JPWO2011065467A1 - 分離膜モジュールおよび流体分離方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 簡単な構造で容易に製造できる分離膜モジュールおよび流体分離方法を提供する。【解決手段】 内面に分離膜１５が形成された複数の分離膜付き単管１が所定間隔をおいて並列に配列され、複数の分離膜付き単管１の両端部がそれぞれ固定板７に固定されたモジュール本体３と、該モジュール本体３の固定板７にそれぞれ設けられたチャンバ部材２ａ、２ｂと、該チャンバ部材２ａ、２ｂ内を複数の部屋に区切るために設けられ、複数の分離膜付き単管１をチャンバ部材２ａ、２ｂ内の部屋を介して直列に連結するための仕切板６とを具備するものである。チャンバ部材２ａ、２ｂは、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１と、該チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１に取り付けられ固定板７に固定されたフランジ部２ａ２、２ｂ２とを具備するとともに、仕切板６がチャンバ形成体２ａ１、２ｂ１内に固定され、該チャンバ部材２ａ、２ｂがモジュール本体３の固定板７に回転可能に固定されていることが望ましい。【選択図】 図１
Description
本発明は、分離膜モジュールおよび流体分離方法に関し、特に、含水アルコールの脱水濃縮、天然ガス分離、石油プラントにおける異性体分離等の技術において有用な分離膜モジュールおよび流体分離方法に関するものである。
従来より、各種ガスを含有する混合気体中から特定ガスを分離するフィルタや、含水アルコールから水分を除去するフィルタ等が用いられている。これらのフィルタを用いた流体分離方法は、安全かつ簡便なことからその適用範囲が拡がり、今やこれらの分離濃縮技術は各種燃焼機関をはじめ、食品工業や医療用機器、化学プラントや石油精製プラントの蒸留の一部代替、更には溶剤の回収処理、廃棄物処理等の分野でも注目されている。
例えば、水素ガスを分離するフィルタとしては、石油精製プラントにおいて発生するオフガスや、アンモニア合成プラントにおいて発生するパージガスからの水素ガスの回収などへの応用が研究されている。また二酸化炭素を分離するフィルタとしては、燃費の向上およびパイプラインの腐食防止を目的に天然ガスに含まれる二酸化炭素の除去への応用が研究されている。さらに、酸素を分離するフィルタとしては、医療機器、スポーツ機器、各種燃焼機関用として応用が研究されている。
従来の分離膜モジュールとして、分離膜付き単管を保持する円筒形ケーシングの両側に、分離膜付き単管を直列に接続するＵ字形連結管が配置された加熱チャンバ部材を有する分離膜モジュールが提案されている（特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１の分離膜モジュールでは、円筒形ケーシング内の分離膜付き単管（チューブラ膜）区間の端部をＵ字形の湾曲管であるＵ字形連結管を用いて繋がなければいけないため、構造が複雑であり、製造工程が多く、また手作業とならざるを得ないため、製造に手間がかかるという問題があった。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、簡単な構造で容易に製造できる分離膜モジュールおよび流体分離方法を提供することを目的とする。
本発明の分離膜モジュールは、管の内面に分離膜が形成された複数の分離膜付き単管が所定間隔をおいて配列され、前記複数の分離膜付き単管の両端部がそれぞれ固定板に固定されたモジュール本体と、該モジュール本体の前記固定板にそれぞれ設けられたチャンバ部材と、該チャンバ部材内を複数の部屋に区切るために設けられ、前記複数の分離膜付き単管を前記チャンバ部材内の前記部屋を介して直列に連結するための仕切板とを具備することを特徴とする。
本発明の流体分離方法は、管の内面に分離膜が形成された複数の分離膜付き単管が所定間隔をおいて配列され、前記複数の分離膜付き単管の両端部がそれぞれ固定板に固定されたモジュール本体と、該モジュール本体の前記固定板にそれぞれ設けられたチャンバ部材と、該チャンバ部材内を複数の部屋に区切るために設けられ、前記複数の分離膜付き単管を前記チャンバ部材内の前記部屋を介して直列に連結するための仕切板とを具備する分離膜モジュールを用いた流体分離方法であって、一方の前記チャンバ部材内の一つの前記部屋内に導入された２種以上の流体を含有する混合流体を前記分離膜付き単管内に流して他方のチャンバ部材内の一つの前記部屋内に流入させ、該他方のチャンバ部材内の一つの前記部屋を介して他の前記分離膜付き単管内に流入させる工程を繰り返すことにより、前記混合流体が前記複数の分離膜付き単管内を順次流れ、前記分離膜付き単管内を流れる混合流体から少なくとも１種の流体が前記分離膜を通過する一方で、前記混合流体の他の流体が前記分離膜付き単管内を流れ、前記混合流体を２つの流体に分離することを特徴とする。
本発明の分離膜モジュールおよび流体分離方法では、チャンバ部材内が仕切板により複数の部屋に区切られ、複数の分離膜付き単管がチャンバ部材内の部屋を介して直列に接続されているため、混合流体が複数の分離膜付き単管内を順次流れ、従来のＵ字管を用いて複数の分離膜付き単管を接続する場合と比較して単純構造であり、容易に製造することができる。
（形態１）
形態１の分離膜モジュールについて図１を基に説明する。図１（ａ）は、分離膜モジュールの分解斜視図を示すもので、分離膜モジュールは両端が開口する４本の円筒状の分離膜付き単管１を有している。
形態１の分離膜モジュールについて図１を基に説明する。図１（ａ）は、分離膜モジュールの分解斜視図を示すもので、分離膜モジュールは両端が開口する４本の円筒状の分離膜付き単管１を有している。
これらの４本の分離膜付き単管１は、それらの側面間が所定間隔をおいて並列に配列され、４本の分離膜付き単管１の両端部がそれぞれ固定板７に固定されている。さらに、４本の分離膜付き単管１は円筒状の収納管５内に収容され、この収納管５の両端もそれぞれ固定板７に固定されている。分離膜付き単管１と、収納管５と、固定板７とによりモジュール本体３が構成されている。
なお、図１では、円筒状の分離膜付き単管１を用いたが、円筒状である必要はなく、例えば、断面が四角形でも良い。また、図１では、円筒状の収納管５を記載したが、円筒状である必要はなく、例えば、断面が四角形の筒状でも良い。
分離膜付き単管１の両端部は、固定板７の挿入孔１０内にそれぞれ挿入されて固定されている。固定板７の材質は、分離膜付き単管１を固定板７に混合流体（以下、単に流体ということもある）が漏れることなく固定できるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ゴム製とすることで分離膜付き単管１の固定時にかかる応力を軽減できる。
モジュール本体３の固定板７にはそれぞれチャンバ部材２ａ、２ｂ（以下、チャンバ部材２ということがある）が設けられており、チャンバ部材２ａ、２ｂ内には、流体が複数の分離膜付き単管１内を直列に流れるように制御する仕切板６が設けられている。言い換えれば、チャンバ部材２ａ、２ｂ内が仕切板６により複数の部屋に区切られており、複数の分離膜付き単管１がチャンバ部材２ａ、２ｂ内の仕切板６により区切られた部屋を介して直列に接続され、混合流体が順次（直列に）通過するように制御されている。
チャンバ部材２ａ、２ｂは、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１と、該チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１に設けられたフランジ部２ａ２、２ｂ２とを有しており、チャンバ部材２ａ、２ｂのフランジ部２ａ２、２ｂ２の外周部に形成されている挿入孔８と、固定板７の外周部に形成されている挿入孔８とを合わせた状態で、挿入孔８内にボルトを挿入して締め付けることにより、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１と固定板７とが確実に固定されている。なお、図１（ａ）ではフランジ部２ａ２、２ｂ２と固定板７との固定方法はボルト締めであるが、金属製の留め具などを用いて固定してもよい。
モジュール本体３の左側のチャンバ形成体２ａ１内に設けられた仕切板６は、チャンバ形成体２ａ１内を３つの部屋に分割しており、モジュール本体３の右側のチャンバ形成体２ｂ１内に設けられた仕切板６は、チャンバ形成体２ｂ１内を２つの部屋に分割している。チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１のそれぞれの部屋には、分離膜付き単管１が連通している。
すなわち、断面が凹形状のチャンバ形成体２ａ１、２ｂ１内に仕切板６が収容固定され、このチャンバ形成体２ａ１、２ｂ１に、フランジ部２ａ２、２ｂ２が形成され、このフランジ部２ａ２、２ｂ２には、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１の凹部を塞ぐ円板状の板状体２ａ３、２ｂ３が一体的に形成されており、これにより、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１内が仕切板６と板状体２ａ３、２ｂ３とで仕切られ、複数の部屋が形成されている。円板状の板状体２ａ３、２ｂ３には複数の分離膜付き単管１とそれぞれ連通する複数の貫通孔１６、１７が形成されている。
なお、フランジ部２ａ２、２ｂ２に板状体２ａ３、２ｂ３を設けることなく、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１内を仕切板６と固定板７とで仕切り、複数の部屋を形成しても良い。
モジュール本体３の左側のチャンバ部材２ａには、３つの部屋のうち一つの部屋に連通する流体導入管１１が設けられ、他の一つの部屋に連通する流体導出管１２が設けられている。流体導入管１１から導入される混合流体は、例えば、エタノールと水を含有する被分離液体であり、流体導出管１２から導出される混合流体は、例えばエタノールを高濃度で含む液体である。分離膜付き単管１により分離される流体は水だけでなく、従来から知られているものを分離でき、例えば、水素、二酸化炭素等であっても良い。
分離膜付き単管１の内部から外部へ透過した流体は、例えば水であり、この水は、収納管５に設けられた排出管９から排出されるようになっている。排出管９は１本に限らず、何本でも良い。
なお、図１では、左側のチャンバ形成体２ａ１に流体導入管１１と流体導出管１２を設けた例について説明したが、例えば、左側のチャンバ形成体２ａ１に流体導入管１１を設け、右側のチャンバ形成体２ｂ１に流体導出管１２を設けても良い。流体導入管１１および流体導出管１２は、簡単な構造で製造が容易という点から、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１のいずれか一方に設けることが望ましい。
分離膜付き単管１は、図２に示すように、多孔質の支持管１３の内面に多孔質の中間層１４を設け、この中間層１４の内面に分離膜１５を設けることにより構成されている。支持管１３は、例えばセラミックからなり、中間層１４は、例えば炭素粒子からなり、分離膜１５は、例えばガラス状炭素から構成されている。分離膜付き単管１の構造はこれに限定されるものではなく、例えばガラス状炭素以外の分離膜を用いることができる。
以上のように構成された分離膜モジュールでは、例えば、被分離液体であるエタノールと水を含有する混合流体が、図１（ａ）の矢印で示すように、流体導入管１１から左側のチャンバ形成体２ａ１の仕切板６で仕切られた部屋内に導入され、分離膜付き単管１ａ内を通過して、右側のチャンバ形成体２ｂ１の仕切板６で仕切られた部屋内に導入され、同じ部屋内に連通する他の分離膜付き単管１ｂ内を通過して、左側のチャンバ形成体２ａ１の仕切板６で仕切られた部屋内に導入され、同じ部屋内に連通する分離膜付き単管１ｃ内を通過して、右側のチャンバ形成体２ｂ１の仕切板６で仕切られた部屋内に導入され、同じ部屋内に連通する分離膜付き単管１ｄ内を通過して、左側のチャンバ形成体２ａ１の仕切板６で仕切られた部屋内に導入され、流体導出管１２から導出される。図１（ｂ）（ｃ）にもチャンバ形成体２ａ１、２ｂ１内の流体の流れを記載した。
図１（ｂ）は（ａ）を左側から透視した図であり、（ｃ）は（ａ）を右側から透視した図である。
そして、分離膜付き単管１（分離膜付き単管１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを総称して分離膜付き単管１ということがある）内をエタノールと水を含有する流体が通過する間に、水が分離膜１５を透過して排出管９から排出され、残ったエタノールを高濃度で含有する流体が、流体導出管１２から導出される。
本形態の分離膜モジュールでは、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１内の仕切板６により、流体が４本の分離膜付き単管１内を直列に順次流れるため、言い換えれば、流体が、分離膜付き単管１ａ、分離膜付き単管１ｂ、分離膜付き単管１ｃ、分離膜付き単管１ｄの順で流れ、従来のＵ字管を用いて複数の分離膜付き単管を接続する場合と比較して単純構造であり、製造時の自動化も容易であり、容易に製造することができる。
また、フランジ部２ａ２、２ｂ２と固定板７とを連結するボルトを外すことにより、分離膜付き単管１同士の直列接続が解除できるため、分離膜付き単管１が破損、或いは劣化した際の交換作業が容易であり、また、分離膜付き単管１内に堆積した水垢等の除去作業も容易に行うことができる。
また、本形態の分離膜モジュールは、フランジ部２ａ２、２ｂ２と固定板７とを連結するボルトを外し、チャンバ部材２ａ、２ｂを回転し、ボルトを締めることにより、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１の仕切板６で流体が複数の分離膜付き単管１内を流れる順序を変更することができる。
すなわち、図３は、モジュール本体３の固定板７に対して、図１の状態からチャンバ部材２ａ、２ｂをそれぞれ９０度回転させて固定した状態を示している。この分離膜モジュールでは、例えば、被分離液体であるエタノールと水を含有する流体が、図３（ａ）の矢印で示すように、流体導入管１１から左側のチャンバ形成体２ａ１の仕切板６で仕切られた部屋内に導入され、分離膜付き単管１ｄ内を通過して、右側のチャンバ形成体２ｂ１の仕切板６で仕切られた部屋内に導入され、同じ部屋内に連通する他の分離膜付き単管１ａ内を通過して、左側のチャンバ形成体２ａ１の仕切板６で仕切られた部屋内に導入され、同じ部屋内に連通する分離膜付き単管１ｂ内を通過して、右側のチャンバ形成体２ｂ１の仕切板６で仕切られた部屋内に導入され、同じ部屋内に連通する分離膜付き単管１ｃ内を通過して、左側のチャンバ形成体２ａ１の仕切板６で仕切られた部屋内に導入され、流体導出管１２から導出される。図３（ｂ）（ｃ）にもチャンバ形成体２ａ１、２ｂ１内の流体の流れを記載した。
従って、図１の分離膜モジュールでは、流体が、分離膜付き単管１ａ、分離膜付き単管１ｂ、分離膜付き単管１ｃ、分離膜付き単管１ｄの順で直列に流れていたが、図３の分離膜モジュールでは、チャンバ部材２ａ、２ｂをそれぞれ９０度回転させることにより、流体を、分離膜付き単管１ｄ、分離膜付き単管１ａ、分離膜付き単管１ｂ、分離膜付き単管１ｃの順で直列に流すことができ、分離膜付き単管１内を流れる順序を変更することができ、これにより、流体分離を開始してある一定の時間経過後に、チャンバ部材２ａ、２ｂをそれぞれ回転させることにより、流体が分離膜付き単管１内を流れる順序を変更でき、各分離膜付き単管１の劣化の度合いを均一化させることができ、これにより分離膜付き単管１の寿命を長くでき、分離膜モジュールの寿命を長くできる。
なお、上記形態では、流体分離を開始してある一定の時間経過後に、チャンバ部材２ａ、２ｂを回転させたが、例えば、分離膜モジュールにより一定量分離した後、チャンバ部材２ａ、２ｂを回転させても良い。
図３では、図１の状態からチャンバ部材２ａ、２ｂをそれぞれ９０度回転させて固定した状態を示したが、１８０度、２７０度回転させても良いことは勿論である。この場合にも、流体が分離膜付き単管１内を流れる順序を変更できる。
すなわち、流体導入管１１から供給される被分離液体（混合流体）中に含まれる水は、流体導入管１１に近い分離膜付き単管１で多く分離され、流体導出管１２に近づくに従って水の含有量は少なくなる。つまり、流体導入管１１に近い分離膜付き単管１ほど水の影響を受けて劣化しやすい傾向にあるが、チャンバ部材２ａ、２ｂをそれぞれ回転させることにより、分離膜付き単管１内を流れる順序を変更することができるため、各分離膜付き単管１の劣化の度合いを均一化させることも可能となり、これにより分離膜付き単管１の寿命を長くでき、分離膜モジュールの寿命を長くできる。
（形態２）
図４は、形態２の分離膜モジュールを示すもので、この形態では、６本の分離膜付き単管１を有している。モジュール本体３の左側のチャンバ形成体２ａ１内に設けられた仕切板６は、チャンバ形成体２ａ１内を４つの部屋に分割しており、モジュール本体３の右側のチャンバ形成体２ｂ１内に設けられた仕切板６は、チャンバ形成体２ｂ１内を３つの部屋に分割しており、それぞれの部屋には、分離膜付き単管１が連通している。
図４は、形態２の分離膜モジュールを示すもので、この形態では、６本の分離膜付き単管１を有している。モジュール本体３の左側のチャンバ形成体２ａ１内に設けられた仕切板６は、チャンバ形成体２ａ１内を４つの部屋に分割しており、モジュール本体３の右側のチャンバ形成体２ｂ１内に設けられた仕切板６は、チャンバ形成体２ｂ１内を３つの部屋に分割しており、それぞれの部屋には、分離膜付き単管１が連通している。
このような分離膜モジュールでも、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１内の仕切板６により、流体が６本の分離膜付き単管１内を直列に流れるため、従来のＵ字管を用いて複数の分離膜付き単管を接続する場合と比較して単純構造であり、製造時の自動化も容易であり、容易に製造することができるとともに、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１を回転することにより、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１の仕切板６で流体が複数の分離膜付き単管１内を流れる順序を変更することができ、各分離膜付き単管１の劣化の度合いを均一化させることが可能となり、分離膜付き単管１の寿命を長くでき、分離膜モジュールの寿命を長くできる。
（形態３）
図５は、形態３の分離膜モジュールを示すもので、この形態では、１２本の分離膜付き単管１を有している。モジュール本体３の左側のチャンバ形成体２ａ１内に設けられた仕切板６は、チャンバ形成体２ａ１内を７つの部屋に分割しており、モジュール本体３の右側のチャンバ形成体２ｂ１内に設けられた仕切板６は、チャンバ形成体２ｂ１内を６つの部屋に分割しており、それぞれの部屋には、分離膜付き単管１が連通している。
図５は、形態３の分離膜モジュールを示すもので、この形態では、１２本の分離膜付き単管１を有している。モジュール本体３の左側のチャンバ形成体２ａ１内に設けられた仕切板６は、チャンバ形成体２ａ１内を７つの部屋に分割しており、モジュール本体３の右側のチャンバ形成体２ｂ１内に設けられた仕切板６は、チャンバ形成体２ｂ１内を６つの部屋に分割しており、それぞれの部屋には、分離膜付き単管１が連通している。
このような分離膜モジュールでも、容易に製造することができるとともに、チャンバ部材２ａ、２ｂを回転することにより、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１の仕切板６で流体が複数の分離膜付き単管１内を流れる順序を変更することができ、各分離膜付き単管１の劣化の度合いを均一化させることができる。
（形態４）
図６は、旋回流発生部を有する形態４の分離膜モジュールを示すもので、この形態では、分離膜付き単管１の上流側の開口部近傍、言い換えれば、分離膜付き単管１の流体導入側の開口部近傍、さらに言い換えれば、分離膜付き単管１の流体入口部近傍に、分離膜付き単管１内の流体に旋回流を発生させる旋回流発生部３５が設けられている。この旋回流発生部３５は、フランジ部２ａ２、２ｂ２に一体的に形成された板状体２ａ３、２ｂ３の貫通孔１６、１７に設けられている。
図６は、旋回流発生部を有する形態４の分離膜モジュールを示すもので、この形態では、分離膜付き単管１の上流側の開口部近傍、言い換えれば、分離膜付き単管１の流体導入側の開口部近傍、さらに言い換えれば、分離膜付き単管１の流体入口部近傍に、分離膜付き単管１内の流体に旋回流を発生させる旋回流発生部３５が設けられている。この旋回流発生部３５は、フランジ部２ａ２、２ｂ２に一体的に形成された板状体２ａ３、２ｂ３の貫通孔１６、１７に設けられている。
すなわち、旋回流発生部３５は、分離膜付き単管１ａの上流側に配置された板状体２ａ３の貫通孔１６ａ、分離膜付き単管１ｃの上流側に配置された板状体２ａ３の貫通孔１６ｃ、分離膜付き単管１ｂの上流側に配置された板状体２ｂ３の貫通孔１７ｂ、分離膜付き単管１ｄの上流側に配置された板状体２ｂ３の貫通孔１７ｄに設けられている。逆に、分離膜付き単管１ａの下流側の板状体２ｂ３における貫通孔１７ａ、分離膜付き単管１ｃの下流側の板状体２ｂ３における貫通孔１７ｃ、分離膜付き単管１ｂの下流側の板状体２ａ３における貫通孔１６ｂ、分離膜付き単管１ｄの下流側の板状体２ａ３における貫通孔１６ｄには、旋回流発生部３５は設けられていない。
旋回流発生部３５の構造について、板状体２ａ３における貫通孔１６ａに設けられた旋回流発生部３５を例に図７を用いて説明する。
旋回流発生部３５は、図７（ｂ）に示すように、回転軸に羽体を複数設けて構成されたプロペラ部３５ａと、プロペラ部３５ａを板状体２ａ３における貫通孔１６ａの壁面に回転可能に取り付けるための２つの支持部材３５ｂとを具備して構成されている。２つの支持部材３５ｂは、板状体２ａ３における貫通孔１６ａ内に十字状に組み合わされ、かつ、プロペラ部３５ａの回転軸を挟むように組み合わされ、２つの支持部材３５ｂの端部が板状体２ａ３における貫通孔１６ａの壁面に固定されている。
この旋回流発生部３５は、流体が分離膜付き単管１内に流れ込む入り口側の貫通孔１６、１７（貫通孔１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄを総称して貫通孔１６といい、貫通孔１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄを総称して貫通孔１７ということがある）に設けられており、流体が分離膜付き単管１内に流れ込む際に、図７（ｃ）に示すように、旋回流を発生させる。従って、板状体２ａ３、２ｂ３における貫通孔１６、１７であっても、分離膜付き単管１から流体が導出される出口側の貫通孔１６、１７には旋回流発生部３５は設けられていない。
さらに、従来の分離膜モジュールでは、流体は分離膜付き単管１の中央部を流れ易いため、分離膜付き単管１の内側に形成された分離膜１５の近傍には新鮮な流体が流れ難く、また、分離膜付き単管１の内面の分離膜１５の近傍には、水が透過されていくことで分離膜付き単管１の中央部よりもエタノール濃度が増加し、新鮮な流体が流れ難くなるため、分離性能が低下する傾向にある。
一方、本形態では、分離膜付き単管１の上流側の板状体２ａ３、２ｂ３における貫通孔１６、１７に、分離膜付き単管１内の流体に旋回流を発生させる旋回流発生部３５が設けられているため、分離膜付き単管１内面の分離膜１５に直接または近傍に旋回流発生部３５を設けることなく、分離膜付き単管１内の中央部を通過し易い流体を強制的に分離膜付き単管１の内面の分離膜１５近傍に供給することができ、分離膜１５を破損させることなく、新鮮な被分離液体である流体を分離膜１５近傍に十分に供給でき、分離性能を向上できる。
なお、旋回流発生部３５として、動力によりプロペラ部３５ａを回転させても良いが、プロペラ部３５ａを回転しないように支持部材３５ｂに固定した場合であっても、ある程度旋回流を発生させることができる。さらに、プロペラ部３５ａ以外の従来から知られている旋回流発生部を用いることもできる。
本形態では、図８に示すように、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１内の仕切板６により、流体が４本の分離膜付き単管１内を直列に流れるため、従来のＵ字管を用いて複数の分離膜付き単管を接続する場合と比較して単純構造であり、製造時の自動化も容易であり、容易に製造することができるとともに、チャンバ部材２ａ、２ｂを回転することにより、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１の仕切板６で流体が複数の分離膜付き単管１内を流れる順序を変更することができ、各分離膜付き単管１の劣化の度合いを均一化させることが可能となり、分離膜付き単管１の寿命を長くでき、分離膜モジュールの寿命を長くできる。
さらに、本形態では、板状体２ａ３、２ｂ３における貫通孔１６、１７に旋回流発生部３５を設けたため、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１に対する流体導入管１１、流体導出管１２の固定位置と、旋回流発生部３５を設けた位置との関係は変化しないため、チャンバ部材２ａ、２ｂを回転させても、各分離膜付き単管１の上流側に常に旋回流発生部３５を位置させることができる。
なお、フランジ部２ａ２、２ｂ２に板状体２ａ３、２ｂ３を一体的に設けることなく、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１内を仕切板６と固定板７とで仕切り、複数の部屋を形成しても良い。この場合、図９に示すように、分離膜付き単管１が開口する部分の固定板７に、旋回流発生部３５が固定された固定部材４１をねじ等で固定することにより、旋回流発生部３５を固定板７の上流側の入口部近傍に設けることができる。図９において、符号４３は、分離膜付き単管１からの流体の漏出を防止する環状のシール材である。
（形態５）
図１０は、形態５の分離膜モジュールを示すもので、この形態では、６本の分離膜付き単管１を有している。モジュール本体３の左側のチャンバ形成体２ａ１内に設けられた仕切板６は、図１０（ｂ）に示すように、チャンバ形成体２ａ１内を４つの部屋に分割しており、モジュール本体３の右側のチャンバ形成体２ｂ１内に設けられた仕切板６は、図１０（ｃ）に示すように、チャンバ形成体２ｂ１内を３つの部屋に分割しており、それぞれの部屋には、分離膜付き単管１が連通している。
図１０は、形態５の分離膜モジュールを示すもので、この形態では、６本の分離膜付き単管１を有している。モジュール本体３の左側のチャンバ形成体２ａ１内に設けられた仕切板６は、図１０（ｂ）に示すように、チャンバ形成体２ａ１内を４つの部屋に分割しており、モジュール本体３の右側のチャンバ形成体２ｂ１内に設けられた仕切板６は、図１０（ｃ）に示すように、チャンバ形成体２ｂ１内を３つの部屋に分割しており、それぞれの部屋には、分離膜付き単管１が連通している。
そして、図１０（ｄ）（ｅ）に示すように、図６と同様に、分離膜付き単管１の上流側の貫通孔１６、１７に、分離膜付き単管１内の流体に旋回流を発生させる旋回流発生部３５が設けられている。
このような分離膜モジュールでも、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１内の仕切板６により、流体が６本の分離膜付き単管１内を直列に流れるため、従来のＵ字管を用いて複数の分離膜付き単管を接続する場合と比較して単純構造であり、製造時の自動化も容易であり、容易に製造することができるとともに、チャンバ部材２ａ、２ｂを回転することにより、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１の仕切板６で流体が複数の分離膜付き単管１内を流れる順序を変更することができ、各分離膜付き単管１の劣化の度合いを均一化させることが可能となり、分離膜付き単管１の寿命を長くでき、分離膜モジュールの寿命を長くできる。
さらに、分離膜付き単管１の上流側の旋回流発生部３５により、分離膜１５を破損させることなく、新鮮な被分離液体である流体を分離膜１５近傍に十分に供給でき、分離性能を向上できる。なお、図５に示したように、１２本の分離膜付き単管１を有する分離膜モジュール、さらには１２本よりも多い分離膜付き単管１を有する分離膜モジュールであっても、旋回流発生部３５を設けることができることは勿論である。
（形態６）
図１１は、分離膜付き単管１内にヒータバー４７を有する形態６の分離膜モジュールを示すもので、この分離膜モジュールでは、フランジ部２ａ２、２ｂ２に円板状の板状体２ａ３、２ｂ３が一体的に形成されており、この板状体２ａ３、２ｂ３の分離膜付き単管１の開口部に対応する位置に貫通孔１６，１７が形成されている。そして、分離膜付き単管１内をヒータバー４７が挿通しており、その両端部が、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１の内側面に固定され、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１の外部からヒータバー４７に電流を印加することにより発熱することになる。
図１１は、分離膜付き単管１内にヒータバー４７を有する形態６の分離膜モジュールを示すもので、この分離膜モジュールでは、フランジ部２ａ２、２ｂ２に円板状の板状体２ａ３、２ｂ３が一体的に形成されており、この板状体２ａ３、２ｂ３の分離膜付き単管１の開口部に対応する位置に貫通孔１６，１７が形成されている。そして、分離膜付き単管１内をヒータバー４７が挿通しており、その両端部が、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１の内側面に固定され、チャンバ形成体２ａ１、２ｂ１の外部からヒータバー４７に電流を印加することにより発熱することになる。
従来の分離膜モジュールでは、流体は分離膜付き単管１が直列に接続された長い流路を通過していくため、分離膜を透過する際、その透過物の気化に伴う潜熱により熱の損失が生じ、下流側の流体温度は低下し、分離性能が低下する傾向にあるが、本形態では、分離膜付き単管１内にはヒータバー４７が配置されているため、低下し易い流体温度を上げることができ、分離性能を向上できる。
なお、分離膜付き単管１の内径が小さいなどの理由でヒータバー４７を分離膜付き単管１内に挿入できない場合には、図１２に示すようにチャンバ形成体２ａ１、２ｂ１の内側面に加熱装置４９を設けることもできる。この場合には、チャンバ部材２ａ、２ｂを回転させることもできる。
１・・・分離膜付き単管
２ａ、２ｂ・・・チャンバ部材
２ａ１、２ｂ１・・・チャンバ形成体
２ａ２、２ｂ２・・・フランジ部
２ａ３、２ｂ３・・・板状体
３・・・モジュール本体
６・・・仕切板
７・・・固定板
１５・・・分離膜
１６、１７・・・フランジ部の貫通孔
３５・・・旋回流発生部
２ａ、２ｂ・・・チャンバ部材
２ａ１、２ｂ１・・・チャンバ形成体
２ａ２、２ｂ２・・・フランジ部
２ａ３、２ｂ３・・・板状体
３・・・モジュール本体
６・・・仕切板
７・・・固定板
１５・・・分離膜
１６、１７・・・フランジ部の貫通孔
３５・・・旋回流発生部
Claims (7)
- 管の内面に分離膜が形成された複数の分離膜付き単管が所定間隔をおいて配列され、前記複数の分離膜付き単管の両端部がそれぞれ固定板に固定されたモジュール本体と、該モジュール本体の前記固定板にそれぞれ設けられたチャンバ部材と、該チャンバ部材内を複数の部屋に区切るために設けられ、前記複数の分離膜付き単管を前記チャンバ部材内の前記部屋を介して直列に連結するための仕切板とを具備することを特徴とする分離膜モジュール。
- 前記チャンバ部材は、チャンバ形成体と、該チャンバ形成体に取り付けられ前記固定板に固定されたフランジ部とを具備するとともに、前記仕切板が前記チャンバ形成体内に固定され、該チャンバ部材が前記モジュール本体の前記固定板に回転可能に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の分離膜モジュール。
- 前記分離膜付き単管の上流側に、前記分離膜付き単管内の混合流体に旋回流を発生させる旋回流発生部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の分離膜モジュール。
- 前記チャンバ部材は、チャンバ形成体と、該チャンバ形成体に取り付けられ前記固定板に固定されたフランジ部と、該フランジ部に一体的に形成され、前記チャンバ形成体の開口部を塞ぐ板状体とを具備するとともに、前記板状体に、前記複数の分離膜付き単管とそれぞれ連通する複数の貫通孔を有し、該貫通孔に前記分離膜付き単管内の混合流体に旋回流を発生させる前記旋回流発生部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の分離膜モジュール。
- 管の内面に分離膜が形成された複数の分離膜付き単管が所定間隔をおいて配列され、前記複数の分離膜付き単管の両端部がそれぞれ固定板に固定されたモジュール本体と、該モジュール本体の前記固定板にそれぞれ設けられたチャンバ部材と、該チャンバ部材内を複数の部屋に区切るために設けられ、前記複数の分離膜付き単管を前記チャンバ部材内の前記部屋を介して直列に連結するための仕切板とを具備する分離膜モジュールを用いた流体分離方法であって、一方の前記チャンバ部材内の一つの前記部屋内に導入された２種以上の流体を含有する混合流体を前記分離膜付き単管内に流して他方のチャンバ部材内の一つの前記部屋内に流入させ、該他方のチャンバ部材内の一つの前記部屋を介して他の前記分離膜付き単管内に流入させる工程を繰り返すことにより、前記混合流体が前記複数の分離膜付き単管内を順次流れ、前記分離膜付き単管内を流れる混合流体から少なくとも１種の流体が前記分離膜を通過する一方で、前記混合流体の他の流体が前記分離膜付き単管内を流れ、前記混合流体を２つの流体に分離することを特徴とする流体分離方法。
- 前記混合流体が水とエタノールとを含有することを特徴とする請求項５に記載の流体分離方法。
- 前記チャンバ部材が前記モジュール本体の前記固定板に回転可能に固定されており、前記混合流体が前記分離膜付き単管内を一定量流れた後、もしくは、流体分離を開始して一定時間経過後に、前記チャンバ部材を回転させ、前記混合流体が前記複数の分離膜付き単管内を異なる順序で順次流れるように制御することを特徴とする請求項５または６に記載の流体分離方法。
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