WO2023162747A1 - 分離膜モジュール、分離膜モジュールユニット及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

管状分離膜に損傷が生じた場合、損傷が生じた管状分離膜からの流体流出を停止させることができる分離膜モジュールが提供される。分離膜モジュール１は、筒状のハウジング２と、ハウジング２の長手方向に配置された管状分離膜３とを有する。管状分離膜３に損傷が生じると、損傷が生じた管状分離膜３の一端側に配置された緊急時作動弁が閉弁する。

Description

分離膜モジュール、分離膜モジュールユニット及びその運転方法

　本発明は溶液や混合気体等の流体から一部の成分を分離するために用いられる分離膜モジュール及びその運転方法に関する。

　溶液又は混合気体中の成分を分離するための機器として分離膜モジュールが知られている。この分離膜モジュールに用いる管状分離膜は、管状の多孔質セラミック支持体と、該支持体の外周面に設けられたゼオライト等からなる多孔質の分離膜とを有する。溶液や混合気体等の流体から特定の成分を分離するためには、溶液の流体を分離膜エレメントの一方（外面）に接触させて、もう一方（内面）を減圧することにより、特定の成分を気化させ分離する方法や、溶液を気化させて気体状態で分離膜に接触させて、非接触面側を減圧して特定成分を分離する方法、加圧状態の混合気体を分離膜に接触させて特定の成分を分離する方法などが知られている（特許文献１～３）。

　分離膜がハウジング内に設置された分離膜モジュールにおいて、膜やその支持体に亀裂や折損が生じたり、あるいはシール部に機械的もしくは化学的に劣化が生じたりすると、一次側（被処理流体側）から二次側（透過流体側）に被処理流体が急激に流出し、該二次側に連なる配管や機器等の設備に急激に高圧が加えられる。

　特許文献３には、膜やその支持体、あるいはシール部に欠陥が生じた場合に二次側に急激に高圧が加えられることが防止される分離膜モジュールとして、分離膜モジュールから透過流体流路に流出する透過流体の圧力又は流量が所定値以上となったときに閉弁するか又は開度が小さくなる緊急時作動弁を該透過流体流路に設けた分離膜モジュールが記載されている。

特開２０１３－３９５４６号公報 特開２０１１－１５２５０７号公報 特開２０２０－８１９２０号公報

　分離膜モジュールのハウジング内には多数本の管状分離膜が配置されている。上記特許文献３の分離膜モジュールにあっては、一部、例えば１本の管状分離膜に損傷が生じたときでも、その分離膜モジュールに連なる透過流体流路が閉止するので、当該分離膜モジュールでの分離操作を停止させることが必要となる。

　本発明は、一部の管状分離膜に損傷が生じた場合、損傷が生じた管状分離膜のみからの流体流出を停止させることができる分離膜モジュールまたは分離膜モジュールユニット、及びその運転方法を提供することを課題とする。

　本発明は、次を要旨とするものである。

［１］　ハウジングと、
　該ハウジング内に配置された少なくとも１本の管状分離膜と
を有し、
　被処理流体が該ハウジング内に供給され、管状分離膜を透過した流体が該管状分離膜の一端側から該ハウジング内の透過流体用流出室を通ってハウジング外に取り出される分離膜モジュールにおいて、
　該管状分離膜内から該流出室に流出する流体の圧力又は流量が所定値以上となったときに閉弁する緊急時作動弁を各管状分離膜の該一端側に設けたことを特徴とする分離膜モジュール。

［２］　前記管状分離膜の前記一端側にエンド管が接続されており、
　該エンド管は管孔を有しており、
　前記緊急時作動弁は、
　前記管状分離膜内に配置され、該エンド管の端面に当接することにより該エンド管の該管孔を閉止する弁体と、
　少なくとも一部が該管状分離膜内に配置されており、該弁体を該エンド管の該端面から所定距離離反させて保持する弾性体と
を有する［１］の分離膜モジュール。

［３］　前記弾性体の応力負荷時の最大変位量が、前記分離膜モジュールの停止時の前記弁体と、前記エンド管の端面との距離以上である、
［２］に記載の分離膜モジュール。

［４］　前記管状分離膜の一端側にエンド管が接続されており、
　該エンド管は該管孔を有しており、
　前記緊急時作動弁は、
　該エンド管の該管孔の途中に配置された弁体と、
　該エンド管の該管孔の途中に設けられた、該弁体が管状分離膜側から着座する弁シート面と、
　該管孔内に配置されており、該弁体を該弁シート面から所定距離離反させて保持する弾性体と
を有する［１］の分離膜モジュール。

［５］　前記弾性体の応力負荷時の最大変位量が、前記分離膜モジュールの停止時の前記弁体と前記弁シート面との距離以上である、
［４］に記載の分離膜モジュール。

［６］　前記弾性体はバネである［２］～［５］のいずれかに記載の分離膜モジュール。

［７］　前記エンド管が前記分離膜モジュール内の支持板に設置されており、
　該支持板が前記管孔内と前記透過流体用流出室とを連通する小孔を有し、
　前記バネの外径が、該小孔の直径より大きい、［６］に記載の分離膜モジュール。

［８］　前記管状分離膜を複数本有する、［１］～［７］のいずれかに記載の分離膜モジュール。

［９］　［８］に記載の分離膜モジュールの運転方法であって、一部の前記緊急時作動弁が閉止した後においても運転を継続することを特徴とする分離膜モジュールの運転方法。

［１０］　［１］～［８］のいずれかに記載の分離膜モジュールの運転方法であって、少なくとも１つの前記緊急時作動弁が閉止した後、前記分離膜モジュールへの被処理流体の供給量を徐々に低下させる、分離膜モジュールの運転方法。

［１１］　並列に配置された複数の［１］～［８］のいずれかに記載の記載の分離膜モジュールを有する分離膜モジュールユニット。

［１２］　［１１］の分離膜モジュールユニットの運転方法であって、一部の前記緊急時作動弁が閉止した後においても運転を継続することを特徴とする分離膜モジュールユニットの運転方法。

　本発明の分離膜モジュールまたは分離膜モジュールユニット、及びその運転方法にあっては、複数の管状分離膜のうち、一部の管状分離膜に損傷が生じ、当該管状分離膜から流出室に流出する流体の圧力又は流量が増加しようとすると、当該管状分離膜に設けられた緊急時作動弁が閉弁する。このため、簡便な機構でありながら、損傷箇所を通った被処理流体が流出室に流れ込むことがただちに防止される。

実施の形態に係る分離膜モジュールのハウジング軸心線方向に沿う断面図である。 図１のII－II線断面図である。 図１のIII－III線断面図である。 エンド管及び支持板の拡大断面図である。 一部の緊急時作動弁が閉弁した状態のエンド管及び支持板の拡大断面図である。 別の実施の形態を示すエンド管及び支持板の拡大断面図である。 別の実施の形態を示すエンド管及び支持板の拡大断面図である。 別の実施の形態を示すエンド管及び支持板の拡大断面図である。

　図１～５を参照して、本発明の一実施の形態に係る分離膜モジュールについて説明する。

　この分離膜モジュール１は、筒軸心方向を上下方向とした円筒状ハウジング２と、ハウジング２の軸心線と平行方向に配置された複数本の管状分離膜３と、ハウジング２内の下部に設けられた支持板５と、ハウジング２の下端に取り付けられたボトムカバー６Ａ及び上端に取り付けられたトップカバー６Ｂと、支持板５と平行にハウジング２内の下部及び上部にそれぞれ配置された第１のバッフル（整流板）７及び第２のバッフル（整流板）８等を有する。第１のバッフル７は支持板５の上側に配置されている。

　この実施の形態では、ハウジング２の下端及び上端と、ボトムカバー６Ａ及びトップカバー６Ｂの外周縁に、それぞれ外向きのフランジ２ａ，２ｂ，６ｂ，６ｃが設けられ、ボルト（図示略）によってこれらが固定されている。ボトムカバー６Ａを開閉可能にすることで、管状分離膜３の破損時に、破損した管状分離膜３の特定を容易にし、迅速な交換を可能とする。支持板５の周縁部は、ハウジング２の内周面に周設された支持座２ｔに支持されている。支持板５の下面外周部と支持座２ｔの上面との間にシール部材が介在されている。

　この実施の形態では、管状分離膜３の下端にエンド管４が連結され、管状分離膜３の上端にエンドプラグ２０が連結されている。なお、図２～３では、管状分離膜は７本のみ示されているが、後述のとおり、管状分離膜の数は適宜設定できる。また、２本以上の管状分離膜がジョイント管（図示略）によって連結された管状分離膜連結体とされていてもよい。

　ハウジング２の下部の外周面に被処理流体の流入口９が設けられ、上部の外周面に非透過流体の流出口１０が設けられている。流入口９は、支持板５と第１のバッフル７との間の室１１に臨むように設けられている。流出口１０は、第２のバッフル８の上側の室１２に臨むように設けられている。バッフル７，８間は膜分離を行うための主室１３となっている。

　底部の支持板５から複数のロッド１４が立設され、該ロッド１４にバッフル７，８が支持されている。ロッド１４の下端には雄ねじが刻設されており、支持板５の雌ねじ穴に螺着されている。バッフル７，８はロッド１４に外嵌された鞘管１４Ａ，１４Ｂ（図４）によって所定高さに支持されている。鞘管１４Ａは、支持板５とバッフル７との間に配置されている。鞘管１４Ｂは、バッフル７，８間に配置されている。バッフル８は、鞘管１４Ｂの上端面に載設され、ロッド１４の上端に螺着されたナットによって固定されている。バッフルの数はこの実施の形態に限定されるものではなく、３枚以上のバッフルを使用してもよい。

　バッフル７，８の外周面とハウジング２の内周面との間には、Ｏリング、Ｖパッキン、Ｃリングなどのシール部材を介在させてもよい。

　各バッフル７，８には、管状分離膜３を挿通させるための円形の挿通孔７ａ，８ａが設けられており、管状分離膜３、エンド管４及びエンドプラグ２０の連結体が各挿通孔７ａ，８ａに挿通されている。挿通孔７ａ，８ａの口径は、管状分離膜３、エンド管４及びエンドプラグ２０の直径（外径）よりも大きく、挿通孔７ａ，８ａの内周面と、エンド管４及びエンドプラグ２０の外周面との間に全周にわたって間隙があいている。

　支持板５の上面側には、管状分離膜３に連結されたエンド管４の下端が差し込まれた差込穴５ａが設けられている。差込穴５ａは、円柱形であり、支持板５の上面から厚み方向の途中まで延在している。差込穴５ａの穴底は、小孔５ｂと大孔５ｃとを介して支持板５の下側の流出室１６に臨んでいる。小孔５ｂの直径はエンド管４の下端の内径よりも小さい。

　各エンド管４の管孔４ａは、小孔５ｂ及び大孔５ｃを介して、ボトムカバー６Ａと支持板５との間の透過流体用流出室１６に連通している。ボトムカバー６Ａには、分離された透過流体の取出口６ａが設けられている。

　図示は省略するが、エンド管４の下端近傍の外周面に溝が周設され、フッ素ゴム、フッ素樹脂などよりなるＯリングが装着されている。また、エンド管４の下端面にもエンド管４の管孔４ａと同心状の溝が周設され、Ｏリングが装着されている。これらのＯリングが差込穴５ａの内周面と差込穴５ａの穴底面に密着することにより、エンド管４の外面と差込穴５ａとの間のシールが行われる。なお、エンド管４の外周面のＯリングと下端面のＯリングとは、いずれか一方のみが設けられてもよい。

　エンド管４の下端は、螺着により差し込み穴５ａに固定してもよい。この場合、ねじの形状がテーパー形状であれば、Ｏリングは使わなくても良い。

　図４の通り、エンド管４の上端部は小径部４ｇとなっており、管状分離膜３の下部に差し込まれている。図示は省略するが、この小径部４ｇの外周面に周設された溝にＯリングが装着されている。また、管状分離膜３の下端面とエンド管４の段差面との間にもＯリングが介在されている。エンド管４と管状分離膜３の接続部は、上記のようなＯリングを使用せず、熱収縮チューブを用いることでシールしてもよいし、Ｏリングを使用した上にさらに熱収縮チューブを用いてもよい。

　図４に明示の通り、管状分離膜３内の下部かつエンド管４の上端面よりも所定距離上方に弁体３０が配置され、弾性体としてのバネ３１によって支持されている。弾性体としては、流体が通過する空隙を有し、容易に入手できることから、バネが好ましい。

　バネ３１は、コイルスプリングよりなり、エンド管４の管孔４ａ内に挿通されている。バネ３１の下端は支持板５の小孔５ｂの上側の縁部に当接している。バネ３１の上端は、管状分離膜３の内部に突出しており、弁体３０を支持している。

　バネ３１が小孔５ｂから脱落しないようにするため、バネ３１の外径は、小孔５ｂの直径よりも大きい。バネ３１の外径を小孔５ｂの直径より大きくする代わりに、小孔５ｂの管状分離膜３側の面に、バネ３１の外径より口径が小さい開口を有するリング形プレートを配置しても良い。

　この実施の形態では、弁体３０は球状である。この球状の弁体３０の直径はエンド管４の管孔４ａの直径よりも大きく、管状分離膜３の内径よりも小さい。

　弁体３０と管状分離膜３の内周面との間に存在する間隙の、管状分離膜３の長手方向と直交方向の断面積は、透過流体の流通抵抗を低減する観点で、小孔５ｂの開口面積以上であることが好ましい。

　弁体３０とバネ３１とは、分離操作時や移送時の振動により離反することがないように連結されていることが好ましい。

　バネ３１の長さは、膜破損時に弁体３０によってエンド管４の端部が確実に閉止されるようにするため、応力負荷時の最大変位量が、分離膜モジュール１を運転していない時の弁体３０とエンド管４の上端面との距離以上であるようにする。

　バネ３１のバネ定数は、定常運転時には弁体３０がエンド管４の上端面を閉止せず、しかも膜破損時（緊急時）には弁体３０がエンド管４の上端面を閉止するように設定する。

　弁体３０に上方から加えられる流体圧が所定圧以上になると、弁体３０は、エンド管４の管孔４ａを塞ぐようにエンド管４の上端面の管孔４ａの縁部に当接する。従って、この実施の形態では、弁体３０と、バネ３１と、エンド管４の上端面の管孔４ａの縁部（弁シート部）とによって緊急時作動弁が構成されている。なお、エンド管４の上端面の管孔４ａの縁部をテーパ面とすることが、緊急時作動弁が確実にエンド管４の端部を確実に閉止する観点で好ましい。

　この実施の形態では、エンド管４の管孔４ａの内径は一定であるが、エンド管４の途中に小径部を設け、バネ３１の下端を該小径部に当接させてもよい。

　管状分離膜３の上端にエンドプラグ２０が連結されている。エンドプラグ２０は円柱状またはこれの一部を削った形状であり、管状分離膜３の上端を封止している。エンドプラグ２０の下端には、管状分離膜３内に差し込まれた小径部が設けられている。エンドプラグ２０と管状分離膜３との間はＯリングによってシールされている。また、エンドプラグ２０と管状分離膜３は、Ｏリングを使用せず、熱収縮チューブを用いることでシールしてもよいし、Ｏリングを使用した上にさらに熱収縮チューブを用いてもよい。

　なお、エンドプラグ２０の重量軽減を図るために、エンドプラグ２０の上端面から凹所２０ｖが凹設されている。凹所２０ｖの底部とエンドプラグ２０の側周面とを連通するドレン抜き孔を設けてもよい。

　この実施の形態では、管状分離膜３の上端側にエンドプラグ２０を配置しているので、管状分離膜３、エンドプラグ２０、及びエンド管４に対し、それらの端面同士が押し付けられる方向に荷重がかかっている。

　このように構成された分離膜モジュール１において、被処理流体は流入口９からハウジング２の室１１内に導入され、バッフル７の挿通孔７ａの内周面とエンド管４の外周面との間の間隙を通って主室１３に流入し、主室１３を通った後、バッフル８の挿通孔８ａとエンドプラグ２０との間隙を通って室１２に流出する。主室１３を流れる間に被処理流体の一部の成分が管状分離膜３を透過して管状分離膜３内からエンド管４の管孔４ａ、透過流体用流出室１６及び取出口６ａを介して取り出される。透過しなかった流体は、流出口１０から分離膜モジュール１外に流出する。

　主室１３内の流れと管状分離膜３内の流れは並流であっても、向流であっても差し支えなく、被処理流体の流入口９と流出口１０とは入れ替えても差し支えない。即ち、被処理流体は口１０から室１２に導入され、室１３、１１を経て口９から流出してもよい。

　この実施の形態では、管状分離膜３を平行に多数本配列設置しており、膜面積が大きいので、効率良く膜分離が行われる。

　この実施の形態では、管状分離膜３の上下両端に連結されたエンド管４とエンドプラグ２０がそれぞれバッフル７，８の挿通孔７ａ，８ａに差し込まれている。そのため、管状分離膜３が振動ないし揺動してエンド管４及びエンドプラグ２０が挿通孔７ａ，８ａの内周面に当接してもゼオライト膜が損傷することがなく、長期にわたって安定して運転を行うことができる。

　この分離膜モジュール１において、少数本（１本又は複数本）の管状分離膜３、例えば図４の左側の管状分離膜３に損傷が生じ、弁体３０に上方から加えられる流体圧が所定圧以上になると、図５の左側のエンド管４の通り、弁体３０が管孔４ａを塞ぐようにエンド管４の上端面の管孔４ａの縁部に当接する。

　これにより、損傷が生じた管状分離膜３から流体が流出室１６に流出することが防止される。このため、膜分離処理されていない被処理流体が透過流体用流出室１６に流入することをただちに停止することができる。この緊急時作動弁は、構成が簡易であり、耐久性に優れる。

　この分離膜モジュール１において、緊急時作動弁が閉止した後に当該分離膜モジュール１の運転を停止する際は、緊急時作動弁の弁体３０の急激な移動を抑制するために、当該分離膜モジュール１の流入口９における被処理流体の圧力をゆっくりと減少させることが好ましい。圧力低減の速度は、たとえば、０．１０ＭＰａ／ｓ以下が好ましい。

　また、上記運転停止の際は、緊急時作動弁の弁体３０の閉止時間を長くし、徐々に静止時の位置に戻すために、取出口６ａにおける透過流体の圧力を、主室１３の圧力よりも低く保つことが好ましい。

　なお、緊急時作動弁が閉止した場合、その後も分離膜モジュール１の運転を継続し、その後に当該モジュール１の運転を停止してもよい。

　分離膜モジュール１の運転を停止した後、どの管状分離膜が破損したかを特定するには、まず、分離膜モジュール１のボトムカバー６Ａを開放する。次いで、流入口９から室１１を介して主室１３に加圧流体を供給する。そして、各大孔５ｃから流出する流体の流量を検知し、流量が多い大孔５ｃを特定する。当該破損した膜の特定は、特開２０２０－１９２４８２号公報に記載の方法で行うことができるが、この方法に限定されない。

　上記実施の形態では、弁体３０は球形であるが、図６の弁体３０Ａのように下方に向って小径となる円錐形であってもよい。図示は省略するが、弁体は円錐台形状であってもよく、下端外周面をテーパ形とした略円柱形状のものであってもよい。

　上記実施の形態では、エンド管４の上端面の管孔４ａの縁部を弁シート面としているが、図７のように、管孔４ａの途中に弁シート面３２を形成し、弁体３０が該弁シート面３２に上方から着座して閉弁する構成としてもよい。当該形態とすることで、分離操作中の振動による弁体３０の位置ずれによる影響を抑制することができる。なお、弁シート面３２はテーパ形とされているが、これに限定されない。

　この実施の形態では、弁体３０と管孔４ａの内周面との間の間隙の、エンド管４ａの管軸方向と直交方向の断面積は、透過流体の流通抵抗を低減する観点で、小孔５ｂの断面積以上であることが好ましい。

　弁シート面３２よりも上側の管孔４ａの内径は、弁シート面３２よりも下側の内径よりも大きいものとなっている。また、弁シート面３２よりも上側の管孔４ａの内径は、図７の弁体３０の直径よりも大きい。

　上記実施の形態では、いずれも、弁体３０，３０Ａはバネ３１によって下側から支承される構成となっているが、図８のように弁体３０よりも上側に配置されたバネ（コイルスプリング）３３に吊支される構成としてもよい。バネ３３の上端はエンドプラグ２０に取り付けられている。

　上記実施の形態では、支持板５の上面側に設けられた差込穴５ａに、管状分離膜３に連結されたエンド管４の下端が差し込まれているが、これに限定されない。例えば、支持板５と、支持板５により区画されて設けられた流出室１６の代わりに、国際公開第２０２０／００４３８１号公報に記載のように、集合室を設け、集合室の上面側に差込穴を設けて、管状分離膜に連結されたエンド管の下端を差し込んでもよい。

　上記実施の形態では、エンド管４の管孔４ａ、弁シート面３２、及び弁体３０、３０Ａの断面形状は円形であったが、弁体３０がエンド管４の端部を確実に閉止できるような形状であればよく、多角形であってもよい。多角形の場合、直径は、図形中の最も長い線分の長さとする。

　以下、本発明の分離膜モジュールユニットについて説明する。

　本発明の分離膜モジュールユニットは、複数の分離膜モジュールを並列に接続したものである。

　当該分離膜モジュールユニットに含まれる分離膜モジュールは、１以上の管状分離膜３を有すること以外は、前述の分離膜モジュールと同じ構造である。

　分離膜ユニットに含まれる各モジュールが、管状分離膜３を１本有する場合に、一部の管状分離膜が破損した場合であっても、簡便な機構でありながら、損傷箇所を通った被処理流体が流出室に流れ込むことがただちに防止され、さらに、残りの分離膜モジュールの運転を継続することができる。すなわち、分離膜ユニットの運転を継続することができる。

　分離膜ユニットの運転、及び停止についても、前述の分離膜モジュールの運転、及び停止と同様に行うことができる。

　以下、本発明の分離膜モジュールを構成する各部材の好適な材料等について説明する。

　エンド管４及びエンドプラグ２０の材料としては金属、セラミックス、樹脂など、流体を透過させないものが例示されるが、これに限定されない。バッフル７，８及びジョイント管の材質は、通常、ステンレスなどの金属材料であるが、分離条件における耐熱性と供給、透過成分に対する耐性があれば特に限定されず、用途によっては、樹脂材料など他の材質に変更可能である。

　管状分離膜３は、好ましくは、管状の多孔質支持体と、該多孔質支持体の外周面に形成された無機分離膜としてのゼオライト膜とを有する。この管状の多孔質支持体の材質としては、シリカ、α－アルミナ、γ－アルミナ、ムライト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化珪素、炭化珪素などを含むセラミックス焼結体や金属焼結体の無機多孔質支持体が挙げられる。その中でもアルミナ、シリカ、ムライトのうち少なくとも１種を含む無機多孔質支持体が好ましい。多孔質支持体表面が有する平均細孔径は特に制限されるものではないが、細孔径が制御されているものが好ましく、通常０．０２μｍ以上、好ましくは０．０５μｍ以上、さらに好ましくは０．１μｍ以上であり、通常２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下の範囲が好ましい。

　多孔質支持体の表面においてゼオライトを結晶化させゼオライト膜を形成させる。
　ゼオライト膜を構成する主たるゼオライトは、通常、酸素６－１０員環構造を有するゼオライトを含み、好ましくは酸素６－８員環構造を有するゼオライトを含む。

　ここでいう酸素ｎ員環を有するゼオライトのｎの値は、ゼオライト骨格を形成する酸素とＴ元素で構成される細孔の中で最も酸素の数が大きいものを示す。例えば、ＭＯＲ型ゼオライトのように酸素１２員環と８員環の細孔が存在する場合は、酸素１２員環のゼオライトとみなす。

　酸素６－１０員環構造を有するゼオライトの一例を挙げれば、ＡＥＩ、ＡＥＬ、ＡＦＧ、ＡＮＡ、ＢＲＥ、ＣＡＳ、ＣＤＯ、ＣＨＡ、ＤＡＣ、ＤＤＲ、ＤＯＨ、ＥＡＢ、ＥＰＩ、ＥＳＶ、ＥＵＯ、ＦＡＲ、ＦＲＡ、ＦＥＲ、ＧＩＳ、ＧＩＵ、ＧＯＯ、ＨＥＵ、ＩＭＦ、ＩＴＥ、ＩＴＨ、ＫＦＩ、ＬＥＶ、ＬＩＯ、ＬＯＳ、ＬＴＮ、ＭＡＲ、ＭＥＰ、ＭＥＲ、ＭＥＬ、ＭＦＩ、ＭＦＳ、ＭＯＮ、ＭＳＯ、ＭＴＦ、ＭＴＮ、ＭＴＴ、ＭＷＦ、ＭＷＷ、ＮＡＴ、ＮＥＳ、ＮＯＮ、ＰＡＵ、ＰＨＩ、ＲＨＯ、ＲＲＯ、ＲＴＥ、ＲＴＨ、ＲＵＴ、ＳＧＴ、ＳＯＤ、ＳＴＦ、ＳＴＩ、ＳＴＴ、ＴＥＲ、ＴＯＬ、ＴＯＮ、ＴＳＣ、ＴＵＮ、ＵＦＩ、ＶＮＩ、ＶＳＶ、ＷＥＩ、ＹＵＧ等がある。

　ゼオライト膜は、ゼオライトが単独で膜となったものでも、前記ゼオライトの粉末をポリマーなどのバインダー中に分散させて膜の形状にしたものでも、各種支持体上にゼオライトを膜状に固着させたゼオライト膜複合体でもよい。ゼオライト膜は、一部アモルファス成分などが含有されていてもよい。

　ゼオライト膜の厚さとしては、特に制限されるものではないが、通常、０．１μｍ以上であり、好ましくは０．６μｍ以上、さらに好ましくは１．０μｍ以上である。また通常１００μｍ以下であり、好ましくは６０μｍ以下、さらに好ましくは２０μｍ以下、より好ましくは１２μｍ以下、特に好ましくは１０μｍ以下の範囲である。

　ただし、本発明はゼオライト膜以外の分離膜を有した管状分離膜を用いてもよい。

　管状分離膜３の外径は、好ましくは３ｍｍ以上、より好ましくは６ｍｍ以上、さらに好ましくは１０ｍｍ以上、好ましくは２０ｍｍ以下、より好ましくは１８ｍｍ以下、さらに好ましくは１６ｍｍ以下、特に好ましくは１４ｍｍ以下である。外径が小さすぎると管状分離膜の強度が十分でなく壊れやすくなることがあり、大きすぎるとモジュール当りの膜面積が低下する。

　管状分離膜３のうちゼオライト膜で覆われた部分の長さは好ましくは２０ｃｍ以上、好ましくは２００ｃｍ以下である。

　弁体３０，３０Ａの構成材料としては、透過流体に対して耐腐食性を有し、エンド管の端面を確実に閉止するための適度な変形性を有することから、シリコーンゴム、フッ化ゴム、ブチルゴム、天然ゴムなどのゴム状弾性体やＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＰＶＤＦなどのフッ素樹脂、鉛、アルミニウム、銅などの金属から使用時の条件に応じて適切なものを用いることが好ましい。バネ３１，３３の構成材料としては、透過流体に対して耐腐食性を有する観点から、ステンレス鋼を用いることが好ましい。

　本発明の分離膜モジュールにおいて、管状分離膜は、単管式でも多管式でもよく、通常５０００本以下、特に６～４０００本配置され、管状分離膜同士の最短距離は、２ｍｍ～１０ｍｍとなるように配置されることが好ましい。ハウジングの大きさ、管状分離膜の本数は処理する流体量によって適宜変更されるものである。単管式である場合、本発明の分離膜モジュールは、簡便な機構でありながら、損傷箇所を通った被処理流体が流出室に流れ込むことがただちに防止される。多管式である場合、簡便な機構でありながら、損傷箇所を通った被処理流体が流出室に流れ込むことがただちに防止され、また、一部の管状分離膜に損傷が生じた場合であっても、分離膜モジュールの運転をそのまま継続することができる。

　本発明の分離膜モジュールにおいて、分離または濃縮の対象となる被処理流体としては、分離膜によって分離または濃縮が可能な複数の成分からなる気体または液体の混合物であれば特に制限はなく、如何なる混合物であってもよいが、気体の混合物に使用することが好ましい。

　液体の分離または濃縮にはパーベーパレーション法（浸透気化法）、ベーパーパーミエーション法（蒸気透過法）と呼ばれる分離または濃縮方法を用いることができる。パーベーパレーション法は、液体の混合物をそのまま分離膜に導入する分離または濃縮方法であるため、分離または濃縮を含むプロセスを簡便なものにすることができる。

　本発明において、分離または濃縮の対象となる混合物が、複数の成分からなる気体の混合物である場合、気体の混合物としては、例えば、二酸化炭素、酸素、窒素、水素、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ノルマルブタン、イソブタン、１－ブテン、２-ブテン、イソブテン、トルエンなどの芳香族系化合物、六フッ化硫黄、ヘリウム、一酸化炭素、一酸化窒素、水などから選ばれる少なくとも１種の成分を含むものが挙げられる。これらの気体成分からなる混合物のうち、パーミエンスの高い気体成分は、分離膜を透過し分離され、パーミエンスの低い気体成分は供給ガス側に濃縮される。

　本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更が可能であることは当業者に明らかである。
　本出願は、２０２２年２月２２日付で出願された日本特許出願２０２２－０２５８６２に基づいており、その全体が引用により援用される。

　１　分離膜モジュール
　２　ハウジング
　３　管状分離膜
　４　エンド管
　４ａ　管孔
　５　支持板
　６Ａ　ボトムカバー
　６Ｂ　トップカバー
　６ａ　取出口
　７，８　バッフル
　７ａ，８ａ　挿通孔
　９　流入口
　１０　流出口
　１１，１２　室
　１３　主室
　１４　ロッド
　１６　流出室
　２０　エンドプラグ
　３０，３０Ａ　弁体
　３１，３３　バネ
　３２　弁シート面

 

Claims (12)

1. 　ハウジングと、
   　該ハウジング内に配置された少なくとも１本の管状分離膜と
   を有し、
   　被処理流体が該ハウジング内に供給され、管状分離膜を透過した流体が該管状分離膜の一端側から該ハウジング内の透過流体用流出室を通ってハウジング外に取り出される分離膜モジュールにおいて、
   　該管状分離膜内から該透過流体用流出室に流出する流体の圧力又は流量が所定値以上となったときに閉弁する緊急時作動弁を各管状分離膜の該一端側に設けたことを特徴とする分離膜モジュール。
2. 　前記管状分離膜の前記一端側にエンド管が接続されており、
   　該エンド管は管孔を有しており、
   　前記緊急時作動弁は、
   　前記管状分離膜内に配置され、該エンド管の端面に当接することにより該エンド管の該管孔を閉止する弁体と、
   　少なくとも一部が該管状分離膜内に配置されており、該弁体を該エンド管の該端面から所定距離離反させて保持する弾性体と
   を有する請求項１の分離膜モジュール。
3. 　前記弾性体の応力負荷時の最大変位量が、前記分離膜モジュールの停止時の前記弁体と、前記エンド管の端面との距離以上である、
   請求項２に記載の分離膜モジュール。
4. 　前記管状分離膜の一端側にエンド管が接続されており、
   　該エンド管は該管孔を有しており、
   　前記緊急時作動弁は、
   　該エンド管の該管孔の途中に配置された弁体と、
   　該エンド管の該管孔の途中に設けられた、該弁体が管状分離膜側から着座する弁シート面と、
   　該管孔内に配置されており、該弁体を該弁シート面から所定距離離反させて保持する弾性体と
   を有する請求項１の分離膜モジュール。
5. 　前記弾性体の応力負荷時の最大変位量が、前記分離膜モジュールの停止時の前記弁体と前記弁シート面との距離以上である、
   請求項４に記載の分離膜モジュール。
6. 　前記弾性体はバネである請求項２～５のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
7. 　前記エンド管が前記分離膜モジュール内の支持板に設置されており、
   　該支持板が前記管孔内と前記透過流体用流出室とを連通する小孔を有し、
   　前記バネの外径が、該小孔の直径より大きい、請求項６に記載の分離膜モジュール。
8. 　前記管状分離膜を複数本有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
9. 　請求項８に記載の分離膜モジュールの運転方法であって、一部の前記緊急時作動弁が閉止した後においても運転を継続することを特徴とする分離膜モジュールの運転方法。
10. 　請求項１～８のいずれか一項に記載の分離膜モジュールの運転方法であって、少なくとも１つの前記緊急時作動弁が閉止した後、前記分離膜モジュールへの被処理流体の供給量を徐々に低下させる、分離膜モジュールの運転方法。
11. 　並列に配置された複数の請求項１～８のいずれか一項に記載の分離膜モジュールを有する分離膜モジュールユニット。
12. 　請求項１１の分離膜モジュールユニットの運転方法であって、一部の前記緊急時作動弁が閉止した後においても運転を継続することを特徴とする分離膜モジュールユニットの運転方法。
    
     

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