JPS6351722B2 - - Google Patents

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JPS6351722B2
JPS6351722B2 JP55180171A JP18017180A JPS6351722B2 JP S6351722 B2 JPS6351722 B2 JP S6351722B2 JP 55180171 A JP55180171 A JP 55180171A JP 18017180 A JP18017180 A JP 18017180A JP S6351722 B2 JPS6351722 B2 JP S6351722B2
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JP
Japan
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hollow fiber
permeated liquid
fluid
separation device
permeated
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JP55180171A
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Masaaki Sekino
Yoshuki Fujita
Tetsuo Ukai
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Toyobo Co Ltd
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Toyobo Co Ltd
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Publication date
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    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
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    • B01D53/225—Multiple stage diffusion
    • B01D53/226—Multiple stage diffusion in serial connexion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
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    • B01D63/04—Hollow fibre modules comprising multiple hollow fibre assemblies
    • B01D63/043—Hollow fibre modules comprising multiple hollow fibre assemblies with separate tube sheets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/12—Specific discharge elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2317/00—Membrane module arrangements within a plant or an apparatus
    • B01D2317/02—Elements in series
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
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  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はその膜壁が流体に対して選択透過性を
有する中空糸を用いた流体分離装置に関する。
選択透過性を有する膜を用いて流体の成分を分
離する流体分離装置の適用単位操作としては、気
体透過、液体透過、透析、限外濾過および逆浸透
などがある。特に近年、逆浸透法は海水あるいは
地下かん水の淡水化、廃水からの有用物、有害物
の回収および水の再生利用などの分野において新
しい有効な方法として注目されている。逆浸透法
では被処理流体に該被処理流体の有する浸透圧以
上の圧力を作用させることにより、流体成分に対
し選択透過性を有する膜を介し、所望の分離操作
を完了する。この圧力は適用流体や選択透過性膜
性状等により異なるが、数Kg／cm2より百Kg／cm2以
上に及ぶものである。従つて、逆浸透法では膜及
びその支持体、収納容器等の耐圧性が重要とな
る。
ところで中空糸型の逆浸透膜は平膜形式例えば
プレート・アンド・フレーム型やチユーブラー
型、スパイラル型に較べてそれ自体が耐圧性を持
つ構造のため膜支持体が不要であるばかりでな
く、装置容積当りの膜面積が飛躍的に大きくとれ
るため、装置当りの流体処理容量が著しく大きい
ものとなつている。また他型式に較べて単位膜面
積当りの透過流量が小さいことが幸いして、供給
液側の膜面近傍での濃度分極現象が無視し得る程
に小さく、逆つて、濃縮倍率（通常逆浸透操作で
は回収率と呼んでいる）を他型式の数倍に設定す
ることができて極めて高効率である。
ところで更に前記高容積効率、高濃縮倍率の利
点を生かし、大容量化装置を製作するにあたつて
は次の留意点がある。
(1) 中空糸内透過液流動圧損のため、中空糸組立
体中の中空糸はその長さ方向の制約を受ける。
(2) 中空糸組立体を収納する円筒圧力容器は、ス
ケールアツプの考え方からすると（長さ／径）
比を大きくする方が経済的である。すなわち長
尺化した方が望ましい。
従つて中空糸型逆浸透装置においては、長尺化
円筒圧力容器に複数本の中空糸組立体を挿入する
ことによつて経済的に有利な大容量化が達成され
る。また特に、この複数本の中空糸組立体を直列
に配設（１番目の中空糸組立体で非透過の濃縮液
を２番目の中空糸組立体に供給し、更に、同様に
３番目、４番目……へと濃縮液を通過させる方
式）すれば、濃縮液（すなわち次の中空糸組立体
の供給液でもある）の流速を大きくとれ、中空糸
膜固有の小さな濃度分極現象を更に小さくできて
透過液質を高めることが可能となる。
従来より、こうした考え方で１つの圧力容器に
複数本の中空糸組立体を挿入する提案がなされて
いる。しかしながら中空糸組立体は中空糸束の端
部で中空糸束コアに垂直に密封係合して中空糸を
開口させた管板を有するのが一般であるため、複
数本の中空糸組立体を収納した流体分離装置では
各中空糸組立体の板が邪魔をして被処理液の系外
への流出通路を確保することが困難となつてい
る。従つて、従来法では中空糸組立体の板を圧力
容器両端板部に対向させて、せいぜい２本の中空
糸組立体を収納し、被処理液の流入等は圧力容器
の中心部円筒外面より行なう構造を採用したり、
あるいは２本の中空糸組立体の管板を集水体を介
して鉢合せ、透過液はやはり圧力容器中心部の円
筒外面に取出口を設けて系外へ流出させる方法を
とつていた。このような従来法では２本以上特に
４本以上の中空糸組立体を収納する構造をとろう
とすると流体入出口の接続配管が複雑となるばか
りでなく、圧力容器端部以外の円筒面周囲の外部
配管接続部での作業上メンテナンス上のスペース
を必要とし、不利である。
本発明は上記従来構造を克服した次の構成要素
よりなる新規な流体分離装置に関するものであ
る。すなわち、(1)１対の選択透過性を有する円筒
状中空糸組立体の中空糸開口側管板で両面をはさ
まれ該面において該中空糸組立体の管板から流出
する透過液を集水する機能を有する透過液集水体
と、該透過液集水体の中心部で垂直貫通し、該透
過液を取出すための透過液導管、および該透過液
集水体の中心部近傍に透過液導管を包囲する形状
で非透過の濃縮液を通過させる濃縮液流路を設け
た嵌合体、および１対の中空糸組立体より構成さ
れる構造体を１組以上同軸方向、単列に円筒状圧
力容器内に配設してなる流体分離装置であり、(2)
この場合該透過液集水体と該嵌合体は一体構造に
することが望ましい。
次に図面と対比して本発明の流体分離装置を詳
述する。第１図は本発明の流体分離装置の具体例
として４本の中空糸組立体を収納した流体分離装
置を示した断面図である。
第２図は本発明の流体分離装置において収納さ
れる中空糸組立体の一具体例を示した断面図であ
る。
第３図は透過液集水体と嵌合体とを組み合わせ
た状態を示す斜視図である。
第４図は本発明の流体分離装置の具体例として
５本の中空糸組立体を収納した流体分離装置を示
した断面図である。
第１図において中空糸組立体４は２本を１組と
して透過液集水体７および嵌合体８を該中空糸組
立体の管板２０ではさまれた形状で円筒圧力容器
１内へ収納されている。中空糸組立体は第２図に
示されるように、中空糸束４を中空糸束コア６の
周囲に配置し両端部を樹脂によつて接着固化した
形態である。一端部は、中空糸束の外周部と内周
部とにリングを嵌合させ、樹脂によつて接着固化
した後、中空糸束に垂直に接着樹脂の一部を切断
し、中空糸束を開口させ、円筒圧力容器に収納し
た時点で外周リング２１は円筒容器の内面と液シ
ールされ、内周リング２２は嵌合体８の外周面と
液シールされる構造をなしている。一方他端では
中空糸束コア６の直径より更に小さい直径のエン
ドブロツクリング２４と共に中空糸束は樹脂によ
り接着固化され、中空糸束を流れる流体と他空間
の流体との隔離機能を有するよう製作される。ま
た、エンドブロツクリング２４は透過液導管６外
周面と液シールをなす構造となつている。
ところで、前記中空糸コアとは、側壁に多数の
小孔を有する中空芯管や線材からなる円筒状物の
如き分散管、長さ方向に連続した突起を有する柱
体など軸方向および軸に垂直方向に流体を流す流
路を有する柱状芯体あるいは流体流路を確保しう
るパツキング材で構成された状態をいい、樹脂間
を一本で結ぐものである。
前記中空糸はかかる中空糸コアの外周上に配置
して中空糸層を形成せしめるのであるが、その中
空糸の配置方法は、例えば該中空糸コアの一端か
ら他端へ中空糸をトラバースさせながら該コアの
軸方向にほぼ平行に、あるいはスパイラル状に巻
きつけて順次配置される。
特に中空糸は該コアの軸方向に対して５〜60゜
の捲き角度を持つて互いに交差していることが好
ましい。捲き角度が小さくなりすぎると中空糸束
が崩れやすくなる欠点があり、また捲き角度が大
きくなりすぎると中空糸の長さが長くなり、透過
液の流動による圧力損失が大きくなり、従つて透
過液量が減少する。中空糸束は充填密度が45〜70
％で捲き上げられていることが好ましく、45％未
満であると流体の流れが容易になりすぎて、中空
糸束の軸方向上流側でシヨートパスし、軸方向に
均一に分散しないため、分離効率の低下が起こ
り、かつ中空糸束が崩壊しやすくなる。また70％
を越えると中空糸束内における流体の流れが悪く
なり、これを無理に流そうとすれば流体の供給圧
を高くする必要があり、圧力損失も大きくなる。
なお、充填密度は50〜65％程度とするのが最適で
ある。
次に第１図に示した流体分離装置を用いて逆浸
透法を行なう場合の流体の流れについて順に説明
する。第１図の装置では被処理流体の供給口を流
体入出口１０にする場合と入出口１２にする場合
との二通りの方法がある。被処理流体を流体入出
口１０から供給した場合、被処理流体は第１番目
の中空糸束Ａの外周部と円筒容器内面とで形成さ
れる環状通路１３ａへ入り、その後中空糸束を垂
直半径方向に横断して中空糸束コア５と透過液導
管６とで形成される環状通路１４ａへ流入する。
中空糸束を通過する間に被処理液は数Kg／cm2から
百Kg／cm2以上の圧力をかけられているため逆浸透
によつて選択透過性を有する中空糸膜で選択分離
が行なわれ、透過液は中空糸膜内を移動して中空
糸内へ流入する。該濃縮液は中空糸組立体の管板
中心に流密に係合された嵌合体８の濃縮液流路１
６を通過して第２番目の中空糸束Ｂの環状通路１
４ｂへ流入する。第２番目の中空糸束では濃縮液
の流動方向は第１番目の中空糸束Ａの流動方向と
は逆となり、半径方向へ拡大する流れとなる。中
空糸束Ｂを通過する間に濃縮液は逆浸透による分
離操作を受け、中空糸膜透過液は中空糸内へ流
入、非透過液は中空糸束Ｂと円筒容器内面とで形
成される環状部１３ｂへ流出していく。前記２本
の中空糸束Ａ，Ｂでの流動パターンは下流におい
ても繰り返され、下流域に及ぶほど濃縮操作が進
行される。流動パターンは、すなわち奇数番目の
中空糸束は半径方向求心流をなし、偶数番目の中
空糸束は半径方向遠心流をなす。中空糸膜を選択
透過した透過液は、中空糸端部を流密に開口接着
固化した管板２０から集水体７へ流入し、集水体
平面に穿つた同心円状溝通路１８および放射状溝
通路１９を通つて嵌合体８の通路孔１７へ流入す
る。さらに該透過液は嵌合体の中心孔１５を通過
して透過液導管６内を流動し、端板２，３の透過
液流出口１１ａ，１１ｂより系外へ取出される。
嵌合体８の円筒外周部および中心孔１５の内周面
に取付けられた弾性パツキン３０，３１はいずれ
も透過液と濃縮液との混合を防ぐものである。集
水体平面の外輪の弾性パツキン３４あるいは管板
円周上の弾性パツキン３２も同様の機能を果たす
ものである。エンドブロツク２３の弾性パツキン
３３は供給液と非透過液との混合を防止するもの
で、造水用途などの透過液を利用する分野では、
前記弾性パツキンのシール性ほど厳密でなくても
構わない。透過液導管６は一端を嵌合体と接合
し、他端を端板２，３の透過液出口１１ａ，１１
ｂあるいは、連結管９に嵌合している。該透過液
導管６は操作圧による円周外圧荷重、および中空
糸組立体や嵌合体８の通路１６を流れる濃縮液の
流動圧損による軸方向荷重を受ける。濃縮液の流
動圧損は複数本の中空糸束を収納したモジユール
全体として少なくとも２Kg／cm2以内、好ましくは
１Kg／cm2以内に抑え、逆浸透操作での有効圧力を
余り減少させない設計を行うのが一般である。
（従つて流動圧損から生ずる軸荷重は透過液導管
強度計算上の律速因子とはならない。該透過液導
管の強度上の材質・壁厚は主に円周面上に作用す
る外圧荷重で決定される。）一方、透過液導管の
内径についても透過液流動圧損を１Kg／cm2以内、
好ましくは0.5Kg／cm2以内に抑え逆浸透操作での
有効差圧をできる限り減少させない径とせねばな
らない。
該透過液導管の材質はナイロン、塩化ビニル、
強化繊維エポキシレジンなどのプラスチツク管や
ステンレス鋼管、コーテイング炭素鋼管などが使
用される。
本発明の特徴の一つである透過液集水体７は第
３図の斜視図に示すように同心円状の三角断面溝
をうがち、管板２０の中空糸開口部とは線状に接
して中空糸開口部を閉塞させないような構造とす
る必要がある。該透過液集水体は上記機能を有す
る構成、構造であればこれを制約するものでな
く、焼結体、網状物あるいは管板の外周リング２
１、内周リング２２でのみ接合する室状を構成す
る構造体でもよい。ただし透過液流動圧損を無視
しうるほど小さくするような空間容積をもつ構造
とせねばならない。
本発明の他の特徴の一つである嵌合体８は透過
液と濃縮液とを別々に次の中空糸組立体へ通過さ
せる流路を提供するものであるが、前記透過液集
水体７とはネジ接合、接着等の手段で固定されて
いるか又は、嵌合体８と透過液集水体７は一体構
造でもよい。該嵌合体８は円筒軸方向に垂直に円
周中央面より貫通して円筒同軸の中心孔１５に抜
ける通路孔１７を少なくとも１つ以上有し、かつ
円筒軸方向に前記中心孔１５と隣接して平行に配
された濃縮液通路１６を少なくとも１つ以上有す
るものである。
本発明の流体分離装置では円筒容器胴部の外周
に導入若しくは取出し配管を設けず、これらの接
続用配管を端板側に設けることができるため、該
流体分離装置を列設したり、あるいは階段的に積
み重ねて配設するいわゆるクリスマスツリー方式
などで配設する場合、これらの接続配管を極めわ
簡単に行なうことができると共に該流体分離装置
を小容積空間に多数配置することが可能となり、
全体の組立装置を小型に構成することができる。
本発明の流体分離装置は圧力容器内に複数の中
空糸組立体を収納することによつて装置の大型化
を達成したものであるため、１つの中空糸組立体
を単に長尺化もしくは大口径化して装置を大型化
したものに起こりがちな流体の圧力損失や濃度分
極現象を生じることがない。すなわち透過液流動
圧損を考慮して最適長に設計した中空糸組立体を
図示例に沿つて前述したように複数本直列に配設
しているため、例えば１本の中空糸組立体を大型
化した流体分離装置と同一の回収率操作を行なつ
た場合に、本発明の流体分離装置では中空糸組立
体１本１本は低い回収率操作ですむため極めて高
速の被処理液流速下にさらされ、中空糸膜面での
境膜を極めて薄くでき結果的に分離能を高めるこ
とができ、１本の中空糸組立体の大型化よりも有
利となる。
本発明の流体分離装置において収納する中空糸
組立体の本数は、流体分離装置の全流動圧損や最
上流部中空糸組立体の高流速環境での中空糸の裂
傷などの要因抱束下にあり、通常２〜10本、好ま
しくは２本〜６本である。なお、中空糸組立体の
本数であるが一対一組の構成上偶数本の使用が一
般的であるが、円筒圧力容器の容量に応じて構造
体一組以上の他に付加的に端部に中空糸組立体を
設けてもよい。第４図はこの場合を例示するもの
で構造体２組の他に中空糸組立体を設けたもので
ある。この中空糸組立体４は管板２０の中空糸開
口部面上に透過液集水体７及び嵌合体８を配し、
更にその上に管板２０と外形構造が同じプレート
部材３５を配置する。かかるプレート部材３５は
プラスチツク板あるいは鋼板等からなり、流体不
透性のものである。透過液集水体７に流入した透
過液を流密に保持する機能を有する。本発明にお
いて用いられる中空糸は外径が10〜1000μm、中
空率が３〜80％であり、その膜壁が流体に対して
選択透過性を有するものであれば特に限定はな
く、中空糸の膜壁は均質、異方性のいずれでもよ
い。中空糸膜を形成する素材にはセルロース系、
セルロースエステル系、セルロースエーテル系、
ポリアミド系、シリコン系、ビニル系等種々の重
合体が用いられる。本発明において、管板２０、
エンドブロツク２３のように樹脂層を形成する樹
脂は、硬化前に流動性のある流体であつて、硬化
によつて固化し、硬い固体となるものが好まし
く、その代表例としてエポキシ樹脂、シリコン樹
脂、ポリウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂
などが挙げられる。また、本発明において用いら
れる集水体および嵌合体は金属、樹脂等の素材か
ら構成され、意図する機能を有するものであれば
厚み、長さなどの寸法は特に制限されるものでは
ない。本発明における円筒圧力容器は直径が20〜
700mm、長さが200〜7000mmの円筒状が好ましい
が、その形状は必ずしも円筒に限定されない。
本発明の流体分離装置の具体的な応用例として
は、海水の淡水化、地下かん水の脱塩、廃水の浄
化、無菌水の製造、超純水の製造のような逆浸透
法、電着塗装廃水からの塗料の回収、食品関係の
有用物の濃縮、回収などのような限外濾過、混合
キシレンからパラキシレンの分離のような液体透
過、ヘリウムの回収、水素の精製のような気体透
過などの膜分離操作を挙げることができ、いずれ
の場合も大規模で効率的な処理が可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の流体分離装置の具体例を示し
た正面断面図であり、第２図は本発明で使用する
中空糸組立体の断面図である。また第３図は第１
図の集水性と嵌合体との組立体の斜視図である。
第４図は本発明の流体分離装置の他の具体例を示
した正面断面図である。 １…円筒圧力容器、２，３…端板、４…中空糸
組立体、５…中空糸コア、６…透過液導管、７…
透過液集水体、８…嵌合体、９…連結管、１０，
１２…流体入出口、１１ａ，ｂ…透過液出口、１
３ａ，ｂ…環状通路、１４ａ，ｂ…環状通路、１
５…中心孔、１６…濃縮液流路、１７…通路孔、
１８，１９…溝通路、２０…管板、２１，２２，
２４…リング、２３…エンドブロツク、３０，３
１，３２，３３，３４…弾性パツキン、３５…プ
レート部材。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ １対の選択透過性を有する円筒状中空糸組立
    体の中空糸開口側管板で両面をはさまれ、該面に
    おいて該中空糸組立体の管板から流出する透過液
    を集水する機能を有する透過液集水体と、該透過
    液集水体の中心部で垂直貫通し、該透過液を取出
    すための透過液導管と、該透過液集水体の中心部
    近傍に透過液導管を包囲する形状で非透過の濃縮
    液を通過させる濃縮液流路を設けた嵌合体、およ
    び１対の中空糸組立体より構成される構造体を１
    組以上、同軸方向単列に円筒状圧力容器内に配設
    してなる流体分離装置。 ２ 透過液集水体および嵌合体が一体構造である
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の流
    体分離装置。
JP55180171A 1980-12-18 1980-12-18 Fluid separator Granted JPS57102202A (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP55180171A JPS57102202A (en) 1980-12-18 1980-12-18 Fluid separator
US06/331,713 US4451369A (en) 1980-12-18 1981-12-17 Fluid separation apparatus
DE8181110614T DE3172687D1 (en) 1980-12-18 1981-12-18 Hollow fibre membrane-type fluid separation apparatus
EP81110614A EP0055839B1 (en) 1980-12-18 1981-12-18 Hollow fibre membrane-type fluid separation apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP55180171A JPS57102202A (en) 1980-12-18 1980-12-18 Fluid separator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS57102202A JPS57102202A (en) 1982-06-25
JPS6351722B2 true JPS6351722B2 (ja) 1988-10-14

Family

ID=16078629

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP55180171A Granted JPS57102202A (en) 1980-12-18 1980-12-18 Fluid separator

Country Status (4)

Country Link
US (1) US4451369A (ja)
EP (1) EP0055839B1 (ja)
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