JPH01199623A

JPH01199623A - ガス分離装置

Info

Publication number: JPH01199623A
Application number: JP1863388A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kiuchi; 政行木内
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1987-10-21
Filing date: 1988-01-29
Publication date: 1989-08-11

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、原料ガス導入口、透過ガス出口および未透過
ガス排出口を有する筒型容器内に、種々の混合ガスに対
して特定のガス成分（例えば水素ガス成分、水蒸気成分
など）を選択的に透過させることができる性能（選択透
過性又はガス分離性能）を有する中空糸の糸束から形成
されている特殊な糸束組立体が、適当な配置で内蔵され
ている「特定のガス分離装置（ガス分離モジュール）」
に係るものである。

本発明のガス分離装置は、特に原料ガスとして水素ガス
成分、水蒸気ガス成分を含有する種々の混合ガスを供給
して、分離、濃縮、精製などの用途に使用した場合に、
水素ガス又は水蒸気に対して高いガス分離性能を示すこ
とができるものである。

〔従来の技術及びその問題点〕

ガス分離性能を有する中空糸から形成された糸束組立体
（その糸束の両端に樹脂壁および封止板が形成されてい
る糸束組立体）が内蔵されており、しかも原料ガス導入
口、透過ガス出口および未透過ガス排出口が設けられて
いる筒型容器からなるガス分離装置は、従来より種々の
形式のものが知られている。

しかし、従来のガス分離装置は、原料ガス供給口からそ
の装置の内部に供給された原料ガス（混合ガス）が、前
記装置内の糸束を内蔵する個所の一部（糸束の中心部、
両端部など）で、偏流、滞留などを起こすので、糸束の
一部にガス分シ１１性を充分に示さないデッドスペース
を生しやすかったのである。すなわち、前記のデッドス
ペースでは、透過性（透過速度）の高いガス成分を高濃
度で充分に含有している新しい原料ガスを、中空糸の表
面と効果的に接触させることが困難であり、従って、前
記糸束のデッドスペースでは、しだいに透過性の低いガ
ス成分の濃度が高くなり、透過性の高いガス成分を中空
糸内の中空部に透過させて原料ガスから特定のガス成分
を分離するという「中空糸の糸束本来のガス分離性能」
が充分に発揮されないという問題があった。

従って、本発明の目的は、内蔵する糸束にデ・νＦスペ
ースが生じることを防止し、該糸束全体にガス分離性能
を充分に発揮させ、ガス分離性能を大巾に向上したガス
分離装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者は、ガス分離装置に内蔵されている糸束の内部
に、未透過ガス排出口に連通する複数の多孔芯管を配設
し、しかも咳芯管に対する孔の穿設を工夫することによ
り上記目的を達成できることを知見した。

即ち、本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、
原料ガス導入口、透過ガス出口および未透過ガス排出口
を有する筒型容器内に、（ａ）選択透過性を存する多数
の中空糸からなる糸束、（ｂ）前記糸束の一端部を、各
中空糸が貫通させて開口させた状態で固着している、硬
化性樹脂から形成された樹脂壁、及び（ｃ）前記糸束の
他端部の各中空糸を封止して固着している、硬化性樹脂
から形成された封止板からなる糸束組立体が、内蔵され
ているガス分離装置において、複数の多孔芯管が、その
一端部が前記未透過ガス排出口に連通した状態で前記封
止板に埋設固定されて前記糸束の内部に配されており、
該多孔芯管にはそれぞれ管壁を貫通ずる孔が咳封止板に
近い程高密度で設けられていることを特徴とするガス分
離装置を提供するものである。

尚、本発明において、［封止仮に近い程高密度」の表現
には、連続的に密度が変化する場合に限らず、一定の範
囲内では同密度である場合をも含んでいる。

〔実施例〕

本発明のガス分離装置を、図面に示す実施例について説
明する。

第１図は本発明のガス分離装置の好ましい一実施例の概
略を示す縦断面図である。

本発明のガス分離装置は、以下に説明する原料ガス導入
口から原料ガスを装置内に供給することにより、所望の
成分ガスに富んだ透過ガスを透過ガス出口から取り出し
、残りの成分ガスを未透過ガス排出口から排出し、上記
所望の成分ガスの分離を行う装置である。

第１図に示すガス分離装置は、その外枠が原料ガス導入
口１、透過ガス出口２及び未透過ガス１１ト出口３を有
する筒型容器４からなり、該筒型容器４には選択透過性
を有する多数の中空糸５ａを束ねて形成した糸束５が次
に示す糸束組立体として内１代されているものである。

上記糸束５は、図中透過ガス出口２側の一端部で硬化樹
脂からなる樹脂壁６により、また、図中未透過ガスｆＪ
ｊ出口３側の他端部で同しく硬化樹脂からなる封止板７
によりそれぞれ固着され、全体として糸束組立体を形成
している。この糸束組立体において、上記糸束５を構成
する各中空糸５ａは、上記樹脂壁６においては該樹脂壁
６を貫通し、上記透過ガス出口２側の空間にその一方の
先端が開口した状態で、また上記封止板７においてはそ
の他方の先端が該封止板７に封止された状態でそれぞれ
密着して固着されている。

第１図に示す実施例では、上記糸束５の内部に、複数の
多孔芯管が、即ち何れもその一端部（図中、右端部）が
上記封止板６に、前記未透過ガス排出口３に連通した状
態で埋設固定（密着状態で固着）されている長尺の多孔
芯管８及び短尺の多孔芯管８ａがそれぞれ配設されてい
る。

また、上記長尺の多孔芯管８及び短尺の多孔芯管８ａの
何れも、該糸束５を構成する中空糸５ａの長さ方向と同
方向に配されており、それらの管壁には該管壁を貫通す
る多数の孔９が、上記封止板７に近い位置程密に穿設さ
れている。

また、上記封止板７の周囲と筒型容器４の内壁との間に
は封止用のシール材１０が介設されている。

ガス分離装置を上記構成にすることにより、該ガス分離
装置が優れたガス分離性能を発揮することが明らかにな
った。これ番才、複数の上記多孔芯管８及び８ａを糸束
５の内部に上述の如く配することにより、該糸束５の内
部にガス流の偏流や帯留が生じることを有効に防止でき
るからであると解される。

続いて、上記ガス分離装置について詳述する。

上記実施例の筒型容器４は、所定の気密性及び耐圧性を
備えたものであれば、その形成材料は特に限定されず、
金属、プラスチック又はセラミック等により形成できる
。

前記糸束５を構成する中空糸５ａは、ガスに対して選択
透過性を有するものであれば、その材質又はタイプ等の
種類は特に問われない。例えば、材質としては、セルロ
ース、ポリアクリルニトリル、ポリエステル、ポリエー
テル、ポリアミド、ポリイミド又はシリコン樹脂等を、
またタイプとしては非対称性分離膜又は複合分離■り等
を好ましく挙げることができる。

また、樹脂壁６及び封止板７を構成する硬化樹脂も特に
制限されるものでなく、例えばポリウレタン樹脂、フェ
ノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を好適に利
用できる。

実施例において、長尺の多孔芯管８は、糸束５内部の中
央部に配されており、その他端部（図中左端部）が樹脂
壁６に達し、その位置で埋設固定され且つ該他端部の開
口が該樹脂壁６により封じられている。但し、上記他端
部は、それ自体が封しられている構造のものであっても
よい。また、短尺の多孔芯管８ａは上記長尺の多孔芯管
８と同径の４本からなり、これら４本の多孔芯管８ａが
、上記長尺の多孔芯管８を回転軸として該多孔芯管８の
周りの回転対称の位置に配されている。そして、これら
の多孔芯管８ａの他端部はそれ自体が封止構造になって
いる。上記多孔芯管８及び８ａは、プラスチック又は金
属等の円管に穿設して容易に形成できる。

上述の如く、上記多孔芯管８及び８ａには、孔９が封止
板７に近い位置程多く、即ら高密度で設けられている。

但し、具体的な孔９の数（総占有面積）及びその配置は
、ガス分離装置自体の大きさ、即ち内蔵する糸束５の大
きさ、供給する原料ガスの量、使用する多孔芯管の種類
及びその数等により適宜変更される。尚、孔９を封止板
７に近い程高密度で設けることは必ずしも連続してその
密度が変化する場合に限らず、一定の範囲内では同密度
である場合でもよい。

特に、上記長尺の多孔芯管８においては、原料ガス導入
口１に近過ぎる位置に孔９を設けると原料ガスと中空糸
５ａとの充分な接触がなされないまま該ガスが未透過ガ
ス排出口３から排出されることになる。従って、上記孔
９は、封止板７から糸束５の有効長（樹、４壁６から封
止板７までの原料ガスと接触可能な糸束５の長さ）の４
１５　（８０％）に、好ましくは３／４に対応する位置
までの範囲以内に設けるべきである。但し、これに限定
されるものでない。また、その際の穿孔の程度は、上記
封止板７から上記有効長の２０％に対応する位でまでの
範囲以内において、その管壁総面積に対する孔９の総占
有面積の比率が５〜５０％、好ましくは１０〜４０％で
ある。

以上説明した如く、本発明の第１図に示す実施例では、
糸束５の中心に上述の長尺の多孔芯管８が配設されてい
るため、特に封止板７に近接する場所におけるガス流の
帯留を効果的に解消し、しかも原料ガス導入口ｌから供
給された原料ガスを糸束５の全体に亘って該糸束５を構
成する中空糸５ａと充分に接触させることが可能となり
、ガスの分離効率の向上が達成される。特に、上記長尺
の多孔芯管８は、糸束５の中心部付近に原料ガスが流れ
難いためにデッドスペースを生じ易い大型のガス分離装
置の場合に有効である。尚、長尺の多孔芯管８を採用す
る場合は、上記糸束５を製造する際に中空糸５ａを束ね
るための軸芯として利用できるため該糸束５を容易に製
造できるという他の利点もある。

また、短尺の多孔芯管８ａを、上記長尺の多孔芯管８の
周りに前述の如く１転対称に配置することにより、糸束
５の内部におけるガス流を該糸束５の全体に亘って均一
にすることが可能となり、−段とガスの分離効率を向上
することが可能となる。

更に、実施例の如く多孔芯管８，８ａを未透過ガス排出
口３にｉ！！通した状態で封止板７に埋設固定すること
により、多孔芯管を使用せずに単に封止板に排出孔（図
示せず）を設ける場合のように、経時的に該排出孔が中
空糸５ａで徐々に閉塞され、未透過ガスの排出が困難に
なるという事態の発生を防止することができる利点もあ
る。

以上、本発明のガス分＾１１装置の第１図に示す好まし
い一実施例を詳述してきたが、次に該ガス分離装置によ
る有効性を明らかにするために試験（２１ｊと比較例と
を取り挙げ、次に示す。

〔試験例〕

内径約２００ａで、その厚さが約９０μであるポリイミ
ド中空糸を束ねて作成した直径２１０ｍｍ、長さ３１０
０ｍｍの糸束５の内部に、その中央に１本の長尺の多孔
芯管８と、その周囲に４本の短尺の多孔芯管８ａとを配
し、これらを上記糸束５の両端部で、エポキシ樹脂系熱
硬化性樹脂によって完全一体に固着して固定した後、一
端部の固着樹脂を直角に切断して各中空糸が該固着樹脂
を貫通してそれぞれ開口している樹脂壁６となし、第１
図に示すと略同様の糸束組立体を製作した。この場合、
糸束５の有効長は３，０００ｍｍであった。

多孔芯管８及び８ａは全て外径２８ＩＩＩＩＩｌΦ、肉
厚１、５　ｍｍ　ｔのアルミニウム製パイプに穿設加工
したものであり、糸束５の中央部に配した多孔芯管８は
樹脂壁６まで達しており且つその開口端には固着樹脂が
埋め込まれて封止されている。糸束５の周辺部に配した
４本の多孔芯管８ａは上記長尺の多孔芯管８を回転軸と
した回転対称の位置にあり、その先端部は予め封止され
ている。

多孔芯管８にあけられている孔の配置は、糸束５の中央
部に配した多孔芯管８でくよ封止（反側から約２０００
ｍｍのところまであけられており、封止板側から約３０
（１＋ｍの間は、直径３ｍｍΦの孔が等間隔に１２００
個設けられており、封止板側から約３００ｍｍ〜約２０
００ｍｍの間は２ｍｍΦの孔が等間隔に１４０個設けら
れている。また糸束５の周辺部に配した４本の多孔芯管
８ａの長さは全て３００ｍｔｍであり、直径３ｍｍΦの
孔が１２００個設けられている。

前述のように製作した糸束組立体を、第１図に示すよう
に、原料ガス導入ロＩ、透過ガス出口２及び未透過ガス
排出口３が設けられていう筒型容器４に収納し、樹脂壁
６を筒型容器４の透過ガス出口２に近接した保持構造の
個所で密着及び密封させて固定した。尚、封止Ｆｉ７と
筒型容器４はシール材１０でシールされている。

前述のようにして製造したガス分離装置（本発明装置）
を用いて、ガス分離性能試験及び純ガス透過試験を次の
測定条件下で行った。その結果を第１表に示す。

（測定条件）ガス分離試験において、試験に使用した混合ガスは、窒
素ガス５０容量％及び水素ガス５０容量％からなる混合
ガスであり、供給する混合ガスはそのガス流速を第１表
に示したように３段階で行い、また、供給する混合ガス
の圧力は、２０ｋｇ／ｃＪｃであり、さらに、糸束の樹
脂壁の各中空糸の開口部側は、大気圧に開放した状態に
して、大気圧とほぼ同じ圧とした。

また、ガス分離試験において、ガス分離度（選択透過性
）は、水素ガスの透過速度を窒素ガスの透過速度で割っ
て算出される値で示す。

なお、比較のために、水素ガスまたは窒素ガスのみの純
ガスを使用して、ガス透過試験（実質的にガス分離試験
と全く同じである）を行い、その結果から純ガスの各透
過速度から算出される純ガス分離度（理論分離度）も第
２表に示す。

さらに、前述の混合ガスの分離度を純ガスの分離度で割
って１００倍して算出された値を、分離効率として、同
様に第１表に示す。

前記の第１表に示す各ガスの透過速度の単位は、（Ｘ　
１０−’）　ｃ４／ｃｄ　・ｓｅｃ　　−ｃｍｌｌｇで
ある。

［比較例］糸束組立体を製作する際に、多孔芯管を使用せず、且つ
それに応じて封止板の径を小さくした他は、上記試験例
と同様にして糸束組立体を製作した。そして、その糸束
組立体を使用し、上記試験例の場合と同様にしてガス分
離装置を製造した。

その際、未透過ガスを排出させるためにその糸束組立体
の封止板の周面と筒型容器の内周面との間隔を約５１の
間隔で開口したままにした。　　・前述のようにして製
造したガス分離装置（比較装置）について、上記試験例
の場合と同じ測定条件下でガス分離性能試験等を行った
。その結果を、上記試験例の場合の結果と共に第１表に
示す。

上記第１表より、本発明のガス分離装置が、比較装置に
比して全てのガス流速において優れた水素ガスの透過速
度及び該水素ガスに対するガス分離効率を有しているこ
とが明らかである。

以上、本発明のガス分離装置の一実施例を具体的に詳述
してきたが、本発明は前記実施例に限定されるものでな
く、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であるこ
とはいうまでもない。

例えば、多孔芯管の種類及びその配置は前記実施例のも
のに限るものでなく、第２図又は第３図に、それぞれ概
略断面図及び右側面図を示す糸束組立体を内蔵するガス
分離装置であってもよい。

即ち、第２図に示す如く、短尺の多孔芯管８ａが長尺の
多孔芯管８よりその径が小さい場合でも、また第３図に
示す如（全てが短尺の多孔芯管８ａである場合であって
もよい。

また、長尺の多孔芯管８と短尺の多孔芯管８ａとを併設
する場合は、ガスの分離効率の向上を図るためには、必
ずしも前記の如く回転対称の位置に短尺の多孔芯管８ａ
を配置する場合に限るものでなく、糸束５内部における
ガス流を均一に形成できるのであれば他の配置であって
もよいことはいうまでもない。

更に、実施例では１本の長尺の多孔芯管８と４本の短尺
の多孔芯管８ａとからなる場合を示したが、これに限ら
ず、多孔芯管の種類及びその本数は、ガス分離装置の大
きさ及び原料ガスの供給量により適宜選択可能である。

一般的には、内蔵する糸束の径が大きくなる程多孔芯管
の本数を増し、装置の大きさその他の条件が同じであっ
て原料ガスの供給量が増加する場合には穿設する孔の数
を増すことが効果的である。

また、多孔芯管としては、プラスチック等からなる管に
孔を穿設したものに限らず、それ自体が多数の細孔を有
する、焼結金属又は発泡プラスチック等の多孔質材料で
形成してもよい。

更に、実施例では、糸束５（糸束組立体として）が直に
筒型容器４に内蔵されている場合を示したが、第４図の
概略縦断面図に示すように、糸束５を筒型容器４に支持
部材１１を介して保持されているフィルム状物質１２で
ｖｊ、’＆し、該フィルム状物質１２と糸束５の外周部
との間に、該外周部に沿って流動するガス流を制限する
ための制限壁１３を設けてもよい（尚、第４図では多孔
芯管を省略しである）。この制限壁１３は上記外周部の
全周囲に連続して形成されており、例えば上記フィルム
状物質１２に所定の孔又はスリット（何れも図示せず）
を設け、該孔又はスリットから反応性シリコンゴム等の
固化性物質を注入することにより形成することができる
。

〔発明の効果〕

本発明のガス分離装置は、内蔵する糸束内部に、ガス流
の偏流や帯留に起因するデッドスペースが生じることを
防止できるため、該糸束内部に供給原料ガスの均一な流
れを形成できるので、該糸束を構成する各中空糸にガス
分離性能を充分に発揮させることが可能となり、それ故
に装置全体としてのガス分離性能を大［１］に向上する
ことが可能となる。従って、本発明はデッドスペースが
生し易い大型サイズの糸束を内蔵する装置に適用すると
特に有効である。。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガス分離装置の好ましい一実施例の概
略を示す縦断面図、第２図、第３図及び第４図はそれぞ
れ本発明の他の実施例の要部を示す概略断面図である。１・・・原料ガス導入口２・・・透過ガス出口３・・・未透過ガス排出口４・・・筒型容器５・・・糸束、　　　　　　　５ａ・・中空糸６・・・
樹脂壁、　　　　　７・・・封止板８．８ａ・・・多孔
芯管９・・・孔、　　　　　　　１１・・・支持部材１２・
・・フィルム状物質、１３・・・制限壁特許出願人　　
　　宇部興産株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

（１）原料ガス導入口、透過ガス出口および未透過ガス
排出口を有する筒型容器内に、（ａ）選択透過性を有す
る多数の中空糸からなる糸束、（ｂ）前記糸束の一端部
を、各中空糸が貫通させて開口させた状態で固着してい
る、硬化性樹脂から形成された樹脂壁、及び（ｃ）前記
糸束の他端部の各中空糸を封止して固着している、硬化
性樹脂から形成された封止板からなる糸束組立体が、内
蔵されているガス分離装置において、複数の多孔芯管が
、その一端部が前記未透過ガス排出口に連通した状態で
前記封止板に埋設固定されて前記糸束の内部に配されて
おり、該多孔芯管にはそれぞれ管壁を貫通する孔が該封
止板に近い程高密度で設けられていることを特徴とする
ガス分離装置。
（２）前記複数の多孔芯管が、糸束の略中央部に設けら
れ且つその他端部が前記樹脂壁に埋設固定されて封じら
れている長尺の多孔芯管と、該多孔芯管を回転軸として
その周りの回転対称位置に配設された短尺の多孔芯管と
からなる特許請求の範囲第（１）項記載のガス分離装置
。
（３）前記長尺の多孔芯管に設けられている孔が、前記
封止板から糸束の有効長の８０％に対応する位置までの
範囲内に設けられ、且つ該封止板から上記有効長の２０
％に対応する位置までの範囲内には管壁総面積に対する
孔の総占有面積の比率が５〜５０％である、特許請求の
範囲第（２）項記載のガス分離装置。