JPH02111415A - ガス分離膜モジュール - 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、多成分よりなるガス混合物から特定の成分を
分離・濃縮するためのガス分離膜モジュールに関するも
のである。

〔従来の技術〕

近年、膜分離技術の進歩は目覚ましく、ガス分離におい
ても、既に、水素や二酸化炭素の回収、窒素や酸素の濃
縮等が工業的に実施されている。

膜による分離を効率良く行うには、各用途に応じた選択
透過性を有する膜素材を用いること以外に、ガス混合物
を均一に膜面に分配することおよび膜面におけるガスの
濃度分極を抑えることが重要である。中空糸に限らずガ
ス分離膜モジュールの構造がこれらの要因に対していか
に配慮されているかが、ガス分離膜モジュールの良否を
決定する０ 従来のガス分離膜モジュールは、多数の中空糸を束ねた
ものを・・ウジング内に収容して、その両端を隔壁に固
定したものであり、中空糸が互いに平行に乱雑に配置さ
れているために、中空糸相互の接触がおこり有効膜面積
が小さくなることやガスの流れが不均一になって、局部
的に流速の異常に小さい部分、あるいけ異常に大きい部
分が生じて濃度分極が発生し分離能力が低下する等の欠
点があった。かかる欠点を改善すべく、第８図に示すよ
うに選択透過性を有する多孔質中空糸１を経糸２で簾状
に編組した中空糸シートを円筒状物または円柱状物３の
周囲に巻回して・・ウジフグ間に収容したガス分離膜モ
ジュールが提案されている（特開昭６０−２８８０６号
公報など）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上記ガス分離膜モジュールでは隣接する経
糸間の間隔（経糸の密度）が円筒状物または円柱状物の
長さより僅かに長くなるよう経糸を配しているため、多
孔質中空糸膜が簾状に編組された状態になく、経糸の太
さに応じた間隔が多孔質中空糸膜相互に生じるにすぎな
い。モジュールの長さが長くなると多孔質中空糸膜のた
るみにより、多孔性中空糸膜を一定の間隔で平行に配列
することが困難となる。そのためガス混合物を膜面に均
一に分配することおよび膜面におけるガスの濃度分極を
抑えることが極めて難くなる。

したがって、本発明の目的はモジュールの長さが変化し
ても、中空糸を一定の間隔で平行に配列することのでき
るガス分離膜モジュールを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は上記の目的を達成するために、簾状に形成さ
れた中空糸シートおよび中空糸シートの積層構造につい
て、さらに検討した結果、本発明に到達したものである
。

すなわち１本発明は、簾状の中空糸シートの積層体をハ
ウジング内に収容する際に中空糸の１本または複数本の
束の外径をＤ（μｍ）、１本の中空糸または複数本の中
空糸の束を簾状に形成する経糸の密度をＷ（本／ｃｒＲ
）、簾状に形成した中空糸シートの単位長さ当りの１本
の中空糸または複数本の中を糸の束の密度をＦ（本／ｃ
ｒｎ）、積層された中空糸ンートの単位厚さ当りの積層
枚数を１（枚／１）としたとき、 ０．１≦Ｗ≦１ １０８／（３，ＯｘＤ　）２≦Ｆｘｌ≦１０８／（１，
４ＸＤ）２なる関係をもつことを特徴とするガス分離膜
モジュールである。

本発明で用いる中空糸は、ガス透過性を有するものであ
れば素材や形状は特に限定されない。例えば、ガス透過
性を有する素材としては、ポリジメチルンロキサンなど
のシリコン系重合体、ポリ４〜メチルペンテン−１、ポ
リエチレン、ポリプロピレン、ポリ３−メチルブテン−
１などのポリオレフィン系重合体、ポリ弗化ビニリデン
、ポリ弗化エチレンなどの弗素系重合体、ナイロン６、
ナイロン６６、ナイロン１２などのポリアミド、芳香族
ポリアミド、ポリ１チレンテレフタレート、ポリブチレ
ンテレフタレートなどのポリエステル、ポリスチレン、
ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリオ
キシメチレン、ポリメチレンスルフィド、ポリチオエー
テル、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフ
ィド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド
、ポリイミド、ボリアリレート、ポリエステルイミ　ド
。

ポリサルホン、ポリエーテルサルホンなどである。

これらの重合体は、相互のブレンドや共重合体であって
も、その変性物であっても良い。また中空糸の形状とし
ては、不均質膜、均質膜や複合膜などがある。中空糸の
外径（Ｄ）は約５０〜約３５００μｍ１膜厚は約３〜約
７５０μｍである。外径や膜厚がこれより小さいと簾状
に形成する際に糸折れや糸割れが発生し易い。通常中空
糸の外径（Ｄ）が約ｌＯＯ〜約２５００　μｍ、膜厚が
約６〜約５００　μｍのものが好ましく、外径ＣＤ）が
約１７５〜約２０００μｍ１膜厚が約１０〜約４００μ
ｍがさらに好ましく用いられる。

本発明で用いる中空糸は、１本（第１図ａｌｌたけ複数
本（第１図ｂ）の中空糸の束１を単位の緯糸として経糸
２で簾状に形成される。複数本の中空糸の束を簾状に形
成する場合には通常３５本以下の中空糸の束が用いられ
る。３５本よりも多い中空糸の束では、１つの緯糸束の
中の各中空糸がガス混合物と十分に接触できず、しかも
中空糸を通過したガスを十分に拡散させることができな
いため、膜面におけるガスの濃度分極が生じてガス分離
効率が低下するため好ましくない。通常は１本１本の中
空糸を緯糸として簾状のシートが形成される。

中空糸を経糸で簾状に形成するには経糸で中空糸を編組
１．ても、あるいは経糸を中空糸に接着してもよい。中
空糸を経糸で編組してシートを形成する方法は簾状の中
空糸シートの製作が容易で好ましい。中空糸を経糸で簾
状に編組するにはどのような編み方を用いても構わない
が、第１図（ａ）、（ｂ）に示すぐさり編みのように各
中空糸を一本づつ経糸で固定することが好ましい。この
ように各中空糸を経糸で固定すると、使用時における中
空糸のずれが防止できて、常に隣接する中空糸間の間隙
を一定間隔に保持することができる。

本発明で用いる中空糸を簾状に形成する経糸の素材は適
度な柔らかさと機械的強度を備えていれば特に限定され
ないが１例えばポリエステル、ポリアミド、ポリアクリ
ロニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ボリアリ
レート、ポリビニルアルコール、ポリウレタンなどが用
いられる。また、経糸の種類としてはスパン糸、フィラ
メント糸でも加工糸でもよく、用途に応じて使い分ける
ことが出来る。さらに、経糸の太さは約１０〜約２００
０デニール、好ましくは約１５〜約１０００デニールで
ある。

１本の中空糸または複数本の中空糸の束を簾状に形成す
る経糸の密度Ｗ（本／　ｃｍ　）　Ｆｉ、ガス混合物を
均一に膜面に分配し、膜面におけるガスの濃度分極を抑
えるために重要な要件であシ。

０、１≦Ｗ≦１ の条件を満たす必要がある。

すなわち、経糸の密度Ｗが０．１よりも小さいときには
、経糸間に納まる中空糸の長さが長いためＫ、その間で
中空糸のたるみが起こり易い。その結果、緯糸である中
空糸を実質上一定の間隔で平行に配列するよう規制する
ことが困難となシ、中空糸の分布密度が不均一となって
高いガス分離効率が達成できない恐れがある。

経糸の密度Ｗが１よシも大きいときには、経糸と中空糸
の接触面積が増加し、中空糸とガス混合物との接触面積
（有効膜面積）が減少する六め、ガス分離効率が低下し
たり、ガス分離膜モジュールが大型化する恐れがある。

さらに中空糸シート内の中空糸の長手方向単位長さ当り
の中空糸の束の密度Ｆ（本／ｃｍ）、積層された中空糸
シートの単位厚さ当りの積層枚数１（枚／ｃＩＲ）も重
要な要件であシ、１０’／（３，０ＸＤ）２≦ＦＸＩ≦
１０８／（１，４ＸＤ）２の関係を溝たす必要がある。

なお、この式でＤは簾状に形成された中空糸シートの緯
糸として１本ずつの中空糸を用いるときは、使用される
中空糸の外径（μｍ）、複数本の中空糸の束を用いると
きけ、所定の本数の中空糸が圧潰しないように細密に充
填してなる円筒の外径（μｍ）を表す。

また、Ｆｘｌは中空糸シートを円柱状に巻いて用いると
きは１円の中心をＦｘｌでできる正方形の中心に置いた
ときに、そこに存在する中空糸の本数で表す。多孔管の
周囲に巻いて用いるときは多孔管の外周を一辺とする扇
型内に存在する中空糸の本数で表す。

Ｆｘｌがこの範囲よシ小さいと、１本１本の中空糸（束
）は疎に充填されるためにガス混合物と十分に接触でき
るが、中空糸（束）と全く接触しないで通過するガス混
合物の量も多くなり、結果としてガス分離効率の低下お
よびガス分離膜モジュールの大型化を招く。また、Ｆｘ
ｌがこの範囲よシ大きいと、中空糸（束）が細密に充填
されるためにガス混合物との接触が不十分となったり、
中空糸を通過してきたガスの拡散が不十分になったシし
て、膜面におけるガスの濃度分極が生じゃすくガス分離
効率が低下する。

中空糸シートの積層厚みはガスの偏流による分離効率の
低下と、圧力損失を考慮すると積層厚みは通常１０〜６
００１１１ｍが適轟である。

本発明で得られる簾状に形成された中空糸シ−トは、折
畳んだり（第２図９、円柱状に巻いたシ（第３図）、多
孔管の周囲に巻いたり（第４図）などして所定の枚数に
積層した後、そのまま、あるいは多孔板で挾んだシ、多
孔管、メツシュシートや不織布などで外周を覆ったシな
どしてハウジングに入れられて、ボッティング材によシ
少なくともその一端をハウジングに固定して用いられる
。

ボッティング材としては、ポリウレタン系樹脂、エポキ
シ系樹脂やシリコン系樹脂などが用いられる。

第５図は本発明のガス分離膜モジュールの一例である円
筒状モジュールの断面図であり、多孔性の内筒１３の表
面に１本または複数本の中空糸の束を緑光で簾状に編組
して形成された中空糸シートを巻回して、多孔性の外筒
１４内に収容したガス交換用の中空糸の積層体１５を円
筒状ノ・ウジフグ１０内に収容している。上記中空糸は
その両端が開口するようにハウジングの両端を閉塞する
隔２１６．１６’で支持固定されている。ハウジングの
上端は、中空糸の内部空間と連通ずる混合ガス入口また
は濃縮ガス出口２１とハウジング１０の内部と連通する
濃縮ガス出口または混合ガス人口２２を有する上部へラ
ドカバー１９で覆われている。

またハウジングの下端は中空糸の内部空間と連通ずる混
合ガス出口または濃縮ガス出口２３を有する下部ヘッド
カバー２０で覆われている。

また円筒状ハウジング１０の上部側壁に濃縮ガス出口ま
たは混合ガス出口２４が設けられている。

第６図は円柱状に巻回された簾状の中空糸シートの積層
体２５を円筒状ハウジング２６内に収容したモジュール
の例であり、上記中空糸はその両端が開口するようにハ
ウジングの両端を閉塞する隔壁２７，２７’で支持固定
されている。ハウジングの上端は混合ガス入口または濃
縮ガス出口２８を有する上部ヘッドカバー２９で覆われ
ている。またハウジングの下端は混合ガス出口または濃
縮ガス出口３０を有する下部へラドカバ−３１で覆われ
ている。ハウジングの上部側壁には濃縮ガス出口または
混合ガス人口３２が設けられている。またハウジングの
下部側壁には濃縮ガス出口または混合ガス入口３３が設
けられている。

第７図は角筒状ハウジング４１内に中空糸シートの積層
体４２を収容したモジュールの例であり、角筒状のハウ
ジング４１内に２枚の多孔板４３が離間して設けられて
いる。そして該２枚の多孔板４３の間に簾状に編組され
た中空糸シートを積層した、例えばｔ、ｏｏｏ〜６０，
０００本程鹿の中空糸Ｌｆ′）積層体４２がハウジング
とｔｌぼ平行に配列収容されている。該多孔板４３と中
空糸Ｈの両端部はハウジング４１内において、樹脂隔壁
４４によって、液密に支持固定されている。また中空糸
４は樹脂隔壁からその開口を露出している。同時にこの
隔壁４４は、ハウジング４１内において、閉塞した室を
形成している。そしてハウジングの上下面にはそれぞれ
混合ガス入口または濃縮ガス出口４７′および混合ガス
出口または濃縮ガス出口４７が設けられている。他方隔
壁４４の外端部はへラドカバー４８によってそれぞれ覆
われており、このヘッドカバー４８には濃縮ガス出口ま
たは混合ガス人口４９、および濃縮ガス出口または混合
ガス入口４９′が設けられている。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例にて説明する。

実施例１ 外径１　ｓ　ｏ　ｏμｍ１内径１２００μｍのポリサル
ホン多孔質中空糸膜の内面に常温硬化型のシリコンゴム
を０．２μｍの厚みに薄膜コートした複合中空糸膜を１
本ずつ長さ方向の密度（Ｆ）が５本／ｃＭとなるように
配列し、１００デニールのポリエステル糸を用いて密度
（Ｗ）が０．２本／　（７／Ｉとなるように中空糸を簾
状に編組して中空糸シートを形成した。

この中空糸シートを第３図に示すように単位厚さ当りの
積層枚数（Ｉ）が４枚／　ｃｍ　、直径約７ｍとなるよ
うに円柱状に巻いて中空糸シートの積層体を形成した。

この積層体のＦｘｌは２０であり、膜面積はＩばであっ
た。この積層体を円筒状のハウジング内に収容し、その
両端をポリウレタン系樹脂で接着して１ｇ６図に示すガ
ス分離膜モジュールを作製した。

上記ガス分離膜モジュールを用いて酸素富化膜としての
性能試験を行った。すなわち、中空糸の内側（１次１ｕ
ｌｌ）にブロワ−を用いて原料空気を常温で、大気圧付
近の圧力でｉ玄み、中空糸の外側（２次（ＩＩ）を真空
ポンプで２６０　Ｔｏｒｒに減圧することくよシ、２次
側よυ酸素富化空気を得た。原料空気のフィード量は、
得られる酸素富化空気の１０倍になるよう調整した。結
果は、酸素富化空気量９．３　Ｌ／ｍｉｎ　、酸素濃度
３０．８％であった。

比較例１ 実施例１と同様の中空糸を用い、長さ方向の密度（Ｆ）
が５本／ｃ−となるように配列して、１００デニールの
ポリエステル糸で密度（Ｗ）が０．０５本／３となるよ
うに中空糸を簾状に編組して中空糸シートを形成した。

この中空糸シートを単位厚さ当りの積層枚数（Ｉ）が７
枚／　ｍ　、直径約５ＣＭとなるように円柱状に巻いて
中空糸シートの積層体を形成した。この積層体のＦＸＩ
は３５であシ、膜面積は１−であった。この積層体を円
筒状の・・ウジング内に収容し、その両端をポリウレタ
ン系樹脂で接着し°て第６図に示すガス分離膜モジュー
ルを作製した。

上記ガス分離膜モジュールを用いて実施例１と同様に酸
素富化膜としての性能試験を行った。結課は、酸素富化
空気量９．ｌＬ／ｍｉｎ、酸素濃度２７．４−であった
。

実施例１と比較して、酸素富化空気量はほとんど変わら
ないが、酸素濃度が低いことがわかる。

このことは、中空糸が細密に充填されたこと、および経
糸間に納まる中空糸の長さが長いために中空糸のたるみ
が起こったことにより、中空糸を通過してきたガスの拡
散が不十分となり、膜面におけるガスの濃度分極が生じ
てガス分離効率が低下したことを示す。

実施例２ 中空糸として、外径２５０μｍ、２００μｍのポリフェ
ニレンオキシド９不均質膜を１本ずつ長さ方向の密度（
Ｆ）が２６本／ｃＩｎとなるように配列して。

経糸として３０デニールのポリエステル糸を用いて密度
（Ｗ）が０．５本／３となるように中空糸を簾状に一組
して中空糸シートを形成した。この中空糸シートを単位
厚さ当りの積層枚数ＣＩ、ｌが２５枚／　ｔｙｎ　、直
径約３αとなるように円柱状に巻いて中空糸シートの積
層体を形成した。この積層体のＦＸＩは６５０であシ％
膜面積は１−であった。この積層体を円筒状のハウジン
グ内に収容し、その両端をエポキシ系樹脂で接着して第
６図に示すガス分離膜モジュールを作製した。

上記ガス分離膜モジュールを用いて窒素富化膜としての
性能試験を行った。すなわち、中空糸の外側（１次側）
にコンプレッサーを用いて原料空気を常温で４　Ｋ９／
　ｃｒＡ　Ｇの圧力で送込み、中空糸の内側（２次側）
を大気圧にすることによシ、１次側の出口より窒素富化
空気を得た。結果は、窒素富化空気ｊｉｋ　２３０　ｍ
／／ｍｉｎ　ｓ窒素濃［９５，４％テアった。

比較例２ 中空糸として実施例２と青様のものを用い、１本ずつ長
さ方向の密度ＣＦ）が２６本／ωとなるように配列して
、経糸として３０デニールのポリエステル糸を用いて密
度（Ｗ）が２本／ｃｔｎとなるように中空糸を簾状に編
組して中空糸シートを形成した。この中空糸シートを単
位厚さ当りの積層枚数（Ｉ）が３２枚／百、直径約２．
５　ｃｍとなるように円柱状に巻いて中空糸シートの積
層体を形成した。

この積Ｆ一体のＦｘＩは８３２であり、膜面積は１ばて
あった。この積層体を円筒状のハウジング内に収容し、
その両端をエポキシ系樹脂で接着して第６図に示すガス
分離膜モジュールを作製した。

上記ガス分離膜モジュールを用いて実施例２と同様に窒
素富化膜としての性能試験を行った結果は、窒素富化空
気＊　２２７　ａ／／ｍｉｎ　、窒素濃度８１．５−で
あった。

実施例２と比較して、膜面積当りの窒素富化空気量を同
じにしても、窒素濃度の低いことがわかる。このことは
、経糸と中空糸の接触面積が増加し、中空糸とガス混合
物との接触面積（有効狭面積）が減少したために、ガス
分離効率が低下したことを示す。

〔発明の効果〕

以上のように本発明のガス分離膜モジュールは。

中空糸が実質上一定の間隔で平行に配列するよう規制さ
れているので、ガス混合物を均一に膜面に分配すること
、および膜面におけるガスのＭ［分極を抑えることが出
来、優れたガス分離性能を発揮できる。−、また、容易
に製作ができるため安価で。

かつコンパクトであるという利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図体）ｔ（ｂ）は簾状に編組された中空糸シートの
断面図であり、第２図は中空糸シートを折畳んだ状態を
示す斜視図であり、第３図は中空糸シートを巻いた状態
を示す斜視図であシ、第４図は中空糸シートを多孔管に
巻いた状態を示す斜視図であり、第５図、第６図は不発
明のガス分離膜モジュールの一例を示す断面図であり、
第７図は本発明のガス分離膜モジュールの斜視図であり
、第８図は円筒状物または円柱状物に従来の簾状シート
を巻いた状態を示す斜視図である。 １・・・・・・・・・中空糸　　　２・・・・・・・・
・経糸特許出願人　　株式会社　り　ラ　し

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 多成分よりなるガス混合物から特定の成分を分離・濃縮
   するための選択透過性を有する中空糸の１本または複数
   本の束を経糸で簾状に形成した中空糸シートの積層体を
   ハウジング内に収容したガス分離膜モジュールであつて
   、該中空糸シートの積層体は簾状に形成された中空糸の
   １本または複数本の束の外径をＤ（μｍ）、１本の中空
   糸または複数本の中空糸の束を簾状に形成する経糸の密
   度をＷ（本／ｃｍ）、簾状に形成された中空糸シートの
   単位長さ当りの１本の中空糸または複数本の中空糸の束
   の密度をＦ（本／ｃｍ）、積層された中空糸ノートの単
   位厚さ当りの積層枚数をＩ（枚／ｃｍ）としたとき、 ０．１≦Ｗ≦１ １０＾８／（３．０×Ｄ）＾２≦Ｆ×Ｉ≦１０＾８／（
   １．４×Ｄ）＾２なる関係をもつことを特徴とするガス
   分離膜モジュール。