JPH059124B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 近年、省エネルギー、省スペースで安価な膜に
よるガス分離技術が、化学工業プロセスを始めと
する多くの産業分野の中で広く使われつつある。
膜モジユールには、中空糸（ホローフアイバー）
スパイラル、平膜の３方式があり、用途に応じて
使い分けられている。

平膜は、他の方式に比べて、膜素材の調整が容
易で最も高い性能を出し得るという特徴をもつた
め、工業用、医療用酸素富化空気の製造、バイオ
インダストリーでのCO₂、アルコール濃縮等の分
野で多く使わている。本発明はシンプルかつ安価
で信頼性の高い、減圧、高圧両方で使用できる平
膜型ガス分離装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の積層平膜モジユールを用いたガス分離装
置の１例（特開昭61−93817号公報）を第９図及
び第１０図に示す。

第９図は積層平膜モジユールの１つのユニツト
についての分解説明図であり、第１０図は第９図
のモジユールを使用するガス分離装置の概念図で
ある。

第９図のモジユールは、上板９と下板１０の間
に供給ガス室枠１、ガス選択透過膜２、透過ガス
室枠３、ガス選択透過膜２及び供給ガス室枠１を
積層して全体を締付けるようにしたものである。
供給ガス室枠１の１つの側部には枠内に連通する
供給ガスス流入口４が全面に設けられており、反
対側の側部には供給ガス流出口５が同じく全面に
設けられている。また、供給ガス室枠１の他の側
部に当る枠周縁部に枠内とは独立した切り欠き部
７を設け透過ガスの流路とする。透過ガス室枠３
には供給ガス室枠１の切り欠き部７に相当する位
置に同様の切り欠き部７を設けるとともに、透過
ガス室枠３の枠内と、該切り欠き部７とを連通す
る透過ガス流出口６を設けてある。さらに上板９
には各枠の切り欠き部７より集められた透過ガス
をモジユールより取出すための透過ガス取出しノ
ズル１１を設けてある。

第１０図の積層平膜モジユール１３は第９図の
ユニツトを必要数積層したもので、供給ガス流出
入口を除いてモジユールの側面を接着シール剤で
接着してある。このモジユール１３は供給ガス流
入口４に対向するように気体供給ボツクス２８を
配置してフアン２９により該流入口４に気体を供
給する。該モジユール１３の透過ガス取出しノズ
ル１１には真空ポンプ３０が接続されており、透
過ガスを吸引して採取するようになつている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この種のガス分離装置において、ガス選択透過
膜の分離効率を低下させる主因は膜界面の濃度分
極にある。一般に供給ガス室の膜界面では易透過
性ガスの欠乏と難透過性ガスの増加により、供給
ガス室のガス組成は透過の推進力を抑制する方向
に濃度分極する。また、供給ガス室の流れ方向に
沿つて易透過性ガスの濃度が減少し、難透過性ガ
スの濃度が増加することにより流れ方向の濃度勾
配が形成される。そこで、濃度分極や濃度勾配を
取り除いて膜の分離効率を向上させるためには膜
界面における供給ガスの流速を増大させる方法が
とられている。

上記のガス分離装置では、空気から酸素富化ガ
スを効的に回収するために大流量の空気をモジユ
ールに吹きつけて、供給ガス室内のガス流速を高
める方法がとられているる。このように、大気圧
下で無尽蔵に存在する空気等のガス源については
上記ガス分離装置が有効であるが、圧力や量に制
約のあるガス源に対しては適さない。特にモジユ
ールの供給ガス室を一度のパスで通過させる従来
の装置では、ガス源に量的制約がある場合には膜
界面におけるガス流速を十分に上げることができ
ず、分離効率を低下させることになる。また、従
来のガス分離装置では、透過ガス、非透過ガス共
ほぼ大気圧に近い低圧で回収されるため、回収ガ
スを高圧を要する工程に供給するためにはコンプ
レツサーにより昇圧する必要がある。さらに、モ
ジユールの供給ガス室に高圧ガスを導入する場合
には枠と膜との間のシールを余程強固にしないと
モジユール内の圧力により、モジユールが外側に
ふくらみ枠と膜との間のシール部に剥離が生じガ
ス漏れさらにモジユールの破損を招く欠点もあ
る。さらにまた、処理ガス量の変動にガス分離装
置を対応させることが難しい構造になつている。

本発明は、上記の問題点を解消し、膜界面の高
いガス流速を確保しながら、原料ガスの量に応じ
た供給ガス室の断面積及び膜面積の変更を容易と
し、高圧ガスから低圧ガスに至る任意のガスを効
率的に分離することのできるガス分離装置を提供
しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、積層平膜モジユールの供給ガス流出
入口をフイードカバーで被い、供給ガスが一度の
パスで流れる供給ガス室の数、即ち、供給ガス流
路断面積を供給ガスの量により規定し、モジユー
ル内を複数回パスさせることにより膜界面の供給
ガス流速を高め、有効膜面積を拡大することを可
能とした。また、モジユールを加圧ガスで満した
圧力容器内に収容することによりモジユールのシ
ール部の剥離及び破損を防止し、枠と膜との厳格
なシールを軽減し、高圧ガスの処理を容易にした
平膜型ガス分離装置である。

即ち、本発明は、枠内に透過ガススペーサを収
容し、該枠の周縁部に透過ガス取出し用の切り欠
き部を有し、該枠内から切り欠き部に連通する透
過ガス流出口を有する透過ガス室枠と；ガス選択
透過膜と；枠の外側に連通する供給ガス流出入口
を枠内の両端部の位置に有し、該枠の周縁部に切
り欠き部を有する供給ガス室枠とを包含し；供給
ガス室枠と透過ガス室枠との間にガス選択透過膜
を配置するように多数積層し、これを上板と下板
により締付けることによりモジユールを形成し；
上記の枠の切り欠き部は該モジユールにおいて透
過ガス取出し流路を形成して上記上板に設けた透
過ガス取出しノズルに連通させてなる積層平膜モ
ジユールを有する平膜型ガス分離装置において；
加圧雰囲気ガスを満した円筒型圧力容器内に上記
積層平膜モジユールを収容し、該モジユール側面
の供給ガス流出入口をフイードカバーで被い、左
右のフイードカバー内を異なる高さの仕切板で２
つ以上に区画して該モジユール内供給ガス流を直
列の複数のパスに分け；該パスの両端に位置する
フイードカバーの区画を圧力容器外に伸びる供給
ガス導入管及び導出管に接続し、かつ、上記透過
ガス取出しノズルを圧力容器外に伸びる透過ガス
採取管に接続したことを特徴とする平膜型ガス分
離装置である。

〔作用〕

第１図〜第８図に本発明の平膜型ガス分離装置
の具体例を示す。

第１図は、本発明の積層平膜モジユールの１例
を分解した説明図である。このモジユールは上板
９と下板１０の間に供給ガス室枠１、ガス選択透
過膜２、透過ガス室枠３、ガス選択透過膜２及び
供給ガス室枠１を積層して全体を締め付けるよう
にしたものであり、処理ガス量に応じて供給ガス
室枠、ガス選択透過膜、透過ガス室枠からなるユ
ニツトを多数積層して使用する。図中、実線は供
給ガスの流れを、また点線は透過ガスの流れを示
す。供給ガス室枠１には枠内の一端に枠外と連通
する供給ガガス流入口４を、他端に同様に枠外と
連通する供給ガス流出口５を設け、供給ガスを実
線の矢印のように流すようにする。供給ガス流出
入口４，５は枠体と別個に作り、図のように固着
してもよいし、枠体に開口を穿つてもよい。ま
た、その位置も図のように両側から供給ガスを流
入させ、両側から流出させることが、隅に死空間
を形成させないために好ましいが、流入口及び流
出口をそれぞれ１つとすることもできる。供給ガ
ス室枠１には、供給ガス流入口４，５と異なる周
縁部に透過ガスの流路を形成するための切り欠き
部７を設けてある。ガス選択透過膜２及び透過ガ
ス室枠３にも同じ場所に切り欠き部７を設ける。
ガス選択透過膜は、例えばシリコン膜、ポリスル
フオン−シリコン系膜、ポリイミド系膜、酢酸セ
ルロース系膜等を目的に応じて用いることができ
る。透過ガス室枠３には、枠内に例えばネツト等
のスペーサー８を収容し、切り欠き部７と枠内を
連通する透過ガス流出口６を設ける。図には透過
ガス流出口６を左方のみに設けているが、同様に
右方に設けて両方から透過ガスを回収することも
できる。図では供給ガスの流れと透過ガスの流れ
が膜を介して向流になつているが、透過ガス流出
口６を右方のみに設けて上記流れを並流とするこ
ともできる。供給ガスの流れと透過ガスの流れを
向流とする場合には、膜境界における易透過性ガ
スの分圧差の減少を防止することができる。この
透過ガス流出口６より切り欠き部７に集められた
透過ガスは点線の矢印のように、上板９に設けた
透過ガス取出しノズル１１より回収される。

第２図は積層平膜モジユール１３の斜視図であ
る。枠と膜とは接着シール剤により接着される。
接着シール剤としてはエポキシ、ポリウレタン、
フツ素系の樹脂を使用することができるが、これ
に限定されるものではない。モジユールの側面に
は供給ガス流出入口１２が開口されており、この
部分にフイードカバーが当接される。

第３図及び第４図はフイードカバーの斜視図で
あり、いずれも、モジユール内を矢印のように３
パスさせる場合に用いるのである。これらのフイ
ードカバーは第２図のモジユールの側面に当接さ
れ、以下に詳述する第６図のように円筒型圧力容
器内に収納されるもので、モジユール側面と圧力
容器の内壁とにより形成される空間に収容可能な
形状とする。

第３図は供給ガス導入用フイードカバー１４で
あり、モジユールの供給ガス流出入口に対向する
る開口部を除いて蓋板１８で被い、両端を端板１
７で閉じている。該カバー１４内は仕切板１５で
上下に区画されている。供給ガスは導入管１６を
介して上部区画室に導入され、該区画室開口に当
接するモジユールの供給ガス流入口を介して供給
ガス室に流入される。その際、仕切板１５の高さ
により、供給ガス室の数が規定され、供給ガス室
の数により第１パス流路の断面積が決まる。下部
区画室は第２パスと第３パスの供給ガス室の流出
入口を被うように開口している。非透過ガス取出
用フイードカバーについては図示していないが、
第３図を上下逆転させた構造を有している。即
ち、上部区画室は第１パスと第２パスの供給ガス
室の流出入口を被うように開口し、下部区画室は
第３パスの供給ガス室の流出口に対して開口して
いる。そして、該下部区画室は非透過ガスをモジ
ユール外に取出すための導出管に接続している。

第４図は、モジユールとモジユールとを連結す
るために用いるフイードカバーである。連結用フ
イードカバー１９は両端を端板１７で閉じ、両モ
ジユールの供給ガス流出入口に対向するように開
口しており、中央を蓋板１８で被つている。フイ
ードカバー１９内は３パス用に２つの仕切板１５
により３つの区画室を形成し、それぞれのパスの
供給ガス室を連通可能としたものであり、実線の
矢印はフイードカバー１９内の供給ガスの流れを
示している。

第５図及び第６図は、円筒型圧力容器内に第２
図のモジユールを２つ挿入し、３パス方式を採用
したガス分離装置の全体図である。第５図は正断
面図、第６図は第５図のＡ矢視図である。

まず、円筒型圧力容器２２とモジユール１３と
フイードカバー１４，１９，２４の関係を第６図
にみると、円筒型圧力容器２２内を有効利用する
ためにはモジユール１３の断面を正方形とし、圧
力容器の内壁に僅かの間〓を残して内接する大き
さにすることが好ましく、また、フイードカバー
は圧力容器内壁とモジユール側面で形成される形
状とすることが好ましい。そして、フイードカバ
ー１４，１９，２４はモジユール１３の両側面に
固定用金具２３で一体的に固定する。

次に、第５図にガスの流れをみると、実線の供
給ガスは円筒型圧力容器２２の側壁を貫通する供
給ガス導入管１６を経てフイードカバー１４の上
部区画室に入り、該区画室の開口に当接するモジ
ユールの供給ガス流入口より複数の供給ガス室に
導入され、第１のパスを形成する。第１パスの供
給ガスは連結用フイードカバー１９を経て右方の
モジユール１３に導入され、さらに非透過ガス導
入用フイードカバー２５の上部区画室で反転して
第２のパスとしてモジユール１３の中間の供給ガ
ス室を通り、上記供給ガス導入用フイードカバー
１４の下部区画室で再び方向を反転して第３のパ
スとしてモジユール１３の下部の供給ガス室を経
て最終的に非透過ガスとして上記非透過ガス導出
用フイードカバー２４の下部区画室に集められ、
導出管２５より系外に取出される。上記供給ガス
室を通過する間にガス選択透過膜を透過するガス
は点線の矢印のようにモジユールの切り欠き部を
経て透過ガス取出ノズル１に集められ、集合管２
０、採取管２１より系外に回収される。

第７図は１つのモジユール１３内を４パスさせ
るときのガスの流れを示した図である。モジユー
ル１３の左端に供給ガス導入管１６と非透過ガス
導出管２５接続するフイードカバー２６を当接
し、該フイードカバー２６内には仕切板を２枚取
付け、上部区画室は第１パス用、中間区画室は第
２パスから第３パスに供給ガスを反転させるため
に、下部区画室は第４パス用として、非透過ガス
を排出するために用いられる。また、右端のフイ
ードカバー２７内には１板の仕切板を取付け、そ
れぞれの区画室は第１パスから第２パス及び第３
パスから第４パスへと供給ガスの流れを反転させ
る役割をしている。

このように、フイードカバーは供給ガスの導
入、連通、導出及び反転の機能を有するととも
に、フイードカバー内仕切板の数と高さを適宜選
択することにより、モジユール内のパスの数を変
更し、また、供給ガス室の数により、１つのパス
の流路断面積を決めることができる。従つて、そ
れぞれのガス源に対して供給ガス室内の流速を所
定値とすることもフイードカバーの交換により容
易に行うことができる。また、ガス選択透過膜を
介してガスが透過することにより供給ガス室のガ
ス量が減少することに対処するために、後段のパ
スの供給ガス室の数を減少させて、流路断面積を
減少させて流速を一定に保たせることも、仕切板
の高さの調節により簡単に行なうことができる。

第８図は１つのモジユールを(a)１回でパスさせ
る場合、(b)３回でパスさせる場合、(c)４回でパス
させる場合について、供給ガスの線速度と供給ガ
ス流路断面積の関係を説明するために示した図で
ある。即ち、モジユールの供給ガス室断面積の和
をＳ（m²）とし、膜面積の和をＡ（m²）として、一
定流量Ｖ（m³／hr）の供給ガスを１パスで流すと
きの供給ガス室内の線速度をｖ（ｍ／hr）とする
と、(b)の３パス方式においては、１パスの供給ガ
ス室の断面積の和が1/3（m³）となり、供給ガス
Ｖ（m³／hr）を流すと供給ガス室のガスの線速度
V′（ｍ／hr）は第１パス方式のｖ（ｍ／hr）の３
倍となり、高い線速度を確保することができる。
一方、上記３パス方式の場合は膜面積1/3Ａのモ
ジユールが３ケ直列に配列したことを相当する。
この様に膜面積Ａのモジユール１ケを、複数のモ
ジユールに直列に分割する場合には、各分割モジ
ユール内で供給ガス流量に対する透過ガス流量の
比（ステージ・カツト：Staage Cut）がより小
さくなるため、同じ膜面積でより高い分離性能を
得ることができる。(c)の４パス方式においても、
同様に１パスの供給ガス室の断面積の和は1/4Ｓ
（m²）となり線速度v″はｖの４倍となる。

なお、膜面積を拡大するためには、第５図のよ
うに２以上のモジユールを連結用フイードカバー
を用いて結合すばよい。

〔実施例〕

本発明の平膜型ガス分離装置を用いて空気分離
を行なつた。積層平膜モジユールは第１図のユユ
ニツトを25層積層し、ポリスルフオン−フツ素系
のガス選択透過膜（旭硝子(株)製）を50枚用いたも
のである。モジユールの外形は縦600mm、横100
mm、高さ100mmである。このようなモジユールを
３つ連結して円筒型圧力容器に収容した。ガス分
離装置全体で膜の有効面積の和は5.1m²であつた。
実験は、フイードカバーを交換して１パス方式、
３パス方式及び５パス方式として行ない、その結
果を比較した。

それぞれの方式について、供給空気を圧力７
Kg／m²Ｇ、流量7Nm²／Hr流したところ、イナー
トガス窒素濃度は１パス方式では95.2vol％であ
つたのに対して、３パス方式では97.6vol％、５
パス方式では98.1％とそれぞれ向上した。

〔発明の効果〕

本発明は、積層平膜モジユールに対して以下の
フイードカバーを適宜選択して当接する構造と
し、かつ、加圧雰囲気ガスを満した円筒型圧力容
器に収容することにより、次の効果を奏する。即
ち、 (1) フイードカバーの仕切板の数とその高さを選
択することにより、１つのモジユールを複数の
パスとして利用し、かつ１回のパスの供給ガス
室の数を適宜選定し、即ち、供給ガス室のガス
流の線速度を調節可能とし、種々のガス源に対
して所定の高い線速度を確保できるようになつ
た。

(2) また、後段のパスの供給ガス室の数を減らし
て、全てのパスのガス流について高い線速度を
確保できるようにした。

(3) 連結用フイードカバーで複数のモジユールを
連結し、所定の膜面積を確保するることができ
るようにした。

(4) モジユールを加圧雰囲気ガス内に収容するこ
とによりモジユールのシールを容易とし、高圧
ガスの処理にも容易に使用可能となつた。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は本発明の平膜型ガス分離装置
の説明図であり、第１図は積層平膜モジユールの
１つのユニツトについての分解図、第２図は該モ
ジユールの斜視図、第３図は供給ガス導入用フイ
ードカバーの斜視図、第４図は連結用フイードカ
バーの斜視図、第５図は円筒型圧力容器に該モジ
ユールを２つ収容した３パス方式の平膜型ガス分
離装置の正断面図、第６図は第５図のＡ矢視図、
第７図は４パス方式のガスの流れを示した説明
図、第８図は１パス方式、３パス方式及び４パス
方式を対比した説明図である。第９図及び第１０
図は従来の平膜型ガス分離装置の説明図であり、
第９図は積層平膜モジユールの１つのユニツトに
ついての分解図、第１０図はガス分離装置の使用
状況を説明するための図である。 １……供給ガス室枠、１９……連結用フイード
カバー、２……ガス選択透過膜、２０……透過ガ
ス集合導管、３……透過ガス室枠、２１……透過
ガス採取管、４……供給ガス流入口、２２……円
筒型圧力容器、５……非透過ガス流出口、２３…
…フイードカバー取付固定用金具、６……透過ガ
ス流出口、２４……非透過ガス導出用フイードカ
バー、７……切り欠き部、２５……非透過ガス導
出管、８……スペーサーネツト、２６……ガス導
出入用フイードカバー、９……上板、２７……端
部用フイードカバー、１０……下板、２８……気
体供給ボツクス、１１……透過ガス取出しノズ
ル、２９……フアン、１２……供給ガス流出入
口、３０……真空ポンプ、１３……積層平膜モジ
ユール、１４……供給ガス導入用フイードカバ
ー、１５……仕切板、１６……供給ガス導入管、
１７……端板、１８……蓋板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 枠内に透過ガススペーサを収容し、該枠の周
   縁部に透過ガス取出し用の切り欠き部を有し、該
   枠内から切り欠き部に連通する透過ガス流出口を
   有する透過ガス室枠と；ガス選択透過膜と；枠の
   外側に連通する供給ガス流出入口を枠内の両端部
   の位置に有し、該枠の周縁部に切り欠き部を有す
   る供給ガス室枠とを包含し；供給ガス室枠と透過
   ガス室枠との間にガス選択透過膜を配置するよう
   に多数積層し、これを上板と下板により締付ける
   ことによりモジユールを形成し；上記の枠の切り
   欠き部は該モジユールにおいて透過ガス取出し流
   路を形成して上記上板に設けた透過ガス取出しノ
   ズルに連通させてなる積層平膜モジユールを使用
   する平膜型ガス分離装置において；円筒型圧力容
   器内に上記積層平膜モジユールを収容し加圧雰囲
   気ガスを満し、該モジユール側面の供給ガス流出
   入口をフイードカバーで被い、両端のフイードカ
   バー内を異なる高さの仕切板で２つ以上に区画し
   て該モジユール内供給ガス流を直列の複数のパス
   に分け；該パスの両端に位置するフイードカバー
   の区画を圧力容器外に伸びる供給ガス導入管及び
   導出管に接続し、かつ、上記透過ガス取出しノズ
   ルを圧力容器外に伸びる透過ガス採取管に接続し
   たことを特徴とする平膜型ガス分離装置。 ２ 円筒型圧力容器内に複数の積層平膜モジユー
   ルを直線上に収容し、隣接するモジユールの最寄
   りの供給ガス流出入口を１つのフイードカバーで
   被い、該フイードカバーにはそれぞれのパスに対
   応した仕切板を設け、複数の透過ガス取出しノズ
   ルを集合導管で連通して透過ガス採取管に接続し
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   平膜型ガス分離装置。 ３ 積層平膜モジユール内の各パスの供給ガス流
   路断面積を透過ガス量に対応させて減少するよう
   にフイードカバーの仕切板の高さを調節すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記
   載の平膜型ガス分離装置。