JPH02135117A - 気体分離モジュールおよび多段式気体分離装置 - 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〕 この発明は、外気の組成ガスの濃縮分離および半閉鎖も
しくは閉鎖環境中の混合ガスの組成ガスの濃縮または単
一ガス別への分離に用いられる気体分離モジュールと、
この気体分離モジュールを用いた多段式気体分離装置に
関するものである。

〔従来技術〕

ガスの分離、除去方法として従来から深冷法。

吸着法などがあるが、近年、ガスを選択的に透過する高
分子膜（非多孔質膜）が開発されている。このガス分離
膜は、深冷分離のように相変化を伴わないためエネルギ
ー的に有利であり、また化学反応を用いて分離するので
はないため、小型、軽量化が容易というメリットがあり
、例えば燃焼システムでは、２重丸程度の酸素を４０％
程度に濃縮する酸素富化膜として利用されている。

このようなガス分離膜は、環境中へ膜素材から化学物質
を全く出さず、再生不要、しかも膜面積の大きい、内部
が空洞になったファイバー状の中空糸を束にしてモジュ
ールを形成するのが一般的であり、従来のモジュール構
造としては、第４図に示すような内圧軸流方式あるいは
第５図に示すような外圧放射流方式がある。

内圧軸流方式は、多数の中空糸膜ＩＡを軸方向に平行に
束にして円筒状の中空糸積層体１を形成し、この両端部
を仕切板２によって支持し、このような中空糸積層体１
を円筒状の耐圧ケーシング３内に配置して構成され、供
給ガスＧｓを耐圧ケーシング３の一端部から多数の中空
糸膜ＩＡ内に供給し、膜を内部から透過した透過ガスＧ
を中空糸積層体１の外周から取り出し、透過しない通過
ガスＧ゛を耐圧ケーシング３の他端部から取出すように
されている。

外圧放射流方式は、多数の供給孔４Ａを有する供給管４
を耐圧ケーシング３の中心軸に沿って配設し、この供給
管４の外周に中空糸積層体１を設けて構成され、供給管
４から供給ガスＧｓの放射流を吐出させ、中空糸膜ＩＡ
の外部から内部へ透過した透過ガスＧを耐圧ケーシング
３の両端部から取り出し、通過ガス次の中空糸積層体１
の外周から取出すようにされている。

〔この発明が解決すべき課題〕

しかしながら、内圧軸流方式の場合、軸方向のガスの流
動抵抗は小さいものの、放射方向の透過ガスの流動抵抗
が大きいため、透過率が低く、性能改善も限界に近くな
っている。

外圧放射流方式の場合、供給ガスの流束の軸方向コント
ロールが困難で流束エネルギーが中空糸積層体中で部分
的に集中し、透過率向上もモジュールの構造上からは限
界に近い。さらに、中心から外へ向けて放射状に供給ガ
スが供給されるため、中空糸積層体内における供給ガス
圧降下方向と、層膜面積の増加方向が一致するため、透
過率が大きくできない一因となっている。

一方、宇宙ステーション、潜水船等の閉鎖空間において
は、発生する炭酸ガスを除去する必要があり、このよう
な閉鎖空間の炭酸ガスの分離、除去にガス分離膜を使用
することが考えられる。

しかしながら、ガス分離膜は、炭酸ガスのみでなく、窒
素、酸素ガス等も・透過させ、例えば、シリコーンゴム
系の場合、ガス透過係数比はＮ２：０□　：ＣＯ□＝１
：２：１１であり、閉鎖空間の空気組成はＮｚニア８％
、０□　：２１％。

ＣＯ□　：１％程度であるため、窒素、酸素ガスの外部
損失が太き（、かつ低濃度の炭酸ガスを十分に分離、除
去できないという問題がある。

また、前述のような従来のモジュール構造では透過率−
が低く、前述の問題と相まって閉鎖空間における炭酸ガ
スの分離、除去にガス分離膜を利用できなかった。

この発明は、このような事情に鑑みてなされりもので、
その目的は、比較的簡単な構成でガスの透過率を向上さ
せることのできる気体分離モジュールおよびこの気体分
離モジュールを用いて閉鎖空間内などの混合ガスからの
特定の低濃度ガスを濃縮２分離し、除去し得る多段式気
体分離装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る気体分離モジュールＭは、第１図に示す
ように、耐圧ケーシング３の中心に、多数の通気孔６を
中央部に有する通過ガス取出管５を耐圧ケーシング３を
貫通させて配設し、耐圧ケーシング内における通過ガス
取出管５の中央部外周に多数の中空状気体分離部材ＩＡ
を積層し、この筒状積層体１の外周に供給ガスＧｓが導
入される供給チャンバー７を形成し、筒状積層体１０両
端部に透過ガスＧの取出チャンバー８を設けて構成し、
中空状気体分離部材ＩＡの外部から供給ガスＧｓが供給
され、かつガス流が外方から中心へと向かう外圧及放射
流式としたものである。

この発明に係る多段式気体分離装置は、前述の外圧及放
射流式気体分離モジュールＭを、第３図に示すように、
閉鎖空間等の混合ガス空間Ｓに、多数直列に接続して多
段とし、各モジュルＭの透過ガスを順次次段へ供給し、
第１段のモジュールＭ、の通過ガスを浄化ガスとして取
出し、第２段以降のモジュールの通過ガスを前段のモジ
ュールに戻し、最終段のモジュールの透過ガスを濃縮ガ
スとして取出すようにしたものである。

〔作　用］ 供給チャンバー７に供給された供給ガスＧＳは、筒状積
層体１の外方から中心へと向かい、中空状気体分離部材
ＩＡを外部から内部へと透過した透過ガスＧが部材ＩＡ
内を通り、取出チャンバー８に供給され、モジュール外
へ取出される。透過しない通過ガスＧ゛は通気孔６を通
り、通過ガス取出管５０両側から取出される。

ここで、供給ガスＧｓは供給チャンバー７内にほぼ均等
に供給され、供給チャンバー７に対応して分布する通気
孔６から流出するため、供給ガスＧｓＯ流束を積層体１
の軸方向に略均−にすることができる。また、この流束
が外方から中心へと向かうため、供給ガス圧降下方向と
層膜面積の減少方向が一致し、積層体の全体にわたって
ほぼ均等にガスが膜面に接する。以上のような積層体の
軸方向および放射方向にわたる均等の接触によってモジ
ュールの透過率が著しく向上する。

多段式気体分離装置においては、混合ガス中の低濃度の
特定ガスが多段のモジュールＭにより順次濃縮され、高
濃度の特定ガスが系外へ取出される。透過されなっかた
通過ガスが前段のモジュールへ戻されるため、未回収の
特定ガスを再回収でき、特定ガスの濃度をより高くでき
る。また、宇宙ステーションのような閉鎖空間において
は、各モジュールで透過した窒素、酸素ガスが上流側へ
順次次され、第１段のモジュ一ルより閉鎖空間へ供給さ
れるため、窒素、酸素ガスの外部放出による損失が著し
く低減される。

〔実施例〕

これは、宇宙ステーション等の閉鎖空間Ｓにおける炭酸
ガス除去システムに適用した例であり、中空状気体分離
部材に炭酸ガスの透過係数の大きいシリコーンゴム系の
中空糸膜ＩＡを用いている。

第１回、第２図に示すように、外径りの円筒状の耐圧ケ
ーシング３の中心に、外径１／６Ｄ程度の通過ガス取出
管５をケーシングを貫通させて配設し、この取出管５の
中央部に外径５／６Ｄ程度の円筒状の中空糸積層体１を
設ける。中空糸積層体１の両端部はシリコーンゴム加硫
の仕切板２により支持され、この仕切板間における取出
管５に通気孔６を穿設すると共に、仕切板２をカバー９
で覆うことにより透過ガスＧの取出チャンバー８を形成
する。さらに、耐圧ケーシング３とカバー９の間に、周
方向に多数の連通孔ｌＯを有する仕切板１１を設け、中
空糸積層体１の外周に供給チャンバー７、両端部に導入
チャンバー１２を形成する。エンドプレート１３には、
供給ガスＧｓの供給管４と、透過ガスＧの取出管１４を
取付ける。

供給ガスＧｓは、耐圧ケーシング３の両側の導入チャン
バー１２を通って供給チャンバー７に両側から周方向に
均等に供給される。供給チャンバー７内の供給ガスＧｓ
は中空糸膜ＩＡに直交するように流動し、透過しなかっ
た通過ガスＧ゛が通気孔６を通って取出管５の両側から
モジュール外へ取出される。

ここで、中空糸積層体１においては、中央部のガス流量
が多くなるため、通気孔６は中央部で径を大きくし、仕
切板２へ近付くほど小径とするのが好ましい。また、中
空糸積層体Ｉの内周および外周にネットスクリーン１５
を設け、積層体を保持すると共に、通気孔６に中空糸が
密着して孔を塞ぐのを防止する。

中空径膜ＩＡを透過した透過ガスＧは、取出チャンバー
７、取出管１４により、ケーシング３の両側からモジュ
ール外へ取出される。

次に、炭酸ガス除去用の多段式気体分離装置は、第３図
に示すように、第１図の外圧及放射流式の気体分離モジ
ュールＭを、閉鎖空間Ｓに４台直列で接続し、それぞれ
のモジュールＭの入側に、上流側から順に、閉鎖空間Ｓ
内の空気Ａ０を第１モジュールＭ１に供給するコンプレ
ッサーＣＩ、吸気側を負圧にし、吐出側を正圧に保つ真
空ポンプ・コンプレッサー０２〜Ｃ４を配設し、最終段
の第４モジュールＭ４の出側に炭酸ガス排気用の真空ポ
ンプＶＰを設ける。

さらに、第１モジュールＭ＋の浄化空気ＡＩ’を閉鎖空
間Ｓに戻し、第２段以降のモジュールＭｚ　、Ｍｘ　、
Ｍ４の通過ガスＡ゛を戻り配管１６を介して前段のモジ
ュールにおけるコンプレッサーの手前に戻すようにされ
ている。

以上のような構成において、閉鎖空間Ｓ内の約１．０％
の炭酸ガスを含む空気入〇がコンプレッサーＣ１に加圧
され、第１モジユールＭ、に入る。供給空気Ａ０は、中
空糸膜のガス透過係数比（シリコーン系、ｃｏ、：０□
　：Ｎ２；１１：２：１）に比例した透過率で透過され
、大部分のＣＯ□ガスおよび一部のＮ２　・０□ガスが
中空糸膜を透過する。

この透過ガスＡ、は、約９％のＣＯ□ガス濃度となり、
次段の真空ポンプ・コンプレッサーＣ２で吸引、加圧さ
れて第２モジュールＭ２の供給ガスとなる。一方、第１
モジュールＭ１において透過しなかった通過ガスＡＩ’
は、後述する多段の分離により、ＣＯ□ガスの殆どない
浄化空気となり、閉鎖空間Ｓ内に戻される。

第２モジュールＭ２においては、ＣＯ２ガスがさらに濃
縮され、ＣＯ２ガス濃度は例えば約４０％となる。この
モジュールＭ２の通過ガスＡ２゛は、第１モジュールＭ
１のコンプレッサＣ２の吸気側に戻され、通過ガスＡ２
゛中に含まれる少量のＣＯ□ガスの再度回収を図る。

第３．第４モジユールＭ３．Ｍ４においても、ＣＯ□ガ
スの濃縮１通過ガスの再回収がなされ、第４モジュール
Ｍ４を透過したガスＡ４のＣＯ２ガス濃度は９５％以上
となり、真空ポンプＶＰにより閉鎖空間Ｓの系外に排出
される。

また、各モジュールＭ、〜Ｍ３を透過したＮ２・０□ガ
スは、戻り配管１６により上流側へ戻され、殆どが浄化
空気Ａｌ′により閉鎖空間Ｓへ供給される。従って、Ｎ
２　・０□ガスの外部放出による損失を著しく低減させ
ることができる。

なお、以上はシリコーン系中空糸膜の使用を前提として
モジュールを４段としたが、これに限定せず、中空糸膜
の透過性能９分離性能に応じて段数を増減できることは
いうまでもない。

また、以上は閉鎖空間におけるＣＯ２ガスを濃縮・分離
・除去し、浄化ガスを閉鎖空間へ戻す閉鎖サイクルにつ
いて説明したが、これに限らず、大気中からのＮ２　・
０□の分離、その他の混合ガス中から特定のガスを濃縮
・分離する場合にも本発明を適用できる。

〔発明の効果〕

前述のとおり、本発明に係る気体分離モジュールは、中
空糸積層体の外周に供給ガスを供給し、この中空糸積層
体の中心に配置した取出管により通過ガスを取出す外圧
及放射流式とじたため、供給ガスの流束を積層体の軸方
向にほぼ均一にすることができると共に、供給ガス圧降
下方向と層膜面積の減少方向を一致させることができ、
積層体全体にわたって効率良くガスが接触し、比較的簡
単な構成により、モジュールの透過性能を著しく向上さ
せることができる。

また、この発明に係る多段式気体分離装置は、外圧及放
射流式モジュールを多段とし、第２段以降のモジュール
の通過ガスを前段モジュールに戻すようにしたため、低
濃度ガスを混合ガス空間から容易に高濃度ガスとして分
離し、除去することができる。

また、第１段モジュールからの通過ガスを閉鎖空間に戻
すようにすれば、宇宙ステーション等において、ＣＯ□
ガスがほぼ除去された浄化空気を閉鎖空間に戻せると共
に、外部放出による０２　・Ｎ２ガスの損失を著しく低
減でき、閉鎖空間におけるＣＯ２ガス除去を経済的に行
える。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は、この発明に係る気体分離モジュール
を示す縦断面図、横断面図、第３図はこの発明に係る多
段式気体分離装置を示す概略図、第４図、第５図は従来
の気体分離モジュールを示す概略図である。 Ｍ・・気体分離モジュール、Ｇｓ・・供給ガス、Ｇ・・
透過ガス、Ｇ′　・・通過ガス、１・・筒状中空糸積層
体、ｌＡ・・中空状気体分離部材（中空糸膜）、２・・
仕切板、３・・耐圧ケーシング、４・・供給管、５・・
通過ガス取出管、６・・通気孔、７・・供給チャンバー
８・・取出チャンバー　９・・カバー　１０・・連通孔
、１１・・仕切板、１２・・導入チャンバー　１３・・
エンドプレート、１４・・取出管、１５・・ネットスク
リーン、Ｉ６・・戻り配管。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）耐圧ケーシングの中心に、多数の通気孔を中央部
   に有する通過ガス取出管を耐圧ケーシングを貫通させて
   配設し、耐圧ケーシング内における通過ガス取出管の中
   央部外周に多数の中空状気体分離部材を積層し、この筒
   状積層体の外周に供給ガスが導入される供給チャンバー
   を形成し、前記筒状積層体の両端部に透過ガスの取出チ
   ャンバーを設けたことを特徴とする気体分離モジュール
   。
2. （２）請求項（１）記載の気体分離モジュールを混合ガ
   ス空間に、多数直列に接続して多段とし、各モジュール
   の透過ガスを順次、次段へ供給し、第１段のモジュール
   の通過ガスを浄化ガスとして取出し、第２段以降のモジ
   ュールの通過ガスを前段のモジュールに戻し、最終段の
   モジュールの透過ガスを濃縮ガスとして取出すように構
   成したことを特徴とする多段式気体分離装置。