JP2006212514A - 流体分離素子 - Google Patents

Abstract

【課題】流体分離素子が運転中に破裂することを防ぐ。具体的には連結したときに端板同士が密着して液密状態となり圧力容器と流体分離素子との間の圧力が原水圧力と大幅に異なる状況となり、流体分離素子が破損することを防ぐこと。
【解決手段】分離膜と原水流路材、透過水流路材をスパイラル状に巻回し、圧力容器に装填して使用する流体分離素子において、流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路が確保されており、前記流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路がテレスコープ防止板に設けられていることを特徴とする流体分離素子とすること。
【選択図】図１

Description

近年、海水淡水化や半導体分野における超純水用途、さらには、一般かん水用途や有機物分離、排水再利用などを始めとする膜の透過液または濃縮液を利用するさまざまな流体分離分野において、分離膜を用いた流体分離素子の使用が急速に増加してきている。

流体分離素子の形態として、中空糸膜を用いたものや、平膜のプレートフレーム型、スパイラル型があげられる。この中で、スパイラル型の流体分離素子は、分離膜が透過液流路材と供給液流路材と共に集水管の周りにスパイラル状に巻き付けられた構造をとる。スパイラル型流体分離素子は、図１に示すように、第１の分離膜３および第２の分離膜４の３辺を互いに接着して形成した封筒状膜の間に透過液流路材５を挟み込み、これと供給液流路材６とを１つのユニットとして、単数もしくは複数ユニット用意し、集水管１の周囲にスパイラル状に巻き付けてなる。封筒状膜は集水管１側で開口している。供給液２は、流体分離素子の一方の端面から供給され、第１の分離膜３および第２の分離膜４で処理される。分離膜３、４を透過した透過液８は集水管１から取り出され、分離膜３、４を透過しなかった供給液２は、流体分離素子の他方の端面から濃縮液７として排出される。

通常スパイラル型の流体分離素子は外側をガラス繊維とエポキシ樹脂のＦＲＰシェルにより固められており、長手方向の両端にテレスコープ防止板が取り付けられた形態をとる。

流体分離素子の上流側のテレスコープ防止板にはブラインシールと呼ばれるシール部材があり、原水が流体分離素子の外側ＦＲＰと圧力容器の隙間へショートパスするのを防いでいる。ブラインシールはＯリング等でもよいが、圧力容器への装填性からＵシール等が用いられることが多い。Ｕシールは、上流側から流体が流れてきた際にはＵ部分が開いてテレスコープ防止板と圧力容器を液密にシールする。下流側からの流れに対してはその構造上液密にシールすることはできない。
使用時には、圧力容器の中に１〜６本程度直列に装填して使用され、該圧力容器を多数本ラックの上に設置して大容量の処理に対応する。

通常は複数の流体分離素子を直列に装填した場合、連続する二つの流体分離素子のうち、上流の流体分離素子は下流側のテレスコープ防止板と、下流側の流体分離素子は上流側のテレスコープ防止板のすきまから、上流側の流体分離素子の外側と圧力容器の間の空間に流体が流れ込むことができるため、流体分離素子の外側のＦＲＰ内外は同じ圧力となる。

しかしながら、実運転の状況では、装置の構造、運転状況、使用状況等なんらかの原因で、圧力容器に装填した複数本の流体分離素子のテレスコープ防止板が密着した状態になるケースがまれに発生することがある。また、ブラインシールがなんらかの状況で、下流側からの流体を液密にシールするような状態が発生することがある。
この際、流体分離素子のＦＲＰシェルの内外に圧力差が生じる。すなわち、ＦＲＰ外側は装填時の大気圧で、内側は原水圧力となり、海淡用の場合は６〜９ＭＰａにも達する。そのため、この状態が発生すると流体分離素子の外側ＦＲＰ部分は圧力差に耐え切れずに破裂を起こし、内包する膜に損傷が発生して著しい性能低下を起こしてしまうケースがある。
従来、流体分離素子の外側ＦＲＰシェルの内外を連通させる（例えば特許文献１参照）の流体分離素子があるが、ブラインシール背後のシェル部分に原液通路を開口したものであり、シェルと圧力容器のすきまに原水が滞留するのを防止する目的である。この場合原水が開口部からショートパスしてしまい、流体分離素子の膜面部分を有効に流すことができず、性能が悪化するため、特に滞留を嫌う食品用途等に限定された使用法である。

その他、テレスコープ防止板は、接続時に簡単にシールできるもの（例えば、非特許文献１参照）や、テレスコープ防止板に無数の孔をあけ原水の偏流を防ぐタイプ（例えば、非特許文献２参照）が用いられているが、いずれも不測のケースでは、端板同士が密着して破裂を起こす危険性がある。
実開平5-93530号公報 ジョンソン ジェイ（Johnson Ｊ）アイレック インターロッキング エンドキャプス メイクシーウォーター デズリネイション プロセッシング イージアー レス エクスペンシブ （iLEK interlocking Endcaps Make Seawater Desalination Processing Easier Less Expensive） ［online］、 ダウケミカルカンパニー（Dow Chemical Company）、２００４年８月３１日、ダウケミカルカンパニーホームページ［平成１７年１月２０日検索］、インターネット<ＵＲＬhttp://www.dow.com/webapps/lit/litorder.asp?filepath=liquidseps/pdfs/noreg/609-00466.pdf> ハイドロノーティクス（HYDRANATUICS）、フラッシュカットエレメントデザイン（FLUSH CUT ELEMENT DESIGN）、テクニカルサービスブレテイン（Technical Service Bulletin）、[online]２００２年９月、ハイドロノーティクスホームページ［平成１７年１月２０日検索］、インターネット<ＵＲＬ：http://www.membranes.com/docs/tsb/tsb103.pdf>

本発明は、流体分離素子が運転中に破裂することを防ぐことを課題とする。具体的には連結したときに端板同士が密着して液密状態となり圧力容器と流体分離素子との間の圧力が原水圧力と大幅に異なる状況となり、流体分離素子が破損することを防ぐことを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成からなる。すなわち、
（１）分離膜と原水流路材、透過水流路材をスパイラル状に巻回し、圧力容器に装填して使用する流体分離素子において、流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路が確保されており、前記流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路がテレスコープ防止板に設けられていることを特徴とする流体分離素子。

（２）流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路が、テレスコープ防止板のブラインシール装填シール部より長手方向端部側に開けられた孔であることを特徴とする（１）記載の流体分離素子。

（３）流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路が、テレスコープ防止板表面に刻まれた溝であることを特徴とする（１）記載の流体分離素子。
（４）流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路が、テレスコープ防止板表面に設けられた凸部同志があわされてテレスコープ防止板の間に形成された隙間であることを特徴とする（１）に記載の流体分離素子。

（５）分離膜と原水流路材透過水流路材をスパイラル状に巻回し、圧力容器に装填して使用する流体分離素子において、流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路が確保されており、前記流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路が下流側のテレスコープ防止板またはテレスコープ防止板付近に設けられたことを特徴とする流体分離素子。
により構成される。

本発明によって得られる効果は、テレスコープ防止板や外側シェルに孔、溝、凸部等を設けることにより液密状態の発生を防ぎ流体分離素子の破裂を防ぐことができることである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明の適用される流体分離素子は、主にスパイラル型の流体分離素子であるが、外側シェルを持ち、圧力容器に装填され、圧力容器と流体分離素子の隙間に流体が流れることを防ぐブラインシール様の部材を使用するものであれば、特にその形態は問わない。

通常の運転では、図２のように直列に装填された流体分離素子の間は特にシール手段を備えておらず、液密とはならないため、流体分離素子外側シェルと圧力容器の隙間は原水圧力と同じとなり、外側シェルに破裂方向の力がかかることはない。しかしながら、運転状況、原水中の物質その他なんらかの理由により、上流側流体分離素子の下流側テレスコープ防止板と下流側流体分離素子の上流側テレスコープ防止板の間が液密になるケースがまれに発生する。この場合でも、最下流流体分離素子の下流側から流体分離素子の外側シェルと圧力容器の隙間を伝って原水の圧力が最上流の流体分離素子までかかるはずであるが、例えば図３のように、スラストリング等により、最下流流体分離素子の下流側と圧力容器の蓋がなんらかの理由により液密となった場合や、ブラインシールが流体分離素子と圧力容器との間にはさまり、下流から上流への流通を妨げる場合、ブラインシールがＯリング等上下流向きに関係なく液密にシールする方式等においては、圧力容器と流体分離素子の隙間と流体分離素子の内側の間に圧力差が生じる。ここで、外側シェルは通常ガラス繊維を樹脂で固めＦＲＰが用いられることが多いが、テープ巻きやフィルム巻き等、流体分離素子内側と外側を略液密にできるものを含む。
流体分離素子の外側シェル内外に圧力差は、原水圧力となるため、特に海水淡水化では約６ＭＰａの圧力を受けるため、ＦＲＰのシェルでも破壊される条件となる。

本発明は、圧力差が生じないように、連通する通路を設けることを主旨としており、その形態としては、例えば図４のように、テレスコープ防止板に圧力容器と流体分離素子の隙間に連通する通路を設ける方法があげられる。
この際、破裂防止のみを目的とするのであれば、ブラインシールと連通通路の位置関係を気にすることはないが、本来ブラインシールは流体分離素子と圧力容器の隙間に原水がショートパスして流体分離素子の性能が低下することを防ぐことを目的としているため、少なくとも流体分離素子の上流側テレスコープ防止板では、ブラインシール直近下流に連通通路があいていないほうが望ましい。

連通通路、穴、凸部等の個数は、１〜２４個程度で好ましくは４〜１２程度がよく、デザイン上リブ等の位置に合わせて設置する方法が製造上好ましい。穴、溝、凸部等の連通通路の総面積は、圧力を均等にするために流体が同通することを目的としているため、比較的小さな面積でもよく、２ｍｍ^２以上であればほぼ目的を達成することができる。また、総面積の上限は機能からいえばないが、必要以上に多くとると端板部が大きくなり、膜面積の減少を余儀なくされるため、実質的には６０００ｍｍ^２程度までである。実際には、２〜１００ｍｍ^２程度が機能および膜面積への影響等を考慮すると、より好ましい。
穴、溝、凸部の形状については 丸、三角、四角、半円、ロゴ、刻印、模様等で、外側シェルおよびテレスコープ防止板に連通通路となり流路を確保できるのであればよいが、製造上の観点からも孔であれば丸、溝であれば半円、矩形の溝が容易に実施しやすい形態である。

ただ単に破裂を防ぐことのみを目的とするのであればコネクターにつば等の形態をもたせてエレメント間にすきまを開ける方法もあるが、全長および部品加工性の面では有利ではない。その他、薄いリング状の部材を装填時に流体分離素子の間にはさむ方法等もあるが作業性の面と全長変化の面から、有利ではない。

本発明は、複数の流体分離素子を装填した際に、隣り合う２つの流体分離素子のテレスコープ防止板表面の外周部が実質的に接触するか、または略接触状態にあるタイプのエレメントに適用される。通常このタイプは隣り合うエレメントの透過水の接続を中心パイプ内径部に入るコネクターで接続されるタイプが多い。

また、通常テレスコープ防止板は射出成形により、上流下流共同じものを使用していることが多く、上流・下流用と違うタイプのテレスコープ防止板を製作するのは経済的ではない。従って、テレスコープ防止板に連通通路を設ける場合は、ブラインシールより流体分離素子長手方向端部側に連通通路を設置することが望ましい。
連通通路の形態としては、孔があるが、他にも本発明の目的からすれば、直列する２つの流体分離素子間に連通通路が形成されるものであってもかまわない。具体的な形態としては、図５のように、テレスコープ防止板の表面に溝を刻んでおくことにより、直列する２つの流体分離素子間に、流体分離素子と圧力容器の隙間への連通通路を形成することができる。また、図６のようにテレスコープ防止板表面に凸部を設けておくことにより、同様に直列する２つの流体分離素子間に、流体分離素子と圧力容器の隙間への連通通路を形成することができる。

溝の形態としては、放射状が設計上容易であるが、射出成形の型抜きの都合やその他の理由により、平行状の溝でもよく、また放射状の本数についても、連通通路を形成できればよく、特に図により限定するものではない。

凸部の形態も同じく連通通路を形成するものであればよく、例えばテレスコープ防止板表面に会社のロゴマーク等を盛り上げて設けたようなものでもよく、また見た目にはデザイン模様に見えるものでもよく、大きさ、形状を図により特に限定するものではない。

図５の例では上下流同じテレスコープ防止板を使用している例であるが、図７のように、上・下流どちらかのテレスコープ防止板に連通通路を設けた例でも本発明の目的は達成することができる。

連通通路を確保する点から考えれば、テレスコープ防止板にこだわる必要はなく、例えば図８のように流体分離素子の外側シェルに孔等の連通通路を設置する方法でも本発明の目的は達成することができる。このとき、原水のショートパス防止の理由から流体分離素子下流部に連通通路を設置することが望ましい。

凸部は、半円、三角、四角、ロゴ、模様等様々あるが、これに限定するものではない。サイズについては、総面積は、２ｍｍ^２〜６０００ｍｍ^２程度がよい。さらに好ましくは２〜１００ｍｍ^２程度であるが、これによって限定するものではない。

（実施例１）
流体分離素子の外側シェルの下流側テレスコープ防止板から３０ｍｍのところにφ１ｍｍの孔を２箇所、１８０度対向で開けた。

模擬的に流体分離素子内外に圧力差がかかるようにするため、図９のようにブラインシールを流体分離素子の上、下流に装着し、圧力容器に装填した。

原水供給条件はブライン流量１３０Ｌ／ｍｉｎ、全溶質濃度３．５重量％の海水、９ＭＰａの条件となるように設定し、運転を開始した。

６０分後圧力容器から流体分離素子を取り出し、破損状況を確認した。流体分離素子に損傷はなく、外側シェルも観察の結果、破損等の形跡はみあたらなかった。

（実施例２）
テレスコープ防止板の表面に、放射状に深さ１．５ｍｍの半円状の溝を１２箇所きざんだ。

ブラインシールを加工して上下流どちらにも液密となるようにして、流体分離素子上流部に装着した。６本入り直列の圧力容器に６本の流体分離素子を装填した。このとき、流体分離素子列上・下流側に側面に内外との連通通路がないスラストリングを装着し、圧力容器の蓋で流体分離素子列を３mm圧縮し、流体分離素子の内と圧力容器の隙間の間が略液密となるようにした。

原水供給条件は、ブライン８０Ｌ／ｍｉｎ、全溶質濃度３．５重量％の海水、５．５ＭＰａの条件とし、スタートから５分かけて立ち上げた。

１５分後圧力容器から流体分離素子を取り出し、破損状況を確認した。流体分離素子には損傷はなく、外側シェルも間接の結果、破損等の形跡はみあたらなかった。

（実施例３）
テレスコープ防止板に図６のように高さ１．５mmの凸部を放射状に設けた。

ブラインシールを加工して上下流どちらにも液密となるようにして、流体分離素子上流部に装着した。６本入り直列の圧力容器に６本の流体分離素子を装填した。このとき、流体分離素子列上・下流側に側面に内外を連通通路がないスラストリングを装着し、圧力容器の蓋で流体分離素子列を３mm圧縮し、流体分離素子の内と圧力容器の隙間の間が略液密となるようにした。

原水供給条件は、ブライン８０Ｌ／ｍｉｎ、全溶質濃度３．５重量％の海水、５．５ＭＰａの条件とし、スタートから１分で立ち上げた。

１５分後圧力容器から流体分離素子を取り出し、破損状況を確認した。流体分離素子には損傷はなく、外側シェルも間接の結果、破損等の形跡はみあたらなかった。

（実施例４）
テレスコープ防止板の下流側のみを図７のように、放射状に１．５mm削った。

ブラインシールを加工して上下流どちらにも液密となるようにして、流体分離素子上流部に装着した。６本入り直列の圧力容器に６本の流体分離素子を装填した。このとき、流体分離素子列上・下流側に側面に内外を連通通路がないスラストリングを装着し、圧力容器の蓋で流体分離素子列を３mm圧縮し、流体分離素子の内と圧力容器の隙間の間が略液密となるようにした。

原水供給条件は、ブライン８０Ｌ／ｍｉｎ、全溶質濃度３．５重量％の海水、５．５ＭＰａの条件とし、スタートから５分かけて立ち上げた。

１５分後圧力容器から流体分離素子を取り出し、破損状況を確認した。流体分離素子には損傷はなく、外側シェルも間接の結果、破損等の形跡はみあたらなかった。

（実施例５）
流体分離素子の外側シェルの下流側テレスコープ防止板から２０mmのところにφ２ｍｍの孔９０度毎に４つ等配であけた。

模擬的に流体分離素子内外に圧力差がかかるようにするため、図９のようにブラインシールを流体分離素子の上、下流に装着し、圧力容器に装填した。

原水供給条件はブライン流量１３０Ｌ／ｍｉｎ、全溶質濃度３．５重量％の海水、９ＭＰａの条件となるように設定し、運転を開始した。

６０分後圧力容器から流体分離素子を取り出し、破損状況を確認した。流体分離素子に損傷はなく、外側シェルも観察の結果、破損等の形跡はみあたらなかった。

（比較例１）
外側シェルにも端板部にも本出願の連通孔のない通常の流体分離素子（東レ（株）社製 ＴＭ８２０−４００）を準備した。

模擬的に流体分離素子内外に圧力差がかかるようにするため、図１０のようにブラインシールを流体分離素子の上、下流に装着し、圧力容器に装填した。

原水供給条件はブライン流量１３０Ｌ／ｍｉｎ、全溶質濃度３．５重量％の海水、９ＭＰａの条件となるように設定し、運転を開始した。

１０秒後破裂音がしたため運転を中止し、流体分離素子を圧力容器から取り出したところ、流体分離素子の外側シェルが破裂し、中の膜が裂けてとびだしていた。

（比較例２）
外側シェルにも端板部にも本出願の連通孔のない通常の流体分離素子（東レ（株）社製 ＴＭ８２０−４００）を６本準備した。

ブラインシールを加工して上下流どちらにも液密となるようにして、流体分離素子上流部に装着した。６本入り直列の圧力容器に６本の流体分離素子を装填した。このとき、流体分離素子列上・下流側にスラストリングを装着し、圧力容器の蓋で流体分離素子列を３mm圧縮し、流体分離素子の内と圧力容器の隙間の間が略液密となるようにした。

原水供給条件は、ブライン８０Ｌ／ｍｉｎ、全溶質濃度３．５重量％の海水、５．５ＭＰａの条件とし、スタートから5分かけて立ち上げた。

スタート後５分から６分の間に３度破裂音がしたため装置を停止し、圧力容器から流体分離素子を取り出し、破損状況を確認した。上流側から１、３、４本目の計３本の流体分離素子の外側シェルが破裂し、中の膜が裂けてとびだしていた。

本発明の一実施態様により製造される流体分離素子の概略一部展開図である。 従来形状の端板を使用し直列に装填した図である。 従来形状の端板を使用し直列に装填した流体分離素子の下流側流体分離素子の最下流にスラストリングを使用し図である。 テレスコープ防止板に圧力容器と流体分離素子の隙間に連通通路をあけた図である。 テレスコープ防止板の表面に溝を刻んで直列に装填した図である。 テレスコープ防止板の表面に凸部をつくり直列に装填した図である。 テレスコープ防止板の下流側表面のみに溝を刻んで直列に装填した図である。 下流側テレスコープ防止板付近の外側シェルに連通する通路をあけた図である。 下流側テレスコープ防止板から20mmの所の外側シェルにφ２の孔をあけ上下流両方にブラインシールをして装填した図である。 比較例で流体分離素子の上下流両側のテレスコープ防止板にブラインシールを装着して装填した図である。

符号の説明

１：集水管
２：供給液
３：第１の分離膜
４：第２の分離膜
５：透過液流路材
６：供給液流路材
７：濃縮液
８：透過液
９：テレスコープ防止板
１０：ブラインシール
１１：外側シェル
１２：隙間
１３：連通通路
１４：スラストリング
１５：溝
１６：凸部

Claims (5)

1. 分離膜と原水流路材、透過水流路材をスパイラル状に巻回し、圧力容器に装填して使用する流体分離素子において、流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路が確保されており、前記流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路がテレスコープ防止板に設けられていることを特徴とする流体分離素子。
2. 流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路が、テレスコープ防止板のブラインシール装填シール部より長手方向端部側に開けられた孔であることを特徴とする請求項１に記載の流体分離素子。
3. 流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路が、テレスコープ防止板表面に刻まれた溝であることを特徴とする請求項１に記載の流体分離素子。
4. 流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路が、テレスコープ防止板表面に設けられた凸部同志があわされてテレスコープ防止板の間に形成された隙間であることを特徴とする請求項１に記載の流体分離素子。
5. 分離膜と原水流路材、透過水流路材をスパイラル状に巻回し、圧力容器に装填して使用する流体分離素子において、流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路が確保されており、前記流体分離素子の原水側流路と流体分離素子と圧力容器の間の隙間に連通する通路が下流側のテレスコープ防止板またはテレスコープ防止板付近に設けられたことを特徴とする流体分離素子。

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