JP6409776B2

JP6409776B2 - 多管式分離膜モジュール

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Publication number: JP6409776B2
Application number: JP2015534313A
Authority: JP
Inventors: 林　幹夫; 幹夫林; 恭石羽; 武脇　隆彦; 隆彦武脇
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2034-08-28
Also published as: JPWO2015030148A1; WO2015030148A1

Description

本発明は溶液や混合気体等の流体から一部の成分を分離するために用いられる多管式分離膜モジュールに関する。

溶液又は混合気体中の成分を分離するための機器として多管式分離膜モジュールが知られている。この多管式分離膜モジュールに用いる分離膜エレメントは、分離すべき物質の分子程度の大きさの微細孔を有するゼオライト等からなる多孔質の分離膜を管状に形成したものである。溶液や混合気体等の流体から特定の成分を分離するためには、溶液の流体を分離膜エレメントの一方（外面）に接触させて、もう一方（内面）を減圧することにより、特定の成分を気化させ分離する方法や、溶液を気化させて気体状態で分離膜に接触させて、非接触面側を減圧して特定成分を分離する方法、加圧状態の混合気体を分離膜に接触させて特定の成分を分離する方法などが知られている。

このような、多管式分離膜モジュールにおいて、分離効率を高めるためには、分離対象となる溶液や混合気体等の流体を分離膜エレメントの全長にわたって効率よく接触させることが必要とされる。

特許文献１，２には、流体（液体または気体）を膜に効率よく接触させるために、多管式分離膜モジュール内にチューブ（管状分離膜）と直交状にバッフルを設けることが記載されている。

特許文献１の多管式分離膜モジュールにおいては、バッフルに設けた複数の孔にそれぞれチューブを挿通しており、該孔の内周面がチューブに接している。このため、該孔の内周面によってチューブの膜表面が覆われた構造となり、（バッフルの数）×（各バッフルの孔の数）×（該孔の内周面の面積）分だけ、チューブ膜の膜面積が減少し、膜分離効率が低下する。

特許文献２の多管式分離膜モジュールにおいては、バッフルのチューブ（管状ゼオライト分離膜）挿通孔の口径をチューブ外径よりも大きくし、孔の内周面とチューブ外周面との間に間隙を形成し、チューブの孔への挿通部分も膜分離に寄与させるようにしている。

しかしながら、特許文献２にあっては、バッフルの外周縁の一部を弦方向に切り欠き、被処理流体の大部分はこの切り欠き部分を通るようにしている。このため、特許文献２にあっては、１つのバッフルの一方の側（上流側）と他方の側（下流側）との流体圧の差が小さく、チューブ挿通孔内周面とチューブ外周面との間隙を被処理流体が高流速で通過することはない。

特許文献３には、多管式分離膜モジュールの各管状分離膜を僅かな間隙で包囲する管状部材を設け、この間隙に液体を高速で通過させるようにした多管式分離膜モジュールが記載されている。特許文献３によると、かかる構造としたことにより、管状分離膜近傍における流体の乱流が促進されると共に分離膜全体に流体が行き渡り、多管式分離膜モジュールの処理能力が向上する。

しかしながら、かかる特許文献３の多管式分離膜モジュールでは、管状分離膜の各々を包囲する管状部材を設けるため、モジュール重量が増加し、またコストも増大する。さらに、管状部材が占める部分には膜を設置できなくなるため、モジュール当りの管状分離膜の本数が少なくなり、膜面積が小さくなる。

また、特許文献３では、高圧側のガス線速を大きくするために高圧側のガス流路断面積を小さくし、さらに流路を段階的に小さくすることでステージカットが大きい場合にモジュール内の高圧側のガスのガス線速を大きく保つ構造となっているが、このガス線速は平均で計算されるガス線速であり、膜の各部分における線速の差異は考慮されていない。特にガスの流れの方向の変わる箇所では部分的に透過効率が低下する恐れがあった。

特許文献４には、モジュールのハウジング内を管状分離膜と平行な隔壁によって２個以上の空間に仕切り、その隔壁に仕切られた空間の間をガスが移動できるための流通孔を存在させることにより、各空間に納められた管状分離膜の高圧側ガス流れと、低圧側の透過ガス流れの両方共に、管状分離膜の有効長の２倍以上の距離を直列的に移動して管状分離膜に接触できる構造とした多管式分離膜モジュールが記載されている。

しかしながら、かかる特許文献４の多管式分離膜モジュールでは管状ガス分離膜に沿うガス流速は従来と同様である。

日本国特開平８−１３１７８１号公報日本国特開２０１３−３９５４６号公報国際公開第２００４／０３５１８２号日本国特開２００７−１６０２３８号公報

本発明は、多管式分離膜モジュール内の管状分離膜に沿う被処理流体の流速が大きく、これにより膜分離効率に優れたものとなり、しかも多管式分離膜モジュールの重量増加が回避される多管式分離膜モジュールを提供することを目的とする。

本発明の多管式分離膜モジュールは、筒状のハウジングと、該ハウジング内に該ハウジングの長手方向に配置された複数の管状分離膜と、該ハウジングに固定され、該管状分離膜を支持する支持板と、該管状分離膜が挿通された挿通孔を有し、該ハウジング内におい該支持板と略平行に配置された１または２以上のバッフルとを有する多管式分離膜モジュールにおいて、該挿通孔の内周面と管状分離膜の外周面との間に間隙が設けられており、前記挿通孔の孔長Ａと、該バッフルの挿通孔の内径Ｂと管状分離膜の外径Ｃの差との比Ａ／（Ｂ−Ｃ）が０．６７〜１０であることを特徴とする。

該バッフルの上流側の被処理流体の半分以上は、該間隙を通過して下流側に流入するよう構成されていることが好ましい。

前記複数の管状分離膜は、管状分離膜同士の最短距離が２ｍｍ〜１０ｍｍとなるように配置されていることが好ましい。

前記管状分離膜の両末端から２０ｃｍ以内の箇所にそれぞれバッフルが配置されていることを特徴とする。前記支持板は、ハウジングの両端側にそれぞれ配置されていることが好ましい。

本発明の多管式分離膜モジュールにあっては、ハウジング内に配置されたバッフルの挿通孔に管状分離膜が挿通されており、該挿通孔の内周面と間隙分離膜の外周面との間に間隙があいている。好ましくは、該バッフルの上流側の被処理流体の半分以上は、該バッフルの下流側へ該間隙を介して流れる。かかる本発明の多管式分離膜モジュールにあっては、被処理流体はバッフルの挿通孔の内周面と管状分離膜の外周面との間の間隙を高流速にて通過し、管状分離膜に沿って高流速にて流れる。このため、管状分離膜の表面（外周面）に沿う被処理流体の流れの乱流化が促進され、膜分離効率が向上する。

本発明では、特許文献３のように多数の管状部材を設けないので、重量増加及びコスト増加が回避される。

図１は、実施の形態に係る多管式分離膜モジュールのハウジング軸心線方向に沿う断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図５は、本発明の作用効果を説明する透視模式図である。図６は、参考例の作用効果を説明する透視模式図である。図７は、別の実施の形態を示すバッフルの挿通孔部分の断面図である。図８は、異なる実施の形態に係る多管式分離膜モジュールのハウジング軸心線方向に沿う断面図である。図９は、実施例および比較例の結果を示すグラフである。図１０は、別の実施の形態を示すバッフルの挿通孔部分の断面図である。図１１は、別の実施の形態を示すバッフルの挿通孔部分の断面図である。図１２は、実施例および比較例の結果を示すグラフである。

図１〜４を参照して、本発明の一実施の形態に係る多管式分離膜モジュール１について説明する。

この多管式分離膜モジュール１は、円筒状のハウジング２と、管状分離膜３を支持するためにハウジング２の一端に固定された支持板４と、ハウジング２の他端に設けられた支持板５と、ハウジング２の軸心線と平行方向に配置された複数の管状分離膜３と、支持板４を覆うようにハウジング２の一端側に取り付けられたエンドカバー６と、ハウジング２の他端側に取り付けられたブラインドプレート７と、支持板４，５と平行にハウジング２内に配置されたバッフル８とを有する。

ハウジング２の一端側の外周面に被処理流体の流入口９が設けられ、他端側の外周面に被処理流体の流出口１０が設けられている。流入口９は、支持板４と、該支持板４に直近のバッフル８との間の室１１に臨むように設けられている。流出口１０は、支持板５と、該支持板５に直近のバッフル８との間の室１５に臨むように設けられている。この実施の形態では、複数枚（図１では４枚）のバッフル８が設けられ、バッフル８同士の間に、室１１から室１５に向って順次に室１２，１３，１４が区画形成されている。なお、バッフル８の枚数は図示のものに限定されない。

各バッフル８には、管状分離膜３を挿通させるための円形の挿通孔（以下、孔ということがある。）８ａが設けられており、管状分離膜が各挿通孔８ａに挿通されている。挿通孔８ａの口径は、管状分離膜３の直径（外径）よりも大きく、挿通孔８ａの内周面と管状分離膜３の外周面との間に全周にわたって間隙Ｓがあいている。

支持板４，５には、管状分離膜３を支持するための開口４ａ，５ａが設けられている。管状分離膜３は、各開口４ａ，５ａに差し込まれており、管状分離膜３の外周面と各開口４ａ，５ａの内周面との間は気密にシールされている。

各管状分離膜３の一端側は、エンドカバー６と支持板４との間の流出室１６に向って開放している。エンドカバー６には、分離された透過流体の取出口６ａが設けられている。支持板５に支持された管状分離膜３の他端側は、支持板５とブラインドプレート７との間の室１７に向って開放していてもよく、封じられていてもよい。

この実施の形態では、ハウジング２の一端側とエンドカバー６の外周縁にそれぞれ外向きのフランジ２ａ，６ｂが設けられ、支持板４の外周縁が該フランジ２ａ，６ｂにシール材（図示略）を介して挟持され、ボルト（図示略）によってこれらが固定されている。ブラインドプレート７は、ハウジング２の他端側に設けられたフランジ２ｂに対しシール材（図示略）を介してボルトによって取り付けられている。各バッフル８の直径はハウジング２の内径とほぼ等しく、バッフル８の外周面はハウジング２の内周面に当接しているか、又は若干の間隙を介して対峙している。

上記実施の形態では、バッフル８の厚さが一様であるため、挿通孔８ａの孔長（孔８ａの軸心線方向長さ）はバッフル８の厚さと等しくなっているが、バッフル８の厚さは一様でなくてもよい。

本発明では、図４の通り、孔８ａの孔長（この実施の形態ではバッフル８の厚さ）をＡとし、挿通孔８ａの口径をＢとし、管状分離膜３の直径（外径）をＣとした場合、Ａ／（Ｂ−Ｃ）が０．６７〜５０、中でも１０以下が好ましく、特に８以下が好ましく、１以上がより好ましく、２以上がさらに好ましい。

このように構成された多管式分離膜モジュール１において、被処理流体は流入口９からハウジング２の室１１内に導入され、バッフル８の挿通孔８ａの内周面と管状分離膜３の外周面との間の間隙Ｓを通って隣室１２に流入し、以下同様に各バッフルの間隙Ｓを通って順次に室１３，１４，１５を流れ、この間に被処理流体の一部の成分が管状分離膜３を透過して管状分離膜３から流出室１６及び取出口６ａを介して取り出される。透過しなかった流体は、流出口１０から多管式分離膜モジュール１外に流出する。

図１〜３の実施の形態ではハウジング２の一端側にエンドカバー６が設けられ、他端側にはブラインドプレート７が設けられているが、図８の多管式分離膜モジュール１’のように、他端側にもエンドカバー６’及び支持板４’を設け、この他端側エンドカバー６’と支持板４’との間に流出室１６’を設けてもよい。この場合、管状分離膜３の他端側は流出室１６’内に向って開放したものとされる。図８では支持板５は省略されている。エンドカバー６’及び支持板４’の構造はエンドカバー６及び支持板４と同一である。図８のその他の構成は図１と同一であり、同一符号は同一部分を示している。

上記実施の形態では、挿通孔８ａはバッフル８の一方の面から他方の面にかけて等径であるが、図７のバッフル８’のように挿通孔８ａの入口側及び出口側に角度θ＝１０〜７０°程度のテーパを設け、間隙Ｓの流体通過圧損を小さくしてもよい。

本発明では、図１０，１１のように、挿通孔８ａの周縁部から延出する挿通筒部８ｆをバッフル８に設けてもよい。図１０では挿通筒部８ｆはバッフル８の一方の板面にのみ立設され、図１１では双方の板面にそれぞれ挿通筒部８ｆが設けられている。図１０，１１の場合、挿通孔８ａの孔長は、バッフル８の厚みと挿通筒部８ｆの長さとの和となる。図１０，１１においても、挿通筒部８ｆの端部内周縁に図７のようなテーパ部を設けてもよい。

この多管式分離膜モジュール１，１’にあっては、被処理流体は、バッフル８の一方の側（上流側）の室から他方の側（下流側）の室へ、実質的に該間隙Ｓのみを介して流れるので、被処理流体は間隙Ｓを高流速にて通過し、各管状分離膜３に沿って高流速にて流れる。このため、各管状分離膜３の表面（外周面）に沿う被処理流体の流れの乱流化が促進され、膜分離効率が向上する。

この効果は、前記Ａ／（Ｂ−Ｃ）を０．６７〜５０とすることにより顕著となる。即ち、Ａが過大であったり、（Ｂ−Ｃ）が過小であったりすることによりＡ／（Ｂ−Ｃ）が５０より大きいと、間隙Ｓを通過する際の圧損が大きくなり、間隙Ｓからの被処理流体の流量が少なくなる。また、Ａが過小であったり、（Ｂ−Ｃ）が過大であったりすることによりＡ／（Ｂ−Ｃ）が０．６７より小さいと、被処理流体は間隙Ｓを通過した後に管状分離膜３から離れて流れ易くなる。図５，６はこの作用効果を説明するものである。図５のようにＡ／（Ｂ−Ｃ）が０．６７〜５０の範囲であると、挿通孔８ａを通過した被処理流体は管状分離膜３に沿って高流速にて流れる。Ａ／（Ｂ−Ｃ）が０．６７よりも小さい場合には、挿通孔８ａを通過した被処理流体が管状分離膜３から離れて流れ易くなる。

挿通孔８ａの孔長Ａは、モジュールの大きさにもよるが、好ましくは０．８ｍｍ以上、より好ましくは１ｍｍ以上、さらに好ましくは３ｍｍ以上、好ましくは１００ｍｍ以下、より好ましくは８０ｍｍ以下、さらに好ましくは５０ｍｍ以下である。孔長Ａの値が小さすぎるとバッフルの材質にもよるが、平面性が保てなくなり、大きすぎるとモジュールの重量が多くなりすぎることがある。

また、円板状のバッフル８の大きさ（直径）は、ハウジングの内径と一致していることが好ましいが、取り扱いの観点から一致させることが難しい場合には隙間が存在してもよい。この隙間はできるだけ小さい方が好ましい。本発明では、バッフル８の一方の側（上流側）の室から他方の側（下流側）の室へ流れる被処理流体の５０％以上特に６５％以上が挿通孔８ａの間隙Ｓを通過するよう構成されていることが好ましい。この条件が満たされるならば、バッフルは外周縁の一部が切り欠かれたものであってもよく、挿通孔８ａ以外の孔が設けられたものであってもよい。

挿通孔８ａの内径Ｂは、管状分離膜３の外径によるが、好ましくは３ｍｍ以上、より好ましくは６ｍｍ以上、さらに好ましくは１０ｍｍ以上、好ましくは２０ｍｍ以下、より好ましくは１８ｍｍ以下、さらに好ましくは１６ｍｍ以下である。

１つのバッフル８において、挿通孔８ａは、相互間に２ｍｍ以上の間隔を有して配置されていることが好ましい。

管状分離膜３の外径Ｃは、好ましくは３ｍｍ以上、より好ましくは６ｍｍ以上、さらに好ましくは１０ｍｍ以上、好ましくは２０ｍｍ以下、より好ましくは１８ｍｍ以下、さらに好ましくは１６ｍｍ以下である。外径Ｃが小さすぎると管状分離膜の強度が十分でなく壊れやすくなることがあり、大きすぎるとモジュール当りの膜面積が低下する。

管状分離膜３の全長は好ましくは２０ｃｍ以上、好ましくは１５０ｃｍ以下である。これよりも短い場合には接続として被覆される箇所の割合が高くなるため、膜の分離に使用できる露出部の割合が低下し、これ以上長い場合には取扱いが難しくなることがある。

複数のバッフルはそれぞれ同じ大きさ、同じ形であることが好ましいが、異なる大きさ、異なる形のものを使用してもよい。特に透過量／供給量が多い場合には、供給流体量が出口に近づくにつれて減少し線速が低下するため、出口に近づくにつれて挿通孔８ａの直径を小さくすることが有効な場合がある。

尚、１つのバッフルは複数の挿通孔を有するが、少なくとも１つの挿通孔が前記Ａ／（Ｂ−Ｃ）を満たせばよく、好ましくは５０（個数）％以上、より好ましくは８０（個数）％以上、さらに好ましくは９０（個数）％以上がこれを満たすことが好適である。特に、全ての挿通孔がこの範囲を満たすことが好ましい。

複数の挿通孔がＡ／（Ｂ−Ｃ）を満たす場合、これを満たす範囲で、複数の挿通孔は異なるＡ／（Ｂ−Ｃ）の値であってもよいが、ほぼ同じ値であることが好ましい。ほぼ同じ値とは、Ａ／（Ｂ−Ｃ）が±１０％の範囲内であることをいう。

さらに、バッフルが複数ある場合、各バッフルのうち少なくとも１つのバッフルの、少なくとも１つの挿通孔が前記Ａ／（Ｂ−Ｃ）を満たせばよいが、好ましくは、全てのバッフルが上記条件を満たすことが好ましい。

また、各バッフル間で、異なるＡ／（Ｂ−Ｃ）の値を設定して製造されてもよい。

全てのバッフルの挿通孔のうち、好ましくは５０（個数）％以上、より好ましくは８０（個数）％以上、さらに好ましくは９０（個数）％以上がＡ／（Ｂ−Ｃ）を満たすことが好適である。特に、全てのバッフルの全ての挿通孔がＡ／（Ｂ−Ｃ）を満たすことが好ましい。

各バッフルの複数の挿通孔がＡ／（Ｂ−Ｃ）を満たす場合、これを満たす範囲で、複数の挿通孔は異なるＡ／（Ｂ−Ｃ）の値であってもよいが、ほぼ同じ値であることが好ましい。ほぼ同じ値とは、Ａ／（Ｂ−Ｃ）が±１０％の範囲内であることをいう。

バッフルの材質は、通常、ステンレスであるが、分離条件における耐熱性と供給、透過成分に対する耐性があれば特に限定されず、用途によっては他の材質に変更可能である。

複数のバッフルは、ハウジング内において等間隔に設置されることが好ましい。バッフル相互間の間隙は、多管式分離膜モジュールの長手方向の長さにもよるが、通常は１０ｃｍ以上、好ましくは２０ｃｍ以上、通常１２０ｃｍ以下、１００ｃｍ以下程度が好ましい。

本発明においては、管状分離膜の両末端から２０ｃｍ以内特に１８ｃｍ以内とりわけ１５ｃｍ以内の箇所にそれぞれバッフルが配置されることが好ましい。この値は流体の入口または出口の配管の位置、配管径によって適した値が異なり、配管とハウジング本体との接続部のモジュール中心に最も近い部分よりも、モジュール中心に近い方に配置されることが好ましい。

また、管状分離膜の下端及び上端に同軸状に連設される金属部材を有する場合がある。バッフルは、この金属部材の位置に配置されることによって、以下詳述するゼオライト膜に接して傷つけることを防止することもできる。

本発明の多管式分離膜モジュールにおいて、筒状のハウジングの軸心方向の長さは通常４０ｃｍ〜２ｍ程度である。また、管状分離膜は通常１９〜５５０本配置され、管状分離膜同士の最短距離は、２ｍｍ〜１０ｍｍとなるように配置されることが好ましい。ハウジングの大きさ、管状分離膜の本数は処理する流体量によって適宜変更されるものである。

管状分離膜を支持する支持板の少なくとも一方は、ハウジングに固定され、ハウジングの一端に配置される。他方は、前記支持板に対向するハウジングの他端に配置され、管状分離膜を支持する支持板を有する多管式分離膜モジュールであることが好ましい。

管状分離膜の支持板に支持された末端の反対側末端から１０ｃｍ以内にバッフルの挿通孔と同じ円中心をもつ挿通孔を有し、挿通部において管状膜エレメントを支持する膜を支持するためのもう一つの支持板を有することが好ましい。このような支持板を設置することで、バッフルの挿通孔において、挿通孔の壁と管状分離膜の膜表面の最短距離が全ての点で一定と保たれる。このような支持板が無い場合には、挿通孔の壁と管状分離膜の膜表面の最短距離が一定に保たれず、片面は広く、反対に位置する面は狭くなり、広く開いた部分を選択的に流体が通過する可能性がある。

支持板の管状分離膜の支持板に支持された末端の反対側末端から距離は通常１０ｃｍ以下、好ましくは８ｃｍ以下、より好ましくは５ｃｍ以下、特に好ましくは３ｃｍ以下であり、通常１ｍｍ以上、好ましくは３ｍｍ以上である。

支持板には貫通孔を設け、この貫通孔に管状分離膜を挿通させて支持する。貫通孔の形状は特に限定されず、円形として貫通孔の内周面全体で支持する構造、円形に突起を設け、突起で管状分離膜を支持する構造などがある。また貫通孔以外にも流体が通過できるような孔を有した、例えばメッシュのような構造でもよい。メッシュの孔の面積、形状は支持体としての強度を保てるものであれば特に限定されない。

管状分離膜の支持板と接触する箇所には、表面に被覆を行うことが好ましい。被覆材としては、フッ素樹脂テープ、ガラステープなどのテープ、パラフィルム、フッ素樹脂フィルムなどのフィルム、シリコーン熱収縮チューブ、フッ素樹脂熱収縮チューブ、ポリオレフィン熱収縮チューブなどが挙げられる。その中でも取扱いの面で熱収縮チューブが好ましく、その中でもシリコーン熱収縮チューブ、フッ素樹脂熱収縮チューブが好ましい。

管状分離膜の支持板と接触する箇所は膜材料であってもよいが、膜の末端を封止するための例えばピンなどを使用する場合には、封止材の箇所で支持板と接触させることが好ましい。封止材と接触させることで、膜自体が触れることがないため、膜の表面が削れることや破損する可能性が小さくなる。封止材の材質は特に限定されず、ＳＵＳ、アルミニウム、フッ素樹脂などが挙げられ、膜自体の強度、流体の成分などに応じて適宜選択する。

管状分離膜は、分離膜を有する管状のものであればよいが、管状の多孔質支持体の表面にゼオライト膜を形成させたものであることが好ましい。

上記管状の多孔質支持体の材質としては、シリカ、α−アルミナ、γ−アルミナ、ムライト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化珪素、炭化珪素などを含むセラミックス焼結体の無機多孔質支持体が挙げられる。その中でもアルミナ、シリカ、ムライトのうち少なくとも１種を含む無機多孔質支持体が好ましい。多孔質支持体表面が有する平均細孔径は特に制限されるものではないが、細孔径が制御されているものが好ましく、通常０．０２μｍ以上、好ましくは０．０５μｍ以上、さらに好ましくは０．１μｍ以上であり、通常２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下の範囲が好ましい。

多孔質支持体の表面においてゼオライトを結晶化させゼオライト膜を形成させる。ゼオライト膜を構成する主たるゼオライトは、通常、酸素６−１０員環構造を有するゼオライトを含み、好ましくは酸素６−８員環構造を有するゼオライトを含む。

ここでいう酸素ｎ員環を有するゼオライトのｎの値は、ゼオライト骨格を形成する酸素とＴ元素で構成される細孔の中で最も酸素の数が大きいものを示す。例えば、ＭＯＲ型ゼオライトのように酸素１２員環と８員環の細孔が存在する場合は、酸素１２員環のゼオライトとみなす。

酸素６−１０員環構造を有するゼオライトの一例を挙げれば、ＡＥＩ、ＡＥＬ、ＡＦＧ、ＡＮＡ、ＢＲＥ、ＣＡＳ、ＣＤＯ、ＣＨＡ、ＤＡＣ、ＤＤＲ、ＤＯＨ、ＥＡＢ、ＥＰＩ、ＥＳＶ、ＥＵＯ、ＦＡＲ、ＦＲＡ、ＦＥＲ、ＧＩＳ、ＧＩＵ、ＧＯＯ、ＨＥＵ、ＩＭＦ、ＩＴＥ、ＩＴＨ、ＫＦＩ、ＬＥＶ、ＬＩＯ、ＬＯＳ、ＬＴＮ、ＭＡＲ、ＭＥＰ、ＭＥＲ、ＭＥＬ、ＭＦＩ、ＭＦＳ、ＭＯＮ、ＭＳＯ、ＭＴＦ、ＭＴＮ、ＭＴＴ、ＭＷＷ、ＮＡＴ、ＮＥＳ、ＮＯＮ、ＰＡＵ、ＰＨＩ、ＲＨＯ、ＲＲＯ、ＲＴＥ、ＲＴＨ、ＲＵＴ、ＳＧＴ、ＳＯＤ、ＳＴＦ、ＳＴＩ、ＳＴＴ、ＴＥＲ、ＴＯＬ、ＴＯＮ、ＴＳＣ、ＴＵＮ、ＵＦＩ、ＶＮＩ、ＶＳＶ、ＷＥＩ、ＹＵＧ等がある。

ゼオライト膜は、ゼオライトが単独で膜となったものでも、前記ゼオライトの粉末をポリマーなどのバインダー中に分散させて膜の形状にしたものでも、各種支持体上にゼオライトを膜状に固着させたゼオライト膜複合体でもよい。ゼオライト膜は、一部アモルファス成分などが含有されていてもよい。

ゼオライト膜の厚さとしては、特に制限されるものではないが、通常、０．１μｍ以上であり、好ましくは０．６μｍ以上、さらに好ましくは１．０μｍ以上である。また通常１００μｍ以下であり、好ましくは６０μｍ以下、さらに好ましくは２０μｍ以下の範囲である。

本発明の多管式分離膜モジュールにおいて、分離または濃縮の対象となる被処理流体としては、本発明における分離膜エレメントによって、分離または濃縮が可能な複数の成分からなる気体または液体の混合物であれば特に制限はなく、如何なる混合物であってもよいが、気体の混合物に使用することが好ましい。

分離または濃縮の対象となる混合物が、例えば、有機化合物と水との混合物（以下これを、「含水有機化合物」と略称することがある。）の場合、ゼオライト膜を使用する場合、水がゼオライト膜に対する透過性が高いので、混合物から水が分離され、有機化合物は元の混合物中で濃縮される。パーベーパレーション法（浸透気化法）、ベーパーパーミエーション法（蒸気透過法）と呼ばれる分離または濃縮方法を用いることができる。パーベーパレーション法は、液体の混合物をそのまま分離膜に導入する分離または濃縮方法であるため、分離または濃縮を含むプロセスを簡便なものにすることができる。

本発明において、分離または濃縮の対象となる混合物が、複数の成分からなる気体の混合物である場合、気体の混合物としては、例えば、二酸化炭素、酸素、窒素、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ノルマルブタン、イソブタン、１−ブテン、２-ブテン、イソブテン、六フッ化硫黄、ヘリウム、一酸化炭素、一酸化窒素、水などから選ばれる少なくとも１種の成分を含むものが挙げられる。これらの気体成分からなる混合物のうち、パーミエンスの高い気体成分は、分離膜を透過し分離され、パーミエンスの低い気体成分は供給ガス側に濃縮される。

本発明の多管式分離膜モジュールは、流体量、あるいは目的の分離度、濃縮度によって連結するなどして分離装置に使用することができる。流体量が多い場合または目的の分離度・濃縮度が高く１つのモジュールでは処理が十分できない場合には出口から出た流体をさらにもう一つのモジュールの入口に入るように配管を接続して使用することが好ましい。また分離度、濃縮度に応じてさらに連結して目的の分離度・濃縮度とすることができる。

本発明の多管式分離膜モジュールを並列に設置した分離装置とし、流体を分岐してガスを供給してもよい。この時さらに並列したそれぞれのモジュールに直列でモジュールを設置することもできる。並列としたモジュールを直列とする場合、供給ガス量が直列方向に低下し線速が低下するので、適宜線速を保つように並列の設置数を減少させることが好ましい。

モジュールを直列に配置する場合の透過した成分はモジュール毎に排出しても良いし、モジュール間を連結して集合して排出しても良い。モジュール間を連結させる場合には下流側のモジュールの透過成分を上流側のモジュールの透過成分に流す方が好ましい。このような流れを作ることによって供給ガスと透過ガスは交流接触となり性能が優れた分離・濃縮ができる。

（実施例）
本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例の記載に限定されるものではない。

［実施例１］
本発明の分離モジュールについてガス分離シミュレーションを行った。

シミュレーションに用いた多管式分離膜モジュールは、図１〜４においてバッフル８の枚数を２枚としたものである。取出口６ａが頂部となるようにハウジング２の軸心線方向を上下方向となるように多管式分離膜モジュール１を設置した。

ハウジング内径は４９．５ｍｍであり、全長は２４０ｍｍである。管状分離膜は直径（＝管状分離膜の外径Ｃ）が６ｍｍであり、ピッチが９ｍｍとなるように１９本が配置され、中心に１本とその周囲に正６角形の頂点に位置する箇所に６本とさらにその周囲に正６角形の頂点とその頂点同士を結んだ直線上に各頂点から等距離の位置に６本が配置されている。膜の露出長さは１８８ｍｍであり、１９本の膜では面積が０．０６７ｍ^２となる。

ハウジングにはガスを供給する流入口９と膜を透過しなかったガスが流出する流出口１０とがハウジングの中心から９３ｍｍの位置に設置され、それぞれ内径５ｍｍの流入管、流出管が接続されている。さらに膜を透過したガスが集合し通過する取出口６ａが配置され、内径６ｍｍの取出配管が接続されている。膜の外側のガスの流れと膜を透過したガスの流れは交流となるようにガスを供給する。

モジュールには中心から７５ｍｍの位置に１枚ずつ、計２枚のバッフル８が設置されており、各バッフルには各分離膜の中心と一致する中心をもつ１９個の挿通孔８ａを設けてある。挿通孔の直径（＝挿通孔の内径Ｂ）は７．５ｍｍであり管状分離膜の外周面と挿通孔の内周面との間には０．７５ｍｍの間隙が存在し、この間隙をガスが通過する。バッフルの厚み（＝孔長Ａ）は３ｍｍであり、孔長Ａと、バッフルの挿通孔の内径Ｂと管状分離膜の外径Ｃの差との比Ａ／（Ｂ−Ｃ）は２．０である。

供給ガスは２種類の透過性が異なる成分を混合したガスとし、透過性の高いガスのパーミエンスを４．０×１０^−７ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａ、透過性の低いガスのパーミエンスを３．５×１０^−９ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａとした。供給量は４００ＮＬ／ｍｉｎとし、ガス組成は透過性が高い成分が４０％、透過性が低いガスが６０％とした。ガスの圧力は３．５Ｍｐａに設定した。

シミュレーションはＡＮＳＹＳ社の汎用流体解析ソフトウェアＡＮＳＹＳＦｌｕｅｎｔ（Ｒ１４）を使用し、膜分離現象については標準機能では評価できないため、各ガス成分の分圧と透過率から透過量を計算するサブルーチンを組み込んで計算を行った。膜上の各位置での物理量を用いて透過計算を行うことでバッフル効果による局所濃度の変化を評価することができる。透過性の高いガス成分について供給したガス量と透過したガス量の比率を求めることで、透過性の高いガスの透過率を得た。シミュレーションで得られた透過性の高いガスの透過率は３４．２％であった。

［実施例２］
バッフルの厚みを６ｍｍとし、孔長Ａと、バッフルの挿通孔の内径Ｂと管状分離膜の外径Ｃの差との比Ａ／（Ｂ−Ｃ）を４．０としたこと以外は実施例１と同様のモジュールで、実施例１と同様のシミュレーションを実施した。シミュレーションで得られた透過性の高いガスの透過率は３４．２％であった。

［実施例３］
バッフルの厚みを１０ｍｍとし、孔長Ａと、バッフルの挿通孔の内径Ｂと管状分離膜の外径Ｃの差との比Ａ／（Ｂ−Ｃ）を６．７としたこと以外は実施例１と同様のモジュールで、実施例１と同様のシミュレーションを実施した。シミュレーションで得られた透過性の高いガスの透過率は３４．６％であった。

［比較例１］
バッフルの厚みを０．７５ｍｍとし、孔長Ａと、バッフルの挿通孔の内径Ｂと管状分離膜の外径Ｃの差との比Ａ／（Ｂ−Ｃ）を０．５としたこと以外は実施例１と同様のモジュールで、実施例１と同様のシミュレーションを実施した。シミュレーションで得られた透過性の高いガスの透過率は３２．４％であった。実施例１〜３と比較して低いガス透過率となった。

実施例１〜３と比較例１のＡ／（Ｂ−Ｃ）と透過性の高いガスの透過率の関係を図９に示す。比較例１と実施例１〜３の間で透過しやすいガスの透過率の差が大きいことがわかる。

孔長と、バッフルの挿通孔の内径と管状分離膜の外径の差との比が０．５の比較例１と、孔長と、バッフルの挿通孔の内径と管状分離膜の外径の差との比が２の実施例１、同数値が４の実施例２、同数値が６．７の実施例３で透過しやすいガスの透過率の差が大きいことがわかる。

［実施例４］
次に、上述の実施例、比較例とは異なる構造のモジュールに対してガス流れシミュレーションを行った。

ハウジング内径は８３．１ｍｍであり、全長は４１２ｍｍである。管状分離膜は直径が１２ｍｍであり、ピッチが１６ｍｍとなるように１９本が配置され、中心に１本とその周囲に正６角形の頂点に位置する箇所に６本とさらにその周囲に正６角形の頂点とその頂点同士を結んだ直線上に各頂点から等距離の位置に６本が配置されている。膜の露出長さは２００ｍｍであり、１９本の膜では面積が０．１４３ｍ^２となる。

ハウジングにはガスを供給する流入口９と膜を透過しなかったガスが流出する流出口１０とがハウジングの中心から１４３ｍｍの位置に設置され、それぞれ内径１５．８ｍｍの流入管、流出管が接続されている。さらに膜を透過したガスが集合し通過する取出口６ａが配置され、内径１５．８ｍｍの取出配管が接続されている。膜の外側のガスの流れと膜を透過したガスの流れは交流となるようにガスを供給する。

モジュールには中心から７５ｍｍの位置に管状分離膜の下端及び上端に同軸上にそれぞれ連結される金属部材部分に１枚ずつ、計２枚のバッフル８が設置されており、各バッフルには各分離膜の中心と一致する中心をもつ１９個の挿通孔８ａを設けてある。挿通孔の直径は１２．２ｍｍであり管状分離膜の外周面と挿通孔の内周面との間には０．１ｍｍの間隙が存在し、この間隙をガスが通過する。バッフルの厚みは２ｍｍであり、孔長Ａと、バッフルの挿通孔の内径Ｂと管状分離膜の外径Ｃの差との比Ａ／（Ｂ−Ｃ）は１０である。

供給量は３２００ＮＬ／ｍｉｎとし、ガスの圧力は５．０Ｍｐａに設定した。

シミュレーションはＡＮＳＹＳ社の汎用流体解析ソフトウェアＡＮＳＹＳＦｌｕｅｎｔ（Ｒ１４）を使用した。バッフル通過後のガスの流れを確認するため、上流部のバッフルからガスの下流側に２０ｍｍの位置の膜に垂直な面で、ガスの流速ベクトルを膜に平行な流れ成分と膜に垂直な流れ成分に分解し、それぞれ平均値を算出した。さらに膜に平行な流れと垂直な流れの速度比からガスの角度平均値を求めた。この値が小さい方が膜に平行な流れであることを意味する。得られたガスの角度平均値は５．９°であった。

［実施例５］
管状分離膜の外径Ｃを１２．５ｍｍとし、孔長Ａと、バッフルの挿通孔の内径Ｂと管状分離膜の外径Ｃの差との比Ａ／（Ｂ−Ｃ）を４としたこと以外は実施例４と同様のモジュールで、実施例４と同様のシミュレーションを実施した。得られたガスの角度平均値は６．７°であった。

［比較例２］
管状分離膜の外径Ｃを１５．５ｍｍとし、孔長Ａと、バッフルの挿通孔の内径Ｂと管状分離膜の外径Ｃの差との比Ａ／（Ｂ−Ｃ）を０．５７としたこと以外は実施例４と同様のモジュールで、実施例４と同様のシミュレーションを実施した。得られたガスの角度平均値は１６．９°であった。

実施例４，５と比較例２のＡ／（Ｂ−Ｃ）と角度平均値の関係を図１２に示す。

実施例４、５では膜に対する角度が小さく膜に沿ってほぼ平行の流れが得られている。これに対して比較例２では角度が大きく、膜に対して斜めの流れとなっていることがわかる。

本出願は、２０１３年８月３０日出願の日本特許出願、特願２０１３−１７９８６９に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明によれば、被処理流体の流速が大きく、膜分離効率に優れるとともに、重量増加が回避される多管式分離膜モジュールを提供することが可能となる。

１，１’ 多管式分離膜モジュール
２ハウジング
３管状分離膜
４，５支持板
６，６’ エンドプレート
６ａ取出口
７ブラインドプレート
８バッフル
８ａ挿通孔
９流入口
１０流出口
１１〜１５室
１６，１６’ 流出室

Claims

筒状のハウジングと、
該ハウジング内に該ハウジングの長手方向に配置された複数の管状分離膜と、
該ハウジングに固定され、該管状分離膜を支持する支持板と、
該管状分離膜が挿通された挿通孔を有し、該ハウジング内において該支持板と略平行に配置された１または２以上のバッフルと
を有する多管式分離膜モジュールにおいて、
該挿通孔の内周面と管状分離膜の外周面との間に間隙が設けられており、
前記挿通孔の孔長Ａと、該挿通孔の内径Ｂと管状分離膜の外径Ｃの差との比Ａ／（Ｂ−Ｃ）が０．６７〜１０であることを特徴とする多管式分離膜モジュール。
該バッフルの上流側の被処理流体の半分以上は、該間隙を通過して下流側に流入するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の多管式分離膜モジュール。
前記複数の管状分離膜は、管状分離膜同士の最短距離が２ｍｍ〜１０ｍｍとなるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の多管式分離膜モジュール。
前記管状分離膜の両末端から２０ｃｍ以内の箇所にそれぞれ該バッフルが配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の多管式分離膜モジュール。
前記支持板が前記ハウジングの両端側にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の多管式分離膜モジュール。
前記管状分離膜がゼオライト分離膜である、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の多管式分離膜モジュール。
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の多管式分離膜モジュールを備える、分離装置。