分离膜模块的制作方法

专利名称：分离膜模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及对例如含有水和有机溶剂等的混合液进行无水化的分离膜模块。
背景技术：
沸石结晶是，在结晶中具有分子级尺寸程度的细孔，并具有通过沸石分子的大小 以及形状选择性地使分子通过的分子筛选的性质。沸石利用该分子筛选的性质，应用在气 体分离膜、逆透气化分离、逆浸透分离、气体传感器等的领域。尤其，目前关注将沸石膜作为 从包含水和有机溶剂等的混合液分离有机溶剂等的分离膜加以利用。通过使用所述沸石的分离膜，作为对有机溶剂进行分离的模块，例如，在管状支承 体的表面设置多个形成了沸石膜的管状分离膜，在其外侧使水和有机物的混合液通过，由 此，仅使水分透过膜，能够从包含水和有机溶剂等的混合液分离有机溶剂等。而且，已知一种分离膜模块，在所述管状分离膜的周围隔开间隔地设置用于包围 的外管，使含有水和有机溶剂的混合液通过管状分离膜和外管之间，混合液能够高速地通 过管状分离膜的附近，且伴随紊流而使混合液在管状分离膜的整体流动，从而使分离效率 提高(例如，参照专利文献1。)在所述分离膜模块中，被认定其具有一定的提高分离效率的效果，但所述混合液 在管状分离膜和外管之间流动的机会少，在要进一步提高分离性能的情况下，可以说是不 充分的。另一方面，在所述分离膜模块中，除了使所述分离效率提高的课题，还着眼于分离 膜强度方面，作为要解决这样的课题的结构，并列配置多个所述管状分离膜，管状分离膜是 以封闭端为自由端，且以开口端为固定端，在该固定端上安装外周具有螺纹部的管端部件， 将该管端部件螺合在管板上从而以悬臂状支承(例如，参照专利文献2。)。在上述分离膜模块中，由于水和有机物的混合液在相对于管状分离膜正交的方向 上流动，所以在管状分离膜上作用有应力，在管状分离膜和管状分离膜与管端部件的接缝 的密封部等上施加有多余的负荷，另外，管状分离膜和管端部件有可能引起管振动，存在管 状分离膜上产生裂缝、或发生密封部破损的问题。专利文献1 :W02004/035182专利文献2 日本特开平8-131782号公报

发明内容
本发明的目的是提供一种分离膜模块，其能够进一步提高分离效率以及分离性 能。而且，本发明的目的是提供一种分离膜模块，以进一步提高分离效率以及分离性 能为前提，能够抑制因承受水和有机物的混合液流动导致的、作用在管状分离膜或管状分 离膜和管端部件的接缝的密封部等上的多余的负荷。本发明的技术方案1所述的分离膜模块，在模块主体内的上部以形成上流体通路的方式设有上水平隔板，在模块主体内的下部以形成下流体通路的方式设有下水平隔板， 在上水平隔板以及下水平隔板上跨设有多个垂直状流体导管，垂直筒状膜分离部件隔开间 隙地穿插在各流体导管中，各流体导管以及穿插于其间的膜分离部件间的间隙上端与上流 体通路连通，其下端与下流体通路连通，各膜分离部件的上端开口向模块主体外开放，其下 端开口被封闭，在上流体通路以及下流体通路内的任意一方以形成入口腔室以及出口腔室 的方式设有垂直隔板。在本发明的技术方案1所述的分离膜模块中，从入口腔室被导入模块主体内的被 分离流体从上流体通路以及下流体通路中的一方通过流体导管以及膜分离部件间的间隙， 被引导至上流体通路以及下流体通路中的另一方，并在该处反转，通过其他的分离膜以及 外管间的间隙，回到上流体通路以及下流体通路的一侧，期间，通过了膜分离部件的分离流 体被排出到模块主体外，且返回到上流体通路以及下流体通路中的一方的被分离流体通过 出口腔室从模块主体被排出。因此，由于能够增加水和有机溶剂等的混合液通过流体导管 以及膜分离膜部件之间的机会，所以能够进一步提高分离效率以及分离性能。本发明的技术方案2所述的分离膜模块是，在模块主体内的上水平隔板的上方设 有水平状管板，在管板上各膜分离部件以固定状垂下，以在下流体通路内形成入口腔室以 及出口腔室的方式，使垂直隔板位于下流体通路内，以与入口腔室连通的方式设有流体入 口，以与出口腔室连通的方式设有流体出口，流体入口以及流体出口都朝着与膜分离部件 的轴线平行的方向。在本发明的技术方案2所述的分离膜模块中，流体相对于各膜分离部件平行地流 动。若假设流体在相对于各膜分离部件正交的方向上流动，则各膜分离部件振动，在各膜分 离部件上产生裂缝，密封部可能破损，而本发明的技术方案2记载的分离膜模块能够防止 该情况。本发明的技术方案3所述的分离膜模块是，在模块主体内的上部以形成上流体通 路的方式设有上水平隔板，在模块主体内的下部以形成下流体通路的方式设有下水平隔 板，在上水平隔板以及下水平隔板上跨设有多个垂直状流体导管，垂直筒状膜分离部件隔 开间隙地穿插在各流体导管中，各流体导管以及穿插于其间的膜分离部件间的间隙上端与 上流体通路连通，其下端与下流体通路连通，各膜分离部件的上端开口向模块主体外开放， 其下端开口被封闭，在上流体通路以及下流体通路内的任意一方以形成包含入口腔室以及 出口腔室的三条以上的流体通路的方式并列状地设有多个第一垂直隔板，在另一方设有从 第一垂直隔板的数量中减去1的数量的第二垂直隔板，俯视观察，一个第二垂直隔板位于 相邻的两个第一垂直隔板之间。在本发明的技术方案3所述的分离膜模块中，使被导入模块主体内的被分离流体 在上流体通路以及下流体通路之间流通数次，且经由流体导管以及膜分离部件间的间隙往 返，由此，根据被分离流体的种类以及流速等条件，能够自由调整通过流体导管以及膜分离 部件间的机会。本发明的技术方案4所述的分离膜模块是，在模块主体内的上水平隔板的上方设 有水平状管板，在管板上各膜分离部件以固定状垂下，在下流体通路内以形成包含入口腔 室以及出口腔室的三条以上的流体通路的方式使该第一垂直隔板位于下流体通路内，以与 入口腔室连通的方式设有流体入口，以与出口腔室连通的方式设有流体出口，流体入口以
4及流体出口都朝着与膜分离部件的轴线平行的方向。在本发明的技术方案4的分离膜模块中，与技术方案2所述的分离膜模块同样地 能够提高膜分离部件的耐久性。本发明的技术方案5所述的分离膜模块具有对各膜分离部件进行加热的加热机 构。在本发明的技术方案5所述的分离膜模块中，在开始时等膜分离部件成为低温的 状态下，能够防止在被分离流体被导入蒸气的情况下产生的凝缩。另外，在被分离流体中导 入有液体的情况下，在分离流体透过膜时，能够加热所需的气化热量。本发明的技术方案6所述的分离膜模块，分离膜是在由陶瓷构成的支承体表面上 形成沸石膜而成的。发明的效果根据本发明，能够提供一种分离膜模块，其能够进一步提高分离效率以及分离性 能。而且，根据本发明，能够抑制作用在膜分离部件上的多余的负荷。


图1是本发明的实施方式1的分离膜模块的垂直纵剖视图。图2是沿图1的II-II线的水平横剖视图。图3是本发明的实施方式2的分离膜模块的垂直纵剖视图。图4是沿图3的IV-IV线的水平横剖视图。图5是表示本发明的实施方式2的分离膜模块的变形例的与图3相当的剖视图。图6是本发明的实施方式3的分离膜模块的垂直纵剖视图。图7是详细表示该分离膜模块的膜分离部件的侧视图。图8是详细表示该膜分离部件的上端部附近的剖视图。图9是表示图8所示的部分的变形例的剖视图。图10是详细表示该膜分离部件的下端部附近的剖视图。图11是表示图10所示的部分的变形例的剖视图。图12是本发明的实施方式4的分离膜模块的垂直纵剖视图。附图标记的说明
11模块主体
12膜分离部件
13流体导管
21上水平隔板
22上流体通路
22k入口腔室
22B出口腔室
23下水平隔板
24下流体通路
28垂直隔板
5
31 流体入口32 流体出口
具体实施例方式
下表面参照附图对本发明的实施方式进行说明。<实施方式1>参照图1以及图2，分离膜模块具有作为密封容器构成的模块主体11 ；以规定间 隔呈并列状配置在模块主体11内的多个垂直状流体导管13 ；隔开间隙以同心状穿过各流 体导管13的与流体导管13相同数量的垂直筒状膜分离部件12。模块主体11由上端开放垂直圆筒状主体IlA和覆盖主体的上端的盖体IlB构成。 在主体IlA以及盖体IlB之间设有水平状管板25。在模块主体11内的管板25上方和下方 分别形成有排出腔室26和分离腔室27。在模块主体11内的、管板25的正下方设有上水平隔板21，管板25以及上水平隔 板21间形成有上流体通路22。在模块主体11内的底面附近设有下水平隔板23，在下水平 隔板23的下方形成有下流体通路24。在上流体通路22内设有垂直隔板28，由此，上流体 通路22内被划分为入口腔室22A以及出口腔室22B。在入口腔室22A上连通有流体入口 31，在出口腔室22B上连通有流体出口 32。另外，在排出腔室26上连通有分离后流体排出 Π 33。各流体导管13架设在上水平隔板21以及下水平隔板23上并被固定在其上、且连 接上流体通路22及下流体通路24。各膜分离部件I2由以下部件构成在由陶瓷构成的支承体表面形成沸石膜而成 的管状分离膜41 ；和在分离膜41的上端以直线状连接的垂直连接管43。各流体导管13以及膜分离部件12间的间隙上端与上流体通路22连通，其间隙下 端与下流体通路24连通。连接管43上下横切上流体通路22内。连接管43的上端开口向 排出腔室26开放。分离膜41的下端由未图示的封闭部件封闭。被分离流体从流体入口 31被导入上流体通路22的入口腔室22Α侧。被导入的被 分离流体从入口腔室22Α通过位于垂直隔板28的入口侧的流体导管13以及膜分离部件12 间的间隙，引导至下流体通路24。被引导至下流体通路24的被分离流体在下流体通路24 内反转，并通过位于垂直隔板28的出口侧的流体导管13以及膜分离部件12间的间隙，被 引导至上流体通路22的出口腔室22Β。被分离流体从上流体通路22被引导至下流体通路 24，并在该处反转，且重新返回上流体通路22期间，通过了分离膜41的分离流体通过排出 腔室26被排出到模块主体11外，并且返回到上流体通路22的被分离流体通过流体出口 32 从上流体通路22被导出。以下说明实施方式2 4。在实施方式2 4中，对与实施方式1对应的部分标注 与图1以及图2相同的附图标记，并省略其详细说明。〈实施方式2>图3以及图4是表示实施方式2的图。在上流体通路22内设有两个上垂直隔板51。由此，在上流体通路22内，入口腔室 52、中间腔室53以及出口腔室54以从流体入口 31到流体出口 32的范围内排列成为一列
6的方式形成。在下流体通路24内设有一个下垂直隔板55。一个下垂直隔板55位于两个上 垂直隔板51的中间下方。全部膜分离部件12是在上端部，从流体入口 31到流体出口 32的范围内，被划分 成三组，各组的膜分离部件12以及流体导管13间的间隙分别与入口腔室52、中间腔室53 以及出口腔室54连通。另一方面，全部膜分离部件12是在下端部，从流体入口 31到流体 出口 32的范围内，被划分成两组，各组的膜分离部件12以及流体导管13间的间隙与下流 体通路24的下垂直隔板55的两侧连通。在图1以及图2所示的例子中，被分离流体在上流体通路22以及下流体通路24 间仅往返一次，但在图3以及图4所示的例子中，被分离流体在上流体通路22以及下流体 通路24间往返两次，能够期待分离效率的进一步提高。另外，上垂直隔板51的数量可以为三个以上。该情况下，第二隔板55的数量为从 上垂直隔板51的数量中减去1。图5是表示具有用于对图3以及图4所示的膜分离部件12进行加热的加热装置 61的例子的图。加热装置61是电加热器。也可以取代电加热器，对模块主体11内的上流体通路 22以及下流体通路24间的空间导入、导出加热流体，例如，蒸气。<实施方式3>参照表示实施方式3的图6，分离膜模块与实施方式1相同地具有模块主体11 ； 并列状配置在模块主体11内且被收容的多个垂直状流体导管13 ；与各流体导管13连通的 垂直棒状膜分离部件12。模块主体11由上端开口垂直筒状主体IlA和以自由装拆的方式安装在主体IlA 顶部的圆顶状盖体IlB构成。在主体IlA以及盖体IlB之间夹持并固定有水平状管板25。在管板25的下方设 有上水平隔板21，在管板25以及上水平隔板21间形成有上流体通路22。在主体IlA的底 面附近设有下水平隔板23，在下水平隔板23的下方形成有下流体通路24。多孔板或筛孔 制水平状支承板37沿下水平隔板23的下表面扩展。在下流体通路24内设有垂直隔板28，由此，下流体通路24被分隔成入口腔室24A 以及出口腔室24B。以与入口腔室24A连通的方式设置流体入口 31。以与出口腔室24B连 通的方式设有流体出入口 32。在盖体IlB上设有分离后流体排出口 33。流体入口 31、流体 出口 32以及流体排出口 33都朝着与各膜分离部件12的轴线平行的方向，换言之沿垂直方 向。如图7详细地所示，各膜分离部件12是从管板25垂下的部件，由以下部分构成 在由陶瓷构成的垂直管状支承体表面形成沸石膜而成的分离膜62 ；在分离膜62的上端以 与其连通的方式连接的垂直筒状上尾端件63 ；在分离膜62的下端以对其进行封闭的方式 被连接的垂直竿状下尾端件65。分离膜62的外径和上尾端件63以及下尾端件65的外径相等。流体导管13的上端与分离膜62的上端大致同水平。流体导管13的下端与下尾 端件65的下端大致同水平。流体导管13以及分离膜62间的间隙上端与上流体通路22连 通。流体导管13以及下尾端件65间的间隙下端与下流体通路24连通。
7参照图8，在管板25的与各膜分离部件12对应的位置，形成有具有垂直圆筒 状周面的上下贯通状固定孔71。在固定孔71的周面下端设有内向凸缘73，且在凸缘73的 上方形成有内螺纹72。在固定孔71的凸缘73上方插入有包围上尾端件63的上端的筒状 保持部件81。在保持部件81的外表面形成有与内螺纹72螺纹嵌合的外螺纹82。在保持 部件81的上表面，带六角外表面防松环83与保持部件81固定为同心状。在凸缘73上安装有横截面倒L字状环状的环槽护圈91，在其上承接有0型环92。 在0型环92的上方载置有环状衬套93，通过保持部件81的下端面对其进行推压。0型环 92以在上下稍被压溃的方式发生弹性变形，由此，0型环92的内表面与上尾端件63的外表 面滑接。通过0型环92的内表面以及上尾端件63的外表面相互的滑动阻力，膜分离部件 12被保持成垂下状态。另外，由于0型环92压溃变形，因此，0型环92的内表面与上尾端 件63接触、以及0型环92的外表面与固定孔71接触，由此被密封，能够防止通过各膜分离 部件12和流体导管13间的间隙的被分离流体和通过膜分离部件12的流体相混合。在分离膜模块的运转时，由于膜分离部件12的内外的压力差，在膜分离部件12上 施加有朝上的力，因此，防松环83以膜分离部件12不被从保持部件81向上方拔出的方式 抑制膜分离部件12。在上尾端件63的下端面，设有嵌入在分离膜62的上端开口中的嵌合筒部101。在 上尾端件63的下端面以及分离膜62的上端面间产生上间隙。在该上间隙中插入有由玻璃 粉末压缩成型而成的上玻璃密封环102。图9是表示取代图8所示的0型环92，采用全向环(Omni Ring) 111的例子的图。 全向环111是由特氟龙制密封材料形成为横截面大致U字状的部件。若在全向环111上作 用朝上的流体压，则以全向环111所呈的U字形扩展的方式发生弹性变形，而使全向环111 的两侧面与密封面接触。图10详细地示出了下尾端件65。在下尾端件65的上表面，设有嵌入到分离膜62 的下端开口中的嵌合圆棒121。在分离膜62的下端以及下尾端件65的上端面间产生下间 隙。在下间隙中，插入与上玻璃密封环62相同的下玻璃密封环122。在下尾端件65外表面下端呈放射状地设有多个水平圆棒状突起123。在流体导管 13内表面以及突起123前端面间具有微小的间隙。通过突起123防止因膜分离部件12的 振动作用在膜分离部件12上端部的垂下部分上的过大的应力。另外，通过该突起123防止 流体导管13的内表面和膜分离部件12接触，通过流体导管13的内表面和突起123间的微 小间隙，能够使膜分离部件12从流体导管13顺畅地插入、安装。下尾端件65的下端面可以与支承板37上表面接触，也可以稍微浮起。重要的是 只要能够防止膜分离部件12落入主体IlA的底部即可。图11是表示取代图10所示的水平圆棒状突起123而采用垂直板状突起124的例 子的图。被分离流体从流体入口 31被导入下流体通路24。被导入的被分离流体从下流体 通路24通过位于垂直隔板28的入口侧的膜分离部件12以及流体导管13间的间隙，被引导 至上流体通路22。被引导至上流体通路22的被分离流体在上流体通路22内反转，通过位 于垂直隔板28的出口侧的膜分离部件12以及流体导管13间的间隙，被引导至下流体通路 24，并通过流体出口 32，从下流体通路24被导出。另一方面，通过了膜分离部件12的流体
8通过流体排出口 33，从盖体IlB的顶部被排出。期间，对于膜分离部件12，流体从与其轴线 平行的方向流入、流出，由此流体的流动对膜分离部件12带来的振动被抑制到最小限度。<实施方式4>实施方式3是关于双通道方式的分离膜模块的实施方式，图12示出了实施方式4 的四通道方式分离膜模块。该情况下，在上流体通路22内设有将其分割成两部分的一个上 垂直隔板131，且在下流体通路24内设有将其分割成三部分的两个下垂直隔板132。除了 这些上垂直隔板131以及下垂直隔板122的排列以外，其他结构与双通道方式的分离膜模 块的结构相同。另外，四通道方式产生的分离作用以实施方式2的说明为准。在上述中，图7 11的结构能够适用于图1、3以及5的分离膜模块。工业实用性本发明的分离膜模块适用于实现例如使含有水和有机溶剂等的的混合液无水化。
权利要求
一种分离膜模块，其特征在于，在模块主体内的上部以形成上流体通路的方式设有上水平隔板，在模块主体内的下部以形成下流体通路的方式设有下水平隔板，在上水平隔板以及下水平隔板上跨设有多个垂直状流体导管，垂直筒状的膜分离部件隔开间隙地穿插在各流体导管中，各流体导管以及穿插于其间的膜分离部件间的间隙上端与上流体通路连通，其下端与下流体通路连通，各膜分离部件的上端开口向模块主体外开放，其下端开口被封闭，在上流体通路以及下流体通路内的任意一方以形成入口腔室以及出口腔室的方式设有垂直隔板。
2.如权利要求1所述的分离膜模块，其特征在于，在模块主体内的上水平隔板的上方 设有水平状管板，在管板上各膜分离部件以固定状垂下，以在下流体通路内形成入口腔室 以及出口腔室的方式，使垂直隔板位于下流体通路内，以与入口腔室连通的方式设有流体 入口，以与出口腔室连通的方式设有流体出口，流体入口以及流体出口都朝着与膜分离部 件的轴线平行的方向。
3.一种分离膜模块，其特征在于，在模块主体内的上部以形成上流体通路的方式设有 上水平隔板，在模块主体内的下部以形成下流体通路的方式设有下水平隔板，在上水平隔 板以及下水平隔板上跨设有多个垂直状流体导管，垂直筒状膜分离部件隔开间隙地穿插在 各流体导管中，各流体导管以及穿插于其间的膜分离部件间的间隙上端与上流体通路连 通，其下端与下流体通路连通，各膜分离部件的上端开口向模块主体外开放，其下端开口被 封闭，在上流体通路以及下流体通路内的任意一方以形成包含入口腔室以及出口腔室的三 条以上的流体通路的方式并列状地设有多个第一垂直隔板，在另一方设有从第一垂直隔板 的数量中减去1的数量的第二垂直隔板，俯视观察，一个第二垂直隔板位于相邻的两个第 一垂直隔板之间。
4.如权利要求3所述的分离膜模块，其特征在于，在模块主体内的上水平隔板的上方 设有水平状管板，在管板上各膜分离部件以固定状垂下，在下流体通路内以形成包含入口 腔室以及出口腔室的三条以上的流体通路的方式使所述第一垂直隔板位于下流体通路内， 以与入口腔室连通的方式设有流体入口，以与出口腔室连通的方式设有流体出口，流体入 口以及流体出口都朝着与膜分离部件的轴线平行的方向。
5 如权利要求1 4中的任一项所述的分离膜模块，其特征在于，具有对各膜分离部件 进行加热的加热机构。
6.如权利要求1 5中的任一项所述的分离膜模块，其特征在于，分离膜是在由陶瓷构 成的支承体表面上形成沸石膜而成。
全文摘要
本发明提供一种分离膜模块，具有模块主体(11)；在模块主体(11)内的上部以形成上流体通路(22)的方式设置的上水平隔板(21)；在模块主体(11)内的下部以形成下流体通路(24)的方式设置的下水平隔板(23)；跨设在上水平隔板(21)以及下水平隔板(23)上的多个垂直状流体导管(13)；隔开间隙连通各流体导管(13)的垂直筒状膜分离部件(12)；各流体导管(13)以及穿插于其间的膜分离部件(12)间的间隙上端与上流体通路(22)连通，其下端与下流体通路(24)连通。各膜分离部件(12)的上端开口向模块主体(11)外开放，其下端开口被封闭。在上流体通路(22)以及下流体通路(24)内的任意一方以形成入口腔室(22A)以及出口腔室(22B)的方式设有垂直隔板(28)。
文档编号B01D63/00GK101977671SQ20088012822
公开日2011年2月16日 申请日期2008年10月7日 优先权日2008年3月25日
发明者浅利祥广, 藤田优, 高木义信 申请人:日立造船株式会社