(57)【要約】【課題】膜モジュール内で被処理蒸気が凝縮した凝縮液を、運転を停止することなく、確実に抜き出す。【解決手段】両端に開口部を有する筒型の本体１１と、該本体の少なくとも一端に装着させた管板１２ａ，１２ｂと、該管板を覆う如く前記本体の開口部に装着し、かつ、透過蒸気取出口１６を有するチャンネル１３ａ，１３ｂとを備え、更に、先端を封止した複数のチューブ状分離膜体１４の開口端を前記管板に装着して片持式の分離膜体群１４ａを形成した膜モジュールである。前記本体１１を傾斜させると共に、その下部に液溜機構３０を設けた。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端に開口部を有する筒型の本体と、該本体の少なくとも一端に装着させた管板と、該管板を覆う如く前記本体の開口部に装着し、かつ、透過蒸気取出口を有するチャンネルとを備え、更に、先端を封止した複数のチューブ状分離膜体の開口端を前記管板に装着して片持式の分離膜体群を形成した膜モジュールにおいて、前記本体を傾斜させると共に、その下部に液溜機構を設けたことを特徴とする円筒型膜モジュール。
【請求項２】
前記液溜機構は、液溜部と、液排出弁より構成され、液溜部の液位が所定の範囲に入るように液抜きを行うことを特徴とする請求項１記載の円筒型膜モジュール。
【請求項３】
前記液溜機構は、液位検出センサと、制御部と、自動液排出弁を有し、液溜部の液位が所定の範囲に入るように自動制御することを特徴とする請求項１記載の円筒型膜モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒型膜モジュール、更に詳しくは、被処理物が蒸気の場合に適用する所謂ＶＰ（ベーパーパーミエーション）用の膜モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
浸透気化法による液体混合物の分離法は、既に、米国特許第２，９５３，５０２号明細書等に開示されている。
【０００３】
この膜分離法は、従来、簡単な方法では分離できなかった液体混合物、例えば、エタノール・水、ｎ−プロパノール・シクロヘキサン等の共沸混合物、沸点が近接した比揮発度の小さい混合物系、加熱によって重合や変成を起こす物質を含む混合物の分離あるいは濃縮法として注目されている。
【０００４】
有機膜や無機膜にかかわらず、工業的に適用するための最小ユニットが膜モジュールである。しかし、浸透気化膜モジュールでは、「処理対象液中に高温の有機物が含まれる。」、「原理上、透過物が膜透過中に液から気相へ相変化するので、潜熱の補給が必要である。」、「膜透過の駆動力が蒸気分圧のため、透過側の蒸気圧力損失を小さくしなければならない。」など、他の膜分離法には無い多くの制約がある。
【０００５】
他方、供給物（被処理物）が蒸気の場合には、供給物（被処理物）の相変化がないため、膜モジュール内での蒸気潜熱の補給が不必要であるが、熱損失による蒸気の凝縮を防止する必要である。
【０００６】
熱損失によって膜モジュール内で蒸気が凝縮した場合には、膜モジュールの膜面が凝縮液で覆われることから、分離効率と透過流束とが低下するという問題がある。このため、従来は、膜モジュールの入り口側に蒸気圧縮機、あるいはスーパーヒーターを設けて被処理蒸気の圧力、あるいは温度を高め、被処理物である蒸気の凝縮を防止している。
【特許文献１】米国特許第２，９５３，５０２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、蒸気圧縮機やスーパーヒーターの運転には、多くの消費エネルギー（消費電力）を必要とするばかりでなく、蒸気圧縮機やスーパーヒーターを適用することにより、複雑なシステムとなり、コストアップが避けられないという問題がある。
【０００８】
他方、膜モジュール内に凝縮液が溜まった場合には、凝縮液を膜モジュール外に排出する必要があるが、液抜き中に膜モジュール内の蒸気が外部に漏れるか、若しくは、外部から空気などが流入すると、膜モジュール内の圧力が変動し、運転できなくなるという問題がある。
【０００９】
また、膜モジュール内に外部から空気が流入した場合には、膜モジュール内の圧力変動に加え、爆発の危険が生じるため、運転の緊急停止を余儀なくされる。更に、凝縮液により膜の周囲が覆われてしまった場合、分離膜として機能しなくなるという問題もある。
【００１０】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、膜モジュール内での供給蒸気（被処理蒸気）の凝縮に起因する凝縮液を、運転を停止することなく、確実に抜き出す機能を備えた円筒型膜モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明は、次のように構成される。
【００１２】
請求項１に記載の本発明にかかる円筒型膜モジュールは、両端に開口部を有する筒型の本体と、該本体の少なくとも一端に装着させた管板と、該管板を覆う如く前記本体の開口部に装着し、かつ、透過蒸気取出口を有するチャンネルとを備え、更に、先端を封止した複数のチューブ状分離膜体の開口端を前記管板に装着して片持式の分離膜体群を形成した膜モジュールにおいて、前記本体を傾斜させると共に、その下部に液溜機構を設けたことを特徴としている。
【００１３】
請求項２に記載の本発明にかかる円筒型膜モジュールは、前記液溜機構は、液溜部と、液排出弁より構成され、液溜部の液位が所定の範囲に入るように液抜きを行うことを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載の本発明にかかる円筒型膜モジュールは、前記液溜機構は、液位検出センサと、制御部と、自動液排出弁を有し、液溜部の液位が所定の範囲に入るように自動制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
上記したように、請求項１に記載の本発明は、両端に開口部を有する筒型の本体と、該本体の少なくとも一端に装着させた管板と、該管板を覆う如く前記本体の開口部に装着し、かつ、透過蒸気取出口を有するチャンネルとを備え、更に、先端を封止した複数のチューブ状分離膜体の開口端を前記管板に装着して片持式の分離膜体群を形成した膜モジュールにおいて、前記本体を傾斜させると共に、その下部に液溜機構を設けたため、膜モジュール内で供給蒸気（被処理蒸気）が凝縮しても、膜面が凝縮液によって覆われることがない。
【００１６】
その結果、膜面が凝縮液によって覆われることに起因する分離膜の機能低下がなく、長期に渡って膜モジュールの分離性能を保持することが可能になった。これは、膜面が凝縮液によって覆われることが殆ど無く、有効膜面が設計通りに確保されるためである。
【００１７】
また、請求項２に記載の本発明にかかる円筒型膜モジュールは、前記液溜機構が、液溜部と液排出弁より構成されるため、簡単な構成で、安価に製造できる。更に、液溜部の液位が所定の範囲に入るように液抜きを行うため、凝縮液がシールの役目を果たし、膜モジュール内の蒸気の外部流出、若しくは膜モジュール内への空気の流入を防止できる。
【００１８】
請求項３に記載の本発明にかかる円筒型膜モジュールは、前記液溜機構は、液位検出センサと、制御部と、自動液排出弁を備え、液溜部の液位が所定の範囲に入るように自動で液抜きを行うため、人手を掛ける必要がなく、特に、長期の連続運転において有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００２０】
図１は、本発明にかかる膜モジュールを試験するための装置の一例を示す概略構成図である。
【００２１】
図１において、混合物は、図示しない蒸発器で蒸気化され、混合物蒸気ａとなった後、膜モジュール１に供給され、所定の成分が分離される。その後、通過蒸気ｂは、再生器（コンデンサ）２によって凝縮され、通過液タンク３に蓄えられる。他方、膜モジュール１を透過した透過蒸気ｃは、コンデンサ４によって凝縮され、透過液タンク５に蓄えられる。符号６は、真空ポンプである。
【００２２】
この膜モジュール１の概要を図２に示す。
【００２３】
この膜モジュール１は、図２に示すように、本体１１と、管板１２ａ，１２ｂと、チャンネル１３ａ，１３ｂと、チューブ状の分離膜体１４とを備えている。
【００２４】
上記本体１１は、両端に開口部を有する円筒型の本体１１となっており、傾斜するよう設置されている。そして、この本体１１は、一方の側に供給蒸気（混合物蒸気）ａを導入する蒸気取入口１５を備え、他の一方の側に通過蒸気ｂを排出する蒸気取出口１６を備えている。更に、この本体１１は、その内部に多数のバッフル１７を互い違いに設け、本体１１内に導入した混合物蒸気ａをバッフル１７に沿って蛇行させるようにしている。
【００２５】
上記管板１２ａ，１２ｂには、多数のチューブ状の分離膜体１４が片持式に装着され、分離膜体群１４ａを形成している。管板１２ｂへのチューブ状分離膜体１４の取り付け方を説明すると、図３に示すように、先端が封止されたチューブ型の分離膜体１４を使用する。
【００２６】
このチューブ型の分離膜体１４の開口端側には、管端部材１８が配置されている。また管端部材１８は、外周にテーパー状のネジ部１９が設けられている。そして、このネジ部１９を管板１２ｂに設けた管取付穴２０のネジ部２１に螺着するように構成している。
【００２７】
そして、チューブ型の分離膜体１４と管端部材１８との接合部の外周には、熱収縮チューブ２２を溶着し、この接合部のシール性を保持すると共に、チューブ型の分離膜体１４の開口端部をそれぞれの管板１２ａ，１２ｂに片持式に固着する構造となっている。
【００２８】
図２において、管板１２ａ，１２ｂは、本体１１の開口部に装着させるチャンネル１３ａ，１３ｂによってそれぞれ覆われている。そして、このチャンネル１３ａ，１３ｂは、それぞれ、透過蒸気の取出口２３を備えている。
【００２９】
本発明の膜モジュール１の最大の特徴は、横型で傾斜を付けて設置された本体１１の下方に液溜機構３０を備えていることである。この液溜機構３０は、ノズル２５により本体１１と接続されており、タンク型の液溜部２４及び液排出弁２６より構成され、更に、液排出管２７が接続されている。
【００３０】
また、この液溜機構３０を適用した膜モジュールの形態としては、図４のように、本体１１の片側のみに分離膜体群１４ａを設置した膜モジュール、図５のように、本体１１の両側から重複するように分離膜体群１４ａを設置した膜モジュール、更に、図６のように、縦型の本体１１の上部に分離膜体群１４ａを設置した膜モジュールなどがある。
【００３１】
更に、液溜機構３０の態様としたは、図７に示すように、混合物蒸気ａ及び通過蒸気ｂの取出口を横型傾斜付の本体１１の側面に設けることで、液溜部２４を、直接、本体１１に接続しても良い。
【００３２】
ここで、分離膜としては、多孔質支持体上に種結晶を担持させてから析出させたゼオライト膜、すなわち、特開平８−３１８１４１号公報に記載されたＡ型ゼオライト膜、特開平８−２５７３０１号公報に記載されたＹ型ゼオライト膜、特開平８−３１８１４１号公報に記載されたＮａＸ型ゼオライト膜などが望ましい。
【００３３】
また、本発明において分離対象とする流体としては、水及びメタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類、四塩化炭素、トリタロロエチレンなどハロゲン化炭化水素の如き有機物を挙げることができる。更に、本発明において分離対象とする流体としては、上記の如き有機物を２種以上含む混合物である。
【００３４】
次に、この膜モジュールの作用について図２を用いて説明する。
【００３５】
今、混合物蒸気ａを蒸気取入口１５から本体１１内に導入すると、混合物蒸気ａは、等温状態となり、バッフル１７に沿って蛇行しながら蒸気取出口１６に向かい流れる。その間に、特定成分は、分離膜（ゼオライト膜）を選択的に透過し、透過蒸気ｃとなってチャンネル１３ａ，１３ｂの透過蒸気取出口２３から排出される。
【００３６】
この分離膜体１４に沿って流れる間に濃縮された濃縮蒸気ｂは、本体１１の蒸気取出口１６から排出される。その後、図示しない凝縮器によって凝縮され、図示しない製品タンクに製品として回収される。
【００３７】
この過程において、分離膜（ゼオライト膜）の表面に沿って流れる混合蒸気ａは、熱損失により、その一部が凝縮する。この凝縮液ｄは、ノズル２５を通って凝縮液溜２４に貯留される。
【００３８】
凝縮液溜２４に蓄えられた凝縮液ｄは、液排出弁２６を開けることにより、適宜、外部に排出されるが、凝縮液溜２４内には、凝縮液ｄが、常に溜まるよう、排出量を制御するため、本体１１内の蒸気ａが本体外に流出することがない。このため、本体１１内の圧力変動を防止することができ、長期に渡って安定した運転が可能となる。
【００３９】
ここで、図８に示すように、液溜機構３０の液溜部２４に液位検査センサ２８、及び制御部２９を設け、更に、排液弁を自動液排出弁２６ａとすることで、凝縮液の排出操作を自動化できる。すなわち、常に、任意の液面レベルを自動で維持することができるため、特に、長期に渡る連続運転において有効である。
【実施例】
【００４０】
（実施例）
次に、本発明の膜モジュールを用いてエタノール水溶液の脱水運転を実施した例を「表１」及び「表２」に示す。
【００４１】
ここで、実施例とは、本発明の膜モジュール、すなわち、液溜機構を備えた膜モジュールによる運転結果であり、比較例とは、液溜機構を備えない従来型の膜モジュールによる運転結果である。
【００４２】
「表１」は、エタノール濃度が８３．７（ｗｔ％）の水溶液の脱水運転である。
この場合、製品中のエタノール濃度を比較すると、本発明の実施例では、９６．５（ｗｔ％）であるのに対し、比較例では９５．０（ｗｔ％）であった。
【００４３】
すなわち、本発明により、水分の透過量が多くなり、その結果、高純度のエタノールが得られることが証明された。
【００４４】
また、エタノールの回収率を下記算出式（１）により求めたところ、比較例が９８．５％であるのに対し、本発明の実施例が９９．７％であった。
エタノール回収率（％）＝｛１−（透過液中のエタノール流量）÷（供給液中のエタノール流量）｝×１００    ・・・・・  （１）
【００４５】
【表１】
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【００４６】
「表２」は、エタノール濃度が９３．４（ｗｔ％）の水溶液の脱水運転である。
【００４７】
この場合、製品中のエタノール濃度を比較すると、本発明の実施例では、９９．３（ｗｔ％）であるのに対し、比較例では９８．１（ｗｔ％）であった。この場合、特に、製品中の水分濃度を１（ｗｔ％）以下にできるため、エタノール精製能力を発揮できることが証明された。
【００４８】
また、エタノールの回収率を前掲の算出式（１）により求めたところ、比較例が９９．４％であるのに対し、本発明の実施例が９９．８％であった。
【００４９】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】膜モジュールを用いた混合蒸気分離の概略構成図である。
【図２】本発明にかかる膜モジュールの断面図である。
【図３】管板に装着した分離膜体の断面図である。
【図４】本発明にかかる膜モジュールの第２例の断面図である。
【図５】本発明にかかる膜モジュールの第３例の断面図である。
【図６】本発明にかかる膜モジュールの第４例の断面図である。
【図７】本発明にかかる膜モジュールの第５例の断面図である。
【図８】本発明にかかる膜モジュールの自動制御の形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
１１  本体
１２ａ，１２ｂ  管板
１３ａ，１３ｂ  チャンネル
１４  分離膜体
１４ａ  分離膜体群
２４  液溜部
２５  ノズル
２６  液排出弁
２６ａ  自動液排出弁
２７  液排出管
２８  液位検出センサ
２９  制御部
３０  液溜機構
ａ  混合物蒸気
ｂ  通過蒸気
ｃ  透過蒸気
ｄ  凝縮液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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