JP4254271B2

JP4254271B2 - 酸素富化空気調製装置および酸素富化空気の調製方法

Info

Publication number: JP4254271B2
Application number: JP2003048581A
Authority: JP
Inventors: 俊介中西; 望谷原
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP2004255287A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気からガス分離膜を用いて酸素富化空気を調製するための装置及び調製方法に関する。特に、本発明の酸素富化空気を調製するための装置及び調製方法は、高効率で酸素富化空気を発生させることができ、酸素富化空気の酸素濃度を容易に調節することができる。
【０００２】
【従来の技術】
酸素富化空気は、健康機器や医療機器、生ゴミ処理機、農業や漁業やバイオ分野などでの生物の育成促進装置、ゴミ焼却炉などの燃焼装置、自動車や燃料電池など種々の分野で応用されている。これらの用途分野では、それぞれ異なる酸素濃度が要求されている。
ガス分離膜を用いた空気分離によって酸素富化空気を調製することは、既に実用に供されており、また種々の検討（例えば、特許文献１〜３参照）がなされている。しかしながら、酸素富化空気をより効率良く調製することに関しては改良の余地があった。また、用途毎に求められる酸素富化空気の酸素濃度は種々異なるが、ある用途に対してはある一定の酸素濃度のものを安定して供給することが求められる。一方、ガス分離膜は、温度などの分離条件や膜の経時変化や空気中の水蒸気又は異物が膜表面に凝縮又は吸着することなどによって分離性能が変化することがあるため、酸素富化空気の酸素濃度を容易且つ簡便に調節することが求められていた。
【０００３】
【特許文献１】
特開平２−１２４７０２号
【特許文献２】
特開平２−２５２６０９号
【特許文献３】
特開平６−２３４５０５号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、本発明の目的は、酸素富化空気をより効率良く調製することができ、更に、富化酸素空気の酸素濃度を容易且つ簡便に調節することができる改良された酸素富化空気を調製するための装置及び酸素富化空気の調製方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも、原料空気供給口、パージ空気供給口、透過ガス排出口、及び、非透過ガス排出口とを備えた容器内に、空気から酸素を選択的に透過させるガス分離膜を透過側と非透過側とが隔絶するように配置し、原料空気が原料空気供給口から前記ガス分離膜の非透過側へ供給され前記ガス分離膜と接触しながら流れて非透過ガス排出口から排出され、パージ空気がパージ空気供給口から前記ガス分離膜の透過側へ供給され前記ガス分離膜を透過した高酸素濃度の透過ガスと合流し、透過ガス排出口から酸素富化空気が排出されるように構成されたことを特徴とする酸素富化空気調製装置に関する。また、パージ空気の供給量を調節するための流量調節弁を備えたこと、透過ガス排出口から排出される酸素富化空気の酸素濃度を測定するための手段を備え、前記手段によって測定した酸素濃度に基づいてパージ空気の供給量を流量調節弁によって調節することによって、酸素富化空気の酸素濃度を制御するように構成されたことに関する。
【０００６】
更に、本発明は、少なくとも、原料空気供給口、パージ空気供給口、透過ガス排出口、及び、非透過ガス排出口とを備えた容器内に、空気から酸素ガスを選択的に透過させるガス分離膜を透過側と非透過側とが隔絶するように配置された酸素富化空気調製装置において、原料空気を原料空気供給口から前記ガス分離膜の非透過側へ供給し、前記ガス分離膜と接触させながら流して非透過ガス排出口から排出し、同時に、前記原料空気よりも低圧のパージ空気をパージ空気供給口から前記ガス分離膜の透過側へ供給し、前記ガス分離膜を透過した高酸素濃度の透過ガスと合流させて透過ガス排出口から酸素富化空気として排出させることを特徴とする酸素富化空気の調製方法に関する。また、パージ空気の供給量を調節することによって、透過ガス排出口から排出される酸素富化空気の酸素濃度を制御することに関する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の酸素富化空気調製装置で用いられるガス分離膜は、空気から酸素を選択的に透過させるガス分離膜である。すなわち、本発明の酸素富化空気調製装置で用いられるガス分離膜は、窒素の透過速度に対する酸素の透過速度の比（Ｐ’_Ｏ２／Ｐ’_Ｎ２）が１よりも大きなもの特に１．５以上のものが好適であり、通常、１．５〜２０、特に４〜１５のものが好適に用いられる。また、酸素の透過速度（Ｐ’_Ｏ２）が１×１０^−５ｃｍ^３（ＳＴＰ）／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以上特に３×１０^−５ｃｍ^３（ＳＴＰ）／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以上のものが好適であり、通常、５×１０^−５ｃｍ^３（ＳＴＰ）／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ〜２００×１０^−３ｃｍ^３（ＳＴＰ）／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇのものが好適に用いられる。本発明の酸素富化空気調製装置で用いられるガス分離膜は、窒素の透過速度に対する酸素の透過速度の比（Ｐ’_Ｏ２／Ｐ’_Ｎ２）が大きく且つ酸素の透過速度（Ｐ’_Ｏ２）が大きなものほど、酸素富化空気を効率良く得ることができるので好ましい。
【０００８】
これらのガス分離膜は、特に限定されるものではないが、シリコーン樹脂、ポリブタジエン樹脂などのゴム状ポリマー材料、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリカーボネート、セルロースなどのガラス状ポリマー材料、又は、ゼオライトなどのセラミックス材料によって好適に製造される。また、ガス分離膜は、均質膜、均質層と多孔層とからなる非対称膜、微多孔質膜などいずれでも構わない。容器内の収納形態も、プレートアンドフレーム型、スパイラル型、中空糸型などいずれであっても構わない。尚、本発明においては、均質層の厚さが１０〜２００ｎｍ及び多孔質層の厚さが２０〜２００μｍの非対称構造を持ち内径が３０〜５００μｍ程度の芳香族ポリイミドからなる中空糸ガス分離膜が、窒素ガスの透過速度に対する酸素ガスの透過速度の比（Ｐ’_Ｏ２／Ｐ’_Ｎ２）や酸素ガスの透過速度（Ｐ’_Ｏ２）が大きく、更に装置内に配置するガス分離膜の有効膜面積を大きくできるので、特に好適に用いられる。
【０００９】
本発明において、ガス分離膜は、少なくとも原料空気供給口、パージ空気供給口、透過ガス排出口、及び、非透過ガス排出口を備えた容器内に、ガス分離膜の透過側と非透過側とが隔絶するように配置されて、ガス分離膜モジュールを形成している。本発明のガス分離膜モジュールが中空糸膜によって構成される場合には、通常中空糸膜の多数本（例えば、数百本から数十万本）を集束して中空糸束とし、その中空糸束の少なくとも一方の端部をエポキシ樹脂のような硬化性樹脂やポリアミド樹脂のような熱可塑性樹脂などで前記端部において中空糸膜が開口状態となるように固着（樹脂固着部を管板という。）して中空糸分離膜エレメントを構成し、更に、単数個又は複数個の前記中空糸分離膜エレメントを、少なくとも原料空気供給口、パージ空気供給口、透過ガス排出口、及び、非透過ガス排出口を有する容器内に、中空糸の内側へ通じる空間と中空糸の外側へ通じる空間が隔絶するように装着されて構成されている。
容器はステンレスなどの金属材料、プラスチック材料、繊維強化プラスチック材料などの複合材料で製造される。
中空糸膜によって構成されたガス分離膜モジュールの一例の概略（断面図）を図５に示す。この態様は、原料空気供給口１１、パージ空気供給口１３、透過ガス排出口１４、及び、非透過ガス排出口１２を備えた容器１６内に、中空糸ガス分離膜１０からなる中空糸束の両端部を管板１５、１５’で固着した中空糸分離膜エレメントを収納して構成されている。また、この態様は、原料空気とパージ空気とが分離膜を挟んで向流に流れるように、それぞれの供給口及び排出口が配置されている。
【００１０】
本発明において、原料空気は大気から好適に取り込まれる。取り込まれた空気は所定圧力に圧力調節（通常は加圧）される。圧力は加圧手段の能力や容器及びガス分離膜などの耐圧性能及び経済性などを考慮して決められるが、通常は０．５〜５０ｋｇｆ／ｃｍ^２Ｇ、好ましくは１．０〜２０ｋｇｆ／ｃｍ^２Ｇ、特に１．５〜７ｋｇｆ／ｃｍ^２Ｇである。加圧された原料空気は、原料空気供給口から前記ガス分離膜の非透過側へ供給され、前記ガス分離膜と接触しながら流れて非透過ガス排出口から排出される。
【００１１】
本発明において、パージ空気は大気から好適に取り込まれる。パージ空気は、原料空気とは別に取り込んでも構わないが、原料空気と一緒に取り込まれて途中で原料空気とパージ空気とを分岐して用いてもよい。本発明において、パージ空気の圧力は原料空気の圧力よりも低圧になるように制御される。パージ空気を原料空気より低圧に制御しないと、膜の非透過側の酸素分圧を膜の透過側の酸素分圧よりも高くできなくなり、酸素がガス分離膜を透過するための駆動力を得ることができない。
本発明において、パージ空気の圧力は、原料空気の圧力よりも０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上、特に１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上低圧であることが、効率的に酸素富化空気を調製するうえで好適である。また、パージ空気はほぼ大気圧で好適に用いられる。
原料空気よりも低圧に制御されたパージ空気は、パージ空気供給口からガス分離膜の透過側へ供給され、ガス分離膜を透過した高酸素濃度の透過ガスと合流して透過ガス排出口から酸素富化空気として排出される。
【００１２】
本発明において、ガス分離膜の透過側へ導入されるパージ空気によって、酸素富化空気の調製効率が著しく向上する。すなわち、このパージ空気は、▲１▼ガス分離膜の透過側表面近傍の高酸素濃度の透過ガスを速やかに掃引して、ガス分離膜の透過側の酸素濃度を減じ、結果として非透過側と透過側の酸素分圧差を増大させ、酸素の透過量を増大させる、▲２▼パージ空気は酸素富化空気に合流するから、パージ空気自身の酸素によって酸素富化空気の酸素成分の一部がまかなわれる、などの作用を有する。この作用によって、酸素富化空気の調製効率は著しく向上する。更に、通常水蒸気の透過速度は極めて速いからガス分離膜の透過側へ多量の水蒸気が透過しているが、このパージ空気は、▲３▼ガス分離膜の透過側の水蒸気を掃引して装置外へ排出して、水蒸気がガス分離膜の透過側表面に凝縮することを防止し、結果として酸素富化空気の調製を安定しておこなわせる、▲４▼得られる酸素富化空気の水蒸気含有率を適当に保つ、などの機能も有する。
本発明において、パージ空気が原料空気と分離膜を挟んで向流に流れるように構成されることが、前述の機能をより効率的に果たし酸素富化空気を高効率で得ることができるので、特に好適である。
【００１３】
更に、本発明では、得られる酸素富化空気の酸素濃度をパージ空気の流量を調節することによって簡便且つ容易に調節できる。パージ空気は、ガス分離膜を透過した高酸素濃度の透過ガス（酸素富化空気）を希釈する役割をもっているから、供給するパージ空気量を増やすことによって得られる酸素富化空気の酸素濃度を低下させ、供給するパージ空気量を減らすことによって得られる酸素富化空気の酸素濃度を高くすることができる。従って、得られる酸素富化空気の酸素濃度は、供給するパージ空気量を通常の流量調節弁で調節するだけの簡便且つ容易な方法で制御することができる。
【００１４】
本発明において、非透過ガス排出口から排出される酸素富化空気の酸素濃度を酸素濃度測定手段によって測定し、得られた酸素富化空気の酸素濃度が予め定められた目的濃度よりも低い場合は供給するパージ空気の流量を少なくすることによって、又、得られた酸素富化空気の酸素濃度が予め定められた目的濃度よりも高い場合は供給するパージ空気の流量を増加させることによって、得られる酸素富化空気の酸素濃度を予め定められた目的濃度に容易に調節することができる。用いられる酸素濃度測定手段は、目的とする酸素濃度の精度に依存するが、通常の酸素濃度ガスセンサー、例えばジルコニア式酸素濃度センサーやガルバニ電池式酸素濃度センサーを好適に用いることができる。また、減圧弁や流量調節弁は圧縮空気を取扱うときの通常のもので構わない。
【００１５】
以下、図を用いて説明する。図１〜３は本発明の酸素富化空気調整装置に係る概略フローチャートであり、図４は従来の酸素富化空気調製装置の一例の概略フローチャートである。尚、図中矢印はガスの流れ方向を示す。
従来の酸素富化空気調製装置（図４）では、外部から取り込んだ空気を、コンプレッサー２や減圧弁３で所定圧力に調整した後で原料空気供給口からガス分離膜モジュール１へ供給する。供給流量は非透過ガス排出口から排出される流量を流量調節弁４で調節することによって調節される。その結果、高酸素濃度の酸素富化空気が分離膜モジュールの透過ガスとして透過ガス排出口から排出される。得られた高酸素濃度の酸素富化空気に適量の空気を希釈空気として加えて所定濃度の酸素富化空気に調製されることもある。
従来の酸素富化空気調製装置では、図中に記載はないが、供給空気を加圧するのに加えて、又は、供給空気を加圧することなしに、ガス分離膜の透過側を減圧ポンプ等によって減圧にすることもある。
【００１６】
図１は、本発明の酸素富化空気調整装置に係る一例の概略フローチャートである。外部から取り込んだ空気を、コンプレッサー２や減圧弁３で所定圧力に調整した後で、原料空気供給口からガス分離膜モジュール１へ供給する。供給流量は非透過ガス排出口から排出される流量を流量調節弁４で調節する。そして、外部から取り込んだパージ空気をパージ空気供給口からガス分離膜モジュール１のガス分離膜の透過側へ供給し、ガス分離膜を酸素ガスが選択的に透過した透過ガスと合流し、酸素富化空気が透過ガス排出口から排出される。
【００１７】
図２は、原料空気とパージ空気とが同時に外部から取り込まれ、コンプレッサー２や減圧弁３で所定圧力に調整した後で、原料空気とパージ空気とに分けられること、及び、パージ空気がパージ空気供給口へ導入される前に流量調節弁５で流量調節される実施態様を示している。
また、図３は、ガス分離膜モジュール１の透過ガス排出口から排出される酸素富化空気の酸素濃度を酸素濃度測定手段６によって測定し、その測定値に基づいて、パージ空気がパージ空気供給口へ導入される前に流量調節弁５で流量調節されて、得られる酸素富化空気の酸素濃度を制御する実施態様を示している。
【００１８】
本発明の装置においては、酸素濃度測定手段によって測定された酸素濃度値に基づいて流量調節弁を制御するための制御装置を備えることができる。又、原料空気、パージ空気、及び、得られる酸素富化空気のためのバッファタンクや貯蔵タンクを備えることができる。更に、フィルターユニット、冷凍除湿ユニット、温度調節ユニットなどの付帯ユニットなどを必要の応じて備えることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明について、実施例を用いて更に説明する。尚、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００２０】
実施例１
原料空気供給口、パージ空気供給口、透過ガス排出口、及び、非透過ガス排出口とを備えた内径４０ｍｍ、長さ３８０ｍｍの円筒状容器内に、芳香族ポリイミド非対称中空糸膜（中空糸内径：２８５μｍ、外径：４１０μｍ、Ｐ’_Ｏ２＝８．８×１０^−５ｃｍ^３（ＳＴＰ）／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ、Ｐ’_Ｏ２／Ｐ’_Ｎ２＝６．３）からなる中空糸束の両端部をエポキシ樹脂で固着した中空糸膜エレメント（両端部の管板厚さが２０ｍｍ、有効膜面積１．２ｍ^２）を装着した図５に示したようなガス分離膜モジュールを準備した。このガス分離膜モジュールにおいて、原料空気供給口は中空糸の内側の空間を通って非透過ガス排出口へつながり、パージ空気供給口は容器内の両管板に挟まれた中空糸の外側の空間を経由して透過ガス排出口につながるように構成されていた。
このガス分離膜膜モジュールを用いて、図３に示す構成からなる酸素富化空気調製装置を準備した。
この装置に空気を導入して酸素濃度３５モル％の酸素富化空気の調製をおこなった。原料空気は２．４５ｋｇｆ／ｃｍ^２Ｇに加圧し、供給流量を１．０Ｎｍ^３／ｈから２０Ｎｍ^３／ｈまで変動させ、その都度パージ空気の供給量を得られる酸素富化空気の酸素濃度が３５モル％となるように調節した。酸素濃度の制御は容易であった。尚、透過側の圧力は大気圧であった。結果を表１に示す。
【表１】

【００２１】
比較例１
実施例１で用いたものと同じガス分離膜モジュールを用いて図１に示す構成からなる酸素富化空気調製装置を準備した。ここで、ガス分離膜モジュールのパージ空気供給口は閉塞した。
実施例１と同じ圧力及び流量の原料空気を原料空気供給口へ供給し、透過ガス排出口から酸素富化空気に得た。この酸素富化空気に酸素濃度が３５モル％となるように希釈空気を混入して、酸素濃度が３５モル％の酸素富化空気を得た。結果を表２に示す。
【表２】

【００２２】
実施例１と比較例１との結果を比較すると、実施例１では、酸素濃度が３５モル％の酸素富化空気が比較例１に比べて約１．５〜１．８倍の流量で得られた。すなわち、実施例１ではより多量の酸素富化空気が得られており、高効率で酸素富化空気が調製されたことが判る。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は以上説明したようなものであるから、以下のような効果を奏する。
すなわち、本発明の酸素富化調製装置及び酸素富化調整方法は、高効率で所定濃度の酸素富化空気を調製することができ、更に、容易且つ簡便に酸素富化空気の酸素濃度を調節することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸素富化空気調製装置に係る一例の概略フローチャートである。
【図２】本発明の酸素富化空気調製装置に係る一例の概略フローチャートである。
【図３】本発明の酸素富化空気調製装置に係る一例の概略フローチャートである。
【図４】従来の酸素富化空気調製装置にかかる一例の概略フローチャートである。
【図５】本発明で用いられるガス分離膜モジュールの一例の概略図（断面図）である。
【符号の説明】
１：ガス分離膜モジュール
２：加圧装置（コンプレッサー）
３：減圧弁
４、５：流量調節弁
６：酸素濃度測定手段（酸素濃度ガスセンサー）
１０：中空糸ガス分離膜
１１：原料空気供給口
１２：非透過ガス排出口
１３：パージ空気供給口
１４：透過ガス排出口
１５、１５’：管板
１６：容器

Claims

少なくとも、大気から空気を取り込む原料空気供給口、大気から空気を取り込むパージ空気供給口、透過ガス排出口、及び、非透過ガス排出口とを備えた容器内に、空気から酸素を選択的に透過させるガス分離膜を透過側と非透過側とが隔絶するように配置し、大気から取り込んだ原料空気が原料空気供給口から前記ガス分離膜の非透過側へ供給され前記ガス分離膜と接触しながら流れて非透過ガス排出口から排出され、大気から取り込んだパージ空気がパージ空気供給口から前記ガス分離膜の透過側へ供給され前記ガス分離膜を透過した高酸素濃度の透過ガスと合流し、透過ガス排出口から酸素富化空気が排出されるように構成されたことを特徴とする酸素富化空気調製装置。
大気から取り込んだパージ空気の供給量を調節するための流量調節弁を備えたことを特徴とする請求項１に記載の酸素富化空気調製装置。
透過ガス排出口から排出される酸素富化空気の酸素濃度を測定するための手段を備え、前記手段によって測定した酸素濃度に基づいて大気から取り込んだパージ空気の供給量を流量調節弁によって調節することによって、酸素富化空気の酸素濃度を制御するように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の酸素富化空気調製装置。
少なくとも、大気から空気を取り込む原料空気供給口、大気から空気を取り込むパージ空気供給口、透過ガス排出口、及び、非透過ガス排出口とを備えた容器内に、空気から酸素ガスを選択的に透過させるガス分離膜を透過側と非透過側とが隔絶するように配置された酸素富化空気調製装置において、大気から取り込んだ原料空気を原料空気供給口から前記ガス分離膜の非透過側へ供給し、前記ガス分離膜と接触させながら流して非透過ガス排出口から排出し、同時に、大気から取り込んだ前記原料空気よりも低圧の大気から取り込んだパージ空気をパージ空気供給口から前記ガス分離膜の透過側へ供給し、前記ガス分離膜を透過した高酸素濃度の透過ガスと合流させて透過ガス排出口から酸素富化空気として排出させることを特徴とする酸素富化空気の調製方法。
大気から取り込んだパージ空気の供給量を調節することによって、透過ガス排出口から排出される酸素富化空気の酸素濃度を制御することを特徴とする請求項４に記載の酸素富化空気の調製方法。