JP2017504478A - 中空繊維膜によって空気から窒素を分離するためのモジュール - Google Patents

Abstract

中空繊維膜によって空気から窒素を分離するためのモジュールであって、加圧空気のための入口孔（３）と流通し、繊維の束（１）の第１の端部に直接進まない方向を有する流路（９）に沿ってモジュール内で圧縮空気の流れを偏向させるために配置される偏向器（８）を備える、モジュール。【選択図】図２

Description

本発明は、加圧空気流から窒素を選択的に分離するための中空繊維膜に関する。特に、この装置は、高、中、または低圧で作動する空気システム、回転ベルシステム、または他のシステムを用いて塗装するために使用される、圧縮空気から開始して窒素を生成するための装置における用途が見出される。

約７８％の窒素、２１％の酸素、および１％の他の気体を含有する圧縮空気から窒素を分離し、回収するための中空繊維膜の非対称技術を利用する中空繊維膜窒素分離モジュールが、当該分野において公知であり、現在時々市販されている。

特に、これらの膜は、選択的透過の原理（各気体は、膜を通して分解し、拡散するその能力に応じて特徴的な透過度を有する）を利用して高純度の窒素を生成することができる。

空気に含まれる酸素は「速い」気体であり、膜の壁を通して選択的に拡散するのに対して、窒素は繊維の内側に沿って移動し、したがって窒素が豊富な生成物の流れを生じ、一方、酸素が豊富な気体または透過物は大気圧にて膜から放出される。

通常、膜システムのための送達ガスは４〜３０ｂａｒ（ｇ）を含む圧力での圧縮空気であり、これにより空気供給システムまたは専用圧縮器がもたらされ得る。

オリジナルによれば、空気は様々な混入作用物質を含有してもよく、その中で最も一般的なものは圧縮器のための水および潤滑剤である。大気、特に高度に工業化された領域に含まれる汚染作用物質も存在する場合がある。

より詳細には、流入空気の混入物質の中で、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、アセチレン、エタン、エチレン、プロピレン、プロパン、ブタンおよびより重い炭化水素、ならびに膜の材料に著しい損傷を与えないが、様々な程度で膜を全て透過する材料粒子などの識別できる成分が存在する場合がある。しかしながら、濃度が特に高い場合、窒素ガスの流出フローに混入物質の残渣、例えば、二酸化硫黄、硫化水素酸、メルカプタン、アンモニア、塩化物または塩素、窒素酸化物（ＮＯまたはＮＯ_２）、酸蒸気、炭塵、煙／煤、オゾンなどが存在する可能性がある。

分離器において、圧縮空気は中空繊維の内側に沿って流れる。「速い」気体、すなわち酸素、二酸化炭素および水蒸気、ならびに少量の「遅い」気体は繊維の外側へ向かって膜の壁を通過し、放出流または透過物として大気圧で回収される。

大部分の「遅い」気体および非常に少量の「速い」気体は、それが膜の端部に到達するまで繊維を通して移動し続け、そこで生成される窒素ガスは想定される用途に対して排出される。

したがって圧縮器に入る空気は、粉塵、大気圧に存在する混入作用物質および水蒸気だけでなく、圧縮器の摩耗に起因した油エアロゾル、蒸気および他の固体粒子（それらは圧縮器によって供給される空気の流れに加えられ得る）を伴う。

構造的観点から、典型的な膜分離器は、繊維を保護し、入口における空気源から分離される気体のための出口まで気体を適切に方向付ける適切な容器またはモジュール内に収集される束になって集まった数千の繊維を含有する。示されるように膜モジュールは、通常、使用特性に応じて、好ましくはアルミニウムもしくはその合金、またはステンレス鋼製の金属パイプ、あるいはＡＢＳパイプによって形成される。実施形態の例において、束は、例えばエポキシ樹脂のブロックによって両端で閉じられる。この種類の分離器において、束の端部は切断され、繊維の孔は両端において自由なままであり、気体は一端から他端まで移動できる。

圧縮空気のための入口部分は、通常、様々な寸法の孔を有するチャンバによってモジュール内に形成される。圧縮空気の導入を調節する弁が開いている場合、繊維は流入空気の流れと衝突し、いわゆる「流体ハンマー（ｆｌｕｉｄ ｈａｍｍｅｒ）」作用を生じ、空気の正確な分布が存在しない限り、衝突した繊維の変形および閉塞を導く。

したがって、含まれる繊維は、流体ハンマー作用および繊維自体の微小孔を塞ぎ得る混入物質または汚染微粒子に起因して繊維の生産性の１０％〜２０％を含み得る短時間の劣化を受け得る。これは、圧縮空気の流入圧力が４〜３０ｂａｒ（ｇ）を含む上記の場合全てで起こる。

これらの状況において、膜に対する損傷を制限するために、圧縮空気は、膜分離器内への放出前に任意の起こり得る凝縮液体、懸濁液中の蒸気、および固体粒子を、存在する特定の混入作用物質および窒素純度の最終要件に応じた濾過の度合いで除去するように処理されるべきである。

前処理手段は、通常、濾過ならびに最終温度および／または圧力の制御を含み得る。

しかしながら、公知のシステムは十分ではなく、任意の場合、急速な繊維の劣化を伴い、それらの可能性に関して膜モジュールの耐用年数が著しく低下し、これにより、フィルタの使用および膜モジュールになされる外部調整に起因するシステムの複雑性およびコストの増加に耐えられなくなる。

したがって、本発明の第１の目的は、上記で述べた欠点がなく、膜の長期間の耐用年数を考慮して最小の構造変更で可能である膜分離モジュールを提案することである。

上記およびさらなる目的は、膜への入口において空気の分散を想定する分離モジュールを有する添付の特許請求の範囲の請求項の１つまたは複数に係る装置であって、前記モジュールは、膜内に空気が直接進入することを防ぎ、分離のより良い制御および均一性ならびにモジュール自体のより良い効率のために空気流の完全な分散を可能にする偏向器または拡散器によって形成される、装置によって達成される。さらに、偏向器を用いて、混入している因子の存在または別のものを検証するために意図的に提供される内視鏡と共に使用され得るモジュール内部の検査のための孔を提供することができる。

本発明の第１の利点は、本発明に係る膜が長期間の耐用年数およびモジュールの時間内のより良い効率を有するという事実にある。

さらなる利点は、入口における空気が油粒子などの有機混入物質を伴う場合、偏向器が繊維の微小孔の閉塞を防ぐという事実によって表される。

さらなる利点は、偏向器が、入口における圧縮空気の分散の均一性の結果として品質または流量を減少させずに作動期間全体を通してモジュールの性能を保証するという事実によって表される。

さらなる利点は、製造業者によって示される空気の質の値を考慮するならば、偏向器が製造業者によって指定される保証期間を倍にする長期間の繊維を保証するという事実によって表される。

さらなる利点は、混入物質の存在を使用者に警告し、それにより繊維内への空気の入口のためのチャンバを洗浄する必要があるときを使用者に示すために検査孔がセンサに接続され得るという事実によって表される。

さらなる利点は、中空繊維に進入する圧縮空気を均一な様式で流れさせることによって偏向器が、空気の消費レベル（エネルギーコスト／立方メートル／時間）の恒常性を保証し、入口における空気の流れに直接関与する部分に衝突し得る混入物質に起因する劣化を排除するという事実によって表される。

さらなる利点は、モジュールの外部全体にわたる温度の均一性が繊維の透過を顕著に改善し、それにより、製品のより良い品質および処理能力の恒常性を保証する限り、膜が加熱されるときに膜の熱の消失を防ぐためにモジュールが特別な塗料で断熱され得るという事実によって表される。

上記およびさらなる利点は、非限定的な例として与えられる以下の説明および添付の図面を参照して当業者によってより良く理解されるであろう。

従来型の圧縮空気分離モジュールを示す。 本発明に係るモジュールの第１の実施形態の部分断面斜視図を示す。 図２のモジュールの断面を示す。 図２に係るモジュールについての偏向器の上面図を示す。 図４の偏向器を斜視図で示す。 蓋が取り付けられた図４に係る偏向器の上面図を示す。 本発明に係るモジュールの第２の実施形態の部分断面図を示す。 図７のモジュールの偏向器を斜視図で示す。

添付の図面を参照して、加圧空気流のための入口孔３と繊維の束１の第１の端部６との間に自由空間５を形成するように外側ケーシング２内に含まれる繊維の束１を備える、中空繊維膜によって空気から窒素を分離するためのモジュールが記載される。

特に図１を参照して、ケーシング２は、一端に少なくとも１つの入口孔３、側部に透過物のための中間出口（例えば、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２などの速い透過物のため、酸素が豊富な流れのため、ならびにアルゴンおよび窒素などの遅い透過物のための別の孔）、および空気入口の反対端に分離された窒素を排出するための第３の孔５を備える。

本発明によれば、図２〜８を参照して、モジュールは偏向器８を備え、その偏向器８は入口孔３と流通し、繊維の束１の第１の端部に直接進まない方向を有する流路９に沿って空間５内の圧縮空気の流れを偏向するように配置される。

有益には、この解決策を用いて、モジュールに入る加圧空気の流れは、繊維の入口端に激しく衝突せず、したがってそれらを損傷しないので、時間内にその性能を改善する。

図２〜６に例示した実施形態において、偏向器８は、入口孔３が設けられる基部本体１０と、孔３自体と流通し、繊維の束の面６に対して実質的に平行な方向において空間５内に流れを導く垂直放射状チャネル１１とを備える。

より詳細には、基部本体は、ケーシング２に設けられる対応するネジ台座２６に本体１０を固定するためのネジの通路のための孔２４が通るフランジ１３によって側方で境界を定められているディスク１２として成形されてもよい。

示した例において、チャネル１１は、ケーシング２において大部分が突き出ているディスクの表面１４に対して下側にある円形区域の形態で設けられ、その円形区域は、前記入口孔３とフランジ１３に隣接する周辺円形チャネル１５との間に広がり、そのフランジ１３は加圧空気の流れを集め、それを周辺空間５内に拡散する。

好ましくは、円形区域チャネル１１は、基部本体１０から取り除くことができ、ネジ２５によってそれに固定できる蓋１６によって上部で閉鎖される。

図７および８に示される第２の好ましい実施形態において、偏向器８が基部本体１７を備え、孔３自体および空間５と流通する放射状チャネル１９が分岐しているブラインド孔の形態の入口孔３が設けられた孔の開いた円筒形挿入物１８が挿入され得る。

また、この場合、加圧空気の流れが、繊維の表面６に直接進まない経路に沿って空間５に入る。

より詳細には、基部本体１７は、ケーシング２のネジ台座２６に本体１０を固定するためのネジの通路のための孔２４が通るフランジ２２によって側方に境界が定められているディスク２１の形態で設けられる。

有益には、挿入物１８は、例えば、操作者によって外側からアクセス可能な挿入物１８の六角形外形２８を利用して締め付けられ得るネジ結合によって基部本体１７において容易に取り外し可能に固定される。

いずれの場合も、偏向器は、自由空間５と流通し、空間５に形成されている残留物をサンプリングするためのセンサまたは機器の挿入を可能にするように束１に対して軸および／または半径方向に延びる検査孔２３を備える。

本発明は好ましい実施形態に従って記載されているが、等価の変更が本発明の保護の範囲から逸脱せずに考案されてもよい。

Claims (10)

1. 中空繊維膜によって空気から窒素を分離するためのモジュールであって、前記モジュールは、外側ケーシング（２）内に含まれる圧縮空気から窒素を分離するための中空繊維膜の束（１）を備え、前記外側ケーシング（２）は、一端に加圧空気流のための少なくとも１つの入口孔（３）、透過気体を排出するための少なくとも１つの第２の中間孔（４）、および前記入口孔（３）に対して前記外側ケーシング（２）の反対端に配置される、空気システムで塗装するために使用される分離されている窒素を排出するための第３の孔（５）を備え、前記繊維の束（１）は前記入口孔（３）と前記束（１）の第１の端部（６）との間に含まれる自由空間（５）を形成し、
   前記モジュールは、前記入口孔（３、２０）と流通し、前記繊維の束（１）の前記第１の端部に直接進まない方向を有する流路（９）に沿って前記空間（５）内で圧縮空気の流れを偏向させるために配置される偏向器（８）を備えることを特徴とする、モジュール。
2. 前記偏向器（８）は、前記入口孔（３）および前記入口孔（３）自体と流通する垂直放射状チャネル（１１）が設けられている基部本体（１０）を備える、請求項１に記載のモジュール。
3. 前記基部本体は、フランジ（１３）によって側方で境界を定められているディスク（１２）状に成形され、前記チャネル（１１）は、前記ディスクの上面（１４）に対して下側にある円形区域の形態で設けられ、前記入口孔（３）と前記フランジ（１３）に隣接する周辺円形チャネル（１５）との間に広がる、請求項２に記載のモジュール。
4. 前記区域は、前記基部本体（１０）から取り外し可能である蓋（１６）によって上部で閉鎖される、請求項３に記載のモジュール。
5. 前記偏向器（８）は、ブラインド入口孔（２０）と、前記ブラインド入口孔（２０）自体および前記空間（５）と流通する放射状チャネル（１９）とが設けられている、孔の開いた円筒形挿入物（１８）を挿入できる基部本体（１７）を備える、請求項１に記載のモジュール。
6. 前記基部本体（１７）は、フランジ（２２）によって側方で境界を定められているディスク状に成形され、前記挿入物（１８）は前記基部本体（１７）に取り外し可能に固定される、請求項５に記載のモジュール。
7. 前記偏向器は前記自由空間（５）と流通する検査孔（２３）を備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載のモジュール。
8. 前記孔（２３）は前記束（１）に対して軸方向および／または半径方向に作製される、請求項７に記載のモジュール。
9. 前記偏向器は、取り外し可能に前記ケーシング（２）に固定される、請求項１〜８のいずれか一項に記載のモジュール。
10. 前記ケーシング（２）は、前記繊維（１）の熱の消散を防ぎ、前記モジュールの外部の温度を均一にするために外側で断熱される、請求項１〜９のいずれか一項に記載のモジュール。

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