JPH05245330A

JPH05245330A - 膜分離モジュールと、気体混合物中の最低１つの気体の最低１つの別の気体からの分離ならびに非透過生成物の供給法

Info

Publication number: JPH05245330A
Application number: JP4354079A
Authority: JP
Inventors: Arthur William Rice; アーサー．ウィリアム．ライス; Thomas James Brockmann; トーマス．ジェームス．ブロックマン
Original assignee: Permea Inc
Current assignee: Permea Inc
Priority date: 1991-12-16
Filing date: 1992-12-15
Publication date: 1993-09-24
Also published as: TW207964B; EP0547575A1; CA2084943A1; KR960000654B1; KR930012084A

Abstract

(57)【要約】【目的】平行繊維の束を含む気体分離モジュールで逆
流を起こして気体分離の効果を上げること。【構成】本発明は、束にした多数の中空繊維を含む膜
気体分離モジュールに関するもので、前記束をスリーブ
に包囲させて、繊維のパッキング係数を改善し、前記モ
ジュールのバイパス係数を低減して、気体分離膜のさら
に効果的な利用をもたらすことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、少なくとも１つの気体
を気体混合物から分離する中空繊維膜気体分離モジュー
ルであって、少くとももう１つ別の気体を前記中空繊維
を通す透過により分離するモジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】円筒状の外殻に気体の混合物の分離用に
取付けられた無拘束、裏なし中空繊維膜の束からなる気
体分離モジュールの利用は周知である。この構造の１つ
の不利益は、個々の繊維の外側の束に沿って流れる気体
混合物の流れが前記繊維の束に進入するか停滞する代り
に自由空間を通過して１つの気体を別の気体から有効に
分離する。加えて、間隙が束そのものの中に形成でき
る。

【０００３】前記気体を上述の自由空間の迂回もしくは
流路形成の克服に種々の方法が試みられてきた。

【０００４】米国特許第４，６７１，８７５号では、軟
質無孔スリーブを中空繊維膜の束を囲繞する外殻に取付
ける。前記スリーブの一方の端をチューブシートに隣接
する繊維束に固定し、前記スリーブの他端を外殻と中空
繊維膜の束の間の外殻を横に伸びるスリーブの反転中間
部分を残して前記円筒状外殻の内面に固定する。前記外
殻に進入する気体は前記軟質スリーブを膨脹させて、前
記繊維束と外殻の間の自由空間のかなりの部分を占める
ようにする。

【０００５】この方法は、前記中空繊維膜を通る気体の
透過を向上させるかも知れないが、流れはそれでも逆流
ではなく、しかし間隙が存在する。

【０００６】米国特許第４，８６５，７３６号では、繊
維束を不透質遮断層で被覆し、加圧供給材料流体が前記
ケーシングの外部と外殻の内部の間に形成された流路に
供給されて、前記不透質遮断層にある開口部を通って前
記繊維束の中を通過する。これは、軸方向の逆流流れを
発生させる別の試みではあるが、モジュールは、平行中
空繊維の束よりはむしろ、環状つる巻き中空繊維を必要
とする。

【０００７】米国特許第５，０２６，４７９号は、４つ
の口、すなわち；流体流入口、スイープ流体流入口、非
透過流出口とスイープ流体透過流出口を備える外殻に環
状中空繊維束を配設する。逆流を起こそうとするこの事
例では、スイープガスを導入する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、平行繊維の
束を内蔵する気体分離モジュールで、かなりの逆流を起
こして気体分離の効果を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、バイパス係数
が０．９５以下の中空繊維気体分離モジュールの提供で
ある。前記モジュールは、供給材料気体入口のある円筒
状外殻を備え、前記外殻のほぼ反対側の端に非透過出口
を付属し、更に透過出口を備える。前記外殻は、本外殻
中に取付けられ、前記外殻に沿って伸びる１束の中空繊
維膜を内蔵し、前記束のおのおのの端がチューブシート
を貫通し止まる。

【００１０】前記透過性気体には実質的に不透過である
適格スリーブは前記外殻中に軸方向に取付けられ、且つ
前記繊維束を囲繞する。前記スリーブの一端を前記非透
過出口に最も近いチューブシートに固定する。前記スリ
ーブは、前記両チューブシートの間だけの長さがある繊
維の長さの少なくとも約６０％伸びていて、前記スリー
ブは、前記モジュールのバイパス係数が０．９５以下と
なり、又中空繊維の束のパッキング係数が約４５％乃至
約８０％になるような仕組になっている。

【００１１】前記パッキング係数は％で示された繊維の
横断面積（あたかも中実として考える）合計の前記束の
横断面積に対する比率である。

【００１２】前記バイパス係数は、前記適格スリーブと
前記円筒状外殻の内側との間（間隙）の気体流れの前記
繊維束の中を流れる気体流れに対する比として定義され
る。この比率は前記束の長さと共にいくぶん変動する
が、平均（もしくは一定の）数値は、迂回の程度の特徴
表示に使用できる。

【００１３】前記バイパス係数を次のように規定する： θは、前記繊維中の逆流が１００％の場合は０、θは、
逆流が１００％の場合は１、θは、バイパス係数であ
る。］従って、分離モジュールにおいて１００％の逆流
を起こす目的が、バイパス係数値がゼロに近づくことで
達成されることになる。間隙内の流量が減少するに従っ
て、前記束内の逆流の量が増加する。前記中空繊維束内
の逆流流量は自然に起こるスイープをどのような他のス
イープガスの系への添加なしに発生させ、その結果、所
望の生成物の回収を向上させる。

【００１４】バイパス係数をゼロに接近させるため、適
格スリーブを前記外殻内で繊維の束を軸方向に囲繞させ
て取付ける。前記スリーブの一方の端を非透過生成物出
口に最も近いチューブシートに固着させる。前記スリー
ブは前記両チューブシート間だけある長さの繊維の長さ
の少なくとも約６０％、好ましくは約７０％乃至８０
％、最も好ましくは８０％乃至９０％伸びていることで
ある。前記スリーブは、前記モジュールのバイパス係数
が約０．９５％以下で、又パッキング係数が約４５％乃
至約８０％になるような仕組になっている。好ましくは
バイパス係数が約０．８％以下、最も好ましくは約０．
５以下であることである。数値が０．２以下になること
が好ましいが、生成物の回収増加量が典型的例としてこ
の範囲内で相対的に小さいことである。

【００１５】

【作用】ここで図面を詳細に参照して、図１に供給材料
入口１４と非透過気体出口１６の備わる気体分離モジュ
ール１０を示す。前記モジュール１０は透過出口１８を
備える。中空繊維束２０はチューブシート２２からチュ
ーブシート２６まで伸長し、それには前記中空繊維２０
が前記両チューブシートのおのおのに貫入して、前記繊
維の孔が前記円筒状外殻の両端に開放されている。この
方法で、供給材料気体が前記入口１４に進入して、前記
繊維２０の孔を通ってスリーブ２４で蔽われた繊維の束
の中に移送される。前記スリーブ２４をチューブシート
２６に固着する。前記繊維を孔から繊維の外部に進入し
た透過気体は逆流方向に移動して、分離モジュールの効
率を向上させる。前記透過気体はその後、前記スリーブ
を出て前記透過ガス出口１８に進む。繊維の孔に残って
いる気体、すなわち非透過気体は前記チューブシート２
６に貫入し、前記モジュールを出口１６で離れる。前記
スリーブ２４を適所に置くと、前記間隙２８がかなりの
流量の気体に曝されないことが容易にわかる。その代
り、前記間隙２８は、若干の圧力を受けるが、実質的に
「デッド」スペースとなる。

【００１６】前記スリーブ２４は、前記モジュールに使
用中圧力がかかる時、前記中空繊維の外側と前記スリー
ブの内側の間に、実質的の間隙が発生しないよう前記中
空繊維の束の形状に適合して残ることが必要である。

【００１７】図２は、間隙１２８に気体流れにほぼ不透
過の材料を実質的に充填した本発明のもう１つの実施例
を示す。モジュール１００は図１のモジュール１０と同
様の方法で設計してある。図２のモジュールでは、供給
材料気体が入口１１４に進入して、繊維１２０の孔によ
って、チューブシート１２２を通過して繊維束の中に進
入する。非透過気体は繊維束に沿ってチューブシートま
で続き、非透過生成物として出口１１６を通って流出す
る。前記透過生成物は前記出口１１６から移動して、透
過出口１１８の方向に戻って、繊維束内に向流の流れを
起こす。円筒状外殻１１２は、ただ３つの口、すなわ
ち、供給材料入口、非透過出口と、透過出口を備える。

【００１８】図３は実施例１からの結果を示すグラフで
ある。

【００１９】図４は、この明細書の後段に出てくる実施
例２からの結果を示す。

【００２０】図５はグラフの形で、異なるバイパス係数
に対する空気回収の予想結果を示す。計算機を用いて、
本発明に従って作製された気体分離モジュールの動作の
正確な予想ができるほどに効率よい作業が仕上った。計
算機シミュレーションは、図１と２に示された系の実際
の分離動作からのデータを用いて達成された。

【００２１】図６は、繊維束の固有α値が、実施例１と
同様の温度と圧力条件で１００％の向流流れと空気分離
を仮定する計算機シミュレーションを用いて５．５であ
ると仮定する特定のバイパス係数を用い分離器の有効酸
素／窒素のα値を示す。

【００２２】気体の所定の組「ａ」と「ｂ」の膜に対す
る分離係数（αａ／ｂ）を気体「ａ」の膜の透過度定数
（Ｐａ）の、気体「ｂ」の膜の透過度定数（Ｐｂ）に対
する比として定義する。分離係数も又、気体混合物の気
体「ａ」の厚さλの膜の透過度（Ｐａ／λ）の、気体
「ｂ」の同一膜の透過度（Ｐｂ／λ）に対する比に等し
い。この場合、所定の気体の透過度は、標準温度と圧力
（ＳＴＰ）において、１ｃｍ^２の表面積当りの膜を１秒
間当り透過する１ｃｍ^３の気体の量で、１単位当りの厚
さの膜を通過する１ｃｍの水銀の分圧降下に対するもの
で、Ｐ／λ＝ｃｍ^３／ｃｍ^２−秒−ｃｍＨｇとして示
す。

【００２３】実際問題として、所定の組の気体の所定の
膜に関する分離係数は、透過係数、もしくは透過度の計
算の十分な情報を提供する色々な技術を用いて測定でき
る。透過係数、透過度と分離係数に対して利用できる多
数の技術のいくつかを、１９７５年、ジョン・ワイリー
・アンド・サンズ社刊「テクニックス・オヴ・ケミスト
リ（ＴｅｃｋｎｉｃｓｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙ）」
第７巻、第２９６乃至３２２頁、フワング（Ｈｗａｎ
ｇ）ほかによる「メンブレインズ．イン．セパレーショ
ンズ（ＭｅｍｂｒａｎｅｓｉｎＳｅｐａｒａｔｉｏ
ｎｓ）」（この明細書で参考として組入れている）で開
示している。

【００２４】本明細書に引例の固有分離係数は、繊維束
の外側の気体流れに対する流路を備えない材料の分離係
数で、前記材料の最高到達分離係数である。このような
材料は連続質もしくは非孔質と称することができる。材
料の固有分離係数は、前記材料のコンパクト膜の分離係
数の測定により概算できる。しかし、固有分離係数の測
定には、前記コンパクト膜の合成で入ってくる不完全
さ、例えば前記コンパクト膜に存在する孔、微粒子と、
膜合成の多様性などによる不確定な分子の順序を含めい
くつかの難点がある。その結果、測定された固有分離係
数が固有分離係数よりも低いことがあり得る。従って、
この明細書で用いられる「測定分離係数」は、前記材料
の乾燥コンパクト膜に対し測定された分離係数を言う。

【００２５】本発明の分離モジュールでの使用に合成さ
れた膜の多くはガラス質疎水性重合体例えばポリスルホ
ンで合成される。気体の分離に使用される中空繊維膜は
技術上周知である。本発明のモジュールは、長さが約９
０ｃｍ（３ｆｔ）乃至約３００ｃｍ（１９ｆｔ）以上の
中空繊維の束を内蔵し、おのおのの束は、その直径は一
般に約２．５ｃｍ（１ｉｎ）乃至約２０ｃｍ（８ｉｎ）
ある。

【００２６】繊維は、長さが０．５ｃｍ以下の永久固定
波を有し、その波の振幅が繊維の長さの３倍以下である
直線繊維もしくは「液状」繊維であっても差支えない。

【００２７】本発明による分離モジュールの合成時に
は、前記中空繊維束の一端をチューブシートに、前記繊
維がチューブシートに進入するように注型する。前記チ
ューブシートは通常では、液体として注型されるエポキ
シ樹脂材料である。本発明の分離器は「両頭」分離器
で、前記繊維束のおのおの端をチューブシートに入れて
注型して、繊維をチューブシートに進入させる。

【００２８】おのおのの端にチューブシートが備わる繊
維束を円筒状外殻の中に取付ける。前記外殻にはその一
方の端に供給気体入口が備わり、他端に非透過出口が備
わる。外殻には更に前記供給材料気体入口端に近接する
外殻の側面に透過出口が備わる。この分離器では、中空
繊維束が、前記両チューブシート間の外殻を完全に充填
することなく、繊維束と、外殻の内側の間の間隙を残し
ておいても差支えない。そのうえ、前記分離器を水平位
置で用いる場合、繊維束と外殻の内側の間の束の上部の
空間は、前記繊維が垂下傾向を有するので比較的大きく
なるものである。このような隙間が繊維から半径方向に
離れて、従って束から繊維に対して逆流方向に移動する
透過気体の中に流路を提供することがわかった。

【００２９】逆流流れは分離膜を効率よく利用しない。
０．７以下のバイパス係数に相当する逆流の流量は、分
離モジュールの生産性に関し交差流れに優る著しい向上
をもたらす。分離モジュールを改良してバイパス係数を
０．３５にすると全逆流流れに対向させた時の生産性で
達成される可能性のある増加分の９０％を与えることが
できる。

【００３０】本発明は、前記両チューブシート間の繊維
を囲繞する適格スリーブを繊維の長さの少なくとも約６
０％に提供する。スリーブを分離器内の非透過出口に最
も近いチューブシートに固着させる。好ましくは、スリ
ーブが分離器モジュールの非透過出口に最も近接したチ
ューブシートから計って繊維の長さの約８０％乃至約９
０％伸びることである。

【００３１】スリーブの材料は、繊維の束の横断面を軸
方向に下がる気体流れに対する抵抗性よりも高い気体流
れに対する抵抗性を備える。このことは、分離器モジュ
ール内の差圧に曝らされるスリーブの横断面積が束の横
断面よりも大きいたいめに必要である。

【００３２】スリーブは透過気体に対しほぼ不透過の軟
質材料であるが、もしくは分離器内の繊維と円筒状外殻
の内側の間の空間を充填して形成できるかのいずれかで
ある。空間の充填に適した材料の実施例には、独立気泡
フォーム例えば独立気泡シートスポンジである。チュー
ブシート上に伸張し、そこで繊維上に弛緩する軟質材料
の実施例は、ネオプレン裏打ちをしたストレッチナイロ
ン材料である。このような織物は、それを前記繊維束の
上に置いてから外殻に挿入する時、「ソック」と言われ
てきた。前記材料が、モジュールの加圧中に繊維束の繊
維から撓曲する傾向がある場合、前記ソックは、ハイパ
ロン（クロロスルホン化ポリエチレン）コーテッドナイ
ロン織物のような材料のほぼ不撓性「ブーツ」型のさや
で、ひも締めを施して、ぴんと張らせたブーツにより締
付けできる。ブーツを締めるのと同じ位強くひも締めを
絞って前記ブーツの伸長もしくは開放を防ぐ。

【００３３】前記ソックを前記非透過気体出口に一番近
い繊維束の端でチューブシートに密着させる。前記ソッ
クを接着剤によるか、あるいは繊維のチューブシートへ
の設定中、前記エポキシ系接着剤がまだ液体であるうち
に前記ソックを束の上に配置することでチューブシート
に密着できる。前記スリーブもしくはソックを非透過気
体出口に最も近接するモジュールの端で、チューブシー
トに密着させる他の適当な手段は技術上周知である。

【００３４】前記スリーブが、例えば独立気泡フォーム
のような気孔充填材料で形成されている時は、この材料
を特にチューブシートに密着させる必要は軽減される。
図２によれば、空間１２８に十分に圧縮した材料を充填
して、前記材料をチューブシートに密着させる必要がな
くなる。図２で注目すべきことは、前記空間を充填する
材料が適所にある時は、繊維束はゆるやかに圧縮され
て、繊維の間、あるいは繊維束と円筒状外殻の間の間隙
とかなりの空間を排除できるように正しい位置に保持さ
れることである。

【００３５】スリーブは繊維束を締付ける。繊維束を圧
縮して、パッキング係数が約４５％以上、約８０％以
下、好ましくは５３％乃至６４％になることが必要であ
る。直線繊維は、波状繊維より容易に引締まる傾向があ
るので、繊維を圧縮し過ぎないよう、あるいは気体の流
れに悪影響を与えないよう留意が必要である。

【００３６】適当なスリーブを適所に配置すると、透過
気体が逆流流れに流れて、気体分離モジュールの効率を
高める。圧縮独立気泡フォームを用いて、繊維束と円筒
状外殻の内側との間に気密シールを形成し、中空繊維束
内に形成される気体圧力に抵抗する十分な保圧力を伴
う。

【００３７】適当なスリーブを提供する適当な材料は、
ポリエチレン袋、空間を充填する圧縮独立気泡フォー
ム、ソック様スリーブを形成させる軟質材料、収縮包
装、シートフォーム材料、その他同種類のものを含む。
材料の組合わせも利用して本発明によるすぐれたスリー
ブを提供できる。例えば、軟質ソックを繊維束の上に被
せると、フォームを空間の残部に充填して、モジュール
加圧中のソックの膨脹防止に好ましいことがわかった。
更に、収縮包装のような軟質材料を使用の場合、ブーツ
もしくは他の手段を用いて前記収縮包装が加圧の状態で
膨脹することなく、そのため繊維と収縮包装の間に隙間
を残さないようにすることが一般に好ましい。このよう
な手段はすべて、この明細書で使用される「スリーブ」
という用語に包含されている。

【００３８】

【実施例】次の実施例は、単に解説上示すものであっ
て、どのような仕方でも、それに限定されるものではな
い。

【００３９】図３と４は、１００％逆流流れとする計算
機モデルの使用で得られる数値結果を示す。図５と６
は、繊維束に沿って流れる逆流スイープを減少させる透
過気体の迂回を採用するモデルを使用する。実施例１長さがほぼ、１８５ｃｍ（６ｆｔ）の、中空ポリスルホ
ン繊維の束を用意して円筒状外殻に入れて気体分離モジ
ュールを作製する。前記繊維は真筒ではなく、約５ｃｍ
の短い波形をつけて構成され、直径が約１８ｃｍある繊
維の圧縮された束になっている。前記繊維束のおのおの
の端をエポキシのチューブシート中に密封し、そして前
記チューブシートを切断、繊維の両端を開口して気体が
繊維の孔を通り、従って前記チューブシートも通過でき
るようにする。

【００４０】この２次加工した束（スリーブは付属して
いない）を鋼製外殻に配置し、空気分離の試験をする。
これらの試験の結果を図３に示し２つの方法で説明でき
る。１つは、試験の結果が０．５、２．０と５．０％の
酸素の非透過濃度を生じる酸素対窒素の一定分離係数を
事実上示した交差流計算機モデルを使用することであ
る。この一定のアルファは、単位装置が交差流れで作動
し、前記「固有の」アルファが測定された正しいモデル
が選ばれたことを示している。従って、モジュールを無
理矢理真の逆流流れで操作する場合、逆流流れ計算機モ
デルの使用が、同一数値の一定アルファという同一の結
果を示すことになる、一つの繊維束の分離能力を別の繊
維束の分離能力との混同を避けるため、束の「固有の」
アルファ値を１００％として示す。前記重合体の固有値
は、膜材料の稠密平シート膜に対して測定が可能であ
る。測定されたポリスルホンの固有分離係数は、温度３
０℃における酸素／窒素の約６．０である。

【００４１】２番目の方法によるこれらの試験の結果
は、前記測定固有分離係数の百分比としてのアルファを
計算する逆流流れモデルを用いたものとして示される。
逆流流れ計算結果はかなり低く、アルファは純度必要条
件が増えるに従って低下する。前記逆流流れモデルの結
果は、「未改変」として図３に示される。未改変束を鋼
製外殻から取外し、片方の端の約１５ｃｍを除き、両チ
ューブシート間の繊維に、ネオプレン裏打を施したスト
レッチナイロン材料を被覆して、前記繊維の回りにソッ
クもしくはスリーブを形成する。そこで、前記ソックを
片方のチューブシートに片方の端で、「レクセル（ＬＥ
ＸＥＬ）」コーキングを用い密着させ、ソックをチュー
ブシートに密封する。その後、ソックを外側で包装し
て、ソックを、ゴムブーツの仕方でレーシングを施し
て、ぴんと張らせたハイプロンコーテッドナイロン織物
を用い確実に適所に保持する。

【００４２】前記スリーブを適所に施した繊維束を円筒
状外殻に、ソックを密着させたチューブシートが非透過
気体の流出する前記円筒状外殻の端に配置されるような
仕方で配置する。前記円筒状外殻を密封すると、気体分
離モジュールは０．６８のバイパス係数と、約５６％の
スリーブ内のパッキング係数を提供する。

【００４３】前記外殻を、窒素非透過生成物流れと、酸
素搭載透過流れへの空気の分離にかける。試験を９．６
５×１０^５Ｐ（１４０ｐｓｉｇ）の圧力、約２２℃の温
度で実施する。計算されたＯ_２／Ｎ_２のα結果を３０℃
の温度に調整する。結果を図３に詳細に示す。垂直方向
試験を行ない、又水平方向試験を行なってデータを収
集、そこでの非透過流れにはそれぞれ０．５％の酸素、
２．０％の酸素と５．０％の酸素が含まれていた。

【００４４】結果は、バイパス係数の向上が、モジュー
ルを垂直位置あるいは水平位置で用いるかのいずれにし
ても、維持されていることを明白に示している。

【００４５】図３に対しては、逆流流れ（固有アルフ
ァ）を示すデータポイントを、前記非透過生成物流れに
ある０．５、２．０と５．０％のＯ_２の試験のおのおの
のバイパス係数の最小２乗適合値を提供するバイパス係
数を用いる計算機モデルにより実証する。実施例２実施例１と同一方法で作製し、活性長さが約１８５ｃｍ
のモジュールを、非透過流れの０．５、２．０と５．０
％Ｏ_２で試験した。０．２７のバイパス係数を実施例１
と同一形式の試験とモデルの方法を用い、約５６％のパ
ッキング係数を提供するスリーブを付加した。改良結果
を図４に示す。試験を約２２℃の温度、１００ｐｓｉｇ
の圧力で行なう。実施例３気体分離モジュールを、繊維の長さが約３０５ｃｍであ
ることを除き実施例１に示された手順にほぼ従って作製
する。約０．５％Ｏ_２、２％Ｏ_２と５％Ｏ_２を含む非透
過気体流れを生成できるか未改変モジュールを試験す
る。その後、前記モジュールを実施例１により修正し、
表１に示した条件で再度試験する。前記モジュールが
０．４３のバイパス係数を有し、おのおのの事例で生成
物の回収にかなりの向上を示したことを立証する。注目
すべきことは、窒素含量についての非透過気体の純度が
高ければ高いほど、バイパス係数が１．０から小さくな
ると回収の向上がますますよくなることである。

【００４６】

【表１】 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― ＡＢＣＤＥＦ ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 未改変未改変未改変未改変未改変未改変 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― バイパス係数 1.00 1.00 1.00 0.43 0.43 0.43 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 供給材料ＮＭ^３／ＨＲ 65.80 54.12 41.08 67.56 51.21 42.07 ＳＣＦＭ (38.71) (31.84) (24.17) (39.75) (30.13) (24.75) ―――――――――――――――――――――――――――――― 圧力(P_ａ） 6.48×10⁵6.89×10⁵7.24×10⁵6.53×10⁵6.65×10⁵6.79×10⁵ 圧力(Psig) (94.00) (100.00) (105.00) (94.70) (96.50) (98.50) ――――――――――――――――――――――――――――― 温度℃ 24.00 23.00 23.0 21.00 24.00 25.00 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 非透過生成物圧力(P_ａ） 6.27 ×10⁵5.78×10⁵7.10×10⁵6.24×10⁵6.51×10⁵6.62×10⁵ 圧力 (Psig) (91.00) (98.00) (103.00) (90.50) (94.50) (96.00) ―――――――――――――――――――――――――――――― 温度℃ 22.00 24.00 24.00 22.00 20.00 21.00 ％Ｏ_２ 4.92 2.08 0.48 5.10 1.90 0.47 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 生成物の回収(%) 48.30 34.75 20.03 52.13 38.27 26.30 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― この実施例では、分離モジュールの異なる形式の改変を
用いて、おのおのの事例におけるバイパス係数が０．８
以下の向上バイパス係数を生成する。

【００４７】間隙充填分離モジュールの事例では、繊維
束の外側と、モジュールの円筒状外殻の内側の間の間隙
に、シートの形のＳＢＲ／ニトリルブレンドであるゴム
様生成物を充填する。前記ゴム様生成物により形成され
たスリーブは、表２に示され、固有アルファの百分比と
してのＯ_２／Ｎ_２αの向上を示す。このモジュールを水
平方向位置と垂直方向位置で試験して０．５、２．０と
５．０％Ｏ_２の窒素ガス流れを得る。表２の示されたＯ
_２／Ｎ_２アルファを１００％逆流流れ（迂回＝０）を採
用するモデルを用いて計算した。

【００４８】同一のモジュールを、繊維強化テープで包
装したポリエチレンスリーブを用いて改変する。その場
合、袋をチューブシートに、非透過出口に一番近いモジ
ュール端で密着させる。繊維束を囲繞するスリーブとし
てポリ袋を用いると、改変分離モジュールのＯ_２／Ｎ_２
に向上した結果を生むことを結果が明白に示している。

【００４９】レースを施したソックとブーツ改変を実施
例１で論ぜられた手順に従って、この同一モジュールに
行なった。表２のデータは、改変分離モジュールのＯ_２
／Ｎ_２αに向上のあることを示している。

【００５０】上述の改変のおのおのの事例でのバイパス
係数は０．８以下であった。すべての試験を約１００ｐ
ｓｉｇ（６．９×１０^−５Ｐａ）の圧力と２０℃の温度
の供給材料空気を用いて実施した。

【００５１】

【表２】 ――――――――――――――――――――――――――――――― 改変の形式Ｏ^２／Ｎ^２アルファ ――――――――――――――――――――――――――――――― 1/2%Ｏ_２ 2%Ｏ_２ 5%Ｏ_２ ――――――――――――――――――――――――――――――― なし 61.3 70.1 77.1 間隙充填水平方向 70.9 - 95.8 間隙充填垂直方向 78.9 84.8 90.5 ポリ袋 78.7 83.5 88.3 ソックとブーツレース 90.1 92.1 92.5 ―――――――――――――――――――――――――――――――

【００５２】

【発明の効果】図５では、生成物回収の向上をバイパス
係数に従って示す。例えば、９８％の窒素生成物が得ら
れる事例において、バイパス係数が０．３乃至０．８で
ある場合、１．０のバイパス係数が１．０である場合と
比較する時、生成物の回収にかなりの向上が達成されて
いる。１．０のバイパス係数は、繊維束をスリーブで囲
繞しない場合の未改変分離モジュールを示している。

【００５３】図５は、バイパス係数が空気生成物回収に
及ぼす影響を明らかに示している。

【００５４】図６は、バイパス係数を前記Ｎ_２非透過生
成物中のＯ_２の異なる範囲で低下させることで、αに得
られた改善を示す。例えば、０．５％Ｏ_２をもつＮ_２生
成物を得るには、前記αが高ければ高いほど、分離工程
の効率がますますよくなる。従って、モジュールを改変
してゼロに接近するバイパス係数を得る場合、工程がそ
の最高の効率で作動することである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による中空繊維膜気体分離モジュールの
実施例の正面図である。

【図２】本発明による気体分離モジュールのもう１つの
実施例の正面図である。

【図３】本発明の実施例におけるバイパス係数の低減に
よる酸素と窒素の分離で得られた改善を示すグラフであ
る。

【図４】本発明による実施例の分離モジュールにおける
酸素と窒素の分離の改善を示すグラフである。

【図５】本発明の実施例によるバイパス係数の低減に際
し、生成物回収パーセントで達成された改善を示すグラ
フである。

【図６】本発明の実施例によるバイパス係数の低減に際
し、分離器の効率で達成された改善を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１０気体分離モジュール１２円筒状外殻１４供給材料入口１６非透過出口１８透過出口２０中空繊維２２チューブシート２４スリーブ２６チューブシート２８間隙（空間）１１０気体分離モジュール１１２円筒状外殻１１４供給材料入口１１６非透過出口１１８透過出口１２０中空繊維１２２チューブシート１２４スリーブ１２６チューブシート１２８間隙（空間）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低減バイパス係数を有する膜分離モジュ
ールにおいて、 (a) その実質的に対向する両端に供給材料気体入口と生
成物出口を備え、更に透過出口を別に備える円筒状外殻
と； (b) 前記外殻の中に取付けられ、又前記外殻に沿って伸
び、そのおのおのの端がチューブシートに入って止まっ
ている中空繊維の束と； (c) 前記外殻の中に軸方向に、かつ前記繊維の束を囲繞
して取付けられ、その一方の端が前記生成物出口に一番
近接する前記チューブシートに固着される適格スリーブ
と；からなり、前記スリーブは、前記両チューブシートの間だけの長さ
がある前記繊維の長さの少なくとも約６０％伸びて、約
４５％乃至約８０％のパッキング係数を前記束に付与
し、更に、前記モジュールのバイパス係数が約０．９５
以下になる仕方で適合することを特徴とする膜分離モジ
ュール。
【請求項２】前記バイパス係数が約０．８以下である
ことを特徴とする請求項１のモジュール。
【請求項３】前記バイパス係数が約０．５以下である
ことを特徴とする請求項２のモジュール。
【請求項４】前記スリーブが、前記両チューブシート
間だけの長さのある前記繊維の長さの約６０％乃至約９
８％伸びていることを特徴とする請求項１のモジュー
ル。
【請求項５】前記スリーブが、前記両チューブシート
間だけの長さのある前記繊維の長さの約８０％乃至約９
０％伸びていることを特徴とする請求項４のモジュー
ル。
【請求項６】前記スリーブが、内部気体圧力による膨
脹に抵抗する適格軟質チューブからなり、それを、もう
１つ別の外側適格硬質チューブが保持することを特徴と
する請求項１のモジュール。
【請求項７】前記スリーブが、前記束と前記円筒状外
殻の内側の間の間隙を充填する独立気泡フォーム材料か
らなることを特徴とする請求項１のモジュール。
【請求項８】前記パッキング係数が、約５３％乃至約
６４％であることを特徴とする請求項１のモジュール。
【請求項９】前記中空繊維膜が、長さが０．５ｃｍ以
下の永久固定波を有し、又前記波が前記繊維の直径の３
倍以下の振幅を有することを特徴とする請求項１のモジ
ュール。
【請求項１０】混合気体中の少なくとも１つの気体を
前記混合気体中の少なくとも１つの別の気体からの選択
透過による分離と、少なくとも前記の少なくとも１つの
別の気体中で還元された前記少なくとも１つの非透過気
体を含む非透過生成物を供給する方法であって、低減し
たバイパス係数を有し、且つ、 (a) その実質的に対向する両端に供給材料気体入口と生
成物出口と、更に透過入口を別に備える円筒状外殻と、 (b) 前記外殻に取付けられ、それに沿って伸び、そのお
のおのがチューブシートに進入して止ることを特徴とす
る中空繊維膜の束と、 (c) 前記外殻の中に軸方向に且つ、前記繊維の束を囲繞
して取付けられ、その一方の端が前記生成物出口に最も
近接する前記チューブシートに固着される共に、前記両
チューブシート間だけの長さがある前記繊維の長さの少
なくとも約６０％伸びて、約５０％乃至８０％のパッキ
ング係数を前記束に付与し、更に、前記モジュールのバ
イパス係数が約０．９５以下になる仕方で適合する前記
スリーブと；からなる前記気体分離モジュールの入口に
前記気体混合物を圧力をかけた状態にして供給し、それ
によって、前記少なくとも１つの別の気体を前記中空繊
維膜に入れ、それを通して透過させる工程と；前記少な
くとも１つの別の気体の成分で還元された非透過気体生
成物を回収する工程と；からなる前記分離と供給の方
法。
【請求項１１】前記少なくとも１つの別の気体が酸素
であり、前記非透過気体生成物が低減した量の酸素を含
むことを特徴とする請求項１０の方法。
【請求項１２】前記気体混合物が空気であることを特
徴とする方法。
【請求項１３】前記少なくとも１つの別の気体が酸素
であり、前記非透過気体生成物が実質的に窒素であるこ
とを特徴とする請求項１０の方法。
【請求項１４】前記非透過気体生成物が事実上窒素か
らなることを特徴とする請求項１３の方法。