JPH09150041A

JPH09150041A - 外部灌流型気液接触モジュール

Info

Publication number: JPH09150041A
Application number: JP30901295A
Authority: JP
Inventors: Takanori Anazawa; 孝典穴澤
Original assignee: Dainippon Ink and Chemicals Co Ltd
Current assignee: DIC Corp
Priority date: 1995-11-28
Filing date: 1995-11-28
Publication date: 1997-06-10

Abstract

(57)【要約】【解決手段】筒状に束ねられた中空糸膜束の空洞部の
横断面における長径に対する該長径と直交する短径の比
が、１．５〜１００である筒状中空糸束を有する外部灌
流型気液接触モジュール。【効果】処理流量が大きい場合にも液体側の圧力損失
が小さく、液体側を層流の範囲で運転できるため機械的
強度の弱い中空糸を使用しても寿命が長く、大部分の中
空糸膜の稼働条件がほぼ同等であるためモジュールの設
計が容易である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は気体と液体とを気体
透過性の膜を介して接触させ、気体状物質を膜を通して
移動させる用途一般に使用できる気液接触モジュールに
関する。例えば、水の脱酸素などの液体に溶解している
気体の除去（いわゆる脱気）、現像液の脱泡などの液体
の脱泡、水からのトリクレン除去などの液体に溶解して
いる揮発性液体の除去、水／アルコール分離などの混合
液体からの揮発性液体の選択分離（所謂パーベーパレー
ションや隔膜蒸留）、水への酸素供給などの液体への気
体溶解、煙道ガスからの炭酸ガス除去などの気体からの
選択的気体除去、培養槽への酸素供給と炭酸ガス除去な
どの溶解と脱溶解を同時に行わしめる用途などを挙げる
ことができる。

【０００２】

【従来の技術】中空糸膜（以下、単に中空糸と称する場
合もある）を使用した気液接触モジュールは、液体を中
空糸内側に流す内部灌流型と液体を中空糸外側に流す外
部灌流型に分けられる（例えば特開平２−１０２７１
４）。外部灌流型は膜面積当りの処理量が大きいという
特徴を有し、装置がコンパクトになり、大型装置に好適
である。外部灌流型気液接触モジュールには、向流、並
流、十字流などの方式があるが、最も効率が良いとされ
る十字流式としては、管壁に複数の孔の穿たれた円筒形
の芯管の回りに、同心円の筒状に中空糸束を配し、芯管
の口から芯管に導入された液体は芯管壁の孔から流出
し、中空糸の間隙を放射状に外向きに流れて中空糸束の
外部へ出る（またはその逆に、外部から中空糸束に入
り、中空糸の隙間を流れて、芯管壁の孔から芯管に入
り、芯管の口から流出する）タイプ（以下、同心円タイ
プと称する）と、板状やブロック状の中空糸束の中空糸
の間隙を液体が一方向へ平行に流れるタイプ（以下、平
行流タイプと称する）が知られていた（例えば特開平２
−１０２７１４）。いずれの場合も、中空糸束の内側は
減圧、常圧または加圧の気体であり、用途に応じて中空
糸の端部から流入または流出すべく構成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】同心円タイプの気液接
触モジュールは製造が容易で物質交換の効率も高いが、
芯管付近における液体の流速が外周部付近に比べて速
く、このために種々の問題を生じている。即ち、液体側
の圧力損失が平行流タイプに比べて格段に高いこと、流
量を高くすると芯管付近で乱流となり、中空糸膜が振動
するため機械的強度の弱い中空糸膜を使用すると寿命が
短くなる恐れがあること、単位厚み当りの圧力損失や物
質移動の境膜係数などが場所により異なるため、運転条
件の最適範囲が狭く、モジュール設計が制約されること
などである。

【０００４】一方、平行流タイプはこのような欠点が無
い代わりに、中空糸束とハウジングとの接触部において
液体のショートパスが生じ易いため、該接触部への樹脂
充填などの製造工程が必要な上、中空糸束が中空糸シー
トの積層による場合には、高密度に充填することが難し
いなど、製造上の困難を有していた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記欠点を鑑
み鋭意検討した結果、上記同心円タイプの欠点を除去
し、しかも同心円タイプの製造の容易さを維持したモジ
ュール構造を見いだし、本発明に到達した。

【０００６】即ち本発明は、１．筒状に束ねられた中空糸膜束を有してなる外部灌流
型気液接触モジュールであって、該筒状中空糸束の空洞
部の横断面における長径に対する該長径と直交する短径
の比が１．５〜１００であることを特徴とする外部灌流
型気液接触モジュール、２．筒状中空糸束の空洞部に、管壁に複数の孔が開いた
芯管を有する上記１記載のモジュール、３．短径が０．５〜３０ｃｍである上記１又は２記載の
モジュール、４．長径に対する該長径と直交する短径の比が、２〜１
０である上記１、２又は３記載のモジュール、５．筒状中空糸束が、液体流出口または導入口を有する
ハウジング内に設置されている上記１、２、３又は４記
載のモジュール、６．筒状中空糸束が、中空糸膜の編組体である上記１〜
５のいずれか１つに記載のモジュール、７．中空糸膜の編組体が、中空糸膜同士または中空糸膜
と他の糸条とで構成されたシート状物を筒状に巻いた物
である上記６記載のモジュール。８．シート状物が、中空糸膜と他の糸条とで構成された
簾状物である上記７記載のモジュール、に関する。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明のモジュールの特徴は、筒
状中空糸束の中央にある空洞部の横断面（以下横断面を
単に断面と記述する）形状が偏平であることにある。

【０００８】本発明でいう筒状中空糸束とは、中空糸膜
を筒状に束ねたものであり、その束の中央には中空糸膜
が充填していない部分、即ち空洞部を有する。本発明の
モジュールは、該空洞部の断面における長径に対する該
長径と直交する短径の比が１．５〜１００である（以下
この比を長径に対する短径の比と称する。）。ここでい
う長径とは、空洞部の断面における最も長い径を表わ
し、短径とは、該長径と直交する径のなかで最も長い径
を表す。本発明のモジュールにおいて、長径に対する短
径の比は１．８〜２０が好ましく、２〜１０がさらに好
ましい。空洞部の長径に対する短径の比が過小である
と、同心円タイプと同じ欠点が発生するし、長径に対す
る短径の比が過大であると、中空糸束の均一に充填する
上での困難などの製造上の困難が生じる。

【０００９】筒状中空糸束の空洞部の断面形状は、長径
に対する短径の比が上記範囲内であれば任意であり、例
えば楕円、矩形、角を丸めた矩形、瓢箪型、三角型その
他の複雑な形状などであり得るが、矩形または角を丸め
た矩形が、性能、コンパクトさ、製造の容易さなどの面
で好ましい。角を丸めた矩形は、短辺が実質的に半円で
あることが好ましい。また、空洞部の寸法は設計すべき
モジュールの大きさ（即ち処理容量）により任意の値を
選定できるが、筒状中空糸束の空洞部断面の短径が０．
５〜３０ｃｍであるものが好ましい。これより大きくて
も小さくても製造が困難となる。

【００１０】筒状の中空糸束の厚みについても任意であ
り、設計すべきモジュールの要求特性により任意の値を
選定できるが、２〜５０ｃｍが好ましい。また、該厚み
の均一性についても任意であるが、筒状中空糸束のいず
れの部分においても厚みがほぼ等しいことが性能上好ま
しい。

【００１１】筒状の中空糸束における中空糸の充填形態
は任意である。中空糸束は複数の中空糸をほぼ平行に筒
状に束ねただけのものでも良いが、中空糸間隔を均一に
保って液体流路のショートパスを防止するために、中空
糸同士または中空糸と他の糸条とで構成された編組体で
あることが好ましい。中空糸編組体の形状、様式は任意
であり、例えば中空糸の綾巻きにより構成されたもの、
中空糸同士の平織りや朱珠織り等により構成されたシー
ト状物の積層体、中空糸と他の糸条とで構成された簾状
シートの積層体等が好ましく挙げられる。これらの中
で、中空糸の充填密度を高くしてコンパクトにすること
ができ、また製造も容易であるため、シート状物の積層
体であることが好ましく、簾状シートの積層体であるこ
とがより好ましい。特にシート状物を筒状に巻いた構造
が製造が容易であり好ましい。簾状シートは、例えば中
空糸を緯糸とし、他の糸条を経糸として、編み、織り、
接着などにより製造することができる。

【００１２】また、本発明のモジュールは、筒状中空糸
束の内面および／または外面を網などで被ったり、糸状
物で縛るなどによりその形状を固定することも好まし
い。また、接着や融着により中空糸同士の相互位置を固
定することも好ましい。

【００１３】本発明のモジュールは、筒状中空糸束の空
洞部に、管壁に複数の孔が開いた芯管を有する事がより
好ましい。芯管の断面形状は任意であり、単数または複
数の円、単数または複数の矩形、角を丸めた矩形などで
あり得る。これらの中で、角を丸めた矩形、円、または
複数の円であることが好ましい。角を丸めた矩形は、短
辺が実質的に半円であることが好ましい。芯管は又、複
数の管の集合体であったり、部分的または全面的な補強
壁を有する物であることも、モジュールの強度を増す上
で好ましい。

【００１４】芯管と筒状中空糸束との間には部分的また
は全面的に空隙が有ってもよいし、芯管と筒状中空糸束
の内側境界面は全面的にまたは部分的に接していてもよ
い。また、芯管と筒状中空糸束との間に不織布や網など
を設置することも可能である。芯管と筒状中空糸束は不
織布や網を隔てて接触していることが好ましい。

【００１５】芯管の壁に穿たれている孔の形状、径、数
は任意であるが、モジュールの液体設定流量における圧
力損失を勘案して決定できる。芯管は焼結体のような多
孔質体や網状のものであってもよい。芯管の口には配管
との接続口を設けることができる。モジュールが芯管を
有さない場合には、筒状の中空糸束の空洞部に直接、配
管接続口を設ける事ができる。

【００１６】本発明のモジュールで用いられる中空糸膜
は、気体は透過するが液体は透過しない膜であれば、素
材、膜形態、膜形状等は任意であり、従来から気液接触
膜モジュールで用いられている膜が使用できる。例えば
膜素材としては、ポリプロピレン、ポリ−４−メチルペ
ンテン−１等のポリオレフィン系樹脂、ポリジメチルシ
ロキサン、その共重合体等のシリコン系樹脂、ＰＰＦ
Ｅ、フッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂等が挙げられ、
膜形態としては、多孔質膜、不均質膜、複合膜、均質膜
等が挙げられる。膜形状としては、中空糸外径は０．０
５〜５ｍｍで有り得る。

【００１７】また、中空糸束における中空糸の充填率
（単位断面積に中空糸が占める面積比）は２０〜７５
％、中空糸間隙は０．０５〜３ｍｍであり得る。本発明
のモジュールは、筒状中空糸膜束を収納するハウジング
を有さない構造であってもよい。このような場合には、
モジュールは貯水槽や培養槽などに直接浸漬した状態で
使用することができる。

【００１８】本発明のモジュールは、好ましくは筒状中
空糸膜束がハウジング内に設置されていることが好まし
い。この場合ハウジングは液体流出口または導入口を有
する。本発明のモジュールは、芯管の口から芯管に導入
された液体が芯管の孔から流出し、中空糸の間隙を流れ
て中空糸束の外部へ出、中空糸束とハウジングとの間を
流れてハンジングに設けられた液体流出口から流出すべ
く構成される。またはその逆に、ハウジングに設けられ
た液体導入口から導入された液体が中空糸束の外表面か
ら中空糸束に入り、中空糸の間隙を流れて、芯管壁の孔
から芯管に入り、芯管の口から流出すべく構成される。
ハウジングの液体流出口または液体流入口は配管接続口
とする事が好ましい。

【００１９】ハウジングを有する本発明のモジュール
は、既知の外部灌流型気液接触モジュールと同様に、筒
状中空糸束の端部において、中空糸間に気密に充填され
た樹脂により、中空糸の内側に通じる空間と外側に通じ
る空間とが隔てられている。更に中空糸の内側に通じる
空間と外側に通じる空間とを隔てるために、芯管と筒状
中空糸束、および該中空糸束とハウジング間も中空糸束
端部において気密にする必要があるがこの方法は任意で
ある。例えば、樹脂充填、接着、オーリングやパッキ
ン、嵌合により実施できる。

【００２０】中空糸の内側に通じる空間は減圧、常圧ま
たは加圧の気体であり、用途に応じて中空糸の端部から
流入または流出すべく構成されている。各々の中空糸
は、用途により、片端が塞がれた構造であっても良い
し、両端が開いており中空糸内側を通じて気体が中空糸
の内側を一方の端から他の端へ流れる構造であってもよ
い。中空糸の内側に通じる空間にはキャップを設けるこ
とにより、配管を接続できるようにすることができる。

【００２１】本発明のモジュールに係るその他の寸法は
任意であり、筒状中空糸膜束が収納できればよい。もち
ろん、ハウジングの断面は、円であっても、偏平してい
てもよいので、例えば、モジュールの外寸は、短辺３〜
１５０ｃｍ、長辺５〜５００ｃｍ、長さ１０〜５００ｃ
ｍであり得る。

【００２２】

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに具体的に
説明する。［実施例１］外径０．１９ｍｍ、酸素透過速度１×１０
^-4［ｃｍ³／ｃｍ²・ｓ・ｃｍＨｇ］の外表面に非多孔層
を有するポリ（４−メチル−１−ペンテン）製の不均質
中空糸膜（１）を緯糸とし、ポリエステル糸（２）を経
糸として編むことにより、図１に示されたような、編み
密度２５本／ｃｍの簾状シートを作製した。次いで、図
２〜図４に示したモジュールを作製した。即ち、断面の
短辺３．２ｃｍ、長辺２５．２ｍの、短辺が半円になる
ように角を丸めた矩形で、管壁に直径４ｍｍの多数の孔
（３）が穿たれたポリ塩化ビニル製の芯管（４）の周り
に、約５メッシュのナイロン製の網（５）を巻き、その
上に簾状シート状の中空糸膜（１）を厚さ４．８ｃｍだ
け巻きつけ、その周囲に約５メッシュのナイロン製の網
（５）を巻いた。使用された中空糸は５０５０００本で
あった。これを断面が、短辺が実質的に半円であるよう
に角を丸めた矩形であり、内径が１４．６×３６．６
ｍ、長さが５０ｃｍのポリ塩化ビニル製のハウジング
（６）に装填し、ハウジングの両端部６ｃｍの厚みにエ
ポキシ樹脂を充填することにより、この部分に於て、中
空糸間、中空糸束と芯管の間、および中空糸束とハウジ
ングの間を気密に封止（７）した。この時、芯管（４）
の一方の口は開口され、配管接続口（８）が設けられ
た。他方の口は樹脂にて封入された。中空糸束の両端部
にはそれぞれキャップ（９、１０）が装着された。キャ
ップにはそれぞれ配管接続口（１１、１２）が設けられ
ており、ハンジングにも配管接続口（１３）が設けられ
ている。このモジュールの実効膜面積（中空糸外表面基
準）は１１４．６ｍ²であった。また、長径と短径の比
は７．９であった。

【００２３】製造したモジュールの芯管に通じる配管接
続口（８）から、温度２５℃、溶存酸素濃度８．２重量
ｐｐｍ（以下、重量ｐｐｍを単にｐｐｍと記載する）の
水を流量１８．４ｍ³／ｈｒ（膜面積１ｍ²あたり０．１
６ｍ³／ｈｒ）で導入し、ハウジングに設けられた配管
接続口（１３）を大気圧解放としたところ、芯管の配管
接続口（８）における水圧（即ち、圧力損失）は０．０
１３ＭＰａＧ（Ｇはゲージ圧、即ち大気圧基準の加圧圧
力であることを示す）であった。一方、キャップに設け
られた配管接続口（１１および１２）を真空ポンプにて
０．００４６ＭＰａＡ（Ａは絶対圧力であることを示
す）に減圧したところ、ハウジングの配管接続口（１
３）から流出する水の溶存酸素濃度は０．５ｐｐｍであ
った。

【００２４】［実施例２］芯管の断面寸法が３．２×
６．４ｃｍであること、ハウジング寸法が１４．６×１
７．８ｃｍであること、実効膜面積が５３．９ｍ²であ
ること以外は実施例１と同様のモジュールを作成した。
尚、長径と短径の比は２．０であった。このモジュール
を用いて、水の流量が８．６６ｍ³／ｈｒ（膜面積１ｍ²
あたり０．１６ｍ³／ｈｒ）であること以外は実施例１
と同様の試験を行ったところ、芯管の配管接続口（８）
に於る水圧は０．０３４ＭＰａＧ、流出水の溶存酸素濃
度は０．５ｐｐｍであった。

【００２５】［実施例３］芯管として、外径３．２ｃｍ
で、管壁に直径４ｍｍの多数の孔が穿たれたポリ塩化ビ
ニル製の円管２本を接して並べたものを使用したこと以
外は実施例２と同様のモジュールを作成し、実施例２と
同様の試験を行った。尚、長径と短径の比は２．０であ
った。結果は、実施例２と全く同様であった。

【００２６】［比較例１］芯管として外径３．２ｃｍの
ポリ塩化ビニル製円管を１本使用したこと、ハウジング
が内径１４．６ｃｍの円筒であること、および実効膜面
積が４３．６ｍ²であること以外は実施例１と同様にし
て、同心円型モジュールを作製した。このモジュールを
用いて、水の流量が７．０ｍ³／ｈｒ（膜面積１ｍ²あた
り０．１６ｍ³／ｈｒ）であること以外は実施例１と同
様の試験を行ったところ、液体導入口の圧力は０．０４
９ＭＰａＧ、流出水の溶存酸素濃度は０．５ｐｐｍであ
った。

【００２７】

【発明の効果】筒状中空糸束の空洞部断面が円であるモ
ジュールに比べると、処理流量が大きい場合にも液体側
の圧力損失が小さく、液体側を層流の範囲で運転できる
ため機械的強度の弱い中空糸を使用しても寿命が長く、
大部分の中空糸膜の稼働条件がほぼ同等であるためモジ
ュールの設計が容易である。また平行流型モジュールに
比べて製造が容易であり、高精度のモジュールを製造で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１で使用する中空糸膜の簾状シートの見
取り図である。

【図２】実施例１で作製するモジュールの正面図（右上
図）、側面図（右下図）及び上面図（左下図）である。

【図３】図２におけるＡ部断面図である。

【図４】図２におけるＢ部断面図である。

【符号の説明】

１中空糸膜２ポリエステル糸３孔４芯管５網６ハウジング７封止部８芯管の配管接続口９キャップ１０キャップ１１キャップの配管接続口１２キャップの配管接続口１３ハウジングの配管接続口１４空洞部１５長径１６短径

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒状に束ねられた中空糸膜束を有してな
る外部灌流型気液接触モジュールであって、該筒状中空
糸束の空洞部の横断面における長径に対する該長径と直
交する短径の比が１．５〜１００であることを特徴とす
る外部灌流型気液接触モジュール。
【請求項２】筒状中空糸束の空洞部に、管壁に複数の
孔が開いた芯管を有する請求項１記載のモジュール。
【請求項３】短径が０．５〜３０ｃｍである請求項１
又は２記載のモジュール。
【請求項４】長径に対する該長径と直交する短径の比
が、２〜１０である請求項１、２又は３記載のモジュー
ル。
【請求項５】筒状中空糸束が、液体流出口または導入
口を有するハウジング内に設置されている請求項１、
２、３又は４記載のモジュール。
【請求項６】筒状中空糸束が、中空糸膜の編組体であ
る請求項１〜５のいずれか１つに記載のモジュール。
【請求項７】中空糸膜の編組体が、中空糸膜同士また
は中空糸膜と他の糸条とで構成されたシート状物を筒状
に巻いた物である請求項６記載のモジュール。
【請求項８】シート状物が、中空糸膜と他の糸条とで
構成された簾状物である請求項７記載のモジュール。