WO2017204123A1 - 分離膜モジュール - Google Patents

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separation
membrane
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健児 林田
松本　宏
中松　修
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東レ株式会社
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    • Y02A20/124—Water desalination
    • Y02A20/131—Reverse-osmosis

Definitions

  • the present invention relates to a separation membrane module for separating a part of a fluid component such as liquid or gas introduced into the module container by a separation membrane element provided inside the module container.
  • ⁇ Separation membrane modules are used in water treatment and gas separation applications where some of the components of the mixed fluid are separated.
  • a separation membrane module includes a separation membrane element that is an assembly of a plurality of separation membranes in a module container.
  • the separation membrane element used for the separation membrane element has various shapes such as a linear shape and a planar shape, but the separation membrane element using the linear separation membrane element has a membrane bundle fixed at both ends of the separation membrane. In addition to being fixed by the material, both end surfaces of the separation membrane are open to the outside of the membrane bundle fixing material.
  • the hollow fiber membrane (a kind of linear separation membrane alone) of the separation membrane element is arranged in a U shape, and both ends of the membrane bundle are resin walls (adhesives). It is sealed and fixed. And separation is achieved by increasing the pressure of the mixed fluid on the outer diameter side of the hollow fiber membrane bundle.
  • the membrane bundle fixing material may be peeled off from the module container or the hollow fiber membrane, or the membrane bundle fixing material may be damaged, and the airtightness between the hollow fiber membrane bundle and the module container may not be ensured.
  • Patent Document 1 describes that a pressure receiving plate is disposed adjacent to the membrane bundle fixing material in order to prevent such deformation of the membrane bundle fixing material.
  • the separation membrane type fluid separation not only the pressure loss that occurs when the fluid passes through the separation layer of the separation membrane, but also the pressure loss that occurs when the separated fluid passes through the inside of the separation membrane. To do. Therefore, when it is necessary to separate a large amount of fluid, the length of the separation membrane (hollow fiber length) is simplified in order to increase the effective area of the separation membrane in the separation membrane module as described in Patent Document 1. However, there is a problem that sufficient separation performance cannot be obtained because the pressure loss inside the hollow fiber membrane increases.
  • the present invention provides a separation membrane module that can realize high membrane separation efficiency by suppressing the deformation of a membrane bundle fixing material even when processing a large amount of fluid under high pressure and reducing the influence of pressure loss. Is an issue.
  • the present invention has the following configuration. (1) It has a hollow module container and an element unit accommodated in the module container, and the element unit includes a separation membrane for separating constituent components of a substance that has flowed into the module container, and the separation membrane. A plurality of separation membrane elements having membrane bundle fixing materials for fixing both ends are connected, and a flow path for discharging components separated by the separation membrane to the outside of the element unit is formed. In addition, between the connections of the plurality of separation membrane elements, a passage member through which a component separated by the separation membrane can pass to the flow path for discharging is adjacent to the membrane of the separation membrane element. Separation membrane module placed in contact with each bundle fixing material.
  • the separation membrane is made of solid yarn, the outer side of the cross section of the separation membrane is a separation layer, and the inner side of the cross section has a continuous porous structure.
  • the separation membrane module according to any one of 1).
  • An end face member constituting a part of the flow path is disposed between the separation membrane element and the module container, and the component separated by the separation membrane is discharged to the flow path.
  • 6. The separation membrane module according to any one of (1) to (5), wherein an end face passing member capable of passing is disposed with its both end faces in contact with the membrane bundle fixing member and the end face member, respectively.
  • a separation membrane module that can realize high membrane separation efficiency by suppressing deformation of a membrane bundle fixing material even when processing a large amount of fluid under high pressure and reducing pressure loss during permeation of the separation membrane. Can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a separation membrane module 1 according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of the separation membrane module according to the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a form of a separation membrane module different from the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of the passing member 10 according to the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a separation membrane module 1 according to an embodiment of the present invention.
  • a separation membrane module 1 includes a module container 2 having a cylindrical shape and extending in the X direction in the cylinder axis direction, and three separation membrane elements 8 connected to each other.
  • the element unit 4 is fixed to the both end faces 3 of the element.
  • the module container 2 may have any shape as long as it is hollow, but the connection to the plant line is also good, and even when high pressure is applied to the separation membrane module 1, stress is applied by applying uniform pressure.
  • a cylindrical shape that is dispersed and hardly causes stress concentration in a part of the module container 2 is particularly preferable.
  • an optimal material such as resin or metal may be selected according to the use of the separation membrane module 1, or glass fiber or carbon fiber is wound around a material such as resin or metal.
  • any one that further improves the pressure resistance of the module container 2 may be used.
  • the size of the module container 2 is not particularly limited and can be appropriately set according to the length direction (X direction) of the separation membrane module 1 or the radial direction (R direction). From the standpoint of handling in the plant and the container cost, the size in the length direction is preferably in the range of 1000 mm to 3500 mm, and the size in the radial direction is preferably in the range of 100 mm to 500 mm.
  • an inflow port 5 into which a fluid such as liquid or gas flows and an outflow port 6 from which the fluid flows out are respectively provided on the end surface 3 of the module container 2.
  • the number and size of the outlets 6 are not limited, and the opening position is not limited to the end surface 3 of the module container 2 but may be any structure such as a structure provided on the side surface 7 of the module container 2.
  • the element unit 4 constituting the separation membrane module 1 includes a plurality of separation membrane elements 8, a connecting member 9 for connecting the separation membrane element 8 in the length direction (X direction) of the separation membrane module 1, and each connecting portion.
  • the end member 12 is formed between the two separation membrane elements 8, the end portion of the element unit 4, and the opening 11 leading to the outside of the module container 2.
  • An end face passage member 13 sandwiched between the separation membrane element 8 and the end face member 12 that are positioned.
  • the separation membrane element 8 includes a separation membrane 14 for separating a part of the components of the inflowing mixed fluid, a case 16 for housing the separation membrane 14, and a separation component separated by the separation membrane element 8 from the element unit 4.
  • a separation component flow path member 17 that becomes a part of a flow path for discharging to the outside, and a membrane bundle fixing member 18 for sealing and fixing the respective ends of the separation membrane 14, the case 16, and the separation component flow path member 17; , Is composed of.
  • the separation membrane element 8 has a hole 15 for allowing a substance to flow into the separation membrane 14 from the outer surface toward the inner surface.
  • Both ends of the separation membrane 14 are sealed and fixed to the case 16 and the separation component flow path material 17 by the membrane bundle fixing material 18, but the end surface 19 of the separation membrane 14 is exposed from the membrane bundle fixing material 18 and exposed to the outside. It has an open shape. Therefore, the separation component that has passed through the surface of the separation membrane 14 can flow from the end surface 19 of the separation membrane 14 to the outside through the inside of the separation membrane 14. That is, the element unit 4 is formed with a flow path for discharging the separated component separated by the separation membrane element 8 to the outside of the element unit 4.
  • the fixing method may be any of fixing and fixing each of the connecting portions with a screw portion, or applying and bonding an adhesive to the connecting portion, and a plurality of separation membranes provided in the element unit 4 It is preferable to adopt a detachable configuration so that a part of the element 8 can be easily replaced.
  • the element unit 4 shown in FIG. 1 is equipped with the end surface member 12 which has the opening part 11 in the both ends, since it should just communicate with the exterior of the module container 2 at one place, it shows, for example in FIG.
  • one end surface member 12 having the opening 11 may be provided, and the other may have a structure including the end surface member 20 having no opening.
  • the element unit 4 is installed so that the cylindrical axis direction (X direction) of the module container 2 and the direction of the central axis 21 of the element unit 4 coincide with each other.
  • the opening 11 of the end face member 12 is arranged so as to protrude to the outside from the hole formed in.
  • the arrangement direction of the element unit 4 is not limited.
  • the module container 2 is installed so that the radial direction (R direction) of the module container 2 coincides with the direction of the central axis 21 of the element unit 4.
  • a structure that communicates with the outside via the side surface 7 may be used.
  • the separation component flow path material 17 constituting the separation membrane element 8 is preferably a hollow pipe, but any flow path material may be used as long as it has a flow path through which the separation component can pass.
  • the case 16 has a hole 15 for allowing the substance to flow into the separation membrane 14, but the substance easily flows into the separation membrane 14, and in order to improve the separation efficiency, the portion in contact with the separation membrane 14 is not provided.
  • a plurality of holes 15 are preferably opened.
  • the thickness of the case 16 is preferably 0.5 mm or more.
  • the material of the case 16, the separation component flow path member 17, the connecting member 9, and the end face member 12 is not particularly limited, and an optimal material such as resin or metal may be selected according to the use of the separation membrane module 1. .
  • the material of the membrane bundle fixing material 18 is not particularly limited as long as the case 16, the separation component flow path material 17, and the separation membrane 14 can be sealed and fixed, such as an epoxy resin, a polyurethane resin, or a silicon resin. However, it is preferable to use an epoxy resin having excellent compressive strength and excellent dimensional stability and durability.
  • the filtration method of the separation membrane 14 used in the present invention is preferably a filtration method in which a part of the constituent components of the substance is permeated from the outside to the inside of the separation membrane 14.
  • the separation membrane 14 of the present invention is particularly preferably one in which a plurality of linear separation membranes are focused.
  • the outer shape may be any of a circle, an ellipse, a polygon such as a triangle or a rectangle.
  • the density of the outer side of the separation membrane alone is “dense”
  • the density of the inner side of the separation membrane alone is “rough”
  • the structure of the outer side and the inner side is different
  • the outer side is dense.
  • a solid separation structure in which the inner side has a continuous porous structure so that substances are separated on the outer side and separation components can flow on the inner side is preferable.
  • an assembly such as a hollow fiber membrane bundle is represented as “separation membrane”, and a single body such as a hollow fiber membrane is represented as “separation membrane alone”.
  • the material of the separation membrane 14 may be composed of a single material or a material composed of a plurality of materials, and mechanical durability such as heat resistance and pressure resistance depending on the intended use.
  • a hollow fiber-shaped separation membrane alone such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer, etc.
  • resins such as fluorine resins, cellulose esters such as cellulose acetate and cellulose acetate propionate, and polysulfone resins such as polysulfone.
  • an inorganic membrane using an inorganic material such as zeolite, silica, or carbon fiber is an example of a solid thread-like separation membrane alone.
  • the outer diameter of the separation membrane alone is preferably 0.05 mm to 2 mm, for example.
  • a small separation membrane having an outer diameter of 0.05 mm to 1.2 mm is used.
  • the solid membrane is a single solid thread-like separation membrane that tends to have a high pressure loss when passing through the inside of the separation membrane 14.
  • the number of separation membrane elements 8 constituting one element unit 4 is not limited as long as it can be accommodated in the module container 2. As the number of separation membrane elements 8 increases, the influence of pressure loss can be reduced as a whole element unit, and high separation efficiency can be obtained.
  • the inlet 5 and outlet 6 of the separation membrane module 1 are connected to a plant line (not shown), for example. Then, when a mixed fluid such as a mixed liquid or mixed gas (not shown) flows into the module container 2 from the inlet 5 as indicated by an arrow A, the mixed fluid that flows in the separation membrane element 8 is indicated by an arrow B. By passing through the hole 15 of the case 16 and touching the separation membrane 14, some of the constituent components are transmitted into the separation membrane 14.
  • a mixed fluid such as a mixed liquid or mixed gas
  • the separation component that has permeated into the separation membrane 14 flows to the both ends of the separation membrane 14 through the inside of the separation membrane 14, and flows out from the opening in the end face 19 of the separation membrane 14.
  • the separated component that has flowed out passes through the passage member 10 and the end surface passage member 13 as indicated by the arrow C, and passes through the center hole 22 of the passage member 10, the separation component flow path member 17, and the center hole of the end surface passage member 13. 23 and the flow path formed by the opening 11 of the end surface member 12 (flow path for discharging the separation component to the outside of the element unit 4), and provided at each end of the element unit 4. From the opening 11 of the end face member 12, it flows out to the outside of the separation membrane module 1 as indicated by an arrow D. On the other hand, the remaining components that have not been separated by the separation membrane element 8 are discharged from the separation membrane module 1 as indicated by an arrow E.
  • the separation membrane module 1 When the separation membrane module 1 is used for, for example, a water treatment application for desalinating seawater or a gas separation application, in order to obtain a desired membrane separation performance,
  • the separation membrane module 1 may be operated by applying a very high pressure of, for example, 5 MPa or more.
  • each passage member 10 is Since a large pressure is applied in the direction of the arrow P from the membrane bundle fixing material 18 side adjacent to only one surface, in order to support the deformation of the membrane bundle fixing material 18, the thickness of the passage member 10 is increased to ensure rigidity. The need to come out. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the passage member 10 is arranged such that both end surfaces thereof are in contact with the membrane bundle fixing members 18 of the adjacent separation membrane elements 8.
  • the passage member 10 may be a single member or a plurality of members.
  • a configuration in which two single-sided passage members 27 having fluid permeability and an intermediate member 28 sandwiched between them are arranged in contact with each other is considered as being composed of a plurality of members. It is done.
  • the separation component flows in the direction indicated by the arrow D.
  • the membrane bundle fixing material 18 contacts only one surface of each single-side passing member 27, but the force applied from the side of each membrane bundle fixing material 18 in the direction of arrow P can be supported by the intermediate material 28. It becomes.
  • the passing member 10 is made of a single member as shown in FIG.
  • the thickness of the passing member 10 is not particularly limited, but is preferably 3 mm or more, and more preferably 5 mm or more from the viewpoint of maintaining strength.
  • the thickness of the passage member 10 is increased, if the length of the separation membrane module is limited by design, the separation performance is deteriorated because the length of the separation membrane 14 is sacrificed by the thickness of the passage member 10 ⁇ the number. .
  • the material of the passing member 10 is not particularly limited as long as the material has a compressive strength that can retain the shape even with a double-sided compressive load.
  • the passage member 10 may have any form as long as it can pass through the flow path for discharging the fluid after permeation to the outside of the element unit 4.
  • groove processing (not shown) can be performed on the end surfaces 25 on both sides of the passage member 10 so that the groove portions can be used as flow paths.
  • the separation component can freely pass in any direction such as the length direction (X direction) and the radial direction (R direction) of the passage member 10 inside the passage member 10. For this reason, the separation component easily passes, and countless fine holes are opened, so that the flow path of the separation component is not easily blocked. Further, even if the central hole 22 of the passing member 10 as shown in FIG. 1 is not provided, it is possible to discharge the separation component to the outside through a fine hole. That is, an imaginary path formed by the porous gap portion connecting the separation component flow path members 17 becomes a flow path for discharging the separation component out of the element unit 4.
  • sintered metal or ceramic can be used as such a porous member.
  • the material of the sintered metal may be any of stainless steel, copper, aluminum, titanium, etc., but stainless steel that is excellent in mechanical strength, corrosion resistance, and cost is more preferably used.
  • the filtration accuracy of the porous member used as the passing member 10 may be selected as appropriate depending on the intended use, but is preferably in the range of 1 ⁇ m to 120 ⁇ m.
  • the end face passage member 13 sandwiched between the separation membrane element 8 and the end face member 12 located at both ends of the element unit 4 also has the same reason as the passage member 10 of the connecting portion.
  • the film bundle fixing member 18 is preferably disposed so as to be in contact with the end surface 24 and the inner surface 30 of the end surface member 12.
  • the end surface passing member 13 may have any shape or material as long as the compressive strength that can hold the shape with a compressive load is ensured and the separation component can pass through. Absent.
  • the shape and material of the end surface passage member 13 may not be the same as those of the passage member 10, but the use of the same member can reduce the cost of the separation membrane module 1 because the member can be shared. Therefore, it is preferable to use the end face passage member 13 having the same material and structure as those of the passage member 10 described above.

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Abstract

本発明の分離膜モジュールは、中空のモジュール容器と、モジュール容器に収容されたエレメントユニットと、を有し、エレメントユニットは、モジュール容器内に流入した物質の構成成分を分離する分離膜と分離膜の両端を固定するための膜束固定材とを有する分離膜エレメントが複数連結されて構成され、かつ、分離膜により分離された成分をエレメントユニット外へ排出するための流路が形成されており、複数の分離膜エレメントの連結間には、分離膜により分離された成分が排出するための流路へ通過可能な通過部材が、その両端面を隣り合う分離膜エレメントの膜束固定材にそれぞれ接触させて配置される。

Description

分離膜モジュール
　本発明は、モジュール容器の内部に備えられた分離膜エレメントにより、モジュール容器内に導入された液体や気体などの流体の成分の一部を分離するための分離膜モジュールに関する。
　混合流体の成分の一部を分離する水処理やガス分離用途において、分離膜モジュールが用いられている。一般的に、分離膜モジュールは、複数の分離膜単体の集合体である分離膜エレメントがモジュール容器に収容されてなる。分離膜エレメントに用いられる分離膜単体としては、線形状、平面形状など様々な形状のものがあるが、線形状の分離膜単体を用いた分離膜エレメントは、分離膜の両端部が膜束固定材で固定されるとともに、分離膜の両端面が膜束固定材の外側に開口する形状となっている。
　例えば、特許文献１の分離膜モジュールにおいては、分離膜エレメントの中空糸膜（線形状の分離膜単体の一種）がＵ字状に配置され、その膜束の両端は樹脂壁（接着剤）で封止固定されている。そして、中空糸膜束の外径側の混合流体の圧力を高めることで、分離が達成される。
　このような分離膜モジュールを、海水淡水化を目的とするような水処理用途や、天然ガスから二酸化炭素などの不純物を分離するようなガス分離用途に使用する場合は、十分な膜分離性能を得るために、分離膜モジュール内部に非常に高い圧力を与えて運転することがある。
　分離膜モジュールに高圧が付加されると、分離膜透過前の混合流体が存在する部分と、分離膜を透過した透過成分が存在する部分とには非常に大きな圧力差が発生する。すなわち、中空糸膜束の外径側から内径側に向かって流体が通過するような、外圧式の分離膜を用いた分離膜モジュールにおいては、混合流体の成分の一部が中空糸膜の内側に透過し、中空糸膜の内部から両端開口部に向かって流れていくので、分離膜の開口面を有する膜束固定材に中空糸膜の両端面に向かう方向に押し広げられるような力が発生し、膜束固定材がモジュール容器や中空糸膜から剥離したり、膜束固定材が破損して、中空糸膜束とモジュール容器の気密性が確保できなくなったりすることがある。特許文献１には、このような膜束固定材の変形を防止するために、膜束固定材に隣接して受圧板を配置することが記載されている。
日本国特開昭５４－１２２６７８号公報
　ところで、分離膜方式の流体分離においては、分離膜の分離層を流体が通過する際に発生する圧力損失だけでなく、分離された流体が分離膜の内部を通過する際にも圧力損失が発生する。そのため、大量の流体を分離する必要がある場合には、特許文献１に記載されているような分離膜モジュールにおいて分離膜の有効面積を増やそうとして分離膜の長さ（中空糸長）を単純に長くしても、中空糸膜の内部の圧力損失が大きくなるために、十分な分離性能が得られないという課題があった。
　本発明は、高圧下で大量の流体を処理する場合においても膜束固定材の変形が抑制され、かつ圧力損失の影響を小さくすることで高い膜分離効率を実現できる分離膜モジュールを提供することを課題とする。
　上記課題を解決するため、本発明は、以下の構成をとる。
（１）中空のモジュール容器と、前記モジュール容器に収容されたエレメントユニットと、を有し、前記エレメントユニットは、前記モジュール容器内に流入した物質の構成成分を分離する分離膜と前記分離膜の両端を固定するための膜束固定材とを有する分離膜エレメントが複数連結されて構成され、かつ、前記分離膜により分離された成分をエレメントユニット外へ排出するための流路が形成されており、前記複数の分離膜エレメントの連結間には、前記分離膜により分離された成分が前記排出するための流路へ通過可能な通過部材が、その両端面を隣り合う前記分離膜エレメントの前記膜束固定材にそれぞれ接触させて配置された、分離膜モジュール。
（２）前記通過部材が単一の部材からなる、（１）に記載の分離膜モジュール。
（３）前記通過部材が流体通過性を有する多孔質部材で構成されている、（１）または（２）に記載の分離膜モジュール。
（４）前記分離膜エレメントが、前記物質を流入させるために複数の孔が形成された前記分離膜を収納するケースと、前記分離膜で分離されて透過した成分を通過させるための分離成分流路材と、を有し、 前記膜束固定材により、前記ケース、前記分離膜および前記分離成分流路材の両端がそれぞれ固定された、（１）～（３）のいずれかに記載の分離膜モジュール。
（５）前記分離膜が中実糸で構成されており、かつ、前記分離膜の断面の外部側が分離層で、前記断面の内部側が連続的な多孔質構造を有する、（１）～（４）のいずれかに記載の分離膜モジュール。
（６）前記分離膜エレメントと前記モジュール容器との間には、前記流路の一部を構成する端面部材が配設され、前記分離膜により分離された成分が前記排出するための流路へ通過可能な端面通過部材が、その両端面を前記膜束固定材および前記端面部材にそれぞれ接触させて配置された、（１）～（５）のいずれかに記載の分離膜モジュール。
　本発明により、高圧下で大量の流体を処理する場合においても膜束固定材の変形が抑制され、かつ分離膜透過中の圧力損失を小さくすることで高い膜分離効率を実現できる分離膜モジュールを提供することができる。
図１は、本発明に係る分離膜モジュール１の一実施形態を示す概略断面図である。 図２は、本発明に係る別の分離膜モジュールの形態を示す概略断面図である。 図３は、本発明とは別の分離膜モジュールの形態を示す概略断面図である。 図４は、本発明に係る通過部材１０の一例を示す概略断面図である。
　以下、本発明の実施形態の一例を図面に基づいて説明する。
　本発明の一実施形態に係る分離膜モジュール１を概略断面図で示したものが図１である。
　図１を参照すると、分離膜モジュール１は、円筒形状で円筒軸方向がＸ方向に伸びるモジュール容器２と、３つの分離膜エレメント８が連結されてなり、モジュール容器２に収容されてモジュール容器２の両端面３に固定されたエレメントユニット４と、で構成されている。
　モジュール容器２は、中空状のものであればどのような形状でもよいが、プラントラインへの接続性も良好で、分離膜モジュール１に高い圧力がかかる場合でも均一に圧力がかかることで応力が分散し、モジュール容器２の一部に応力集中などが発生しにくい、円筒形状のものが特に好ましい。
　また、モジュール容器２の材質としては、分離膜モジュール１の使途に応じて、樹脂、金属など最適なものを選択してもよいし、樹脂や金属などの材料に、ガラス繊維や炭素繊維を巻き付けて、モジュール容器２の耐圧性をさらに向上させたものなど、いずれでもよい。
　また、モジュール容器２の大きさも、特に制限はなく、分離膜モジュール１の長さ方向（Ｘ方向）の大きさや径方向（Ｒ方向）の大きさなどに応じて適宜設定することができるが、プラントでの取り扱い性や容器コストのバランスから、長さ方向の大きさとしては１０００ｍｍ～３５００ｍｍ、径方向の大きさとしては１００ｍｍ～５００ｍｍの範囲が好適である。
　また、図１では、液体や気体などの流体が流入する流入口５と、流体が流出する流出口６とがモジュール容器２の端面３にそれぞれ一つずつ設けられているが、流入口５および流出口６の個数や大きさには制限がなく、開口する位置もモジュール容器２の端面３に限らず、モジュール容器２の側面７に設ける構造など、いずれでも構わない。
　分離膜モジュール１を構成するエレメントユニット４は、複数の分離膜エレメント８と、分離膜モジュール１の長さ方向（Ｘ方向）に分離膜エレメント８を連結するための連結部材９と、各連結部で２つの分離膜エレメント８に挟まれる通過部材１０と、エレメントユニット４の端部を形成し、モジュール容器２の外部へと通じる開口部１１を有する端面部材１２と、エレメントユニット４の両端部に位置する分離膜エレメント８と端面部材１２との間に挟まれる端面通過部材１３と、で構成されている。
　分離膜エレメント８は、流入する混合流体の成分の一部を分離するための分離膜１４と、分離膜１４を収納するケース１６と、分離膜エレメント８により分離された分離成分をエレメントユニット４の外部に排出するための流路の一部となる分離成分流路材１７と、分離膜１４、ケース１６および分離成分流路材１７それぞれの両端を封止固定するための膜束固定材１８と、で構成されている。なお、分離膜エレメント８には、外面から内面へ向かって分離膜１４に物質を流入させるための孔１５が開口している。
　分離膜１４の両端は、膜束固定材１８によりケース１６と分離成分流路材１７とに封止固定されているが、分離膜１４の端面１９は膜束固定材１８から露出して外部に開口している形状となっている。そのため、分離膜１４の表面を通過した分離成分は、分離膜１４の内部を通って、分離膜１４の端面１９から外部に流れることができる。すなわち、エレメントユニット４には、分離膜エレメント８により分離した分離成分をエレメントユニット４の外部へ排出するための流路が形成されている。
　ここで、エレメントユニット４を構成する、分離膜エレメント８、連結部材９、端面部材１２は、それぞれが気密性を保つように固定されている。固定方法としては、それぞれの接続部にネジ部を設けて締結固定したり、接着剤を接続部に塗布して接着固定したりすることなどいずれでもよいが、エレメントユニット４に複数設けられる分離膜エレメント８の一部を容易に交換できるように、着脱可能な構成とすることが好ましい。
　また、図１に示すエレメントユニット４は、その両端に、開口部１１を有する端面部材１２を備えているが、１箇所でもモジュール容器２の外部と通じていればよいため、例えば図２に示すように、一方は開口部１１を有する端面部材１２、もう一方は、開口部を有しない端面部材２０を備える構造でもよい。
　再び図１に戻ると、エレメントユニット４は、モジュール容器２の円筒軸方向（Ｘ方向）とエレメントユニット４の中心軸２１の方向とが一致するように設置され、モジュール容器２の端面３の中心に形成された穴から端面部材１２の開口部１１が外部へ突出するよう配置されている。
　なお、このようにエレメントユニット４を構成する部材の一部（本実施形態においては端面部材１２の開口部１１）がモジュール容器２の外部に露出する場合であっても、エレメントユニット４の中の分離膜エレメント部分がモジュール容器２の中空に存在する場合には、本明細書においてはエレメントユニットがモジュール容器に収容されている、と表現するものとする。
　エレメントユニット４の配置方向には制限が無く、例えば、図示しないが、モジュール容器２の径方向（Ｒ方向）とエレメントユニット４の中心軸２１の方向が一致するように設置して、モジュール容器２の側面７を介して外部と通じる構造でも構わない。さらに、モジュール容器２とエレメントユニット４との固定方法にも制限はなく、モジュール容器２と端面部材１２とにネジ部を設けてそれぞれを締結固定するなど、気密性が確保されていればよい。
　また、分離膜エレメント８を構成する分離成分流路材１７は中空状のパイプが好ましいが、分離成分が通過することができる流路を備えていれば、どのような流路材でも構わない。
　ケース１６は、分離膜１４に物質を流入させるために孔１５が開孔されているが、分離膜１４に物質が流入しやすく、分離効率を向上させるために、分離膜１４と接する部分には複数の孔１５が開孔されていることが好ましい。
　ここで、ケース１６の厚みが薄すぎると、ケース１６の剛性が低下して分離膜エレメント８の強度が低下するため、分離膜エレメント８の連結個数やエレメントユニット４の長さ、分離成分流路材１７の剛性によっては、エレメントユニット４が重力方向に撓んで、エレメントユニット４が変形し、モジュール容器２への装着性が低下したり、変形が大きすぎるとケース１６の一部に亀裂が生じてエレメントユニット４が破損する場合がある。したがって、ケース１６の厚みは０．５ｍｍ以上であることが好ましい。
　また、ケース１６、分離成分流路材１７、連結部材９、端面部材１２の材質は、特に限定されず、分離膜モジュール１の使途に応じて、樹脂、金属など最適なものを選択すればよい。
　膜束固定材１８の材質も、特に限定されず、ケース１６と、分離成分流路材１７と、分離膜１４と、を封止固定させることができればよく、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂などの樹脂系接着剤が好適に用いられるが、圧縮強度に優れ、寸法安定性や耐久性にも優れるエポキシ樹脂を使用することが好ましい。
　本発明に用いられる分離膜１４の濾過方式は、分離膜１４の外部から内部に向かって物質の構成成分の一部が透過される濾過方式が好適である。また、本発明の分離膜１４としては、特に線形状の分離膜単体を複数集束したものが好ましい。分離膜単体の断面形状としては、外形が円形や楕円形、三角形や四角形といった多角形などいずれでもよい。
　さらに詳細な断面の構造としては、例えば、分離膜単体の外部側に形成される分離層で物質の分離を行い、中空となった分離膜単体の内部側で分離成分が流れることができる中空糸状の形状や、例えば、分離膜単体の外部側の密度が“密”で、分離膜単体の内部側の密度が“粗”であったり、外部側と内部側との構造が異なり、外部側が緻密な分離層で、内部側が連続多孔構造となっていることで、外部側で物質の分離を行い、内部側で分離成分が流れることができる中実糸状の構造が好ましい。
　なお、本明細書においては、中空糸膜束のような集合体を「分離膜」と表し、中空糸膜のような単体を「分離膜単体」と表している。
　分離膜１４（分離膜単体）の材質としては、単一素材で構成されたもの、複数の素材で構成されたもの、いずれでもよく、使用用途に応じて耐熱性や耐圧性などの機械的耐久性、化学的耐久性などを満たせば特に限定されないが、例えば、中空糸状の分離膜単体であれば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体などのフッ素系樹脂や、セルロースアセテート、セルロースアセテートプロピオネートなどのセルロースエステルや、ポリスルホンなどのポリスルホン系樹脂などの樹脂を含有しているものが一例として挙げられる。また、中実糸状の分離膜単体であれば、ゼオライト、シリカ、炭素繊維、などの無機質材料を用いた無機膜が一例として挙げられる。
　分離膜単体の外径は、例えば０．０５ｍｍ～２ｍｍのものが好ましく用いられる。特に、本発明は、分離膜１４の内部を分離成分が通過する際に発生する圧力損失が高い分離膜に好適に用いられるため、外径０．０５ｍｍ～１．２ｍｍの細径の分離膜単体であることがさらに好ましく、分離膜１４の内部を通過する際の圧力損失が高くなりやすい中実糸状の分離膜単体であることが特に好適である。
　内部を通過する際の圧力損失が高い分離膜を用いたり、分離成分の粘性が高かったりする場合は、分離膜１４の内部を分離成分が通過する際に発生する圧力損失が大きくなり、分離膜モジュール１に必要な膜分離能力が得られなくなる場合がある。そこで、膜分離能力を上げようとして１つの分離膜エレメント８の分離膜１４の膜長（Ｘ方向の長さ）を長くしても、分離膜１４の内部を透過する際の圧力損失は大きくなる一方である。
　そのため、本実施形態においては、分離膜エレメント８を３つ連結してエレメントユニット４を構成している。ここで、一つのエレメントユニット４を構成する分離膜エレメント８の数は、モジュール容器２に収まる限りその個数に制限はない。分離膜エレメント８の数が多いほど、エレメントユニット全体として圧力損失の影響を小さくすることができ、高い分離効率を得ることができる。
　次に、図１を用いて、分離膜モジュール１の内部に流入した物質の流れを詳細に説明する。
　分離膜モジュール１の流入口５と流出口６とは、例えば図示しないプラントラインにそれぞれ接続されている。そして、図示しない混合液体や混合気体などの混合流体が、矢印Ａで示すように流入口５からモジュール容器２の内部へ流入すると、流入した混合流体は、矢印Ｂで示すように分離膜エレメント８のケース１６の孔１５を通過して、分離膜１４に触れることで、構成成分の一部が分離膜１４の内部へと透過される。
　次に、分離膜１４の内部へと透過した分離成分は、分離膜１４の内部を通って分離膜１４の両端へと流れていき、分離膜１４の端面１９にある開口から流れ出ていく。そして、流れ出た分離成分は、矢印Ｃで示すように通過部材１０や端面通過部材１３の内部を通過し、通過部材１０の中心穴２２、分離成分流路材１７、端面通過部材１３の中心穴２３、および、端面部材１２の開口部１１で形成された流路（分離成分をエレメントユニット４の外へ排出するための流路）を通過することで、エレメントユニット４の各両端部に設けられた端面部材１２の開口部１１から、矢印Ｄのように分離膜モジュール１の外部へと流れ出ていく。一方で、分離膜エレメント８により分離されなかった残存成分は、矢印Ｅで示されるように、分離膜モジュール１から排出されていく。
　この分離膜モジュール１を、例えば、海水を淡水化させることを目的とするような水処理用途や、ガス分離用途に使用する場合は、所望の膜分離性能を得るために、分離膜１４、すなわち分離膜モジュール１内部に、例えば５ＭＰａ以上の非常に高い圧力を与えて運転することがある。
　分離膜モジュール１の中空内部に高圧が付加されると、透過前流体が存在する部分と透過後流体が存在する部分とには大きな圧力差が発生する。特に、膜束固定材１８には、矢印Ｐ方向に大きな圧力がかかることになる。したがって、膜束固定材１８の端面２４に何も支持するものがないと、膜束固定材１８が、分離膜１４やケース１６や分離成分流路材１７から剥離したり、膜束固定材１８が破損したりするため、膜束固定材１８の端面２４に接するように通過部材１０を配置する。
　ここで、図３に示すように分離膜エレメント８の各連結箇所に２枚の通過部材１０を配置しても、２枚の通過部材１０の間に空間２９があると、各通過部材１０は一面のみに隣接する膜束固定材１８側から矢印Ｐ方向に大きな圧力を受けることになるため、膜束固定材１８の変形を支えるためには、通過部材１０の厚みを上げて、剛性を確保する必要が出てくる。そのため、本実施形態においては、図１に示すように、通過部材１０は、その両端面を隣り合う分離膜エレメント８の膜束固定材１８にそれぞれ接触させて配置する。
　通過部材１０は、単一の部材からなるものであっても複数の部材からなるものであってもよい。複数の部材からなるものとしては、例えば、図４に示すように、流体通過性を有する２枚の片面通過部材２７と、その間に挟持された中間材２８とを接触させて配置する構成も考えられる。この構成では、矢印Ｄで示す方向に分離成分が流れる。また、各片面通過部材２７には、一面のみに膜束固定材１８が接触することになるが、矢印Ｐ方向に各膜束固定材１８側から加わる力を中間材２８で支持することが可能となる。しかしながら、部品点数が増すと高コストになるため、通過部材１０は、図１に示すように、単一の部材からなるものであることが好ましい。
　また、通過部材１０の厚みは特に限定されないが、強度維持の観点から３ｍｍ以上が好適であり、５ｍｍ以上がさらに好適である。
　一方、重量、コスト、スペースの面から３０ｍｍ以下が好適であり、１０ｍｍ以下がさらに好適である。通過部材１０の厚みが増すと、設計上分離膜モジュールの長さに制約がある場合には、通過部材１０の厚み×個数分だけ分離膜１４の長さが犠牲になるため分離性能が低下する。
　通過部材１０の材質は、両面圧縮荷重でも形状を保持できる圧縮強度が確保された材質であれば特に限定されない。
　通過部材１０は、透過後流体がエレメントユニット４の外へ排出するための流路へと通過できるものであれば、どのような形態でも構わない。例えば、通過部材１０の両側の端面２５に図示しないような溝加工を行い、溝部分を流路とすることができる。
　また、通過部材１０として、流体通過性のある多孔質部材を用いることも好ましい。このような多孔質体を用いれば、通過部材１０の内部で、通過部材１０の長さ方向（Ｘ方向）や径方向（Ｒ方向）などいずれの方向にも自在に分離成分が通過可能となるため、分離成分が通過しやすくなる他、微細な孔が無数に開孔しているため、分離成分の流路が閉塞されにくい。また、図１のような通過部材１０の中心穴２２を設けなくても、微細な孔を介して分離成分を外部に排出することも可能となる。つまり、分離成分流路材１７間を結ぶ、多孔質の空隙部分により形成される架空の経路が、分離成分をエレメントユニット４の外へ排出するための流路となる。
　このような多孔質部材としては、例えば、焼結金属やセラミックを用いることができる。焼結金属の材質としては、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、チタンなどいずれでもよいが、機械強度や耐食性、コスト面で優れるステンレス鋼がより好適に用いられる。通過部材１０として用いる多孔質部材の濾過精度は、使用用途に応じて適正に選択すればいずれでもよいが、１μｍ～１２０μｍの範囲が好ましい。
　また、図１に示すように、エレメントユニット４の両端部に位置する分離膜エレメント８と端面部材１２との間に挟まれる端面通過部材１３についても、連結部の通過部材１０と同様の理由で、膜束固定材１８の端面２４と端面部材１２の内面３０とに接するように配置することが好ましい。
　端面通過部材１３も、通過部材１０と同様に、圧縮荷重で形状を保持できる圧縮強度が確保されて、分離成分が通過することができさえすれば、どのような形状や材質を用いても構わない。端面通過部材１３の形状や材質は、通過部材１０と同一でなくても構わないが、同一部材を用いた方が、部材を共用できることで分離膜モジュール１のコストを下げることが可能となる。そのため、端面通過部材１３は、前述の通過部材１０と同様の材質、構造を有するものを用いることが好ましい。
　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は２０１６年５月２５日出願の日本特許出願（特願２０１６－１０４０８４）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。
１：分離膜モジュール
２：モジュール容器
３：モジュール容器の端面
４：エレメントユニット
５：流入口
６：流出口
７：モジュール容器の側面
８：分離膜エレメント
９：連結部材
１０：通過部材
１１：開口部
１２：端面部材
１３：端面通過部材
１４：分離膜
１５：孔
１６：ケース
１７：分離成分流路材
１８：膜束固定材
１９：分離膜の端面
２０：開口部を有しない端面部材
２１：エレメントユニットの中心軸
２２：通過部材の中心穴
２３：端面通過部材の中心穴
２４：膜束固定材の端面
２５：通過部材の端面
２７：片面通過部材
２８：中間材
２９：空間
３０：端面部材の内面

Claims (6)

  1. 　中空のモジュール容器と、
    　前記モジュール容器に収容されたエレメントユニットと、を有し、
    　前記エレメントユニットは、前記モジュール容器内に流入した物質の構成成分を分離する分離膜と前記分離膜の両端を固定するための膜束固定材とを有する分離膜エレメントが複数連結されて構成され、かつ、前記分離膜により分離された成分をエレメントユニット外へ排出するための流路が形成されており、
    　前記複数の分離膜エレメントの連結間には、前記分離膜により分離された成分が前記排出するための流路へ通過可能な通過部材が、その両端面を隣り合う前記分離膜エレメントの前記膜束固定材にそれぞれ接触させて配置された、分離膜モジュール。
  2. 　前記通過部材が単一の部材からなる、請求項１に記載の分離膜モジュール。
  3. 　前記通過部材が流体通過性を有する多孔質部材で構成されている、請求項１または２に記載の分離膜モジュール。
  4. 　前記分離膜エレメントが、前記物質を流入させるために複数の孔が形成された前記分離膜を収納するケースと、前記分離膜で分離されて透過した成分を通過させるための分離成分流路材と、を有し、 
    　前記膜束固定材により、前記ケース、前記分離膜および前記分離成分流路材の両端がそれぞれ固定された、請求項１～３のいずれかに記載の分離膜モジュール。
  5. 　前記分離膜が中実糸で構成されており、かつ、前記分離膜の断面の外部側が分離層で、前記断面の内部側が連続的な多孔質構造を有する、請求項１～４のいずれかに記載の分離膜モジュール。
  6. 　前記分離膜エレメントと前記モジュール容器との間には、前記流路の一部を構成する端面部材が配設され、前記分離膜により分離された成分が前記排出するための流路へ通過可能な端面通過部材が、その両端面を前記膜束固定材および前記端面部材にそれぞれ接触させて配置された、請求項１～５のいずれかに記載の分離膜モジュール。
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