JPH09511447A - 中空繊維カートリッジ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 複数の中空繊維膜を有するカートリッジが開示されている。このカートリッジは、バンドル内に配置された複数の繊維２０と、管板中に組み込まれたバンドルの少なくとも一端とを具備する。管板３０には、透過水用のチャンバを提供するためのエンドキャップ２８が取り付けられている。供給チューブ３６はバンドルを通って長手方向に延びており、透過水放出チューブ４０が供給チューブ３６中に同心軸で収納されている。カートリッジは、圧力容器１０の内壁に対して、Ｏ−リングシールのような高圧シールを必要としない。カートリッジは、圧力容器１０の中への単純なドロップイン設置のために採用された単一ユニットとして設計されている。多数のカートリッジが圧力容器１０に容易に挿入されて、直列で、または平行して操作が行われるようにアレンジされている。中空繊維膜カートリッジは、高体積効率および高溶質除去率をもつ工業的性能のために採用されている。

Description

【発明の詳細な説明】 中空繊維カートリッジ 発明の分野 本発明は、流体精製装置の改良に関し、特に、逆浸透または限外濾過型の装置 の改良に関する。とりわけ、流体分離カートリッジに関し、流体、特に水に対し て選択的透過性を有する中空繊維膜を用いた流体分離カートリッジに関する。更 に詳しくは、中空繊維膜のコンパクトで、一体の(unitary)カートリッジに関す るが、このカートリッジは単一の圧力容器(single pressure vessel)内に多数の カートリッジを容易に装着できるようになっており、簡単に圧力容器中に装着さ れる。但し、圧力容器には、以前スパイラル巻き膜を用いた圧力容器も含まれる 。カートリッジは、簡易装備や要求されるような定期的基準での交換のために適 用され、特に、海水、かん水および廃水の精製および／または脱塩に有用である 。 発明の背景 この明細書において、用語“中空繊維”とは、繊維の軸中心線に実質上沿って 配置された連続通路（またはルーメン）を有する、一般的に管形状の繊維をいう 。用語“膜”とは、多孔質またはミクロポーラス材料をいい、典型的には高分子 材料をいう。この“膜”は、中空繊維またはフィルムの形である。 用語“スパイラル”または“スパイラル巻き”とは、膜もしくは膜分離装置を いい、ここで膜は中央支持体の周囲に密接に巻き付けられた非対象のフィルムま たは薄いフィルムの複合材料の形である。 中空繊維バンドルは、複数の中空で多孔質な繊維を具備し、殻(shell)または 容器(vessel)内に配置される。中空繊維膜は、供給水と接触するための大きな全 表面積を与える。 流体分離装置は、膜のバンドルを１つ以上収納する圧力容器を具備する。流体 分離装置は、選択的透過性を有する膜を用いることによって流体を分離するが、 気体分離(gas permeation)、透析、液体透過(liquid permeation)、ソフトニン グ(softening)、限外濾過、逆浸透などのような種々の技術に適用される。海水 やかん水の脱塩または精製のために、廃水から有用なあるいは有害な成分を回収 するために、または水の再利用のために特に有効である逆浸透に対して、最近、 特に注意が払われている。 流体分離装置は、一般に、その中で使用される半透膜の形状(shape)や形態(fo rm)に応じて、平膜型、管状型、スパイラル型および中空繊維型に分類される。 これらの中では、特に海水又はかん水の脱塩および廃水の精製のような逆浸透分 離の分野に対する、中空繊維型とスパイラル型の膜が当業界で特に良く知られて いる。スパイラル巻き膜を組み入れる流体分離装置において、この膜は膜間に不 都合に大きな空間を有するが、比較しうる中空繊維膜に対する空間より１０〜２ ０倍大きい空間をしばしば有する。とりわけ、スパイラル巻き膜に用いられる圧 力容器は、好ましい高供給流量、高変換率で操作されるように、また不利な濃度 分極を妨げるように、非常に長くなる傾向にある。スパイラル巻き膜用の圧力容 器は２０フィートより長いことが知られている。それ故、膜のリジェクトサイド (reject side)および圧力容器を通って流れる流体の流路も非常に長く、それは 圧力容器の全長で合理的な圧力降下となるように、膜間の大きな空間を必要とす る。 中空繊維流体分離装置は、スパイラル巻き流体分離装置に関するこれらの問題 の大部分を解決する。例えば、膜のリジェクトサイド上の流体用流路は比較的短 く、放射状の流路は短く、かつ、バンドルを横切りそして装置の長さ方向に沿っ た環状部分（anulas）を流れ下るとき圧力降下は極端ではない。さらに、中空繊 維膜間の空間は、特徴的には小さい（一般に、約２５ミクロン対スパイラル巻き 膜用２５ミル）。結果として、中空繊維型装置は、装置の単位体積当たり非常に 高い膜分離能力を有する。中空繊維膜は、逆浸透分離に特に適している。 逆浸透膜の使用は、３つの分れた水の流れを扱うため適した膜ハウジング(hou sing)および結合された配管接続(plumbing connetion)を本質的に要求す る。特に、膜ハウジングと配管接続は、精製された（透過水）および膜からのリ ジェクト（残留）流体のフロー(flow)と同様に、膜への供給流体の接続に適応し なければならない。過去において、スパイラル逆浸透膜は、定期的基準において 容易にカートリッジを交換するため、カートリッジ形態で提供されたが、先の逆 浸透システムでは、実質上フェイルセーフ(fail-safe)でエラーフリー(error-fr ee）の方法で、カートリッジを速く容易に設置しかつ取り外しするためのどんな 最適簡易カートリッジ、特に中空繊維カートリッジも提供されていなかった。 逆浸透は、通常、流体の浸透圧より高い圧力下で流体を処理することによって 実施され、これによってその流体の成分が、選択透過性を有する膜を通して分離 される。供給圧力は処理されるべき流体の種類や、選択透過膜などの特質によっ て異なるが、スパイラル巻き膜に対しては１０〜１０００psigの範囲で、中空繊 維膜に対しては４０〜２０００psigの範囲である。 中空繊維膜型流体分離装置が従来技術において開示されており、この装置では 少なくとも１対の中空繊維バンドルが容器内に搭載されている。しかし、多数の 中空繊維バンドル、特に２以上のバンドルを収納する流体分離装置は実際には周 知でない。これらの装置は複雑なハードウェアーを必要とし、処理されるべき流 体は典型的には連続しているバンドルによって分離され、それによって装置の体 積効率を不都合に減少させる。ハードウェアーは典型的に中空繊維膜のバンドル の各端で少なくとも２つのＯ−リングを具備する。このＯ−リングは、バンドル の外側と圧力容器の内面との間にシールを形成する。Ｏ−リングは圧力容器内の 適所にバンドルを保持するのに、また装置の操作中お互いに種々の流体フローを シールするのに役立つ。Ｏ−リングシールおよび複雑なハードウェアーは、圧力 容器の中に中空繊維バンドルを取り付けたり取り替えたりすることを困難にして いる。 中空繊維膜の故障(failure)は、バンドルの敏速な交換を必要とすることが知 られている。例えば、繊維はもろくて、流体分離装置の移動、取扱い、組立や操 作中に容易に傷つく。すなわち、繊維が破けたり、障害(fault)が起きたならす ぐに、中空繊維のバンドルを交換する必要がある。とりわけ、損傷した繊維の修 復は経済的ではない。それ故、中空繊維バンドルは圧力容器内で容易に取り付け られたり交換できると非常に都合がよい。しかしながら、上述の如く、典型的な 中空繊維バンドルは、高圧供給流体から低圧浸透水をシールするために、容器の 内径でＯ−リングを用いる。これはバンドルの各端部での一連のＯ−リングによ って達成される。次いで、このＯ−リング／バンドルの組立品(assembly)を、か なりの機械的な力で圧力容器の中に挿入しなければならない。その結果として、 繊維バンドルの検査および交換は困難である。 現存のデザインには他の欠点がたくさんある。例えば、多くの適用において（ 船上やポータブル使用のような）、膜の最大限可能な面積が、最小限可能な体積 装置に含まれていなければならず、装置の単位体積当たり大きなフローを有する ことが好ましい。中空繊維膜のバンドルをただ１つ収納する圧力容器は、装備に 費用がかかりしかも空間をしめる過剰の外部配管を必要とする。 移動または軍使用のためのコンパクトな移動可能な装置に対する需要もある。 この分野での急速な使用のために、このような装置は、移動中に少なくとも部分 的に組み立てられるべきものであり、組立品を完成することが容易であるべきで ある、という需要もある。 更に、中空繊維バンドルの大きさ(size)と寸法(dimension)の範囲を、種々の 態様に利用できるようにしてあることが望ましい。処理されるべき種々の供給原 料は、異なった量の不純物を含み、経済的にはほとんど不純物を含まない原料を 高い透過流束量（flux rate）で膜を通して処理するべきである。 細い中空繊維を含む長いカートリッジは、繊維の狭いルーメン中のフローの液 圧降下のために、高速度で透過水を取り出すことができず、このため短いカート リッジが必要とされる。それとは逆に、いくつかの原料は長いカートリッジを必 要とし、そこでは低い膜透過流束量がルーメンの圧力降下の問題を生じない。 従来のデザインに関する別の問題は、繊維の様々な型やバッチが繊維表面積の 単位当たり固有の欠陥または性能欠陥という点で、異なった質を有するというこ とから生ずる。構築するときの欠損というリスクもある。それ故、膜を定期的に 試験または検査することが好ましいが、これは多数のバンドルを取り付けたり、 圧力容器から取り外したりすることを必要とする。 バンドルの欠陥試験にも問題がある。バンドル、特にスパイラル巻きバンドル は、典型的には、バブル圧力試験手段によって、故障に対して試験される。現在 の中空繊維バンドルは、このような試験のために圧力容器の中に設置されなけれ ばならない。試験中、膜中のすべての穴(pore)を水が満たしたとき、所定の圧力 、これは膜のバブルポイント(bubble point)として公知であるが、この圧力は穴 中の水の表面張力に打ち勝つように、大きくされなければならない。バブル圧力 試験では、空気は湿った繊維のルーメン中に押し戻される。故障した繊維は、空 気を膜のバブルポイントより低圧で、繊維壁を通過させる。従来の圧力容器の不 透明性は故障した中空繊維の視覚探知を許さない。この問題は更に中空繊維バン ドルカートリッジに対する必要性を増大する。すなわちこの中空繊維カートリッ ジは圧力容器中に容易に取り付けられたり、取り外されたりすることができ、圧 力容器内にそれを取り付けることなく試験される。 予め中空繊維バンドルまたはスパイラル巻き部品を収納してある圧力容器内に 、容易に取り付けられてる中空繊維膜カートリッジを有することも好ましい。不 幸なことに、典型的なスパイラル巻き装置では、透過流体が中央チューブから放 出される。典型的な中空繊維装置では、供給流体は中央チューブから導入され、 透過流体は圧力容器内の別の開口部から放出される。それ故、既存のスパイラル 巻きバンドルを従来の中空繊維バンドルと取り替えるには、複雑なパイプや管継 手を用いて供給流体とそれぞれのポート(port)からの透過流体のフローを逆にす ることが必要である。 本発明は、従来の利点を保持する中空繊維膜カートリッジを提供し、そして多 数のカートリッジが容易に圧力容器内に取り付けられたり取り外されたりする。 カートリッジは、予めスパイラル巻き部品を収納した圧力容器内での使用に、特 に適している。この発明のカートリッジは、単純で、経済的な装置である。その 流路は、透過水が中央チューブから放出されるように設計されていて、このこと は以前にスパイラル巻き部品を収納した圧力容器内にこの発明のカートリッジの 装着を容易にする。各カートリッジは個々の圧力エンドキャップを有する管板を 装備しているが、このエンドキャップは適したポートまたは管継手に接続されて いて、透過流体あるいは残留流体を、および／または外部流体と一緒にするため に、他のカートリッジに配送する。カートリッジ毎に繊維の数を変えることによ って、経済的にも、便利さの点においても、有効性についても最適となるように 、これらのカートリッジを製造することができる。これらの目的は、他の目的と 同様に、本発明の特徴や改良は、以下の説明から当業者に明らかになるだろう。 発明の概要 本発明は、複数の中空繊維膜を含む、単純で効率のよい低コストのカートリッ ジである。多数のカートリッジが単一の圧力容器に容易に設置され、組み立て中 、カートリッジは圧力容器内に容易に取り付けられたり、取り外される。すなわ ち、カートリッジは端部開口の圧力容器内への単純ドロップイン(drop-in)装着 を取り入れた単一ユニットとして設計されている。カートリッジという用語は、 中空繊維膜のバンドルを具備する装置を意味し、これは少なくとも１つの管板、 エンドキャップおよび内部配管を有する。これらすべてについては、下記に詳述 する。各カートリッジの中心には、実質上、一端から他端まで延びているフィー ドチューブがある。透過放出チューブが供給チューブ内に収納されており、好ま しくは同心軸に収納されている。管板は、各中空繊維バンドルの少なくとも一端 に、管板内に開口している中空繊維のルーメンスを備えている。各管板はそれを シールする圧力エンドキャップを有する。エンドキャップと隣接する管板は透過 流体の集合のための空間を決定する。空間は、液体で内部に収納された透過放出 チューブと連絡している。エンドキャップは、カートリッジ内に低圧透過流体を 閉じこめるため、管板でしっかりふさがれている。エンドキャップは管継手およ び／またはポートを装備していて、透過流体あるいは残留流体を配給する。この ような管継手および／またはポートも、カートリッジを他のカートリッジと直列 または平行に、接続することを可能にする。カートリッジは、圧力容器内のカー トリッジの取り付けを促進するように、バンドルの供給端でのリップシールのよ うな、それに装着されたシールを任意に有している。１つ以上のカートリッジが 単一の圧力容器内に装着されてもよい。圧力容器は容器(container) を形成するようにシールされた端板(end plate)を有する典型的な円筒である。 本発明の他の態様は、それぞれの流体分離装置が複数のバンドルを含んでいる が、多数の流体分離装置が、与えられた供給フローで変換を増加させるように容 易に直列接続されているものである。隣接している各カートリッジのために同心 軸に収納された透過放出チューブを連結することによって、多数のカートリッジ を縦に直列に端と端を除去可能なように配列し、次の各バンドルからの透過流体 をあつめて、供給チューブ内に同心軸に収納されたチューブの中に放出する。更 に、各中空繊維バンドルの環状空間は、流体で、次の連続したカートリッジの中 で中央供給チューブと流体連絡していることが好ましい。任意に、数種の供給流 体は例えばエンドキャップの中にオリフィスを有することによってカートリッジ をバイパスしてもよく、このエンドキャップは供給流体のいくつかについて各カ ートリッジをバイパスさせる。仮にバンドル中での圧力降下が大きすぎるならば 、そのときオリフィスは、圧力降下を規制し、バンドル内でのフロー特性と変換 を最適にするように調節される。多数中空繊維バンドルが大きな圧力容器内で積 み上げられる場合には、供給流体のバイパスが特に有効である。最後のカートリ ッジからの残留流体を最終的には集めて、通常のポートから放出する。 装置を通しての流体のフローを、典型的にいわゆる“インサイドアウト”フロ ー("inside-out"flow)（“アウトサイドインフローも可能であるが）という。供 給流体は中央供給チューブを通って１つ以上のカートリッジを具備する流体分離 装置の中を通過する。供給流体は供給チューブ内の分配穴(hole)または孔(perfo ration)から最初のカートリッジに配給される。流体が他の流体よりずっと速く 透過膜を通過するように、中空繊維膜は１つ以上の流体に対して選択的である。 透過水は中空繊維の内管部を通って管板まで流れていき、繊維バンドルの一端以 上で集められ、次いで供給チューブ内に収納されているチューブの中に流れ、そ こで透過水は他のバンドルからの透過水と一緒にされ、さらに、処理されまたは いずれかの端で装置から放出される。要約すれば、供給流体は一般的に同様のパ ターンですべてのバンドルを流れる。すなわち、供給チューブから中空繊維へ放 射状に外へ流れ、選択的に中空繊維を透過する。その後、透過水は開口端 で中空繊維を出る。圧力容器内のすべてのカートリッジからの透過水は、次いで 、装置の一端または両端で流体分離装置から除去される。除去される透過水の量 は、中空繊維、供給温度、供給流体の組成、透過圧力差に対する供給および供給 流体の流量の関数である。 残留流体はバンドルを通って放射状に外に流れることによってすべてのバンド ルから同時に抽出される。すなわち、残留流体は中空繊維膜を容易には透過しな い。次いで、残留流体は中空繊維バンドルと圧力容器の間の環状空間の中に集め られる。その後、残留物は上流カートリッジのバイパス供給物と一緒になっても よい。次いで、一緒になった流れは次のカートリッジへの供給物となる。それぞ れのカートリッジの周囲にある環状空間は、流体で、互いに連絡している。残留 流体は、最終的には流体分離装置から放出される。 カートリッジのインサイドアウトフロー配列は、中空繊維膜の寄り添い(nestl ing)の可能性を減じる。供給流体が中空繊維バンドルの外側に導入されて、中心 に向って内側に流れると、中空繊維を寄り添わせる傾向となる。この効果は、透 過フローの減少を伴うバンドル圧力降下の増加を結果としてもたらす。ファウリ ング(fouling)の可能性も、繊維がよりしっかりと共に押すにつれて増加する。 カートリッジは圧力容器内への、迅速で容易なドロップインまたはスライドイ ン装着に適応される。特に、以前にスパイラル巻き部品または中空繊維バンドル を収納していた圧力容器の中に、カートリッジが容易に装着される。スパイラル 巻き部品または中空繊維バンドルは、例えば以下の方法を用いて取り替えられる 。 １．圧力容器の端板の一端または両端をあける。 ２．スパイラル巻き部品を除去する。これはその分野で公知のいかなる方法によ って達成されてもよい。実際には、スパイラル巻き部品または中空繊維バンドル を、交換カートリッジ（１つまたは複数）を他端に押し入れることによって圧力 容器の一端から押し出す。従来の中空繊維バンドルは圧力容器の内壁とプレッシ ャータイトシール(pressure-tight seal)を形成しているので、このようなバン ドルの除去はささいなことではない。 ３．次いで、中空繊維膜カートリッジを１つ以上圧力容器内に挿入する。カート リッジは圧力容器内でぴったり合うように特に形成されているとよい。交互に、 いわゆるスペーサー(spacer)を、カートリッジが圧力容器の長さ内で長手方向に および／または圧力容器の内周内で円周方向にしっかり適合するように、設けら れている。 ４．カートリッジは適した管継手で接合されている。供給流体は中央供給チュー ブに連絡されている。透過水は、ポート、圧力容器の１つまたは両方の端板の中 央に位置する典型的なポートから放出されるが、これは同心軸に収納された放出 チューブと流体で連絡している。最後のカートリッジの２番目の端は、残留の流 体ポートがカートリッジの周囲の環状空間と連絡するように設けられている。供 給流体と残留流体のフローを“逆にする”ために、特別な配管や管継手を用いる ことは必要でない。 本発明のカートリッジは、本発明の目的を容易にする。この流体分離装置は、 単一の圧力容器の中で直列または並列に並べられたカートリッジをいくつでも用 いることができる。カートリッジは、多くの慣例の圧力容器の中に、容易に装着 されたり除去される。圧力容器内への多数のカートリッジの組み込みに要求され る配管や管継手は極小である。装置の周囲の延長配管やポーティング(porting) は最小限であり、ほとんど空間を必要とせず、高い耐久性と末端消費者に対する 低設備コストをもたらす。さらに重要なことは、伝統的なスパイラル巻き透過器 に対する現存の圧力容器は、本発明のカートリッジで容易に取り替えられ、それ によってスパイラル巻きバンドルを中空繊維バンドルに取り替えるコストを軽減 する。とりわけ、本発明のカートリッジは従来の優れた特徴を保持する。 図面の簡単な説明 本発明の中空繊維膜カートリッジを以下に添付する図面を参照して更に詳細に 説明する。 図１は、圧力容器内に含まれる、一端に管板を有する単一の中空繊維カートリ ッジの断面図である。 図２は、圧力容器内に含まれる、バンドルの両端に管板を有する単一中空繊維 カートリッジの断面図である。 図３は、圧力容器内の中に３つの中空繊維膜カートリッジが含まれる、本発明 の２番目の態様の模式的断面図である。 発明の詳細な説明 図１は、圧力容器内の本発明の中空繊維カートリッジを示す。図中、“Ｆ”は 供給流体を意味し“Ｐ”は透過流体を意味し、“Ｒ”は残留流体またはリジェク ト(reject)流体を意味する。カートリッジは圧力容器の中に挿入され、好ましく はエンドキャップ（図示せず）によって封入される細長い円筒状圧力容器の中に 挿入される。容器の内壁は１０で指定されている。中空繊維２０のバンドルの一 端には管板３０があるが、そこでは繊維が結合されており、エポキシ３４でシー ルされていて、中空繊維の内管部(bore)をさらすために切りそろえバンドルを通 して流体で連絡するようにしてある。管板の断面形（例えば、中空繊維膜の長手 方向に対して垂直面にある外形）は、通常、一般的に円形である。断面図は、三 角形、トリバル(tribal)、正方形、長方形、台形、五角形、六角形、自由型など のようないかなる他の形にでもなるということは、明らかである。管板の最大断 面寸法も、実質上、異なってもよい。管板の表側は、いかなる適した外形であっ てもよく、一般的には実質的に管板の断面形状と同一の形状である。表側は実質 的に平らであるか、曲がっているかまたは不規則な表面輪隔であってもよい。管 板には中空繊維膜のバンドルが１つ以上含まれていてもよく、好ましくは１つの バンドルである。 バンドルの他端は、流体密着シール(flud-tight seal)を形成するように、エ ポキシ３２でシールされている。 カートリッジの中央には供給チューブ３６が具備されており、これはバンドル の一端から他端まで実質上延びている。供給チューブ３６は、供給流体が中空繊 維膜のバンドルの中を放射状に流れるように、供給チューブの壁に穴または貫通 した孔を有する。開口部の大きさ、位置および外形は、決定的ではないが、好ま しくは、開口部はバンドルの中への供給流体の均一な放射状のフローを促進する べきである。開口部は、好ましくは、直径が０．１〜２．０ｃｍの円形の穴であ る。 エンドキャップ２８は、管板３０を持つスライドかみ合わせ(sliding engagem ent）で示されている。エンドキャップ２８は、その分野で公知の手段（いくつ でも）よって、隣接する管板３０にしっかりシールされる。実際には、エンドキ ャップは管板および／またはバンドルにエポキシでシールされる。エンドキャッ プを適したいかなる材料から製造してもよいが、要求された外形に成形されるよ うなプラスチックから製造されることが好ましい。望ましい開口部およびオリフ ィスは、それを管板および／またはバンドルに取り付ける前または後にエンドキ ャップの中で切断されるか穴開けされる。管板およびエンドキャップは、示され たスライディングの代わりに、ねじ接合または他の適したいかなる接合でかみ合 わせてもよい。更に、エンドキャップは、操作中比較的低圧である透過水回収空 間３８を限定するように、エポキシまたは適したいかなる手段によって、管板の 周囲にシールされていてもよい。透過水回収空間３８は、供給チューブ３６の内 部に収納された透過水放出チューブ４０と流体で連結している。次いで、透過水 放出チューブ４０は、適したセクション４Ｌ４２を介して、隣接するカートリッ ジまたは放出ポートと流体で連絡することができる。カートリッジは空間６０を 形成するように、圧力容器１０の中に設置される。圧力容器は本発明のカートリ ッジの一部ではないが、操作中のカートリッジと操作中のそれぞれの流体の流れ との関係を示すために、単に図面化されている。残留またはリジェクトの流体は 、空間６０に集められるが、この空間は典型的な環状空間である。 透過水回収空間３８は、供給流体の圧力に比べて低圧である。エンドキャップ や、エンドキャップと隣接する管板および／またはバンドルとの間のシールは、 カートリッジ内での圧力差に耐えるように十分に強くなければならない。例えば 、供給流体の圧力は、約１２００psigである。バンドルの周囲の環状空間６０内 の残留流体の圧力は、約１１８０psigである。透過水回収空間３８の中の透過流 体の圧力は、約２０psigである。 それ故、エンドキャップ／透過水回収空間／内部に収納された透過水放出チュ ーブの配列をもつ本発明のカートリッジは、圧力容器の内壁をシールし、低圧透 過水から高圧残留物をシールする管板Ｏ−リングまたは他の同様のシールを必要 をしない。 エンドキャップも環状空間、例えばバンドルの外径と内径の間、の中で適当な 空間を維持するように設計されている。図１において、エンドキャップ２８はス ペーサー５３を有するが、これは適したいかなるデザインまたは外形であっても よい。スペーサー５３はカートリッジを、好ましくは同心軸で、圧力容器内にし っかり保持するが、残留流体を環状空間６０から次のカートリッジまで流して／ または流体分離装置から放出させる。 管継手４１および４２と同様、供給パイプ３６および透過水放出チューブ４０ は、ナイロン、ガラス強化プラスチックポリ塩化ビニル、繊維強化エポキシ樹脂 、のようなプラスチック材料、またはステンレススチール、カーボンスチール、 あるいはチタンのような金属から作られる。厚さ、直径、長さのようなその寸法 は、特別ではなく、望ましい機能を達成するように変更してもよい。構成の選択 におけるフレキシビリティーは、特別な適用のためのカートリッジ用耐食性製造 材料の選択を認める。構成材料は、例えば、高温に耐えるように選択される。 代替装置において、エンドキャップ２８は容易に他方にカートリッジを積み重 ねることができるように形成されていてもよい。バンドルの供給端でのエンドキ ャップは、カートリッジ間に流体連絡を限定することができる、オリフィス４８ またはフローコントロールバルブを組込んでもよい。カートリッジが連続で操作 されると、このようなオリフィスまたはバルブは１つのカートリッジからの流れ を限定するために用いられてもよく、それ故、隣接カートリッジの繊維内管部に フローをバイパスするために用いられてもよい。これはマルチバンドル透過装置 組み立て体の個々の繊維バンドルを通るフローのトリミング(trimming)を可能に するので、組み立て体中の各バンドルカートリッジの純度は他のカートリッジと 均衡がとれる。 支持ブロックは管板の表側に任意に隣接して設けられていてもよい。シール ４７は、お互いに水流を分離することによって、透過水の異なるコンパートメン ト間での漏れを防ぐ。Ｏ−リングがカートリッジを圧力容器内に挿入するのを極 端に困難にするため、Ｏ−リングのようなシールは好ましくない。カートリッジ を圧力容器に挿入する場合には、シールは、上流の流体圧力を利用して壁にシー ルさせる、いわゆるリップシールであることが好ましい。このようにすると、圧 力が軽減されるなら、シールは容器の壁に緩やかに接触し、カートリッジは容易 に除去される。高圧供給流体がもれて残留物と混合しないように、シール４７は 環状のチャンバ６０をシールするのに役立つ。バンドルが、異なった操作状況で 、拡張し収縮し、あるいはわずかにずれたりするとき、シール４７はシールを維 持しながら、軸方向にスライドすることができる。リップシールは、圧力容器内 にカートリッジを単純にスライドイン挿入させる。本発明においては、リップシ ールをカートリッジの供給端で使用する。 リップシールは、一般に、スパイラル巻き部品についての使用で公知であるが 、第１にはスパイラル巻き部品中の流体の圧力差は比較的小さいからである。リ ップシールは、５０psigの圧力差まで典型的に耐えるが、これは多くのスパイラ ル巻き部品にとっては満足のいくものであり、多くの中空繊維カートリッジにと っては満足のいくものではない。この発明の中空繊維カートリッジの形状は、大 きな圧力差に耐えなければならないシールを必要としていない。 本実施態様では、透過水放出チューブ４０は供給チューブと同心軸で収納され ているが、放出チューブ４０の大きさ、外形および位置はそれらが透過流体のフ ローを調節することができる限り重要ではない。この組立体は、１番目のカート リッジの透過水放出チューブと２番目のカートリッジの供給チューブとの間の流 体伝達を効果的にするように、別のカートリッジの面しているエンド間に単純に セクション４１を挿入することによって、多数のカートリッジの簡単な組立をも たらす。 ポート５１は供給流体用の外部流体伝達のための手段を提供する。セクション ４１と４２は、透過水や生成流体用のための外部流体連絡を提供する。セクショ ン４１と４２は、除去可能であることが好ましく、その中にカートリッジが挿入 される特定の圧力容器に適した大きさ、形および配列の代替管継手で容易に置き 換えられる。 カートリッジは任意にチャネルもしくはオリフィス４８またはフローコントロ ールを有し、これは、空間６０への供給流体のバイパス、特に制御されたバイパ スを認める。いくつかの供給流体と残留流体間の流体連絡を認めるように、オリ フィス４８は、エンドキャップまたは他の便利な場所に位置していてもよい。例 えば、図２に示すように、オリフィスまたはチャネル４８Ａは、供給流体とエン ドキャップの外側の残留流体との間の流体伝達を認めるように、エンドキャップ を介して延びてもよい。多数のカートリッジが連続して操作される場合には、い くつかの供給流体のバイパスは特に有用である。供給流体のバイパスは、供給流 体と残留流体との間の過剰圧力差を予防するが、これはマルチカートリッジシス テムでの最初の数個のカートリッジに特に関係する。従って、供給流体をバイパ スするためにオリフィスを使用することは、リップシールの使用を促進する。と りわけ、供給流体のバイパスは、フロー特性の最適化と連続カートリッジの変換 を促進する。 図１に示される本発明の態様は、海水、かん水または廃水の精製に特に適して いる。流体分離装置を通る個々の流体のフローは、以下に示すように、海水の精 製を説明することによって、すぐに証明することができる。すなわち、さらに図 １を参照すると、海水を中央供給チューブ３６内のポート５１に供給する。但し 、ここでは海水は中空繊維バンドルの膜２０に供給チューブ内の開口部から同時 に放射状に分配される。中空繊維膜は、流体が他の流体より迅速に透過膜を通過 するように、１つ以上の流体に対して選択的である。この場合、中空繊維膜は純 水に対して選択的に透過する。生成水、透過水は、各中空繊維の中心を通って流 れ、透過水回収空間３８内の中空繊維バンドル端の管板３０に集められるが、こ の空間はエンドプレート２８と管板３０の表側によって限定される。要約すれば 、供給流体は一般に同一のパターンで中空繊維膜のバンドル前部を通って流れる 。例えば、供給チューブから中空繊維の中に放射状に流れ、そして選択的に中空 繊維を透過する。次いで、透過水は、両方の端板に隣接する開口端で中空繊維を 出る。その後、透過水は中空繊維の隣接するバンドルに供給される。除去された 透過水の量および純度は中空繊維の特性、供給温度、供給流体の組成、透過圧 差に対する供給、および供給流体の流量の関数である。 残留塩水は、中空繊維膜のバンドルを通って放射状に外側へ流れる。次いで、 残留塩水は圧力容器１０の壁に隣接する環状空間６０の中に集められ、その後、 バンドルの管板端およびそれが集められるエンドキャップの周囲に縦に流れる。 残留流体は第１番目のカートリッジからのバイパスと結合された後、次のカート リッジに供給されたり、圧力容器から放出されたりする。 本発明は、カートリッジがいわゆる“アウトサイドインフロー”にも用いられ るが、処理されるべき流体のインサイドアウトフローを促進する。“インサイド アウト”フローは特定の利点を有する。特に、流体分離は、通常、高圧で、１０ 〜２０００psigの範囲で操作される。流体が高圧でバンドル内側のアウトサイド から流れる場合、繊維は一緒に寄り添う傾向にあり、これによってバンドルを通 って放射状に不均一な供給流体のフローが、また透過水フロー中の減少に伴うバ ンドルを介しての放射状圧力降下の増加が生じることになる。増加する圧力降下 に加えて、供給流体は各中空繊維の外表面に均一にアクセスすることができず、 それによってバンドルの総合効力を減少させ、ファウリングの可能性を増加させ ると、信じられている。処理されるべき流体のインサイドアウトフローは、繊維 の寄り添いの可能性を相当に減少させる。 図２は、いわゆる両端バンドルをもつカートリッジの断面図であるが、これは 中空繊維バンドルの両端に管板を有する。 この態様は、管板３０と３１を中空繊維２０のバンドルの両端に具備するが、 ここでこの繊維は連結されるかエポキシ３４でシールされており、かつ中空繊維 の内管部をさらすために切りそろえ、バンドルを通して流体で連絡するようにし てある。 カートリッジの中心には、バンドルの一端から他端へ実質的に延長された供給 チューブ３６を具備する。供給チューブ３６は、中空繊維膜のバンドルの中に供 給流体が放射状に流れ込むように、供給チューブの壁に穴または孔を有する。 エンドキャップ２８と２９を、管板とのスライドかみ合せで示されている。実 際には、エンドキャップは管板および／またはバンドルにエポキシでシールされ ていてもよい。低圧透過水回収空間３８および３９を限定するように、エンド キャップはエポキシまたは適した手段によって管板の周囲にシールされていても よい。透過水回収空間３８と３９は、供給チューブ３６の内部に収納されている 透過水放出チューブ４０と流体で連結されている。次いで、透過水放出チューブ ４０は適したセクション４１と４２を介して隣接するカートリッジまたは放出ポ ートと流体で連絡される。カートリッジは、空間６０を形成するように、圧力容 器（図示せず）の中に配置される。残留またはリジェクト流体は、空間６０の中 に集められるが、この空間は環状空間であることを特徴とする。 ポート５１は、供給流体用の外部流体連絡の手段を提供する。セクション４１ と４２は、透過水または生成流体用の外部流体伝達の手段を提供する。 図３に示すように、流体分離装置は本発明のカートリッジを複数保持するよう に適用されてもよい。流体分離装置に具備される中空繊維カートリッジの数は、 圧力容器の大きさ、装置内の流体フロー総圧力損、および組み立て体内の高速流 での中空繊維の実施を考慮した後で、変化させてもよい。中空繊維カートリッジ の数は、通常、２〜１０の範囲であり、好ましくは２〜４である。 図３は、３つの中空繊維カートリッジが用いられる流体分離装置を示している 。流体分離装置は、１つの圧力容器の中に３つの中空繊維バンドルを有する。こ の流体分離装置は、単一の圧力容器６２の中に、６０，６０′，６０″で示され る３つの中空繊維カートリッジを有する。カートリッジは同一でも異なっていて もよい。処理されるべき流体を、中央供給チューブ６６と流体で連絡されている キャビティ６５の中に、ポート６４から供給する。供給流体を、供給チューブ６ ６の開口から第一番目の中空繊維バンドル６０に分配する。中空繊維膜を透過す る流体は透過放出チューブ７０と流体で連絡されている６８のように設計された 空間の中に集められる。残留流体は中空繊維膜を容易には透過せず、各中空繊維 バンドルと圧力容器６２との間の環状空間８０，８０′，８０″の中を流れる。 残留または廃棄流体は、隣接するカートリッジの面しているエンドキャップ間に ある空間８５と流体で連絡して環状空間８０の中に集められる。次いで、残留物 は第２番目のカートリッジ６０′に流れていき、ここで供給流体になる。透過流 体は、第２番目と３番目のカートリッジ６０′，６０″を通って同じ道を流れて いき、ポート８１を介して圧力容器から放出される。その後、すべてのカー トリッジからの残留流体は、ポート８２を通って圧力容器から放出される。カー トリッジは任意にオリフィスを具備し、好ましくはエンドキャップの中に具備し 、このオリフィスは各個々のバンドル用の供給流体と バンドル用の残留流体の 間の流体連絡を認める。オリフィスは、図３に８７および８７′として示されて いる。供給流体のバイパスは、個々のカートリッジ用の供給流体中の残留濃度の バランスを促進する。実際には、多数のカートリッジを部分的に平行に、かつ部 分的に直列に操作する。 装置の組立に対して、まず繊維カートリッジを個々に組み立て、次いでカート リッジを次から次へと挿入してもよい。各カートリッジが圧力容器の中に挿入さ れるとき、それは適した配管によって次のカートリッジに接続される。１つおき に、各バンドルを適した配管によってまずお互いに接続する。すべてのカートリ ッジを組み立て連結するとき、圧力容器ケーシング(casing)の遠端で、管継手４ １はポート８１と連結されている。管継手４１および／または４２の長さと配列 は、カートリッジが圧力容器ハウジング内で確実に適合していることを保証する ように接合される。繊維バンドルの交換または修理(servicing)のため、繊維バ ンドルを組み立て操作の逆を繰り返すことによって除去することができる。 圧力容器内のスパイラル巻きバンドルを交換するために、カートリッジが容易 に用いられる。操作において、スパイラル巻きバンドルは、処理されるべき流体 の平行プラグフロー(plug flow)を特徴的に行う。特に、処理されるべき流体は 圧力容器に入る。供給流体は各カートリッジのブラインチャネルを通って、バン ドルを介して平行に流れる。スパイラル巻き膜が膜を透過する１つ以上の流体に ついて選択的であり、平膜の両側間の生成チャネルの中に集められる。透過水は スパイラル状に内側を流れて、中央生成チューブに連絡する。残留流体はスパイ ラル巻き膜を通って透過せず、広いリジェクトチャネルを通って流れ、透過器の 反対側端から外に出る。 上述のように、中空繊維膜は多くの用途に対して、スパイラル巻き膜よりも多 くの利点を達成する。スパイラル巻き部品または既存の中空繊維バンドルを、以 下のように、中空繊維カートリッジで交換することができる。すなわち、 １．圧力容器の端板の一端または両端をあける。 ２．スパイラル巻き部品を除去する。これはその分野で公知のいかなる方法によ って達成されてもよい。実際には、スパイラル巻き部品または中空繊維バンドル を、交換カートリッジ（１つまたは複数）を他端に押し入れることによって圧力 容器の一端から押し出す。従来の中空繊維バンドルは圧力容器の内壁とプレッシ ャータイトシール(pressure-tight seal)を形成しているので、このようなバン ドルの除去はささいなことではない。圧力容器の外に中空繊維バンドルを押し出 すためにハイドロリック装置を用いることがしばしば必要である。 ３．次いで、中空繊維膜カートリッジを１つ以上、圧力容器に挿入する。カート リッジは圧力容器内でぴったり合うように特に形成されているとよい。交互に、 いわゆるスペーサーを、カートリッジが圧力容器の長さ内で長手方向におよび／ または圧力容器の内周内で円周方向にしっかり適合するように、設けられる。 ４．カートリッジは適した管継手で接合されている。供給流体は中央供給チュー ブに連絡されている。透過水はポート、圧力容器の１つまたは両方の端板の中央 に位置する典型的なポートから放出されるが、これは同心軸に収納された放出チ ューブと流体で連絡している。圧力容器のリジェクトポートは、最後のカートリ ッジ周辺の環状空間と連絡している。 中空繊維膜はいかなる都合のよい形状、例えば、断面で、円形、六角形、トリ ロバルなどの形をしていてもよく、中空繊維膜の壁から内部に向かって、または 外部に向かって延長している山、溝などを有していてもよい。中空繊維膜は流体 分離に有効であり、例えば、選択分離を行うコーティング用支持体として、また は分離に影響を及ぼす媒体として、役に立つ。本発明に用いられる中空繊維には 、内径が約２０ミクロンから約２００ミクロンの、好ましくは４０ミクロンであ り、かつ中空率（繊維の内管部の断面積を繊維の全断面積で割ったもの）が約 １０％〜約５０％、好ましくは約２０％の繊維全部が含まれる。繊維の寸法と中 空率は、圧力容器の寸法と同様、部分的に操作圧力に依存する。一般的に、高い 操作圧力に対しては、中空繊維は、厚壁を有していて、結果的に低い中空比にな る。膜は、セルロース、セルロースエステル、セルロースエーテル、ポリアミド 、シリコン樹脂、ポリエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂など、のような種 々のポリマー、またはセラミックから製造される。 管板を形成するためのポッティング材料には、適した材料のいくつかが含まれ る。好ましくは、ポッティング材料は、管板を調製する際液体形状であり、その 後、例えば、冷却、硬化などによって、固体になることができる。固体化ポッテ ィング材料は、管板を提供するために十分な構造的強さを示すものであるべきで あり、流体分離操作中露出する部分に対して比較的不活性な部分であるべきであ る。ポッティング材料は、有機物、好ましくはエポキシ、または無機物、あるい は無機材料を含む有機物であってもよく、ポッティング材料は天然物または合成 物であってもよい。典型的な無機材料にはガラス、セラミック、サーメット、金 属などが含まれる。 本発明に用いられる圧力容器は、内径５ｃｍ〜５０ｃｍの、好ましくは２５ｃ ｍの円筒状容器が好ましいが、圧力容器の形は限定される必要はない。圧力容器 の壁の厚さは、特定の操作条件によって、特に操作圧力で安全に操作されるため の条件によって、適用されなければならない。 堅固な構成のカートリッジは、ラフな地形の上にそれらを輸送させることがで き、ヘリコプターによって困難な建設地に配送することができる。必要とされる パイプワーク(pipework)は圧力容器の各端のみである。カートリッジは、軽重量 であり、多くの形状、寸法および外形を与える。異なったり、種々の寸法のカー トリッジは、容易に交換できる。このような異なった供給原料特性に対するカー トリッジの調節または異なった圧力容器に適応させることが可能である。カート リッジがシール手段、特に単純なリップシールを有するので、カートリッジの圧 力容器への挿入は容易になる。 多数のカートリッジが単一の圧力容器に取り付けられると、好都合である。と りわけ、１つの基準カートリッジサイズが単純な組み立てで他のカートリッジを 接合することができ、どんな大きさの流体分離装置をも提供することができる。 単一の圧力容器のみがカートリッジの各組み立て体に必要であるので、組み立て コスト、多数の圧力容器に伴うコスト、外部パイプのコストおよび多数の流体分 離装置を維持するためのラックのコストを減少でき、最終的には透過の体積当た りのコスト減少となる。形つくられたエンドキャップをもつカートリッジを用い た組立体において、配管はさらに組み立て体中のカートリッジの数に対して単純 化される。 本発明のカートリッジもリークに対して、好都合に試験される。カートリッジ は、圧力容器内に挿入されずにリークを試験される。特に、バブル圧力試験がカ ートリッジについて行われ、ここで透過放出チューブは空気で満たされており、 端はふさがれている。次いで、中空繊維は水中に浸され、中空繊維の内管部は僅 かな空気圧に晒される。故障繊維は、空気を膜のバブルポイントより低圧で繊維 壁を通過させる。カートリッジは水中で空気の泡が現れるかどうか確認するよう に観察される。管板または中空繊維から漏れるか否かを見分けるために、空気泡 の位置から、認めることも可能である。定期的なバブル試験のため、カートリッ ジも圧力容器から容易に除去される。 本発明の流体分離装置は、海水の脱塩、かん水の脱塩、様々な廃水の精製、超 純水の調製、電着塗装における廃水からのペイントの回収のような限外濾過、キ シレン混合物からのパラキシレンの分離のような液体透過、ヘリウムの回収や水 素の精製のようなガス透過など、に適用される。どんな場合でも、本発明の装置 を用いることによって、大きなスケールの処理を効率よく実行することは可能で ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．長手方向に配列された、スライドインで交換可能な中空繊維膜カートリッジ を１つ以上有する圧力容器を具備する中空繊維膜分離装置であって、 （Ａ）前記カートリッジが、 長手方向に前記カートリッジと並ぶ中空繊維バンドルを具備し、前記 バンドルの少なくとも一端が管板に装着され、前記中空繊維が流体に対して選択 的透過性を有しており； 処理される流体が放射状に中空繊維バンドルの中に、および中空繊維 バンドルを通して流れることができる細長い供給部材を具備し； 前記細長い供給部材の内部に同心軸に収納された細長い放出部材を具 備し； 前記バンドルの端に装着されたエンドキャップを具備し、そこでは管 板の面している端部と隣接のエンドキャップとで透過水を集める空間を規定して おり、その空間は(i)中空繊維の開口端および(ii)前記細長い放出部材と流体で 連絡しており； 供給流体ボートを有する１以上の前記エンドキャップを具備し； 供給部材が前記エンドキャップのところにリップシールを有し； バンドキャップがエポキシとともにバンドルの端部上に装着されてお り、かつ （Ｂ）カートリッジが、圧力容器の中に配置され、これにより、 各バンドルの外側と圧力容器の内壁との間に第１の空間が形成され； 圧力容器の端部であり、中心からずれている最初の開口部が形成され 、それが処理されるべき流体が供給される細長い供給部材と連絡しており； 圧力コンテナーの端部における同軸の第２の開口部（あるいは複数の 開口部）が形成され、この開口部は、透過水が放出される中空繊維開口端と流体 で連絡しており； 圧力容器の端部に３番目の開口部が形成され、この開口部は、処理さ れる流体がそれを通して供給される前記端部の反対側にあり、また中心からずれ ており、それを通して残留流体が放出される、 ことを特徴とする中空繊維膜分離装置。 ２．カートリッジ中の前記中空繊維の内径が、約２０ミクロンから約２００ミク ロンであり、中空率が約１０％〜約５０％であることを特徴とする請求項１に記 載の分離装置。 ３．カートリッジ中の前記中空繊維の内径が約４０ミクロンであり、中空率が約 ２０％であることを特徴とする請求項２に記載の分離装置。 ４．カートリッジを２〜１０個、縦に直列に配列したことを特徴とする請求項１ に記載の分離装置。 ５．カートリッジが実質的に同一の大きさと外形を有することを特徴とする請求 項４に記載の分離装置。 ６．前記カートリッジが、処理されるべき前記流体を直接装置内の下流である１ つ以上のカートリッジに供給するためのインプットバイパス部材を更に具備する ことを特徴とする請求項４に記載の分離装置。 ７．最初の開口部が、バンドルの外側と圧力容器の内壁との間の前記第１の空間 および細長い供給部材と、流体で連絡しており、かつ前記第１の空間と前記細長 い供給部材への供給流体の相対的フローがバルブまたはオリフィスによって調整 されていることを特徴とする請求項１に記載の分離装置。