JP3760415B2

JP3760415B2 - 多管式分離膜モジュール

Info

Publication number: JP3760415B2
Application number: JP2004544918A
Authority: JP
Inventors: 史郎池田; 了紀佐藤
Original assignee: 株式会社物産ナノテク研究所
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: EP1563894A4; JPWO2004035182A1; AU2003268744A1; CN1703270A; BR0315083A; US20060011535A1; EP1563894A1; WO2004035182A1

Description

技術分野
本発明は溶液や混合気体等の流体から特定の成分を分離するのに用いる多管式分離膜モジュールに関する。
背景技術
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多管式分離膜モジュールが知られている。この多管式分離膜モジュールに用いる分離膜エレメントは、分離すべき物質の分子程度の大きさの微細孔を有するゼオライト等からなる分離膜を多孔質の管上に形成したものである。
図６は従来の多管式分離膜モジュールの一例を示す。この多管式分離膜モジュールは円筒状シェル１と、円筒状シェル１内に延在する複数の管状分離膜エレメント３と、前記複数の管状分離膜エレメント３を支持するための複数の開口部を有し、円筒状シェル１の一端と他端とに固定された支持板2a，2bと、各支持板2a，2bを覆うようにシェル１に取り付けられたカバー4a，4bと、複数の管状分離膜エレメント３を支持するように円筒状シェル１内に取り付けられた複数のバッフル５とを具備する。円筒状シェル１は支持板2aの付近に流体の入口６を有しており、支持板2bの付近に流体の出口７を有している。各バッフル５は一部が切り欠かれた円板状であり、シェル１内の流体の流れを管状分離膜エレメント３に垂直の方向に向かわせながら、円筒状シェル１の入口６から出口７に流体を移動させる役目を有する。
カバー4a，4bにそれぞれ膜透過成分の出口8a，8bが設けられている。入口６からシェル１に流体Ｆ₁を供給するとともに、膜透過成分出口8a，8bからカバー4a，4b内を吸引すると、流体Ｆ₁中の膜透過流体Ｆ₂は管状分離膜エレメント３を透過して出口8a，8bから流出し、残りの流体Ｆ₃は出口７から流出する。この多管式分離膜モジュールは、円筒状シェル１内に管状分離膜エレメント３を密に有するため、小型でありながら分離膜の総面積が大きく、流体の処理能力が大きい。
しかしながら、このような従来の多管式分離膜モジュールでは管状分離膜エレメント３の処理能力が十分に発揮されておらず、多管式分離膜モジュール全体の処理能力は各管状分離膜エレメント３が本来有する処理能力の合計と比較すると遥かに劣っている。この原因は(a)バッフルにより流体の流れを方向づける効果は得られるものの、その流速を十分に大きくすることは難しいため、管状分離膜エレメント周辺における流体の撹乱が不十分であり、膜透過成分が流体中から管状膜エレメントの表面へと拡散する速度が遅いこと、及び(b)シェル内には流体が行き渡らないデッドスペースがあり、デッドスペース内にある分離膜は膜透過成分の分離に寄与しないことにあると考えられる。
発明の目的
従って本発明の目的は、各管状分離膜エレメントの処理能力を有効に発揮させ得る多管式分離膜モジュールを提供することである。
発明の開示
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、流体から膜透過成分を分離するための複数の管状分離膜エレメントを有する多管式分離膜モジュールにおいて、各管状分離膜エレメントを僅かな間隙で包囲する管状部材を設けることにより、液体が前記間隙を高速で通過するようになり、管状分離膜エレメント近傍における流体の乱流が促進されると共に分離膜全体に流体が行き渡り、もって多管式分離膜モジュールの処理能力が向上することを発見し、本発明に想到した。
すなわち、本発明における多管式分離膜モジュールは、封止端及び開口端を有する複数の管状分離膜エレメントと、各管状分離膜エレメントを間隙をもって包囲し、前記管状分離膜エレメントの封止端側に第一の開口部を有するとともに、前記管状分離膜エレメントの開口端の付近に第二の開口部を有する外管と、前記外管の第一の開口部に連通する入口手段と、前記管状分離膜エレメントの開口端に連通する第一の出口手段と、前記外管の前記第二の開口部に連通する第二の出口手段とを有し、前記入口手段を経て前記外管の前記第一の開口部から流入した流体は前記管状分離膜エレメントと前記外管との間隙内を流れ、前記管状分離膜エレメントにより前記流体から分離された成分は前記管状分離膜エレメントの前記開口端を経て前記第一の出口手段から流出し、残余の流体は前記第二の出口手段から流出することを特徴とする。
本発明の多管式分離膜モジュールの好ましい一例は、出口を有するシェルと、前記シェルの一端に固定された第一の支持板と、前記シェルの他端に固定された第二の支持板と、前記第一及び第二の支持板により支持されて前記シェルの長手方向に延在する複数の外管と、各外管内に設けられた管状分離膜エレメントと、前記第一の支持板に取り付けられた第一のカバーと、前記第二の支持板に取り付けられた第二のカバーとを具備し、各外管は前記第一のカバー側に流体が流入する第一の開口部を有するとともに、前記第二のカバー側に分離処理後の残余の流体が流出する第二の開口部を有し、各管状分離膜エレメントは前記第一のカバー側に封止端を有するとともに前記第二のカバー側に開口端を有し、かつ前記外管と前記管状分離膜エレメントとの間隙は第一のカバー側が開放されていて第二のカバー側が封止されており、もって前記外管の前記第一の開口部から前記外管と前記管状分離膜エレメントとの間隙に流入した流体から前記管状分離膜エレメントにより分離された膜透過成分は前記管状分離膜エレメントの前記開口端から前記第二のカバーに流出し、残余の流体は前記第二の開口部を経て前記シェルの出口から流出することを特徴とする。
前記第一のカバーに仕切り板が取り付けられて、前記仕切り板の両側が第一室と第二室となっていてもよい。前記第一室に流入した流体は、前記第一室に第一の開口部を有する前記外管と前記管状分離膜エレメントとの間隙を通過して前記外管の前記第二の開口部から流出し、次いで前記第二室に第一の開口部を有する前記外管に前記第二の開口部から流入し、前記管状分離膜エレメントとの間隙を通過して前記第二室に流入する。
前記管状分離膜エレメントの封止端は前記外管又は前記封止端のいずれかに設けられたピンにより、前記外管内に前記間隙をもって固定されているのが好ましい。前記外管の内径は前記管状分離膜エレメントの外径の1.1〜2倍であるのが好ましい。
前記管状分離膜エレメントは、分離すべき物質の分子程度の大きさの微細孔を有する分離膜が形成された中空セラミック管であるのが好ましい。前記分離膜はゼオライトからなるのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の一実施例による多管式分離膜モジュールを示す縦断面図であり、
図２は図１に示す多管式分離膜モジュール内の外管及び管状分離膜エレメントを示す拡大断面図であり、
図３は図２のB-B断面図であり、
図４は図１のA-A拡大断面図であり、
図５は本発明の別の実施例による多管式分離膜モジュールを示す縦断面図であり、
図６は従来の多管式分離膜モジュールの一例を示す概略縦断面図であり、
図７は従来の多管式分離膜モジュールの別の例を示す概略縦断面図である。
発明を実施するための最良の形態
図１は、本発明の一実施例による多管式分離膜モジュールを示す。この多管式分離膜モジュールは、円筒状のシェル１と、円筒状シェル１の長手方向に延在する複数の外管13と、複数の外管13を支持するために円筒状シェル１の一端と他端とに固定された支持板2a，2bと、外管13内に間隙をもって長手方向に設けられた管状分離膜エレメント３と、支持板2a，2bを覆うように円筒状シェル１に取り付けられたカバー4a，4bとを具備する。
円筒状シェル１は、外方に突出する非透過流体Ｆ₃の出口７を有する。非透過流体出口７は、円筒状シェル１の一端に固定された支持板2bに近い位置に設けられている。カバー4aは外方に突出する流体Ｆ₁の入口６を有しており、カバー4bは、外方に突出する膜透過流体（分離された成分）Ｆ₂の出口８を有している。またカバー4a,4bのフランジは、円筒状シェル１の両端に固定された支持板2a，2bにそれぞれ気密に係合している。
円筒状シェル１の一端に固定された支持板2aは複数の開口部21aを有し、円筒状シェル１の他端に固定された支持板2bは複数の開口部21bを有する。支持板2aの各開口部21aは、支持板2bの各開口部21bに対向するように正確に位置決めされている。支持板2aの開口部21aには外管13の先端部131が固定されており、それに対向する支持板2bの開口部21bには同じ外管13の後端部132が固定されており、もって各外管13は支持板2a，2bにより支持されている。各外管13は、支持板2bに近い位置に第二の開口部（流体通過口）133を有する。
図２は、支持板2a，2bに支持された外管13及び管状分離膜エレメント３を示す。管状分離膜エレメント３の先端（カバー4a側）は封止端31となっており、後端（カバー4b側）は開口端32となっている。封止端31は封止部材９により封止されており、封止端31と封止部材９との間には、密閉性を確保するためシール114が施されている。管状分離膜エレメント３の開口端32にシール115を挟んで固定部材10が固定されており、固定部材10は外管13の後端部132に螺合している。
外管13の内面には、複数のピン34が支持板2aに近い位置に設けられており、各ピン34の先端は封止部材９に当接している。各ピン34は、封止部材９が嵌められた管状分離膜エレメント３を支持している。なおピン34は封止部材９に設けられていても良い。また外管13の内面と封止部材９との間に、開口部を有するスペースが設けられていても良い。ピン34に支持された管状分離膜エレメント３は、外管13内を摺動自在であるので、高温の流体Ｆ₁が外管13内に流入する際に、外管13と管状分離膜エレメント３との熱膨張率の違いにより、管状分離膜エレメント３にクラックが入るのを防ぐことができる。
外管13と支持板2a，2bとの気密状態の固定は溶接により得られる。支持板2bと外管13との溶接は、外管13と固定部材10との螺合部に歪が生じないように養生しながら行う。
外管13は内面に突起を有しても良い。外管13が内面に突起を有することにより、外管13内を流れる流体Ｆ₁が乱流となるのが促進される。突起の形状は特に限定されず、また外管13と一体的な突起でなくても良い。例えば外管13の内径に等しい外径を持つスプリングが、外管13の長手方向に外管13と同軸になるように設置されていても良い。
図３は、図２のB-B拡大断面図であり、外管13と管状分離膜エレメント３を詳細に示す。管状分離膜エレメント３の外径Ｍに対する外管13の内径Ｌの比率は1.1〜2.0であるのが好ましく、1.2〜1.5であるのがより好ましい。Ｌ/Ｍの比が１に近過ぎると、圧損が大き過ぎるので好ましくない。またＬ/Ｍの比が大き過ぎると、外管13と管状分離膜エレメント３との間隙を通過する流体Ｆ₁の流速が小さ過ぎるので好ましくない。
図４は、図１のA-A拡大断面図であり、円筒状シェル１内に均等に配置された外管13及び管状分離膜エレメント３を示す。なお図示の簡単化のために、外管13及び管状分離膜エレメント３の数を少なくしてある。支持板2a，2bにより支持する外管13の中心間の距離は限定的ではないが、実用的には外管13の外径の1.2〜2倍とするのが好ましく、1.25〜1.5倍とするのがより好ましい。
図１及び図２に示すように、流体入口６から円筒状シェル１に供給された流体Ｆ₁は、外管13と管状分離膜エレメント３との間隙を通過し、第二の開口部133の方へ流れる。その際、カバー4bの膜透過流体出口８からカバー4b内を吸引すると、膜透過流体Ｆ₂は各管状分離膜エレメント３を透過し、カバー4bで合流して膜透過流体出口８から流出する。一方、各管状分離膜エレメント３を透過しなかった残りの流体Ｆ₃（非透過流体）は各第二の開口部133から外管13の外側に流出し、円筒状シェル１の内部で合流して流体出口７から流出する。
流体Ｆ₁が外管13と管状分離膜エレメント３との間隙を通過することにより、流体Ｆ₁の流速が増大し、管状分離膜エレメント３周辺の流体が撹乱して流体Ｆ₁中の膜透過物質の管状分離膜エレメント３近傍への移動が促進される。これにより管状分離膜エレメント３の透過流体Ｆ₂の流束が増加するため、管状分離膜エレメント３の処理能力が向上する。外管13と管状分離膜エレメント３との間隙における流体Ｆ₁の流速は、流体Ｆ₁が液体の場合には0.2〜2ｍ/ｓであるのが好ましい。流体Ｆ₁の流速をこの範囲に保つことにより、管状分離膜エレメント３と外管13との間隙を通過する流れに抵抗が生じるので、カバー4aに入った流体は各管状分離膜エレメント３と外管13との間隙に均一分散して流れる。これによって膜面積の全体が成分の透過に寄与することになり、多管式分離膜モジュール全体の処理能力が向上する。流体Ｆ₁が気体の場合は、2〜20ｍ/ｓであるのが好ましい。
図５は、本発明の別の実施例による多管式分離膜モジュールを示す。図５に示す例は、流体Ｆ₁の入口６を有するカバー4aの内側に仕切り板41が設けられている以外、図１〜４に示す例とほぼ同じであるので、相違点のみ以下に説明する。仕切り板41は、カバー4aを縦に二分するように、カバー4aの内側に固定されている。カバー4aへの仕切り板41の気密状態の固定は、溶接により得られる。仕切り板41の端部41aと支持板2aとの間には、気密性を確保するためシール116が挟まれている。
仕切り板41により、カバー4aの流体入口６側は第一室42となっており、反対側は第二室43となっている。仕切り板41の第二室43側には、外方に突出する流体出口７が設けられている。外管は、第一室42に先端部131を有する第一の外管13aと、第二室43に先端部131を有する第二の外管13bとからなっている。
流体入口６から円筒状シェル１に供給された流体Ｆ₁は、第一の外管13aと管状分離膜エレメント３との間隙を通過し、第一の外管13aの第二の開口部133aの方へ流れる。その際、カバー4bの膜透過流体出口８からカバー4b内を吸引すると、図１〜４に示す例と同様に、カバー4bに開口する管状分離膜エレメント３内も吸引され、管状分離膜エレメント３の分離膜に透過性を示す物質は分離膜を透過して、管状分離膜エレメント３内に入る。各管状分離膜エレメント３を透過した流体Ｆ₂はカバー4bで合流し、膜透過流体出口８から流出する。
一方、第一の外管13a内の管状分離膜エレメント３を透過しなかった一次処理流体Ｆ₄は、第一の外管13aの第二の開口部133aから円筒状シェルタ１内に流入する。円筒状シェル１内に充満した一次処理流体Ｆ₄は、第二室43に先端部131を有する第二の外管13bの第二の開口部133bから外管13bと管状分離膜エレメント３との間隙に流入し、第二の外管13bと管状分離膜エレメント３との間隙を通過してカバー4aの第二室43で合流し、第二室43に設けられた流体出口７から流出する。
図５に示す多管式分離膜モジュールを用いると、流体Ｆ₁の流量を図１〜４に示す多管式分離膜モジュールの２分の１程度としても、第一及び第二の外管13a，13bと、管状分離膜エレメント３との間隙において流体Ｆ₁は比較的大きな流速を示す。従って、この多管式分離膜モジュールは供給流体Ｆ₁の流量が少ない場合に好ましい実施例であると言える。
いずれの態様の多管式分離膜モジュールにおいても、管状分離膜エレメント３としてセラミックス又は金属からなる管状の多孔質支持体にゼオライト等の分離膜を製膜したものを使用するのが好ましい。例えば水とエタノールからなる流体Ｆ₁を分離する場合、多孔質セラミックスからなる管状支持体にＡ型ゼオライトを製膜した管状分離膜エレメントを使用することができる。この場合、水が管状分離膜エレメントを透過する透過流体Ｆ₂となり、エタノールが非透過流体Ｆ₃となる。
実施例１
α-アルミナからなる管状多孔質支持体（長さ80cm、外径10ｍｍ、内径９ｍｍ）にゼオライトを製膜した管状分離膜エレメント３を作製し、この管状分離膜エレメント25本を用いて図１及び４に示す例と同様の多管式分離膜モジュール（長さ110cm、外径14cm）を組み立てた。この多管式分離膜モジュールのシェル１に水とエタノールからなる混合蒸気［水：エタノール＝0.05：0.95（質量分率）］を供給した。混合蒸気の供給速度は100kg/hとし、流体入口６における温度は110℃であり、圧力は300kPaあった。混合蒸気を供給するとともに膜透過流体出口８から1.3kPaで吸引することにより、膜透過流体出口８から膜透過流体Ｆ₂が流出し、流体出口７から非透過流体Ｆ₃が流出した。膜透過流体出口８において、膜透過流体Ｆ₂である水蒸気の流出速度は1.8kg/hであった。
比較例１
図７に示す多管式分離膜モジュール（長さ110cm、外径14cm、管状分離膜エレメント25本）を組み立てた以外実施例１と同じようにして、水とエタノールの混合蒸気を分離した。
図７に示す多管式分離膜モジュールは、シェル１の一端に取り付けられた支持板2aと、シェル１の他端に取り付けられた支持板2bとに、先端が封止された複数の管状分離膜エレメント３の後端が片持ち梁状に取り付けられている以外、図６に示す例とほぼ同じである。入口６からシェル１に水とエタノールの混合蒸気を供給するとともに、膜透過成分出口8a,8bからチャンネル部材4a，4b内を吸引すると、混合蒸気中の水蒸気は膜透過流体Ｆ₂として管状分離膜エレメント３を透過して出口8a，8bから流出し、エタノールは非透過流体流体Ｆ₃として出口７から流出する。
膜透過流体出口8a,8bにおける膜透過流体Ｆ₂である水蒸気の流出速度は0.8kg/hであった。
産業上の利用の可能性
本発明の多管式分離膜モジュールは、管状分離膜エレメントにより流体の膜透過成分（膜透過流体）を分離するためのものであって、各管状分離膜エレメントを僅かな隙間で包囲する部材を設けることにより、流体が前記間隙を通過するようにさせている。これにより、流体の流れが改善され、流体と管状分離膜エレメントとの接触状態が改善されるため、各管状分離膜エレメントの処理能力を有効に発揮させることができる。また管状分離膜エレメント近傍での流体の流速が増大するため、管状分離膜エレメントを透過する流体の流束が増加し、多管式分離膜モジュール全体の処理能力が大幅に向上する。

Claims

封止端及び開口端を有する複数の管状分離膜エレメントと、各管状分離膜エレメントを間隙をもって包囲し、前記管状分離膜エレメントの封止端側に第一の開口部を有するとともに、前記管状分離膜エレメントの開口端の付近に第二の開口部を有する外管と、前記外管の第一の開口部に連通する入口手段と、前記管状分離膜エレメントの開口端に連通する第一の出口手段と、前記外管の前記第二の開口部に連通する第二の出口手段とを有し、前記入口手段を経て前記外管の前記第一の開口部から流入した流体が前記管状分離膜エレメントと前記外管との間隙を流れ、前記管状分離膜エレメントにより前記流体から分離された成分は前記管状分離膜エレメントの前記開口端を経て前記第一の出口手段から流出し、残余の流体は前記第二の出口手段から流出する多管式分離膜モジュールであって、前記管状分離膜エレメントは、分離すべき物質の分子程度の大きさの微細孔を有するゼオライト膜が形成された中空セラミック管であることを特徴とする多管式分離膜モジュール。
出口を有するシェルと、前記シェルの一端に固定された第一の支持板と、前記シェルの他端に固定された第二の支持板と、前記第一及び第二の支持板により支持されて前記シェルの長手方向に延在する複数の外管と、各外管内に設けられた管状分離膜エレメントと、前記第一の支持板に取り付けられた第一のカバーと、前記第二の支持板に取り付けられた第二のカバーとを具備し、各外管は前記第一のカバー側に流体が流入する第一の開口部を有するとともに、前記第二のカバー側に分離処理後の残余の流体が流出する第二の開口部を有し、各管状分離膜エレメントは前記第一のカバー側に封止端を有するとともに前記第二のカバー側に開口端を有し、かつ前記外管と前記管状分離膜エレメントとの間隙は第一のカバー側が解放されていて第二のカバー側が封止されており、もって前記外管の前記第一の開口部から前記外管と前記管状分離膜エレメントとの間隙に流入した流体から前記管状分離膜エレメントにより分離された成分は前記管状分離膜エレメントの前記開口端から前記第二のカバーに流出し、残余の流体は前記第二の開口部を経て前記シェルの出口から流出する多管式分離モジュールであって、前記管状分離膜エレメントは、分離すべき物質の分子程度の大きさの微細孔を有するゼオライト膜が形成された中空セラミック管であることを特徴とする多管式分離膜モジュール。
請求項２に記載の多管式分離モジュールにおいて、前記第一のカバーに仕切り板が取り付けられて前記仕切り板の両側は第一室と第二室となっており、前記第一室に流入した流体は、前記第一室に第一の開口部を有する前記外管と前記管状分離膜エレメントとの間隙を通過して前記外管の前記第二の開口部から流出し、次いで前記第二室に第一の開口部を有する前記外管に前記第二の開口部から流入し、前記管状分離膜エレメントとの間隙を通過して前記第二室に流入することを特徴とする多管式分離膜モジュール。
請求項１〜３のいずれかに記載の多管式分離膜モジュールにおいて、前記外管の内径は前記管状分離膜エレメントの外径の１．１〜２倍であることを特徴とする多管式分離膜モジュール。
請求項１〜４のいずれかに記載の多管式分離膜モジュールにおいて、前記管状分離膜エレメントの封止端は前記外管又は前記封止端のいずれかに設けられたピンにより、前記外管内に前記間隙をもって固定されていることを特徴とする多管式分離膜モジュール。