JP3134524U

JP3134524U - ガス分離装置

Info

Publication number: JP3134524U
Application number: JP2007004235U
Authority: JP
Inventors: 雄介井川; 穣幸田; 小島　隆二
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2017-06-06

Abstract

【課題】ガス分離膜として無機系多孔質中空糸膜群モジュールを密閉容器内に収容したガス分離装置であって、高温で行われるガス分離処理時においてもガス分離膜に破損を生ぜしめないものを提供する。
【解決手段】無機系多孔質中空糸膜群よりなるモジュールを形成し、一方の中空糸膜群端部を被処理ガス導入口に、また他方の中空糸膜群端部を分離残ガス排出口にそれぞれ連結するように密閉容器内に収容し、分離したガスを密閉容器の回収口から取り出すように構成したガス分離装置において、無機系多孔質中空糸膜をS字形状に構成して密閉容器内に収容したガス分離装置。
【選択図】図１

Description

本考案は、ガス分離装置に関する。更に詳しくは、ガス分離膜を用いたガス分離装置に関する。

各種のガス分離膜を用いるガス分離法は、蒸発法や深冷分離法などとは異なり、分離に際して相変化を伴わず、省エネルギーであるなどの特徴を有しており、この方法が適用されるガス分離装置は、被処理ガス導入口、分離残ガス排出口および分離ガス回収口からなる密閉容器内にガス分離膜を収容した構成をとっている。

密閉容器用材料としては、種々の材料が適用可能であるが、一般にはステンレス鋼等の金属が用いられることが多い。一方、ガス分離膜としては、緻密金属管、高分子膜、無機系多孔質膜に機能層を担持させたもの等が用いられている。

この内、無機質多孔質膜に機能層を担持させたガス分離膜は、担持させる機能層の厚さを薄くすることができるため、透過速度や耐熱性を高め、また分離性能を任意に設計できるなどといった特徴を有している。しかるに、直管のガス分離膜の両端を密閉容器に固定したガス分離装置を高温で用いると、ガス分離膜と密閉容器との熱膨張係数の差から生ずる応力によって、ガス分離膜が破損するおそれがある。

ガス分離膜の一端側のみを固定し、吊り下げ状に支持するものなども提案されているが、この場合にあっては、非固定側のガス分離膜端面を無機系接着剤およびロウ材等で封止する必要があり、工程が煩雑になるばかりではなく、封止部が高温に曝されるため信頼性に欠けるなどの問題がみられる。特に、中空糸膜の径を細くし、モジュール１本当りの中空糸膜の使用本数を増した場合、無機系接着剤の粘度が高いため作業性が悪く、さらに接着剤の熱硬化時に接着剤層にクラックを発生するという問題がみられる。
特開平６−１９１８０２号公報特開２００３−１４４８６１号公報

また、多孔質セラミックス製中空糸膜のモジュール化において、中空糸膜、接着剤、モジュールケースの相互間に熱膨張係数に差がみられる場合、ケースの熱膨張および熱収縮により多孔質セラミックス製中空糸膜に応力がかかり、中空糸膜に破損を生ずることがある。

さらに、モジュールケースのみをセラミックス製としかつ熱膨張係数の小さなものを用いた場合には、接着剤の熱膨張に耐えられず、ケースが割れてしまうという場合もみられる。したがって、細径多孔質中空糸膜のモジュール化においては、ケース、多孔質中空糸膜、接着剤各部材の熱膨張係数を同一のものとすることもしくは熱膨張係数の違いによって発生する応力を緩衝することが不可欠となる。

本出願人は先に、ガス分離膜として無機系多孔質中空糸膜群モジュールを密閉容器内に収容したガス分離装置であって、高温で行われるガス分離処理時においてもガス分離膜に破損を生ぜしめないものとして、膜表面に機能層を担持させたU字形無機系多孔質中空糸膜群よりなるモジュールを形成し、一方の中空糸膜群端部を被処理ガス導入口に、また他方の中空糸膜群端部を分離残ガス排出口にそれぞれ連結するように密閉容器内に収容し、分離したガスを密閉容器の回収口から取り出すように構成したガス分離装置を提案している。
特開２００１−２１２４２２号公報

しかしながら、この提案された構成では、片支持タイプとすることにより、熱応力が多孔質セラミックス製中空糸膜にかからない構造がとられてはいるものの、片側にガス導入口と排出口とがあるため、取り合いが難しく、シール構造を複雑なものとしている。

本考案の目的は、ガス分離膜として無機系多孔質中空糸膜群モジュールを密閉容器内に収容したガス分離装置であって、高温で行われるガス分離処理時においてもガス分離膜に破損を生ぜしめないものを提供することにある。

かかる本考案の目的は、無機系多孔質中空糸膜群よりなるモジュールを形成し、一方の中空糸膜群端部を被処理ガス導入口に、また他方の中空糸膜群端部を分離残ガス排出口にそれぞれ連結するように密閉容器内に収容し、分離したガスを密閉容器の回収口から取り出すように構成したガス分離装置において、無機系多孔質中空糸膜をS字形状に構成して密閉容器内に収容したガス分離装置によって達成される。

本考案に係るガス分離膜装置は、細径の多孔質セラミックス製中空糸膜を用いたモジュールにおいても、中空糸膜群をS字形状に形成させてモジュール内に折り曲げられた状態でモジュールケースとなる密閉容器内に収容しているので、それを高温でガス分離処理に用いた場合にあっても、容器と中空糸膜との熱膨張係数の差による応力が緩和され、中空糸膜の熱衝撃による破損を有効に防止することができる。また、用途に応じたモジュールケース材および接着剤の選定を可能とする。

図面について、本考案の一態様を説明する。図１は、本考案に係るガス分離膜装置の中心線縦断面図である。S字形状の無機系多孔質中空糸膜群１は、その両端部分の間隙が接着剤層２，２′によって封止され、モジュールケースとなる密閉容器１０内に収容されてモジュール３を形成する。モジュール化された一方および他方の中空糸膜群端部は、それぞれモジュールケース１０の上部および下部に設けられた被処理ガス導入口４および分離残ガス排出口５にそれぞれ連結するように、上部および下部ヘッド７，７′で覆われている。また、下部ヘッド７′には、分離したガスの回収口６が設けられている。なお、上部ヘッド７と下部ヘッド７′とは、ボルト９によるボルト締めで上下が連結されており、モジュール３を固定している。さらに、それぞれのガス流路は、Oリング８，８′で気密化されている。

無機系多孔質中空糸膜としては、高分子物質の有機溶媒溶液中にセラミックス粉末を高充填した紡糸原液(ドープ液)を乾湿式紡糸して製膜した中空糸膜をS字形状に成形した後焼成することによって得られたものなどが用いられ、その膜表面には機能層を担持させることができ、例えばPdやPd合金あるいはシリカ膜を担持させたものは水素ガス分離膜として、またゼオライトを担持させたものは二酸化炭素分離膜として用いられる。

多孔質セラミックス製中空糸膜としては、一般にAl₂O₃、Y₂O₃、MgO、SiO₂、Si₃N₄、ZrO₂等の粉末を分散させた高分子物質の有機溶媒溶液を用い、それを乾湿式紡糸して得られる孔径が約0.1〜6μm、好ましくは約0.2〜2mm、外径が約0.5〜4mm、好ましくは約1〜3mm程度、その膜厚が約0.1〜0.5mm、好ましくは約0.15〜0.3mm程度のものが用いられる。これらの多孔質セラミックス製中空糸膜は、約1〜200本程度、好ましくは約20〜100本程度のS字形状中空糸膜(群)として、モジュールケース内に収容した状態で用いられる。

密閉容器であるモジュールケースとしては、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の無機セラミックス製のものも用いられるが、加工性や価格面から、好ましくはアクリル樹脂、ポリスルホン樹脂等の硬質樹脂製ケースまたは石英ガラス等のガラス製ケースが用いられる。S字形状の無機系多孔質中空糸膜群は、その両端部分の間隙がエポキシ樹脂、ウレタン樹脂等の低粘度でかつ耐熱、耐久性にすぐれた接着剤２によって、一般に約15〜25mm程度の厚さで封止され、モジュール３を形成する。

ガスの分離は、例えば膜表面にPd金属を担持させた多孔質セラミックス製中空糸膜を用いた水素ガス分離装置の場合には、被処理ガスがガス導入口から各多孔質中空糸膜の内管部に導入され、被処理ガス中の水素ガスは、水素ガス分離中空糸膜を選択的に透過して密閉容器内に集められ、ガス回収口から回収されると共に、被処理ガスからの残存水素ガスおよび水素ガス以外のガスからなる分離残ガスはガス排水口から排出される。

水素ガスの分離処理中は、密閉容器および水素ガス分離中空糸膜は約300〜500℃の高温に加熱されるが、水素ガス分離中空糸膜がS字形状であるため、容器と水素ガス分離中空糸膜との熱膨張係数の差による応力が緩和され、これによって高温処理時における水素ガス分離中空糸膜の破損が抑制される。

次に、実施例について本考案を説明する。

実施例
内径25mm、外径30mm、長さ180mmのポリスルホン樹脂製ケース内に、S字形状の内径2.2mm、外径3.0mmの多孔質アルミナ製中空糸膜数本よりなる中空糸膜群を収容し、ケース両端部に厚みが20mm程度となるようにエポキシ樹脂を流し込み、S字形状中空糸膜群の両端部をそれぞれ固定した。作製されたモジュールについて、
-20℃で1時間
-20℃〜100℃に2分間かけて昇温
100℃で1時間
100℃〜-20℃に2分間かけて降温
を１サイクルとする熱衝撃試験を10サイクル行ったが、多孔質アルミナ製中空糸膜に割れはみられなかった。

比較例
実施例において、S字形状中空糸膜群の代りに、直線形状中空糸膜群の両端部をそれぞれ固定し、作製されたモジュールについて同様の熱衝撃試験を行ったところ、1サイクル行った時点で多孔質アルミナ製中空糸膜すべてに割れがみられた。

本考案に係るガス分離装置の一態様の中心線断面図である。

符号の説明

１無機系多孔質中空糸膜
２接着剤
３モジュール
４被処理ガス導入口
５分離残ガス排出口
６分離ガス回収口
７ヘッド
８ Oリング
９ボルト
１０密閉容器(モジュールケース)

Claims

無機系多孔質中空糸膜群よりなるモジュールを形成し、一方の中空糸膜群端部を被処理ガス導入口に、また他方の中空糸膜群端部を分離残ガス排出口にそれぞれ連結するように密閉容器内に収容し、分離したガスを密閉容器の回収口から取り出すように構成したガス分離装置において、無機系多孔質中空糸膜をS字形状に構成して密閉容器内に収容したガス分離装置。
無機系多孔質中空糸膜群が多孔質セラミックス製中空糸膜群である請求項１記載のガス分離装置。
膜表面に機能層を担持させたS字形状無機系多孔質中空糸膜群が用いられた請求項１または２記載のガス分離装置。