JP4575817B2 - 二重円筒加熱型の膜モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、二重円筒加熱型の膜モジュール、更に詳しくは、被処理物（有機溶剤）の脱水に適用する二重円筒加熱型の膜モジュールに関するものである。
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。
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。
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。只、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。
従来の浸透気化モジュールでは、蒸気潜熱が供給液から補給されるため、モジュールの出口に向って供給液の温度が低下し、膜透過流束が低下する。そのため、各モジュールの出入り側に供給液加熱用の中間熱交換器が設けられ、膜性能の向上を図っている。
しかし、各モジュール内の液温度降下に伴う膜性能降下は解消されておらず、最適な膜モジュールとは言い難い。
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。しかし、熱損失による蒸気の凝縮を防止する必要がある。
熱損失によって膜モジュール内で蒸気の凝縮が生じた場合には、膜モジュールの膜面が凝縮液によって覆われ、分離効率と透過流束とが低下する。このため、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、被処理物の圧力や温度を上げ、被処理物である蒸気の凝縮を防止している。
米国特許第２，９５３，５０２号明細書
しかしながら、蒸気圧縮機やスーパーヒーターは、消費エネルギー（消費電力）が多いばかりでなく、複雑なシステムとなり、コストアップを回避することが困難になるという問題があった。
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、モジュール内での供給液（被処理液）の温度低下、あるいは供給蒸気（被処理蒸気）の凝縮を防ぎ、以て、必要膜面積の最適化を図る高効率膜モジュールを提供することにある。
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。
本発明に係る二重円筒加熱型の膜モジュールは、加熱手段を備えた円筒型の本体と、該本体の開口端に装着した管板及び鏡板と、該管板を覆って前記本体の開口端を閉止すると共に透過蒸気取出口を有するチャンネルとを備え、更に、前記管板にチューブ状の分離膜体の開口端を片持式に装着して成り、前記加熱手段が、前記本体の側面に設けられた熱媒取入口から前記本体内に導入され、前記本体内を通過して前記本体の側面に設けられた熱媒取出口から外部に排出される間に前記本体内を加熱する加熱用熱媒である膜モジュールにおいて、前記チューブ状分離膜体に鞘管を被せて二重管状にすると共に、隣接した鞘管の自由端どうしを湾曲又は直線状の接続管で接続してＵ字管とし、更に、隣接するＵ字管を接続管で接続すると共に、入り口側のＵ字管に混合物供給管を設け、出口側のＵ字管に濃縮液又は蒸気の取出管を設け、かつ、前記混合物供給管内にも前記チューブ状分離膜体を挿入したことを特徴としている。
上記のように、本発明に係る二重円筒加熱型の膜モジュールは、加熱手段を備えた円筒型の本体と、該本体の開口端に装着した管板及び鏡板と、該管板を覆って前記本体の開口端を閉止すると共に透過蒸気取出口を有するチャンネルとを備え、更に、前記管板にチューブ状の分離膜体の開口端を片持式に装着して成り、前記加熱手段が、前記本体の側面に設けられた熱媒取入口から前記本体内に導入され、前記本体内を通過して前記本体の側面に設けられた熱媒取出口から外部に排出される間に前記本体内を加熱する加熱用熱媒である膜モジュールにおいて、前記チューブ状分離膜体に鞘管を被せて二重管状にすると共に、隣接した鞘管の自由端どうしを湾曲又は直線状の接続管で接続してＵ字管とし、更に、隣接するＵ字管を接続管で接続すると共に、入り口側のＵ字管に混合物供給管を設け、出口側のＵ字管に濃縮液又は蒸気の取出管を設け、かつ、前記混合物供給管内にも前記チューブ状分離膜体を挿入したため、浸透気化モジュールの場合は、供給液加熱用の中間熱交換器や、該中間熱交換器と浸透気化モジュールとを接続する配管が不必要になり、設備全体がコンパクトになる。
また、膜モジュール内の分離膜で分離・精製される混合物は、本体内の加熱用熱媒によって、常時、等温状態に保持される。このため、混合物の温度が低下せず、結果的にモジュールの分離効果を向上させることができる。
従って、溶剤の精製分離プロセスにおいて、省エネルギーでコンパクトな浸透気化、あるいは蒸気透過膜分離装置の実用化に有効である。
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明に係る膜モジュールを用いた膜分離システムの一例を示す概略構成図である。
図１に示すように、フィードポンプ１で送液された液体混合物ａは、再生器２で予熱された後、オイルヒーター３で所定の温度に加熱され、膜モジュール４に供給される。
その際、加熱用熱媒ｂが、所定の温度で膜モジュール４に供給され、モジュール４内を等温状態にする。膜モジュール４で分離精製された濃縮液ｄは、プロダクトクーラー６によって冷却された後、貯蔵タンク７に液状で貯蔵される。符号５は熱媒加熱用オイルヒーターである。
他方、膜モジュール４を透過した透過蒸気ｃは、透過液コンデンサ８によって凝縮され、透過液タンク９に蓄えられる。符号１０は真空ポンプであり、膜モジュールの蒸気透過側を減圧する。符号１１は透過液ポンプである。
膜モジュール４の概要を図２に示す。
これは、筒型の本体１４と、本体１４の開口端に装着した管板１５と、管板１５を覆って本体１４の開口部を閉止すると共に、透過蒸気取出口１６を有するチャンネル１７とを備えている。更に、この膜モジュール４は、一端が閉止された試験管型の分離膜体（以下、チューブ状分離膜体という。）１８の開口端部を上記管板１５に片持式に装着している。
チューブ状分離膜体１８の管板１５への取り付け部に詳細を図３に示す。
この管板１５には、有蓋筒状体１９を介してナット状の支持部材２０が気密又は液密状に固着されているので、この支持部材２０にボルト状の管端部材２１を螺着することができる。そして、チューブ状分離膜体１８と管端部材２１との接合部の外周に熱収縮チューブ２２を溶着し、接合部のシール性を確保している。
尚、管端部材２１には、その軸芯に沿って透過蒸気を抜き出すための貫通孔１３が設けられている。
管板１５に装着したチューブ状分離膜体１８には、図２に示すように、鞘管２３を被せて二重管状に形成する。この鞘管２３の一端は、有蓋筒状体１９の開口端部に気密又は液密状に固着させてある。そして、隣接した鞘管２３の自由端どうしを彎曲した接続管２５によって接続してＵ字管２６とする。
更に、隣接するＵ字管２６を直線状の接続管２７で接続する。その上、入り口側のＵ字管２６に混合物供給管２８を設け、出口側のＵ字管２６に濃縮した液又は蒸気を取り出す取出管２９を設けている。
尚、この例では、混合物供給管２８として、上記鞘管を使用し、その一端が本体１４の鏡板３０を貫通するようにしている。そして、この混合物供給管２８内にもチューブ状分離膜１８を挿入し、膜分離量を確保するようにしている。また、濃縮した液又は蒸気を取り出す取出管２９は、本体１４を貫通するようになっている。
更に、この例では、わん曲した接続管２５によって鞘管２３を接続しているが、これに限らず、例えば、直線状の接続管２７を用いて接続してもよい。
更に、図２では、本体１４に加熱用熱媒の取入口３１と取出口３２とを設け、本体１４内を通過する熱媒ｂによって鞘管２３内に供給された混合物ａを加熱するようにしているが、所望により、本体１４内に電気ヒーター（図示せず）を設置して鞘管２３内に供給された混合物ａを加熱するようにしても差し支えがない。
ここで、チューブ状分離膜体に適用する分離膜としては、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好適に用いられる。
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。
次に、この膜モジュールの作用について説明する。
今、熱媒取入口３１から膜モジュール本体１４内に加熱用熱媒ｂを導入すると、加熱用熱媒ｂは、膜モジュール本体１４内を通過して熱媒取出口３２から外部に排出される間に膜モジュール本体１４内を加熱する。
しかして、混合物供給管２８から鞘管２３内に供給された液体混合物ａは、加熱用熱媒ｂによって加熱されて等温状態となる。そして、ゼオライト膜で覆われたチューブ状分離膜体１８の表面に沿って流れる間に、特定成分がチューブ状分離膜体１８の表面のゼオライト膜を選択的に透過し、二次側に至る。このチューブ状分離膜体１８を透過した成分（透過液ｃ’）は、凝縮器（透過液コンデンサー）８によって凝縮され、透過液として透過液タンク９に回収される。
この過程において、チューブ状分離膜体１８の一次側の表面（ゼオライト膜）に沿って流通する液体混合物ａは、本体１４内を通過する熱媒ｂ（或いは、電気ヒーター）により加熱される。すなわち、膜通過に際して相変化するための蒸気潜熱が熱媒ｂによって供給され、膜面上の液の温度降下が抑制される。その結果、膜性能が向上する。
他方、鞘管２３内を通過する間に精製された濃縮液ｄは、取り出し口２９から排出された後、プロダクトクーラー６によって冷却され、貯蔵タンク７に貯蔵される。
また、混合供給物が蒸気の場合には、本体１４内を通過する熱媒ｂ（或いは、電気ヒーター）によって供給蒸気の凝縮が防止されるので、蒸気の凝縮に起因する膜面の被覆あるいは蒸気の流動阻害が起こらない。その結果、全膜面積が有効に作用する。
次に、本発明の実施例を比較例と伴に示す。
「表１」は、運転温度１１０℃、供給液流量１０ ｌ／ｈで、９０ｗｔ％ＩＰＡ水溶液を９９．５ｗｔ％に脱水する場合の浸透気化での本発明（実施例１）と、従来型の膜モジュールを用いた分離効果（比較例１）を示している。
この場合、同一の分離性能を得るために従来型の膜モジュール（外部ヒーター型）では、０．９ｍ2 の膜面積が必要であるのに対し、本発明では０．７ｍ2 でよく、本発明が優れていることが分かる。
また、「表２」は、運転温度１１０℃、供給液流量１０ ｌ／ｈで、９０ｗｔ％ＩＰＡ水溶液を９９．５ｗｔ％以上に脱水する場合の蒸気透過での本発明（実施例２）と、従来型の膜モジュールを用いた分離効果（比較例２）を示している。
この場合、従来型膜モジュール（外部ヒーター型）では、最終濃度が９９．３１ｗｔ％までしか到達しなかったのに対し、本発明では、９９．５２ｗｔ％と、初期の目標純度をクリアしている。これは、ヒートロスによる凝縮水が膜面上に滞留し、その部分が高濃度の浸透気化状態になり、部分的に膜が働かなくなったため、と思われる。
さらに、必要膜面積も従来型膜モジュールが０．９ｍ2 であるのに対し、本発明では、０．７ｍ2 でよく、この比較実施例においても本発明が従来の膜モジュールに比べて高い性能を発揮していることが証明された。
１４ 本体
１５ 管板
１６ 透過蒸気取出口
１７ チャンネル
１８ チューブ状分離膜
２３ 鞘管
２４ 混合物分離体
ａ 混合物
ｂ 熱媒
１５ 管板
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Claims (1)
- 加熱手段を備えた円筒型の本体と、該本体の開口端に装着した管板及び鏡板と、該管板を覆って前記本体の開口端を閉止すると共に透過蒸気取出口を有するチャンネルとを備え、更に、前記管板にチューブ状の分離膜体の開口端を片持式に装着して成り、前記加熱手段が、前記本体の側面に設けられた熱媒取入口から前記本体内に導入され、前記本体内を通過して前記本体の側面に設けられた熱媒取出口から外部に排出される間に前記本体内を加熱する加熱用熱媒である膜モジュールにおいて、前記チューブ状分離膜体に鞘管を被せて二重管状にすると共に、隣接した鞘管の自由端どうしを湾曲又は直線状の接続管で接続してＵ字管とし、更に、隣接するＵ字管を接続管で接続すると共に、入り口側のＵ字管に混合物供給管を設け、出口側のＵ字管に濃縮液又は蒸気の取出管を設け、かつ、前記混合物供給管内にも前記チューブ状分離膜体を挿入したことを特徴とする二重円筒加熱型の膜モジュール。
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