JPH01281125A - 膜式気体分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は膜式気体分離装置、詳しくは二つ以」−の組成
から成る気体を、各組成の透過係数に差をもつ非多孔質
膜材を介して分離させるようにした膜式気体分離装置に
関する。

（従来の技術） 従来、例えば特開昭６３−１４１４号公報に開示され、
又、第４図に概略的に示したごとく、気体取入口（ＴＫ
）を備えたケーシングＣＣ＞の長さ方向両側に、それぞ
れ第１取出口（Ｔ１）と第２取出口（Ｔ２）とを設ける
と共に、前記ケーシング（Ｃ）の内部に、多数の連通孔
（Ｂ）を形成した内管（Ａ）を配設し、該内管（Ａ）の
周りに、外表面に気体分子を透過させる性質をもつ非多
孔質膜材（１６）をコーティングした細径長尺でかつ内
部を中空とした多数本の多孔質中空糸（１）を配設して
、前記非多孔質膜材（１６）の透過側となるこの中空糸
（１）の内部を、該中空糸（１）の一端側開口部（ａ）
を介して前記第１取出口（Ｔ１）に開放する共に他端側
間口部（ｂ）を閉鎖し、又、前記非多孔質膜材（１６）
の非透過側を前記第２取出口（Ｔ２）に連通させて、膜
式気体分離装置を構成するようにしている。

ここで、本出願人が先に提案した特願昭６１−３０２２
２０号（昭和６１年１２月１８日提出）に記載したよう
に、前記非多孔質膜材（１６）に含フツ素アクリレート
を用いると、この膜材（１６）の透過側たる前記第１取
出口（Ｔ１）には、酸素分子を多量に含む酸素富化空気
が、又、この膜材（１６）の非透過側たる前記第２取出
口（Ｔ２）には、窒素分子を多量に含む窒素富化空気が
それぞれ取出せることになる。

（発明が解決しようとする課題） ところが以上の装置では、前記中空糸（１）の内部を、
一端側の開口部（ａ）のみを介して膜透過側の第１取出
口（Ｋ１）に開放しているため、中空糸（１）での圧力
損失が大きく、気体の分離効率が低い難点があった。す
なわち、膜材（１６）での分離効率、つまり酸素／窒素
の分離にあっては膜透過側に取出す酸素富化空気の酸素
濃度は、膜材（１６）の出入口間の圧力比（出口側圧力
／入口側圧力〈１）が小さい程差圧が確保できて高くす
ることができるが、膜材（１６）の出口側たる中空糸（
１）の内部圧力が圧力損失により上昇されると該圧力比
が大きくなるため、膜材（１６）の出入口間の差圧が確
保できず、前記第１取出口（Ｔ１）に取出す酸素富化空
気の酸素濃度が低下することになる。又、この酸素濃度
の低下に伴い、相対的に膜非透過側に取出す窒素富化空
気の窒素濃度も下がることになり、全体として酸素／窒
素の分離効率が悪化するのである。

特に、前記中空糸（１）の長さが長いと、圧力損失もそ
れだけ増大し、分離効率の悪化が顕著となるのであった
。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなしたものであ
り、その目的は、前記中空糸内の圧Ｉｎを出来るだけ少
なくして、非多孔質膜材の出入口における圧力比を小と
することにより、膜分離効率を高めて、高濃度の酸素富
化空気や窒素富化空気を得ることができる膜式気体分離
装置を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は、二つ以上の組成
から成る気体を、各組成の透過係数に差をもつ非多孔質
膜材（１６）を介して分離させるようにした膜式気体分
離装置において、気体取入口（１２）と気体排気口（１
３）とを備えたケーシング（１１）に、前記非多孔質膜
材（１６）を用いた多数本の多孔質中空糸（１５）を内
装し、この中空糸（１５）の両端部を開口させて、該中
空糸（１５）の内部を、両端に開口させた第１及び第２
開口部（１５ａ）（１５ｂ）を介して前記非多孔質膜材
（１６）の透過側となる低圧側取出口に連通させたこと
を特徴とするものである。

（作用） 前記気体取入口（１２）から前記ケーシング（１１）内
に取入れられた気体は、前記非多孔質膜材（１６）に対
し高い透過係数をもつ第１気体の気体分子（例えば酸素
分子）の多くが前記多孔質中空糸（１５）の表面に設け
たこの非多孔質膜材（１６）で透過され、前記中空糸（
１５）の内部から濃縮化された第１気体（酸素富化空気
）として前記ケーシング（１１）の外部へと取出される
のであり、また前記非多孔質膜材（１６）に対し低い透
過係数をもつ第２気体の気体分子（例えば窒素分子）の
多くは、前記非多孔質膜材（１６）で透過されることな
く、濃縮化された第２気体（窒素富化空気）として前記
排気口（１３）から外部に取出されるのである。

ところで、前記中空糸（１５）を透過した第１気体（酸
素富化空気）を外部に取出すにあたっては、該中空糸（
１５）の両側端部がそれぞれ開口されて、この各開口部
（１５ａ）（１５ｂ）から前記低圧側取出口を介して外
部に取出されるのであり、換言すれば前記中空糸（１５
）内の第１気体（酸素富化空気）が、前記２つの開口部
（１５ａ）（１５ｂ）からそれぞれ外部に速やかに取出
されるのであり、従って前記中空糸（１５）内における
流通抵抗が小となって、この中空糸（１５）内での圧損
が少なくなり、これに伴い該中空糸（１５）の内外すな
わち、前記非多孔質膜材（１６）の出入口間における圧
力比も小となって、膜分離効率が高められ、高濃度の第
１気体（酸素富化空気）と第２気体（窒素富化空気）と
が得られるのである。

（実施例） 実施例について、図面を参照して説明する。

第１図は膜式気体分離装置（１）の全体構造を示してお
り、密閉構造としたケーシング（１１）の長さ方向中間
部位に、−気体取入口（１２）を設けると共に、前記ケ
ーシング（１１）の長さ方向−側に、窒素濃度の高い窒
素富化空気を取出す気体排気口（■３）を設けている。

また、前記ケーシング（１１）の中心内部には、筋状を
なす支持体（１４）を設けて、この支持体（１４）の外
周部位に、細径長尺とされた多数本の多孔質中空糸（１
５）を配設するのであって、該中空糸（１５）の外表面
には、第２図で明らかにしたごとく、酸素透過係数が窒
素透過係数よりも大とされた含フツ素アクリレートから
成る非多孔質膜材（１６）をコーティングするのである
。

前記多孔質中空糸（１５）としては、例えば内径が１０
０〜３００ａｍ、外径が２００〜４００μｍで、０．０
５〜０．２μｍの多数の細径孔をもったポリエチレン又
はポリプロピレンなどから成る多孔質中空体が使用され
る。

また、前記多孔質中空糸（１５）の外表面にコーティン
グする前記非多孔質膜材（１６）としては、酸素と窒素
との分離係数（酸素透過係数／窒素透過係数＝α））が
約２．６〜４．１程度の含フツ素アクリレートを使用し
、この含フツ素アクリレートを、前記中空糸（１５）の
外表面に、約０．１〜２μの厚みにコーティングする。

更に、前記含フツ素アクリレートとしては、例えばαＦ
ＩＦＯ１αＦＳｉａ、αＦＮＰ系の化合物が使用される
のである。

前記αＦ８ＦＯ系の化合物としては、例えばＣＦ。

嘩 →−Ｃ■２−ＣＦ　−）−ＣＯＯＣＨ２ＣＦＣＩｓ　（
ＯＣＦ２ＣＦ）ｎ　ＱＣｓ　Ｆｉ但しｎはＯ又は１．２
　　の整数 が使用され、この化合物の酸素と窒素との分離係数（α
）は３．１（だだしｎ＝ｏの場合）であり、 また、前記αＦＳｉ２系の化合物としては、例えば、 一←−ＣＨ２−ＣＦ−＋−ＣＯＯＣＨ２Ｓ１（ＣＨｓ　
）２０５４（ＣＨ３’）ｓが使用され、この化合物の酸
素と窒素との分離係数（α）は２．６であり、 更に、前記ａＦＮＰ系の化合物としては、例えば、 →−ＧＨｚ−ＣＦ＋−ｃＯＯＣＨ２−Ｃ（ＣＨｓ　）ｓ
が使用され、この化合物の酸素と窒素との分離係数（α
）は４．１である。

そして、前記ケーシング（１１）の長さ方向両側に、第
１、第２低圧側取出口（１７）（１８）をそれぞれ形成
すると共に、前記中空糸（１５）の長さ方向両端部をそ
れぞれ開口させて、この中空糸（１５）の両側に、それ
ぞれ前記各低圧側取出口（１７）（１８）と対向する第
１及び第２開口部（１５ａ）（１５ｂ）を形成して、前
記中空糸（１５）で透過された酸素富化空気を、前記各
開口部（１５ａ）（１５ｂ）から前記各低圧側取出口（
１７）（１８）を介して各別に前記ケーシング（１１）
の外部へと取出すようになす。

具体的には、前記支持体（１４）の外周部に配設される
前記各中空糸（１５）の第１開口部（１５ａ）を、前記
ケーシング（１１）の第１低圧側取出口（１７）側に開
放させた状態で、合成樹脂などから成る第１集束体（１
９）により集束させ、かつ該集束体（１９）で前記支持
体（１４）の長さ方向−側を閉鎖して、前記集束体（１
９）を前記ケーシング（１１）内に気密状に挿嵌するこ
とにより、前記各中空糸（１５）の内部を前記第１低圧
側取出口（１７）に連通させる。

また、前記各中空糸（１５）の前記第２開口部（１５ｂ
）を、前記ケーシング（１１）の第２低圧側取出口（１
８）に開放させた状態で、合成樹脂などから成る第２集
束体（２０）により集束させ、該集束体（２０）を前記
支持体（１４）上に套嵌させて、前記集束体（２０）を
前記ケーシング（工１）内に気密状に挿嵌することによ
り、前記各中空糸（１５）の内部を前記第２低圧側取出
口（１８）に連通させると共に、前記支持体（１４）に
おける前記集束体（２０）の突出先端部位を、前記ケー
シング（１１）から外方に突出させて、この突出された
支持体（１４）で前記排気口（１３）を形成する。

斯くして、前記各中空糸（１５）を透過された酸素富化
空気を、これら各中空糸（１５）の第１及び第２開口部
（１５ａ）　　（１５ｂ）から、前記ケーシング（１１
）に設けた第１及び第２取出口（１７）（１８）を介し
てそれぞれ外部に各別に取出すことにより、前記各中空
糸（１５）内の流通抵抗が小となって圧損が少なくなり
、該各中空糸（１５）の内外における圧力比が小となる
のである。

また、前記支持体（１４）の長さ方向−刃側で、前記各
中空糸（１５）の第２開口部（１５ｂ）側には、前記支
持体（１４）の内外を連通させる連通孔（１４ａ）を設
け、該連通孔（１４ａ）を介して前記ケーシング（１１
）の内部を前記排気口（１３）に連通させ、前記各中空
糸（１５）を透過しない窒素富化空気を、前記排気口（
１３）から外部に取出すようになすのである。

更に、第１図の実施例においては、前記ケーシング（１
１）の長さ方向−側で、前記第２開口部（１５ｂ　）　
ｆｆ１ｌに、半径方向外方に向かって延びるフランジ（
ｌｌａ）を一体に設けると共に、前記低圧側取出口（１
８）をもち、かつ、前記排気口（１３）を挿嵌する蓋体
（ｆｌｂ）を形成して、この蓋体（ｆｌｂ）に前記第１
フランジ（１１ａ）と対向するフランジ（ｌｌｃ）を設
け、これら各フランジ（ｌｌａ）（ｌｌｃ）との対向部
位間に、前記集束体（２０）をシール部材（Ｓ）を介し
て挟持させた状態で、固定ポル）（ｌｉｄ）で締付ける
ことにより、前記集束体（２０）と蓋体（ｌｌｂ）との
間に、前記ケーシング（１１）の内部と気密状に区画さ
れた一方側の酸素富化空気の吐出チャンバー（ｌｉｅ）
を形成して、前記ケーシング（１１）内の気体が、前記
吐出チャンバー（ｌｉｅ）に取出される酸素富化空気を
希釈させたりするのを確実に阻止するようにしている。

一方、前記第１開口部（１５ａ）側では、前記各中空糸
（１５）を集束する前記集束体（１９）を前記ケーシン
グ（１１）の内部に、複数のシールリング（０）を介し
て気密状に挿嵌させると共に、前記集束体（１９）の開
放側に前記低圧側取出口（１７）をもつ蓋体（１１ｆ）
を嵌合して、前記集束体（１９）と蓋体（１１ｆ）との
間にもう一方の富化空気の吐出チャンバー（ｆｉｇ）を
気密状に区画し、該チャンバー（ｌ１ｇ）に取出された
酸素富化空気に、前記ケーシング（１１）内の気体が混
入して、前記酸素富化空気を希釈したりするのを確実に
阻止するようにしている。

また、同図の実施例においては、前記ケーシング（１１
）の内部に、複数の筒状区画壁（２１）を配設すると共
に、これら各区画壁（２１）間に前記各中空糸（１５）
を介装させて、前記気体取入口（１２）から取入れられ
た気体を、前記各区画壁（２１）に沿って、同図の矢印
で示したように、往復状に反転循環させることにより、
前記ケーシング（１１）内に取入れられた新鮮な気体が
、前記各中空糸（１５）を透過しない側に取出す窒素富
化空気に混入して、該窒素富化空気が希釈化されるのを
阻止するようにしている。

次に、以上のごとく構成した膜式気体分離装置（１）の
具体的な使用例について説明する。

第３図は、前記膜式気体分離装置（１）の複数個を直列
多段式に使用した加圧、真空式のフローシートを示して
おり、同図中（２）はコンプレッサーであって、該コン
プレッサー（２）の気体吐出側ヲ、アフタークーラ（３
）とセパレータ（４）及び調圧弁（５）を介して、先頭
側分離装置（１）のケーシング（１１）に設けた気体取
入［ＴＩ　（１２）に接続すると共に、この分離装置（
１）の気体排気口（１３）を、次段分離装置（１）の気
体取入口（１２）に順次接続させる一方、最終段骨＊装
置（１）の気体排気口（１３）に真空ポンプ（６）を接
続させる。

しかして以上の構成とすることにより、前記コンプレッ
サー（２）と真空ポンプ（６）との作動に伴い、前記各
分離装置（１）におけるケーシング（１１）の内部が負
圧状態に保持されて、前記コンプレッサー（２）からの
吹出気体が、前記気体取入口（１２）から前記各ケーシ
ング（１１）内へと取入れられ、該各ケーシング（１１
）の内部に配設した多孔質中空糸（１５）の非多孔質膜
材（１６）で窒素富化空気と酸素富化空気とに分離され
、この酸素富化空気は、前記各ケーシング（１１）の長
さ方向両側に設けた各低圧側取出口（１７）（１Ｂ）か
らそれぞれ外部に取出され、また窒素富化空気は最終側
分子ｓ装置（１）の気体υト気口（１３）から外部へと
取出される。

尚、第３図中、（７）は膜非透過側気体である窒素富化
空気の取出し用調節弁である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明にかかる膜式気体分離装置
では、気体取入口（１２）と気体排気口（１３）とを備
えたケーシング（１１）に、前記非多孔質膜材（１６）
を用いた多数本の多孔質中空糸（１５）を内装し、この
中空糸（１５）の両端部を開口させて、該中空糸（１５
）の内部を、両端に開口させた第１及び第２開口部（１
５ａ）（１５ｂ）を介して前記膜材（１６）の透過側と
なる低圧側取出口に連通させるようにしたから、１１１
■記中空糸（１５）内の圧損を少なくできて、この中空
糸（１５）の内外ひいては前記膜材（１６）の出入口間
における圧力比を小とすることができ、従って膜分離効
率を高めることが可能となって、高濃度の酸素富化空気
や窒素富化空気等を取出し得るに至ったのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる膜式気体分離装置の断面図、第
２図は同膜式気体分離装置に使用される多孔質中空糸の
拡大斜視図、第３図は間膜式分離装置ユの具体的な使用
例を示すフローシート図、第４図は従来例を示す断面図
である。 （１１）・争・・・ケーシング （１２）・−・・・気体取入口 （１３）・・・・・気体排気口 （１５）・φ・・・多孔質中空糸 （１５ａ）−φ拳・第１開口部 （１５ｂ）・・・・第２開口部 （１６）・−・・・非多孔質膜材 （１７）・・φ・・低圧側取出口 （１８）・・・・−低圧側取出口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）二つ以上の組成から成る気体を、各組成の透過係数
   に差をもつ非多孔質膜材（１６）を介して分離させるよ
   うにした膜式気体分離装置であって、気体取入口（１２
   ）と気体排気口（１３）とを備えたケーシング（１１）
   に、前記非多孔質膜材（１６）を用いた多数本の多孔質
   中空糸（１５）を内装し、この中空糸（１５）の両端部
   を開口させて、該中空糸（１５）の内部を、両端に開口
   させた第１及び第２開口部（１５ａ）（１５ｂ）を介し
   て前記膜材（１６）の透過側となる低圧側取出口に連通
   させていることを特徴とする膜式気体分離装置。