JP3876561B2 - ガス分離膜モジュールおよびガス分離方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２種以上のガス混合物から、透過性の高いガスを分離する方法および装置に関するものである。詳しくは、ガス混合物を、気体分離膜が内蔵されている分離膜モジュールへ供給し、そして、その分離膜モジュール内の前記分離膜の透過側を減圧状態とすると共にその透過側に不活性なガスまたは分離膜モジュールの未透過蒸気の一部をキャリヤーガスとして流通させながら、前記分離膜の供給側から透過側へ透過性の高いガスを選択的に透過させて前記ガス混合物から分離する方法に最適な分離膜モジュールおよびその分離方法に関するものである。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、水および有機物を含む溶液を気化させて生成した『有機物蒸気と水蒸気とを含む混合ガス』を、気体分離膜が内蔵されている分離膜モジュールへ供給し、そして、その分離膜モジュール内の前記分離膜の透過側を減圧状態とすると共にその透過側に不活性な乾燥ガスまたは分離膜モジュールの未透過蒸気の一部をキャリヤーガスとして流通させながら、前記分離膜の供給側から透過側へ水蒸気を選択的に透過させて前記混合ガスから水蒸気を分離しこれにより水蒸気含有量が減少した有機物蒸気を得るのに好適な、水−有機物溶液の脱水用モジュールに関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来、有機物水溶液などの脱水方法として、特開昭６３−２６７４１５号公報に記載されているように、有機物を含む水溶液を気化させて有機物蒸気と水蒸気とを含む気体混合物を生成させ、次いでこの気体混合物を７０℃以上の温度にて芳香族ポリイミド製気体分離膜の一方の側に接触させた状態で水蒸気を選択的に透過分離し、これにより水蒸気含有量が減少した有機物蒸気含有気体混合物を得ることからなる有機物水溶液の脱水濃縮方法が提案されており、その場合に、分離膜の透過側（二次側）を高いレベルの減圧に保持して気体混合物から水蒸気を選択的に透過・分離する方法が実施例などとして記載されており、そして、二次側を減圧に保つ代わりに、乾燥状態の気体を二次側表面に沿ってキャリヤーガスとして流通させることのみにより、水蒸気を選択的に透過・分離する方法が実施例などとして記載されている。
【０００４】
前記の公知の脱水方法におけるように、気体分離膜の透過側を減圧とするか、或いは、透過側に乾燥ガスのキャリヤーガスを流通させて、蒸気脱水を行う方法では、いずれも、気体分離膜の単位面積当たりの水蒸気の透過量が必ずしも充分に高くできない（分離膜モジュールが大型化してしまう）と共に、気体分離膜の未透過側における未透過蒸気が到達する乾燥度（水分の分離率）が容易に充分に高くならないという問題があり、そして、高い減圧下に脱水を行うために、高真空を達成する真空ポンプが必要になったり、真空ポンプ駆動のためのエネルギー消費量が大きくなったりし、一方、常圧下にキャリヤーガスのみで充分な脱水を行うためには、コストの高い乾燥ガスを多量にキャリヤーガスとして使用する必要があったりするという問題があった。
【０００５】
この問題を解決する方法として、特許第２７４３３４６号公報には、水および有機物を含む溶液を気化させて有機物蒸気と水蒸気とを含む混合ガスを生成させ、次いで、
ａ）水蒸気透過速度（Ｐ’H20）が１×１０-5ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以上であり、
ｂ）水蒸気透過速度（Ｐ’H20）と有機物蒸気透過速度（Ｐ’Org）との透過速度比（Ｐ’H20／Ｐ’Org）が１００以上である芳香族ポリイミド製分離膜を内蔵する分離膜モジュールへ、前記の混合ガスを７０℃以上の温度で供給して、さらに、前記分離膜モジュールにおいて、前記混合ガスを前記分離膜の供給側と接触させ、一方、該分離膜の透過側を５０〜５００ｍｍＨｇの減圧状態とすると共に、不活性な乾燥ガス又は分離膜モジュールから排出される未透過蒸気の一部をキャリヤーガスとして流通させながら、該分離膜の供給側から透過側へ水蒸気を選択的に透過させて該混合ガスから水蒸気を分離し、これにより水蒸気含有量が減少した有機物蒸気を得ることを特徴とする水−有機物を含む溶液の脱水法が開示されている。
【０００６】
上記の方法により、効率的な水−有機物蒸気の脱水が可能となったが、その効率をさらに高める水−有機物蒸気の脱水方法やその装置が求められている。さらに、水−有機物蒸気に限らず、ガス混合物から効率的に膜透過性の高いガスを分離する方法、装置が求められている。
【０００７】
一方、従来の分離膜モジュールの構造に関しては、特公平６−９１９３２号公報に、原料ガス導入口、透過ガス出口および未透過ガス排出口を有する筒状容器内に、種々の混合ガスに対して特定のガス成分（例えば水素ガス成分など）を選択的に透過させることができる性能を有する中空糸の糸束から形成されている特殊な糸束組立体が、適当な配置で内蔵されており、その外周部をフィルム状物質で被覆されているガス分離モジュールが開示されている。しかしながら、上記公報に記載のモジュールは、水素などの回収などに適用されるもので、分離膜の透過側は透過したガスを排出するだけの構造になっており、上記の有機物蒸気と水蒸気とを含む混合ガスから水蒸気を分離する場合のように、分離膜の透過側を減圧状態とするとともに、キャリヤーガスを流すような場合には、適用できない。
【０００８】
また、特公平７−７９９５４号公報には、原料ガス導入口、透過ガス出口及び非透過ガス出口を有する筒状容器内に、多数のガス分離性能を有する中空糸束を有するガス分離膜モジュールにおいて、中空糸束の略中央部に、連通孔が形成された非透過ガス出口に通じる芯管を有し、中空糸束内に該中空糸に沿って筒状の仕切板が配置されている構造が開示されている。この発明の目的は、中空糸状分離膜の長さを維持したまま、ガスの流路を大きくし、原料ガスの供給線速度を大きくすることである。しかしながら、中空糸束の外側とモジュール容器との間に空間があるため、ガスがその空間をショートパスし、中空糸の間を有効に通過しにくいという面や、中空糸内部のガスの流れの方向と中空糸の外部の流れの方向が同一方向になる部分が存在するため、向流の場合に比べてガス分離の効率を上げられないという面がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記のような問題を鑑みてなされたものであり、ガス混合物から膜透過性の高いガスを効率的に分離するガス分離膜モジュールおよびその分離方法を提供することを目的としている。特に、特許第２７４３３４６号公報に記載の脱水法に最適な、高いレベルの乾燥度（極めて低い水分含有率）である乾燥有機物蒸気を、比較的少ない膜面積である小型の気体分離膜モジュールを使用して、より効率的（気体分離膜の単位面積当たりの水蒸気透過量を大きくすること）にまた容易に得ることができるようにするガス分離膜モジュールを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、容器本体内の中空糸束全体を有効に使用する方法について種々検討した結果、本発明を創生するに至った。
【００１１】
即ち、本発明は、混合ガス導入口、キャリヤーガス導入口、透過ガス排出口及び未透過ガス排出口を有する筒状容器内に、ガス分離性能を有する多数の中空糸の両端部をその開口状態が保持されたまま樹脂製管板で固着してなる中空糸束が収容されたガス分離膜モジュールにおいて、混合ガス導入口および未透過ガス排出口が該中空糸内部に通じ、キャリヤーガス導入口および透過ガス排出口が該中空糸外部に通じるように構成され、さらに、キャリヤーガスの流れと混合ガスの流れが、中空糸膜を挟んで向流になるように構成され、該中空糸束の外周部がフィルム状物質で被覆されていることを特徴とするガス分離膜モジュールに関する。
【００１２】
ここで、前記ガス分離モジュールは、キャリヤーガスが中空糸束の略中心部に直接導入するように構成されていることが好ましく、さらに、中空糸束の略中心部に該中空糸に沿って配せられる芯管を設け、該芯管に該芯管内と中空糸束内とを連通する連通孔が形成され、該連通孔よりキャリヤーガスを中空糸束内に導入するように構成されていることにより、より効率的なガス分離を達成することができる。
【００１３】
また、前記ガス分離膜モジュールの中空糸としては、芳香族ポリイミド製分離膜中空糸を用いることが好ましい。
【００１４】
特に、本発明は、有機物蒸気と水蒸気とを含む混合ガスを、芳香族ポリイミド製分離膜を内蔵する分離膜モジュールへ供給して、前記分離膜の供給側と接触させ、該分離膜の透過側を減圧状態とすると共に、不活性な乾燥ガス又は分離膜モジュールから排出される未透過蒸気の一部をキャリヤーガスとして流通させながら、該分離膜の供給側から透過側へ水蒸気を選択的に透過させて該混合ガスから水蒸気を分離し、これにより水蒸気含有量が減少した有機物蒸気を得る方法で使用される分離膜モジュールにおいて、
混合ガス導入口、キャリヤーガス導入口、透過ガス排出口及び未透過ガス排出口を有する筒状容器内に、多数の中空糸状分離膜の両端部をその開口状態が保持されたまま樹脂製管板で固着してなるガス分離性能を有するポリイミド製分離膜の中空糸束が収容され、その糸束の外周部がフィルム状物質で被覆されていることを特徴とする水−有機物蒸気の脱水用ガス分離膜モジュールに関する。
【００１５】また、本発明は、混合ガス導入口、キャリヤーガス導入口、透過ガス排出口及び未透過ガス排出口を有する筒状容器内に、ガス分離性能を有する多数の中空糸の両端部をその開口状態が保持されたまま樹脂製管板で固着してなる中空糸束が収容され、混合ガス導入口および未透過ガス排出口が該中空糸内部に通じ、キャリヤーガス導入口および透過ガス排出口が該中空糸外部に通じるように構成され、さらに、キャリヤーガスの流れと混合ガスの流れが、中空糸膜を挟んで向流になるように構成され、該中空糸束の外周部がフィルム状物質で被覆されているガス分離膜モジュールを用いて、
分離膜に対する透過速度の比が１００以上である透過性の大きい第１のガスと透過性の小さい他の少なくとも１種のガスとからなるガス混合物を混合ガス導入口より導入し、また、キャリヤーガスをキャリヤーガス導入口に導入するとともに、透過ガス排出口より透過ガスを強制的に取り除くことにより、中空糸の外部を減圧状態にし、ガス混合物から第１のガスを分離することを特徴とするガス分離方法に関する。
【００１６】
この方法では、第１のガスを分離したガスの一部を、キャリヤーガスの供給口に循環し、キャリヤーガスとして使用してもよい。また、キャリヤーガスとして空気、窒素ガスなどの無機ガスを用いてもよい。
【００１７】
特に、第１のガスが水蒸気であり、その他のガスが大気圧における沸点が０〜２００℃の有機物の蒸気である系に適用すると有機物の脱水に有効に利用できる。さらに、有機物が、イソプロピルアルコールであれば、各種工業で使用されているイソプロピルアルコールを脱水、再利用することができる。
【００１８】
特に、本発明は、混合ガス導入口、キャリヤーガス導入口、透過ガス排出口及び未透過ガス排出口を有する筒状容器内に、多数の中空糸状分離膜の両端部をその開口状態が保持されたまま樹脂製管板で固着してなるガス分離性能を有するポリイミド製分離膜の中空糸束が収容され、混合ガス導入口および未透過ガス排出口が該中空糸内部に通じ、キャリヤーガス導入口と透過ガス排出口が該中空糸外部に通じるように構成され、さらに、キャリヤーガスの流れと混合ガスの流れが、中空糸膜を挟んで向流になるように構成され、該中空糸束の外周部がフィルム状物質で被覆されているガス分離膜モジュールを用いて、
イソプロピルアルコールおよび水を含む溶液を気化させた混合ガスを、該ガス分離膜モジュールに供給して、前記分離膜の供給側と接触させ、一方、該分離膜の透過側を減圧状態とすると共に、不活性な乾燥ガスをキャリヤーガスとして流通させながら、該分離膜の供給側から透過側へ水蒸気を選択的に透過させて該混合ガスから水蒸気を分離し、これにより水含有量が減少したイソプロピルアルコールを得ることを特徴とするガス分離方法に関するものであり、産業上有益な方法である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガス分離膜モジュールおよびそれを使用したガス分離方法について図面を用いて詳しく説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一例である中空糸束のほぼ中心にキャリヤーガス供給用の芯管を有し、中空糸外周部にフィルム状物質が被覆されている本発明のモジュールの概略を示す断面図である。図１に示す分離膜モジュールは、その外枠が混合ガス導入口１、キャリヤーガス導入口２、透過ガス排出口３及び未透過ガス排出口４を有する筒型容器５からなり、該筒型容器５には選択透過性を有する多数の中空糸６ａを束ねて形成した糸束６が次に示す糸束組立体として内蔵されているものである。上記糸束６は、図中透過ガス排出口３側の一端部で硬化樹脂からなる第二管板８により、また図中未透過ガス排出口４側の他端部で同じく硬化樹脂からなる第一管板７によりそれぞれ固着され、全体として糸束組立体を形成している。この糸束組立体において、上記糸束６を構成する各中空糸６ａは、上記管板７、８を貫通された状態でそれぞれ固着されている。また、中空糸束６の外周部には、キャリヤーガスが導入され排出されるまでの位置に、フィルム状物質９が被覆されている。また、混合ガスとキャリヤーガスのモジュール内部での流れは、分離膜を挟んで向流になるように構成されている。
【００２１】
また、上記例では、上記樹脂製管板の一方７を貫通して、かつ中空糸束６の略中心部に該中空糸に沿って配せられる芯管を設け、キャリヤーガス導入口側の管板７の近傍に位置する上記芯管に該芯管内と中空糸束内とを連通する連通孔が形成されている。また、この場合、芯管の先端は閉じており、樹脂製管板８に埋設されているが、必ずしも、管板８によって固着されている必要はなく、熱膨張によるずれなどを吸収する程度の隙間があるのが好ましい。また、ここでいう中空糸束の略中心部とは、キャリヤーガスが中空糸全体に広がることを目的とするものであるので、その目的を達成できる程度であればよく、厳密な中心部に限定されるものではない。
【００２２】
上記の例では、芯管１０の先端が透過ガス排出口側の第二管板８に埋設されている例を示したが、これに限るものでなく、例えば、図２のようにキャリヤガス導入口側の第一管板７を貫通する程度の長さであっても、場合によっては図３に示すように芯管がなく、筒状容器５の外周から直接中空糸束の領域に導入してもよい。その場合は、フィルム状部材９は、シール部材１２で筒状容器５の内壁に支持される。
【００２３】
また、前記ガス分離膜モジュールの中空糸としては、分離性能が高く、耐溶剤性などの点で優れていることから、芳香族ポリイミド製分離膜中空糸が最適である。
【００２４】
分離される混合ガスとしては、分離膜に対する透過速度の比が１００以上である透過性の大きい第１のガスと透過性の小さい他の少なくとも１種を含む第２のガスとからなるガス混合物であれば特に制限されるものではなく、第１のガスが水蒸気であり、第２のガスが有機物の蒸気であれば、有機物蒸気の脱水に使用することができ、また第２のガスが空気であれば、空気の除湿に使用することもできる。なお、膜の使用できる温度範囲と、蒸気にするための設備の面から、実用上、これらのガス混合物は、大気圧における沸点が０〜２００℃のガスであることが好ましい。特に、エタノール、イソプロピルアルコールなどの脱水は、蒸留などの他の分離方法に比べて効率よく行えるため、本発明のモジュールおよび分離方法に好適である。特に、イソプロピルアルコールは、工業的に多用されており、使用後の含水イソプロピルアルコールの脱水・精製には、本発明のモジュールおよび分離方法は、最適である。また、混合ガスの分離しようとする特定の２成分の透過速度の比は、大きいほど分離効率がよいので好ましく、１００より小さいと分離性能が落ちるので実用的ではない。
【００２５】
キャリヤーガスとしては、上記の第１のガス成分を実質的に含まないか、あるいは、分離装置の使用状態で、膜を挟んで透過側の第１のガスの分圧が未透過側の第１のガスの分圧よりも小さい濃度の第１のガスを含むガスであれば、特に制限はない。例えば、窒素、空気などが使用できる。窒素は、有機蒸気を扱う系では、防災上の面からも、また、膜の透過側から供給側への逆浸透が起こりにくいという面からも、好ましいキャリヤーガスである。有機蒸気の脱水の場合は、キャリヤーガスとして不活性な乾燥ガスや、乾燥空気、分離膜で窒素富化した空気などが好ましく使用され、不活性な乾燥ガスとしては、窒素が好適である。第１のガスを分離した未透過ガスの一部を、キャリヤーガスの供給口に循環し、キャリヤーガスとして使用することもできる。
【００２６】
次に、上記のガス分離膜モジュールについて、更に詳述する。筒型容器５および芯管１０は、所定の気密性及び耐圧性を備えたものであれば、その形成材料は特に限定されず、金属、プラスチック又はセラミック等により形成できる。
【００２７】
糸束６を構成する中空糸６ａは、透過速度の大きい第１のガスの透過速度と透過速度の小さい他のガスの膜透過速度との比が１００以上となる分離膜が好ましい。水−有機物蒸気の分離の場合には、中空糸６ａは、使用時における水蒸気透過速度（Ｐ’H20）が１×１０-5ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以上、好ましくは５×１０-1〜１×１０-4ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ程度、さらに好ましくは０．５〜５．０×１０-3ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ程度であり、水蒸気透過速度（Ｐ’H20）と有機物蒸気透過速度（Ｐ’Org）との透過速度比（Ｐ’H20／Ｐ’Org）が１００以上である芳香族ポリイミド製分離膜が好ましい。またタイプとしては非対称性分離膜又は複合分離膜等を好ましく挙げることができる。透過速度の大きい第１のガスの透過速度と透過速度の小さい他のガスの膜透過速度との比が１００より小さい分離膜では、分離性能が落ちるため、実用的でない。
【００２８】
また、樹脂製管板７及び８を構成する硬化樹脂としては、耐熱性、耐有機溶媒性が要求されるが、例えばポリウレタン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を好ましく挙げることができる。
【００２９】
前記フィルム状物質９は、装置内に供給された混合ガスを実質的に透過しない材料か、又は難透過性の材料であれば如何なるもので形成してもよく、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド等のプラスチックフィルムあるいはアルミニウムやステンレスのフィルムが好適に用いられる。特に、耐熱性、耐溶剤性、加工性の点でポリイミドフィルムが好適である。また、フィルム状物質９の厚さも特に制限されないが、数１０μｍ〜数ｍｍ程度までを好ましい範囲として挙げることができる。
【００３０】
芯管１０を有する中空糸束６とその外周部に形成したフィルム状部材９は、例えば次のようにして作製することができる。先ず、芯管１０を中心にして、所定の厚さ迄中空糸６を巻き付け、その周囲にフィルム状部材９を形成するための、例えばポリエステルフィルムを巻き付け、その重なり部分を糊付けする。次いで、上記束状物の両端部をエポキシ樹脂等の樹脂で固着し、管板相当部を形成する。その際、キャリヤーガス導入口側の第一管板７に対応する端部では上記フィルム末端をも一緒に固着し、透過ガス排出口側の第二管板８に対応する端部では上記フィルムの他の末端を管板８に固着せず、透過ガスおよびキャリヤーガスが中空糸束から透過ガス排出口に流出するよう隙間を確保する。その後、上記束状物の両端部の固着樹脂を切断し、その両切断面（外側端面）で中空糸状分離膜の末端を開口させることにより上記中空糸束６が完成される。
【００３１】
次に、本発明の作用および分離方法を第１のガスを水とし、第２のガスを有機物蒸気に例を取り、図１の例に基づいて説明する。図１に示す例では、混合ガス導入口１より混合ガスを供給すると、供給されたその混合ガスは、筒型容器５に内蔵されている糸束６の中空糸内部を分離膜に接触しながら未透過ガス排出口４の方向へ流動する。混合ガスの上記接触を通して水蒸気が中空糸膜を選択的に透過し、透過ガス排出口３から排出される。残った有機物蒸気を主成分とする未透過ガスは、未透過ガス排出口４から取出される。
【００３２】
一方、キャリヤーガスは、キャリヤーガス導入口２から芯管１０に導入され、芯管の連通孔１１から中空糸束内に放出される。中空糸束外側のフィルム部材９のために、放出されたキャリヤーガスは、中空糸束の外部に一気に流出しそのまま中空糸外部の空間をショートパスして透過ガス排出口に流出するようなことはなく、中空糸膜束６の内部を均一に中空糸に沿って流れ、透過ガス排出口３に到達する。このため、中空糸外部に透過した水蒸気を効率的に排出し、脱水の効率を高くすることができる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示す。
【００３４】
実施例１
温度１３０℃で１０重量％水蒸気と９０重量％ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）蒸気とからなる混合蒸気を２ｋｇ／ｃｍ2Ｇの圧力で供給し、透過側の圧力を４ｍｍＨｇとした時の水蒸気透過速度（Ｐ’H20）と有機物蒸気透過速度（Ｐ’Org）がそれぞれ１．０×１０-3ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ・ｃｍＨｇと３．３×１０-7ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ・ｃｍＨｇであり、膜面積が１．９ｍ2の芳香族ポリイミド製分離膜を内蔵する図１の構成の分離膜モジュールを含む、図４に示すようなフローの脱水装置に、ＩＰＡ９５．１３重量％及び水４．８７重量％を含有する溶液を、水−有機物溶液タンク２１から、ポンプ３０経由で、蒸発器２２へ供給して、ヒーター３２で加熱して前記溶液を気化させて、混合ガスを生成し、さらに、その混合ガスをヒーター２３で１２０℃にスーパーヒートして、混合ガスの供給口１から分離膜モジュール２４へ供給して、混合ガスをその非対称性中空糸膜と中空部内で接触させて、気体分離膜による脱水操作を行った。
【００３５】
その分離膜モジュールにおける脱水操作においては、混合ガスを非対称性中空糸膜と中空部内で接触させながら、一方、乾燥窒素ガス（キャリヤーガス）をヒーター３１で１２０℃に加熱し、供給口２から分離膜モジュールへ供給してその非対称性中空糸膜の外側（中空糸の周辺部、透過側）に流通させると共に、エゼクター（減圧器）２７によって非対称性中空糸膜の透過側を１００ｍｍＨｇに減圧して、混合ガス中の水蒸気を選択的に膜透過させて分離することによって混合ガスの脱水操作を行った。
【００３６】
分離膜モジュールの透過蒸気の排出口３から排出される透過蒸気は、クーラー２６で冷却し水蒸気成分などを凝縮させ、透過蒸気の凝縮液タンクに溜めて、窒素ガスは外部に排出する。又、分離膜モジュールの未透過蒸気（乾燥された有機物蒸気）の排出口４から排出される未透過蒸気は、クーラー２８で冷却されて凝縮させて、未透過蒸気の凝縮液を得て、製品タンク２９に回収した。その脱水操作の結果を、表１に示す。
【００３７】
比較例１
中空糸外周にフィルムを付けず、かつ、キャリヤーガス導入口２を持たない（即ち、キャリヤーガスを流さない）こと以外は、実施例１と同様なモジュールを用い、実施例１と同様な条件で脱水操作を行なった。その結果を表１に示す。
【００３８】
比較例２
キャリヤーガス導入口２を持たないこと以外は、実施例１のモジュールと同様なモジュールを使って、実施例１と同様な条件で脱水操作を行った。その結果を表１に示す。
【００３９】
比較例３
中空糸外周にフィルムを付けないこと以外は、実施例１のモジュールと同様なモジュールを使って、実施例１と同様な脱水操作を行なった。その結果を表１に示す。
【００４０】
以上の結果より、キャリヤーガスを用いない場合は、中空糸束外周のフィルムによる被覆は、脱水効率を上げる効果は見られないが、キャリヤーガスを用いる本発明のモジュール構成及び脱水方法では、中空糸束外周のフィルムによる被覆は、脱水された有機物の含水率を著しく改善し、脱水効率が予期しない程に上がることがわかる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明のガス分離膜モジュールを用いることにより、効率よくガス混合物の分離が行え、特に、高いレベルの乾燥度（極めて低い水分含有率）である乾燥有機物蒸気を、比較的少ない膜面積である小型の気体分離膜モジュールを使用して、より効率的（気体分離膜の単位面積当たりの水蒸気透過量を大きくすること）にまた容易に得ることができる。
【００４２】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水−有機物蒸気の脱水用分離膜モジュールの一例を示す断面図である。
【図２】本発明の水−有機物蒸気の脱水用分離膜モジュールの他の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の水−有機物蒸気の脱水用分離膜モジュールの他の一例を示す断面図である。
【図４】実施例１に記載の本発明の水−有機物蒸気の脱水用分離膜モジュールの使用方法を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 混合ガス導入口
２ キャリヤーガス導入口
３ 透過ガス排出口
４ 未透過ガス排出口
５ 筒状容器
６ 中空糸束
７ 第一管板
８ 第二管板
９ フィルム状部材
１０ 芯管
１１ 通連孔
１２ シール部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、２種以上のガス混合物から、透過性の高いガスを分離する方法および装置に関するものである。詳しくは、ガス混合物を、気体分離膜が内蔵されている分離膜モジュールへ供給し、そして、その分離膜モジュール内の前記分離膜の透過側を減圧状態とすると共にその透過側に不活性なガスまたは分離膜モジュールの未透過蒸気の一部をキャリヤーガスとして流通させながら、前記分離膜の供給側から透過側へ透過性の高いガスを選択的に透過させて前記ガス混合物から分離する方法に最適な分離膜モジュールおよびその分離方法に関するものである。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、水および有機物を含む溶液を気化させて生成した『有機物蒸気と水蒸気とを含む混合ガス』を、気体分離膜が内蔵されている分離膜モジュールへ供給し、そして、その分離膜モジュール内の前記分離膜の透過側を減圧状態とすると共にその透過側に不活性な乾燥ガスまたは分離膜モジュールの未透過蒸気の一部をキャリヤーガスとして流通させながら、前記分離膜の供給側から透過側へ水蒸気を選択的に透過させて前記混合ガスから水蒸気を分離しこれにより水蒸気含有量が減少した有機物蒸気を得るのに好適な、水−有機物溶液の脱水用モジュールに関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来、有機物水溶液などの脱水方法として、特開昭６３−２６７４１５号公報に記載されているように、有機物を含む水溶液を気化させて有機物蒸気と水蒸気とを含む気体混合物を生成させ、次いでこの気体混合物を７０℃以上の温度にて芳香族ポリイミド製気体分離膜の一方の側に接触させた状態で水蒸気を選択的に透過分離し、これにより水蒸気含有量が減少した有機物蒸気含有気体混合物を得ることからなる有機物水溶液の脱水濃縮方法が提案されており、その場合に、分離膜の透過側（二次側）を高いレベルの減圧に保持して気体混合物から水蒸気を選択的に透過・分離する方法が実施例などとして記載されており、そして、二次側を減圧に保つ代わりに、乾燥状態の気体を二次側表面に沿ってキャリヤーガスとして流通させることのみにより、水蒸気を選択的に透過・分離する方法が実施例などとして記載されている。
【０００４】
前記の公知の脱水方法におけるように、気体分離膜の透過側を減圧とするか、或いは、透過側に乾燥ガスのキャリヤーガスを流通させて、蒸気脱水を行う方法では、いずれも、気体分離膜の単位面積当たりの水蒸気の透過量が必ずしも充分に高くできない（分離膜モジュールが大型化してしまう）と共に、気体分離膜の未透過側における未透過蒸気が到達する乾燥度（水分の分離率）が容易に充分に高くならないという問題があり、そして、高い減圧下に脱水を行うために、高真空を達成する真空ポンプが必要になったり、真空ポンプ駆動のためのエネルギー消費量が大きくなったりし、一方、常圧下にキャリヤーガスのみで充分な脱水を行うためには、コストの高い乾燥ガスを多量にキャリヤーガスとして使用する必要があったりするという問題があった。
【０００５】
この問題を解決する方法として、特許第２７４３３４６号公報には、水および有機物を含む溶液を気化させて有機物蒸気と水蒸気とを含む混合ガスを生成させ、次いで、
ａ）水蒸気透過速度（Ｐ’H20）が１×１０-5ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以上であり、
ｂ）水蒸気透過速度（Ｐ’H20）と有機物蒸気透過速度（Ｐ’Org）との透過速度比（Ｐ’H20／Ｐ’Org）が１００以上である芳香族ポリイミド製分離膜を内蔵する分離膜モジュールへ、前記の混合ガスを７０℃以上の温度で供給して、さらに、前記分離膜モジュールにおいて、前記混合ガスを前記分離膜の供給側と接触させ、一方、該分離膜の透過側を５０〜５００ｍｍＨｇの減圧状態とすると共に、不活性な乾燥ガス又は分離膜モジュールから排出される未透過蒸気の一部をキャリヤーガスとして流通させながら、該分離膜の供給側から透過側へ水蒸気を選択的に透過させて該混合ガスから水蒸気を分離し、これにより水蒸気含有量が減少した有機物蒸気を得ることを特徴とする水−有機物を含む溶液の脱水法が開示されている。
【０００６】
上記の方法により、効率的な水−有機物蒸気の脱水が可能となったが、その効率をさらに高める水−有機物蒸気の脱水方法やその装置が求められている。さらに、水−有機物蒸気に限らず、ガス混合物から効率的に膜透過性の高いガスを分離する方法、装置が求められている。
【０００７】
一方、従来の分離膜モジュールの構造に関しては、特公平６−９１９３２号公報に、原料ガス導入口、透過ガス出口および未透過ガス排出口を有する筒状容器内に、種々の混合ガスに対して特定のガス成分（例えば水素ガス成分など）を選択的に透過させることができる性能を有する中空糸の糸束から形成されている特殊な糸束組立体が、適当な配置で内蔵されており、その外周部をフィルム状物質で被覆されているガス分離モジュールが開示されている。しかしながら、上記公報に記載のモジュールは、水素などの回収などに適用されるもので、分離膜の透過側は透過したガスを排出するだけの構造になっており、上記の有機物蒸気と水蒸気とを含む混合ガスから水蒸気を分離する場合のように、分離膜の透過側を減圧状態とするとともに、キャリヤーガスを流すような場合には、適用できない。
【０００８】
また、特公平７−７９９５４号公報には、原料ガス導入口、透過ガス出口及び非透過ガス出口を有する筒状容器内に、多数のガス分離性能を有する中空糸束を有するガス分離膜モジュールにおいて、中空糸束の略中央部に、連通孔が形成された非透過ガス出口に通じる芯管を有し、中空糸束内に該中空糸に沿って筒状の仕切板が配置されている構造が開示されている。この発明の目的は、中空糸状分離膜の長さを維持したまま、ガスの流路を大きくし、原料ガスの供給線速度を大きくすることである。しかしながら、中空糸束の外側とモジュール容器との間に空間があるため、ガスがその空間をショートパスし、中空糸の間を有効に通過しにくいという面や、中空糸内部のガスの流れの方向と中空糸の外部の流れの方向が同一方向になる部分が存在するため、向流の場合に比べてガス分離の効率を上げられないという面がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記のような問題を鑑みてなされたものであり、ガス混合物から膜透過性の高いガスを効率的に分離するガス分離膜モジュールおよびその分離方法を提供することを目的としている。特に、特許第２７４３３４６号公報に記載の脱水法に最適な、高いレベルの乾燥度（極めて低い水分含有率）である乾燥有機物蒸気を、比較的少ない膜面積である小型の気体分離膜モジュールを使用して、より効率的（気体分離膜の単位面積当たりの水蒸気透過量を大きくすること）にまた容易に得ることができるようにするガス分離膜モジュールを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、容器本体内の中空糸束全体を有効に使用する方法について種々検討した結果、本発明を創生するに至った。
【００１１】
即ち、本発明は、混合ガス導入口、キャリヤーガス導入口、透過ガス排出口及び未透過ガス排出口を有する筒状容器内に、ガス分離性能を有する多数の中空糸の両端部をその開口状態が保持されたまま樹脂製管板で固着してなる中空糸束が収容されたガス分離膜モジュールにおいて、混合ガス導入口および未透過ガス排出口が該中空糸内部に通じ、キャリヤーガス導入口および透過ガス排出口が該中空糸外部に通じるように構成され、さらに、キャリヤーガスの流れと混合ガスの流れが、中空糸膜を挟んで向流になるように構成され、該中空糸束の外周部がフィルム状物質で被覆されていることを特徴とするガス分離膜モジュールに関する。
【００１２】
ここで、前記ガス分離モジュールは、キャリヤーガスが中空糸束の略中心部に直接導入するように構成されていることが好ましく、さらに、中空糸束の略中心部に該中空糸に沿って配せられる芯管を設け、該芯管に該芯管内と中空糸束内とを連通する連通孔が形成され、該連通孔よりキャリヤーガスを中空糸束内に導入するように構成されていることにより、より効率的なガス分離を達成することができる。
【００１３】
また、前記ガス分離膜モジュールの中空糸としては、芳香族ポリイミド製分離膜中空糸を用いることが好ましい。
【００１４】
特に、本発明は、有機物蒸気と水蒸気とを含む混合ガスを、芳香族ポリイミド製分離膜を内蔵する分離膜モジュールへ供給して、前記分離膜の供給側と接触させ、該分離膜の透過側を減圧状態とすると共に、不活性な乾燥ガス又は分離膜モジュールから排出される未透過蒸気の一部をキャリヤーガスとして流通させながら、該分離膜の供給側から透過側へ水蒸気を選択的に透過させて該混合ガスから水蒸気を分離し、これにより水蒸気含有量が減少した有機物蒸気を得る方法で使用される分離膜モジュールにおいて、
混合ガス導入口、キャリヤーガス導入口、透過ガス排出口及び未透過ガス排出口を有する筒状容器内に、多数の中空糸状分離膜の両端部をその開口状態が保持されたまま樹脂製管板で固着してなるガス分離性能を有するポリイミド製分離膜の中空糸束が収容され、その糸束の外周部がフィルム状物質で被覆されていることを特徴とする水−有機物蒸気の脱水用ガス分離膜モジュールに関する。
【００１５】また、本発明は、混合ガス導入口、キャリヤーガス導入口、透過ガス排出口及び未透過ガス排出口を有する筒状容器内に、ガス分離性能を有する多数の中空糸の両端部をその開口状態が保持されたまま樹脂製管板で固着してなる中空糸束が収容され、混合ガス導入口および未透過ガス排出口が該中空糸内部に通じ、キャリヤーガス導入口および透過ガス排出口が該中空糸外部に通じるように構成され、さらに、キャリヤーガスの流れと混合ガスの流れが、中空糸膜を挟んで向流になるように構成され、該中空糸束の外周部がフィルム状物質で被覆されているガス分離膜モジュールを用いて、
分離膜に対する透過速度の比が１００以上である透過性の大きい第１のガスと透過性の小さい他の少なくとも１種のガスとからなるガス混合物を混合ガス導入口より導入し、また、キャリヤーガスをキャリヤーガス導入口に導入するとともに、透過ガス排出口より透過ガスを強制的に取り除くことにより、中空糸の外部を減圧状態にし、ガス混合物から第１のガスを分離することを特徴とするガス分離方法に関する。
【００１６】
この方法では、第１のガスを分離したガスの一部を、キャリヤーガスの供給口に循環し、キャリヤーガスとして使用してもよい。また、キャリヤーガスとして空気、窒素ガスなどの無機ガスを用いてもよい。
【００１７】
特に、第１のガスが水蒸気であり、その他のガスが大気圧における沸点が０〜２００℃の有機物の蒸気である系に適用すると有機物の脱水に有効に利用できる。さらに、有機物が、イソプロピルアルコールであれば、各種工業で使用されているイソプロピルアルコールを脱水、再利用することができる。
【００１８】
特に、本発明は、混合ガス導入口、キャリヤーガス導入口、透過ガス排出口及び未透過ガス排出口を有する筒状容器内に、多数の中空糸状分離膜の両端部をその開口状態が保持されたまま樹脂製管板で固着してなるガス分離性能を有するポリイミド製分離膜の中空糸束が収容され、混合ガス導入口および未透過ガス排出口が該中空糸内部に通じ、キャリヤーガス導入口と透過ガス排出口が該中空糸外部に通じるように構成され、さらに、キャリヤーガスの流れと混合ガスの流れが、中空糸膜を挟んで向流になるように構成され、該中空糸束の外周部がフィルム状物質で被覆されているガス分離膜モジュールを用いて、
イソプロピルアルコールおよび水を含む溶液を気化させた混合ガスを、該ガス分離膜モジュールに供給して、前記分離膜の供給側と接触させ、一方、該分離膜の透過側を減圧状態とすると共に、不活性な乾燥ガスをキャリヤーガスとして流通させながら、該分離膜の供給側から透過側へ水蒸気を選択的に透過させて該混合ガスから水蒸気を分離し、これにより水含有量が減少したイソプロピルアルコールを得ることを特徴とするガス分離方法に関するものであり、産業上有益な方法である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガス分離膜モジュールおよびそれを使用したガス分離方法について図面を用いて詳しく説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一例である中空糸束のほぼ中心にキャリヤーガス供給用の芯管を有し、中空糸外周部にフィルム状物質が被覆されている本発明のモジュールの概略を示す断面図である。図１に示す分離膜モジュールは、その外枠が混合ガス導入口１、キャリヤーガス導入口２、透過ガス排出口３及び未透過ガス排出口４を有する筒型容器５からなり、該筒型容器５には選択透過性を有する多数の中空糸６ａを束ねて形成した糸束６が次に示す糸束組立体として内蔵されているものである。上記糸束６は、図中透過ガス排出口３側の一端部で硬化樹脂からなる第二管板８により、また図中未透過ガス排出口４側の他端部で同じく硬化樹脂からなる第一管板７によりそれぞれ固着され、全体として糸束組立体を形成している。この糸束組立体において、上記糸束６を構成する各中空糸６ａは、上記管板７、８を貫通された状態でそれぞれ固着されている。また、中空糸束６の外周部には、キャリヤーガスが導入され排出されるまでの位置に、フィルム状物質９が被覆されている。また、混合ガスとキャリヤーガスのモジュール内部での流れは、分離膜を挟んで向流になるように構成されている。
【００２１】
また、上記例では、上記樹脂製管板の一方７を貫通して、かつ中空糸束６の略中心部に該中空糸に沿って配せられる芯管を設け、キャリヤーガス導入口側の管板７の近傍に位置する上記芯管に該芯管内と中空糸束内とを連通する連通孔が形成されている。また、この場合、芯管の先端は閉じており、樹脂製管板８に埋設されているが、必ずしも、管板８によって固着されている必要はなく、熱膨張によるずれなどを吸収する程度の隙間があるのが好ましい。また、ここでいう中空糸束の略中心部とは、キャリヤーガスが中空糸全体に広がることを目的とするものであるので、その目的を達成できる程度であればよく、厳密な中心部に限定されるものではない。
【００２２】
上記の例では、芯管１０の先端が透過ガス排出口側の第二管板８に埋設されている例を示したが、これに限るものでなく、例えば、図２のようにキャリヤガス導入口側の第一管板７を貫通する程度の長さであっても、場合によっては図３に示すように芯管がなく、筒状容器５の外周から直接中空糸束の領域に導入してもよい。その場合は、フィルム状部材９は、シール部材１２で筒状容器５の内壁に支持される。
【００２３】
また、前記ガス分離膜モジュールの中空糸としては、分離性能が高く、耐溶剤性などの点で優れていることから、芳香族ポリイミド製分離膜中空糸が最適である。
【００２４】
分離される混合ガスとしては、分離膜に対する透過速度の比が１００以上である透過性の大きい第１のガスと透過性の小さい他の少なくとも１種を含む第２のガスとからなるガス混合物であれば特に制限されるものではなく、第１のガスが水蒸気であり、第２のガスが有機物の蒸気であれば、有機物蒸気の脱水に使用することができ、また第２のガスが空気であれば、空気の除湿に使用することもできる。なお、膜の使用できる温度範囲と、蒸気にするための設備の面から、実用上、これらのガス混合物は、大気圧における沸点が０〜２００℃のガスであることが好ましい。特に、エタノール、イソプロピルアルコールなどの脱水は、蒸留などの他の分離方法に比べて効率よく行えるため、本発明のモジュールおよび分離方法に好適である。特に、イソプロピルアルコールは、工業的に多用されており、使用後の含水イソプロピルアルコールの脱水・精製には、本発明のモジュールおよび分離方法は、最適である。また、混合ガスの分離しようとする特定の２成分の透過速度の比は、大きいほど分離効率がよいので好ましく、１００より小さいと分離性能が落ちるので実用的ではない。
【００２５】
キャリヤーガスとしては、上記の第１のガス成分を実質的に含まないか、あるいは、分離装置の使用状態で、膜を挟んで透過側の第１のガスの分圧が未透過側の第１のガスの分圧よりも小さい濃度の第１のガスを含むガスであれば、特に制限はない。例えば、窒素、空気などが使用できる。窒素は、有機蒸気を扱う系では、防災上の面からも、また、膜の透過側から供給側への逆浸透が起こりにくいという面からも、好ましいキャリヤーガスである。有機蒸気の脱水の場合は、キャリヤーガスとして不活性な乾燥ガスや、乾燥空気、分離膜で窒素富化した空気などが好ましく使用され、不活性な乾燥ガスとしては、窒素が好適である。第１のガスを分離した未透過ガスの一部を、キャリヤーガスの供給口に循環し、キャリヤーガスとして使用することもできる。
【００２６】
次に、上記のガス分離膜モジュールについて、更に詳述する。筒型容器５および芯管１０は、所定の気密性及び耐圧性を備えたものであれば、その形成材料は特に限定されず、金属、プラスチック又はセラミック等により形成できる。
【００２７】
糸束６を構成する中空糸６ａは、透過速度の大きい第１のガスの透過速度と透過速度の小さい他のガスの膜透過速度との比が１００以上となる分離膜が好ましい。水−有機物蒸気の分離の場合には、中空糸６ａは、使用時における水蒸気透過速度（Ｐ’H20）が１×１０-5ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以上、好ましくは５×１０-1〜１×１０-4ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ程度、さらに好ましくは０．５〜５．０×１０-3ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ程度であり、水蒸気透過速度（Ｐ’H20）と有機物蒸気透過速度（Ｐ’Org）との透過速度比（Ｐ’H20／Ｐ’Org）が１００以上である芳香族ポリイミド製分離膜が好ましい。またタイプとしては非対称性分離膜又は複合分離膜等を好ましく挙げることができる。透過速度の大きい第１のガスの透過速度と透過速度の小さい他のガスの膜透過速度との比が１００より小さい分離膜では、分離性能が落ちるため、実用的でない。
【００２８】
また、樹脂製管板７及び８を構成する硬化樹脂としては、耐熱性、耐有機溶媒性が要求されるが、例えばポリウレタン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を好ましく挙げることができる。
【００２９】
前記フィルム状物質９は、装置内に供給された混合ガスを実質的に透過しない材料か、又は難透過性の材料であれば如何なるもので形成してもよく、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド等のプラスチックフィルムあるいはアルミニウムやステンレスのフィルムが好適に用いられる。特に、耐熱性、耐溶剤性、加工性の点でポリイミドフィルムが好適である。また、フィルム状物質９の厚さも特に制限されないが、数１０μｍ〜数ｍｍ程度までを好ましい範囲として挙げることができる。
【００３０】
芯管１０を有する中空糸束６とその外周部に形成したフィルム状部材９は、例えば次のようにして作製することができる。先ず、芯管１０を中心にして、所定の厚さ迄中空糸６を巻き付け、その周囲にフィルム状部材９を形成するための、例えばポリエステルフィルムを巻き付け、その重なり部分を糊付けする。次いで、上記束状物の両端部をエポキシ樹脂等の樹脂で固着し、管板相当部を形成する。その際、キャリヤーガス導入口側の第一管板７に対応する端部では上記フィルム末端をも一緒に固着し、透過ガス排出口側の第二管板８に対応する端部では上記フィルムの他の末端を管板８に固着せず、透過ガスおよびキャリヤーガスが中空糸束から透過ガス排出口に流出するよう隙間を確保する。その後、上記束状物の両端部の固着樹脂を切断し、その両切断面（外側端面）で中空糸状分離膜の末端を開口させることにより上記中空糸束６が完成される。
【００３１】
次に、本発明の作用および分離方法を第１のガスを水とし、第２のガスを有機物蒸気に例を取り、図１の例に基づいて説明する。図１に示す例では、混合ガス導入口１より混合ガスを供給すると、供給されたその混合ガスは、筒型容器５に内蔵されている糸束６の中空糸内部を分離膜に接触しながら未透過ガス排出口４の方向へ流動する。混合ガスの上記接触を通して水蒸気が中空糸膜を選択的に透過し、透過ガス排出口３から排出される。残った有機物蒸気を主成分とする未透過ガスは、未透過ガス排出口４から取出される。
【００３２】
一方、キャリヤーガスは、キャリヤーガス導入口２から芯管１０に導入され、芯管の連通孔１１から中空糸束内に放出される。中空糸束外側のフィルム部材９のために、放出されたキャリヤーガスは、中空糸束の外部に一気に流出しそのまま中空糸外部の空間をショートパスして透過ガス排出口に流出するようなことはなく、中空糸膜束６の内部を均一に中空糸に沿って流れ、透過ガス排出口３に到達する。このため、中空糸外部に透過した水蒸気を効率的に排出し、脱水の効率を高くすることができる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示す。
【００３４】
実施例１
温度１３０℃で１０重量％水蒸気と９０重量％ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）蒸気とからなる混合蒸気を２ｋｇ／ｃｍ2Ｇの圧力で供給し、透過側の圧力を４ｍｍＨｇとした時の水蒸気透過速度（Ｐ’H20）と有機物蒸気透過速度（Ｐ’Org）がそれぞれ１．０×１０-3ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ・ｃｍＨｇと３．３×１０-7ｃｍ3／ｃｍ2・ｓｅｃ・ｃｍＨｇであり、膜面積が１．９ｍ2の芳香族ポリイミド製分離膜を内蔵する図１の構成の分離膜モジュールを含む、図４に示すようなフローの脱水装置に、ＩＰＡ９５．１３重量％及び水４．８７重量％を含有する溶液を、水−有機物溶液タンク２１から、ポンプ３０経由で、蒸発器２２へ供給して、ヒーター３２で加熱して前記溶液を気化させて、混合ガスを生成し、さらに、その混合ガスをヒーター２３で１２０℃にスーパーヒートして、混合ガスの供給口１から分離膜モジュール２４へ供給して、混合ガスをその非対称性中空糸膜と中空部内で接触させて、気体分離膜による脱水操作を行った。
【００３５】
その分離膜モジュールにおける脱水操作においては、混合ガスを非対称性中空糸膜と中空部内で接触させながら、一方、乾燥窒素ガス（キャリヤーガス）をヒーター３１で１２０℃に加熱し、供給口２から分離膜モジュールへ供給してその非対称性中空糸膜の外側（中空糸の周辺部、透過側）に流通させると共に、エゼクター（減圧器）２７によって非対称性中空糸膜の透過側を１００ｍｍＨｇに減圧して、混合ガス中の水蒸気を選択的に膜透過させて分離することによって混合ガスの脱水操作を行った。
【００３６】
分離膜モジュールの透過蒸気の排出口３から排出される透過蒸気は、クーラー２６で冷却し水蒸気成分などを凝縮させ、透過蒸気の凝縮液タンクに溜めて、窒素ガスは外部に排出する。又、分離膜モジュールの未透過蒸気（乾燥された有機物蒸気）の排出口４から排出される未透過蒸気は、クーラー２８で冷却されて凝縮させて、未透過蒸気の凝縮液を得て、製品タンク２９に回収した。その脱水操作の結果を、表１に示す。
【００３７】
比較例１
中空糸外周にフィルムを付けず、かつ、キャリヤーガス導入口２を持たない（即ち、キャリヤーガスを流さない）こと以外は、実施例１と同様なモジュールを用い、実施例１と同様な条件で脱水操作を行なった。その結果を表１に示す。
【００３８】
比較例２
キャリヤーガス導入口２を持たないこと以外は、実施例１のモジュールと同様なモジュールを使って、実施例１と同様な条件で脱水操作を行った。その結果を表１に示す。
【００３９】
比較例３
中空糸外周にフィルムを付けないこと以外は、実施例１のモジュールと同様なモジュールを使って、実施例１と同様な脱水操作を行なった。その結果を表１に示す。
【００４０】
以上の結果より、キャリヤーガスを用いない場合は、中空糸束外周のフィルムによる被覆は、脱水効率を上げる効果は見られないが、キャリヤーガスを用いる本発明のモジュール構成及び脱水方法では、中空糸束外周のフィルムによる被覆は、脱水された有機物の含水率を著しく改善し、脱水効率が予期しない程に上がることがわかる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明のガス分離膜モジュールを用いることにより、効率よくガス混合物の分離が行え、特に、高いレベルの乾燥度（極めて低い水分含有率）である乾燥有機物蒸気を、比較的少ない膜面積である小型の気体分離膜モジュールを使用して、より効率的（気体分離膜の単位面積当たりの水蒸気透過量を大きくすること）にまた容易に得ることができる。
【００４２】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水−有機物蒸気の脱水用分離膜モジュールの一例を示す断面図である。
【図２】本発明の水−有機物蒸気の脱水用分離膜モジュールの他の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の水−有機物蒸気の脱水用分離膜モジュールの他の一例を示す断面図である。
【図４】実施例１に記載の本発明の水−有機物蒸気の脱水用分離膜モジュールの使用方法を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 混合ガス導入口
２ キャリヤーガス導入口
３ 透過ガス排出口
４ 未透過ガス排出口
５ 筒状容器
６ 中空糸束
７ 第一管板
８ 第二管板
９ フィルム状部材
１０ 芯管
１１ 通連孔
１２ シール部材
Claims (11)
- 混合ガス導入口、キャリヤーガス導入口、透過ガス排出口及び未透過ガス排出口を有する筒状容器内に、ガス分離性能を有する多数の中空糸の両端部をその開口状態が保持されたまま樹脂製管板で固着してなる中空糸束が収容された水蒸気分離用のガス分離膜モジュールにおいて、混合ガス導入口および未透過ガス排出口が該中空糸内部に通じ、キャリヤーガス導入口および透過ガス排出口が該中空糸外部に通じるように構成され、さらに、キャリヤーガスの流れと混合ガスの流れが、中空糸膜を挟んで向流になるように構成され、該中空糸束の外周部がフィルム状物質で被覆されていることを特徴とする水蒸気分離用のガス分離膜モジュール。
- キャリヤーガスが中空糸束の略中心部に導入されるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の水蒸気分離用のガス分離膜モジュール。
- 中空糸束の略中心部に該中空糸に沿って配せられる芯管を設け、該芯管に該芯管内と中空糸束内とを連通する連通孔が形成され、キャリヤーガスが該連通孔より中空糸束内に導入されるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の水蒸気分離用のガス分離膜モジュール。
- 中空糸が芳香族ポリイミド製分離膜中空糸であることを特徴とする請求項１〜３記載の水蒸気分離用のガス分離膜モジュール。
- 混合ガス導入口、キャリヤーガス導入口、透過ガス排出口及び未透過ガス排出口を有する筒状容器内に、ガス分離性能を有する多数の中空糸の両端部をその開口状態が保持されたまま樹脂製管板で固着してなる中空糸束が収容され、混合ガス導入口および未透過ガス排出口が該中空糸内部に通じ、キャリヤーガス導入口および透過ガス排出口が該中空糸外部に通じるように構成され、さらに、キャリヤーガスの流れと混合ガスの流れが、中空糸膜を挟んで向流になるように構成され、該中空糸束の外周部がフィルム状物質で被覆されているガス分離膜モジュールを用いて、分離膜に対する透過速度の比が１００以上である透過性の大きい第１のガスである水蒸気と透過性の小さい他の少なくとも１種の第２のガスとからなるガス混合物を混合ガス導入口より導入し、また、キャリヤーガスをキャリヤーガス導入口に導入するとともに、透過ガス排出口より透過ガスを強制的に取り除くことにより、中空糸の外部を減圧状態にし、ガス混合物から第１のガスである水蒸気を分離することを特徴とするガス分離方法。
- 第１のガスである水蒸気を分離した未透過ガスの一部を、キャリヤーガスの供給口に循環し、キャリヤーガスとして使用することを特徴とする請求項５記載のガス分離方法。
- キャリヤーガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項５記載のガス分離方法。
- 第２のガスが大気圧における沸点が０〜２００℃の有機物の蒸気であることを特徴とする請求項５記載のガス分離方法。
- 有機物が、イソプロピルアルコールであることを特徴とする請求項８記載のガス分離方法。
- 有機物蒸気と水蒸気とを含む混合ガスを、芳香族ポリイミド製分離膜を内蔵する分離膜モジュールへ供給して、前記分離膜の供給側と接触させ、該分離膜の透過側を減圧状態とすると共に、不活性な乾燥ガス又は分離膜モジュールから排出される未透過蒸気の一部をキャリヤーガスとして流通させながら、該分離膜の供給側から透過側へ水蒸気を選択的に透過させて該混合ガスから水蒸気を分離し、これにより水蒸気含有量が減少した有機物蒸気を得る方法で使用される分離膜モジュールにおいて、混合ガス導入口、キャリヤーガス導入口、透過ガス排出口及び未透過ガス排出口を有する筒状容器内に、多数の中空糸の両端部を、その開口状態が保持されたまま樹脂製管板で固着してなるガス分離性能を有するポリイミド製分離膜の中空糸束が収容され、該中空糸束の外周部がフィルム状物質で被覆されていることを特徴とする水−有機物蒸気の脱水用ガス分離膜モジュール。
- 混合ガス導入口、キャリヤーガス導入口、透過ガス排出口及び未透過ガス排出口を有する筒状容器内に、多数の中空糸の両端部を、その開口状態が保持されたまま樹脂製管板で固着してなるガス分離性能を有するポリイミド製分離膜からなる中空糸束が収容され、混合ガス導入口および未透過ガス排出口が該中空糸内部に通じ、キャリヤーガス導入口および透過ガス排出口が該中空糸外部に通じるように構成され、さらに、キャリヤーガスの流れと混合ガスの流れが、中空糸膜を挟んで向流になるように構成され、該中空糸束の外周部がフィルム状物質で被覆されているガス分離膜モジュールを用いて、イソプロピルアルコールおよび水を含む溶液を気化させた混合ガスを、該ガス分離膜モジュールに供給して、前記分離膜の供給側と接触させ、一方、該分離膜の透過側を減圧状態とすると共に、不活性な乾燥ガスをキャリヤーガスとして流通させながら、該分離膜の供給側から透過側へ水蒸気を選択的に透過させて該混合ガスから水蒸気を分離し、これにより水含有量が減少したイソプロピルアルコールを得ることを特徴とするガス分離方法。
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