JP2876548B2 - ガス分離器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、混合ガスから特定のガ
スを選択して取出す際に、中空糸を用いて行うガス分離
器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスの分離又は除去方法としては、種々
の方式があり、例えば、空気より酸素、窒素等を分離す
る代表例として空気深冷分離法、又は近年小中規模の分
離用として急速に増加しつつあるＰＳＡ法に代表される
吸着法等があるが、さらに、最近は、混合ガスから特定
ガスを選択的に透過する各種の高分子膜の性能が向上し
てきたため、これらの高分子膜を使用した膜分離法が盛
んに工業化されている。

【０００３】膜分離は、たとえば深冷分離のような相変
化が伴わないため、わずかなエネルギー消費で分離で
き、又、化学反応を用いて分離するものでないため、小
型、軽量化が容易と云うメリットがある。

【０００４】この高分子膜を用いて、ガス分離する際に
最も重要なことは、その膜が有する基本的な選択性と透
過性であると共に、その高分子膜の性能を工業的に大規
模に発揮させるためのガス分離器としての構造および構
成等である。

【０００５】前述のガス分離膜は通常多孔質膜（厚さ：
３０〜７００μ）状に形成され、糸状として、すなわち
中空糸として使用されることが多い。

【０００６】その中空糸の束を容器胴に収めた熱交換器
型を図８に示す。

【０００７】尚、図８のタイプは、”特公平２―１７２
１５：ガス分離膜モジュール”にても開示されており、
種々の構造のものが提案されてきた。

【０００８】そこで、従来行なわれてきた図８について
以下に述べると、本例では一例として地下の天然ガスか
らＣＯ₂を選択する例で説明する。地下からの天然ガス
は各種ガス等の混合ガスであり、その組成は概略第１表
の通りである。

【０００９】

【表１】

【００１０】上記の混合ガスは混合ガス入口３より容器
胴１内の混合ガス部１４に流入する。

【００１１】流入圧力は約１０１．５ｋｇ／ｃｍ² Ｇで
あり、温度は約７２℃である。

【００１２】流入した混合ガス”天然ガス”は、中空糸
６”材質の一例としてポリスルフォン製”の膜の孔を主
としてＣＯ₂が透過し透過ガス部１５では、ＣＯ₂組成は
８３％であった。

【００１３】尚、透過ガス部１５での圧力は５ｋｇ／ｃ
ｍ²Ｇである。又、１本の中空糸６の外径は１．２ｍ
ｍ、厚さは０．３ｍｍ、内径は０．６ｍｍである。

【００１４】未透過ガスは、未透過ガス出口４より流出
する。容器胴１の内径は３５０ｍｍであり、長さは３５
００ｍｍで、その中に前記の中空糸６が２５０００本入
っており、その両端部は樹脂板７”材質は硬化エポキシ
樹脂”で結束されている。

【００１５】その硬化エポキシ樹脂の性質は概略次の通
りである。

【００１６】曲げ強さ １２３０ｋｇ／ｃｍ² 曲げ弾性係数 ３×１０^-6ｋｇ／ｃｍ² 圧縮強さ １０７０ｋｇ／ｃｍ² 引張強さ ７５０ｋｇ／ｃｍ² 伸び（破壊時） ６．７％

【００１７】混合ガス部のガスはシール材９でシールさ
れており透過ガス部のガスは蓋板２のシール材１０で同
様にシールされ、蓋板２は、本例ではネジ１１で容器胴
１に固定されている。

【００１８】さらに、両端の樹脂板７の相互の距離を固
定するためにステー１２を設けており、中空糸６が弛ん
だり、引張られたりしないようにしている。

【００１９】又、図１５には、図８の従来方法の別の例
であるが、前記の如く、樹脂板７の変形を極力抑えるべ
くシール材９を２段として、シール材９で囲まれた部分
に圧力Ｐ₁と圧力Ｐ₂の半分の圧力をかけると共にシール
材９のダブルでの支持でもって、樹脂板７の変形を防止
し、かつシール性能の確保をはかるテストを試みたもの
である。

【００２０】図１５のシール方法については、”実開平
０２―６６７６１に圧力容器蓋のシール構造”で詳述し
ているが、この方式を適用しても、かなりの改善はみら
れたものの、樹脂自体の弾性が小さく、十分なる性能を
得るまでには至らなかった。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成および構造では、図９〜１４で示すような大
きな課題があった。

【００２２】すなわち、図９は樹脂板７等を容器胴１に
装着した組立時の状態を示しており、樹脂板７は平板
で、中空糸６は、弛んだり、引張られたりすることなく
組立てられている。

【００２３】本図では、１本の中空糸６を代表的に図示
しているが、実機では前記の如く２５０００本がセット
されている。

【００２４】次に、混合ガスが流入して操業されている
状態、すなわち、図１０に示す如く操業時の荷重と変形
状態を示すと、樹脂板７には、混合ガス部の圧力Ｐ
₁（本例では１０１．５ｋｇ／ｃｍ²Ｇ）と透過ガス部の
圧力Ｐ₂（本例では５ｋｇ／ｃｍ²Ｇ）の差ΔＰ＝Ｐ₁−
Ｐ₂＝９６．５ｋｇ／ｃｍ²が図の方向に作用する。

【００２５】この差圧によって、樹脂板７は図示のよう
に変形し、すなわち、弾性係数が極めて小さいので大き
く変形する。中空糸７のうち中央部にあるもの程、引張
られると共に、樹脂板部の中空糸は一方は内径が狭まり
他方は広がるため、透過ガスの管路の抵抗が増し、透過
量が減少すると共に、圧力損失が増え、透過ガス部１５
の圧力Ｐ₂が減少する。又、接着面１９もはがし易くな
る。

【００２６】従って、差圧ΔＰがさらに増大し、上記の
変形および影響が大となると共にエネルギー消費が大と
なる。

【００２７】次に、図１１に示す如く、停止時には、接
触面１９は操業と停止を繰返すたびに疲労荷重を受けて
より剥れ易くなっていると共に、中空糸６も弛緩してく
ることを示している。

【００２８】中空糸６が弛緩すると、透過性が劣化する
と共に、中空糸内部にコンデンセートが滞溜するケース
が多くなった。

【００２９】さらに、図１２は組立時透過孔形状を模擬
的に示しているが、この状態では透過孔１７は通常の性
能がでる状態であるが、図１３に示すように、操業時透
過孔形状は、前述の如く中空糸６が引張りを受けるた
め、図示のような変形をし、その分だけガスの透過性が
劣化することになる。

【００３０】一方、上記のように、極めて変形し易い樹
脂に、多数の穴があいた多孔板である樹脂板７の変形を
より少なくしようとすれば、樹脂板７の板厚を図１４に
示すように、大きく厚く”図１４ではＴ４”しなくては
ならないが、これを厚くすればする程、中空糸６の有効
長さＬ４は減少し、極めて不経済となる。

【００３１】又、シール材９の当り面の変形によってシ
ール性も劣化した。

【００３２】従って、混合ガスがシール材９をショート
パスすることもあいまって、透過ガスの性状が著しく劣
ることになる。

【００３３】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本願発明は、無機多孔質膜中空糸束の両端部を樹
脂材で結束し、該両端部の樹脂材をステーにて連接し、
前記結束及び連接された中空糸束を、混合ガスの入り口
および未透過ガスの出口を有する容器胴の内部に配設
し、前記容器胴の両端部に、透過ガスの出口を有する蓋
板を脱着自在に配設してなるガス分離器において、前記
中空糸束の両端部を結束する樹脂材の形状を、蓋板側の
径が小さいテーパー状に形成し、前記容器胴の両端部に
配設した蓋板を脱着且つ該容器胴の軸方向に移動自在に
するとともに、前記テーパー状の樹脂材の外周面に沿う
ように環状のシール胴管を嵌合せしめ、更に該シール胴
管の端面は、前記蓋板の内面に接するように構成したこ
とを特徴とするガス分離器を特徴とする。

【００３４】

【作用】本発明によって、 （１）操業に先だって予め蓋板を移動すると、該蓋板に
連接して配設したテーパー形状のシール胴管が移動し、
樹脂材は、軸芯側が凹部となるように変形する。

【００３５】その後、操業を開始すると、操業時の差圧
により、樹脂材には圧力が作用し、凹部は平面となる。

【００３６】従って、中空糸束には従来構造での操業時
の圧力により生ずる引張り力は全く作用せず、従って各
々の中空糸での径、孔の変形が生ずることがない。

【００３７】又予め移動する蓋板の量により、操業圧力
にみあったシール胴管の変形量を調整可能。

【００３８】（２）シール胴管にテーパーをとることに
よって、容器胴１と、樹脂板７および中空糸６等の中心
軸を一致させることが可能となり、前記の作用をより一
層、増大せしめると共に、テーパー面でのシール性の向
上を可能ならしめることができた。

【００３９】又、樹脂板等の装入、取りはずしも極めて
容易な構造とすることができた。

【００４０】

【実施例】図１は、本発明の一実施例を示す。

【００４１】混合ガスは混合ガス入口３より容器胴１に
流入し、透過ガス、本例では主としてＣＯ₂ガスは中空
糸６の中空糸ガス透過孔１７を通って、透過ガス部１５
に入る。

【００４２】樹脂板７をはめ込む形で、シール胴管８が
装着されており、その外側にテーパーのついた台座１３
が配設されている。

【００４３】容器胴１の両端にはネジが切られ、蓋板２
とネジで固定されている。

【００４４】蓋板２を押し込むことによって、シール胴
管８は軸力を受け、テーパー面を楔状に挿入され、必要
な軸力およびシール力を確保する構成となっている。

【００４５】透過ガス部のガスはシール材１０でシール
されている。

【００４６】次に、本実施例での詳しい操業及び作用を
図２〜７で示す。

【００４７】混合ガスである天然ガスは、前記の如く、
１０１．５ｋｇ／ｃｍ²Ｇ で流入する前に、図２で示す
ように、樹脂板７及び中空糸６等は組立時の状態、すな
わちシール胴管８に、強力な軸力をかけることのない状
態を示しており、平板および、引張または弛緩のない状
態となっている。

【００４８】次に図３に示すように、予め計算して軸力
を蓋板２を回転することによってシール胴管８に図の如
く作用せしめると、樹脂板７は図のように変形する。

【００４９】同様に中空糸も変形し、弛緩状態となる
が、高分子糸の圧縮なので、糸自体に応力が発生するこ
とはない。

【００５０】次に図４に示すように、混合ガスの流入圧
力であるＰ₁＝１０１．５ｋｇ／ｃｍ²Ｇと透過ガス部の
圧力Ｐ₂”本例では、透過性が良好だったためＰ₂＝２
１．５ｋｇ／ｃｍ²Ｇ”の差圧△Ｐ＝１０１．５−２
１．５＝８０ｋｇ／ｃｍ²がかかった状態を示す。

【００５１】この状態で、図３の軸力負荷時の変形は、
元に戻り、あたかも組立時の平板の状態となると共に、
中空糸６も何ら変形および応力のかからない状態にする
ことができた。

【００５２】従って、図７に示すように、操業時の透過
孔形状も本来の中空糸の孔形状を呈しており、その選択
性および透過性とも極めて良好なものであった。

【００５３】その結果、透過ガス部１５でのＣＯ₂組成
は従来の８３％から９３％となり、その性能は著しく向
上した。

【００５４】図９〜１４はシール胴管８を一端に配置し
た例を示すが構成、作用等は図１と同様である。

【００５５】

【発明の効果】以上のように、本発明のガス分離器は、 （１）中空糸の結束部を構成している樹脂板は、弾性係
数が小さく、かつ多数の孔が明いているため圧力によっ
て大きく変形し易く、かつ中空糸自体に引張又は弛緩が
生じて、本来のガスの選択性および透過性が劣化してい
たが、本発明によってそれらの現象が完全になくなり、
大巾な性能向上をなしえた。

【００５６】（２）中空糸によるガス分離器は、上記の
問題もあって大型化が進まなかったきらいがあったが、
本発明によって単一の大型分離器を実現しえた。

【００５７】（３）又、シール部のシール性能も完全な
ものとなり性能ともども安全に対しても良好なものとな
った。

【００５８】（４）さらに、組立、分解、クリーニング
等にも極めて容易であり、かつ、中空糸を含む分離器の
長寿命化を達成しえた。

【００５９】（５）尚、構成および構造も極めてシンプ
ルなため上記性能とも合せて、経済的な分離器を達成し
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図。

【図２】図１の発明例の組立時に於る樹脂板及び中空糸
等の挙動を示す説明図。

【図３】図１の発明例の軸力負荷時に於る樹脂板及び中
空糸等の挙動を示す説明図。

【図４】図１の発明例の操業時に於る樹脂板及び中空糸
等の挙動を示す説明図。

【図５】図１の発明例の組立時透過孔形状を示す説明
図。

【図６】図１の発明例の軸力負荷時透過孔形状を示す説
明図。

【図７】図１の発明例の操業時透過孔形状を示す説明
図。

【図８】従来法を示す断面図。

【図９】従来法の組立時の挙動を示す説明図。

【図１０】従来法の操業時の挙動を示す説明図。

【図１１】従来法の停止時の挙動を示す説明図。

【図１２】従来法の組立時透過孔形状を示す説明図。

【図１３】従来法の操業時透過孔形状を示す説明図。

【図１４】従来法の樹脂板厚増加を示す説明図。

【図１５】従来法の別の例を示す断面図。

【符号の説明】

１ 容器胴 ２ 蓋板 ３ 混合ガス入口 ４ 未透過ガス出口 ５ 透過ガス出口 ６ 中空糸 ７ 樹脂板 ８ シール胴管 ９ シール材 １０ シール材 １１ ネジ １２ ステー １３ 台座 １４ 混合ガス部 １５ 透過ガス部 １７ 中空子ガス透過孔 １９ 接着面 ２０ 導圧口 ２１ バルブ ２２ バルブ ２３ 圧力計

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B01D 53/22 B01D 63/00 500 B01D 63/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 無機多孔質膜中空糸束の両端部を樹脂材
   で結束し、該両端部の樹脂材をステーにて連接し、前記
   結束及び連接された中空糸束を、混合ガスの入り口およ
   び未透過ガスの出口を有する容器胴の内部に配設し、前
   記容器胴の両端部に、透過ガスの出口を有する蓋板を脱
   着自在に配設してなるガス分離器において、前記中空糸
   束の両端部を結束する樹脂材の形状を、蓋板側の径が小
   さいテーパー状に形成し、前記容器胴の両端部に配設し
   た蓋板を脱着且つ該容器胴の軸方向に移動自在にすると
   ともに、前記テーパー状の樹脂材の外周面に沿うように
   環状のシール胴管を嵌合せしめ、更に該シール胴管の端
   面は、前記蓋板の内面に接するように構成したことを特
   徴とするガス分離器。