JP2017177071A - 分離膜モジュールおよび中空糸膜エレメント - Google Patents

Abstract

【課題】中空糸膜の効率的なガス分離を行うことができるシェルフィード型のガス分離膜モジュールを提供する。
【解決手段】
このガス分離膜モジュールは、複数の中空糸膜を集束した中空糸膜束の両端が第１および第２の管板２１、２２によって固着・包埋され、かつ、略中央部に芯管７０が配置された中空糸膜エレメント１５と、前記中空糸膜エレメントが収納される容器１０と、を備え、混合ガスを容器内の中空糸膜の外側空間へ供給してガス分離を行うシェルフィード型ガス分離膜モジュール１であって、前記中空糸膜１４は、前記第１の管板２１において開口する一方で第２の管板２２においては開口しておらず、前記芯管７０は、少なくとも、未透過ガスの排出管路としての機能を有し、前記第２の管板のうち芯管以外の部分には、未透過ガスの排出管路８５が少なくとも１つ設置されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧の混合ガスを容器内の中空糸膜の外側空間へ供給してガス分離を行うためのシェルフィード型ガス分離膜モジュールに関する。また、そのガス分離膜モジュールの中空糸膜エレメントに関する。

ガス分離膜モジュールは、他の分離手段に比べて、小型であり、簡便な操作で容易にガス分離ができるので種々の用途で好適に用いられている。ガス分離は、分離される混合ガスをガス分離膜モジュールへ導入し、分離膜を透過した透過ガスと透過しなかった未透過ガスとに分離することにより行われる。

ところで、中空糸膜を用いたガス分離膜モジュールとしては、中空糸膜エレメントと、それを収容する容器とを備えるものが知られている。中空糸膜エレメントは、中空糸膜束と、その少なくとも一方の端部に設けられた管板とを有し、中空糸膜束は、例えば、選択透過性によるガス分離性能を有する中空糸膜を数百本〜数十万本集束した構成となっている。管板は、樹脂製であり、基本的には、中空糸膜が開口状態を保持するように中空糸膜束を固着・包埋する。

容器は、少なくとも混合ガス導入口、透過ガス排出口、および未透過ガス排出口を備えている。中空糸膜エレメントは、中空糸膜の内側および内側と連通した空間と、中空糸膜の外側の空間とが隔絶するように、容器内に装着される。

シェルフィード型ガス分離膜モジュールでは、高圧の混合ガスが、混合ガス導入口から中空糸膜の外側空間へと供給され、中空糸膜に接しながら流れる。その間に、混合ガスの特定のガス成分が中空糸膜の内側空間へ選択的に中空糸膜を透過する。そして、中空糸膜を透過したガス成分は中空糸膜の内側の空間および内側と連通した空間を流れて透過ガス排出口から排出される。未透過ガスは所定の通路を通じて容器外部に排出される。

シェルフィード型ガス分離膜モジュールは、混合ガスから特定のガス成分を分離および回収するために用いられる。特には、ゲージ圧で概ね０．１〜３０ＭＰａ程度、好ましくは０．２〜２５ＭＰａ、より好ましくは１〜２５ＭＰａ程度の高圧の混合ガスからの分離回収に用いられる。例えば空気から酸素富化空気や窒素富化空気を分離回収したり、水素やヘリウムを含む混合ガスから水素やヘリウムを分離回収したり、ランドフィルガスからメタンや二酸化炭素を分離回収したり、アルコール蒸気を脱水したりする用途で好適に使用できる。

特許文献１には、中空糸膜面に被処理気体を均一に供給するために被処理気体の排出管路をコア中央部に有する分離膜モジュールが開示されている。このモジュールの中空糸膜組立体（円筒型選択透過性中空糸膜組立体）は、モジュールの一端で中空糸膜が開口しており、排出管路は、中空糸膜の非開口側の他端部で中空糸膜層に開口している。該中空糸膜組立体の外周円筒部のうち中空糸膜開口端側の被処理気体流入口を除く部分は、被処理気体を透過させない非透過性フィルムで被われている。

特開平２−９５４１２号公報

特許文献１の分離膜モジュールは、分離を効率的に行うために、非透過性フィルムで被われた部分の軸方向距離Ｌと径方向距離Ｄの比（Ｌ／Ｄ）が５以上である構造をなしていることを特徴としている。しかしながら、近年、設置手段の効率化のため、Ｌ／Ｄが小さい（太くて短い）ガス分離膜モジュールが求められている。さらに、中空糸膜の有効表面積を増大させるために中空糸膜の細糸化が求められており、この点からも軸方向距離Ｌの短縮が求められている。しかしながら、特許文献１の分離膜モジュールは、Ｌ／Ｄが小さいモジュールについては、分離の効率性が落ちることが問題となっていた。

そこで本発明は、中空糸膜による効率的なガス分離を行うことができるシェルフィード型のガス分離膜モジュールおよび中空糸膜エレメントを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一形態に係るガス分離膜モジュールは、次のとおりである：
複数の中空糸膜を集束した中空糸膜束の両端が第１および第２の管板によって固着・包埋され、かつ、略中央部に芯管が配置された中空糸膜エレメントと、
前記中空糸膜エレメントが収納される容器と、
を備え、混合ガスを容器内の中空糸膜の外側空間へ供給してガス分離を行うシェルフィード型ガス分離膜モジュールであって、
前記中空糸膜は、前記第１の管板において開口する一方で第２の管板においては開口しておらず、
前記芯管は、少なくとも、未透過ガスの排出管路としての機能を有し、
前記第２の管板のうち芯管以外の部分には、未透過ガスの排出管路が少なくとも１つ設置されている
ことを特徴とするガス分離膜モジュール。

（用語の説明）
・以下の説明において、容器が管板により３つに仕切られる構成の場合、３つの空間のそれぞれを次のような名称で表すこともある：すなわち、中空糸膜束両端の管板に挟まれた容器内部の中空糸膜の外側空間は分離対象の混合ガスが流れることから「原料ガス室」と呼び、中空糸膜の内側と連通した空間には特定成分の透過ガスが流れることから「透過ガス室」と呼び、芯管および未透過ガス排出管路と連通した空間は未透過ガスが流れることから「未透過ガス室」と呼ぶ。

本発明によれば、中空糸膜の効率的なガス分離を行うことができるシェルフィード型のガス分離膜モジュールおよび中空糸膜エレメントを提供することができる。

本発明の一形態のガス分離膜モジュールの模式的断面図である。 従来のガス分離膜モジュールの模式的断面図である。 管板に配置される芯管および排出管路の配置例を示す図である。 本発明の他の形態のガス分離膜モジュールの模式的断面図である。 図４のガス分離膜モジュールの中空糸膜エレメントの模式的断面図である。 本発明の一形態に係る中空糸膜エレメントの構成の一例の模式的断面図である。

〔第１の実施形態〕
以下、図面を参照して本発明の実施の一形態について説明する。なお、図１では中空糸膜エレメントが挿入される容器の形状はごく簡略的に図示するものとし、具体的な例については他の実施形態で別途説明する。

図１に示すガス分離膜モジュール１はシェルフィードタイプのものであり、容器１０と、中空糸膜エレメント５とを備えている。

容器１０は、中空糸膜エレメント５を略密閉状態で収容するものであって、混合ガスを導入するための混合ガス入口１０ａと、未透過ガス出口１０ｂと、透過ガス出口１０ｃとを有している。ガス分離について簡単に説明すると、本モジュールでは、混合ガス入口１０ａから導入された混合ガスが、中空糸膜１４の外部空間に送られ混合ガスのうち透過成分が中空糸膜１４を透過する。その透過ガスは膜の内側の空間を通って一方の管板２１側から外部へ排出される。他方、透過しなかった未透過ガスは、第２の管板２２付近で、芯管７０および排出管路８５（詳細下記）の内部に流れ込んで、それらを通じて、第２の管板２２を通り抜けて外部に排出される。このようにして、導入した混合ガスに対するガス分離を行うことができるようになっている。

なお、容器は、複数の部品で構成され、筒状の本体部に対して蓋部材が取り付けられるようなものであってもよい。この一例については図４等を参照して後述する。中空糸膜エレメント５は、容器１０に対して着脱可能であってもよいし、固定的に取り付けられたものであってもよい。

中空糸膜エレメント５は、上記ガス分離を実現するために、この例では、多数の中空糸膜１４を集束させた中空糸膜束１５と、その両端部に形成された、樹脂製の、第１の管板２１および第２の管板２２と、中空糸膜束１５の中央部（すなわち軸心部分）付近に配置された芯管７０等を有している。以下、各部について説明する。

（中空糸膜束）
中空糸膜束１５は、多数の中空糸膜１４を互いに平行に、または、互いに交叉するように配列させて束状にしたものである。中空糸膜束１５の断面形状は、限定されるものではないが、一例で円形である。

（中空糸膜）
中空糸膜１４はガス分離性能を有すればどのような素材のものでも構わないが、例えば高分子材料特にポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリカーボネートなどの常温（２３℃）でガラス状の高分子材料からなるものが、ガス分離性能が良好であるので好適である。

中空糸膜１４の一端は、この例では、第１の管板２１側において開口が保持された状態で同管板に固着・包埋されている。つまり、第１の管板２１の外側の端面（図の左側の端面）に中空糸膜１４の端部が開口した状態となっている。一方、反対側の端部は、第２の管板の樹脂等で固着・包埋することにより閉塞されている。あるいは、別の形態としては、中空糸膜１４を第２の管板２２側でループさせて折り返し、中空糸膜１４の両端が第１の管板２１側で開口するように構成してもよい。なお、この場合においても、中空糸膜１４の折返し部分を管板２２に包摂させて固着するようにすることが、一形態において、好ましい。

（管板）
管板２１、２２は、中空糸膜束を包埋して固着するものであり、ポリエチレンやポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂、或いはエポキシ樹脂やウレタン樹脂などからなる熱硬化性樹脂によって好適に形成される。なお、管板２１、２２のための熱硬化性樹脂としては、例えば、特公平２−３６２８７号、特開２０１３−９４７２６号等に記載されたようなエポキシ樹脂も利用可能である。

（フィルム部材）
中空糸膜束１５の外側の部材に関して言えば、一例で、ガス非透過性のフィルム状物によって中空糸膜束の周囲を覆うことが好適である。中空糸束の外側をガス非透過性のフィルム状物で覆うことによって、原料ガスの流れを規制し、供給流と透過流とが逆向きとなる「向流」状態を促し、中空糸の利用率を上げることができるためである。図１のフィルム部材３１は、その一方の端部３１ａが管板２２に実質的に当接し、他方の端部３１ｂが管板２１から所定の距離だけ離れるように配置されている。図１では、フィルム部材３１によって覆われていない中空糸膜束１５の領域は符号Ａ（露出部分）で示されている。

フィルム部材３１は、中空糸膜束１５の外表面の５０％〜９５％、好ましくは７５％〜９２％を覆うように構成されていてもよい。換言すれば、フィルム部材３１の長さは、中空糸膜の長さ（ここでは第１の管板と第２の管板との間の距離）の５０％〜９５％、好ましくは７５％〜９２％程度であってもよい。

なお、フィルム部材の端部が「実質的に当接する」とは、（ｉ）フィルム端部が管板に完全に当接している場合と、（ｉｉ）例えば製造上の都合等により、フィルム端部と管板との間に僅かな隙間が生じた状態でフィルム端部が管板に近接している場合との両方を意図する。一方で、管板がエポキシ樹脂などの場合、フィルム端部が管板内に入り込んでいると（例えば、フィルム端部を管板に埋設させて管板を硬化させた場合など）、その部分を起点として管板が割れたり損傷が生じたりするおそれがある。そのため、割れや損傷を防止する場合には、一態様として、フィルム端部が管板内部に入り込まないように構成されていることが好ましい。

もっとも、本発明は必ずしもフィルム部材が管板内に埋設されない構成に限られるものでなく、別の態様においては、管板内に埋設されていてもよい。あるいは、フィルム部材が管板の外周面に接着されるもしくは単に当接する構成（具体的には、一例で、フィルム部材の端部が管板の外周面を取り囲んでいる態様）であってもよい。

フィルム部材３１は、実質的にガス非透過性の材質であればいかなるものであってもよい。なお、「実質的にガス非透過性」とは、フィルム部材３１のガス透過が充分に小さく、ガスの流路を規制できる事を意味する。例えば、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステル等のプラスチックフィルムであってもよい。中でもポリイミドは、耐熱性、耐溶剤性、加工性の点で好ましい。プラスチックフィルムの他にも、アルミニウムやステンレス等の金属箔であってもよい。フィルムの厚みは、数μｍ〜数ｍｍの範囲内であってもよい。フィルム部材３１は、一枚のフィルムの側縁どうしを固着することで筒状に形成されたものであってもよいし、または、継ぎ目のない筒状部材を使用してもよい。フィルムどうしを固着する手段としては、例えば接着剤、テープ等を利用してもよいし、熱圧着、超音波接合等の手段によって固着してもよい。

（芯管）
中空糸膜束１５の、略中心には筒状の芯管７０が配置されている。芯管７０の一端側は第１の管板２１に埋設されている。他端側は、芯管端部が管板の外側に開口するような状態で、第２の管板２２によって保持されている。芯管７０のうち、管板２１、２２の間の領域であってかつ管板２２の近傍の領域には、１つまたは複数の貫通孔７１が形成されている。この貫通孔７１を通じて未透過ガスが芯管７０の内部に流入できるようになっている。

（排出管路）
続いて、本発明において、中空糸膜非開口端に位置する管板２２の芯管７０以外の部分に、未透過ガスの排出管路８５を設置することについて説明する。図１に示すように、排出管路８５は、原料ガス室（図中、第２の管板２２よりも左側の空間）と未透過ガス室（第２の管板２２よりも右側の空間）に開口を備えた構造となっている。これにより、原料ガス室と未透過ガス室とが排出管路８５を通じて連通している。

このような管路を構成しうるものであれば、排出管路８５の材質や具体的な流路形状はどのようなものであっても構わない。一例として、中空管を穿孔して設置する形態が挙げられる。つまり、ここでは中空管の周壁に複数の孔８６を設けた部材を用いることができる。より具体的な配置方法の一例としては、中空糸膜束１５の周囲部に中空管を配置し、その状態で管板２２を形成することにより、管板２２の無垢部に中空管が埋設された構成を得ることができる。

排出管路８５を構成する部材としては、例えば金属製、セラミック製のパイプ等が挙げられる。中空管の外形が大きすぎると、管板内の中空管が占める割合が大きくなり、中空糸膜の充填率が落ちるため望ましくない。したがって、中空管の外径は、好ましくは、５０ｍｍ以下、より好ましくは３０ｍｍ以下である。

排出管路８５は、原料ガス室内に位置する部分に１つまたは複数の孔８６が形成されている。この孔８６を通じて、中空糸膜１４を透過しなかった未透過ガスが同管路内に流入可能となっている。中空管を利用する場合、排出管路８５の端面（原料ガス室側）は開口していてもよいし、閉塞していてもよい。孔８６と孔７１（図１参照）の位置関係に関し、いずれの孔８６、７１もが、例えば上述した管板の近傍領域（管板の内側端面からの距離が管板間の距離の２０％以内、好ましくは１０％以内のことをいう）内に配置されていてもよい。

なお、排出管路８５の配置密度および数は、未透過ガスを未透過ガス室へ排出する機能を果たせるものであれば特に制限されるものではない。具体的な例については他の図面も参照して後述するものとする。

一形態において、排出管路８５は両端が開口した筒状の部材であってもよい。当該筒状部材の長さは、管板と同一もしくは実質的に同一、または、管板よりも長くてもよい。筒状部材の一端が、管板の一方の面側において、管板よりも突出していてもよい。それに加えてまたは代替として、筒状部材の他端が、管板の他方の面側において、管板よりも突出していてもよい。

孔８６の数および／もしくは密度が少なすぎる場合、未透過ガスを未透過ガス室へ十分に排出することができないので適当ではない。

（作用）
以上のように構成された本実施形態のガス分離膜モジュール１によれば、下記のようにガスを効率的に分離することが可能となる。ガス分離を行うために、先ず、混合ガスが混合ガス入口１０ａ（図１参照）から容器内に導入される。混合ガスは、中空糸膜エレメント５のうち、フィルム部材３１の巻かれていない露出部Ａを通過して中空糸膜１４の外部空間へと送られる。混合ガスは、中空糸膜１４に沿って（図中、左側から右側へと）流れ、その際、混合ガスのうち透過成分が中空糸膜１４を透過する。その透過ガスが膜の内側の空間を流れて（図中、右側から左側へと）、第１の管板２１側から外部へと送り出される。このようにして、供給流と透過流とが逆向きに流れる「向流」の状態となる。

他方、中空糸膜１４を透過しなかった未透過ガスは、容器内において第２の管板２２に向かって流れることとなる。そして、第２の管板２２付近までくると、ここでは、芯管７０の一部および排出管路８５の一部に通気孔が形成されていることから、その孔を通って、未透過ガスは芯管７０および排出管路８５の内部へと流れ込む。そして、芯管７０および排出管路８５を通じて第２の管板２２の外部（すなわち未透過ガス室）へと送り出され、さらに未透過ガス出口１０ｂ経由で容器外部へと排出される。

芯管７０のみが設けられ、排出管路８５を有していない図３のような従来のモジュールの場合、芯管７０から半経方向に遠ざかるほどガスの流れが滞り易い領域となり（符号Ｓ１参照、デッドゾーン）、これによりガス分離の効率が低下するおそれがある。すなわち、本実施形態の構成で効率のよいガス分離を行うためには、上記のようなデッドゾーンが発生しないようにし、できるだけ、中空糸膜１４に沿った広い範囲で向流状態となることが好ましい。

これに対して本願発明によれば、芯管７０に加え、少なくとも１つの排出管路８５も設けられているので、排出管路８５経由でも未透過ガスをモジュール外へと排出することができ、図３のような構成と比較して効率的なガス分離が実施可能となる。このような作用効果は、とりわけ管板２１、２２の直径が大きいモジュールの場合（例えば、太くて短いような分離膜モジュール等）により顕著に奏されることとなる。

上記のような課題解決手段をもたらすものであれば、排出管路８５の配置は種々変更可能である。例えば、図２（ａ）、（ｂ）のように、芯管７０と中心を同じくする基準円上に複数の排出管路８５を配置するようにしてもよい。この場合、一形態として、排出管路８５を周方向に略等間隔で配置するようにしてもよい。

また、図２（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）のように、直径の異なる複数の基準円上にそれぞれ複数の排出管路８５を配置するようにしてもよい。

なお、本発明には、１本の排出管路８５のみを設けたガス分離膜モジュールも含まれる。また、上記では所定の基準円上に複数の排出管路８５が配置される例を示したが、必ずしもこれに限定されるものではない。

複数の排出管路８５を設ける場合、そのうちの１つのグループと他のグループとで排出管路８５の長さや太さを異ならせてもよい。この場合、一例として、芯管７０からの距離に応じてグループ分けを行うようにしてもよい。

〔第２の実施形態〕
本発明は、図４、図５に示すような構成のガス分離膜モジュール２０１にも適用しうるものである。図４、図５のモジュールは本出願人によって先に出願された特願２０１２−１８１０３６号に開示されたものと一部共通するものであるが、未透過ガスを排出するために芯管１７０に加え排出管路１８５（図５参照）が設けられている。このガス分離膜モジュール２０１も、１つの中空糸膜エレメント１０５と、それを収容する容器２１０とで主に構成されている点で上記実施形態の構成と共通している。

中空糸膜エレメント１０５は、図４に示すように、多数の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束１１５を有している。中空糸膜束１１５の断面形状は一例として円形であってもよい。中空糸膜束１１５の両端には、中空糸膜を固定する第１および第２の管板（不図示）が形成されている。図４、図５では図示は省略するが第１および第２の管板は上述した実施形態と同様に構成可能である。

図４、図５のモジュールもシェルフィード型のものであり、図１と同様の原理でガス分離が行なわれて、透過ガスが図示左側の端部から排出され、未透過ガスが図示右側の端部から排出されるようになっている。この例の中空糸膜エレメント１０５は、中空糸膜束１１５の図示左側の端部に設けられた基端キャップ１４６と、右側の端部に設けられた先端キャップ１４８と有している（図５参照）。基端キャップ１４６内には、中空糸膜を固着する管板（不図示）が配置されている。基端キャップ１４６に隣接して取り付けられているのは多孔板１４７である。いずれのキャップ１４６、１４８も、略リング状の部材であり、管板を取り囲んでいる。なお、ここでは、特願２０１２−１８１０３６号で開示した構成に対応するように符号１４８を「キャップ」として説明しているが、当然ながら、このようなキャップを省略して、符号１４８で示される部分を管板として構成してもよいことは言うまでもない。このような構成を採用した場合であっても、管板部分に排出管路（詳細下記）を設けることによる作用効果は上述した実施形態と同様に得ることができるためである。

先端キャップ１４８の内の第２の管板に関しても、上記実施形態と同様、１つまたは複数の排出管路１８５を設けている。これにより、このようなガス分離膜モジュール構成においても、上記実施形態同様、効率的なガス分離を行えるものとなる。

多孔板１４７としては従来公知のものを利用可能であるので詳細な説明は省略するが、多孔板１４７は、管板と蓋部材２２５の間に介在し、管板から受ける圧力を蓋部材２２５と共に受け止めることにより、管板の変形を防ぐ役割を果たすものである。例えば特開２００８−１７８８７２号のものを利用できる。

図４、図５の例では、また、一例として、中空糸膜エレメント１０５の一方（図示右側）の端部に外キャップ１４９が取り付けられている。外キャップ１４９は、先端キャップ１４８を覆うような大きさであり、これにより、外キャップ１４９と管板（不図示）との間に空間が形成される。この空間は、未透過ガス室として機能する。未透過ガス室へは、芯管１７０からの未透過ガスと、排出管路１８５からの未透過ガスとの両方が流れ込む。

外キャップ１４９には、この例では、突出したノズル部１４３が形成されている。ノズル部１４３は、後述する接続部２２１に挿入される部分である。

芯管１７０は、１つには、中空糸膜エレメント１０５の変形を防ぎ形状を保持する役割を有する。芯管１７０の基端部（図示左側の端部、不図示）は管板に固着されていてもよい。固着は、芯管１７０それ自体が管板に包埋されることで行われるものであってもよい。他にも、例えばネジを形成した樹脂製の部材を利用するなどして、ネジ止めによって接続しても構わない。

芯管１７０は内部にガス流路が形成され、また、その一部に内外を連通する複数の貫通孔が形成されているのは上記実施形態同様である。これにより、中空糸膜を透過しなかった未透過ガスが、それら複数の孔を介して芯管内部に送り込まれるようになっている。

中空糸膜束１１５には、図５に示すとおり、実質的にガスを透過しないフィルム１３１が巻き付けられていてもよい。このフィルム１３１についても、上記実施形態と同様の構成とすることができる。

次いで、図４の容器２１０および蓋部材２２５、２２７について説明する。容器２１０は、円筒部２１１とその両端に形成されたフランジ部２１２、２１３とを有している。図１の例では、容器２１０は横向きに配置されており、したがって、中空糸膜エレメント１０５も横向きに挿入されるようになっている。容器２１０内には、中空糸膜エレメント１０５のノズル部１４３が差し込まれる接続部２２１が設けられている。接続部２２１は、その中央孔２２１ａでエレメントの先端部１４３を保持する。また、未透過ガスを容器外へ導く機能を有している。容器２１０の円筒部２１１には、混合ガス導入部２１５が形成されている。外部からの混合ガスは、この混合ガス導入部２１５のガス流路２１５ａを経由して、容器２１０内へと導入される。

以上のように構成されたガス分離膜モジュール１０１は次のように使用される：
まず、混合ガスが、混合ガス導入部２１５のガス流路２１５ａから容器２１０内に導入される。次いで、導入された混合ガスは、フィルム１３１の外側を流れ、露出部Ａのところで中空糸膜と接する。混合ガスが中空糸膜に接しながら流れることにより、混合ガス中の特定の成分ガスが中空糸膜を選択的に透過し、透過したガス（透過ガス）は、中空糸膜内を通り、管板端部から外部へと送出される。この透過ガスは、蓋部材２２５のガス流路２２５ａを通じて外部に排出される。一方、中空糸膜を透過しなかった未透過ガスは、芯管１７０および排出管路１８５の内部へと流れていき、それらを通って管板の外部へと排出され未透過ガス室を経て、外部へと排出される。そして、接続部２２１内の中央孔２２１ａおよび蓋部材２２７のガス流路２２７ａを通じて外部に排出される。

以上説明したように図４、図５のような構成においても、芯管１７０に加え排出管路１８５を通じて未透過ガスの排出を行うようにすることによる作用効果は上記実施形態と同様にして得ることができる。

以上、本発明の幾つかの態様について図面を参照しながら説明したが、本発明は上記した内容に限定されるものではなく本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
例えば、中空糸膜束を包囲するガス非透過性の部材としてはフィルム以外にも種々の材質を利用可能であるし、または、それ自体を省略することも可能である。

図６は、本発明の一形態に係る中空糸膜エレメントの構成の一例である。中空糸膜１４の束の両側に第１の管板２１および第２の管板２２が設けられ、中空糸膜束の内部に芯管７０が配置されている。芯管７０には、未透過ガスを導入するための１つまたは複数の孔７１が形成されている。孔７１を形成する領域は、第２の管板になるべく近い位置であることが、一形態において、好ましい。具体的な一例として、芯管７０のうち２つの管板２１、２２に挟まれる領域の長さを基準長さＬ_７０としたときに、第２の管板２２からの距離が基準長さＬ_７０の１０％以下、または１５％以下、または２０％以下となるような範囲とすることができる。このような位置の設ける理由としては次のとおりである。すなわち、このような位置とすることで、フィルム部材３１の図示左端付近から中空糸膜間に流れこんだ供給ガスが、孔７１付近まで、広い範囲で中空糸膜に沿って図示左側から右側へと流れるためである。供給ガスが広い範囲で中空糸膜に沿って流れれば、その分、中空糸膜内の透過ガス（図示右側から左側に流れる）に対して向流となる範囲を広くでき、ガス分離を効率的に実施可能となる。図６の構成では、芯管７０以外にも、１つまたは複数の排出管路８５経由で未透過ガスを抜くことが可能となっている。これは、第２の管板２２付近でも未透過ガスを中空糸膜１４に略沿うように流すことができることを意味する。したがって、図３に例示したような構成と比べて、より効率的にガスの分離が実施可能となる。

（付記）
本出願は、以下の発明を開示する：
１．複数の中空糸膜を集束した中空糸膜束の両端が第１および第２の管板（２１，２２）によって固着・包埋され、かつ、略中央部に芯管（７０）が配置された中空糸膜エレメント（１５）と、
前記中空糸膜エレメントが収納される容器（１０）と、
を備え、混合ガスを容器内の中空糸膜の外側空間へ供給してガス分離を行うシェルフィード型ガス分離膜モジュール（１）であって、
前記中空糸膜（１４）は、前記第１の管板（２１）において開口する一方で第２の管板（２２）においては開口しておらず、
前記芯管（７０）は、未透過ガスの排出管路として機能し、
前記第２の管板のうち芯管以外の部分には、未透過ガスの排出管路（８５）が少なくとも１つ設置されている
ことを特徴とするガス分離膜モジュール。

中空糸膜束の一部には、実質的にガス非透過性の部材が巻かれていてもよい。「実質的にガス非透過性の部材」は供給ガスの流れを規定する役割を果たすもので、より具体的には、供給ガスを、中空糸膜に平行な第１の方向に沿って流すようにするためのものである。これに対して、中空糸膜内に透過した透過ガスはそれとは逆向きの第２の方向に流れる。その結果、供給ガスの流れと透過ガスの流れとが向流状態となる。本発明の一形態では、未透過ガスを、排出管路経由でも流すことが可能となるので、ガスの流れが滞るデッドゾーンを少なくして、より広い範囲で向流状態が得られ、ひいては、効率的なガス分離ができるものとなる。

・「中空糸膜」は、選択的透過性を有する中空の部材であれば特に限定されるものではなく、本発明の一形態は、他の種類の管状膜を利用する場合にも適用できる。
・非透過性フィルムで被われた部分の軸方向距離Ｌと径方向距離Ｄの比（Ｌ／Ｄ）は、一例で、５０未満、５未満、または３未満、または２未満である。

ガス分離膜モジュールは、必ずしもフィルム部材（３１、１３１）が巻かれたものでなくてもよい。例えば、図１にように、混合ガスの入口１０ａが管板２１側に位置しており、露出部Ａで示す付近にガスを供給できるような構成であれば、フィルム部材が存在しなくても良好にシェルフィードタイプのガス分離を実施できるためである。

本出願は下記の発明も開示する：
２．中空糸膜束の一部に実質的にガス非透過性の部材が巻かれている、上記記載のガス分離膜モジュール。

３．前記芯管の周壁の一部に、未透過ガスが通過可能な複数の孔が形成されている、上記記載のガス分離膜モジュール。

４．複数の前記排出管路（８５）が、前記芯管と同芯の円上に配置されている、上記記載のガス分離膜モジュール。

５．前記複数の排出管路（８５）が、周方向に等間隔に配置されている、上記記載のガス分離膜モジュール。

６．前記排出管路は、その周壁（中空部材、パイプ、筒の周壁）の一部に複数の孔（８６）が形成されている、上記記載のガス分離膜モジュール。

７．複数の中空糸膜を集束した中空糸膜束と、
前記中空糸膜束の一方の端部に設けられた第１の管板と、
前記中空糸膜束の他方の端部に設けられた第２の管板と、
前記中空糸膜束の略中央部に配置され、前記第１および第２の管板の間の領域に一つまたは複数の孔が形成されるとともに、前記第２の管板側の端部は前記第２の管板の外側の端面に露出している芯管と、
を備える中空糸膜エレメントであって、さらに、
前記第２の管板の芯管以外の部分に配置され、それを通じて未透過ガスを排出可能な少なくとも１つの排出管路を備える
ことを特徴とする中空糸膜エレメント。

１、２０１ ガス分離膜モジュール
５、１０５ 中空糸膜エレメント
１０、２１０ 容器
１０ａ 混合ガス入口
１０ｂ 未透過ガス出口
１０ｃ 透過ガス出口
１４ 中空糸膜
１５、１１５ 中空糸膜束
２１、２２ 管板
３１、１３１ フィルム部材
７０、１７０ 芯管
８５、１８５ 排出管路
１４３ ノズル部
１４６ キャップ
１４７ 多孔板
１４８ キャップ
１４９ 外キャップ
２１５ 混合ガス導入部
２１５ａ ガス流路
２１１ 円筒部
２２１ 接続部
２２５、２２７ 蓋部材

Claims (7)

1. 複数の中空糸膜を集束した中空糸膜束の両端が第１および第２の管板によって固着・包埋され、かつ、略中央部に芯管が配置された中空糸膜エレメントと、
   前記中空糸膜エレメントが収納される容器と、
   を備え、混合ガスを容器内の中空糸膜の外側空間へ供給してガス分離を行うシェルフィード型ガス分離膜モジュールであって、
   前記中空糸膜は、前記第１の管板において開口する一方で第２の管板においては開口しておらず、
   前記芯管は、少なくとも、未透過ガスの排出管路としての機能を有し、
   前記第２の管板のうち芯管以外の部分には、未透過ガスの排出管路が少なくとも１つ設置されている
   ことを特徴とするガス分離膜モジュール。
2. 中空糸膜束の一部に実質的にガス非透過性の部材が巻かれている、請求項１に記載のガス分離膜モジュール。
3. 前記芯管の周壁の一部に、未透過ガスが通過可能な複数の孔が形成されている、請求項１または２に記載のガス分離膜モジュール。
4. 複数の前記排出管路が、前記芯管と同芯の円上に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス分離膜モジュール。
5. 前記複数の排出管路が、周方向に等間隔に配置されている、請求項４に記載のガス分離膜モジュール。
6. 前記排出管路は、その周壁の一部に複数の孔が形成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガス分離膜モジュール。
7. 複数の中空糸膜を集束した中空糸膜束と、
   前記中空糸膜束の一方の端部に設けられた第１の管板と、
   前記中空糸膜束の他方の端部に設けられた第２の管板と、
   前記中空糸膜束の略中央部に配置され、前記第１および第２の管板の間の領域に一つまたは複数の孔が形成されるとともに、前記第２の管板側の端部は前記第２の管板の外側の端面に露出している芯管と、
   を備える中空糸膜エレメントであって、さらに、
   前記第２の管板の芯管以外の部分に配置され、それを通じて未透過ガスを排出可能な少なくとも１つの排出管路を備える
   ことを特徴とする中空糸膜エレメント。