JPH0459005B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ガス分離装置に関するもので、更に
詳しくは、種々の成分からなる混合ガスから特定
成分のガスを選択的に透過させる性能を有する中
空糸多数から成る糸束組立体が内蔵され、原料混
合ガス通過室と透過ガス室とを流密状態で隔離す
るための特殊な構造を有する、特に高温、高圧の
原料ガスを分離するために有用であるガス分離装
置に関する。

（従来技術およびその問題点） 種々の成分からなる混合ガスから特定成分のガ
スを分離するための装置として、混合ガスから特
定成分のガスを選択的に透過させる性能、すなわ
ちガス選択透過性を有する中空糸多数から成る糸
束組立が内蔵されたガス分離装置が知られてい
る。このようなガス分離装置においては、一般
に、混合ガスである原料ガスが上記中空糸の胴部
の外面側と接触し、特定成分のガスが該中空糸の
壁を透過して該中空糸の中に入り、該中空糸の開
口端から特定成分の透過ガスを取り出すことによ
つて、原料ガスから特定成分ガスが分離される。
従つて、このようなガス分離装置においては、原
料ガスが通過する原料ガス通過室と特定成分の透
過ガスが通過する透過ガス室とを流密状態で隔離
する必要がある。

従来のガス分離装置においては、原料ガス通過
室と透過ガス室とを隔離する手段として、多数の
中空糸から成る糸束の少なくとも一端部を、各中
空糸を貫通しかつ開口した状態に固着している熱
硬化性樹脂から形成された樹脂壁と、分離装置容
器の内壁と上記樹脂壁との間に設けられた合成樹
脂製のＯリング等のシール部材とを組み合わせた
構造が採用されている。しかしながら、上記合成
樹脂製のＯリングは、一般にフツ素系樹脂やシリ
コン系樹脂で製造されているため、比較的低温、
低圧（約100℃以下で約100Kg／cm²Ｇ以下）では長
期間の使用に耐えるものの、高温、高圧では使用
できないか、使用できたとしても耐用期間が短か
く実用的ではないという欠点があつた。

ガス分離装置を高温、高圧で使用できるように
するため、金属性のＯリングを使用すると、上記
樹脂壁の金属性Ｏリングと接触する表面に圧痕を
生じる等樹脂壁が変形してシール不良となり、原
料ガス通過室と透過ガス室とを隔離する機能が低
下する。

（発明の目的） 本発明は、約200℃までの高温および約200Kg／
cm²Ｇまでの高圧の条件下で操作しても長期間隔離
性能を維持することができる、原料ガス室と透過
ガス室との隔離構造を備えた、ガス選択透過性中
空糸束を有するガス分離装置を提供することを目
的とする。

（発明の構成） 本発明は、原料ガス導入口、透過ガス排出口及
び未透過ガス排出口を有する筒形耐圧容器内に、
ガス選択透過性を有する中空糸多数から成る糸
束、および該糸束の少なくとも一端部を、各該中
空糸が貫通しかつ開口した状態に固着している熱
硬化性樹脂壁からなる糸束組立体が設けられ、該
中空糸の胴部が存在する原料ガス通過室と該中空
糸の開口端が存在する透過ガス室とが流密状態で
隔離されているガス分離装置において、該原料ガ
ス通過室と該透過ガス室とを流密状態で隔離する
ための構造が、(A)該耐圧容器内壁と該樹脂壁との
間に設けられた金属製シール部材、(B)少なくとも
該金属製シール部材と接触する面の表層部にセラ
ミツク粉末が混入されている該樹脂壁、および(C)
該樹脂壁の該金属製シール部材と接触する面の反
対側の面と該耐圧容器内壁との間に設けられた金
属製弾性部材から構成されていることを特徴とす
るガス分離装置である。

（発明の好適実施態様） 本発明を、添付する図面において説明する。

第１図は、本発明のガス分離装置の１実施例
の、原料ガス通過室と透過ガス室とを流密状態で
隔離するための構造部分を示す断面図である。

第１図において、原料ガス導入口１、透過ガス
排出口２及び未透過ガス排出口（図示せず）を有
する筒形耐圧容器３内には、ガス選択透過性を有
する中空糸４が多数集束されてなる糸束５と、糸
束５の一端部を固着している樹脂壁６とからなる
糸束組立体が設けられている。中空糸４は、樹脂
壁６を貫通し、その端部が開口した状態になるよ
うに樹脂壁６によつて固着されている。中空糸４
の胴部７は原料ガス通過室８内に存在し、中空糸
４の開口端９は透過ガス室１０内に存在してい
る。原料ガス通過室８と透過ガス室１０とは、筒
形耐圧容器３の内壁と樹脂壁６との間に設けられ
た「金属製シール部材」１１と、「樹脂壁」６と、
樹脂壁６の金属製シール部材１１と接触する面の
反対側の面と耐圧容器３の内壁の段形部３′との
間に設けられ樹脂壁６を金属製シール部材１１を
介して耐圧容器３の内壁に押圧している「金属製
弾性部材」１２とから構成されている構造によつ
て、流密状態で隔離されている。樹脂壁６の金属
製シール部材１１と接触する面の表層部６′には、
セラミツク粉末が混入されている。

種々の成分からなる混合ガスである原料ガス
は、原料ガス導入口１から耐圧容器３内に入り、
原料ガス通過室８を通過中に、特定のガスが中空
糸４の管壁を透過して中空糸４の中空部分に入
り、中空糸４の開口端９から透過ガス室１０に集
まり、透過ガス排出口２から排出される。

原料ガス通過室の圧力は、一般に10乃至300
Kg／cm²Ｇであり、原料ガス通過室と透過ガス室と
の圧力差は、一般に10乃至200Kg／cm²であり、原
料ガスの温度は、一般に大気温度乃至200℃で運
転される。

中空糸４は、ガス選択透過性すなわち種々の成
分からなる混合ガスから特定成分のガスを選択的
に透過させる性能を有する中空糸であればどのよ
うなものであつてもよく、例えば、セルロース、
酢酸セルロース、ポリプロピレン、ポリアクリロ
ニトリル、ポリスルホン、芳香族ポリアミド、芳
香族ポリイミド等の高分子有機材料、ガラス、セ
ラミツクなどの無機材料から製造れた中空糸を使
用することができる。特に耐熱性の面から無機材
料製中空糸及び高分子有機材料製の中空糸中では
芳香族ポリイミド製中空糸が好ましい。中空糸４
は、一般に、その外径が約50乃至3000μｍであ
り、管壁の厚さが、約10乃至1000μｍである。

中空糸４が多数集束されてなる糸束５は、内部
に芯管などを有する糸束または無芯の糸束のいず
れであつてもよく、また、それ自体公知の方法で
得られた「各中空糸が実質的に平行に配列されて
いる糸束」または「各中空糸が交叉配列されてい
る糸束」のいずれであつてもよい。

さらに、糸束５は、その周囲が適当な結束材
料、好ましくは、弾性を有する結束材料で１乃至
数個所結束されていてもよい。

糸束５は、一般にその外径が約１乃至50cm、好
ましくは５乃至40cmであり、その長さが約20乃至
500cm、好ましくは25乃至400cmである。

糸束５を構成する中空糸４の密度は、糸束５の
全断面積に対する全中空糸の占める面積の比率を
百分率で示す「中空糸の充填密度」が、約20乃至
80％、特に25乃至70％であることが好ましい。

樹脂壁６を形成させるための熱硬化性樹脂とし
ては、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリ
レート系樹脂、シリコン系樹脂、フエノール系樹
脂等を例示することができ、特に高温高圧ガス分
離装置のためには、エポキシ系樹脂、特にフエノ
ールノボラツク型エポキシ樹脂が好ましい。糸束
組立体を製造する上では、回転粘度が約0.01乃至
5000ポイズ、特に0.05乃至500ポイズである液状
の熱硬化性樹脂を原料として使用し、適当な硬化
剤および硬化促進材を使用して硬化させ樹脂壁６
を形成させることが好ましい。

エポキシ系樹脂用硬化剤としては、公知の脂環
族カルボン酸、芳香族カルボン酸、芳香族ポリア
ミンなどからなる熱硬化剤であればよく、例え
ば、ヘキサヒドロ無水フタル酸、無水フタル酸、
無水マレイン酸、ピロメリツト酸二無水物、無水
メチルナジツク酸、ベンゾフエノンテトラカルボ
ン酸二無水物、ジアミノフエニルスルホン、ジア
ミノジフエニルメタン、メタフエニレンジアミン
等を挙げることができる。

また、前記の硬化促進剤としては、２−エチル
−４−メチル−イミダゾール、１−ベンジル−２
−メチル−イミダゾール、トリ−２，４，６−ジ
メチルアミノメチルフエノール、ベンジルジメチ
ルアミン、三フツ化ホウ素−モノエチルアミン等
を挙げることができる。

樹脂壁６の表層部６′に混入するセラミツク粉
末としては、アルミナ、シリカ、チタン、炭化ケ
イ素、窒化ケイ素等の粉末を例示することがで
き、表層部６′の表面硬度を高めるためには、特
に炭火ケイ素、窒化ケイ素などが好ましい。樹脂
壁６にセラミツク粉末を混入する目的は、樹脂壁
６の金属製シール部材１１と接触する面の表面硬
度を高めることであるので、表層部６′の厚みは
約５乃至10mmであればよく、それ以上に大きくし
ても、セラミツク粉末の消費量が増すだけであま
り意味はない。表層部６′へのセラミツク粉末の
混入量は、樹脂の種類、セラミツク粉末の種類、
粒度等によつて変わるが、表層部６′の表面硬度
がシヨアーＤ硬度94以上になるように適宜選定す
れば良い。

樹脂壁６に表層部６′を形成させる方法として
は、糸束５と液状の熱硬化性樹脂とから遠心成形
法により糸束５の少なくとも一端に樹脂壁を形成
させた糸束組立体を製造する際に熱硬化性樹脂に
セラミツク粉末を混入し、セラミツク粉末と該樹
脂との密度差を利用して、糸束組立体の製造と同
時に表層部６′を形成させる方法が好ましい。

表層部６′の形成方法の１例を、第２図および
第３図について説明する。

第２図は、糸束組立体の遠心成形装置の１例の
概略図であり、第３図は成形直後の糸束組立体の
一端部を示す概略断面図である。

第２図において、回転軸２１を中心にして回転
可能な支持体２２の両端には金型２３および２４
が設けられており、金型２３の底面中央部には、
中空糸多数から成る糸束２５の外径に相当する径
を有する凹部２３′が形成されている。

糸束組立体を製造するに当つては、糸束２５を
その一端を遠心成形時に金型内に注入する樹脂が
中空糸の内部に入り込まないように、あらかじめ
中空糸端部を接着剤等で封じた状態で、金型２３
の凹部２３′に入れ、他端を金型２４に入れて、
支持体２２に固定する。支持体２２を回転させな
がら、金型２３および金型２４内に、セラミツク
粉末および硬化剤および場合により硬化促進剤を
含有する液状の熱硬化性樹脂を注入する。支持体
２２の回転数を、10乃至500Gの遠心力が該樹脂
に与えられるように選定し、該セラミツク粉末の
密度が該樹脂の密度の約1.1倍以上、好ましくは
1.2倍以上であるようなセラミツク粉末と樹脂と
の組合せを選定することによつて、該樹脂中のセ
ラミツク粉末は金型２３の底面方向に移動し、該
樹脂によつて形成される樹脂壁の糸束軸方向端面
部にセラミツク粉末混入層が形成される。

第３図において、上記成形によつて該樹脂が硬
化した後遠心成形装置から取り出した糸束組立体
の端部には、樹脂壁２６が形成され、樹脂壁２６
の糸束軸方向端面部には樹脂中にセラミツク粉末
が混入されている表層部２６′が形成されており、
糸束２５の各中空糸は樹脂壁２６中を貫通してお
り、糸束２５の端部に樹脂中にセラミツク粉末が
混入されている混入層２７が形成されている。該
糸束組立体の糸束の端部を、第３図におけるＡ−
Ａ線で切断することにより、各中空糸の開口端が
形成され、本発明における糸束組立体が製造され
る。

前記のような凹部２３′を有する金型２３を使
用することにより、第３図におけるＡ−Ａ線切断
部分にはセラミツク粉末がほとんど混入されてい
ない糸束組立体素材を製造することができるの
で、糸束２５の端部切断のために、特殊な刃物を
使用することなく、容易に中空糸開口端を形成さ
せることが可能となる。

金属製シール部材１１としては、ステンレス、
ニツケル合金等の金属から製造されたもので、原
料ガス通過室と透過ガス室とを隔離し得るもので
あればどのようなものであつてもよいが、金属製
シール部材１１と接触する樹脂壁６の表層部６′
の変形を最少限に止めるために、シールに必要な
線圧が比較的小さいＯリング、特に中空金属Ｏリ
ングが好ましい。

金属製弾性部材１２としては、炭素鋼、ケイ素
−マンガン鋼、マンガン−クロム鋼等の金属から
作られた皿バネ、うず巻バネ等が好ましい。

金属製弾性部材１２は、樹脂壁６を介して金属
製シール部材１１にシールに必要な線圧を与え得
るような反発力を有することが必要である。ま
た、必要により皿バネ、うず巻きバネ等と樹脂壁
６との間にバネ座を設け、金属製シール部材１１
により均一な線圧を与えることもできる。

（発明の効果） 本発明のガス分離装置は、高温、高圧の過酷な
条件下で使用しても、原料ガス通過室と透過ガス
とを流密状態で隔離することができ、しかもその
状態を長期間安定に維持することのできる装置で
ある。

これは、本発明のガス分離装置における原料ガ
ス通過室と透過ガス室とを流密状態で隔離するた
めの構造が前記のように構成されているために、
金属製シール部材が変形することがなく、金属製
シール部材と接触する樹脂壁の表層部が変形し難
く、金属製弾性部材によつて金属製シール部材に
常に必要なシール強度が与えられているためであ
る。高温で使用されることにより、耐圧容器と樹
脂壁との熱膨張差による寸法変化はかなり大きい
のであるが、このような寸法変化を金属製弾性部
材によつて吸収することができ、また、樹脂壁が
長期間高温、高圧の下に圧縮力を受けた場合に生
ずるクリープ変形も金属製弾性部材によつて吸収
することができる。そのため、金属製シール部材
には長期間必要なシール線圧を与えることができ
るのである。

実施例 第２図に示す装置を使用し、糸束として芳香族
ポリイミド製中空糸（外径400μ、内径200μ））
4000本を円柱状に集束した糸束（外径40mm、長さ
1000mm）を使用し、樹脂壁を形成するための液状
の熱硬化性樹脂組成物として、フエノールノボラ
ツク型エポキシ樹脂（シエル社製、商品名エピコ
ート154）、硬化剤（無水メチルナジツク酸）およ
び硬化促進剤（２−エチル−４−メチル−イミダ
ゾール）からなる樹脂液（密度1.2ｇ／cm³）と、
炭化ケイ素粉末（粒子径１〜10μｍ、真密度3.2
ｇ／cm³）との、炭化ケイ素粉末を15重量％含有す
る混合物を使用し、温度78℃、遠心力200Gで遠
心成形して糸束組立体を製造した。樹脂壁の端面
には、厚さ約７mmの炭化ケイ素粉末混入層が形成
されていた。

金属製シール部材として金属Ｏリング（日本バ
ルカー社製、銀メツキメタル中空Ｏリング）を使
用し、金属製弾性部材として工具鋼SK−５皿バ
ネを使用して、第１図に示す構造の隔離構造を有
するガス分離装置を製作した。常温、常圧で、金
属Ｏリングには10Kg／mmの線圧が加わるように皿
バネの反発力を調整した。

原料ガス導入口から200Kg／cm²Ｇの窒素ガスを
導入し、未透過ガス排出口を閉じ、透過ガス排出
口を大気中に開放して、中空糸の管壁に200Kg／
cm²の差圧が加わるようにし、ガス分離装置全体を
150℃の温度に保持した。

この状態で６ケ月間維持させてシール性試験を
行つたが、原料ガス通過室と透過ガス室とのシー
ル性は良好に保持されていた。シール性試験終了
後、樹脂壁の炭化ケイ素粉末混入表層部の、金属
Ｏリングと接触する面の圧痕深さは10μｍであつ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のガス分離装置の１実施例
の、原料ガス通過室と透過ガス室とを流密状態で
隔離するための構造部分を示す断面図であり、第
２図は、糸束組立体の遠心成形装置の１例の概略
図であり、第３図は、成形直後の糸束組立体の一
端部を示す概略断面図である。 １は原料ガス導入口、２は透過ガス排出口、３
は耐圧容器、４は中空糸、５は糸束、６は樹脂
壁、６′はセラミツク粉末が混入されている樹脂
壁表層部、８は原料ガス通過室、１０は透過ガス
室、１１は金属製シール部材、１２は金属製弾性
部材、２２は支持体、２３は金型、２５は糸束で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原料ガス導入口、透過ガス排出口及び未透過
   ガス排出口を有する筒形耐圧容器内に、ガス選択
   透過性を有する中空糸多数から成る糸束、および
   該糸束の少なくとも一端部を、各該中空糸が貫通
   しかつ開口した状態に固着している熱硬化性樹脂
   壁からなる糸束組立体が設けられ、該中空糸の胴
   部が存在する原料ガス通過室と該中空糸の開口端
   が存在する透過ガス室とが流密状態で隔離されて
   いるガス分離装置において、該原料ガス通過室と
   該透過ガス室とを流密状態で隔離するための構造
   が、(A)該耐圧容器内壁と該樹脂壁との間に設けら
   れた金属製シール部材、(B)少なくとも該金属製シ
   ール部材と接触する面の表層部にセラミツク粉末
   が混入されている該樹脂壁、および(C)該樹脂壁の
   該金属製シール部材と接触する面の反対側の面と
   該耐圧容器内壁との間に設けられた金属製弾性部
   材から構成されていることを特徴とするガス分離
   装置。 ２ 樹脂壁Ｂが金属製シール部材と接触する面の
   表層部に優先的に分布されたセラミツク粒子の充
   填層を有することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のガス分離装置。 ３ 前記セラミツク粒子の充填層がセラミツク粉
   末を混入した樹脂の遠心成形法により形成された
   ものであることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載のガス分離装置。