モジュール１０は上下方向に収納又は取り外すように示すが、流体分離装置１を横置きした場合は、分離モジュール１０は水平方向に収納又は取り外される。

取り出した分離モジュール１０は、その場で連結治具９を取り外して分離エレメント２の交換もできるし、分離モジュール１０を別の作業場所に持ち込み精密に検査して必要な部分の修復や交換もすることができる。

このように、ケーシング２０内に、分離モジュール１０の一端から収納及び取外し可能である。したがって、特許文献２に開示される分離エレメント毎にフランジを取り外す分離装置と比して、分離エレメントの交換作業や流体分離装置を組み立てる際の施工性を大幅に向上することが可能になる。

図４は、流体分離装置の一例を示す断面図である。図４では、流体分離装置を構成する各構成要素をより詳細に説明する。分離対象となる流体は、ガス、液、および超臨界状態の流体のどれでもよい。

（Ａ）ケーシング
ケーシング２０は、混合流体の取入口２１、前記選択分離した流体を排出する分離流体排出口２８、及び前記選択分離した後の残余流体を排出する残余流体排出口２２を有する

ケーシング２０は、入口側蓋部材２４と出口側蓋部材２５と両部材２４、２５の間に設けられる筒状本体２６で構成されてもよい。その場合、入口側蓋部材２４と筒状本体２６の一端側にはフランジ部Ｆ１形成され、ガスケットやＯ−リングなどのシール部材を用いて密封状態に接続され、出口側蓋部材２５と筒状本体２６の他端側にもフランジ部Ｆ２が形成され、フランジ部Ｆ１と同様に密封状態に接続されている。流体分離装置１のケーシング２０にはそれ以外にはフランジ部はない。

ケーシング材料はステンレスなど処理条件や流体の腐食性などを考慮して用途に応じ適宜選択される。なお、図１では、筒状本体２６のみを示す。また、以下に示す図では、分離流体排出口２８は、残余流体出口付近にある分離エレメントの横に配置されるが、分離流体排出口２８は、各分離エレメントの位置に合わせて、ケーシング２０に設けてもよい。

また、ケーシングは、圧力が１〜１５ＭＰａＡの流体を保持可能な肉厚で構成されてもよい。

例えば、ＥＯＲ（Enhanced Oil Recovery）によって、油井から得られる原油随伴ガスからＣＯ２を分離する場合、原油と、ガスの減圧分離等を行う都合上、ガス圧力は低い。ガス体積流量を下げ、膜面積を小さくするために、ガス流体は、１ＭＰａＡを超える圧力に昇圧されて、流体分離装置１で処理される。

ガス田から放出される天然ガスからＣＯ２を分離して、残余流体としてメタンリッチガスを得る場合、天然ガスの圧力が極めて高く、設計圧力が１５ＭＰａＡとなる場合もある。そのため、流体分離装置１は高い耐圧性が求められる。例えば、「Pipe Flamges and Flanged Fittings（ＡＳＭＥ Ｂ１６．２−２００９）」によれば、ＥＯＲ処理ケースでは、設計圧力が１ＭＰａＡでもよいため、フランジの最小厚みは、３１．８ｍｍ（設計温度範囲「−２９〜１００°C」、ケーシング２０の内径１２インチ（class 150））であるが、天然ガス処理ケースでは、設計圧力が１５ＭＰａＡ（同サイズ）に及ぶ場合もあるため、フランジ最小厚みは、１２３．９ｍｍになる。

このように、流体の圧力が高くなると、フランジＦ１、Ｆ２の厚さが厚くなる。そのため、ケーシング中央に重く厚いフランジがあると、流体分離装置の重量が増加し、それによってメンテナンスが困難になるのに対して、本実施形態に係るケーシングは、中間部にフランジが無いため、メンテナンスが容易になる。

（Ｂ１）第１接続冶具
第１接続治具７は、分離エレメント２の流路を連通する開口を有し、分離エレメントの外径より大きい外径の円盤状であり、分離エレメント２の外周面側空間と、分離エレメント２間の空間とを隔離するように、隣接する分離エレメント２の間に設けられる。

第１接続冶具７は、ケーシング２０内において分離エレメント２を直列に密封可能に接続するように設けられ、分離エレメントとの接続部には、後述するシール部材Ｓが挟持される。第１接続冶具７は、外径はケーシング２０の内径より小さく分離エレメント２の外径より大きく、また、内径は分離エレメント２の外径より小さく構成している。

第１接続治具７の形状は、所望の機能が実現できれば特に、限定されない。図５Ａに示すように、内部に開口を有する環状部材であり、図４に示すように、第１接続冶具７の構成の一例は、垂直断面が略凸状になる。分離エレメントを連通する開口は複数あってもよい。

図５Ａは、図４のＥ−Ｅ線で切断して矢印方向にみた断面説明図である。第１接続治具７は、図４に示す垂直断面は、凸状であるが、図５Ａに示すように、水平断面は、開口のある円盤状になる。第１接続冶具７は、ケーシング２０の内径より小さい外径を有するので、ケーシング２０と、第１接続冶具７との間には、分離流体が通過可能な隙間１３がある。第１接続治具７は、分離エレメントを連通するための開口１４がある。

図５Ｂは、図４のＦ−Ｆ線で切断して矢印方向にみた断面説明図である。第１接続冶具７と、分離エレメント２との間には、シール部材Ｓが挟持され、流体の通過を遮断しているので、分離エレメント２の貫通孔を流れる流体が、分離エレメント外周面側空間に漏れることを防いでいる。

（Ｂ２）第２接続冶具
直列配置する複数の分離エレメント２の端面側空間と、分離エレメント２の流路とを連通する開口を有し、分離エレメント２の外径より大きい外径の円盤状であり、端面側空間と分離エレメントの外周面側空間とを隔離するように、直列配置する複数の分離エレメント２の両端に設けられる。

端面側空間と、分離エレメントの流路を連通する開口は複数あってもよい。図４に示されるように、第２接続治具８と、分離エレメント及びケーシングとの接続部には、後述するシール部材Ｓが挟持される。第２接続冶具８は、連結した分離エレメント２の端部に用いられ、図４に示すように、垂直断面が略Ｌ字状になる。なお、第２接続治具の水平断面は図示しないが、第１接続治具７と同様に、水平断面は、開口のある円盤状になる。

直列配置する複数の分離エレメント２の両端部に設ける第２接続冶具８は、それぞれ同じ形状でも異なってもよい。本実施例では、図１および図４、５に示すように同じ形状である。また、図４に示される第２接続冶具８は、フランジ部Ｆ１又はＦ２には直接固定されていない構成で、筒状本体２６にシール部材Ｓを介して間接的に接続される構成である。

（Ｂ４）シール部材
シール部材Ｓは、前記第２接続冶具と、前記ケーシングの内周面とに接触することにより、前記直列配置する複数の分離エレメントの端面側空間と分離エレメントの外周面側空間とを隔離するシール部材を、を有する。

分離モジュール１０を、ケーシング２０に収納又は取外し可能にするために、ケーシングと、第２接続冶具８とをフランジ固定せずに、シール部材Ｓで両者を密着する。

シール部材Ｓは、分離エレメントの外周面と第１接続冶具の内周面との間、第２接続冶具の外周面と筒状本体の内側側壁との間に設けられ、これにより、分離エレメントの貫通孔を流れる流体が、分離エレメント外周面側空間Ｂに漏れることを防ぎ、空間Ｂと、分離エレメントの端面空間Ｃとを隔離して、流体の漏出を防ぐことで、特定の流体成分を効率的に分離できる。シール部材Ｓは、その形状や材質など特に限定されず、ゴム、シリコン樹脂などの弾性材料をＯ−リングやシート状のパッキンやガスケットなど適宜の形状に加工して使用することができる。

シール部材Ｓは、第１接続冶具７又は第２接続冶具８と筒状本体２６の内周面に挟み込まれ加圧されて、部材７又は８および筒状本体２６の内周面に圧着することが好ましい。シール部材Ｓは、部材７又は８と筒状本体２６によって挟み込み加圧することによって、シール部材Ｓと内周面との密着性およびシール部材Ｓと部材７又は８との密着性を上げて、流体の漏出量が極めて微量にまで抑制される。

（Ｂ３）連結治具
連結治具は、第１及び第２接続治具を連結する。連結治具は、例えば、軸方向長さの調整可能な棒状で締結部がボルトナットで構成するロッドである。

連結治具９は、隣接する第１接続冶具７および第２接続冶具８とを着脱自在に連結可能な治具であり、板状でも棒状でもステンレスなどの金属でも強度が大きな高分子材料でもよい。図３では、ネジが切ってある棒状部材とナットで締め付け固定が可能なロッドアンドスペーサである。２つの第２接続冶具８を、第１接続冶具７を貫通したロッドで固定するようにすると、１つのロッドの回転で、２か所のネジ止めすることが必要になるので取り付けが困難になる。そこで、第２接続冶具８をネジで固定し、第１接続冶具７を、ナットで締め付け可能にする。

なお、この連結治具９は、隣接する接続冶具との間だけでなく、連結する分離エレメント２の数に応じて分離エレメント２本分以上の長さにしてもよい。

このように、連結治具９を、ロッドで構成することで、分離エレメントの軸方向の長さが変わっても、ロッドの長さを調整することで、分離モジュール内に分離エレメントを容易に固定することができる。

連結治具９は、均等に配置することが好ましく、図５Ａに示すように、第１接続冶具７は、８つの連結治具９（ロッド）を配置可能である。例えば、０°を起点として９０度の間隔で４本の連結治具９を、混合流体方向側に配置し、４５°を起点として別の４本の連結治具９を、残余流体側に配置することで、軸方向に不連続に設けるように配置することができる。第１接続冶具７では、連結治具９をボルトで締結している。

上記のように構成することにより、流体分離装置１は、ケーシング２０内に複数の分離エレメントを配置する際、分離エレメント毎にフランジを設けた従来の流体分離装置（特許文献２参照）と比較して、設置面積当たりの分離処理能力を減少させることなく、分離エレメント一基あたりの重量を軽くすることができ、流体分離装置設置時の操作性が向上する。そして、分離エレメント２の不具合が発生した場合の流体分離装置１の分解は、ケーシング２０の蓋部材を取り外すことで複数の分離エレメントを一体で取り出すことが可能となり、個々の分離エレメントの状態を確認することができ、交換作業などのメンテナンス時の施工性も向上する。

３．流体分離装置の変形例
図６は、３つの分離エレメントを有する流体分離装置を示す断面図である。図６に示すように、分離エレメント２は、２つ以上あってもよい。その場合、隣接する分離エレメントは３つとなり、隣接する分離エレメント間に設けられる第１接続冶具７は２つとなる。

図７は、第２接続冶具の第２例を示す断面図である。
前記第２接続冶具の一方が、その外径がケーシングの内径より大きく前記フランジで一体に固定可能な接続冶具であり、他方がケーシングの内径より小さい接続冶具であってもよい。

分離モジュール１０の抜き出し側に設けられる第２接続冶具は、図７に示す８Ａのような構造であってもよい。第２接続冶具８Ａは、フランジＦ１に固定され、図４に示される第２接続冶具８では必要となるケーシング内周面とのシール箇所が減るため、流体の漏出リスクを下げることができる。

また、第２接続冶具８Ａを適用した場合であっても、残余流体側の第２接続冶具は、図４に示される第２接続冶具８であり、ケーシング内径より小さい外径を有するので、分離モジュール１０のケーシングの一端から収納又は取り外しが可能である。

図８Ａは、第２接続冶具の第３例を示す断面図である。図８Ａに示される第２接続冶具８Ｂは、フランジ部Ｆ２に一体に固定される固定部材９にシール部材Ｓを介して間接的に接続される構成である。固定部材９の内径は、ケーシングの筒状本体２６よりも小さい。そのため、分離モジュール１０が混合流体の入口側から挿入されるとき、第２接続冶具８Ｂの外周面に設けられるシール部材Ｓは、筒状本体２６内面と接触せずに、固定部材９と密着することができる。

図８Ｂは、固定部材の一例を示す断面図である。図８Ｂに示される固定部材９は、入口側蓋部材２４又は出口側蓋部材２５と、筒状本体２６との間で挟持され、開口を有する円盤状であり、且つ、開口にケーシング２０の内径位置より中心方向に突起して、第２接続治具８と接触する突起部１５Ａを有する。分離モジュール１０を、ケーシング２０の一方から収納する際、分離モジュールの収納方向にある端部が、この突起部１５Ａに当たることで、分離モジュール１０の収納移動を拘束して、分離モジュール１０をケーシング２０内において適切な位置に固定配置することが可能である。また、図８Ａに示すように、固定部材９の内径を、ケーシングの筒状本体２６よりも小さくして、シール部材Ｓは、筒状本体２６内面と接触せずに、固定部材９と密着するようにしてもよい。

図８Ｃは、ケーシングの第２例を示す断面図である。ケーシング２０の末端部には、図８Ｂの固定部材９と同様に、中心方向に突起する突起部１５Ｂが形成されており、これにより、分離モジュール収納の際に分離モジュール１０をケーシング２０内において適切な位置に固定配置することが可能になる。

図９Ａは、連結治具の第２例を示す斜視図であり、図９Ｂは、連結治具の第２例を示す断面図である。図９Ａに示す連結治具９Ａは、筒状のものであり、分離流体を通過する開口１２を有し、第１接続冶具７、第２接続冶具８に、ボルトナットのような締結部材１１で止められることで、第１接続冶具７、第２接続冶具８を一体成型する。連結治具を、筒状とすることで、保持強度を上げることができる。

図１０は、直列配置した複数の分離エレメントセットを並列配置して収納する分離モジュールを備える流体分離装置の一例を示す断面図である。図１０に示す流体分離装置１Ａは、直列配置した複数の分離エレメントセットを並列配置して、所望の分離処理能力に加えて、処理流量をあげることができる。このようにすることで、処理流量が大きいた場合、並列配置される流体分離装置の数を減らすことができる。なお、図１０に示す第１接続治具７Ｃと、第２接続治具８Ｃは、図４に示す第１接続治具７と、第２接続治具８に、それぞれ、分離エレメントセットの数に応じて、開口を増やしたものである。第１接続冶具７と第２接続冶具８との間に分離エレメントセットを挟み込み、連結治具９により第１接続冶具７と第２接続冶具８とを連結することで、複数の分離エレメントセットが、分離モジュール１０として一体に構成される。なお、第１接続治具７Ｃと、第２接続治具８Ｃは、図７〜図８Ｃに示す変形例も適用されてもよい。

４．流体分離装置の適用例
図１１は、流体分離装置を、天然ガス田に適用した一例を示す図である。
流体分離装置１は、コンデンセート、水、不純物等を取り除く前処理設備の後段に配置され、ＣＯ２を分離する。ＣＯ２を分離した後のガスは、ＬＮＧプラントの原料ガスや、そのまま都市ガス等として利用される。現在、ＣＯ２を多数含む天然ガス田が多数見つかっており、ＣＯ２リッチなガス田の利用が注目されているが、ＣＯ２分離の際、膜分離は、従来のアミン溶剤等によるＣＯ２の吸収分離法と比して、イニシャルコスト、アミンのメイクアップ等に要するオペレーションコストの低下、加えてプロットの小型化等の効果を奏する。

以上説明した実施形態は典型例として挙げたに過ぎず、その各実施形態の構成要素の組合せ、変形及びバリエーションは当業者にとって明らかであり、当業者であれば本発明の原理及び請求の範囲に記載した発明の範囲を逸脱することなく上述の実施形態の種々の変形を行えることは明らかである。

Claims (11)

1. 混合流体から特定の流体成分を選択分離する流体分離装置において、
   混合流体の取入口、選択分離した流体を排出する分離流体排出口、及び前記選択分離した後の残余流体を排出する残余流体排出口を有するケーシングと、
   前記混合流体を軸方向に通過する流路を有し、特定の流体成分を混合流体の流れ方向に直交するクロスフロー流として選択的に分離する複数の分離エレメントを直列配置して、前記ケーシングの一端から収納可能な分離モジュールと、を備え、
   前記分離モジュールは、
   前記流路を連通する開口を有し、前記分離エレメントの外周面側空間と、前記分離エレメント間の空間とを隔離するように、隣接する分離エレメントの間に設ける第１接続治具と、
   前記直列配置する複数の分離エレメントの端面側空間と、前記流路とを連通する開口を有し、前記端面側空間と分離エレメントの外周面側空間とを隔離するように、前記直列配置する複数の分離エレメントの両端に設ける第２接続治具と、
   前記第１及び第２接続治具を連結する連結治具とを有することを特徴とする流体分離装置。
2. 前記第２接続治具と、前記ケーシングの内周面とに接触することにより、前記直列配置する複数の分離エレメントの端面側空間と分離エレメントの外周面側空間とを隔離するシール部材をさらに備える請求項１に記載の流体分離装置。
3. 前記ケーシングは、前記取入口を設けた入口側蓋部材と、前記残余流体排出口を設けた出口側蓋部材と、前記分離流体排出口を設けるとともに、前記分離モジュールを格納する筒状本体とを有し、前記入口側蓋部材及び出口側蓋部材の少なくとも１つと筒状本体との間はフランジで密封状態に接続可能となっており、
   前記入口側蓋部材又は出口側蓋部材と、前記筒状本体との間で挟持され、開口を有する円盤状であり、且つ、前記開口に前記ケーシングの内径より中心方向に突起して、前記第２接続治具と接触する突起部を有する固定部材をさらに備える請求項１又は２に記載の流体分離装置。
4. 前記ケーシングは、前記取入口を設けた入口側蓋部材と、前記残余流体排出口を設けた出口側蓋部材と、前記分離流体排出口を設けるとともに、前記分離モジュールを格納する筒状本体とを有し、前記入口側蓋部材及び出口側蓋部材の少なくとも１つと筒状本体との間はフランジで密封状態に接続可能となっており、
   前記第２接続治具は、前記入口側蓋部材又は出口側蓋部材を取り外し後に、着脱可能なように、前記筒状本体に設けられる請求項１〜３の何れか１項に記載の流体分離装置。
5. 前記ケーシングは、圧力が１〜１５ＭＰａＡの流体を保持可能な肉厚で構成される請求項１〜４の何れか１項に記載の流体分離装置。
6. 前記第２接続治具の一方が、その外径がケーシングの内径より大きく前記フランジで一体に固定可能であり、他方がケーシングの内径より小さい請求項３または４に記載の流体分離装置。
7. 前記連結治具は、軸方向長さの調整可能な棒状で締結部がボルトナットで構成するロッドである請求項１〜６の何れか１項に記載の流体分離装置。
8. 前記連結治具は、筒状である請求項１〜７の何れか１項に記載の流体分離装置。
9. 前記分離モジュールは、直列配置した複数の分離エレメントを、並列配置して収納する請求項１〜８の何れか１項に記載の流体分離装置。
10. 混合流体から特定の流体成分を選択分離する流体分離装置を用いた混合流体の選択分離方法であって、
    前記流体分離装置は、混合流体の取入口、選択分離した流体を排出する分離流体排出口、及び前記選択分離した後の残余流体を排出する残余流体排出口を有するケーシングと、前記混合流体を軸方向に通過する流路を有し、特定の流体成分を混合流体の流れ方向に直交するクロスフロー流として選択的に分離する複数の分離エレメントを直列配置して、前記ケーシングの一端から収納可能な分離モジュールと、を備え、
    前記分離モジュールは、
    前記流路を連通する開口を有し、前記分離エレメントの外周面側空間と、前記分離エレメント間の空間とを隔離するように、隣接する分離エレメントの間に設ける第１接続治具と、
    前記直列配置する複数の分離エレメントの端面側空間と、前記流路とを連通する開口を有し、前記端面側空間と分離エレメントの外周面側空間とを隔離するように、前記直列配置する複数の分離エレメントの両端に設ける第２接続治具と、
    前記第１及び第２接続治具を連結する連結治具とを有し、
    前記選択分離方法は、
    前記分離エレメントで、特定の流体成分を混合流体の流れ方向に直交するクロスフロー流として選択的に分離し、
    前記第１接続治具で、前記選択分離された流体と、混合流体とを隔離し、
    前記第２接続治具で、前記選択分離された流体と、混合流体とを隔離することを特徴とする混合流体の選択分離方法。
11. 前記混合流体は、１〜１５ＭＰａＡの圧力である請求項１０に記載の混合流体の選択分離方法。

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