JP2915759B2 - ガス分離器 - Google Patents

ガス分離器

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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15に示す。
【0007】尚、図15のタイプは、”特公平2―17
215: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15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
2G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22には、図15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22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16〜21で示すような
大きな課題があった。
【0022】すなわち、図16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17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
2=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。
【0026】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もはがさ易くな
る。
【0027】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。
【0028】次に、図18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。
【0029】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。
【0030】さらに、図19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20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。
【0031】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21に
示すように、大きく厚く”図21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。
【0032】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。
【0033】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。
【0034】
【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
両端部の樹脂材を連接するステーの一部に伸縮部を形成
し、前記容器胴両端部の胴内面と前記樹脂材との間にリ
ング状の台座を配設し、前記樹脂材とリング状の台座の
端面にリング状の受圧リングを配設するとともに前記受
圧リングと蓋板との間に発条体を設けたことを特徴とす
るガス分離器である。
【0035】
【作用】両端部の樹脂材を固定しているステー材を伸縮
可能、更に樹脂材と蓋板との間に発条体及び受圧リング
を配設しているため操業時の差圧により樹脂材に圧力が
作用しても樹脂材は微少に摺動するのみで変形しない。
【0036】そのため、中空糸束には、引張り力が全く
作用せず各々の中空糸での径、孔の変形が生ずることは
ない。
【0037】図1は本発明の実施例を示しており、従来
例である図15と異なるところは、樹脂材7と蓋板2と
の間にバネ16と受圧リング8を配設し、さらに、ステ
ー12の一部にもステーバネ18を組み込んだものであ
る。
【0038】この方式の詳細を図2〜7で示すと、バネ
16と受圧リング8及びステーバネ18を配設すること
によって、図3に示す如く、組立時、操業時ΔP1(差
圧が変動する場合のある差圧)および操業時ΔP2(差
圧が変動する場合のある差圧)にあっても、各々のバネ
の変形量とその作用力の自力調和によって、樹脂板7
は、常に平板状態を呈すると共に、それによって、中空
糸6も常時、引張又は弛緩等のない状態を確保すること
ができる訳である。
【0039】勿論、バネ16に加える力は、すなわち変
位は蓋板2の回転で任意にコントロールできるため、予
め計算しておいた変位とバネ定数で初期にセットし、圧
力状態および蓋板のネジ込み量、さらには、透過ガスの
性状、および透過ガスの圧力等のデータを分析しなが
ら、最適なネジ込み量をセットしていった結果、透過ガ
スのCO2の組成は96%、圧力は27.3kg/cm2
Gと云う好成果を得ることができた。尚、受圧リング8
はシール作用も有している。
【0040】図8は図1と同様の構成および作用を有す
る別の実施例を示しているが、図1と異なるところは、
受圧リング8の形状を半円形断面から三角形断面に改造
したものである。
【0041】三角形にすると、樹脂板を平板にしようと
する反力は図1の形状より大となるが、シール作用は図
1の形状よりやや少ない。設計条件により使い分けて適
宜選択すれば効果的である。
【0042】図9〜14はその作用力の詳細を示してお
り、図1で述べたと同様の効果が得られた。受圧リング
はそれ自体にシール作用も保持しており、上記の変形抑
えの作用と相まって、良好な成果を得ることができた。
【0043】尚、本例では台座13の材質は金属製であ
り、今回は、炭素鋼を使用し、樹脂板7の樹脂は熱硬化
性エポキシ樹脂である。
【0044】これらの材質の組合せで、受圧リング8の
材質を次の3caseでテストしてみた。
【0045】すなわち、エポキシ樹脂、テフロン、ラバ
ーであるが、いずれに於ても、必要な性能を得ることが
できた。
【0046】又、本例では、以上の材質での組合せであ
るが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、受
圧リング8の材質は金属であっても、バネ16の弾性を
増加することによって、十分な性能を得ることが可能で
ある。
【0047】
【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。
【0048】(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。
【0049】(3)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。
【0050】(4)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】本発明の実施例を示す断面図。
【図2】図1の発明例(バネ付の場合)の組立時に於る
挙動を示す説明図。
【図3】図1の発明例(バネ付の場合)の操業時ΔP1
に於る挙動を示す説明図。
【図4】図1の発明例(バネ付の場合)の操業時ΔP2
に於る挙動を示す説明図。
【図5】図1の発明例(バネ付の場合)の組立時透過孔
形状を示す説明図。
【図6】図1の発明例(バネ付の場合)の操業時ΔP1
透過孔形状を示す説明図。
【図7】図1の発明例(バネ付の場合)の操業時ΔP2
透過孔形状を示す説明図。
【図8】本発明の他の実施例を示す断面図。
【図9】図8の発明例(バネ付の場合)の組立時に於る
挙動を示す説明図。
【図10】図8の発明例(バネ付の場合)の操業時ΔP
1に於る挙動を示す説明図。
【図11】図8の発明例(バネ付の場合)の操業時ΔP
2に於る挙動を示す説明図。
【図12】図8の発明例(バネ付の場合)の組立時透過
孔形状を示す説明図。
【図13】図8の発明例(バネ付の場合)の操業時ΔP
1透過孔形状を示す説明図。
【図14】図8の発明例(バネ付の場合)の操業時ΔP
2透過孔形状を示す説明図。
【図15】従来法の例を示す断面図。
【図16】従来法の組立時の挙動を示す説明図。
【図17】従来法の操業時の挙動を示す説明図。
【図18】従来法の停止時の挙動を示す説明図。
【図19】従来法の組立時透過孔形状を示す説明図。
【図20】従来法の操業時透過孔形状を示す説明図。
【図21】従来法の樹脂板厚増加を示す説明図。
【図22】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 受圧リング 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 16 バネ 17 中空子ガス透過孔 18 ステーバネ 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、前記両端部の
    樹脂材を連接するステーの一部に伸縮部を形成し、前記
    容器胴両端部の胴内面と前記樹脂材外周面との間にリン
    グ状の台座を各々挿設し、前記樹脂材の蓋板側端面周囲
    とリング状の台座の蓋板側端面周囲とに共通するリング
    状の受圧リングを各々配設するとともに前記受圧リング
    と蓋板との間に発条体を各々設けたことを特徴とするガ
    ス分離器。
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