JPS63224714A - ガス分離装置 - Google Patents

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、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体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って、原料ガス
から特定成分ガスが分離される。従って、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、分前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０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、一般にフッ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１０
０℃以下で約１００　Ｋｇ／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
という欠点があった。

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
０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２００Ｋｇ７
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ッ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によって固着されている。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って、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、セラミック粉末が混入
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３００Ｋｇ／
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２００　Ｋｇ／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ってもよ
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、セラミックなどの無機材料から製造された中空糸を
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ｉ　ｏｏ。

μｍ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ってもよ
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」のいずれであってもよい。

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５００　ｃｍ、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、フェノール、ｆ−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、特にフェノールノボラック型エポキシ樹脂
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５０
０ボ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、ピロメリット
酸二無水物、無水メチルナジック酸、ベンゾフェノンテ
トラカルボン酸二無水物、ジアミノフェニルスルホン、
ジアミノジフェニルメタン、メタフェニレンジアミン等
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、トリー２．４．６−シメチルアミノメチルフ
エノール、ペンジルジメヂルアミン、三フッ化ホウ素−
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′に混入するセラミック粉末として
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、特に炭化ケイ素、窒化ケイ素など
が好ましい。樹脂壁６にセラミッ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
、セラミック粉末の消費量が増すたけであまり意味はな
い。表層部６′へのセラミック粉末の混入量は、樹脂の
種類、セラミック粉末の種類、粒度等によって変わるが
、表層部６′の表面硬度がショアー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ック粉末を混入し、セ
ラミッ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っては、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
で封した状態で、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
ミッ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、該セラミッ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
ようなセラミック粉末と樹脂との組合せを選定すること
によって、該樹脂中のセラミック粉末は金型２３の底面
方向に移動し、該樹脂によって形成される樹脂壁の糸束
軸方向端面部にセラミック粉末混入層が形成される。

第３図において、上記成形によっ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
は樹脂中にセラミッ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ッ
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
ッ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、ニッケル
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
であってもよいが、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０リング、特に中空金
属０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、
うず巻ぎバネ等と樹脂壁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って金属製
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って吸
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
弾性部材によっ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１００
１００Ｏ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、フェノールノボラック型エポキ
シ樹脂（シェル社製、商品名エピコート１５４）、硬化
剤（無水メチルナジック酸）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１．２　ｇ／ｃｔｎ３）と、炭化ケイ素粉末（粒子径
１〜１０μｍ、真密度３．２　ｇ／ａｍ３）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０リング（日本パルカー社
製、銀メツキメタル中空０リング）を使用し、金属製弾
性部材として工具鋼５Ｋ−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０リングには１０　Ｋｇ／ｍｍＯ
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２００８ｇ７ｃｍ２Ｇ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ったが
、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０リングと接触する面の圧痕
深さは１０μｍであった。

【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
ッ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、２
５は糸束である。 特許出願人　　宇部興産株式会社 第１図 ６′ ３′ 旦　　　　　　　　　１ 第２図 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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
   れているが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ッ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. （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ック粒子の充填層を
   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. （３）前記セラミック粒子の充填層がセラミック粉末を
   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。