JP5663634B2 - 分離膜モジュールの膜分離部材、分離膜モジュールにおける膜分離部材の取付装置および分離膜モジュール - Google Patents

Description

本発明は、例えば、水と有機溶剤等を含む混合液を、無水化するための分離膜モジュールに関する。

ゼオライト結晶は、結晶中に分子サイズ程度の細孔を有し、ゼオライトの分子の大きさや、形状により分子を選択的に通過させる分子ふるいの性質を有している。ゼオライトは、この分子ふるいの性質を利用してガス分離膜や、逆透気化分離、逆浸透分離、ガスセンサー等への分野に応用されている。とりわけ、ゼオライト膜を、水と有機溶剤等を含む混合液から有機溶剤等を分離する分離膜として利用することが現在注目されている。

前記ゼオライトを用いた分離膜により、有機溶剤を分離する分離膜モジュールとしては、例えば、管状支持体の表面にゼオライト膜を形成した管状分離膜を複数設置し、その外側に水と有機物の混合液（または混合蒸気）を通すことで、水分のみを膜に透過させ、水と有機溶剤等を含む混合液から有機溶剤等を分離するものであり、前記管状分離膜を複数並列に配置し、管状分離膜は、閉塞端を自由端とすると共に、開口端を固定端とし、この固定端に外周にネジ部を有する管端部材を取付け、この管端部材を管板に螺合して片持状に支持したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

上記分離膜モジュールでは、管状分離膜に対して直交する方向に水と有機物の混合液が流れるため、管状分離膜に応力がかかり、管状分離膜や管状分離膜と管端部材の継ぎ目のシール部等に余分な荷重がかかり、また、管状分離膜と管端部材がチューブ振動を起こす可能性があり、管状分離膜にクラックが発生したり、シール部の破損が発生するという問題点があった。

特開平８−１３１７８２号公報

本発明の請求項１に係る分離膜モジュールの膜分離部材は、セラミックスからなる垂直管状支持体表面にゼオライト膜を形成してなる分離膜と、分離膜の上端にこれに連通させられるように接続されている垂直筒状上エンドピースと、分離膜の下端にこれを閉鎖するように接続されている垂直ロッド状下エンドピースとを備えており、上エンドピースの下端面に、分離膜の上端開口に嵌め入れられた嵌合筒部が設けられており、上エンドピースの下端面と分離膜の上端面との間に上隙間が生じさせられ、この上間隙に、ガラス粉末を圧縮成型した上ガラスシールリングが挿入されており、下エンドピースの上端面に、分離膜の下端開口に嵌め入れられた嵌合丸棒部が設けられており、分離膜の下端面と下エンドピースの上端面との間に下間隙が生じさせられ、この下間隙に、ガラス粉末を圧縮成型した下ガラスシールリングが挿入されているものである。

本発明の請求項２に係る分離膜モジュールの膜分離部材は、請求項１に係る分離膜モジュールの膜分離部材において、分離膜の外径と、上エンドピースおよび下エンドピースの外径とが等しくなされているものである。

本発明の請求項３に係る分離膜モジュールにおける膜分離部材の取付装置は、請求項１または２に係る膜分離部材を、分離膜モジュールのモジュール本体内に水平状に設けられた管板に吊下状態に取り付けるための取付装置であって、管板に上下貫通状固定孔が形成され、固定孔の周面には、その下端に内向きフランジが形成されているとともに、フランジの上方に雌ねじが形成されており、固定孔のフランジ上方に、膜分離部材の上エンドピースの上端を取り囲んでいる筒状保持部材が挿入され、保持部材の外面には、雌ねじにねじ嵌められた雄ねじが形成されており、フランジと保持部材の下端との間にＯリングが介在されており、Ｏリングは、保持部材の下端面で押圧されて上下に押し潰れるように弾性変形させられることにより、その内面が上エンドピースの外面に接触させられているとともに、その外面が固定孔の周面に接触させられており、Ｏリングの内面および上エンドピースの外面相互の摺動抵抗によって、膜分離部材が吊下状態に保持されているものである。

本発明の請求項４に係る分離膜モジュールにおける膜分離部材の取付装置は、請求項３に係る分離膜モジュールにおける膜分離部材の取付装置において、フランジとＯリングとの間に環状リング受けが介在され、Ｏリングと保持部材の下端との間にリング状スペーサが介在されているものである。

本発明の請求項５に係る分離膜モジュールにおける膜分離部材の取付装置は、請求項１または２に係る膜分離部材を、分離膜モジュールのモジュール本体内に水平状に設けられた管板に吊下状態に取り付けるための取付装置であって、管板に上下貫通状固定孔が形成され、固定孔の周面には、その下端に内向きフランジが形成されているとともに、フランジの上方に雌ねじが形成されており、固定孔のフランジ上方に、膜分離部材の上エンドピースの上端を取り囲んでいる筒状保持部材が挿入され、保持部材の外面には、雌ねじにねじ嵌められた雄ねじが形成されており、フランジと保持部材の下端との間にポリテトラフルオロエチレンよりなる横断面略Ｕ字状の環状シール材がその開口を下向きにして介在されており、シール材は、上向きの流体圧によってその開口が広がるように弾性変形させられることにより、その内面が上エンドピースの外面に接触させられているとともに、その外面が固定孔の周面に接触させられており、シール材の内面および上エンドピースの外面相互の摺動抵抗によって、膜分離部材が吊下状態に保持されているものである。

本発明の請求項６に係る分離膜モジュールにおける膜分離部材の取付装置は、請求項３〜５のいずれか１つに係る分離膜モジュールにおける膜分離部材の取付装置において、保持部材の上面に、膜分離部材が保持部材から上方に抜け出すのを阻止しうる抜止リングが固定されているものである。

本発明の請求項７に係る分離膜モジュールは、モジュール本体内上部に、管板が水平状に設けられており、管板に、複数の垂直筒状膜分離部材が並列状に吊り下げられており、各膜分離部材の上端開口は管板上方に開放され、各膜分離部材の下端開口は閉鎖されており、管板の下方に上流体通路を形成するように水平状上仕切板が設けられ、モジュール本体内下部に下流体通路を形成するように水平状下仕切板が設けられており、各膜分離部材を間隙をおいて取り囲むように垂直状外管が上下の仕切板に渡されており、各膜分離部材およびこれを取り囲む外管間の間隙上端は、上流体通路に連通させられ、その下端は、下流体通路に連通させられ、下流体通路内に垂直状仕切板が設けられており、仕切板の両側にそれぞれ位置させられるように下流体通路に流体入口および流体出口が設けられており、各膜分離部材が、請求項１または２に係る膜分離部材よりなるものである。

本発明の請求項８に係る分離膜モジュールは、請求項７に係る分離膜モジュールにおいて、各膜分離部材が、請求項３〜６のいずれか１つに係る取付装置によって、管板に吊下状態に取り付けられているものである。

この発明による分離膜モジュールの垂直縦断面図である。 同分離膜モジュールの膜分離部材の詳細を示す側面図である。 同膜分離部材の上端部付近を詳細に示す断面図である。 図３で示す部分の変形例を示す断面図である。 同膜分離部材の下端部付近を詳細に示す断面図である。 図５で示す部分の変形例を示す断面図である。 図１に示す分離膜モジュールの変形例を示す垂直縦断面図である。

この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。

図１を参照すると、分離膜モジュールは、密封容器として構成されているモジュール本体11と、モジュール本体11内に並列状に配置されて収容されている複数の垂直棒状膜分離部材12と、各膜分離部材12の上端部を除いた部分を取り囲んでいる膜分離部材12と同数の外管13とを備えている。

モジュール本体11は、上端開口垂直筒状胴体21と、胴体21の頂部に着脱自在に取付けられているドーム状蓋体22とよりなる。

胴体21および蓋体22の間には水平状管板31が挟み止められている。管板31の下方には水平状上仕切板33が設けられ、管板31および上仕切板33間には上流体通路34が形成されている。胴体21の底面近くには水平状下仕切板35が設けられ、下仕切板35の下方には下流体通路36が形成されている。下仕切板35の下面にそって、多孔板またはメッシュ製水平状支持板37が拡がっている。

下流体通路36内には垂直仕切板41が設けられており、これにより、下流体通路36が、入口通路42および出口通路43に仕切られている。入口通路42に連通させられるように流体入口44が設けられている。出口通路43に連通させられるように第１流体出口45が設けられている。蓋体22には第２流体出口46が設けられている。流体入口44、第１流体出口45および第２流体出口46は、ともに、各膜分離部材12の軸線と平行する方向、換言するならば、垂直方向に向けられている。

各膜分離部材12は、管板31に吊下げられたものであって、セラミックスからなる垂直管状支持体表面に、ゼオライト膜を形成してなる分離膜61と、分離膜61の上端にこれに連通させられるように接続されている垂直筒状上エンドピース63と、分離膜61の下端にこれを閉鎖するように接続されている垂直ロッド状下エンドピース65とよりなる。分離膜61の外径と、上エンドピース63および下エンドピース65の外径とは等しい。

外管13の上端は、分離膜61の上端とほぼ同レベルである。外管13の下端は、下エンドピース65の下端とほぼ同レベルである。外管13および分離膜61間の間隙上端は、上流体通路34に連通させられている。外管13および下エンドピース65間の間隙下端は、下流体通路36に連通させられている。

図３に詳細に示すように、管板31の、各膜分離部材12と対応するか所には、垂直円筒状周面を有する上下貫通状固定孔51が形成されている。固定孔51の周面下端には内向きフランジ53が設けられるとともに、フランジ53の上方には雌ねじ52が形成されている。固定孔51のフランジ53上方には、上エンドピース63の上端を取り囲んでいる筒状保持部材71が挿入されている。保持部材71の外面には、雌ねじ52にねじはめられた雄ねじ72が形成されている。保持部材71の上面には六角外面付抜止リング73が保持部材71と同心状に固定されている。

フランジ53上には横断面逆Ｌ字状環状リング受け81がのせられ、これに、Ｏリング82が受けられている。Ｏリング82の上にはリング状スペーサ83が載せられ、これを、保持部材71の下端面によって押圧している。Ｏリング82は、若干上下に押潰されるように弾性変形させられ、これにより、Ｏリング82の内面が上エンドピース63の外面に摺接させられている。Ｏリング82の内面および上エンドピース63の外面相互の摺動抵抗によって、膜分離部材12が吊下状態に保持されるようになっている。また、Ｏリング82が押潰され変形することでＯリング82の内面と上エンドピース63の外面および、Ｏリング82の外面と固定孔57の周面が接触することでシールされ、各膜分離部材12と外管13間の隙間を通過する被分離流体と、膜分離部材12を通過した流体との混合を防いでいる。

分離膜モジュールの運転時には、膜分離部材12の内外の圧力差によって、膜分離部材12に上向きの力が加わるために、膜分離部材12が保持部材71から上方に抜出さないように抜止リング73が膜分離部材12を抑えるようになっている。

上エンドピース63の下端面には、分離膜61の上端開口にはめ入れられた嵌合筒部91が設けられている。上エンドピース63の下端面および分離膜61の上端面間には上間隙が生じさせられている。この上間隙には、ガラス粉末を圧縮成型した上ガラスシールリング92が挿入されている。

図４は、図３に示すＯリング82に代えて、オムニリング101を採用した例を示すものである。オムニリング101は、テフロン（登録商標）製シール材によって、横断面略Ｕ字状に形成されたものである。オムニリング101に上向きの流体圧が作用させられると、オムニリング101のなすＵ字が拡がるようにオムニリング101が弾性変形し、オムニリング101の両側面がシール面と接触させられるようになっている。

図５に、下エンドピース65が詳細に示されている。下エンドピース65の上面には、分離膜61の下端開口に嵌め入れられた嵌合丸棒部111が設けられている。分離膜61の下端および下エンドピース65の上端面間には下間隙が生じさせられている。下間隙には、上ガラスシールリング62と同様の下ガラスシールリング112が挿入されている。

下エンドピース65外面下端には複数の水平丸棒状突起113が放射状に設けられている。外管13内面および突起113先端面間には僅かな隙間がある。膜分離部材12の振動によって、膜分離部材12上端部の吊下部分に作用する過大な応力を突起113によって防止するようにしている。また、この突起113により、外管13の内面と膜分離部材12とが接触することを防ぎ、外管13の内面と突起113の僅かな隙間により、膜分離部材12を外管13からスムーズに挿入・取付することができる。

下エンドピース65の下端面は、支持板37上面に接触するか、僅かだけ浮いていてもよい。要は、膜分離部材12が胴体21の底部に落ち込むことを防止できればよい。

図６は、図５に示す水平丸棒状突起113に代えて、垂直板状突起114を採用した例を示すものである。

被分離流体は、流体入口44から下流体通路36に導入される。導入された被分離流体は、下流体通路36から、仕切板41の一方の側にある膜分離部材12および外管13間の間隙を通って、上流体通路34まで導かれる。上流体通路34まで導かれた被分離流体は、上流体通路34内で反転させられ、仕切板41の他方の側にある膜分離部材12および外管13間の間隙を通って、下流体通路36まで導かれ、第１流体出口45を通じて、下上流体通路34から導出される。一方、膜分離部材12を通過した流体は、第２流体出口46を通じて、胴体21の頂部から排出される。この間に、膜分離部材12に対し、その軸線と平行する方向から、流体は流入し、流出するため、流体の流れによって膜分離部材12に与えられる振動は、最小限に抑制される。

以上は、２パス方式の分離膜モジュールについて説明した。図７に、４パス方式の分離膜モジュールが示されている。この場合、上流体通路34内には、これを２分割する１つの上仕切板121が設けられるとともに、下流体通路36内には、これを３分割する２つの下仕切板122が設けられている。これらの上仕切板121および下仕切板122の配列以外の構成は、２パス方式の分離膜モジュールの構成と同じである。対応する部分には、同一の符号を付して、その詳しい説明は、省略する。

11 モジュール本体
12 膜分離部材
13 外管
31 管板
33 上仕切板
34 上流体通路
35 下仕切板
36 下流体通路
41 仕切板
44 流体入口
45 流体出口
51 固定孔
52 雌ねじ
53 フランジ
61 分離膜
63 上エンドピース
65 下エンドピース
71 保持部材
72 雄ねじ
73 抜止リング
81 リング受け
82 Ｏリング
83 スペーサ
91 （上エンドピースの）嵌合筒部
92 上ガラスシールリング
101 横断面略Ｕ字状の環状シール材
111 （下エンドピースの）嵌合丸棒部
112 下ガラスシールリング

Claims (8)

1. セラミックスからなる垂直管状支持体表面にゼオライト膜を形成してなる分離膜と、分離膜の上端にこれに連通させられるように接続されている垂直筒状上エンドピースと、分離膜の下端にこれを閉鎖するように接続されている垂直ロッド状下エンドピースとを備えており、
   上エンドピースの下端面に、分離膜の上端開口に嵌め入れられた嵌合筒部が設けられており、
   上エンドピースの下端面と分離膜の上端面との間に上隙間が生じさせられ、この上間隙に、ガラス粉末を圧縮成型した上ガラスシールリングが、上エンドピースの下端面、分離膜の上端面および嵌合筒部の外周面と接するように挿入されており、
   下エンドピースの上端面に、分離膜の下端開口に嵌め入れられた嵌合丸棒部が設けられており、
   分離膜の下端面と下エンドピースの上端面との間に下間隙が生じさせられ、この下間隙に、ガラス粉末を圧縮成型した下ガラスシールリングが、分離膜の上端面、下エンドピースの上端面および嵌合丸棒部の外周面と接するように挿入されている、分離膜モジュールの膜分離部材。
2. 分離膜の外径と、上エンドピースおよび下エンドピースの外径とが等しくなされている、請求項１記載の分離膜モジュールの膜分離部材。
3. 請求項１または２記載の膜分離部材を、分離膜モジュールのモジュール本体内に水平状に設けられた管板に吊下状態に取り付けるための取付装置であって、
   管板に上下貫通状固定孔が形成され、固定孔の周面には、その下端に内向きフランジが形成されているとともに、フランジの上方に雌ねじが形成されており、
   固定孔のフランジ上方に、膜分離部材の上エンドピースの上端を取り囲んでいる筒状保持部材が挿入され、保持部材の外面には、雌ねじにねじ嵌められた雄ねじが形成されており、
   フランジと保持部材の下端との間にＯリングが介在されており、Ｏリングは、保持部材の下端面で押圧されて上下に押し潰れるように弾性変形させられることにより、その内面が上エンドピースの外面に接触させられているとともに、その外面が固定孔の周面に接触させられており、Ｏリングの内面および上エンドピースの外面相互の摺動抵抗によって、膜分離部材が吊下状態に保持されている、分離膜モジュールにおける膜分離部材の取付装置。
4. フランジとＯリングとの間に環状リング受けが介在され、Ｏリングと保持部材の下端との間にリング状スペーサが介在されている、請求項３記載の分離膜モジュールにおける膜分離部材の取付装置。
5. 請求項１または２記載の膜分離部材を、分離膜モジュールのモジュール本体内に水平状に設けられた管板に吊下状態に取り付けるための取付装置であって、
   管板に上下貫通状固定孔が形成され、固定孔の周面には、その下端に内向きフランジが形成されているとともに、フランジの上方に雌ねじが形成されており、
   固定孔のフランジ上方に、膜分離部材の上エンドピースの上端を取り囲んでいる筒状保持部材が挿入され、保持部材の外面には、雌ねじにねじ嵌められた雄ねじが形成されており、
   フランジと保持部材の下端との間にポリテトラフルオロエチレンよりなる横断面略Ｕ字状の環状シール材がその開口を下向きにして介在されており、シール材は、上向きの流体圧によってその開口が広がるように弾性変形させられることにより、その内面が上エンドピースの外面に接触させられているとともに、その外面が固定孔の周面に接触させられており、シール材の内面および上エンドピースの外面相互の摺動抵抗によって、膜分離部材が吊下状態に保持されている、分離膜モジュールにおける膜分離部材の取付装置。
6. 保持部材の上面に、膜分離部材が保持部材から上方に抜け出すのを阻止しうる抜止リングが固定されている、請求項３〜５のいずれか１つに記載の分離膜モジュールにおける膜分離部材の取付装置。
7. モジュール本体内上部に、管板が水平状に設けられており、
   管板に、複数の垂直筒状膜分離部材が並列状に吊り下げられており、
   各膜分離部材の上端開口は管板上方に開放され、各膜分離部材の下端開口は閉鎖されており、
   管板の下方に上流体通路を形成するように水平状上仕切板が設けられ、モジュール本体内下部に下流体通路を形成するように水平状下仕切板が設けられており、
   各膜分離部材を間隙をおいて取り囲むように垂直状外管が上下の仕切板に渡されており、
   各膜分離部材およびこれを取り囲む外管間の間隙上端は、上流体通路に連通させられ、その下端は、下流体通路に連通させられ、
   下流体通路内に垂直状仕切板が設けられており、仕切板の両側にそれぞれ位置させられるように下流体通路に流体入口および流体出口が設けられており、
   各膜分離部材が、請求項１または２記載の膜分離部材よりなる、分離膜モジュール。
8. 各膜分離部材が、請求項３〜６のいずれか１つに記載の取付装置によって、管板に吊下状態に取り付けられている、請求項７記載の分離膜モジュール。

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