JP6217370B2 - 分離膜モジュール - Google Patents

Description

本発明は、中空糸膜を用いてガスや液体などの流体の分離を行う分離膜モジュールに関する。

従来、選択的透過性を有する分離膜を用いてガスや液体などの分離（例えば、酸素分離、窒素分離、水素分離、水蒸気分離、二酸化炭素分離、有機蒸気分離等）を行う分離膜モジュールとしては、プレート及びフレーム型、チューブラー型、中空糸型などがある。そのなかでも、多数の中空糸からなる中空糸束を容器内に装着したシェルチューブ構造の分離膜モジュールは、小型で有効膜面積を大きくできるという利点を有するだけでなく、耐圧性、自己支持性の点においても優れているので、混合流体から工業的に特定成分を高効率で分離・濃縮する有用な技術であり、種々の用途に利用されている。

上述したシェルチューブ構造の分離膜モジュールは一般に、特許文献１に記載されているとおり、複数本の中空糸を円筒状に束ねた中空糸束となし、この中空糸束を、円筒形をした容器内に収容した構造をしている。この中空糸束は例えば、特許文献２に記載されているとおり、例えば緯糸が中空糸膜である織物状の長尺のシートを渦巻き状に巻いて捲回体となし、該捲回体の端部を結束することで製造される。このようにして得られた捲回体からなる中空糸束は円柱状をしている。したがってこの中空糸束は、円筒形をした容器内に容易に収容することができ、しかも中空糸束と容器との間に無駄なデッドスペースが生じることはない。

ところで、分離膜モジュールには、上述した円柱状の形状をしたもののほかに、箱形の形状をしたものも知られている。箱形の形状をした分離膜モジュールは、これを複数個集積して用いる場合にモジュール間に空隙が生じないという利点を有する。しかし、上述した円柱状をした中空糸束を用いて箱形の形状をした分離膜モジュールを組み立てる場合、該中空糸束を箱形の容器内に収容させづらいという欠点がある。しかも収容状態において中空糸束と容器の内壁と間に空隙が発生してしまう。

特開２０１３−６６８４９号公報 特開平６−３４３号公報

したがって本発明の課題は、前述した従来技術が有する欠点を解消し得る分離膜モジュールを提供することにある。

本発明は、流体の分離性能を有する中空糸膜を織物状にしたシート状エレメントを複数積層してなるスタック体と、該スタック体を収容するケーシングとを具備する分離膜モジュールであって、
前記シート状エレメントにおける緯糸又は経糸として前記中空糸膜を用い、
前記シート状エレメントにおける前記中空糸膜の延びる方向と直交する方向での前記ケーシングの断面を略矩形状となした、分離膜モジュールを提供するものである。

本発明によれば、中空糸束を容器内に容易に収容することができ、しかも収容された中空糸束と容器との間に空隙が生じにくい分離膜モジュールが提供される。

図１は、本発明の分離膜モジュールの要部を模式的に示す斜視図である。 図２は、図１に示す分離膜モジュールの分解斜視図である。 図３は、図１に示す分離膜モジュールの別の実施形態の構造を模式的に示す幅方向断面図である。 図４（ａ）及び（ｂ）は、図１に示す分離膜モジュールの更に別の実施形態の構造を模式的に示す幅方向断面図である。 図５は、図１に示す分離膜モジュールの構造を模式的に示す長手方向断面図である。 図６は、図１に示す分離膜モジュールの別の実施形態の構造を模式的に示す長手方向断面図である。

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。図１及び図２に示すとおり、本実施形態の分離膜モジュール１０は、複数のシート状エレメント２０を積層してなるスタック体３０と、スタック体３０を収容するケーシング４０とを具備している。シート状エレメント２０は、流体の分離性能を有する中空糸膜を織物状にしたものから構成されており、平面視して略矩形をしている。シート状エレメント２０は、緯糸及び経糸の少なくとも２種類の糸を織って形成されている。本実施形態においては、緯糸及び経糸の少なくとも一方に中空糸膜を用いている。緯糸及び経糸のうちのどちらの糸に中空糸膜を用いるかは、シート状エレメント２０の製造方法や織り方等に応じて適宜に決めることができる。

シート状エレメント２０の織り方としては、例えば平織りや綾織り、朱子織り、畳織り、すだれ織りなどを始めとして公知の織り方を適宜に採用することができる。これらの織り方のうち、中空糸膜と中空糸膜との間を通過する流体の通過抵抗が低くなる織り方を採用することが有利である。また、流体の分離時に十分な強度を示す織り方を採用することが有利である。これらの観点から、平織り、綾織り、朱子織り、畳織りなどの織り方を採用することが好ましい。

シート状エレメント２０は、これを構成する経糸及び緯糸の延びる方向とそれぞれ平行な辺を有する矩形状になっている。本実施形態における各シート状エレメント２０は、同寸・同形であるが、分離膜モジュール１０の具体的な用途に応じて各シート状エレメント２０の形状及び寸法を異ならせてもよい。例えば図３に示すとおり、経糸Ｗ及び中空糸膜からなる緯糸Ｃを用いて形成した複数枚のシート状エレメント２０Ａ，２０Ｂを積層してスタック体３０とする場合、幅の異なる２種類のシート状エレメント２０Ａ，２０Ｂを用い、相対的に幅狭のシート状エレメント２０Ａをスタック体３０の高さ方向の上部域及び下部域に配置するとともに、相対的に幅広のシート状エレメント２０Ｂをスタック体３０の高さ方向の中央域に配置することができる。このようなスタック体３０を用いる場合には、該スタック体３０を収容するケーシング４０は、その開口部の形状を、隅部がやや丸みを帯びた略矩形状とすることが好ましい。

個々のシート状エレメント２０を複数枚積層してスタック体３０とする場合には、各シート状エレメント２０における緯糸及び経糸の方向をそれぞれ一致させる。例えばシート状エレメント２０における緯糸が中空糸膜である場合には、スタック体３０を構成する各シート状エレメント２０における中空糸膜の方向がすべて一致するように、各シート状エレメント２０を積層することができる。あるいは一部のシート状エレメント２０における中空糸膜の方向が、他のシート状エレメント２０における中空糸膜の方向と異なっていてもよい。

シート状エレメント２０として、経糸の延びる方向と同方向に長い長尺帯状体を用いることもできる。この長尺帯状体を用いる場合には、例えば本出願人の先の出願に係る特開平６−３１１４３号公報の図１に記載されているものを採用することができる。具体的には、図４（ａ）に示すとおり、緯糸として中空糸膜を用い、経糸Ｗの延びる方向と同方向に長い長尺帯状体Ｂを、その幅方向に沿って（すなわち中空糸膜からなる緯糸方向に沿って）折り目Ｆができるように規則的に蛇腹状に折り重ねて、平面視して矩形状のスタック体３０を構成することが好ましい。図４（ａ）において緯糸は、紙面と直角な方向に延びている。

図４（ａ）においては、ケーシング４０の内幅よりも若干狭い幅で長尺帯状体Ｂを蛇腹状に折り重ねたが、これに代えて図４（ｂ）に示すとおり、ケーシング４０の内幅よりも十分に小さい幅で長尺帯状体Ｂを蛇腹状に折り重ねて、複数の幅狭スタック体３０Ａを形成し、幅狭スタック体３０Ａを、その幅方向に沿って並列配置してもよい。

スタック体３０において、各シート状エレメント２０は、その両側部の位置において互いに固定されていることが好ましい。固定位置は、シート状エレメント２０のうち、中空糸膜２１の延びる方向であるＹ方向と直交する方向（すなわちＸ方向）における両端部とする。例えば、シート状エレメント２０の緯糸が中空糸膜２１である場合には、経糸の両端部の位置において、各シート状エレメント２０を固定する。固定方法としては、例えば熱融着性を有する樹脂を用いた融着や、接着剤を用いた接着などの方法が挙げられる。また、シート状エレメント２０の固定方法として、本出願人の先の出願に係る特開平６−３１１４３号公報に記載の方法を採用することもできる。

シート状エレメント２０を積層する枚数は、目的とする分離膜モジュールの具体的な用途等に応じて適切に決めることができる。複数のシート状エレメント２０を積層して構成されるスタック体３０は、略直方体の形状のものとなる。この形状のスタック体３０においては、略直方体を構成する六面のうち、対向する二面の位置において、中空糸膜２１の端部が開口状態で露出している。図１及び図２においては、Ｙ方向の前後の端部において中空糸膜２１の端部が開口状態で露出している。

上述のスタック体３０を収容するケーシング４０は、その外形が略直方体である中空のものである。ケーシング４０の中空部は、スタック体３０の外形の形状と略相補形状となっている。ケーシング４０は、略直方体４０を構成する六面のうち、少なくとも対向する二面が開口して開口部４１を形成している。図２に示す開口部４１の形状は略矩形である。先に述べたスタック体３０は、この開口部４１を通じてケーシング４０内に収容される。図２に示すとおり、スタック体３０は、その収容状態において、該スタック体３０を構成するシート状エレメント２０の中空糸膜２１の各端部２２が、各開口部４１において開口するように、ケーシング４０内に収容される。したがって、スタック体３０がケーシング４０内に収容された状態においては、シート状エレメント２０における中空糸膜２１の延びる方向と直交する方向Ｘでのケーシング４０の断面は矩形状となっている。

図５に示すとおり、スタック体３０がケーシング４０内に収容された状態においては、中空糸膜の延びる方向であるＹ方向の両端部の位置において、スタック体３０が管板５０，５１によってケーシング４０の内壁に固定されている。管板５０，５１は、ケーシング４０のＸ方向の断面形状に対応した略矩形状に形成されている。管板５０，５１は、例えばポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリエステル、並びにポリアミドなどの熱可塑性樹脂、あるいはエポキシ樹脂やウレタン樹脂などからなる熱硬化性樹脂から構成することができる。管板５０，５１は、スタック体３０を構成する複数のシート状エレメント２０を一体に固着する役割を果たす。また管板５０，５１は、隣り合うシート状エレメント２０の間、及びシート状エレメント２０とケーシング４０の内面との間を密封する役割も果たす。なお、管板５０，５１とケーシング４０の内面との間の密封のために、必要に応じて他のシーリング手段が設けられていてもよい。

ケーシング４０の各開口部４１は、図５に示すとおり蓋体６０，６１によって閉塞されている。蓋体６０には混合流体導入口６２が設けられている。一方、蓋体６１には未透過流体排出口６３が設けられている。分離対象となる混合流体は、蓋体６０の混合流体導入口６２からモジュール１０内に導入される。導入された混合流体のうち、中空糸膜２１を透過した流体は、ケーシング４０に設けられた透過流体排出口４２からモジュール外に排出される。一方、中空糸膜２１を透過しなかった未透過流体は、蓋体６１の未透過流体排出口６３からモジュール外に排出される。なお、図５及び後述する図６においては、透過流体排出口４２が小さく描かれているが、透過流体排出口４２は大きな開口として形成してもよい。

ケーシング４０は、分離膜モジュール１０の使用時に高温流体や高圧流体あるいは減圧条件にさらされるものであるから、十分な強度と使用条件下での安定性が必要である。この観点から、ケーシング４０の材質は、金属、プラスチックやガラス繊維複合材料であることが好ましい。

シート状エレメント２０を構成する糸のうち、中空糸膜２１としては、従来公知のものを特に制限無く用いることができ、ガスや液体などの流体の分離性能を有するものであればどのような素材のものでもよい。例えば高分子材料を用いることができる。特にポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリカーボネートなどの常温（２３℃）でガラス状の高分子材料からなる中空糸膜は、ガス分離性能が良好であるので好適に用いられる。中空糸膜２１として無機材料を用いることもできる。そのような無機材料としては、例えば炭素、セラミックス及びガラスなどが挙げられる。

シート状エレメント２０は、その織り方にもよるが、例えば１００〜１，０００，０００本程度の中空糸膜２１を含んで構成されている。各シート状エレメント２０を構成するもう一方の糸の本数も、中空糸膜２１と同程度とすることができる。中空糸膜２１の太さは、例えば外径が５０μｍ以上２ｍｍ以下、特に５０μｍ以上１０００μｍ以下、とりわけ５０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。

シート状エレメント２０を構成する中空糸膜２１以外の糸としては、例えば天然繊維や合成繊維などを特に制限無く用いることができる。糸の太さは、シート状エレメント２０に十分な強度を付与できる程度であればよい。本発明の好適な実施形態においては、緯糸として中空糸膜２１を用い、経糸として中空糸膜以外の糸を用い、これらの糸から経糸の延びる方向に長い長尺帯状体を製造し、該長尺帯状体を緯糸の延びる方向に沿って規則的に又は不規則に裁断して得られたシート状エレメント２０を用いる。

以上の構成を有する分離膜モジュール１０によれば、断面が略矩形をしているケーシング４０内に、スタック体３０を収容する操作を容易に行うことができる。しかも、収容されたスタック体３０とケーシング４０との間に空隙が生じにくくなり、ケーシング４０内の限られた空間を有効活用できる。

本実施形態の分離膜モジュール１０を用いて混合流体を分離する場合には、例えば、以下のように行われる。まず、混合流体を、混合流体導入口６２から導入する。導入されたその混合流体は、管板５０の端面から各中空糸膜２１内に入り込み、その内部を下流側に向かって移動する。このとき、中空糸膜２１内の圧力がケーシング４０内の中空糸の外側空間の圧力よりも高いことが好ましい。例えば、混合流体を０．０１ＭＰａＧ〜１０ＭＰａＧの圧力で供給したり、中空糸の外側空間を減圧状態にしたりすることが好ましい。なお場合によっては、中空糸膜２１内の圧力よりも、中空糸２１の外側空間の圧力を高くしてもよい。導入された混合流体は、その一部が中空糸膜２１を選択的に透過し、中空糸膜２１外の空間へと送出され、透過流体排出口４２からモジュール外へ排出される。一方、未透過の流体はそのまま中空糸膜２１内を下流側に向かって流れ、下流側に位置する管板５１の端面から中空糸膜２１外へと送出されて、未透過流体排出口６３からモジュール外に排出される。

また、本実施形態の分離膜モジュール１０を用い、図６に示す装置によってガスを加湿することもできる。まず、乾燥している被加湿ガスを、混合流体導入口６２から導入する。導入された被加湿ガスは、管板５０の端面から各中空糸膜２１内に入り込み、その内部を下流側に向かって移動する。同時に、湿潤ガスを流体導入口４３からケーシング４０内の中空糸の外側空間に導入する。導入された湿潤ガスは、中空糸膜を挟んで被加湿ガスと向流方向に流れる。それぞれのガスは中空糸膜の内外の表面に接触して流れるので、水蒸気分圧が高い湿潤ガス側の水蒸気が、水蒸気分圧が低い被加湿ガス側へ中空糸膜を選択的に透過することによって加湿が行われる。湿潤ガスは、流体排出口４２からモジュール外へ排出される。

上述の手順に代えて、次の手順を採用することもできる。すなわち、湿潤ガスを、混合流体導入口６２から導入する。導入された湿潤ガスは、管板５０の端面から各中空糸膜２１内に入り込み、その内部を下流側に向かって移動する。同時に、乾燥している被加湿ガスを流体導入口４３からケーシング４０内の中空糸の外側空間に導入する。導入された被加湿ガスは、中空糸膜を挟んで湿潤ガスと向流方向に流れる。それぞれのガスは中空糸膜の内外の表面に接触して流れるので、水蒸気分圧が高い湿潤ガス側の水蒸気が、水蒸気分圧が低い被加湿ガス側へ中空糸膜を選択的に透過することによって加湿が行われる。被加湿ガスは、流体排出口４２からモジュール外へ排出される。

本実施形態の分離膜モジュールを用いた分離対象となる混合流体としては、例えば酸素、窒素、水素、二酸化炭素、水、アルコール類、エステル類、ケトン類、アミン類、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、脂環族炭化水素類、ハロゲン化炭化水素類、ハロゲン化合物などの少なくとも２種以上からなる気体又は液体が挙げられる。混合流体がガスである場合には、いわゆるガス分離法が適用でき、液体である場合には、膜に液体が接触するが膜を透過した成分は蒸気状態で分離される、いわゆるパーベーパレーション法が適用できる。

１０ 分離膜モジュール
２０ シート状エレメント
３０ スタック体
４０ ケーシング
５０，５１ 管板
６０，６１ 蓋体

Claims (1)

1. 流体の分離性能を有する中空糸膜を織物状にしたシート状エレメントを複数積層してなるスタック体と、該スタック体を収容するケーシングとを具備する分離膜モジュールであって、
   前記シート状エレメントにおける緯糸又は経糸として前記中空糸膜を用い、
   前記シート状エレメントとして、幅の異なる２種類のシート状エレメントを用い、
   相対的に幅狭のシート状エレメントを前記スタック体の高さ方向の上部域及び下部域に配置するとともに、相対的に幅広のシート状エレメントを前記スタック体の高さ方向の中央域に配置し、
   前記シート状エレメントにおける前記中空糸膜の延びる方向と直交する方向での前記ケーシングの断面を略矩形状となした、分離膜モジュール。

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