WO2009118934A1 - 分離膜モジュール - Google Patents

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WO2009118934A1
WO2009118934A1 PCT/JP2008/068218 JP2008068218W WO2009118934A1 WO 2009118934 A1 WO2009118934 A1 WO 2009118934A1 JP 2008068218 W JP2008068218 W JP 2008068218W WO 2009118934 A1 WO2009118934 A1 WO 2009118934A1
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fluid
fluid passage
membrane
partition plate
separation
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藤田　優
高木　義信
祥広 浅利
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日立造船株式会社
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    • B01D2319/04—Elements in parallel

Definitions

  • the present invention relates to a separation membrane module for dehydrating a mixed liquid containing, for example, water and an organic solvent.
  • Zeolite crystals have pores of about the molecular size in the crystals, and have a molecular sieve property that allows molecules to selectively pass through depending on the size and shape of the zeolite molecules.
  • Zeolite is applied to fields such as gas separation membranes, reverse gas permeation separation, reverse osmosis separation, and gas sensors by utilizing the properties of this molecular sieve.
  • gas separation membranes such as gas separation membranes, reverse gas permeation separation, reverse osmosis separation, and gas sensors by utilizing the properties of this molecular sieve.
  • a zeolite membrane as a separation membrane for separating an organic solvent or the like from a mixed solution containing water and an organic solvent or the like is currently attracting attention.
  • a module for separating an organic solvent by a separation membrane using the zeolite for example, a plurality of tubular separation membranes having a zeolite membrane formed on the surface of a tubular support are installed, and a mixed liquid of water and an organic substance is passed outside. Thus, only water is allowed to permeate through the membrane, and the organic solvent and the like are separated from the mixed solution containing water and the organic solvent.
  • an outer tube is provided around the tubular separation membrane so as to surround the tubular separation membrane with an interval, and a mixed solution containing water and an organic solvent is passed between the tubular separation membrane and the outer tube, so that the mixed solution is brought into the vicinity of the tubular separation membrane.
  • a separation membrane module that passes at high speed and spreads over the entire tubular separation membrane with turbulent flow to improve separation efficiency (see, for example, Patent Document 1).
  • the separation membrane module in addition to the problem of improving the separation efficiency, attention is paid to the strength of the separation membrane, and a plurality of tubular separation membranes are used to solve further problems.
  • the tubular separation membranes are arranged in parallel, and the closed end is a free end and the open end is a fixed end.
  • One that is screwed and supported in a cantilever shape is known (for example, see Patent Document 2).
  • An object of the present invention is to provide a separation membrane module that can further improve separation efficiency and separation performance.
  • a further object of the present invention is to provide a tubular separation membrane or a sealing portion of a joint between a tubular separation membrane and a pipe end member by receiving a flow of a mixed liquid of water and organic matter on the premise that separation efficiency and separation performance are further improved. It is an object of the present invention to provide a separation membrane module that can suppress an extra load applied to the like.
  • an upper horizontal partition plate is provided so as to form an upper fluid passage in an upper portion in the module body, and a lower fluid passage is formed in a lower portion in the module body.
  • a lower horizontal partition plate is provided, and a plurality of vertical fluid conduits are passed to the upper horizontal partition plate and the lower horizontal partition plate, and a vertical tubular membrane separation member is passed through each fluid conduit with a gap.
  • each fluid conduit and the membrane separation member passed therethrough is communicated with the upper fluid passage, and the lower end thereof is communicated with the lower fluid passage, and the upper end opening of each membrane separation member Is open to the outside of the module body, and its lower end opening is closed, and a vertical partition plate is provided in either one of the upper fluid passage and the lower fluid passage so as to form an inlet chamber and an outlet chamber. Too It is.
  • the fluid to be separated introduced from the inlet chamber into the module body has a gap between the fluid conduit and the membrane separation member from one of the upper fluid passage and the lower fluid passage. Through to the other of the upper and lower fluid passages, where it is inverted and passed back through the gap between another separation membrane and the outer tube to one of the upper and lower fluid passages.
  • the separation fluid that has passed through the membrane separation member is discharged out of the module body and returned to one of the upper fluid passage and the lower fluid passage, and the fluid to be separated is discharged from the module body through the outlet chamber. Accordingly, the opportunity for a mixed liquid such as water and an organic solvent to pass between the fluid conduit and the membrane separation membrane member can be increased, so that the separation efficiency and the separation performance can be further improved.
  • a horizontal tube plate is provided above the upper horizontal partition plate in the module body, and each membrane separation member is fixedly suspended from the tube plate.
  • a vertical divider is positioned in the lower fluid passage so as to form an inlet chamber and an outlet chamber in the lower fluid passage, and a fluid inlet is provided to communicate with the inlet chamber and communicate with the outlet chamber.
  • a fluid outlet is provided, both the fluid inlet and the fluid outlet being oriented parallel to the axis of the membrane separation member.
  • each membrane separation member may be vibrated, causing cracks in each membrane separation member or damage to the seal portion. However, this can be prevented by the separation membrane module according to claim 2 of the present invention.
  • an upper horizontal partition plate is provided so as to form an upper fluid passage in an upper portion in the module body, and a lower fluid passage is formed in a lower portion in the module body.
  • a lower horizontal partition plate is provided, and a plurality of vertical fluid conduits are passed to the upper horizontal partition plate and the lower horizontal partition plate, and a vertical tubular membrane separation member is passed through each fluid conduit with a gap.
  • the upper end of the gap between each fluid conduit and the membrane separation member passed therethrough is communicated with the upper fluid passage, and the lower end thereof is communicated with the lower fluid passage, and the upper end opening of each membrane separation member Is opened to the outside of the module body via the upper fluid passage, and its lower end opening is closed, and includes at least three of the upper fluid passage and the lower fluid passage including the inlet chamber and the outlet chamber.
  • the fluid passage A plurality of first vertical partition plates are provided in parallel to each other, and on the other side, a number of second vertical partition plates obtained by subtracting 1 from the number of first vertical partition plates is provided. Thus, one second vertical partition plate is positioned between two adjacent first vertical partition plates.
  • the fluid to be separated introduced into the module body is passed through the gap between the fluid conduit and the membrane separation member a plurality of times between the upper fluid passage and the lower fluid passage.
  • the opportunity to pass between the fluid conduit and the membrane separation member can be freely adjusted according to the conditions such as the type of fluid to be separated and the flow velocity.
  • a horizontal tube plate is provided above the upper horizontal partition plate in the module body, and each membrane separation member is fixedly suspended from the tube plate.
  • the first vertical partition plate is positioned in the lower fluid passage so as to form three or more fluid passages including an inlet chamber and an outlet chamber in the lower fluid passage, and the fluid is communicated with the inlet chamber.
  • An inlet is provided and a fluid outlet is provided to communicate with the outlet chamber, both the fluid inlet and the fluid outlet being oriented parallel to the axis of the membrane separation member.
  • the durability of the membrane separation member can be improved in the same manner as the separation membrane module according to claim 2.
  • the separation membrane module according to claim 5 of the present invention comprises a heating means for heating each membrane separation member.
  • the separation membrane module according to claim 5 of the present invention can prevent condensation that occurs when steam is introduced into the fluid to be separated while the membrane separation member is at a low temperature, such as during startup.
  • the heat of vaporization necessary for the separation fluid to pass through the membrane can be heated.
  • the separation membrane is formed by forming a zeolite membrane on the surface of a support made of ceramics.
  • a separation membrane module capable of further improving separation efficiency and separation performance is provided.
  • an extra load acting on the membrane separation member can be suppressed.
  • the separation membrane module includes a module main body 11 configured as a sealed container, and a plurality of vertical fluid conduits 13 arranged in parallel in the module main body 11 at a predetermined interval. And the same number of vertical tubular membrane separation members 12 as the fluid conduits 13 concentrically passed through the fluid conduits 13.
  • the module body 11 includes a vertical cylindrical body 11A with an open top and a lid 11B that covers the top of the body.
  • a horizontal tube plate 25 is provided between the body 11A and the lid 11B.
  • a discharge chamber 26 is formed above the tube plate 25 in the module main body 11, and a separation chamber 27 is formed below the discharge chamber 26, respectively.
  • an upper horizontal partition plate 21 is provided immediately below the tube plate 25, and an upper fluid passage 22 is formed between the tube plate 25 and the upper horizontal partition plate 21.
  • a lower horizontal partition plate 23 is provided near the bottom surface in the module body 11, and a lower fluid passage 24 is formed below the lower horizontal partition plate 23.
  • a vertical partition plate 28 is provided in the upper fluid passage 22, whereby the upper fluid passage 22 is partitioned into an inlet chamber 22A and an outlet chamber 22B.
  • a fluid inlet 31 communicates with the inlet chamber 22A, and a fluid outlet 32 communicates with the outlet chamber 22B. Further, a separated fluid discharge port 33 is communicated with the discharge chamber 26.
  • Each fluid conduit 13 is secured to the upper horizontal partition plate 21 and the lower horizontal partition plate 23 and communicates with the upper fluid passage 22 and the lower fluid passage 24.
  • Each membrane separation member 12 is composed of a tubular separation membrane 41 in which a zeolite membrane is formed on the surface of a support made of ceramics, and a vertical connecting pipe 43 that is connected in a straight line to the upper end of the separation membrane 41.
  • the upper end of the gap between each fluid conduit 13 and the membrane separation member 12 is communicated with the upper fluid passage 22, and the lower end of the gap is communicated with the lower fluid passage 24.
  • the connecting pipe 43 crosses the upper fluid passage 22 up and down.
  • the upper end opening of the connection pipe 43 is open to the discharge chamber 26.
  • the lower end of the separation membrane 41 is closed by a closing member (not shown).
  • the fluid to be separated is introduced from the fluid inlet 31 to the inlet chamber 22A side of the upper fluid passage 22.
  • the introduced fluid to be separated is guided from the inlet chamber 22A to the lower fluid passage 24 through the gap between the fluid conduit 13 and the membrane separation member 12 on the inlet side of the vertical partition plate 28.
  • the fluid to be separated guided to the lower fluid passage 24 is reversed in the lower fluid passage 24, passes through the gap between the fluid conduit 13 and the membrane separation member 12 on the outlet side of the vertical partition plate 28, and passes through the upper fluid passage. Guided to 22 outlet chambers 22B.
  • Two upper vertical partition plates 51 are provided in the upper fluid passage 22.
  • the inlet chamber 52, the intermediate chamber 53, and the outlet chamber 54 are formed in the upper fluid passage 22 so as to be aligned in a line from the fluid inlet 31 to the fluid outlet 32.
  • One lower vertical partition plate 55 is provided in the lower fluid passage 24.
  • One lower vertical partition plate 55 is positioned below the middle between the two upper vertical partition plates 51.
  • All the membrane separation members 12 are divided into three groups at the upper end from the fluid inlet 31 to the fluid outlet 32, and the gaps between the membrane separation members 12 and the fluid conduits 13 of each group are the inlet chamber 52 and the intermediate chamber 53. And an outlet chamber 54, respectively.
  • all the membrane separation members 12 are divided into two groups at the lower end from the fluid inlet 31 to the fluid outlet 32, and the gaps between the membrane separation members 12 and the fluid conduits 13 of each group are defined in the lower fluid passage 24.
  • the lower vertical partition plate 55 communicates with both sides.
  • the fluid to be separated can be reciprocated only once between the upper fluid passage 22 and the lower fluid passage 24, but in the example shown in FIG. 3 and FIG.
  • the upper fluid passage 22 and the lower fluid passage 24 can be reciprocated twice, and further improvement in separation efficiency can be expected.
  • the number of the upper vertical partition plates 51 may be three or more. In that case, the number of the second partition plates 55 is reduced by 1 from the number of the upper vertical partition plates 51.
  • FIG. 5 shows an example in which a heating device 61 for heating the membrane separation member 12 shown in FIGS. 3 and 4 is provided.
  • the heating device 61 is an electric heater. Instead of the electric heater, a heating fluid, for example, steam may be introduced into and led out from the space between the upper fluid passage 22 and the lower fluid passage 24 in the module main body 11.
  • a heating fluid for example, steam may be introduced into and led out from the space between the upper fluid passage 22 and the lower fluid passage 24 in the module main body 11.
  • the separation membrane module has a module main body 11 and a plurality of vertical fluids arranged and accommodated in the module main body 11 in parallel as in the first embodiment.
  • a conduit 13 and a vertical bar-shaped membrane separation member 12 passed through each fluid conduit 13 are provided.
  • the module body 11 includes a vertical cylindrical body 11A having an upper end opening and a dome-shaped lid 11B that is detachably attached to the top of the body 11A.
  • a horizontal tube plate 25 is sandwiched between the body 11A and the lid 11B.
  • An upper horizontal partition plate 21 is provided below the tube plate 25, and an upper fluid passage 22 is formed between the tube plate 25 and the upper horizontal partition plate 21.
  • a lower horizontal partition plate 23 is provided near the bottom surface of the body 11A, and a lower fluid passage 24 is formed below the lower horizontal partition plate 23.
  • a perforated plate or mesh horizontal support plate 37 extends along the lower surface of the lower horizontal partition plate 23.
  • a vertical partition plate 28 is provided in the lower fluid passage 24, whereby the lower fluid passage 24 is partitioned into an inlet chamber 24A and an outlet chamber 24B.
  • a fluid inlet 31 is provided so as to communicate with the inlet chamber 24A.
  • a fluid inlet / outlet port 32 is provided so as to communicate with the outlet chamber 24B.
  • the lid body 11B is provided with a separated fluid discharge port 33.
  • the fluid inlet 31, the fluid outlet 32, and the fluid outlet 33 are all oriented in the direction parallel to the axis of each membrane separation member 12, in other words, in the vertical direction.
  • each membrane separation member 12 is suspended from a tube plate 25, and has a separation membrane 62 formed by forming a zeolite membrane on the surface of a vertical tubular support made of ceramics.
  • a vertical cylindrical upper end piece 63 connected to the upper end of the separation membrane 62 so as to communicate therewith, and a vertical rod-like lower end piece 65 connected to the lower end of the separation membrane 62 so as to close the upper end piece 65 And more.
  • the outer diameter of the separation membrane 62 is equal to the outer diameter of the upper end piece 63 and the lower end piece 65.
  • the upper end of the fluid conduit 13 is substantially at the same level as the upper end of the separation membrane 62.
  • the lower end of the fluid conduit 13 is substantially at the same level as the lower end of the lower end piece 65.
  • the upper end of the gap between the fluid conduit 13 and the separation membrane 62 is communicated with the upper fluid passage 22.
  • the lower end of the gap between the fluid conduit 13 and the lower end piece 65 is communicated with the lower fluid passage 24.
  • upper and lower through-hole fixing holes 71 having a vertical cylindrical peripheral surface are formed at locations corresponding to the membrane separation members 12 of the tube plate 25.
  • An inward flange 73 is provided at the lower end of the peripheral surface of the fixing hole 71, and a female screw 72 is formed above the flange 73.
  • a cylindrical holding member 81 surrounding the upper end of the upper end piece 63 is inserted above the flange 73 of the fixing hole 71.
  • a male screw 82 screwed to the female screw 72 is formed on the outer surface of the holding member 81.
  • a retaining ring 83 with a hexagonal outer surface is fixed to the upper surface of the holding member 81 concentrically with the holding member 81.
  • a cross-sectional inverted L-shaped annular ring receiver 91 is placed, and an O-ring 92 is received.
  • a ring-shaped spacer 93 is placed on the O-ring 92 and is pressed by the lower end surface of the holding member 81.
  • the O-ring 92 is elastically deformed so as to be slightly crushed up and down, so that the inner surface of the O-ring 92 is brought into sliding contact with the outer surface of the upper end piece 63.
  • the membrane separation member 12 is held in a suspended state by the sliding resistance between the inner surface of the O-ring 92 and the outer surface of the upper end piece 63.
  • the O-ring 92 is crushed and deformed to be sealed by coming into contact with the inner surface of the O-ring 92 and the upper end piece 63, and the outer surface of the O-ring 92 and the fixing hole 71. Mixing of the fluid to be separated that passes through the gap between 13 and the fluid that has passed through the membrane separation member 12 is prevented.
  • the lower end surface of the upper end piece 63 is provided with a fitting cylinder portion 101 fitted into the upper end opening of the separation membrane 62.
  • An upper gap is formed between the lower end surface of the upper end piece 63 and the upper end surface of the separation membrane 62.
  • An upper glass seal ring 102 obtained by compression molding glass powder is inserted into the upper gap.
  • FIG. 9 shows an example in which an omni ring 111 is used instead of the O ring 92 shown in FIG.
  • the omni ring 111 is formed in a substantially U-shaped cross section by a Teflon sealing material.
  • the omni ring 111 is elastically deformed so that the U-shape of the omni ring 111 is expanded, and both sides of the omni ring 111 are brought into contact with the seal surface. Yes.
  • FIG. 10 shows the lower end piece 65 in detail.
  • a fitting round bar 121 fitted into the lower end opening of the separation membrane 62 is provided on the upper surface of the lower end piece 65.
  • a lower gap is formed between the lower end of the separation membrane 62 and the upper end surface of the lower end piece 65.
  • a lower glass seal ring 122 similar to the upper glass seal ring 62 is inserted into the lower gap.
  • a plurality of horizontal round bar-like protrusions 123 are radially provided on the lower end of the outer surface of the lower end piece 65. There is a slight gap between the inner surface of the fluid conduit 13 and the tip surface of the protrusion 123. Excessive stress acting on the suspended portion of the upper end of the membrane separation member 12 due to the vibration of the membrane separation member 12 is prevented by the protrusions 123. Further, the protrusion 123 prevents the inner surface of the fluid conduit 13 from contacting the membrane separation member 12, and the slight separation between the inner surface of the fluid conduit 13 and the protrusion 123 allows the membrane separation member 12 to be smoothly removed from the fluid conduit 13. Can be inserted and attached.
  • the lower end surface of the lower end piece 65 may contact the upper surface of the support plate 37 or may float slightly. In short, it is only necessary to prevent the membrane separation member 12 from dropping into the bottom of the body 11A.
  • FIG. 11 shows an example in which a vertical plate-like protrusion 124 is employed instead of the horizontal round bar-like protrusion 123 shown in FIG.
  • the fluid to be separated is introduced from the fluid inlet 31 into the lower fluid passage 24.
  • the introduced fluid to be separated is guided from the lower fluid passage 24 to the upper fluid passage 22 through the gap between the membrane separation member 12 and the fluid conduit 13 on the inlet side of the vertical partition plate 28.
  • the fluid to be separated guided to the upper fluid passage 22 is reversed in the upper fluid passage 22, passes through the gap between the membrane separation member 12 and the fluid conduit 13 on the outlet side of the vertical partition plate 28, and passes through the lower fluid passage. 24 and is led out from the lower fluid passage 24 through the fluid outlet 32.
  • the fluid that has passed through the membrane separation member 12 is discharged from the top of the lid 11B through the fluid discharge port 33. During this time, the fluid flows into and out of the membrane separation member 12 from the direction parallel to the axis thereof, so that the vibration applied to the membrane separation member 12 due to the fluid flow is suppressed to a minimum.
  • FIG. 12 shows a four-pass separation membrane module according to the fourth embodiment.
  • the upper fluid passage 22 is provided with one upper vertical partition plate 131 that divides it into two
  • the lower fluid passage 24 is provided with two lower vertical partition plates 132 that divide it into three. It has been.
  • the configuration other than the arrangement of the upper vertical partition plate 131 and the lower vertical partition plate 122 is the same as the configuration of the two-pass separation membrane module. Further, the separation action by the four-pass method is in accordance with the description in the second embodiment.
  • FIGS. 7 to 11 can be applied to the separation membrane modules of FIGS.
  • the separation membrane module according to the present invention is suitable, for example, for achieving dehydration of a mixed solution containing water and an organic solvent.
  • FIG. 2 is a horizontal cross-sectional view taken along line II-II in FIG. It is a vertical longitudinal cross-sectional view of the separation membrane module of Embodiment 2 by this invention.
  • FIG. 4 is a horizontal cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3. It is sectional drawing equivalent to FIG. 3 which shows the modification of the separation membrane module of Embodiment 2 by this invention.
  • It is a vertical longitudinal cross-sectional view of the separation membrane module of Embodiment 3 by this invention. It is a side view which shows the detail of the membrane separation member of the separation membrane module. It is sectional drawing which shows the upper end part vicinity of the membrane separation member in detail.
  • Module body 12 Membrane separation member 13 Fluid conduit 21 Upper horizontal partition plate 22 Upper fluid passage 22A Inlet chamber 22B Outlet chamber 23 Lower horizontal partition plate 24 Lower fluid passage 28 Vertical partition plate 31 Fluid inlet 32 Fluid outlet

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Abstract

　分離膜モジュールは、モジュール本体11と、モジュール本体11内の上部に上流体通路22を形成するように設けられている上水平仕切板21と、モジュール本体11内の下部に下流体通路24を形成するように設けられている下水平仕切板23と、上水平仕切板21および下水平仕切板23に渡されている複数の垂直状流体導管13と、各流体導管13に間隙をおいて通されている垂直筒状膜分離部材12と、各流体導管13およびこれに通された膜分離部材12間の間隙上端は、上流体通路22に連通させられ、その下端は、下流体通路24に連通させられている。各膜分離部材12の上端開口は、モジュール本体11の外に開放され、その下端開口は、閉鎖されている。上流体通路22および下流体通路24内のいずれか一方に、入口チャンバ22Aおよび出口チャンバ22Bを形成するように垂直仕切板28が設けられている。

Description

分離膜モジュール
　本発明は、例えば、水と有機溶剤等を含む混合液を、無水化するための分離膜モジュールに関する。
　ゼオライト結晶は、結晶中に分子サイズ程度の細孔を有し、ゼオライトの分子の大きさや、形状により分子を選択的に通過させる分子ふるいの性質を有している。ゼオライトは、この分子ふるいの性質を利用してガス分離膜や、逆透気化分離、逆浸透分離、ガスセンサー等への分野に応用されている。とりわけ、ゼオライト膜を、水と有機溶剤等を含む混合液から有機溶剤等を分離する分離膜として利用することが現在注目されている。
　前記ゼオライトを用いた分離膜により、有機溶剤を分離するモジュールとしては、例えば、管状支持体の表面にゼオライト膜を形成した管状分離膜を複数設置し、その外側に水と有機物の混合液を通すことで、水分のみを膜に透過させ、水と有機溶剤等を含む混合液から有機溶剤等を分離することが行われている。
　さらに、前記管状分離膜の周囲に間隔をもって包囲すべく外管を設け、管状分離膜と外管の間に水と有機溶剤を含む混合液を通すことで、混合液が管状分離膜の近傍で高速に通過するとともに、乱流を伴って管状分離膜の全体に行き渡らせ、分離効率が向上させる分離膜モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　前記の分離膜モジュールでは、一定の分離効率を向上効果は認められるが、前記混合液が管状分離膜と外管の間を流れる機会が少なく、分離性能をさらに上げようとする場合には、十分とは言えなかった。
　一方、前記の分離膜モジュールにおいて、前記の分離効率の向上させようとする課題に加えて、分離膜の強度の観点に着目し、さらなる課題を解決しようとするものとして、前記管状分離膜を複数並列に配置され、管状分離膜は、閉塞端を自由端とすると共に、開口端を固定端とし、この固定端に外周にネジ部を有する管端部材を取付け、この管端部材を管板に螺合して片持状に支持したものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
　上記分離膜モジュールでは、管状分離膜に対して直交する方向に水と有機物の混合液が流れるため、管状分離膜に応力がかかり、管状分離膜や管状分離膜と管端部材の継ぎ目のシール部等に余分な荷重がかかり、また、管状分離膜と管端部材がチューブ振動を起こす可能性があり、管状分離膜にクラックが発生したり、シール部の破損が発生するという問題点があった。
ＷＯ２００４／０３５１８２ 特開平８－１３１７８２号公報
　この発明の目的は、分離効率および分離性能をさらに向上させることが可能である、分離膜モジュールを提供することにある。
　さらなる本発明の目的は、分離効率および分離性能をさらに向上させることを前提として、水と有機物の混合液が流れを受けることによる、管状分離膜や管状分離膜と管端部材の継ぎ目のシール部等にかかる余分な荷重を抑制し得る、分離膜モジュールを提供することにある。
　本発明による請求項１に記載の分離膜モジュールは、モジュール本体内の上部に上流体通路を形成するように上水平仕切板が設けられ、モジュール本体内の下部に下流体通路を形成するように下水平仕切板が設けられており、上水平仕切板および下水平仕切板に、複数の垂直状流体導管が渡されており、各流体導管に垂直筒状膜分離部材が間隙をおいて通されており、各流体導管およびこれに通された膜分離部材間の間隙上端は、上流体通路に連通させられ、その下端は、下流体通路に連通させられており、各膜分離部材の上端開口は、モジュール本体の外に開放され、その下端開口は、閉鎖されており、上流体通路および下流体通路内のいずれか一方に、入口チャンバおよび出口チャンバを形成するように垂直仕切板が設けられているものである。
　本発明による請求項１に記載の分離膜モジュールでは、入口チャンバからモジュール本体内に導入された被分離流体は、上流体通路および下流体通路の一方から、流体導管および膜分離部材間の間隙を通って、上流体通路および下流体通路の他方まで導かれ、そこで、反転させられ、別の分離膜および外管間の間隙を通って、上流体通路および下流体通路の一方まで戻され、この間に、膜分離部材を通過した分離流体は、モジュール本体の外に排出されるとともに、上流体通路および下流体通路の一方まで戻され被分離流体は、出口チャンバを通じて、モジュール本体から排出される。したがって、水と有機溶剤等の混合液が流体導管および膜分離膜部材の間を通過する機会を増やすことができるため、分離効率および分離性能をさらに向上させることができる。
　本発明による請求項２に記載の分離膜モジュールは、モジュール本体内における上水平仕切板の上方に水平状管板が設けられており、管板に各膜分離部材が固定状に吊下げられており、下流体通路内に入口チャンバおよび出口チャンバを形成するように垂直仕切板が下流体通路内に位置させられおり、入口チャンバに連通させられるように流体入口が設けられ、出口チャンバに連通させられるように流体出口が設けられており、流体入口および流体出口は、ともに、膜分離部材の軸線と平行する上に向けられているものである。
　本発明による請求項２に記載の分離膜モジュールでは、各膜分離部材に対して、流体は平行に流される。もし仮に、各膜分離部材に対して、流体が直交する方向に流されると、各膜分離部材が振動させられて、各膜分離部材にクラックが発生したり、シール部が破損する恐れがあるが、これを、本発明による請求項２に記載の分離膜モジュールは防止することができる。
　本発明による請求項３に記載の分離膜モジュールは、モジュール本体内の上部に上流体通路を形成するように上水平仕切板が設けられ、モジュール本体内の下部に下流体通路を形成するように下水平仕切板が設けられており、上水平仕切板および下水平仕切板に、複数の垂直状流体導管が渡されており、各流体導管に垂直筒状膜分離部材が間隙をおいて通されており、各流体導管およびこれに通された膜分離部材間の間隙上端は、上流体通路に連通させられ、その下端は、下流体通路に連通させられており、各膜分離部材の上端開口は、上流体通路を経由してモジュール本体の外に開放され、その下端開口は、閉鎖されており、上流体通路および下流体通路内のいずれか一方に、入口チャンバおよび出口チャンバを含む３以上の流体通路を形成するように複数の第１垂直仕切板が並列状に設けられ、その他方に、第１垂直仕切板の数から１を減じた数の第２垂直仕切板が設けられており、平面から見て、隣り合う２つの第１垂直仕切板の間に１つの第２垂直仕切板が位置させられているものである。
　本発明による請求項３に記載の分離膜モジュールでは、モジュール本体内に導入された被分離流体を、上流体通路および下流体通路の間を複数回にわたり流体導管および膜分離部材間の間隙を介して往復させることで、被分離流体の種類や流速等の条件により、流体導管および膜分離部材間を通過する機会を自由に調整できることが可能となる。
　本発明による請求項４に記載の分離膜モジュールは、モジュール本体内における上水平仕切板の上方に水平状管板が設けられており、管板に各膜分離部材が固定状に吊下げられており、下流体通路内に入口チャンバおよび出口チャンバを含む３以上の流体通路を形成するように同第１垂直仕切板が下流体通路内に位置させられおり、入口チャンバに連通させられるように流体入口が設けられ、出口チャンバに連通させられるように流体出口が設けられており、流体入口および流体出口は、ともに、膜分離部材の軸線と平行する上に向けられているものである。
　本発明による請求項４に記載の分離膜モジュールにおいても、請求項２に記載の分離膜モジュールと同様に、膜分離部材の耐久性を向上させることができる。
　本発明による請求項５に記載の分離膜モジュールは、各膜分離部材を加熱する加熱手段を備えているものである。
　本発明による請求項５に記載の分離膜モジュールでは、スタートアップ時など膜分離部材が低温になっている状態で、被分離流体に蒸気が導入された場合に発生する凝縮を防止することができる。また被分離流体に液体が導入された場合は、分離流体が膜を透過する際に必要な気化熱分を加熱することもできる。
　本発明による請求項６に記載の分離膜モジュールは、分離膜は、セラミックスからなる支持体表面に、ゼオライト膜を形成してなるものである。
　本発明によれば、分離効率および分離性能をさらに向上させることが可能である分離膜モジュールが提供される。
　さらに、本発明によれば、膜分離部材に作用する余分な荷重を抑制することができる。
　この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。
＜実施の形態１＞
　図１および図２を参照すると、分離膜モジュールは、密封容器として構成されているモジュール本体11と、モジュール本体11内に所定間隔をおいて並列状に配置されている複数の垂直状流体導管13と、各流体導管13に間隙をおいて同心状に通されている流体導管13と同数の垂直筒状膜分離部材12とを備えている。
　モジュール本体11は、上端開放垂直円筒状胴体11Aと、胴体の上端に被せられている蓋体11Bとよりなる。胴体11Aおよび蓋体11Bの間には水平状管板25が設けられている。モジュール本体11内における管板25上方に排出チャンバ26が、その下方に分離チャンバ27がそれぞれ形成されている。
　モジュール本体11内の、管板25のすぐ下方には上水平仕切板21が設けられ、管板25および上水平仕切板21間には上流体通路22が形成されている。モジュール本体11内の底面近くには、下水平仕切板23が設けられ、下水平仕切板23の下方には下流体通路24が形成されている。上流体通路22内には垂直仕切板28が設けられており、これにより、上流体通路22内が入口チャンバ22Aおよび出口チャンバ22Bに区画されている。入口チャンバ22Aには流体入口31が、出口チャンバ22Bには流体出口32がそれぞれ連通させられている。また、排出チャンバ26には分離済流体排出口33が連通させられている。
　各流体導管13は、上水平仕切板21および下水平仕切板23に渡し止められかつ上流体通路22および下流体通路24を連絡している。
　各膜分離部材12は、セラミックスからなる支持体表面に、ゼオライト膜を形成してなる管状分離膜41と、分離膜41の上端に一直線状に連接されている垂直接続管43とよりなる。
　各流体導管13および膜分離部材12間の間隙上端は、上流体通路22に連通させられ、その間隙下端は、下流体通路24に連通させられている。接続管43は、上流体通路22内を上下に横切っている。接続管43の上端開口は、排出チャンバ26に開放されている。分離膜41の下端は、図示しない閉鎖部材によって閉鎖されている。
　被分離流体は、流体入口31から、上流体通路22の入口チャンバ22Aの側に導入される。導入された被分離流体は、入口チャンバ22Aから、垂直仕切板28の入口側にある流体導管13および膜分離部材12間の間隙を通って、下流体通路24まで導かれる。下流体通路24まで導かれた被分離流体は、下流体通路24内で反転させられ、垂直仕切板28の出口側にある流体導管13および膜分離部材12間の間隙を通って、上流体通路22の出口チャンバ22Bまで導かれる。被分離流体が上流体通路22から下流体通路24まで導かれ、そこで、反転させられて、再び上流体通路22まで戻される間に、分離膜41を通過した分離流体は、排出チャンバ26を通じてモジュール本体11の外に排出されるとともに、上流体通路22まで戻された被分離流体は、流体出口32を通じて、上流体通路22から導出される。
　以下に、実施の形態２～４について説明する。実施の形態２～４において、実施の形態１と対応する部分には、図１および図２と同一の符号を付して、その詳細説明は、省略する。
＜実施の形態２＞
　図３および図４は、実施の形態２を示すものである。
　上流体通路22内には２つの上垂直仕切板51が設けられている。これにより、上流体通路22内には入口チャンバ52、中間チャンバ53および出口チャンバ54が流体入口31から流体出口32にかけて一列に並ぶように形成されている。下流体通路24内には１つの下垂直仕切板55が設けられている。２つの上垂直仕切板51の中間下方に１つの下垂直仕切板55が位置させられている。
　全ての膜分離部材12は、上端部において、流体入口31から流体出口32にかけて、３つのグループに区分けされ、各グループの膜分離部材12および流体導管13間の間隙が入口チャンバ52、中間チャンバ53および出口チャンバ54にそれぞれ連通させられている。一方、全ての膜分離部材12は、下端部において、流体入口31から流体出口32にかけて、２つのグループに区分けされ、各グループの膜分離部材12および流体導管13間の間隙が下流体通路24の下垂直仕切板55の両側に連通させられている。
　図１および図２に示す例では、被分離流体は、上流体通路22および下流体通路24間を一往復させられるだけであったが、図３および図４に示す例では、被分離流体は、上流体通路22および下流体通路24間を二往復させられることになり、一層の分離効率の向上が期待できる。
　また、上垂直仕切板51の数は３以上であっても良い。その場合、第２仕切板55の数は、上垂直仕切板51の数から１を減じられることになる。
　図５は、図３および図４に示す膜分離部材12を加熱するための加熱装置61を備えている例を示すものである。
　加熱装置61は、電気ヒータである。電気ヒータに代えて、モジュール本体11内の上流体通路22および下流体通路24間の空間に対して、加熱流体、例えば、蒸気を導入・導出するようにしてもよい。
＜実施の形態３＞
　実施の形態３を示す図６を参照すると、分離膜モジュールは、実施の形態１と同様に、モジュール本体11と、モジュール本体11内に並列状に配置されて収容されている複数の垂直状流体導管13と、各流体導管13に通されている垂直棒状膜分離部材12とを備えている。
　モジュール本体11は、上端開口垂直筒状胴体11Aと、胴体11Aの頂部に着脱自在に取付けられているドーム状蓋体11Bとよりなる。
　胴体11Aおよび蓋体11Bの間には水平状管板25が挟み止められている。管板25の下方には上水平仕切板21が設けられ、管板25および上水平仕切板21間には上流体通路22が形成されている。胴体11Aの底面近くには下水平仕切板23が設けられ、下水平仕切板23の下方には下流体通路24が形成されている。下水平仕切板23の下面にそって、多孔板またはメッシュ製水平状支持板37が拡がっている。
　下流体通路24内には垂直仕切板28が設けられており、これにより、下流体通路24が、入口チャンバ24Aおよび出口チャンバ24Bに仕切られている。入口チャンバ24Aに連通させられるように流体入口31が設けられている。出口チャンバ24Bに連通させられるように流体出入口32が設けられている。蓋体11Bには分離済流体排出口33が設けられている。流体入口31、流体出口32および流体排出口33は、ともに、各膜分離部材12の軸線と平行する方向、換言するならば、垂直方向に向けられている。
　各膜分離部材12は、図７に詳細に示すように、管板25に吊下げられたものであって、セラミックスからなる垂直管状支持体表面に、ゼオライト膜を形成してなる分離膜62と、分離膜62の上端にこれに連通させられるように接続されている垂直筒状上エンドピース63と、分離膜62の下端にこれを閉鎖するように接続されている垂直ロッド状下エンドピース65とよりなる。分離膜62の外径と、上エンドピース63および下エンドピース65の外径とは等しい。
　流体導管13の上端は、分離膜62の上端とほぼ同レベルである。流体導管13の下端は、下エンドピース65の下端とほぼ同レベルである。流体導管13および分離膜62間の間隙上端は、上流体通路22に連通させられている。流体導管13および下エンドピース65間の間隙下端は、下流体通路24に連通させられている。
　さらに、図８を参照すると、管板25の、各膜分離部材12と対応するか所には、垂直円筒状周面を有する上下貫通状固定孔71が形成されている。固定孔71の周面下端には内向きフランジ73が設けられるととも、フランジ73の上方には雌ねじ72が形成されている。固定孔71のフランジ73上方には、上エンドピース63の上端を取り囲んでいる筒状保持部材81が挿入されている。保持部材81の外面には、雌ねじ72にねじはめられた雄ねじ82が形成されている。保持部材81の上面には六角外面付抜止リング83が保持部材81と同心状に固定されている。
　フランジ73上には横断面逆Ｌ字状環状リング受け91がのせられ、これに、Ｏリング92が受けられている。Ｏリング92の上にはリング状スペーサ93が載せられ、これを、保持部材81の下端面によって押圧している。Ｏリング92は、若干上下に押潰されるように弾性変形させられ、これにより、Ｏリング92の内面が上エンドピース63の外面に摺接させられている。Ｏリング92の内面および上エンドピース63の外面相互の摺動抵抗によって、膜分離部材12が吊下状態に保持されるようになっている。また、Ｏリング92が押潰され変形することでＯリング92の内面と上エンドピース63および、Ｏリング92の外面と固定孔71と接触することでシールされ、各膜分離部材12と流体導管13間の隙間を通過する被分離流体と、膜分離部材12を通過した流体との混合を防いでいる。
　分離膜モジュールの運転時には、膜分離部材12の内外の圧力差によって、膜分離部材12に上向きの力が加わるために、膜分離部材12が保持部材81から上方に抜出さないように抜止リング83が膜分離部材12を抑えるようになっている。
　上エンドピース63の下端面には、分離膜62の上端開口にはめ入れられた嵌合筒部101が設けられている。上エンドピース63の下端面および分離膜62の上端面間には上間隙が生じさせられている。この上間隙には、ガラス粉末を圧縮成型した上ガラスシールリング102が挿入されている。
　図９は、図８に示すＯリング92に代えて、オムニリング111を採用した例を示すものである。オムニリング111は、テフロン製シール材によって、横断面略Ｕ字状に形成されたものである。オムニリング111に上向きの流体圧が作用させられると、オムニリング111のなすＵ字が拡がるようにオムニリング111が弾性変形し、オムニリング111の両側面がシール面と接触させられるようになっている。
　図１０に、下エンドピース65が詳細に示されている。下エンドピース65の上面には、分離膜62の下端開口に嵌め入れられた嵌合丸棒121が設けられている。分離膜62の下端および下エンドピース65の上端面間には下間隙が生じさせられている。下間隙には、上ガラスシールリング62と同様の下ガラスシールリング122が挿入されている。
　下エンドピース65外面下端には複数の水平丸棒状突起123が放射状に設けられている。流体導管13内面および突起123先端面間には僅かな隙間がある。膜分離部材12の振動によって、膜分離部材12上端部の吊下部分に作用する過大な応力を突起123によって防止するようにしている。また、この突起123により、流体導管13の内面と膜分離部材12とが接触することを防ぎ、流体導管13の内面と突起123の僅かな隙間により、膜分離部材12を流体導管13からスムーズに挿入・取付することができる。
　下エンドピース65の下端面は、支持板37上面に接触するか、僅かだけ浮いていてもよい。要は、膜分離部材12が胴体11Aの底部を落ち込むことを防止できればよい。
　図１１は、図１０示す水平丸棒状突起123に代えて、垂直板状突起124を採用した例を示すものである。
　被分離流体は、流体入口31から下流体通路24に導入される。導入された被分離流体は、下流体通路24から、垂直仕切板28の入口側にある膜分離部材12および流体導管13間の間隙を通って、上流体通路22まで導かれる。上流体通路22まで導かれた被分離流体は、上流体通路22内で反転させられ、垂直仕切板28の出口側にある膜分離部材12および流体導管13間の間隙を通って、下流体通路24まで導かれ、流体出口32を通じて、下流体通路24から導出される。一方、膜分離部材12を通過した流体は、流体排出口33を通じて、蓋体11Bの頂部から排出される。この間に、膜分離部材12に対し、その軸線と平行する方向から、流体は流入し、流出するため、流体の流れによって膜分離部材12に与えられる振動は、最小限に抑制される。
＜実施の形態４＞
　実施の形態３は、２パス方式の分離膜モジュールに関するものであったが、図１２に、実施の形態４による４パス方式分離膜モジュールが示されている。この場合、上流体通路22内には、これを２分割する１つの上垂直仕切板131が設けられるとともに、下流体通路24内には、これを３分割する２つの下垂直仕切板132が設けられている。これらの上垂直仕切板131および下垂直仕切板122の配列以外の構成は、２パス方式の分離膜モジュールの構成と同じである。また、４パス方式による分離作用は、実施の形態２における説明に準じる。
　上記において、図１、３および５の分離膜モジュールに、図７～１１の構成を適用する
ことができる。
　この発明による分離膜モジュールは、例えば、水と有機溶剤等を含む混合液を無水化することを達成するのに適している。
本発明による実施の形態１の分離膜モジュールの垂直縦断面図である。 図１のII－II線にそう水平横断面図である。 本発明による実施の形態２の分離膜モジュールの垂直縦断面図である。 図３のIV－IV線にそう水平横断面図である。 本発明による実施の形態２の分離膜モジュールの変形例を示す図３相当の断面図である。 この発明による実施の形態３の分離膜モジュールの垂直縦断面図である。 同分離膜モジュールの膜分離部材の詳細を示す側面図である。 同膜分離部材の上端部付近を詳細に示す断面図である。 図８で示す部分の変形例を示す断面図である。 同膜分離部材の下端部付近を詳細に示す断面図である。 図１０で示す部分の変形例を示す断面図である。 この発明による実施の形態４の分離膜モジュールの垂直縦断面図である。
符号の説明
　11　モジュール本体
　12　膜分離部材
　13　流体導管
　21　上水平仕切板
　22　上流体通路
　22A 入口チャンバ
　22B 出口チャンバ
　23　下水平仕切板
　24　下流体通路
　28　垂直仕切板
　31　流体入口
　32　流体出口

Claims (6)

  1. 　モジュール本体内の上部に上流体通路を形成するように上水平仕切板が設けられ、モジュール本体内の下部に下流体通路を形成するように下水平仕切板が設けられており、上水平仕切板および下水平仕切板に、複数の垂直状流体導管が渡されており、各流体導管に垂直筒状膜分離部材が間隙をおいて通されており、各流体導管およびこれに通された膜分離部材間の間隙上端は、上流体通路に連通させられ、その下端は、下流体通路に連通させられており、各膜分離部材の上端開口は、モジュール本体の外に開放され、その下端開口は、閉鎖されており、上流体通路および下流体通路内のいずれか一方に、入口チャンバおよび出口チャンバを形成するように垂直仕切板が設けられている分離膜モジュール。
  2. 　モジュール本体内における上水平仕切板の上方に水平状管板が設けられており、管板に各膜分離部材が固定状に吊下げられており、下流体通路内に入口チャンバおよび出口チャンバを形成するように垂直仕切板が下流体通路内に位置させられおり、入口チャンバに連通させられるように流体入口が設けられ、出口チャンバに連通させられるように流体出口が設けられており、流体入口および流体出口は、ともに、膜分離部材の軸線と平行する上に向けられている請求項１に記載の分離膜モジュール。
  3. 　モジュール本体内の上部に上流体通路を形成するように上水平仕切板が設けられ、モジュール本体内の下部に下流体通路を形成するように下水平仕切板が設けられており、上水平仕切板および下水平仕切板に、複数の垂直状流体導管が渡されており、各流体導管に垂直筒状膜分離部材が間隙をおいて通されており、各流体導管およびこれに通された膜分離部材間の間隙上端は、上流体通路に連通させられ、その下端は、下流体通路に連通させられており、各膜分離部材の上端開口は、モジュール本体の外に開放され、その下端開口は、閉鎖されており、上流体通路および下流体通路内のいずれか一方に、入口チャンバおよび出口チャンバを含む３以上の流体通路を形成するように複数の第１垂直仕切板が並列状に設けられ、その他方に、第１垂直仕切板の数から１を減じた数の第２垂直仕切板が設けられており、平面から見て、隣り合う２つの第１垂直仕切板の間に１つの第２垂直仕切板が位置させられている分離膜モジュール。
  4. 　モジュール本体内における上水平仕切板の上方に水平状管板が設けられており、管板に各膜分離部材が固定状に吊下げられており、下流体通路内に入口チャンバおよび出口チャンバを含む３以上の流体通路を形成するように同第１垂直仕切板が下流体通路内に位置させられおり、入口チャンバに連通させられるように流体入口が設けられ、出口チャンバに連通させられるように流体出口が設けられており、流体入口および流体出口は、ともに、膜分離部材の軸線と平行する上に向けられている請求項３に記載の分離膜モジュール。
  5. 　各膜分離部材を加熱する加熱手段を備えている請求項１～４のいずれか１つに記載の分離膜モジュール。
  6. 　分離膜は、セラミックスからなる支持体表面に、ゼオライト膜を形成してなる請求項１～５のいずれか１つに記載の分離膜モジュール。
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