JP2013049059A

JP2013049059A - 気体分離装置

Info

Publication number: JP2013049059A
Application number: JP2012273993A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Hamanaka; 克彦浜中; Atsushi Shimizu; 敦清水; Masao Kondo; 真佐雄近藤; Junichi Yamamoto; 淳一山元
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2029-06-03
Also published as: JP5563053B2

Abstract

【課題】混合気体中の所定の成分をある程度の濃度に濃縮した気体を大量に効率よく生成できる気体分離装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ハウジング内に気体分離膜を備えた膜エレメントを配し、この膜エレメントによってハウジング内で互いに隔てられた１次側気体通路と２次側気体通路とを形成する気体分離装置とした。さらに、気体分離装置の膜エレメントは、気体分離膜をプリーツ状に丸めたプリーツ成形体とマニホールド部とを備えている。マニホールド部は、混合気体がマニホールド部の内部に流入される吸気口と、混合気体がマニホールド部の内部から排気される排気口と、吸気口と排気口との間でマニホールド部の内部を閉塞する閉塞部と、閉塞部よりも吸気口側に設けられ、マニホールド部の内部とひだ部の内面側とを連通する通気口と、閉塞部よりも排気口側に設けられ、ひだ部の内面側とマニホールド部の内部とを連通する通気口と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の特定成分を含有する空気などの混合気体から、酸素などの特定気体を分離して窒素や酸素などを濃縮する気体分離装置に関する。

従来から、空気から高濃度の酸素を取り出す酸素濃縮器などが知られている。大気中の酸素濃度は通常約２１％程度であるが、この空気から酸素以外の成分を取り除くことで高い酸素濃度の空気を生成することが可能になる。この種の酸素濃縮器としては、例えば、ＰＳＡ方式（Pressure Swing Adsorption）と称される方式が採用されている。ＰＳＡ方式は、吸着式とも呼ばれる方式であり、ゼオライトの窒素を吸着するという特性を利用して酸素濃度を高めている。

しかしながら、高純度ではなくても目的の気体がある程度の濃度に濃縮された大量の混合気体が必要な用途も有り、このような用途では、従来の高濃度に気体が濃縮できる装置では、設備が複雑になり設備導入コストが大きくなる欠点がある。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、混合気体中の所定の成分をある程度の濃度に濃縮した気体を大量に効率よく生成できる気体分離装置を提供することを目的とする。

本発明は、少なくとも第１の成分及び第２の成分を含む混合気体から、第１の成分からなる特定気体を分離して第２の成分を濃縮する気体分離装置において、混合気体が流動する１次側気体通路と、分離された特定気体が流動する２次側気体通路と、１次側気体通路と２次側気体通路とを隔てると共に、混合気体中の特定気体を１次側気体通路から２次側気体通路に選択透過させる膜エレメントと、膜エレメントを収容する筒状の筐体部と、を備え、膜エレメントは、交互に折り返されて複数のひだ部が形成され、且つ筐体部内で筐体部の軸線回りに配置されたプリーツ状のプリーツ成形体と、マニホールド部とを有し、ひだ部は、筐体部の軸線側の内面と筐体部側の外面とを有し、１次側気体通路は、ひだ部の内面側に形成され、２次側気体通路は、ひだ部の外面側に形成され、マニホールド部は、ひだ部の内面側に配置され、さらに、マニホールド部は、混合気体がマニホールド部の内部に流入される吸気口と、その混合気体がマニホールド部の内部から排気される排気口と、吸気口と排気口との間でマニホールド部の内部を閉塞する閉塞部と、閉塞部よりも吸気口側に設けられ、マニホールド部の内部とひだ部の内面側とを連通する通気口と、閉塞部よりも排気口側に設けられ、ひだ部の内面側とマニホールド部の内部とを連通する通気口と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、膜エレメントによって第１の成分からなる特定気体を混合気体中から分離して第２の成分を濃縮するため、従来の濃縮器に比べて、第２の成分を濃縮した混合気体を大量に生成できる。さらに、膜エレメントは、複数のひだ部が形成されたプリーツ状（ひだ折状）であるため、筐体部内で特定気体の選択透過に寄与する膜エレメントの面積は拡がり、特定気体の分離効率は高まる。従って、プリーツ状では無い膜エレメントに比べて効率よく第２の成分を濃縮できるようになる。

さらに、膜エレメントは、複数のひだ部が筺体部の軸線回りの一方側に傾き、スパイラル状に積層されていると好適である。複数のひだ部がスパイラル状に纏まって筐体部内に収容されているため、筐体部の小型化に有効であり、コンパクト化を図り易くなる。

さらに、２次側気体通路には、分離された特定気体を押し流すための掃気用気体が流動すると好適である。ひだ部の内面側と外面側との特定気体の分圧差が大きくなるほど、特定気体はひだ部の１次側から２次側に選択透過し易くなる。従って、２次側の特定気体の分圧を減少させるように掃気用気体を流動させることで、１次側気体通路と２次側気体通路との特定気体の分圧差が大きくなり、混合気体中から特定気体の分離効率を向上させることができ、第２の成分の濃縮効率は向上する。

さらに、混合気体は空気であり、第１の成分は酸素または窒素であり、第２の成分として窒素または酸素を濃縮すると好適である。この構成によれば、窒素富化空気を大量に且つ簡単に生成することができる。また、酸素富化空気を大量に且つ簡単に生成することができる。

本発明によれば、混合気体中の所定の成分を濃縮した気体を大量に効率よく生成できる。

本発明の実施形態に係る気体分離装置の断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った概略的な断面図である。本実施形態に係る気体分離装置の概略的な斜視図である。プリーツ加工する前の気体分離膜基材を示す斜視図である。放射状のひだ部を有するプリーツ成形体を簡素化して示す斜視図である。スパイラル状のひだ部を有するプリーツ成形体を簡素化して示す斜視図である。実施例に係るマニホールド部の形状を示す斜視図である。プリーツをシールする方法を概略的に示す説明図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る気体分離装置の断面を概略的に示す断面図である。また、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った概略的な断面図であり、図３は、気体の流れを中心に示す気体分離装置の概略的な斜視図である。なお、本実施形態では、円筒形に成形されたプリーツを膜エレメントと言い、膜エレメントがハウジングに収められたものを気体分離装置（膜モジュール）と言う。

気体分離装置の用途としては、燃焼炉用途、空調機用途、ディーゼルエンジン用途などが考えられる。
燃焼炉用途としては、空気中の酸素と窒素を分離し、酸素富化空気を燃焼炉に導入することで燃焼温度を上昇させダイオキシンの発生を抑える使用方法が考えられる。また、窒素富化空気を燃焼炉に導入し、窒素酸化物を抑える使用方法が考えられる。
空調機用途としては、空気中の酸素と窒素を分離して酸素富化空気を室内に導入する使用方法が考えられる。また、水蒸気を膜透過させることにより、加湿または除湿を行う使用方法が考えられる。

自動車エンジンに広く用いられている内燃機関には、燃焼温度が高くなると窒素と酸素が反応して窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を生成、排出するという特徴がある。ガソリンエンジンの場合、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を除去するシステムとして排気ガスの炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を酸化還元反応によって同時除去する三元触媒が有効である。しかしながら、ディーゼルエンジンでは排気ガス中の酸素濃度が高いために三元触媒が有効に機能しない。そこで、ディーゼルエンジンの場合には、機関内部の酸素濃度を低減することが窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の低減に有効である。本実施形態に係る気体分離装置１は、ディーゼルエンジンに酸素濃度を低減した空気、すなわち窒素富化空気を供給するのに適した装置である。

図１〜図３に示されるように、本実施形態に係る気体分離装置１は、第１の成分としての酸素及び第２の成分としての窒素を含む空気（混合気体）Ｇ１から酸素（特定気体）を膜エレメント５によって分離して窒素富化気体、例えば窒素富化空気Ｇ２を生成する装置である。または、酸素富化気体、例えば、酸素富化空気を生成する装置である。

気体分離装置１は、円筒状の（筺体部）ハウジング３と、ハウジング３に収容された膜エレメント５とを備えている。ハウジング３内には、1次側気体通路７（図２及び図３参照）と２次側気体通路９とが形成され、1次側気体通路７と２次側気体通路９とは膜エレメント５によって隔てられている。1次側気体通路７は分離対象となる混合気体の流路であり、本実施形態では空気Ｇ１が流動する。また、２次側気体通路９は膜エレメント５を透過した特定気体が主として流動する流路であり、本実施形態では主として酸素富化された空気が流動する。一般に、１次側は、膜エレメント５を選択的に透過する気体成分に着目したときに分圧が高い方と定義されるが、多くの場合は１次側の方が全圧も高い。

膜エレメント５は、ハウジング３の軸線Ｌ上に配置されたマニホールド部１１と、マニホールド部１１の周囲に配置されて略円筒状の外観形状となるプリーツ成形体１３と、プリーツ成形体１３を保持する膜保持部１５とを備えている。

図４〜図６に示されるように、プリーツ成形体１３は、平膜状の気体分離膜基材１４（図４参照）をプリーツ加工することによって得られた構造体である。気体分離膜基材１４は、平膜状の気体分離膜１７と、気体分離膜１７を挟むように配置されたメッシュ状の一対の通気性補強材１９とが一体となって形成されている。

気体分離膜１７は平膜であり、分離対象となる気体、例えば空気Ｇ１から酸素ガス（Ｏ_２）を優先的に透過させる性質を持った選択透過膜である。なお、本発明における気体分離膜は、空気から酸素を優先的に透過させる選択透過膜に限定されず、混合気体から特定気体を優先的に透過させる性質を持った選択透過膜であればよい。なお、本発明に適用できる気体分離膜の材質、寸法及び特性については、後に詳しく説明する。

通気性補強材１９はプリーツ加工を施した際に、気体分離膜１７の隣接するひだ部２１同士の密着を防ぐことによって気体通路を確保し、良好な膜利用効率を達成するための手段に資するものであり、更にプリーツ成形体１３に必要な自立性を付与するための補助的な機能を担う。なお、通気性補強材１９の材質、寸法及び特性については、後に詳しく説明する。

プリーツ加工とは、平膜状の気体分離膜基材１４を特定のピッチで山折り谷折りを繰り返すことでＶ字状、Ｕ字状、Ω字状等の断面形状を付与する加工をいう。プリーツ加工を施すことにより、気体分離膜基材１４は、蛇腹折りとなるように交互に折り返されて複数のひだ部２１が形成された形態、すなわちプリーツ状の形態となってプリーツ成形体１３を構成する。プリーツ加工により、このような加工を行わない平膜に比べ、同じ投影面積、同じ容積の中により大きな面積を収納することができる。通常は気体分離膜１７と通気性補強材１９を積層したのちプリーツ加工を施すが、気体分離膜１７単独でプリーツ加工を施したあとひだ部２１間に通気性補強材１９を挿入することも可能である。本実施形態では、ひだ部２１の枚数は３００枚程度である。ひだ部２１の枚数は気体処理能力により設計され特に制限は無い。なお、図２、図３、図５及び図６では、プリーツ成形体１３を簡素化して示すため、意図的に１８枚のひだ部２１しか記載されていない。

プリーツ成形体１３は、一方の面（内面）２１ａをマニホールド部１１側に向け、マニホールド部１１を巻くように配置される（図５参照）。プリーツ成形体１３は、マニホールド部１１の横断面における円周方向の両端縁１３ａ、すなわちひだ部２１が並ぶ方向の両端縁１３ａ同士が突き合わせられて合わせ目となり、この合わせ目が接着剤などで接続され、気密的にシールされる。

さらに、プリーツ成形体１３は、ハウジング３の軸線Ｌ回りの一方向側に僅かに回転させて絞ったような形状、すなわち軸線Ｌ回りの一方側に傾いた形状（円筒スパイラル型）になっており（図６参照）、複数のひだ部２１がスパイラル状に積層された状態で纏まっていることが好ましい。スパイラル状とは、平面螺旋曲線の一部に沿った形状を意味し、例えば、一つのひだ部２１をマニホールド部１１の軸線Ｌに直交する面上で横断したときに、ひだ部２１が螺旋の一部に沿って湾曲した形状を意味する。

以下、ハウジング３及び膜エレメント５の内部構造の一例について図１を参照して説明する。図１に示されるように、膜保持部１５は、上部膜保持部２３、下部膜保持部２５及び中段膜保持部２７からなり、膜保持部１５によってプリーツ成形体１３はマニホールド部１１に固定されている。

上部膜保持部２３は、スパイラル状に纏まった複数のひだ部２１の上端をシール材２３ａによってドーナツ状に被覆しており、複数のひだ部２１の上縁は、シール材２３ａによって固着一体化されている。また、下部膜保持部２５は、複数のひだ部２１の下端をシール材２５ａによってドーナツ状に被覆しており、複数のひだ部２１の下縁はシール材２５ａによって固着一体化されている。上部膜保持部２３及び下部膜保持部２５の各シール材２３ａ，２５ａによって、ひだ部２１の内面２１ａ側及び外面２１ｂ側の隙間は上端及び下端で閉鎖される。なお、各シール材２３ａ，２５ａは、それぞれ内筒部２３ｂ，２５ｂで保持されている。内筒部２３ｂ，２５ｂは省略される場合もある。

中段膜保持部２７は、略円筒状のプリーツ成形体１３の内周面、すなわちひだ部２１を形成する内側の折り返し部分とマニホールド部１１とを固着一対化させる内側保持材２７ｃを有する。内側保持材２７ｃは、接着剤またはクッション剤からなる。さらに、中段膜保持部２７は、プリーツ成形体１３の外周面を囲む内筒部２７ａを有し、内筒部２７ａの内側には、接着剤またはクッション剤からなる外側保持材２７ｂが取り付けられている。外側保持材２７ｂは、プリーツ成形体１３の外周面、すなわちひだ部２１を形成する外側の折り返し部分と内筒部２７ａとを固着一体化させる。中段膜保持部２７によってプリーツ成形体１３のスパイラル状は安定して保持される。なお、内側及び外側の各保持材２７ｂ，２７ｃは、プリーツ成形体１３の内部にまでは充填されておらず、ひだ部２１の内面２１ａ側及び外面２１ｂ側には上下方向に連通する隙間が存在する。その隙間によって１次側及び２次側気体通路７，９が形成される。なお、スパイラル状に積層されたひだ部２１同士の間隔は、０．５ｍｍ程度である。この間隔はプリーツ枚数により異なるので、これに限定されない。また、内筒部２７ａ及び外側保持材２７ｂのいずれか一方は省略した態様とすることもできる。

図１に示されるように、マニホールド部１１は直線状に延在するパイプであり、例えば、外径は４８．６ｍｍ、外周は１５２．６ｍｍ程度である。マニホールド部１１の中央には充填物が充填されて閉塞部１１ａが形成されている。マニホールド部１１の一方端、本実施形態では下端の開口が吸気口３１となり、吸気口３１側のマニホールド部１１の側部には、軸線Ｌ回りに等間隔で形成された複数の通気口１１ｂが形成されている。また、マニホールド部１１の他方端、本実施形態では上端の開口が排気口３３となり、排気口３３側のマニホールド部１１の側部には、軸線Ｌ回りに等間隔で形成された複数の通気口１１ｃが形成されている。なお、図７に示されるように、閉塞部１１ａとマニホールド１１とは、通気口１１ｂ，１１ｃの部分で、通気口１１ｂ，１１ｃの円筒部分の側面が完全に離れた状態にあってもよい。

マニホールド部１１の吸気口３１から分離対象となる空気（混合気体）が供給される。この空気は、通気口１１ｂを通過してプリーツ成形体１３の内面２１ａ側に流出し、プリーツ成形体１３のひだ部２１の内面２１ａ側を通って上昇する。さらに、この空気は、上部の通気口１１ｃを通ってマニホールド部１１内に流入し、マニホールド部１１の排気口３３から流出する。本実施形態では、マニホールド部１１の吸気口３１からプリーツ成形体１３の内面２１ａ側を通ってマニホールド部１１の排気口３３まで通じる通路によって１次側気体通路７が形成される。

プリーツ成形体１３は、略円筒状のハウジング３内に収容されている。プリーツ成形体１３は、ひだ部２１がスパイラル状に纏まっている。従って、プリーツ成形体１３は、例えば、ひだ部２１が放射状に拡がっている状態（図５参照）での最大外径よりも小さな外径となっている。ハウジング３の内径は、スパイラル状に纏まったプリーツ成形体１３の外径に対応した寸法になっており、放射状に拡がったひだ部２１を収容する場合に比べてコンパクトな形態になっている。

ハウジング３は、ＳＵＳ、アルミ、プラスチックなどの各種材料で製造され、上下一対の蓋部３５，３６と、筒状の胴体部３７とによって構成される。上蓋部３５は、有底円筒状であり、中央にマニホールド部１１が挿入される孔が形成されている。上蓋部３５内には、膜エレメント５の上部膜保持部２３との間で挟着されるパッキン３９が装着される。下蓋部３６も実質的に上蓋部３５と同様の構成を備え、内部には、膜エレメント５の下部膜保持部２５との間で挟着されるパッキン３９が装着される。上蓋部３５及び下蓋部３６と胴体部３７は閉め具４２で接続される。

外筒部３７には、ハウジング３内に供給される掃気用気体Ｇｓｗの導入管４９と、プリーツ成形体１３の気体分離膜１７を選択透過した酸素（Ｏ_２）を同伴する掃気用気体Ｇｓｗの排出管４７が接続されている。

掃気用気体Ｇｓｗは、導入管４９を通過してハウジング３内に導入され、ひだ部２１の外面２１ｂに沿って上昇し、排出管４７から排出される。掃気用気体Ｇｓｗは、ひだ部２１の外面２１ｂに沿って上昇する際に、プリーツ成形体１３を透過した酸素富化空気を押し流すように同伴する。従って、１次側気体通路７を２次側気体通路９よりも高圧力にすると、ひだ部２１の内面２１a側と外面２１ｂ側との間には大きな酸素分圧差が発生して酸素（Ｏ_２）の選択透過が促進される。プリーツ成形体１３のひだ部２１の外面２１ｂ側に形成された気体通路が２次側気体通路９である。そして、掃気用気体Ｇｓｗが導入される導入管４９は２次側気体通路９の吸気口となり、排出管４７は２次側気体通路９の排気口となる。なお、掃気用気体Ｇｓｗとしては、窒素などの不活性気体、空気、水蒸気などを利用することができる。水蒸気を使用する場合には、導入管４９から水を流し、水に同伴する水蒸気を掃気気体として使用する方法も採用できる。水の温度は０℃以上１００℃以下の範囲が好適である。

なお、１次側と２次側の気体通路７，９については上記に述べた態様と逆の位置関係を採用することも可能である。すなわち、導入管４９より吸気を導入して排出管４７から排出すると共に、導入管３１から掃気用気体Ｇｓｗを導入し排出管３３より排出する方法である。以上がハウジング３および膜エレメント５の内部構造の一例に関する説明である。

次に気体分離装置１の作用について説明する。気体分離装置１の1次側気体通路７には、吸気口３１から混合気体としての加圧された空気Ｇ１が供給される。吸気口３１に供給された空気Ｇ１は、マニホールド部１１の通気口１１ｂを通過し、プリーツ成形体１３のひだ部２１の内面２１a側に流出する。そこで、空気は、内面側、すなわち１次側の膜面に広がり、気体分離膜１７の選択透過性に従って主として酸素（Ｏ_２）が２次側の膜面（外面２１ｂ）に透過する。1次側気体通路７に沿って上昇する空気は、上昇過程で、酸素（Ｏ_２）が低減され、窒素富化気体Ｇ２となって排気口３３から排出される。

一方で、２次側気体通路９には、導入管４９から必要に応じて掃気用気体Ｇｓｗが導入される。掃気用気体Ｇｓｗは、気体分離膜１７を透過して２次側（外面側）に抜けた酸素（Ｏ_２）を同伴しながらひだ部２１の外面２１ｂに沿って上昇し、ハウジング３の上部に設けられた排出管４７から排出される。その結果、２次側気体通路９と１次側気体通路７との間に酸素（特定気体）の分圧差が生じ、酸素（Ｏ_２）の選択透過が促進される。

なお、排出管４７から排出される気体は酸素富化空気として使用することが可能である。この場合は、酸素濃度を高めるために導入管４９からは掃気用気体Ｇｓｗを入れ無い方が、酸素富化空気中の酸素濃度を高くすることができるので好ましい。

以上の気体分離装置１によれば、プリーツ成形体１３の気体分離膜１７によって酸素（Ｏ_２）を空気中から分離して窒素を濃縮するため、ＰＳＡ方式を利用した従来の濃縮器に比べて、窒素富化空気Ｇ２を大量に生成できる。また同時に２次側気体通路９より酸素富化空気を得ることができる。さらに、プリーツ成形体１３は、複数のひだ部２１が形成されたプリーツ状であるため、ハウジング３内で酸素の選択透過に寄与する気体分離膜１７の面積を大きくとることができるので、酸素の分離効率は高まる。従って、プリーツ状では無い気体分離膜１７に比べて効率よく窒素を濃縮できるようになる。

さらに、複数のひだ部２１が軸線Ｌ回りの一方側に傾き、スパイラル状に積層されてハウジング３内に収容されているため、ハウジング３の小型化に有効である。

さらに、１次側気体通路７は、ひだ部２１の内面２１a側に形成され、２次側気体通路９は、ひだ部２１の外面２１ｂ側に形成されており、必要に応じて２次側気体通路９に掃気用気体Ｇｓｗを流動させることにより酸素（特定気体）の分圧が減少し、気体分離膜１７の内面２１ａ側（１次側）と外面２１ｂ側（２次側）との酸素の分圧差が大きくなるために、酸素は気体分離膜１７の内面２１ａ側から外面２１ｂ側に選択透過し易くなる。

次に、本発明の膜エレメントに適用できる気体分離膜や通気性補強材の材質や寸法及び特性について更に詳しく説明する。

（気体分離膜）
気体分離膜は平膜であり、混合気体から特定気体を優先的に透過させる性質を持った選択透過膜であればよい。特定気体としては、酸素や窒素の他、水蒸気、二酸化炭素、水素、ヘリウム、アルゴン、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、硫化水素、アンモニアなどが例示できる。気体分離膜の素材は、様々なものを用いることができるが、上記の実施形態のように窒素富化空気の生成を目的とするものであれば、ポリジメチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン、ポリメチルフェニルシロキサン、ポリジメチルシロキサンの共重合体、ポリ−４−メチルペンテン−１、ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレンの共重合体、パーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールの共重合体、ポリ−ｐ−フェニレンオキシド、ポリビニルトリメチルシラン、フッ素化ポリマー／シロキサンコポリマー、ポリ〔１−（トリメチルシリル）−１−プロピン〕、酢酸セルロース、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、ポリスチレン、およびこれらの共重合体などが挙げられる。この中でもオルガノポリシロキサン−ポリ尿素−ポリウレタンブロック共重合体やパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールとテトラフルオロエチレンの共重合体が好ましい。また、Ａ型ゼオライトに代表されるような選択透過性無機材料を用いることもできる。

気体分離膜の気体透過性は、透過速度と分離係数で表現することができる。ここで、透過速度Ｒは単位時間、単位面積、単位分圧差における気体透過量で表され、慣習的にＧＰＵ（Gas Permeation Unit）＝１０^−６ｃｍ^３（ＳＴＰ）／ｃｍ^２ｓｅｃｃｍＨｇという単位が広く使用されている。更に、単位膜厚あたりの透過速度を透過係数Ｐといい、慣習的にバーラー（barrer）＝１０^−１０ｃｍ^３（ＳＴＰ）ｃｍ／ｃｍ^２ｓｅｃｃｍＨｇという単位が広く使用されている。透過速度が膜物性であるのに対して透過係数は材料物性であり、いくら透過係数に優れる素材であっても、必要十分な薄膜化適性を兼ね備えない場合は気体分離に適さない。また、分離係数αは任意の気体透過係数の比である。透過速度と分離係数は目的とする用途に応じて適切に選択されるが、たとえば内燃機関用窒素富化気体を供給する装置として用いる場合は以下の値であることが好ましい。

酸素の透過速度Ｒは、１００ＧＰＵ以上が好ましく、１０００ＧＰＵ以上がより好ましく、２０００ＧＰＵ以上が更に好ましく、３０００ＧＰＵ以上がより更に好ましく、５０００ＧＰＵ以上が特に好ましい。

酸素と窒素の分離係数α（＝ＲＯ_２／ＲＮ_２）は、１．１以上が好ましく、１．５以上がより好ましく、１．８以上が更に好ましく、２．０以上がより更に好ましく、２．２以上が特に好ましく、２．４以上が極めて好ましく、２．６以上が最も好ましい。αが１．１より小さい場合は、酸素に随伴して多量の窒素が１次側から２次側へ移動するため好ましくない。αが高いほど酸素に随伴する窒素の量を抑えることができるため好ましいが、一般的に分離係数と透過係数はトレードオフの関係にある。

気体分離膜の膜厚は、１μｍ以上１０００μｍ以下が好ましい。膜厚の下限は５μｍ以上がより好ましく、８μｍ以上が更に好ましく、１０μｍ以上が最も好ましい。膜厚の上限は５００μｍ以下がより好ましく、２００μｍ以下が更に好ましく、１００μｍ以下がより更に好ましく、５０μｍ以下が特に好ましく、２０μｍ以下が最も好ましい。膜厚が１μｍ未満になると、機械強度が不足する場合があり、膜厚が１０００μｍを越えると透過速度が不足する場合がある。

気体分離膜の膜厚は、一般的に薄いほど分離係数を維持しながら透過速度を向上できるため好ましいが、薄膜化に伴う破損等を避けるため、気体透過性と機械強度に優れた支持膜の上に形成されることが多い。こうした構造を持つ気体分離膜を複合膜と呼び、支持膜の上に形成した気体分離層のことを分離層、スキン層、活性層、と呼び、支持膜のことを支持層と呼ぶことがある。複合膜は、例えば、支持膜に気体透過性材料を塗布または含浸または接触することにより得ることができる。本実施形態では複合膜を用いている。

気体分離膜の支持層は、気体透過性と機械強度に優れ、プリーツ加工可能な平膜であれば様々なものを用いることができるが、織布、不織布、微多孔膜等を用いることができる。微多孔膜としては、ポリイミド微多孔膜、ＰＶＤＦ微多孔膜、ポリオレフィン微多孔膜、ポリスルホン微多孔膜、ポリエーテルスルホン微多孔膜など公知の様々な微多孔膜を用いることができるが、このうちリチウムイオン電池用セパレーターとして用いられるポリオレフィン微多孔膜、特に、ポリエチレン微多孔膜が好ましい。また、ＵＦ膜として使用されるポリスルホン微多孔膜やポリエーテルスルホン微多孔膜が好ましい。

気体分離膜の支持層の気孔率は、５％以上９５％以下が好ましい。気孔率の下限は１０％以上がより好ましく、２０％以上が更に好ましく、３０％以上がより更に好ましく、４０％以上が最も好ましい。気孔率が５％未満では、気体透過性が不足する場合があり、気孔率が９５％を越えると、機械強度が不足する場合がある。

気体分離膜の支持層の平均孔径は、０．１ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましい。平均孔径の下限は１ｎｍ以上がより好ましく、１０ｎｍ以上が更に好ましい。平均孔径の上限は１μｍ以下がより好ましく、５００ｎｍ以下が更に好ましく、２００ｎｍ以下がより更に好ましく、１００ｎｍ以下が特に好ましい。平均孔径が０．１ｎｍ未満の場合は気孔率や表面開口率が低い場合が多いため好ましくない。平均孔径が１０μｍを超える場合は気体分離層にピンホールが生成しやすくなるので好ましくない。

気体分離膜の分離層の膜厚は、１ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましい。膜厚の下限は１０μｍ以下がより好ましく、２０ｎｍ以上が更に好ましく、５０ｎｍ以上が最も好ましい。膜厚の上限は３μｍ以下がより好ましく、１μｍ以下が更に好ましく、５００ｎｍ以下がより更に好ましく、３００ｎｍが特に好ましく、２００ｎｍ以下が極めて好ましく、１００ｎｍ以下が最も好ましい。透過係数が十分に高い場合は膜厚が３μｍを超える場合も好適に用いることができる。

（通気性補強材）
通気性補強材は、気体分離膜の両面もしくは片面に設けることができるが、気体分離膜両面での圧力差が顕著な場合は少なくとも低圧側に設けることが好ましい。通気性補強材は、織布、不織布、樹脂製ネット、例えば、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン等、金属製ネット等を使用することができるが、このうち、樹脂製ネット、金属製ネットが好ましい。

通気性補強材の厚さは、１０μｍ以上５０００μｍ以下が好ましく、厚さの下限は５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上が更に好ましく、２００μｍ以上がより更に好ましく、３００μｍ以上が特に好ましい。厚さの上限は２０００μｍ以下がより好ましく、１０００μｍ以下が更に好ましく、５００μｍ以下が最も好ましい。厚さが１０μｍ未満では、機械強度が不足する場合があり、厚さが５０００μｍを越えると、気体透過性が低下する場合がある。通気性補強材の厚さは、測定時の圧縮の程度によるため、膜エレメントを構成した場合の圧縮の程度、および、膜エレメントに運転時の全圧差を与えた場合の圧縮の程度で測定することが好ましい。

通気性補強材の気孔率は、３０％以上９５％以下が好ましく、気孔率の下限は４０％以上がより好ましく、５０％以上が更に好ましく、６０％以上がより更に好ましく、７０％以上が特に好ましく、８０％以上が極めて好ましく、９０％以上が最も好ましい。気孔率が３０％未満では、気体分離性が不足する場合があり、気孔率が９５％未満では、機械強度が不足する場合がある。通気性補強材の気孔率は、測定時の圧縮の程度によるため、プリーツ成形体を構成した場合の圧縮の程度、および、プリーツ成形体に運転時の全圧差を与えた場合の圧縮の程度で測定することが好ましい。

通気性補強材にネットを使用する際の線径は、０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。線径の下限は０．０２ｍｍ以上がより好ましく、０．０４ｍｍ以上が更に好ましく、０．０６ｍｍ以上がより更に好ましく、０．０８ｍｍ以上が特に好ましい。線径の上限は１ｍｍ以下がより好ましく、０．６ｍｍ以下が更に好ましく、０．４ｍｍ以下がより更に好ましく、０．２ｍｍ以下が特に好ましい。
通気性補強材にネットを使用する際のメッシュは、２以上１０００以下が好ましい。メッシュ数の下限は１０以上がより好ましく、１５以上が更に好ましく、２０以上がより更に好ましい。メッシュ数の上限は１００以下がより好ましく、５０以下が更に好ましく、３０以下がより更に好ましい。気体分離膜を保護するため、気体分離膜と通気性補強材の間に薄手の通気性補強材を設けてもよい。この種の通気性補強材は片面または両面を平滑化処理したものがより好ましい。

（１）気体分離膜の作成
水銀ポロシメーターによるモード径が９０ｎｍ、膜厚２０μｍのポリエチレン製微多孔膜(旭化成イーマテリアルズ)を幅３００ｍｍに裁断した後、微多孔膜の片表面のみに、下記（Ａ）に記載の方法で調整した溶液を、下記（Ｂ）に記載のマイクログラビア塗工法により塗工速度４．０ｍ／ｍｉｎで塗工し、７０℃で乾燥させることにより気体分離膜を得た。得られた気体分離膜の酸素透過速度を下記（Ｃ）の方法で測定したところ、１８００ＧＰＵ、酸素窒素選択率α‘（酸素透過速度と窒素透過速度の比）は２．３であった。

（２）スペーサー
直径約１２６μｍの複数の糸からなる撚糸で作成した平織物であって、糸の交点が熱融着により固定された、厚さ１８３μｍ、オープニング（糸間距離）１ｍｍ、幅３００ｍｍのスペーサーを使用した。

（３）プリーツの作製
上記スペーサーを二枚用意し、その間に上記気体分離膜を挟み、プリーツ機を用いてプリーツ高さ６０ｍｍの条件でプリーツ加工を行った後、幅１４０ｍｍに裁断してプリーツ枚数３００枚のプリーツを得た。

（４）プリーツの成形とシール（封止）
プリーツを図７に示す形状の直径約７６ｍｍのアルミパイプに図５に示すように巻きつけ、さらに図６に示すようにアルミパイプに巻きつけるようにして円筒スパイラル型に成形した。図８に示すように、アルミパイプの両端部分のプリーツ断面に深さ約１２ｍｍの樹脂性の蓋を配し、重力の方向に回転軸を有する回転半径約２ｍの遠心機に設置した。このとき、プリーツの端面は遠心力と重力の合力の方向に垂直となるように設置した。内径４ｍｍのチューブで接着剤容器と連結し、接着剤容器に、粘度約１０，０００ｍＰａ・ｓのエポキシ系接着剤の主剤と、粘度約３，０００ｍＰａ・ｓのエポキシ系接着剤の硬化剤を１００対４５で混合したものを約５０ｇ入れ、温度３５℃の条件下、シール部に３０Ｇの遠心力がかかるように遠心機を回転させ、接着剤をプリーツ端面方向からプリーツ間に充填させた。樹脂性の蓋に入りきらない接着剤はオーバーフローさせた。そのまま回転を続け、４時間後にプリーツ端面が約１０ｍｍ高さでシール（封止）されたプリーツを取り出した。もう片方のプリーツ端面も同様な操作でシールを行った。シールされたプリーツを５０℃のオーブンで４８時間加熱キュアを行って、円筒スパイラル型膜エレメントを得た。

（５）気体分離装置の組み立てと性能評価
以上の方法で得られた膜エレメントを図１に示すようなハウジングに収めて気体分離装置（膜モジュール）を組み立てた。この装置の吸気口３１から２００ｋＰａ（ゲージ圧）、１５４５ＮＬ／ｍｉｎの空気を供給したところ、排気口３３から１２００ＮＬ／ｍｉｎの窒素富化空気を得た。この窒素富化空気中の酸素濃度は１９％であり、効率的な酸素窒素分離が確認された。

（Ａ）気体分離性樹脂溶液の調整
沸点９３℃のフッ素系溶媒（３Ｍ社製、ＮＯＶＥＣ７３００）に１．２５質量％の濃度で、パーフルオロアモルファスポリマー（デュポン社製、テフロン（登録商標）ＡＦ１６００、密度１．７８ｇ／ｃｍ３）を溶解した。

（Ｂ）気体分離膜の作製
マイクログラビア塗工機(康井精機製)を用い、微多孔膜に、前記(Ａ)で調整した気体分離性樹脂溶液を塗工した。塗工条件は以下の通りである。
塗工速度４ｍ／ｍｉｎ
マイクログラビアロール＃１８０（直径３０ｍｍ溝本数１８０本／ｉｎｃｈ）
マイクログラビアロール回転数４０ｒｐｍ（微多孔膜進行方向に対して逆回転）
乾燥温度２４℃
コーターヘッドと巻き取りロール間の距離約１０ｍ
（Ｃ）気体分離膜の気体透過性
気体分離膜を直径４７ｍｍの円形に切り取り、ステンレス製ホルダー（アドバンテック社製、ＫＳ−４７Ｆホルダー）に固定した。ホルダーの１次側から９９．９％以上の酸素、もしくは９９．９％以上の窒素を所定の圧力で加圧した。２次側の雰囲気が酸素９９％以上、もしくは窒素９９％以上に置換されていることを酸素濃度計で確認した後、透過した気体の量を石鹸膜流量計で測定した。透過した気体量、気温、大気圧から標準状態における気体透過速度（ＧＰＵ：Ｇａｓｐｅｒｍｅａｔｉｏｎｕｎｉｔ＝１０^−６ｃｍ^３（ＳＴＰ）／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）を計算し、酸素と窒素の気体透過速度の比から分離係数αを計算した。

１…気体分離装置、３…ハウジング（筐体部）、５…膜エレメント、７…１次側気体通路、９…２次側気体通路、１１…マニホールド部、１１ａ…閉塞部、１１ｂ…吸気口側の通気口、１１ｃ…排気口側の通気口、１３…プリーツ成形体、２１…ひだ部、３１…吸気口、３３…排気口、Ｌ…ハウジングの軸線、Ｇ１…空気（混合気体）、Ｇｓｗ…掃気用気体。

Claims

少なくとも第１の成分及び第２の成分を含む混合気体から、前記第１の成分からなる特定気体を分離して前記第２の成分を濃縮する気体分離装置において、
前記混合気体が流動する１次側気体通路と、
前記分離された特定気体が流動する２次側気体通路と、
前記１次側気体通路と前記２次側気体通路とを隔てると共に、前記混合気体中の前記特定気体を前記１次側気体通路から前記２次側気体通路に選択透過させる膜エレメントと、
前記膜エレメントを収容する筒状の筐体部と、を備え、
前記膜エレメントは、交互に折り返されて複数のひだ部が形成され、且つ前記筐体部内で前記筐体部の軸線回りに配置されたプリーツ状のプリーツ成形体と、マニホールド部とを有し、
前記ひだ部は、前記筐体部の前記軸線側の内面と前記筐体部側の外面とを有し、
前記１次側気体通路は、前記ひだ部の内面側に形成され、前記２次側気体通路は、前記ひだ部の前記外面側に形成され、
前記マニホールド部は、前記ひだ部の内面側に配置され、
さらに、前記マニホールド部は、前記混合気体が前記マニホールド部の内部に流入される吸気口と、当該混合気体が前記マニホールド部の内部から排気される排気口と、前記吸気口と前記排気口との間で前記マニホールド部の内部を閉塞する閉塞部と、前記閉塞部よりも前記吸気口側に設けられ、前記マニホールド部の内部と前記ひだ部の内面側とを連通する通気口と、前記閉塞部よりも前記排気口側に設けられ、前記ひだ部の内面側と前記マニホールド部の内部とを連通する通気口と、を有することを特徴とする気体分離装置。
前記膜エレメントは、
前記複数のひだ部が前記軸線回りの一方側に傾き、スパイラル状に積層されていることを特徴とする請求項１記載の気体分離装置。
前記２次側気体通路には、前記分離された特定気体を押し流すための掃気用気体が流動することを特徴とする請求項１または２記載の気体分離装置。
前記混合気体は空気であり、前記第１の成分は酸素または窒素であり、第２の成分として窒素または酸素を濃縮することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の気体分離装置。