(57)【要約】【課題】処理効率の向上した多管式分離膜モジュールを提供する。【解決手段】流体の入口６及び出口７を有する円筒状のシェル１と、シェルの少なくとも一端に固定される管板２ａ，２ｂと、管板２ａ，２ｂによりシェル１の長手方向に支持される複数の管状分離膜エレメント３ａ，３ｂと、管板２ａ，２ｂを覆うようにシェル１に取り付けられた一対のチャンネル４ａ，４ｂと、シェル１内に設けられた複数のバッフル５とを具備する多管式分離膜モジュールにおいて、バッフル５は管状分離膜エレメント３ａ，３ｂを貫通させるための開口部５１を有し、入口６から流入した流体Ｆ１は実質的にバッフルの開口部５１と管状分離膜エレメント３ａ，３ｂとの間隙を通過して出口７から流出し、管状分離膜エレメント３ａ，３ｂにより分離した流体はチャンネル４ａ，４ｂより流出することを特徴とする多管式分離膜モジュール。【選択図】　図１
2004122083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の入口及び出口を有する円筒状のシェルと、前記シェルの少なくとも一端に固定される管板と、前記管板により前記シェルの長手方向に支持される複数の管状分離膜エレメントと、前記管板を覆うように前記シェルに取り付けられたチャンネルと、前記シェル内に設けられた複数のバッフルとを具備する多管式分離膜モジュールであって、前記バッフルは前記管状分離膜エレメントを貫通させるための開口部を有し、前記入口から流入した流体は実質的に前記バッフルの開口部と前記管状分離膜エレメントとの間隙を通過して前記出口から流出し、前記管状分離膜エレメントにより分離した流体は前記チャンネルより流出することを特徴とする多管式分離膜モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の多管式分離膜モジュールにおいて、前記バッフルを前記シェルの内面に気密に接合させる手段を有することを特徴とする多管式分離膜モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の多管式分離膜モジュールにおいて、前記バッフルの開口部の内径は、前記管状分離膜エレメントの外径の１．１〜１．５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４】
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、前記シェルに流入する流体の９０質量％以上が前記バッフルの開口部と前記管状分離膜エレメントとの間隙を通過し、前記間隙での流速が０．５〜５０　ｍ／ｓ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５】
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先端は封止されており、後端は前記管板により片持ち梁状に支持されていることを特徴とする多管式分離膜モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の多管式分離膜モジュールにおいて、前記シェルの両端に管板が取り付けられており、一方の管板と前記管板に最も近いバッフルとの間に流体の入口を有し、他方の管板と前記他方の管板に最も近いバッフルとの間に流体の出口を有することを特徴とする多管式分離膜モジュール。
【請求項７】
請求項５又は６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先端は、先端側の管板に最も近いバッフルの位置にあることを特徴とする多管式分離膜モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶液や混合気体等の流体の分離に用いる多管式分離膜モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶液又は混合気体中の成分を分離するための装置として、多管式分離膜モジュールが知られており、この多管式分離膜モジュールの管状分離膜エレメントとしては、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製膜した多孔質の管が使用されている。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のシェル１と、シェル１の両端に固定される一対の管板２ａ，２ｂと、管板２ａ，２ｂによりシェル１の長手方向に支持された複数の管状分離膜エレメント３と、管板２ａ，２ｂを覆うようにシェル１に取り付けられたチャンネル４ａ，４ｂとを具備し、シェル１内に円の一部を切り欠いた形状のバッフル５が取り付けられている。バッフルは、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ると同時に、管状分離膜エレメント３を支持する役目を持つ。シェル１の両端に近い位置には供給流体入口６と流体出口７が設けられており、チャンネル４ａ，４ｂにそれぞれ膜透過成分出口８ａ，８ｂが設けられている。供給流体入口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から管状分離膜エレメント３内を吸引すると、膜透過流体Ｆ２が管状分離膜エレメント３を透過して膜透過成分出口８ａ，８ｂから流出し、残りの流体Ｆ３は流体出口７から流出するようになっている。
【０００３】
分離膜の面積を増加させることにより、この多管式分離膜モジュールの処理能力は向上する。しかし管板２ａ，２ｂに多数の管状分離膜エレメント３を取り付けると、管状分離膜エレメント３を支持させるために管板２ａ，２ｂに開ける取り付け穴部分の面積が大きくなり、管板２ａ，２ｂの剛性の面で問題がある。そこで図７に示すように、シェル１の両端に取り付けられた両管板２ａ，２ｂに、先端を封止された複数の管状分離膜エレメント３の後端を片持ち梁状に支持させることにより、分離膜の面積が増加すると共に管板の支持剛性を損なわない多管式分離膜モジュールが開示されている（例えば、特許文献１参照）。この多管式分離膜モジュールはシェル１内に管状分離膜エレメント３を密に配置するため、小型でありながら分離膜の面積が大きく処理能力が高くなっている。しかしながら従来の多管式分離膜モジュールの処理能力は、管状分離膜エレメント３単体の処理能力から算出される多管式分離膜モジュール全体の処理能力の設計値と比較すると遥かに劣っており、十分であるとは言い難い。これは管状分離膜エレメント３がシェル１内に密に配置されているため流体がシェル１全体に分散せず、一部の管状分離膜エレメント３が有効に作動していないためであると考えられる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１３１７８１号公報（第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、管状分離膜エレメントが有効に作動し処理能力の向上した多管式分離膜モジュールを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、流体の入口及び出口を有する円筒状のシェルと、シェル内に配置された管状の管状分離膜エレメントと、シェル内に設けられた複数のバッフルとを有する多管式分離膜モジュールにおいて、入口から流入した流体に、管状分離膜エレメントを貫通させるためのバッフルの開口部と管状分離膜エレメントとの間隙を実質的に通過させることにより、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。
【０００７】
すなわち、本発明の多管式分離膜モジュールは、流体の入口及び出口を有する円筒状のシェルと、シェルの少なくとも一端に固定される管板と、管板によりシェルの長手方向に支持される複数の管状分離膜エレメントと、管板を覆うようにシェルに取り付けられたチャンネルと、シェル内に設けられた複数のバッフルとを具備する多管式分離膜モジュールであって、バッフルは切欠きを有さず管状分離膜エレメントを貫通させるための開口部のみを有し、入口から流入した流体は実質的にバッフルの開口部と管状分離膜エレメントとの間隙を通過して出口から流出し、管状分離膜エレメントにより分離した流体はチャンネルより流出することを特徴とする。
【０００８】
バッフルはシェルの内面に実質的に気密に係合しているのが好ましい。バッフルの開口部の内径は、管状分離膜エレメントの外径の１．１〜１．５倍であるのが好ましい。またシェルに流入する流体の９０質量％以上が前記バッフルの開口部と管状分離膜エレメントとの間隙を通過し、間隙での流速が０．５〜５０　ｍ／ｓであるのが好ましい。片持ち梁状に支持された管状分離膜エレメントの先端は、先端側の管板に最も近いバッフルの位置にあるのが好ましい。
【０００９】
管状分離膜エレメントの先端は封止されており、後端は前記管板により片持ち梁状に支持されているのが好ましい。シェルの両端に管板が取り付けられており、一方の管板と管板に最も近いバッフルとの間に流体の入口を有し、他方の管板と他方の管板に最も近いバッフルとの間に流体の出口を有するのが好ましい。また管状分離膜エレメントの先端は、先端側の管板に最も近いバッフルの位置にあるのが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の多管式分離膜モジュールの一例を示す。この例において、多管式分離膜モジュールはシェルの両端に管板を有しているが、本発明はこれに限定されず、シェルの片側にのみ管板を有するものを含む。この多管式分離膜モジュールは、円筒状のシェル１と、シェル１の両端に固定される管板２ａ，２ｂと、管板２ａ，２ｂによりシェル１の長手方向に支持された複数の管状分離膜エレメント３ａ，３ｂと、管板２ａ，２ｂを覆うようにシェル１に取り付けられたチャンネル４ａ，４ｂとを具備する。シェル１の内部に、複数のバッフル５がシェル１の軸線に垂直に設けられている。シェル１には管状の流体入口６及び流体出口７が設けられている。流体入口６は管板２ａと、管板２ａに最も近いバッフル５との間に設けられており、流体出口７は管板２ｂと、管板２ｂに最も近いバッフル５との間に設けられている。チャンネル４ａ，４ｂには、それぞれ膜透過流体の出口８ａ，８ｂが設けられ、チャンネル４ａ，４ｂのフランジが管板２ａ，２ｂを挟んでシェル１の両端のフランジ１ａ，１ｂに係合する。
【００１１】
管板２ａ，２ｂは複数の開口部２１ａ，２１ｂを有する。開口部２１ａ，２１ｂに管状分離膜エレメント３ａ，３ｂの後端が螺合することにより、管板２ａ，２ｂは管状分離膜エレメント３ａ，３ｂを片持ち梁状に支持している。管板２ａをシェル１の一端に固定し、管板２ｂをシェル１の他端に固定すると、管状分離膜エレメント３ａと管状分離膜エレメント３ｂは、互いの間隙に入るようになっている。
【００１２】
図２は、管状分離膜エレメント３ａが管板２ａにより支持された状態を示す。管状分離膜エレメント３ａの先端は封止端３１ａ、後端は開放端３２ａとなっている。封止端３１ａは、管板２ｂに最も近いバッフル５の位置にある。封止端３１ａは封止部材９により封止されており、封止端３１ａと封止部材９の間には密閉性を確保するためパッキン１１１が設けられている。開放端３２ａはパッキン１１２を挟んで支持部材１０に係合し、支持部材１０は管板２ａの開口部２１ａに螺合する。管状分離膜エレメント３のサイズは適宜選択できるが、実用的には長さ５０〜２００　ｃｍ、外径１０〜２５　ｍｍ、厚さ１〜３ｍｍ程度のものが使用可能である。一枚の管板で支持する管状分離膜エレメント３の数は限定的ではないが、実用的には２０〜５００本程度である。
【００１３】
図３は図１のＡ−Ａ拡大断面図であり、シェル１の内面に気密に係合するバッフル５を示す。バッフル５は複数の開口部５１を有し、開口部５１を管状分離膜エレメント３が貫通している。部分拡大図に示すように、開口部５１の内径Ｄと管状分離膜エレメント３の外径ｄの比は１．５以下であるのが好ましく、１．３以下であるのがより好ましい。またＤ／ｄの比が１に近すぎると、圧損が大きすぎるので、Ｄ／ｄの比の下限は１．１であるのが好ましく、１．１５であるのがより好ましい。なお各バッフル５の開口部５１がシェル１の軸線方向に正確に重なるように、４本以上の心棒（タイロッド）１２が各バッフル５を貫通している。
【００１４】
図４（ａ）は図３のＣ−Ｃ断面図であり、シェル１内にバッフル５を気密に設置する方法の一例を示す。バッフル５は円盤状の本体部から一体的に突出する管状の脚部５２を有し、バッフル５’の脚部５２は流体Ｆ１の通過を妨げないように切り欠きを有する。バッフル５’の開口部５１に心棒１２を貫通させ、切り欠き部が流体入口６に係合するようにシェル１内にバッフル５’を入れる。次いで環状パッキン１１３と、バッフル５とを順に積み重ねる。図４（ｂ）は図１のＢ部を示す部分拡大断面図である。バッフル５はシェル１の内面に気密に係合している。バッフル５の間隔は限定的ではないが、実用的には５〜５０　ｃｍ程度である。バッフル５の間隔が大きすぎると、シェル１内の流体の乱れが小さすぎるので好ましくない。またバッフル５の間隔が小さすぎると、シェル１に注入する流体の圧力損失が大きすぎるので好ましくない。
【００１５】
流体入口６からシェル１に流体Ｆ１を供給するとともに、膜透過流体出口８ａ，８ｂから管状分離膜エレメント３内を吸引すると、透過流体Ｆ２は管状分離膜エレメント３を透過し、膜透過流体出口８ａ，８ｂから流出する。管状分離膜エレメント３を透過しない残りの流体Ｆ３（非透過流体）は、バッフル５と管状分離膜エレメント３の間隙を通過して流体出口７から流出する。
【００１６】
図５に示すように、流体Ｆ１がバッフル５の開口部５１と管状分離膜エレメント３の間隙を通過することにより、流れに乱れが生じる。また管状分離膜エレメント３の近傍での流体Ｆ１の流速が増加する。これにより流体Ｆ１中の膜透過物質の膜表面への移動が促進され、透過流体Ｆ２の流束が増加するため、分離膜の処理能力が向上する。間隙での流体Ｆ１の流速は０．５〜５０　ｍ　／　ｓであるのが好ましく、１．０〜２０
ｍ　／　ｓであるのがより好ましい。
【００１７】
管状分離膜エレメント３は、セラミックス、有機高分子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。例えば水とエタノールの流体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用いて、水を透過流体Ｆ２として取り出す。
【００１８】
【実施例】
本発明を以下の実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００１９】
実施例１
多孔質セラミックスからなる管状多孔質支持体（長さ８０　ｃｍ、外径１．２　ｃｍ、厚さ１．５　ｍｍ）にＡ型ゼオライトを製膜した管状分離膜エレメントを作製し、この管状分離膜エレメント２５本を用いて図１及び図３に示す例と同様の多管式分離膜モジュール（長さ１１５　ｃｍ、外径１１　ｃｍ）を組み立てた。水とエタノールの混合蒸気（水：エタノール＝０．０５：０．９５（質量分率））をシェル１に供給し（流体入口６における温度１１０℃、供給速度１００　ｋｇ／ｈ、圧力３００　ｋＰａ）、膜透過流体出口８ａ，８ｂから１．３　ｋＰａで吸引することにより、膜透過流体出口８ａ，８ｂから膜透過流体を収集した。膜透過流体出口８ａ，８ｂにおける水蒸気の透過速度は１．７　ｋｇ／ｈであった。
【００２０】
比較例１
図７に示す例と同様の多管式分離膜モジュール（管状分離膜エレメント２５本、長さ１１５　ｃｍ、外径１１　ｃｍ）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。膜透過流体出口８ａ，８ｂにおける水蒸気の透過速度は０．８　ｋｇ／ｈであった。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳述したように、流体の入口及び出口を有する円筒状のシェルと、シェルに固定される管板と、管板によりシェルの長手方向に支持される複数の管状分離膜エレメントと、シェル内に設けられた複数のバッフルとを具備する多管式分離膜モジュールにおいて、バッフルを切り欠きの無い円盤状とするとともに、管状分離膜エレメントを貫通させるための開口部をバッフルに設けることにより、入口から流入した流体は実質的にバッフルの開口部と管状分離膜エレメントとの間隙を通過する。これにより流体がモジュール全体に分散し、各管状分離膜エレメントが有効に作動する。さらに管状分離膜エレメント近傍での流体の流速が増加するため、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の処理能力が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多管式分離膜モジュールの一例を示す縦断面図である。
【図２】管板に支持された管状分離膜エレメントを示す拡大断面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ拡大断面図である。
【図４】バッフルの設置状態の一例を示す図であり、（ａ）は図３のＣ−Ｃ断面における組立図であり、（ｂ）は図１のＢ部を示す拡大断面図である。
【図５】管状分離膜エレメントを示す拡大断面図であり、管状分離膜エレメント近傍における流体の様子を示す。
【図６】従来の多管式分離膜モジュールの一例を示す縦断面図である。
【図７】従来の多管式分離膜モジュールの別の例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１・・・シェル
２ａ、２ｂ・・・管板
２１ａ、２１ｂ・・・開口部
３、３ａ、３ｂ・・・管状分離膜エレメント
３１ａ・・・封止端
３２ａ・・・開放端
４ａ、４ｂ・・・チャンネル
５・・・バッフル
５１・・・開口部
５２・・・脚部
６・・・流体入口
７・・・流体出口
８ａ、８ｂ・・・膜透過流体出口
９・・・封止部材
１０・・・支持部材
１１１、１１２、１１３・・・パッキン
１２・・・心棒（タイロッド）
Ｆ１・・・流体
Ｆ２・・・透過流体
Ｆ３・・・非透過流体
【図１】
2004122083.tif 000003
【図２】
2004122083.tif 000004
【図３】
2004122083.tif 000005
【図４】
2004122083.tif 000006
【図５】
2004122083.tif 000007
【図６】
2004122083.tif 000008
【図７】
2004122083.tif 000009