JP6015580B2 - 分離膜モジュール - Google Patents

Description

本発明は、分離膜モジュールに関するものであり、詳しくは、浸透気化法などに使用される分離膜モジュールであって、低コストで製作でき且つ膜性能を十分に発揮できる分離膜モジュールに関するものである。

例えば、浸透気化法によって有機溶媒から水分を除去する場合、例えばエタノール水溶液からエタノール成分だけを分離する場合には、筒状のケーシングに細管状の分離膜（膜チューブ）が多数収容された分離膜モジュールを使用し、被処理流体であるエタノール水溶液をケーシングの一端側から多端側へ通過させながら、膜チューブの管内を真空引きすることにより、水分を選択的に膜チューブ内に透過させて回収除去する。なお、被処理流体としては、液体、蒸気を問わず適用できる。

分離膜モジュールでは、ケーシング内において膜チューブが遊動しないように保持すると共に、膜チューブ表面における流体の流速を高めて撹拌効率を高めることが分離性能を高めるうえで重要であるが、斯かる観点から、二重管構造のものやバッフル構造のものが種々提案されている。

二重管構造の分離膜モジュールは、ケーシング内に多数のシース管（外管）を配置し、これらシース管にそれぞれ膜チューブを挿通し、シース管と膜チューブの僅かな隙間に被処理流体を供給することにより、分離膜表面における流体の流速を高めるようにしたものである（特許文献１参照）。一方、バッフル構造の分離膜モジュールは、ケーシング内部に当該ケーシングの長さ方向を分割する常態に幾つかのバッフルを配置し、各バッフルに設けられた多数の支持穴に架け渡すことによって膜チューブを保持している。そして、各バッフルに設けられた切り欠き部分（流体通過穴）の配置を工夫することにより、供給される被処理流体をケーシング内で蛇行させるようにしている（特許文献２，３参照）。

特開２００３−９３８４３号公報 特開２００４−１２２０８３号公報 特開２０１０−２４７１０７号公報

ところで、二重管構造の分離膜モジュールは、膜チューブ表面における被処理流体の流速を高めることができ、高い分離性能が得られる反面、構造が複雑で組み立て難く、製作コストを低減し難いという問題がある。これに対し、バッフル構造の分離膜モジュールは、比較的製作し易い反面、ケーシング内において被処理流体の滞留部分が発生し易く、分離性能を十分に高められないという問題がある。

本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ケーシングに膜チューブを収容してなる分離膜モジュールであって、構造がシンプルで一層低コストで製作することができ、しかも、膜チューブ表面における被処理流体の流速を更に高めて膜性能を十分に発揮することができる分離膜モジュールを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明においては、二重管構造のシース管やバッフルに代えて、ケーシングの内部に柱状の成形ブロックを充填し、当該成形ブロックの長さ方向に沿って多数設けられたチューブ保持穴にそれぞれ膜チューブを挿通することにより、ケーシング内において膜チューブを保持すると共に、ケーシングの一端側から供給される被処理流体を成形ブロックのチューブ保持穴に導入し、当該チューブ保持穴に被処理流体を通過させることにより、膜チューブ表面における被処理流体の流速を高め且つ撹拌効率を高めて、膜チューブに対する被処理流体の接触効率を向上させるようにした。

すなわち、本発明の要旨は、筒状のケーシングに多数の膜チューブを当該ケーシングの長さ方向に沿わせて収容してなる分離膜モジュールであって、ケーシングの一端側に流体入口が設けられ、ケーシングの他端側に流体出口が設けられ、ケーシングの他端側または一端側に透過成分排出口が設けられており、かつ、ケーシングの内部は、流体入口から導入される被処理流体を一時的に貯留する流体導入室と、処理された被処理流体を集約して流体出口から排出する流体回収室と、膜チューブを透過した成分を集約して透過成分排出口から排出する透過成分回収室とに区画されており、ケーシングには、当該ケーシングの筒内に嵌合する柱状の成形ブロックが充填され、当該成形ブロックには、膜チューブの外径よりも大きな内径のチューブ保持穴が当該成形ブロックの長さ方向に沿って平行かつ並列に多数設けられ、各膜チューブは、各々、成形ブロックのチューブ保持穴に挿通されており、そして、流体導入室の被処理流体が成形ブロックのチューブ保持穴を通じて流体回収室に流れるように構成されていることを特徴とする分離膜モジュールに存する。

本発明によれば、ケーシングに柱状の成形ブロックが充填され、各膜チューブが成形ブロックのチューブ保持穴に挿通されたシンプルな構造を備えているため、製作が極めて容易であり、一層低コストで製作することができる。そして、流体入口からケーシング内に導入された被処理流体が成形ブロックのチューブ保持穴と膜チューブとの隙間を通過して流体排出口からケーシング外へ排出される構造であり、膜チューブ表面における被処理流体の流速を高め且つ撹拌効率を高めることができ、膜チューブの表面に対する流体の高い接触効率が得られるため、膜性能を十分に発揮することができる。

本発明に係る分離膜モジュールの構造の一例を示す図であり、ケーシングの長さ方向に沿って破断した断面図である。 本発明に係る分離膜モジュールの構造の一例を示す図であり、図１のＡ−Ａ線に沿って破断した断面図である。 本発明に係る分離膜モジュールに使用される成形ブロックを示す斜視図である。

本発明に係る分離膜モジュール（以下、「モジュール」と略記する。）の一実施形態を図面に基づいて説明する。本発明のモジュールは、浸透気化法、限外濾過膜法、逆浸透膜法などの各種の膜分離法に使用されるモジュールとして構成できる。周知の通り、浸透気化法は、高分子膜または分子レベルの微細孔を有する無機膜を使用し、膜の透過側を真空状態に保つことにより膜を通して被処理流体の成分の一部を蒸発させ、分子レベルで混合している成分を分離・濃縮する分離法であり、有機溶媒からの水分の除去などに適用される。

また、逆浸透膜法は、水を透過し且つイオンや塩類など水以外の不純物を透過しない微細な孔を有する浸透膜を使用し、浸透圧以上の圧力をかけて被処理流体を供給することにより、浸透膜を通して水分子だけを透過させる分離法であり、純水の製造などに適用される。本発明は、膜チューブ（分離膜）を適宜選択することにより、各種の膜分離法に適用可能なモジュールを構成できるが、以下、本発明のモジュール一例として、浸透気化法に使用されるモジュールについて説明する。

本発明のモジュールは、図１に示すように、筒状、例えば円筒状のケーシング１に多数の膜チューブ（分離膜）５を当該ケーシングの長さ方向に沿わせて収容して構成されている。ケーシング１は、耐溶剤性に優れたステンレス製の容器であり、通常、その全体の長さを１００〜２５００ｍｍ程度に設計され、直径を５０〜１０００ｍｍ程度に設計される。

ケーシング１は、円筒状のケーシング本体１０の両端を蓋部材１１及び封止部材１２で封止して構成されている。蓋部材１１は、ケーシング本体１０の一端（図１において右側の端部）を封止する円板状の部材であり、その中央には、被処理流体を導入する流体入口１ａが設けられている。封止部材１２は、ケーシング本体１０の他端（図１において左側の端部）を封止する短軸有底円筒状のカップ状の部材であり、その中央には、膜チューブ５を透過した透過成分を取り出す透過成分排出口１ｃが設けられている。

更に、ケーシング１の他端側の封止部材１２は、隔壁２を介してケーシング本体１０に取り付けられており、ケーシング本体１０の他端部には、隔壁２に隣接して流体出口１ｂが設けられている。そして、ケーシング本体１０には、後述する成形ブロック６が当該ケーシング本体の両端から内部に後退させた状態で充填され、ケーシング本体１０の両端側には、被処理流体が一時的に貯留する空間部が形成されている。

すなわち、本発明のモジュールにおいては、流体入口１ａがケーシング１の一端側に設けられ、流体出口１ｂがケーシング１の他端側に設けられ、かつ、膜チューブ５を透過した成分の透過成分排出口１ｃがケーシング１の他端側に設けられている。そして、成形ブロック６の配置構造および隔壁２で仕切られた構造により、ケーシング１の内部は、流体入口１ａから導入される被処理流体を一時的に貯留する流体導入室３Ａと、分離処理された被処理流体を集約して流体出口１ｂから排出する流体回収室３Ｂと、膜チューブ５を透過した成分を集約して透過成分排出口１ｃから排出する透過成分回収室３Ｃとに区画されている。

なお、図示しないが、ケーシング１の一端側に隔壁２が設けられ、流体導入室３Ａに隣接して透過成分回収室３Ｃが配置され、流体入口１ａに隣接してケーシング１の一端側に透過成分排出口１ｃが設けられていてもよい。

膜チューブ５は、管状の無機多孔質支持体（基材チューブ）の表面に例えばゼオライト膜を製膜して構成されている。基材チューブとしては、ゼオライトを膜状に結晶化できるような化学的安定性があり、多孔質であれば特に制限されるものではなく、例えば、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、炭化珪素などのセラミックス焼結体、鉄、ブロンズ、ステンレス等の焼結金属や、ガラス、樹脂、カーボン成型体などが挙げられる。

ゼオライト膜は、基材チューブの外表面に製膜されてもよいし、内表面に製膜されてもよく、更に、用途によっては両面に製膜されてもよい。ゼオライト膜の製膜方法としては、基材チューブにゼオライトを膜状に結晶化させる方法、基材チューブにゼオライトを無機バインダー又は有機バインダーなどで固着させる方法、ゼオライトを分散させたポリマーを固着させる方法、ゼオライトのスラリーを基材チューブに含浸させたり、吸引させることによりゼオライトを基材チューブに固着させる方法などが挙げられる。

通常、膜チューブ５は、外径を８〜２０ｍｍ程度、内径を６〜１８ｍｍ程度、長さを５０〜２０００ｍｍ程度に設計される。そして、上記のケーシング１のケーシング本体１０の内部に多数収容されている。膜チューブ５の数は、モジュールの大きさや能力に応じて５〜５００本程度に設定されるが、一般的には２０〜１００本程度である。膜チューブ５は、その一端が封止され且つその他端が開放されている。膜チューブ５の開放された他端部は、上記の隔壁２に予め設けられた装着穴に挿通されて透過成分回収室３Ｃに開口した状態で隔壁２に取り付けられている。

本発明のモジュールにおいては、ケーシング１内で上記の膜チューブ５を保持するため、ケーシング１には、当該ケーシングの筒内に嵌合する柱状の成形ブロック６が充填されている。図２及び図３に示すように、成形ブロック６は、樹脂、ガラス、ゴム、金属などの加工可能な素材で形成された練炭状の成形体であり、成形ブロック６には、膜チューブ５の外径よりも大きな内径のチューブ保持穴６ｈが当該成形ブロックの長さ方向に沿って平行かつ並列に多数設けられている。そして、各膜チューブ５は、各々、成形ブロック６のチューブ保持穴６ｈに挿通されている。

成形ブロック６の外径は、図２に示すように、ケーシング１のケーシング本体１０に摺接する程度に設計されている。また、成形ブロック６の全長は、上記の流体導入室３Ａ及び流体回収室３Ｂを構成するため、ケーシング１のケーシング本体１０の長さよりも短く設計される。具体的には、成形ブロック６の全長は、ケーシング本体１０の長さの６０〜９８％に設定されている。

更に、成形ブロック６は、図１に示すように、複数個、例えば２〜６個程度に分割されていてもよい。例えば、成形ブロック６は、図３に示すように、短軸円柱状の例えば４つに分割されていてもよい。成形ブロック６が複数個に分割されている場合には、当該成形ブロックの製作も容易であり、かつ、モジュールの組立も簡単である。

成形ブロック６は、ケーシング１内において複数本のタイロッド４で固定されている。タイロッド４は、長ねじ（寸切りボルト）等で構成され、その基端に螺着されたナットで前述の隔壁２に掛止されている。そして、成形ブロック６は、タイロッド４の基端側に螺着された他の１つのナットとタイロッド４の先端側に螺着されたナットとを締め付けることにより、ケーシング本体１０の所定位置に保持されている。なお、タイロッド４の数は、成形ブロック６の大きさに応じて適宜設定できる。

成形ブロック６のチューブ保持穴６ｈは、膜チューブ５を支持すると共に、被処理流体が流れる通路として機能する。従って、チューブ保持穴６ｈは、膜チューブ５の外径よりも大きく設計されている必要がある。しかしながら、チューブ保持穴６ｈが膜チューブ５に対して大きすぎる場合には、膜チューブ５が遊動して損傷するおそれがあり、しかも、膜チューブ５の表面における被処理流体の流速が低くなり、膜チューブ５に対する接触効率が低下する。そこで、チューブ保持穴６ｈと膜チューブ５との隙間は、１０ｍｍ以下、好ましくは０．５〜２ｍｍに設定されている。

本発明のモジュールおいては、上記のように、ケーシング１内に成形ブロック６が充填された構造を備えており、流体入口１ａから流体導入室３Ａに被処理流体が供給され、流体導入室３Ａの被処理流体が成形ブロック６のチューブ保持穴６ｈを通じて流体回収室３Ｂに流れ、流体回収室３Ｂの被処理流体が流体出口１ｂから排出され、そして、被処理流体がチューブ保持穴６ｈを流れる間に、透過成分排出口１ｃを通じて透過成分回収室３Ｃを真空引きすることにより、膜チューブ５で分離操作を行うように構成されている。

本発明のモジュールは、膜チューブ５が取り付けられた隔壁２をケーシング本体１０に組み付けることにより、膜チューブ５をケーシング本体１０に収容した後、成形ブロック６のチューブ保持穴６ｈに膜チューブ５を相対的に挿通することにより、ケーシング本体１０に成形ブロック６を充填し、次いで、ケーシング本体１０の端部を蓋部材１１及び封止部材１２で封止することにより製造することができる。すなわち、本発明のモジュールは、ケーシング１に柱状の成形ブロック６が充填され、各膜チューブ５が成形ブロック６のチューブ保持穴６ｈに挿通されたシンプルな構造を備えているため、製作が極めて容易であり、一層低コストで製作することができる。

また、本発明のモジュールによる分離操作では、流体入口１ａから流体導入室３Ａに被処理流体を供給し、流体回収室３Ｂに回収された被処理流体を流体出口１ｂから排出する。そして、流体導入室３Ａから流体回収室３Ｂへ成形ブロック６のチューブ保持穴６ｈを通じて被処理流体が流れる間に、透過成分排出口１ｃを通じて透過成分回収室３Ｃを真空引きすることにより、膜チューブ５で分離操作を行い、透過成分回収室３Ｃに分離回収された透過成分を透過成分排出口１ｃから排出する。

上記のように、本発明のモジュールにおいては、流体入口１ａからケーシング１内の流体導入室３Ａに導入された被処理流体が成形ブロック６のチューブ保持穴６ｈと膜チューブ５との隙間を通過して流体回収室３Ｂに流れて流体出口１ｂからケーシング１外へ排出される構造であり、膜チューブ５の表面における被処理流体の流速を高め且つ撹拌効率を高めることができ、膜チューブ５の表面に対する流体の高い接触効率が得られるため、膜性能を十分に発揮することができる。

なお、本発明のモジュールは、限外濾過膜法や逆浸透膜法にも適用でき、その場合は、流体導入室３Ａと透過成分回収室３Ｃとに圧力差を設け、圧力差を利用して被処理流体の所定成分を膜チューブ５に透過させる。これにより、上記と同様に、膜チューブ５の表面に対する流体の高い接触効率が得られ、膜性能を十分に発揮することができる。

１ ：ケーシング
１０：ケーシング本体
１１：蓋部材
１２：封止部材
１ａ：流体入口
１ｂ：流体出口
１ｃ：透過成分排出口
２ ：隔壁
３Ａ：流体導入室
３Ｂ：流体回収室
３Ｃ：透過成分回収室
４ ：タイロッド
５ ：膜チューブ
６ ：成形ブロック
６ｈ：チューブ保持穴

Claims (2)

1. 筒状のケーシングに多数の膜チューブを当該ケーシングの長さ方向に沿わせて収容してなる分離膜モジュールであって、ケーシングの一端側に流体入口が設けられ、ケーシングの他端側に流体出口が設けられ、ケーシングの他端側または一端側に透過成分排出口が設けられており、かつ、ケーシングの内部は、流体入口から導入される被処理流体を一時的に貯留する流体導入室と、処理された被処理流体を集約して流体出口から排出する流体回収室と、膜チューブを透過した成分を集約して透過成分排出口から排出する透過成分回収室とに区画されており、ケーシングには、当該ケーシングの筒内に嵌合する柱状の成形ブロックが充填され、当該成形ブロックには、膜チューブの外径よりも大きな内径のチューブ保持穴が当該成形ブロックの長さ方向に沿って平行かつ並列に多数設けられ、各膜チューブは、各々、成形ブロックのチューブ保持穴に挿通されており、そして、流体導入室の被処理流体が成形ブロックのチューブ保持穴を通じて流体回収室に流れるように構成されており、しかも、成形ブロックが短軸円柱状の複数個に分割されていることを特徴とする分離膜モジュール。
2. 成形ブロックのチューブ保持穴と挿通された膜チューブとの隙間が１０ｍｍ以下に設定されている請求項１に記載の分離膜モジュール。

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