JP2002001046A

JP2002001046A - 空気分離方法

Info

Publication number: JP2002001046A
Application number: JP2000192396A
Authority: JP
Inventors: Yukio Ikeda; 行男池田; Takeshi Matsuzaki; 毅松崎; Yoshihiro Kusuki; 喜博楠木
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2002-01-08
Anticipated expiration: 2020-06-27
Also published as: JP4123692B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、炭素数５以下の炭化水
素などの低沸点有機化合物を使用しているか、あるいは
少なくとも炭素数５以下の炭化水素ガスなどの低沸点有
機化合物ガスが雰囲気空気中に存在している場所で中空
糸高分子膜を用いて空気分離をおこなう場合に、中空糸
高分子膜の分離性能が急激に低下するという問題を改善
し、中空糸分離膜の性能低下を抑制して長期間安定して
空気から富化窒素や富化酸素を分離回収する容易で経済
的な方法を提供することを目的とする。【解決手段】空気を圧縮し、前記圧縮空気を、
炭素数が５以下の低炭化水素ガスを吸着し得る特定の活
性炭と接触処理した後で、中空糸高分子膜に供給して空
気から富化窒素や富化酸素を分離回収することによっ
て、中空糸分離膜の性能低下を抑制して長期間安定して
空気分離をおこなうことができる容易で経済的な方法を
提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、中空糸高分子膜を
用いた空気分離方法であって、供給空気が中空糸高分子
膜の分離性能を低下させる炭素数５以下の炭化水素ガス
などの低沸点有機物ガスを含んでいる場合でも、前記供
給空気を特定の活性炭と処理した後で中空糸高分子膜に
供給することによって中空糸分離膜の性能低下を抑制す
ることができる、空気から中空糸高分子膜を用いて富化
窒素や富化酸素を分離回収する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】中空糸高分子膜を用いて空気から富化窒
素や富化酸素を分離回収する方法は、装置が小型で操作
や保守が容易でありかつ経済的な方法である。しかし、
中空糸高分子膜は、供給空気に含まれる水蒸気が膜の表
面に吸着したり、供給空気に含まれるダストやコンプレ
ッサーから排出され供給空気に混入する炭素数が多い重
質炭化水素からなるオイルミストが膜の表面に付着およ
び／あるいは吸着することによって、分離性能の低下が
起こる。このため通常は、空気を中空糸高分子膜へ供給
する前に、ダストフィルターでダストを除去したり、冷
凍除湿機で除湿したり、オイルフリーコンプレッサーで
オイルの排出を抑制したり、ミストセパレータあるいは
スクラバーでオイルミストを除去するなどの前処理をお
こなって中空糸高分子膜の分離性能の劣化を抑制してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、中空糸
高分子膜を使用した空気分離装置は、小型で装置の設置
条件に制約がほとんどないので、分離回収した成分を使
用する装置設置場所の近傍で使用されることが多い。こ
の場合中空糸高分子膜へ供給される空気は、前記装置設
置場所の近傍の雰囲気空気から取り込まれるために、必
ずしも清浄なものとは限らない。

【０００４】炭素数５以下の炭化水素ガスなどの低沸点
有機物を含む溶剤を使用しているか、あるいは雰囲気空
気中に少なくとも炭素数５以下の炭化水素ガスなどの低
沸点有機物ガスが存在している場所、例えば化学工場、
プラスチック工場、ゴム工場、クリーニング工場、印刷
工場、半導体工場、ガソリンスタンドなどにおいて、例
えば防爆のためのパージガスとして富化窒素を用いたり
あるいはその他の目的のために富化窒素富化窒素や富化
酸素を用いている。このような場所で中空糸高分子膜を
使用した空気分離装置によって空気分離をおこなう場
合、人体に影響がない程度の低濃度ではあっても、炭素
数５以下の炭化水素ガスなどの低沸点有機物ガスを含有
した空気を中空糸高分子膜へ供給することになり、中空
糸高分子膜の分離性能が急激に低下するという問題が生
じた。しかもこの場合には、オイルフリーコンプレッサ
ーで空気を圧縮して用いたり、ダストフィルター、冷凍
除湿機、ミストセパレータなどによって供給空気の前処
理をおこなっても、前記の分離性能の低下を抑制するこ
とはできなかった。

【０００５】このため、炭素数５以下の炭化水素ガスな
どの低沸点有機物ガスを含有した空気を中空糸高分子膜
へ供給して空気分離をおこなうときにも、分離性能の低
下を抑制できる容易で経済的な分離方法が求められてい
た。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、種々検討
した結果、炭素数５以下の炭化水素ガスなどの低沸点有
機物ガスを含有した圧縮空気を、特定の活性炭と接触処
理した後で中空糸高分子膜へ供給することによって、中
空糸高分子膜の分離性能の劣化を抑制できることを見出
して本発明を創生した。

【０００７】すなわち、本発明は、空気を圧縮し、前記
圧縮空気を、炭素数５以下の炭化水素ガスを吸着し得る
活性炭と接触処理した後で、中空糸高分子膜に供給して
空気から富化窒素および／あるいは富化酸素を分離回収
する方法に関する。また、本発明は、冷凍除湿機で除湿
および／あるいはミストセパレータでオイルミストを除
去した後で前記活性炭と接触処理すること、−５０℃〜
７０℃の温度条件下で前記活性炭と接触処理すること、
中空糸高分子膜によって空気から富化窒素および／ある
いは富化酸素を分離回収する温度条件が前記活性炭との
接触処理温度よりも高温度であること、前記活性炭の平
均細孔半径が０．５〜１．６ｎｍであること、中空糸高
分子膜が中空糸ポリイミド膜であること、および、少な
くとも炭素数が５以下の低沸点有機物ガスが雰囲気空気
中に存在している場所で実施することを特徴とする空気
分離の方法に関する。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の中空糸高分子膜は通常の
中空糸膜モジュールの形態で用いられる。中空糸膜モジ
ュールの形態は特に限定されないが、例えば、中空糸を
多数本束ねた中空糸束の少なくとも一方の端部をエポキ
シ樹脂などで端面において中空糸が開口状態となるよう
に固着した中空糸膜エレメントを、少なくとも混合ガス
供給口、透過ガス排出口、および、未透過ガス排出口と
を有する容器内に、中空糸の内側へ通じる空間と中空糸
の外側へ通じる空間を隔絶するように装着して構成され
る。本発明において、採取された空気は０．５〜２５ｋ
ｇｆ／ｃｍ²（Ｇ：ゲージ圧、以下同じ）に圧縮され
て、中空糸の内側あるいは外側の空間へ供給され、中空
糸高分子膜の表面に接して流通しながら、酸素ガスが選
択的に膜を透過させられる。透過した富化酸素ガスは透
過ガス排出口から分離回収され、酸素ガスが除去された
富化窒素ガスは未透過ガス排出口から分離回収される。

【０００９】本発明の中空糸高分子膜は、窒素ガスに比
較して酸素ガスを選択的に透過する高分子からなる中空
糸膜であり、酸素ガスと窒素ガスの分離度が大きいので
ガラス状高分子からなる中空糸膜が好ましく、酸素ガス
と窒素ガスの分離度が特に大きく機械的強度、耐熱性、
及び、耐久性などに優れるのでポリイミドで形成された
中空糸膜が特に好ましい。中空糸膜の形態は、均質膜で
もよく、複合膜や非対称膜などの不均一性のものでも良
いが、好ましくは透過速度が大きいので非対称膜であ
る。また、中空糸膜の膜厚は１０μｍ〜５００μｍで外
径が５０μｍ〜２０００μｍのものを好適に挙げること
ができる。

【００１０】空気を圧縮するのは、ブロワーでもコンプ
レッサーでも構わない。また、オイル式でもオイルフリ
ーでも良いが、オイルフリーのものが供給空気へオイル
ミストが混入するのを抑制できるので好ましい。

【００１１】本発明においては、圧縮された空気は炭素
数が５以下の炭化水素ガスを吸着し得る活性炭と接触処
理されて、少なくとも炭素数が５以下の炭化水素ガスな
どの低沸点有機物ガスが吸着除去される。活性炭で吸着
処理する以外に、シリカゲルやアルミナやゼオライトに
よって吸着処理する可能性も考えられる。しかし、それ
らは空気中の水蒸気や二酸化炭素の影響を受けて吸着能
が急激に低下して長期間連続して使用することができな
かったり、高価格のものであるので、中空糸分離膜によ
る空気分離の前処理に用いることは適当ではない。

【００１２】本発明で用いる活性炭は、炭素数が５以下
の炭化水素ガスを吸着し得るものである。通常、活性炭
は重質炭化水素などの高沸点有機物ガスは吸着するが低
沸点有機物ガス、特に炭素数が５以下の炭化水素ガスな
どの低沸点有機化合物ガスは吸着し難い。しかしなが
ら、活性炭の表面に形成している細孔径が小さいものは
炭素数が５以下の炭化水素ガスを吸着し得るものにな
る。平均細孔半径が１．６ｎｍ以下の細孔を有する活性
炭は炭素数が５以下の炭化水素ガスを吸着し得る。本発
明においては平均細孔半径が０．５〜１．６ｎｍの細孔
を有する活性炭を好適に用いることができる。特に平均
細孔半径が０．５〜１．３ｎｍの細孔を有する活性炭、
更に平均細孔半径が０．５〜１．０ｎｍの細孔を有する
活性炭は、炭素数が５以下の炭化水素ガスなどの低沸点
有機化合物ガスをより吸着し易いものであり、好適なも
のでる。平均細孔半径が０．５未満の細孔を有する活性
炭は安価かつ容易に入手ことが困難である。

【００１３】また、本発明で用いられる活性炭は、特に
限定しないが、粒度が４〜１４メッシュであり、好まし
くは４〜８メッシュのペレット状のもの、あるいは１０
〜２０μｍ径の繊維状のものであり、比表面積は１００
０ｍ²／ｇ以上のものが好ましい。前記活性炭として
は、例えば、クラレケミカル（株）のクラレコール４Ｇ
Ｓ、４ＧＧ、４ＧＡ、４ＳＡを挙げることができる。

【００１４】空気は０．５〜２５ｋｇｆ／ｃｍ²（Ｇ）
に圧縮されて活性炭と接触処理される。加圧状態で活性
炭と接触させることで炭素数５以下の炭化水素ガスなど
の低沸点有機化合物ガスを吸着し易い。接触処理の方法
や形態は特に限定されないが、例えば、活性炭をガス供
給口とガス排出口を備えた円筒容器内に充填して吸着ユ
ニットとし、前記ユニットのガス供給口から圧縮空気を
供給して空気流が内部の活性炭にむらなく接触するよう
に流通させたあとでガス排出口から回収することでおこ
なわれる。

【００１５】本発明において、圧縮空気を活性炭と接触
処理する温度は、概ね−５０℃〜１００℃である。１０
０℃を越える温度で処理すると、活性炭は炭素数５以下
の炭化水素ガスなどの低沸点有機化合物ガスに対する吸
着能を発揮し難くなる。活性炭と接触処理する温度が低
温の方が炭素数５以下の炭化水素ガスなどの低沸点有機
化合物ガスに対する活性炭の吸着能が高くなる。炭素数
５以下の低沸点有機物蒸気を充分に吸着除去して中空糸
高分子膜の分離性能の低下をより抑制するためには、特
に−５０℃〜７０℃、更に−５０℃〜３０℃の温度で圧
縮空気を活性炭と接触処理することが好ましい。

【００１６】本発明において、中空糸高分子膜によって
空気から富化窒素および／あるいは富化酸素を分離回収
する温度条件は、活性炭との接触処理温度よりも高温度
であることが好ましい。一般により高温度条件でのほう
が有機化合物などの高分子膜表面へ吸着は少なくなる。
特に低沸点有機化合物の吸着は温度の影響が大きい。本
発明においては、供給空気を活性炭で接触処理したあと
に微量ではあっても残留するかもしれない低沸点有機化
合物の分離性能を低下させる影響を排除するためにより
高温度条件下で中空糸高分子膜によって空気から富化窒
素および／あるいは富化酸素を分離回収することが好ま
しく、殊に活性炭との接触処理温度よりも高温度の条件
下、特に活性炭処理温度よりも５℃以上更に１０℃以上
の高温の温度条件下で中空糸高分子膜によって空気から
富化窒素および／あるいは富化酸素を分離回収すること
が好ましい。そのために、活性炭と接触処理した後の圧
縮空気や分離膜モジュールを熱交換器や電熱ヒーターな
どで加熱加温してもよい。

【００１７】本発明の炭素数が５以下の低沸点有機物と
は、ブタン、ペンタンなどの炭化水素類、プロパノー
ル、ブタノールなどのアルコール類、アセトン、ジメチ
ルケトン、メチルエチルケトンなどのケトン類、クロロ
メタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレンなどの
クロロカーボン類、テトラフルオロメタン、ヘキサフル
オロエタン、オクタフルオロプロパンなどのパーフルオ
ロカーボン類などである。これらの低沸点有機物は、洗
浄工程などで溶剤として使用されたり、ガソリン中に含
まれるものであり、低沸点で比較的蒸気圧が高いために
容易にガスとして漏れて、前記有機物が使用される装置
近傍の雰囲気空気に含有されている。

【００１８】前記低沸点有機物を使用している場所で
は、健康へ悪影響がを考慮して例えば日本産業衛生学会
の許容濃度やＡＣＧＩＨ（ＡｍｅｒｉｃａｎＣｏｎｆ
ｅｒｅｎｃｅｏｆＧｏｖｅｒｎｍｅｎｔａｌＩｎ
ｄｕｓｔｒｉａｌＨｙｇｉｅｎｉｓｔｓ，Ｉｎｃ．）
のＴＷＡ（ＴｉｍｅＷｅｉｇｈｔｅｄＡｖｅｒａｇ
ｅＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）などで、各有機物に
対して設定されているガイドラインに従って環境管理さ
れている。そのため、装置などから外部への前記低沸点
有機物蒸気の放出は制限されているので、その近傍で空
気分離をおこなう時に採取する空気中には、前記低沸点
有機物は高濃度の場合でも通常５００ｐｐｍを越えるこ
とは殆どない。本発明は、前記低沸点有機物が概ね５０
０ｐｐｍ以下の濃度で含有する空気を採取して空気分離
をおこなう場合に、中空糸高分子膜の分離性能の低下を
抑制することができ、かつ、容易で経済的であるので、
極めて有用な方法である。

【００１９】また、本発明は、圧縮空気を中空糸高分子
膜へ供給する前に、ダストフィルター、冷凍除湿機、ミ
ストセパレータなどによっておこなわれる前処理と炭素
数が５以下の炭化水素ガスを吸着し得る活性炭との接触
処理による前処理を組合わせてもよい。特に、圧縮空気
を、冷凍除湿機で除湿および／あるいはミストセパレー
タでオイルミストを除去した後で、炭素数が５以下の炭
化水素ガスを吸着し得る活性炭と接触処理し、次いで、
中空糸高分子膜に供給して空気から富化窒素および／あ
るいは富化酸素を分離回収する方法は、中空糸高分子膜
の劣化を特に抑制することができ、操作が容易であり、
経済的であるので特に望ましいものである。

【００２０】本発明の実施形態の一つのスキームの概要
を図１に示した。この概要図によって本発明の実施形態
の一つを説明する。１は空気取入口であり供給空気を取
り込む、２はダストフィルターであり空気中のダストを
取り除く。３はコンプレッサーである。４はタンクであ
り加圧された空気を貯える。５は冷凍除湿機で空気中の
水分を取り除き比較的低湿度とする。６は圧力調節弁で
あり供給する空気の圧力を調節する。７および８はオイ
ルセパレーターとミストセパレーターでありコンプレッ
サーなどから供給空気に混入した炭素数の多い重質炭化
水素からなるオイルミストなどを除去する。９および１
０は圧力計と温度計である。１１は活性炭を充填した吸
着ユニットでありる。これらの前処理後の供給空気は、
ダスト、過剰な水分、オイルミスト、および炭素数が５
以下の炭化水素ガスなどの低沸点有機化合物ガスがほと
んど除かれている。１２はダストフィルターであり活性
炭の粉塵を除去することができる。１３はプレヒーター
であり分離膜モジュールへ供給する前に空気を加熱す
る。１４は中空糸高分子膜を使用した分離膜モジュール
であり、酸素が選択的に膜を透過して富化酸素が透過ガ
ス排出口から流量計１６と流量調節弁１８を経て透過ガ
ス出口２０から回収される。酸素が選択的に除かれた富
化窒素はモジュールの未透過ガス排出口から流量計１７
と流量調節弁１９を経て未透過ガス出口２１から回収さ
れる。１５は富化窒素の純度を測定するための酸素濃度
計である。

【００２１】本発明において、活性炭の平均細孔半径は
ガス吸着法によって測定されたものである。種々の分圧
で気体の吸着量を測定し細孔分布を求めて算出したもの
である。

【００２２】

【実施例】以下に、本発明の実施例を説明するが、本発
明は実施例に限定されるものではない。

【００２３】（実施例１）トリクロロエチレン２００ｐ
ｐｍとｎ−ペンタン２００ｐｐｍとを含有する空気を、
オイルフリーコンプレッサーで７ｋｇｆ／ｃｍ²（Ｇ）
に圧縮し、供給量１４．７Ｎｍ³／ｈで供給して、冷凍
除湿機にて除湿し、次に、ミストセパレータで処理し、
更に、活性炭クラレコール４ＧＳ（クラレケミカル
（株）製、平均細孔半径は１．２ｎｍ）を３００ｇ充填
した吸着ユニットにて２３℃で前記活性炭と接触処理し
た後で、非対称中空糸ポリイミド膜を装着した分離膜モ
ジュールのガス供給口からモジュール内へ前記温度で供
給し体積純度が９９％の富化窒素を得た。この方法で、
１日８時間で断続運転を毎日おこなった。３ケ月経過後
に得られる体積純度９９％の富化窒素の量は、初期値の
９５％であった。

【００２４】（実施例２）活性炭クラレコール４ＧＡ
（クラレケミカル（株）製、平均細孔半径は０．９ｎ
ｍ）を用いたこと以外は実施例１と同様にして、体積純
度が９９％の富化窒素を得た。この方法で、１日８時間
で断続運転を毎日おこなった。３ケ月経過後に得られる
体積純度９９％の富化窒素の量は、初期値の９７％であ
った。

【００２５】（比較例１）活性炭を充填した吸着ユニッ
トで前記活性炭と接触処理することを除いて、実施例１
と同様の空気分離の断続運転をおこなった。３ケ月経過
後に得られる体積純度９９％の富化窒素の量は、初期値
の７０％以下であった。

【００２６】

【発明の効果】本発明は以上説明したとおりであるか
ら、以下の効果を奏する。すなわち、本発明の空気分離
方法によれば、供給空気が中空糸高分子膜の分離性能を
低下させる炭素数５以下の炭化水素ガスなどの低沸点有
機化合物ガスを含んでいる場合でも、中空糸分離膜の分
離性能低下を抑制することができ、長期間にわたって中
空糸分離膜を取り替えたり特別な処理をすることなし
に、簡便かつ経済的に目的とする濃度及び流量の富化窒
素および／あるいは富化酸素を分離回収することが可能
になる。特に、炭素数５以下の炭化水素などの低沸点有
機化合物を含む溶剤を使用しているか、あるいは少なく
とも雰囲気空気中に炭素数５以下の炭化水素ガスなどの
低沸点有機化合物ガスが存在している場所において空気
分離を実施する場合に、簡便かつ容易に膜の分離性能低
下を抑制できる経済的で実用的に有効な方法である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を実施するときの実施形態の一つ
のスキームの概略を示す図である。

【符号の説明】

１：空気取入口２：ダストフィルター３：コンプレッサー４：タンク５：冷凍除湿機６：圧力調整弁７：オイルセパレーター８：ミストセパレーター９：圧力計１０：温度計１１：活性炭を充填した吸着ユニット１２：ダストフィルター１３：プレヒーター１４：中空糸高分子膜を使用した分離膜モジュール１５：酸素濃度計１６、１７：流量計１８、１９：流量調節弁２０：透過ガス出口２１：未透過ガス出口

フロントページの続きＦターム(参考） 4D006 GA41 HA02 KA01 KA12 KB12 KB14 KE16Q MA01 MB03 MC58 PB17 PC71 4D012 CA11 CE01 CE03 CF04 CG05 CH08 CJ01 4G066 AA05B BA20 BA23 BA26 CA31 CA51 CA56 DA03 EA09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空気を圧縮し、前記圧縮空気を、炭素数が
５以下の炭化水素ガスを吸着し得る活性炭と接触処理し
た後で、中空糸高分子膜に供給して空気から富化窒素お
よび／あるいは富化酸素を分離回収する方法。
【請求項２】空気を圧縮し、前記圧縮空気を、冷凍除湿
機で除湿および／あるいはミストセパレータでオイルミ
ストを除去した後で、炭素数が５以下の炭化水素ガスを
吸着し得る活性炭と接触処理することを特徴とする請求
項１記載の方法。
【請求項３】−５０℃〜７０℃の温度条件下で活性炭と
接触処理を実施することを特徴とする請求項１〜２のい
ずれかに記載の方法。
【請求項４】中空糸高分子膜によって空気から富化窒素
および／あるいは富化酸素を分離回収する温度条件が活
性炭との接触処理温度よりも高温度であることを特徴と
する請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】活性炭の平均細孔半径が０．５〜１．６ｎ
ｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記
載の方法。
【請求項６】中空糸高分子膜が中空糸ポリイミド膜であ
ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方
法。
【請求項７】少なくとも炭素数が５以下の低沸点有機物
ガスが雰囲気空気中に存在している場所で実施すること
を特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。