JPH02229529A

JPH02229529A - 流体の分離方法、分離装置および分離膜

Info

Publication number: JPH02229529A
Application number: JP1049232A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Mori; 博森; Tamio Nakamura; 中村　民夫
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1989-03-01
Filing date: 1989-03-01
Publication date: 1990-09-12

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）本発明は複数の成分からなる液体、気体またはこれら両
者の混合物等流体の分離方法、分離装置および分離膜に
関する。

（従来技術》上記した流体中の少くとも１種類の成分を分離する方法
としては、流体中の揮発性成分を分離するパーベーパレ
ーション、サーモパーベーパレーション、気体中の凝縮
性ガス成分を分離する凝縮性ガス分離法が知られており
、バーベパレーションの一例が特開昭６２−２７３００
９号公報、特開昭６３−２５８６０４号公報に、サーモ
パーベーバレーションの一例が刊行物「化学工学協会第
５２年会講演要旨！（１９８７）、第２８頁Ｊに、凝縮
性ガス分離法の例が特開昭５３−１４５３４３号公報、
特開昭５４−１５３４９号公報、特開昭６２−４２７２
３号公報等に示されている．これらの方法においてはい
ずれも流体中の成分を選択的に透過させる分離膜を用い
、同分離膜の一側に沿って処理すべき流体を流動させる
とともに分離膜の他側を減圧し、流体中の揮発性成分、
凝縮性成分を分離膜内に吸着、凝縮、溶解させて分離膜
の他側へ拡散させ、同他側から蒸発させるることにより
特定の成分を流体中から分離するものである．（発明が解決しようとする課題）ところで、これらの特定成分の分離において成分の透過
速度は蒸発速度に関係し、分離膜の他側の減圧状態を高
めて蒸発速度を上げることにより透過速度を上げること
ができる．しかしながら、分離膜の他側を高い真空度に
維持するには特別な装置、動力を必要とするとともに、
たとえ高い真空度に維持したとしても蒸発速度には限界
があり、透過速度を著しく上げて分離効率を著しく向上
させることは難しい．また、上記した特開昭６３−２５
８６０４号公報に示されているように分離膜内に加熱体
を埋設し、分離膜全体を加熱することにより被処理流体
を加熱して透過成分の透過時の圧力を上げて透過速度を
上げる試みがなされている．しかしながら、透過成分の
透過速度を支配しているものは透過側での透過成分の蒸
発速度であり、分離膜全体を加熱する手段によっては透
過速度をかならずしも十分に上げることができない．特
に被処理流体が湿潤空気であって除湿を行う等凝縮性ガ
ス分離を行う場合には、被処理流体（ガス）を加熱して
も蒸気圧は上らず透過速度を上げることができない．従
って、本発明の目的はかかる問題に対処することにある
。

（課題を解決するための手段）本発明は複数の成分からなる液体、気体またはこれら両
者の混合物等流体の分離方法、分離装置および分離膜に
関するもので、本発明に係る分離方法は前記流体を分離
膜の一側に沿って流動させ、この間前記流体中の少くと
も１種類の成分を前記分離膜にて選択的に透過させて透
過成分を前記流体から分離する流体の分離方法において
、下記（１）〜（５）の事項をそれぞれ特徴とするもの
である。

（ｌ）．前記流体側を低温にかつ前記成分透過側を高温
とすること．（２）．前記分離膜の成分透過側を加熱すること。

（３）．前記分離膜を同分離膜が成分透過側に一体的に
有する加熱手段により加熱すること．（４）．前記分離
膜を同分離膜の成分透過側に配設した加熱手段により加
熱すること．（５）．前記分離膜を同分離膜の成分透過側に加熱気体
を流動させることにより加熱すること．また、本発明に
係る分離装置は上記した分離方法を実施するための装置
であり、下記（６）〜（８）の事項をそれぞれ特徴とす
るものである．（６）．ケーシング内に収容され前記流
体中の少くとも１種類の成分を選択的に透過させる分離
膜と、前記ケーシング内にて前記分離膜により区画され
て同分離膜の一側に位置し前記流体の流入口と流出口を
有する流体供給室、および前記分離膜の他側に位置し透
過成分の流出口を有する透過成分流出室と、前記分離膜
の加熱手段を備えていること。

（７）．前記分離がプレート状、パイプ状、モノリス状
またはハニカム状膜構造体であること。

（♂》．前記加熱手段が前記分離膜が有する発熱体、前
記透過成分流出室側に配設された発熱体、または同流出
室に供給された加熱気体であること．さらにまた、本発明に係る分離膜は上記した分離方法に
採用される分離膜であり、下記（９）の事項を特徴とす
るものである．（９）．前記流体中の少くとも１種類の成分が選択的に
透過する選択透過性膜と、同透過性膜の成分透過側に一
体的に設けられ少くとも同透過性膜を透過する成分が透
過可能でかつ通電により発熱する透過性発熱体とを備え
ていること．なお、本発明において分離膜は選択透過性膜のみからな
る単層構造であってもよく、また薄層の選択透過性膜と
これを支持する多孔質支持体とからなる複層楕造であっ
てもよく、選択透過性膜としてはポリテトラフルオ口エ
チレン膜、ポリイミド膜、シリコンゴム膜等の有機質膜
、多孔質のセラミック膜、ガラス膜、繊維状または粒状
カーボン質膜等無機質膜を挙げることができる。これら
の選択透過性膜は処理すべき流体の種類に応じて適宜選
定される。また、分離膜は加熱されることから耐熱性を
考慮して選定される。

また、本発明において加熱手段は電気ヒータ、熱媒体を
用いた輻射形ヒータ等適宜のヒータであってもよく、加
熱空気を供給する熱風送風機であってもよい．本発明に
係る分離膜の透過性発熱体としては金網状またはシート
状多孔性金属発熱体、ペロブスカイト形結晶で代表され
るセラミック発熱体、カーボン質発熱体等通電により発
熱する材質からなるものを挙げることができる．選択透
過性膜と透過性発熱体とを一体化する手段としては、透
過性膜が有機質膜である場合には圧着または接着剤を介
して一体化する方法、透過性膜が無機質膜である場合に
は無電解メッキ法、スパッタリング蒸着法、スラリーコ
ート法等により一体化する方法がある。

（発明の作用・効果）本発明に係る分離方法においては、流体側を低温にかつ
前記成分透過側を高温とすることにより、流体が大蚤に
流動する分離膜の流体側と流体に比較して極めて少量の
透過成分が流出する分離膜の成分透過側間に一層大きな
温度勾配が発生する。

このため、分離膜の流体側にて吸着、凝縮、溶解して蒸
発、拡散する透過成分は分離膜の成分透過側での蒸発を
助勢され、透過成分の透過速度が速くなる．このなめ、本発明に係る分離方法によれば従来の分離方
法に比較して分離効率を著しく向上させることができ、
また分離効率を従来と同等にした場合には分離膜の成分
透過側の減圧状態を低くすることができて減圧装置の小
型化、廃止等が可能となり、かつ動力を著しく低減させ
ることが可能となる，かかる有効な分離方法は本発明に係る上記した各分離装
置によって実施することができ、また分離膜として上記
した本発明に係る発熱体を備えた分離膜を採用すること
ができる。

（実施例）本実施例では空気中の除湿実験を、第１図に示す電気ヒ
ータ加熱型の分離装置を使用して行った．（ｌ）．分離
装置１０パイプ状の分離膜１１を筒状ケーシング１２内に設けた
左右の隔壁１３に支持してなるもので、ケーシング１１
内は中央部の流体供給室１４と、左右両側部の透過成分
流出室１５に区画されている．ケーシング１２は流体供
給室１４に開口する流体流入口１２ａおよび流体流出口
１２ｂを備えるとともに、各透過成分流出室１５に開口
する成分流出口１２ｃを備えており、また分離［１１の
内孔内にはニクロム線等を絶縁してなる発熱体１６が挿
入されている。発熱体１５はケーシング１１の成分流出
口１２ｃを挿通ずるリード線１７に接続されていて、付
与される電圧を加減することにより発熱量が制御され、
これにより分離膜１１の加熱温度が調整される。また、
ケーシング１２の流体流入口１２ａにはコンブレッサが
接続されていて、圧縮空気が流体供給室１４に供給され
る．流体供給室１４に流入した圧縮空気は分離膜１１の
外周に沿って流動して流出口１２ｂから流出し、この間
圧縮空気中の水分が分離Ｊｌｌｌｌを透過し成分流出室
１５を経て流出口１２ｃから流出する．（２ｌ，分離１
１Ｉ１１外径１１ｍｍ、内径８ｍｆｌＩ、長さ５００ｍｍのアル
ミナ質のパイプ状多孔質支持体の外周にアルミナゾルを
担持させ、これを２５０℃にて焼成してなる水分を選択
透過する二層構造の分離膜を採用した．（３）．除湿実
験コンブレッサから供給される温度２２℃、圧力４ｋｇ／
ｌ２の圧縮空気をＩＮＩ　／ｗｉｎの流量で分離膜１１
の外周を流動させ、一方分離膜１１の内孔内温度を種々
の温度に設定して除湿実験を行った．各設定温度におけ
る除湿後の空気の大気圧露点を第１表に示す．なお、除
湿前の空気の大気圧露点は−６℃であり、また水分とと
もに透過した空気量は２０Ｎｃｃ　７ａｉｎであった．（以下余白）第１表から明らかなように、分離膜の内孔内温度が高い
程露点が低く除湿効果が高い．この現象は分離膜の両側
間の温度勾配により、空気供給側での水分の侵入、凝縮
には支障を及ぼすことなく水分透過側での蒸発を助勢し
、設定温度を除く同一条件での水分の透過速度が速くな
ったためと理解される．（実施例２）本実施例では空気中の除湿実験を、第２図に示す熱風加
熱型の分離装置を使用して行った．（１）．分離装置２
０複数のパイプ状の分離膜２１を筒状ケーシング２２内に
設けた左右の隔壁２３に並列的に支持してなるもので、
ケーシング２２内は中央部の流体供給室２４と、左右両
側部の透過成分流出室２５に区画されている．ケーシン
グ２２の流入口２２ａにはコンプレッサが接続されてい
て、圧縮空気が流体供給室２４に供給される．供給室２
４内に流入した圧縮空気は各分離膜２１の外周に沿って
流動して流出口２２ｂから流出し、この間圧縮空気中の
水分が各分離膜２１を透過し成分流出室２５を経て流出
口２２ｃの一方から流出する．また、ケーシング２２の
流出口２２ｃの他方には熱風送風機が接続されていて、
各分ｌ１ｉ膜２ｌの内孔内へ各設定温度の熱風を供給す
る．熱風は各分離膜２ｌの内孔内を流動する間各分離膜
２１を加熱する．（２Ｊ．除湿実験分ＭＨ２１として実施例と同じ分離膜を１００本採用し
、コンプレッサから供給される温度２０℃、圧力５ｋｇ
／ｃｍ２の圧縮空気を５Ｎｍ３／ｈｒの流量で各分！Ｊ
ｉＷ２１の外周を流動させ、一方各分離膜２１の内孔内
に各設定温度の熱風を流動させて除湿実験を行った。各
設定温度における除湿後の空気の大気圧露点を第２表に
示す。なお、除湿前の空気の大気圧露点は−８℃であり
、また水分とともに透過した空気量は０．１５Ｎｍ’／
　ｈｒであった．第２表から明らかなように、加熱手段
として熱風を採用しかつ分離装置をスケールアップした
場合においても除湿効率が著しく高いことが認められる
．（実施例３）実施例１で使用した分離装置１０と同型で発熱体１６を
内蔵した分離膜１１を３本並列して支持してなる分離装
置を使用し、各分離膜１１の内孔内温度を７０℃に設定
して、コンブレッサがら供給される温度２０℃、圧力４
ｋｇ　／　ｃｍ　２の圧縮空気を３Ｎ１／ｗｉｎの流量
で各分離膜１１の外周に流動させて除湿実験を行った。

この場合の各分離膜１１を透過する空気量は６９Ｎｃｃ
　／ｍｉｎであった。

なお、比較例として上記分離装置において各分離膜１１
を加熱せず、ケーシング１２の流出口１２ｃの一方に真
空ポンプを接続するとともに流出口１２ｃの他方を密封
し、各分離Ｍ１１の内孔内を２０Ｔｏｒｒの減圧状態に
維持して除湿実験を行った（比較例１）．また、上記分
離装置において各分離膜１１を加熱せず、除湿後の空気
を掃引空気として各分離膜１１の内孔内へＯｊＮｌ　／
ｍｉｎ　，　０．６Ｎ１／１ｎの流量で流動させて除湿
実験を行った（比較例２）。さらにまた、上記分離装置
において各分離Ｊ１ｉ１１に換えて総空気透過量が０．
３ＮＩ／ｗｉｎ、０．６ＮＩ　／ｗｉｎである３本の分
離膜を採用し、各分離膜を加熱することなく除湿実験を
行った（比較例３）．各実験における除湿後の空気の大気圧露点、および空気
損失率を第３表に示す。なお、除湿前の空気の大気圧露
点は−６℃であり、また空気損失率は下記式により算出
する．空気損失率（％）＝（空気損失流量）／（供給空気流量
）ＸＩＯＯ空気損失流量＝（透過空気流量）＋（掃引空気流量）第３表第３表から明らかなように、本実施例においては分離膜
の内孔内を高度に減圧した場合（比較例１）と同程度の
分離効率が達成されており、比較例１と同様の減圧を行
えば分離効率が一層向上するものと認められる．（実施例４）本実施例では空気中の除湿実験を、第３図に示すハニカ
ム構造体を分離膜とする熱風加熱型の分離装置３０、お
よび第２図に示す分離装置２０における分離膜２１を分
相ガラスの分離膜２１Ａに交換してなる熱風加熱型の分
離装置を使用して行った。

（１）．分離装置３〇四角柱状の分離膜３１を四角筒状のケーシング３２内に
設けた左右の隔壁３３に支持してなるもので、ケーシン
グ３２内は中央部の透過成分流出室３５、流体供給室３
４Ａおよび流体流出室３４Ｂに区画されている。流体供
給室３４Ａおよび流出室３４Ｂには分離膜３１の各セル
が開口しており、流入口３２ａから供給室３４Ａに流入
した圧縮空気が分離膜３１の各セル内を流動して流出室
３４Ｂに至り、流出口３２ｂから流出する．この間圧縮
空気中の水分が分離膜３１を透過して成分流出室３５に
至り、流出口３２ｃから流出する。

一方、ケーシング３２には成分流出室３５に開口する熱
風供給口３２ｄが設けられていて、供給口３２ｄから成
分流出室３５に流入した熱風は分離膜３１の外周を流動
して流出口３２ｃから流出する。この間熱風は分離Ｍ４
３１を加熱する。

（′２．分離膜３１４行×４列配列の合計１６個のセルを備え、セル形状が
正方形でピッチ４ｊｍｍ　、壁厚１．Ｏｍｍ　、長さ５
００ａ＋ｍのアルミナ質の多孔質支持体の各セル内壁に
アルミナゾルを担持させ、乾燥後２５０″Ｃで焼成して
なるハニカム構造体を採用した。

（３）．分離膜２１Ａ外径１０ｍｍ、内径７ｍｍ　、長さ５００■のパイプ状
で平均細孔径が４ＯＡである分相ガラス質の分離膜を７
本採用した。

（イ）．除湿実験コンプレッサから供給される温度２５℃、圧力５ｋｇ　
／　ｃｍ　２の水蒸気飽和圧縮空気を６ＮＩ　／ｗｉｎ
の流量で分離膜３１に対しては各セル内を流動させかつ
各分Ｎ膜２ＬＡに対しては外周を流動させ、一方分離膜
３１の外周および各分離膜２１Ａの内周を熱風にて各温
度に設定して除湿実験を行った．各設定温度における除
湿後の空気の大気圧露点および空気損失率を第４表に示
す。

（以下余白）第４表７／／（実施例５）本実施例ではエタノールの脱水実験を第４図に示す分離
装置４０を使用して行った．分離膜４１は有底筒状のも
ので、外径１０ｍｍ、内径８ｍｎ＋で平均細孔径が０．
６μｍのアルミナ質の多孔質支持体の外周にアルミナゾ
ルを担持させ、乾燥後３００　’Ｃにて焼成しその後さ
らに外周に５００ｐｐｍのポリビニル／アルコール水溶液を含浸させて乾燥したものを採用した
．この分離［４１をケーシング４２にセットし、分離膜
４１の内孔内に発熱体４３を挿入するとともに真空ボン
ブ４４を接続し、タンク４５内の７０ｗｔ％のエタノー
ルを供給ボンプ４６にて４０℃でケーシング４２内を通
して循環させ、分離膜４１の内孔内の真空度をｌＯＴｏ
ｒｒに維持して各設定温度で脱水実験を行った。各設定
温度における水透過量および透過水中のエタノール濃度
を第５表に示す．（以下余白）７／第５表／第５表から明らかなように、エタノール中の水透過量は
分離膜の内孔内温度の上昇に伴い増加し、脱水効率が向
上していることを示している。但し、透過水中のエタノ
ール温度についてはほとんど変化が認められない。

（実施例６）本実施例ではエタノールの脱水実験を第４図に示す分離
装置４０を使用して行った。分離膜４１Ａは有底筒状の
もので、外径１０ｍｍ、内径８■で平均細孔径が０．６
μｍのアルミナ質の多孔質支持体の外周にアルミナゾル
を担持させ乾燥後３００℃にて焼成し、その後外周に３
００ｐｐｍのカーボンブラックを混合してなる濃度５０
００ｐｐｍのポリビニルアルコール水溶液を含浸担持し
て８０℃にて乾燥し、外周の薄膜が導電性を有する二層
楕遣のものを採用した．かかる分離ｆｉ４１Ａにおいては、第４図に示すごとく
その内孔内に発熱体を挿入して内周側を加熱して実験を
行うとともに（実施例）、その上端部と下端部に通電用
のリード線を圧着して外周の薄膜全体を加熱して実験を
行った（比較例）。なお、各実験のその他の条件は実施
例５と同じ条件である．各設定温度における水透過量お
よび透過水中のエタノール濃度を第６表に示す。

第６表第６表から明らかなように、分離膜の内周側（成分透過
側）を加熱した実施例においては分離膜の外周薄膜（流
体供給側）を加熱した比較例に比べ、脱水効率が向上し
ていることを示している。

（実施例７）本実施例では第５図に示すポリテトラフルオ口エチレン
のフイルム状の選択透過性膜５１ａと、炭素繊維からな
る布状カーボン質の透過性発熱体５ｌｂとをプレスにて
圧縮して一体化してなる膜楕遺体（分離膜５１）を用い
て、サーモパーベーパレーションによる１　０ｗｔ％硫
酸水溶液の濃縮実験を行い、水の透過速度を測定した。

分離膜５ｌの特性および実験条件は次の通りであり、水
の透過速度は０．９０ｋｇ　／　ｍ２−ｈｒであった。

矩１羨５１（１）透過性膜５１ａ：細孔径０．１　μｍ　．空隙率
７８％厚さ０．２ｍｍ（２１発熱体５１ｂ：繊維径４００μｍ、（膜の一側に
接触する部分の水溶液が５０ ℃となるよう印加電圧を調節）Ｋｌ１−　　　：室温２２℃で膜横遣休の一側に供給なお比較例として上記した透過性膜５１のみを用い、上
記した硫酸水溶液を予め５０゜Ｃに加熱して過性膜５１
に供給し透過実験を行った。この場合の水の透過速度は
０．８８ｋｇ／ｍ２・ｈ『であった。

（実施例８）本実施例では第６図に示すパイプ状の多孔買支持体５２
ａの外周にアルミナ質の選択透過性膜５２ｂを有し、か
つ同支持体５２ａの内周にチタン酸バリウム質の透過性
発熱体５２ｃを有する膜構造体く分離膜５２）を用いて
、バーベーパレーションによる空気中の除湿実験を行い
、水の透過速度を測定した．分離膜５２の特性および実
験条件は次の通りであり、水の透過速度はＯｊ　ｋｇ／
ｍ２・ｈｒであった．この透過速度は、多孔質支持体５
２ａの外周に透過性膜５２ｂのみを有する膜構造体を用
いてその内周側を１０ｔｏｒｒの真空度に維持した場合
と同じ値であった。

た１ｌｉよ（１）支持体５２ａ：アルミナ質、細孔径ｌμｍ、空隙
率３８％、外径１０ｍｍ、肉厚１ｍＩＩ１（２透過性膜５２ｂ：アルミナ質、細孔径２０Ａ空隙率
２０％、厚さ７μ（支持体５２ａの外周にアルミナゾルをコーティングし６００℃で焼成して形成）（３）発熱体５２Ｃ：チタン酸バリウム質、粒子層厚さ
２０μｍ、空隙率３２％、（径０．３μｍのチタン酸バリウム粒子のスラリーを支持体５２ａにコーティングし、乾燥後５００℃で焼成して形成。実験中８０゜Ｃに維持した）克一一一λ 圧力４．５　ｋｇ／ｃｍ２、温度２３℃の圧縮空気を分
離膜５２の外周側に供給する。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１にて使用した分離装置の断面図、第２
図は実施例２にて使用した分離装置の断面図、第３図は
実施例４にて使用した分離装置の断面図、第４図は実施
例５・６にて使用した分離装置の概略図、第５図は実施
例７にて採用した分離膜の部分断面図、第６図は実施例
８にて採用した分離膜の部分縦断斜視図である．符　　号　　の　　説　　明１０、２０、３０、４０・・・分離装置、１１、２１、
２１Ａ、３１、４１、４１Ａ、５１、５２・分離膜、５
１ａ、５２ｂ・・・透過性膜、５ｌｂ、５２ｃ・・・発
熱体、１２、２２、３２、４２・・・ケーシング、１４
、２４、３４・流体供給室、１５、２５、３５・・・成
分流出室、１６・・・発熱体。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数の成分からなる液体、気体またはこれら両者
の混合物等流体を分離膜の一側に沿つて流動させ、この
間前記流体中の少くとも１種類の成分を前記分離膜にて
選択的に透過させて透過成分を前記流体から分離する流
体の分離方法において、前記流体側を低温にかつ前記成
分透過側を高温とすることを特徴とする流体の分離方法
。
（２）第１項に記載の分離方法において、前記分離膜の
成分透過側を加熱することを特徴とする流体の分離方法
。
（３）第２項に記載の分離方法において、前記分離膜を
同分離膜が成分透過側に一体的に有する加熱手段により
加熱することを特徴とする流体の分離方法。
（４）第２項に記載の分離方法において、前記分離膜を
同分離膜の成分透過側に配設した加熱手段により加熱す
ることを特徴とする流体の分離方法。
（５）第２項に記載の分離方法において、前記分離膜を
同分離膜の成分透過側に加熱気体を流動させることによ
り加熱することを特徴とする流体の分離方法。
（６）第１項に記載の分離方法を実施する分離装置であ
り、ケーシング内に収容され前記流体中の少くとも１種
類の成分を選択的に透過させる分離膜と、前記ケーシン
グ内にて前記分離膜により区画されて同分離膜の一側に
位置し前記流体の流入口と流出口を有する流体供給室、
および前記分離膜の他側に位置し透過成分の流出口を有
する透過成分流出室と、前記分離膜の加熱手段を備えて
いることを特徴とする流体の分離装置。
（７）第６項に記載の分離装置において、前記分離膜が
プレート状、パイプ状、モノリス状、ハニカム状膜構造
体であるこを特徴とする流体の分離装置。
（８）第６項または第７項に記載の分離装置において、
前記加熱手段が前記分離膜が成分透過側に一体的に有す
る発熱体、前記透過成分流出室側に配設された発熱体、
または同流出室に供給された加熱気体であることを特徴
とする流体の分離装置。
（９）第１項に記載の分離方法に採用される分離膜であ
り、前記流体中の少くとも１種類の成分が選択的に透過
する選択透過性膜と、同透過性膜の成分透過側に一体的
に設けられ少くとも同透過性膜を透過する成分が透過可
能かつ通電により発熱する透過性発熱体とを備えている
ことを特徴とする分離膜。