JPH0551432U

JPH0551432U - 中空糸型モジュール

Info

Publication number: JPH0551432U
Application number: JP10215091U
Authority: JP
Inventors: 孝典穴澤; 俊和菅沼; 泰子國長
Original assignee: Dainippon Ink and Chemicals Co Ltd
Current assignee: DIC Corp
Priority date: 1991-12-11
Filing date: 1991-12-11
Publication date: 1993-07-09
Anticipated expiration: 2006-12-11
Also published as: JP2570592Y2

Abstract

(57)【要約】【構成】ハウジングに装填される中空糸が複数の組に分
割され、それぞれの組が実質上気体不透過性の筒に装填
され、該筒が該筒の片末端から中空糸膜の長さ方向の５
０％を越える部分が開口している状態で、特に該部分に
１個または複数個の孔が穿たれている状態で、あるいは
該筒が中空糸膜の長さ方向の５０〜９９．５％の長さを
有する状態で、あるいは該筒が実質上気体不透過性のフ
ィルムまたはシートで巻かれたものからなり、ハウジン
グに収められていることを特徴とする中空糸型モジュー
ル。【効果】気体分離、液体の脱気、透過気化、膜蒸留など
の用途において、濃縮気体の濃度増加、収率の向上、脱
気処理効率の増加、運転エネルギーの減少が計れるとと
もに、モジュールのコンパクト化が計れる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、中空糸分離膜の内側を１次側とし、膜の外側に気体が接触する用法で使用される中空糸型モジュールに関するものであり、例えば、窒素富化、水素分離、ヘリウム分離その他の気体分離、水から酸素、炭酸ガスなどの気体や、トリクロロエチレンなどの揮発制物質を除去する脱気や脱揮、水／アルコールなどを分離する浸透気化（パ−ベ−パレ−ション）や膜蒸留等の用途において、分離の効率を向上させたモジュールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

膜分離において、中空糸膜（以後単に中空糸と呼ぶ場合もある）は通常、ハウジングに収められた、いわゆるモジュールの形状で使用される。モジュールは、中空糸膜を束状、巻き取られた状態もしくは編組された状態などでハウジングに装填し、その両端部を樹脂にて封止し、端面を切断することにより、中空糸膜の内側が外側と隔てられ、封止部に中空糸膜内側が開口した構造を持つ。その代表的な構造を図１に示す。

【０００３】モジュールを使用するに当り、例えば気体分離膜モジュールの場合、混合気体を接続口５から中空糸膜の内側に導入し、中空糸膜内側の反対の端である接続口６から取り出される非透過ガスと、中空糸膜を透過して接続口７及び／または７’より取り出される透過ガスとに分離される。あるいはまた、接続口７または７’より中空糸膜の外側に混合気体を導入し、接続口７または７’から流出する非透過ガスと、接続口５及び／または６から取り出される、中空糸膜内側に透過した透過ガスとに分離される。この時、化学工学的には、混合ガスと透過ガスを向流（カウンタ−フロ−）に流すのが最も効率が高いとされている。

【０００４】しかしながら、図１の構造のモジュールにおいて、例えば接続口５より中空糸膜内側に混合ガスを導入し、接続口７’を閉じ、接続口７から透過ガスを取り出すことにより向流で作動するよう試みても、分離されるガスの濃度や収率は理論値より相当低く、十字流（クロスフロー）型のシミュレーション結果に近い性能を示すに過ぎなかった。また図１のモジュールを使用して、混合ガスを接続口７に導入することにより中空糸膜の外側に流し、透過ガスを接続口５から取り出す試みを行ってもさらに低い結果を得るだけであった。即ち、中空糸型モジュールにおいて、理論に近い向流型の性能を実現することは困難であった。

【０００５】気体分離以外の分離、例えば、液体からの脱気や脱揮、あるいはパーベ−パレ −ションや膜蒸留に於ても、１次側が気体でなく液体であることが異なるだけであり、向流型が最も効率が良いこと、中空糸型モジュールにおいて理想的な向流型が実現していないことについて事情は同じであった。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

本考案は、中空糸膜外側の気体の流れを理想的な向流モデルに近付けた中空糸型モジュールを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

本考案者等は、中空糸型膜モジュールにおいて最も分離効率が高いとされる向流型の性能を実現すべく、上記課題について鋭意検討を行った結果本考案に到達した。

【０００８】即ち本考案の要旨は、複数の中空糸膜がハウジングに装填され、中空糸膜の両端部が樹脂で封止された膜モジュールにおいて、中空糸が複数の組に分割され、それぞれの中空糸の組が、実質上気体不透過性の筒に装填され、該筒が該筒の片末端から中空糸膜の長さ方向の５０％を越える部分が開口しているものであるか、又は中空糸膜の長さ方向の５０〜９９．５％の長さを有することを特徴とする中空糸型モジュールであり、特に筒の片末端から中空糸膜の長さ方向の５０％を越える部分が筒で被われていないか、あるいは筒の片末端から中空糸膜の長さ方向の５０％を越える部分に一個または複数個の孔が穿たれていることを特徴とする中空糸型モジュールにある。

【０００９】本考案をその要部についてさらに詳細に説明すると、例えば実施例で使用する図２および図３に示されたモジュールに見られるように、まず、本考案のモジュールは中空糸膜１の両端が別々に樹脂で封止され（４，４’）、中空糸膜１の内側に通じる両端部には別々の接続口５，６を有しており、中空糸膜の一端から気体または液体を導入し、他端から流出させることが可能なタイプである。

【００１０】中空糸１は複数の組に分けられてそれぞれ筒９に装填されている。筒９は、一方の封止部４に気密に接続され、モジュール内の封止部間距離の５０〜９９．５％の範囲の中空糸を被っている。筒９は実質的に気体不透過性であり、中空糸膜１を透過した気体は、筒の壁を透過することなく筒の内部を流れ、筒の開口部１０からハウジング２の内側空間８に出、接続口７からモジュール外に取り出される。筒９の長さが５０％より短いと向流として働く部分が減少し、分離効率の低下を招く。また筒９の長さが９９．５％より長いと筒９の開口部１０からモジュールハウジングの内部空間８に出る際の圧力損失が増大しこれまた分離効率の低下を招く。

【００１１】筒９の、封止部４に接続されていない側の端は、直角に切断されている必要はなく、斜めに切断された形状あるいはその他の複雑な形状であってもよい。筒の断面が筒に直角でない場合には、筒の長さは平均値をもってする。中空糸膜の、筒で被われていない部分を補強する意味で筒の外側または内側に筒状の網を装着することも可能である。

【００１２】本考案になる他のモジュールは、筒の代わりに、実質的に気体不透過性のフィルムまたはシート（以下シートと略す）が中空糸の組毎に巻かれている物である。シート９は一方の封止部４に接続され、モジュール内の封止部間距離の５０〜９９．５％の範囲の中空糸を被っている。巻かれたシートの内端または外端は、気密な筒になるように接着する必要はない。このため中空糸膜１を透過した気体の一部は、シート９の隙間からハウジングの内部空間８に漏洩するがその影響は無視でき、大部分は筒状に巻かれたシートの内部を流れ、筒状シートの開口部１０からモジュールハウジングの内側空間８に出、接続口７からモジュール外に取り出される。シートの外側または内側に、補強の意味で筒状の網を装着することも可能である。

【００１３】本考案になるさらにもう一つのモジュールは、やはり実施例で使用される図４に見られるモジュールの如く、中空糸膜１が複数の組に分割され、それぞれの中空糸の組が、一方の封止部４から他の封止部４’まで筒９の中に装填されており、筒９は、少なくとも一方の封止部４に気密に接している。筒９は封止部４から、中空糸膜の長さ方向の５０％の位置まで孔がなく実質上気体不透過性であり、５０％を越える部分に孔１１が穿たれている。孔は一個でもよいし複数個であってもよい。また孔の形状は円形である必要はなく、例えばスリット状であっても、異形孔であってもよい。中空糸膜１を透過した気体は、実質的に筒の壁を透過することなく筒の内部を流れ、孔１１からハウジング２の内側空間８に出、接続口７からモジュール外に取り出される。

【００１４】本考案において、筒またはシートの筒に装填される中空糸の組は、実質的に並行な中空糸束であってもよいし、単糸または複数本の中空糸を綾角３０度以上で巻き取った一巻きを、巻き取りの際の回転面に概ね平行に切断して複数の中空糸の集合したものであってもよいし、また中空糸同士または中空糸と他の糸条とで構成された、編組物または織物であってもよい。勿論、中空糸の組が中空糸の一巻きを切断した中空糸の集合体である場合、切断は封止操作の前に実施されてもよいし後に実施されてもよい。しかしながら本考案のモジュールは、実質的に並行な中空糸束の場合に最も性能改善効果が大きく、生産上の効率からも実質的に並行な中空糸束とするのが好ましい。

【００１５】中空糸の一組は、中空糸１００〜３００００本で構成されていることが好ましい。中空糸の組が実質上並行な束であり、かつ中空糸外径が１５０〜４００μｍの場合には、１０００〜１００００本であることが好ましく、同じく中空糸外径４００〜１０００μｍの場合には１００〜２０００本であることが好ましい。中空糸の一組が綾角３０度以上で巻き取られた中空糸の一巻きである場合や、中空糸同士または他の糸条やテープとで構成された編組物や織物である場合には、封止部の切断面に現れた中空糸の本数をもって一組の中空糸の数とする。一組の中空糸の本数が多すぎると性能改善効果が減少し、少なすぎると製造コストがかさむ。

【００１６】筒または巻かれたシート内の中空糸の充填率は、２５〜７５％であることが好ましく、充填される中空糸が実質上並行な束である場合には、４５〜７５％であることがさらに好ましい。ここで言う充填率とは、筒または巻かれたシートの断面積に対する中空糸の占める面積のことである。最密充填の場合の充填率は約９１％となる。充填率は高いほうが本発明の効果が発揮されるが、７５％より高すぎると封止が不完全になり易くなり製造歩留まりが低下する。一方充填率が２５％より低すぎると性能改善効果が減少する。

【００１７】モジュール内の筒または巻かれたシートの断面形状は円である必要はなく、任意の形状であってよいし、各筒毎に異なっていることも可能である。筒または巻かれたシートの直径や断面積についても、中空糸本数や充填率の条件を満たしておれば特に制約はなく、任意の値を採り得るし、各筒毎に異なっていてもよい。モジュールハウジングの断面形状についても特に制約はない。

【００１８】ハウジングに充填される筒の数についても特に制約は無いものの、モジュールハウジングが円筒状の場合には、充填効率の点から３、４、５、７または１５本以上であることが好ましい。

【００１９】封止部（チューブシートともいう）４，４’はハウジング２に接着されていてもよいし、オ−リングやパッキンを用いてハウジングに気密に固定されていてもよい。また、複数の筒９をまとめて一つのチューブシートとしてもよいし、筒毎に封止し、その複数個をハウジングに装着することもできる。

【００２０】中空糸１の外側もしくは筒９の外側とモジュールハウジング２の内側とで構成された空間８に通じる接続口７の位置や数については制約はなく、モジュールの任意の位置に任意の数を設置することができる。

【００２１】本考案のモジュールは、中空糸内側を１次側とし、かつ、１次側に導入する液体または気体を、筒９または筒状に巻かれたシート９の開口部１０に近い側の、あるいは筒９に穿たれた孔１１に近い側の１次側接続口５から導入することにより、向流型モジュールとして働き、その性能が発揮される。

【００２２】

【実施例】

以下実施例により、本考案をさらに具体的に説明するが、これらの例により本考案が限定されるものではない。

【００２３】［実施例１］特開平１ー１０４２７１の製造例２記載の方法にしたがって、ポリ（４メチルペンテン１）を溶融押出しにより中空糸状に成形し、熱処理、冷延伸、熱延伸、および熱固定の処理を加えることにより、外径２５０μｍ、内径２００μｍ、酸素透過速度８．０×１０^-6（ｃｍ³／ｃｍ²,Ｓec,ｃｍＨｇ）、酸素／窒素分離係数４．１の中空糸膜を得た。この中空糸膜各６０００本を内径２５ｍｍ、外径３２ｍｍの硬質塩化ビニル製の７本の筒にそれぞれ装填し、その７本の筒を内径１００ｍｍの硬質塩化ビニル製の円筒型ハウジングに納め、２液型ポリウレタン樹脂にて両端を遠心封止した後端部を切断して、図２および図３に見られる様な、封止部厚みが平均５ｃｍ、封止部内側間平均距離４０ｃｍのモジュールを製作した。この時、中空糸１を装填した筒９の一方の端は封止樹脂４に埋め込んで接着し、封止部４の内面から筒９の他の端までの長さが３５ｃｍ、筒９に被われない中空糸部分が５ｃｍになるように設定した。

【００２４】このモジュールの、筒９の途切れている方に近い側の接続口５より中空糸内側に７．０Ｋｇｆ／ｃｍ²Gの空気を導入し、接続口６に流量調節バルブ（図示せず）を接続して、非透過気体を取り出した。一方接続口７は大気解放とし、膜を透過した気体を排出した。

【００２５】接続口６から取り出される気体の窒素濃度が９９．０％になるように、接続口６に接続された流量調節バルブを調節したところ、接続口６から取り出される窒素富化空気の流量は１１３ｌ／ｍｉｎであった。また、収率（接続口５に導入される空気流入量に対する窒素富化空気の取り出し量の比）は２０％であった。

【００２６】［実施例２］中空糸を筒９に装填する代わりにポリエステルフィルムで巻き、それをハウジングに収めたこと以外は実施例１と同様のモジュールを作成した。この場合も、両封止部の間でポリエステルフィルムで被われている中空糸の長さは３５ｃｍ、フィルムからはみ出ている長さは５ｃｍとした。このモジュールを使用して、実施例１と同様の実験を行ったところ、結果は実施例１と全く同じであった。

【００２７】［実施例３］図３に示されたように、実施例１で使用した筒９の代わりに、全長５０ｃｍでかつ端から１０ｃｍの範囲にのみ直径１ｃｍの多数の孔が穿たれた筒９を使用し、この筒の両端各５ｃｍを封止樹脂に埋め込んだこと以外は実施例１と同様のモジュールを作成し、筒９の孔の穿たれた部分に近い側の接続口５より中空糸内側に空気を導入し、実施例１と同様の実験を行った。結果は実施例１と全く同じであった。

【００２８】［比較例１］筒９を使用せずに、中空糸膜４２０００本を実質上並行に１つの束にまとめて直接ハウジングに収めたほかは、実施例１と同様にして同寸法のモジュールを製作した。このモジュールを用いて実施例１と同様の実験を行ったところ、窒素濃度９９．０％となる流量は９２ｌ／ｍｉｎ、収率は１７％であった。

【００２９】［実施例４］実施例１で使用したモジュールの接続口５から溶存酸素濃度８．３ｐｐｍの水道水を導入し、接続口７に水封式真空ポンプを接続して約３０ｔｏｒｒに減圧し、接続口６から流出する水の溶存酸素濃度を測定しつつ、接続口６に接続された流量調節バルブ（図示せず）にて水流量を調節したところ、流出水の溶存酸素濃度が０．５０ｐｐｍとなる流量は４７０ｌ／ｍｉｎであった。

【００３０】［比較例２］筒９として長さ２０ｃｍの筒を使用し、封止樹脂に埋め込まれた部分が５ｃｍ、封止部の内面から筒９の他の端までの長さが１５ｃｍとなるように封止したこと以外は、実施例１と同様の封止部内側間平均距離４０ｃｍのモジュールを作成し、実施例１と同様の試験を行ったところ、窒素濃度９９．０％となる流量は９８ｌ／ｍｉｎ、収率は１８％であった。

【００３１】［比較例３］比較例１で使用したモジュールを使用したこと以外は実施例４と全く同じ実験を行ったところ、流出水の溶存酸素濃度が０．５０ｐｐｍとなる流量は４５０ｌ／ｍｉｎであった。

【００３２】

【考案の効果】

本考案の構造を取ることにより、気体分離に於ては、濃縮気体の濃度増加、収率の増加、運転エネルギーコストの減少が計れる。また、液体の脱気や脱揮に於ては、残存気体濃度や残存揮発性物質濃度の減少、処理量の増加、運転エネルギーコストの減少が計れる。さらに、浸透気化や膜蒸留においても、濃縮液体の濃度増加、収率の増加、運転エネルギーコストの減少が計れる。さらに、モジュールをコンパクトにでき、かつ製造が容易であるため、設置スペースの節約、モジュール製造コストの低廉化が計れる。

【００３３】

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のモジュールの部分縦断面正面図。

【図２】本考案のモジュールの縦断面正面図。

【図３】図２のＡ部における横断面側面図。

【図４】本考案のモジュールの縦断面正面図。

【符号の説明】

１中空糸膜２ハウジング３封止部４、４’ キャップ内側空間５、６、７、７’ 接続口８ハウジング内側空間９筒、または筒状に巻いたシート１０筒の開口部１１孔

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】複数の中空糸膜がハウジングに装填され、
中空糸膜の両端部が樹脂で封止された膜モジュールにお
いて、中空糸が複数の組に分割され、それぞれの中空糸
の組が、実質上気体不透過性の筒に装填され、該筒が該
筒の片末端から中空糸膜の長さ方向の５０％を越える部
分が開口しているものであるか、又は中空糸膜の長さ方
向の５０〜９９．５％の長さを有することを特徴とする
中空糸型モジュール。
【請求項２】筒の片末端から中空糸膜の長さ方向の５０
％を越える部分が筒で被われていないことを特徴とする
請求項１記載の中空糸型モジュール。
【請求項３】筒の片末端から中空糸膜の長さ方向の５０
％を越える部分に一個または複数個の孔が穿たれている
ことを特徴とする請求項１記載の中空糸型モジュール。
【請求項４】筒がフィルムまたはシートを巻いたものか
らなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記
載の中空糸型モジュール。
【請求項５】中空糸の組が、実質的に並行な中空糸束で
ある請求項１〜４のいずれか１項記載の中空糸型モジュ
ール。
【請求項６】中空糸の組が、綾角３０度以上で巻き取ら
れた中空糸の一巻きを巻き取りの際の回転面に概ね平行
に切断することにより構成された、複数の中空糸である
請求項１〜５のいずれか１項記載の中空糸型モジュー
ル。
【請求項７】中空糸の組が、中空糸または中空糸と他の
糸条もしくはテープとから構成された、編組物または織
物である請求項１〜４のいずれか１項記載の中空糸型モ
ジュール。
【請求項８】筒または巻かれたシート内の中空糸の充填
率が２５〜７５％である請求項１〜７のいずれか１項記
載の中空糸型モジュール。
【請求項９】筒または巻かれたシート内の中空糸の充填
率が４５〜７５％である請求項５記載の中空糸型モジュ
ール。
【請求項１０】中空糸の組がそれぞれ中空糸１００〜１
００００本で構成されている請求項１〜９のいずれか１
項記載の中空糸型モジュール。
【請求項１１】中空糸の組の数が３、４、５、７または
１５組以上である請求項１〜１０のいずれか１項記載の
中空糸型モジュール。