JPH0222692B2

JPH0222692B2 -

Info

Publication number: JPH0222692B2
Application number: JP60174048A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Takagi; Masayuki Kiuchi
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1985-08-09
Filing date: 1985-08-09
Publication date: 1990-05-21
Also published as: JPS6238220A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕この発明は、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型容器内に、
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（選択透過性、またはガス分離性能）
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いる「特
定のガス分離装置（ガス分離モジユール）」に係
るものである。この発明のガス分離装置は、特に原料ガスとし
て水素ガス成分を含有する種々の混合ガスを供給
して、分離、濃縮、精製などの用途に使用した場
合に、高い水素ガス分離性能を示すことができる
ものである。〔従来技術の説明〕従来、ガス分離性能を有する中空糸から形成さ
れた糸束組立体（その糸束の両端に樹脂壁および
封止板が形成されている糸束組立体）が内蔵され
ており、しかも原料ガス導入口、透過ガス出口お
よび未透過ガス排出口が設けられている筒型容器
からなるガス分離装置は、種々の形式のものが知
られていた。しかし、公知のガス分離装置は、原料ガス供給
口からその装置の内部に供給された原料ガス（混
合ガス）が、前記装置内の糸束を内蔵する個所の
一部（糸束の中心部、両端部など）で、偏流、滞
留などを起こすので、糸束の一部にガス分離性を
充分に示さないデツドスペースを生じやすかつた
のである。すなわち、前記のデツドスペースで
は、透過性（透過速度）の高いガス成分を高濃度
で充分に含有している新しい原料ガスを、中空糸
の表面と効果的に接触させることが困難であり、
したがつて、前記糸束のデツドスペースでは、し
だいに透過性の低いガス成分の濃度が高くなり、
透過性の高いガス成分を中空糸内の中空部に透過
させて原料ガスから特定のガス成分を分離すると
いう『中空糸の糸束本来のガス分離性能』が充分
に発揮されなかつたのである。前記の中空糸の糸束を内蔵するガス分離装置に
おける糸束のデツドスペースに関する問題を解決
させるために、「特公昭47−11696号公報に記載さ
れているように中空糸の糸束の中心部に多孔性の
パイプ（チユーブ）を内在している糸束組立体を
使用する手段など」の種々の提案がなされている
が、それらの改良された公知のガス分離装置は、
確かに中心部のデツドスペースが解消されるが、
糸束の他の部分に新たなデツドスペース部分を生
じたり、または、構造的に複雑になつてしまつて
製造または組立が極めて困難になり実用的でなか
つたり、あるいは、ガス分離装置が極めて大きく
なつてしまつて、同一容積の容器に対する有効な
中空糸膜の面積を小さくしてしまうという問題が
あつた。〔本発明の要件およびその作用効果〕この発明者らは、前記のガス分離装置の糸束の
デツドスペースに関する欠点を解消しガス分離装
置の性能を向上させることについて鋭意研究した
た結果、前述のガス分離装置において、前記の糸
束組立体の封止板（糸束の片端部が埋没されて固
着されており、その各中空糸の中空部が封止され
ている『硬化性樹脂から形成されている封止板』）
が、糸束の長手方向に沿つて封止板の厚さ方向に
貫通している少なくとも１個の貫通孔をその封止
板の中央部付近に設けることによつて、前記ガス
分離装置のガス分離性能が向上することを見い出
し、この発明を完成した。すなわち、この発明は、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型容
器内に、(a)選択透過性を有する多数の中空糸から
なる糸束、(b)前記糸束の各中空糸が貫通して開口
した状態で糸束の片端部を固着している、硬化性
樹脂から形成された樹脂壁、および(c)前記糸束の
他端部の各中空糸を封止し、固着している、硬化
性樹脂から形成された封止板からなる糸束組立体
が内蔵されているガス分離装置において、前記の糸束組立体の封止板が、糸束の長手方向
に沿つて封止板の厚さ方向に貫通している少なく
とも１個の貫通孔を封止板の中央部付近に有して
おり、そして、その封止板が、前記筒型容器の端
部に設けられている未透過ガス排出口に近接した
位置に配置されており、しかも前記封止板の貫通
孔と前記未透過ガス排出口とが連通しており、ま
た、前記糸束組立体の樹脂壁が前記筒型容器の他
の端部に設けられている透過ガス出口に近接する
位置で、前記筒型容器に固定および密封されてお
り、しかも前記樹脂壁の各中空糸の開口部と透過
ガス出口とが連通しており、さらに、原料供給口
が前記樹脂壁に近接する前記筒型容器の胴部に設
けられていることを特徴とするガス分離装置に関
する。この発明のガス分離装置は、前述のように中空
糸の糸束組立体の封止板に、貫通孔が設けられて
いるので、封止板の付近に存在した糸束のデツド
スペースが解消され、その結果、混合ガスから各
ガス成分を分離する際のガス透過速度および選択
分離性能が共に向上するのである。〔本発明の各要件の詳しい説明〕以下、この発明のガス分離装置について、図面
も参考にして詳しく説明する。第１図は、この発明のガス分離装置の一例を示
す断面図であり、第２図は、前記ガス分離装置に
内蔵されている中空糸の糸束組立体の一例を示す
断面図であり、さらに、第３図は、前記糸束組立
体の樹脂壁の各中空糸の開口部側から見た側面図
であつて、また、第４図は、前記糸束組立体の封
止板の貫通孔の開口側からみた側面図である。この発明のガス分離装置に使用されている外殻
となる容器は、第１図に示すように、ガス分離しようとする混合ガスからなる原料ガ
ス（例えば、水素ガスと一酸化炭素との混合ガ
ス、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスなどの水素
ガスを含有する混合ガスなど）を供給するための
原料ガス導入口１、この容器に内蔵されている糸束組立体９の各中
空糸を高い透過速度で透過して、糸束組立体９の
樹脂壁６の各中空糸の開口部から出てくる透過ガ
ス成分を、このガス分離装置から次のプロセスへ
送出するための透過ガス出口２、および原料ガスが糸束組立体９の各中空糸に沿
つて接触しながら流れることによつて、透過速度
の早いガス成分が大部分選択的に透過して原料ガ
スから除かれた後の未透過ガス成分を、糸束組立
体９の封止板７の貫通孔８を通して排出するため
の未透過ガス排出口３が、少なくともそれぞれ設
けられている円筒型などの筒型容器４からなるも
のであればよい。前記の筒型容器は、片方の端部に透過ガス出口
があり、他の端部に未透過ガスの排出口が設けら
れており、そして、糸束の樹脂壁の付近であつて
筒型容器の胴部の中央部側に原料ガス導入口が設
けられていればよく、さらに前記の原料ガス導入
口、透過ガス出口および未透過ガス排出口以外の
その他の容器構造は必ずしも第１図に示す容器の
ような構造に限定されるものではない。また、前
記の筒型容器は、前記の原料ガス導入口、透過ガ
ス出口および未透過ガス排出口の他は、外部に向
かつて開口しておらず密封されている耐圧性の容
器であることが好ましい。この発明では、前記の筒型容器４の内部に内蔵
され、固定されている糸束組立体は、第２〜４図
に示すように、 (a) 選択透過性を有する中空糸を、多数本、適当
な密度で束ねられている糸束５、 (b) 前記糸束５の各中空糸の片側の端部が貫通し
ていて、しかもその各中空糸の片側の端部の中
空部が開口した状態となつており、さらに、前
記糸束５の片側の端部の全体を一体に固着して
いる、アクリル系硬化性樹脂、エポキシ系硬化
性樹脂などの硬化性樹脂、特に常温硬化性樹脂
または熱硬化性樹脂から形成された樹脂壁６、
および、 (c) 前記糸束５の他端部の各中空糸の中空部を完
全に封止し、しかも前記糸束の他端部の全体を
一体に固着している、前述と同様の硬化性樹脂
から形成された封止板７からなる糸束組立体９
であればよい。前記の樹脂壁および封止板は、前述の筒型容器
の内部形状、特に、糸束組立体を保持または固定
するための内部構造などに、合致するようなサイ
ズ、外形（例えば、円形、多角形など）の横断面
形状を有する板状体となつていればよい。前記の封止板の横断面形状は、糸束が大略円柱
状であるので特に円形であることが好ましいが、
その場合に、その円形の径が、糸束の径より僅か
に（約0.1〜６mm程度）大きいこと、あるいは特
に糸束の径の約1.001〜1.05倍、さらに好ましく
は1.005〜1.03倍程度であることが適当である。
また、樹脂壁の横断面形状においては、筒型容器
に保持、及び固定しさらに密封させるために、糸
束の径より比較的（約６〜30mm程度）大きいこと
が好ましく、あるいは特に糸束の径の1.04〜1.4
倍、さらに好ましくは1.05〜1.3倍程度であるこ
とが好ましい。前記の中空糸は、例えば、水素を主成分として
含有する混合ガスから水素ガスを選択的に透過さ
せて分離させることができる非対称性分離膜また
は複合分離膜（内側に多孔質層を有し、そして外
表面側に均質層を連続してまたは積層・複合され
て有する膜）から形成されていて、中空部を有す
る中空糸であれば、どのような材質、タイプのも
のであつてもよく、特に、ポリアミド製中空糸、
ポリイミド製中空糸などが、耐熱性、耐圧性、耐
薬品性などにおいて優れている。この発明における『前記筒型容器内に糸束組立
体が内蔵されているガス分離装置』においては、
第２図〜第４図に示すように、前記の糸束組立体９の封止板７は、糸束５の長
手方向に沿つて封止板７の厚さ方向に貫通してい
る『少なくとも１個、好ましくは１〜20個の貫通
孔８』が、封止板７の中央部付近に設けられてお
り、そして、その封止板７が、前記筒型容器４の
端部に設けられている未透過ガス排出口３に近接
した位置に配置されていて、さらに、未透過ガス
が排出されるように、前記封止板７の貫通孔８と
前記未透過ガス排出口３とは、空隙部１０を経由
して連通しており、また、前記糸束組立体９の樹脂壁６は、前記筒型容器
４の他端部に設けられている透過ガス出口２に近
接する位置において、前記筒型容器４の内部に保
持または固定および密封されており、しかも、透
過ガスが送出されるように、前記樹脂壁６の各中
空糸の開口部と透過ガス出口２とは、空隙部１１
を経由して連通しているのである。前記の封止板７の貫通孔８は、第５図の(1)〜(6)
に示すように種々のタイプの配列または配置で貫
通されている複数の貫通孔であつてもよく、ま
た、その場合に、貫通孔は、封止板７の最外周と
中心との距離（半径）の少なくとも9/10倍、特に
４／５倍以内、さらに好ましくは3/4倍以内の半径で
囲まれた封止板の中央部付近に設けられているこ
とが好ましく、また、その貫通孔の配置は、でき
るだけ均一な未透過ガスの排出ができるように、
封止板７の中央付近に均一に配設されていること
が好ましく、特に、その封止板７の横断面形状
（例えば、円形）の中心軸に対して回転対称とな
つている（貫通孔の配置について、少なくとも２
本の対称にわけることができる直線があり、その
直線が中心軸で互いに交差している）ことが、好
適である。さらに、封止板の貫通孔が、複数設けられてい
る場合には、それぞれの貫通孔の開口面積は、す
べて全く同じであつてもよく、または互いに異な
つていてもよいが、開口面積がそれぞれ異なつて
いる場合には、最大の開口面積を有する貫通孔の
開口面積が、最小の開口面積を有する貫通孔の開
口面積の10倍以下、特に６倍以下、さらに好まし
くは４倍以下であることが、未透過ガスの排出を
均一に行わせるために、適当である。この発明においては、前記の封止板の貫通孔の
開口面積の総計（Sh）と封止板の総面積（Ｓ）
との比〔開口率；（Sh／Ｓ）×100〕が、約0.25〜
40％、特に0.5〜30％程度であることが好適であ
る。前記の開口率が余りに小さくなり過ぎると、
原料ガスの供給量が多くなるに従つて圧損が大き
くなり、また封止板の近傍におけるデツドスペー
スの解消を充分に行うことができないことがある
ので適当ではなく、また、前記の開口率が余りに
大きくなり過ぎると、逆に、糸束の中空糸間の空
隙を保持して糸束を封止するために封止板を大き
くしなければならなくなり、糸束の充填率（容器
中において、糸束を形成している中空糸が占める
総面積の専有割合を言う）が小さくなり過ぎてガ
ス分離性能が低下するか、あるいは、糸束を形成
する中空糸の使用本数を減少しなければならなく
なり、結果的に、ガス分離装置の処理能力が低下
することになるので適当ではない。この発明において、糸束組立体９の封止板７の
周縁部と筒型容器４の内壁との間を、パテ、ゴム
系、シリコン系、エポキシ系接着剤で密封する方
法、あるいはＯ−リングのシールなど、さらにそ
の他の適当な材料または手段で封止してしまう
と、さらにガス分離性能が向上することがあるの
で適当である。この発明で使用する前記の糸束組立体の封止板
の形成は、例えば、中空糸の糸束の一方の端部を
熱硬化性樹脂で固着して封止する際に、糸束の一
方の端部に、所定の外系を有し、かつ熱硬化性樹
脂の硬化物と接合しない材質（例えば、テフロン
系樹脂など）のチユーブあるいはロツド（柱状
体）を予め挿入しておいて、ついで、中空糸の糸
束の端部に金型内で熱硬化性樹脂などを充満させ
加熱硬化させて、その樹脂が完全に硬化した後、
前記チユーブあるいはロツドを引き抜くことによ
つて、封止板を形成すると共に、封止板の中央部
付近に貫通孔を形成する方法が好ましい。〔実施例〕以下、実施例および比較例を示して、この発明
をさらに詳しく説明する。実施例１〜５内径約200μであり壁の厚さ約90μであるポリイ
ミド中空糸からなる長さ1000mmの糸束の片端部の
中央部に第１表に示す数および径のテフロン樹脂
製のロツドを挿入した状態で、エポキシ樹脂系熱
硬化性樹脂によつて中空糸の糸束の両端部を完全
一体に固着し、樹脂壁となる樹脂硬化板及びロツ
ドが挿入されたままの封止板が形成された糸束組
立体の前駆体を製作した。最後に前記樹脂硬化板
を長手方向に直角に切断して各中空糸が樹脂壁を
貫通してそれぞれ開口している樹脂壁となし、そ
して、封止板から前記のロツドを抜き出して貫通
孔を開口し、第２〜４図に示すような各中空糸が
貫通し開口した状態固着されている樹脂壁６およ
び中央部に貫通孔８を有する封止板７（径が40mm
であり、ドーナツ状の円板状である）が設けられ
ている糸束組立体９を形成した。前述のようにして製作した各糸束組立体におけ
る封止板の貫通孔の開口面積と封止板の面積との
比率（％）で示される開口率を第１表に示す。第１図に示すように、前記の糸束組立体９を、
原料ガス導入口１、透過ガス出口２および未透過
ガス排出口３が設けられている筒型容器４に収納
して、糸束組立体９の樹脂壁６を筒型容器４の透
過ガス出口２に近接した保持構造の個所で密着お
よび密封させて固定し、さらに封止板７の周面と
筒型容器４の内面との間隙をシリコン系樹脂から
なる封止剤で密封して、ガス分離装置を製造し
た。

【表】前述のようにした製造したガス分離装置につい
て、ガス分離性能試験および純ガス透過試験を行
つた結果を、第２表に示す。実施例６実施例４で製造してガス分離装置を使用し、そ
の装置を第１図に示すようにではなく、原料ガス
導入口１と未透過ガス排出口３とを互いに反対に
して用いて、ガス分離性能試験および純ガス透過
試験を行つた。その結果を第２表に示す。比較例１糸束組立体を形成する際に、テフロン樹脂製の
ロツドを全く使用せず、従つて、貫通孔を有して
いない封止板が設けられるようにし、封止板の径
もやや小さくしたほかは実施例１と同様にして糸
束組立体を製作し、さらに、その糸束組立体を使
用し、しかもその糸束組立体の封止板の周面と筒
型容器の内面との間隙を約５mmの間隔で開口した
ままにしたほかは、実施例１と同様にして、ガス
分離装置を製造した。前述のようにした製造したガス分離装置につい
て、ガス分離性能試験を行つた結果を、第２表に
示す。なお、ガス分離試験において、試験に使用した
混合ガスは、窒素ガス50容量％およびヘリウムガ
ス50容量％からなる混合ガスであり、供給する混
合ガスはそのガス流速を第２表に示したように３
段階で行い、また、供給する混合ガスの圧力は、
20Kg／cm²Ｇであり、さらに、糸束の樹脂壁の各中
空糸の開口部側は、大気圧に開放した状態にし
て、大気圧とほぼ同じ圧とした。また、ガス分離試験において、ガス分離度（選
択透過性）は、ヘリウムガスの透過速度を窒素ガ
スの透過速度で割つて算出される値で示す。なお、比較のために、ヘリウムガスまたは窒素
ガスのみの純ガスを使用して、ガス透過試験（実
質的にガス分離試験と全く同じである）を行い、
その結果から純ガスの各透過速度から算出される
純ガスの分離度（理論分離度）も第２表に示す。さらに、前述の混合ガスの分離度を純ガスの分
離度で割つて100倍して算出された値を、分離効
率として、第２表に示す。前記の第２表に示す各ガスの透過速度の単位
は、（×10^-7）cm³／cm²・sec・cmHgである。

【表】

【表】実施例７糸束組立体の封止板について貫通孔の配置を第
５図の(2)と同様になるようにし、しかもその貫通
孔の径をそれぞれ４mmとなるようにして、糸束組
立体を製作したほかは、実施例１と同様にして、
ガス分離装置を製造した。前記の封止板において、中心部以外の４個の貫
通孔の位置は、封止板の中心から10mmの距離にそ
れぞれあり、貫通孔の数は、５個であり、それら
の貫通孔の開口部の総面積についての開口率は、
5.0％であつた。前記のガス分離装置を使用して、ガス分離性能
試験および純ガス透過試験を行つた。その結果を
第３表に示す。実施例８糸束組立体の封止板について貫通孔の配置を第
５図の(4)と同様になるようにし、しかもその貫通
孔の径をそれぞれ２mmとなるようにして、糸束組
立体を製作したほかは、実施例１と同様にして、
ガス分離装置を製造した。前記の封止板において、中心部以外の８個の貫
通孔の位置は、封止板の中心から10mmの距離にそ
れぞれあり、貫通孔の数は、９個であり、それら
の貫通孔の開口部の総面積についての開口率は、
2.3％であつた。前記のガス分離装置を使用して、ガス分離性能
試験および純ガス透過試験を行つた。その結果を
第３表に示す。

【表】

【表】【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のガス分離装置の一例を示
す断面図であり、第２図は、前記ガス分離装置に
内蔵されている中空糸の糸束組立体の一例を示す
断面図であり、さらに、第３図は、前記糸束組立
体の樹脂壁の各中空糸の開口部側から見た側面図
であつて、また、第４図は、前記糸束組立体の封
止板の貫通孔の開口側からみた側面図である。第
５図は、前記の糸束組立体の封止板において複数
の貫通孔が設けられる場合の貫通孔の配置を種々
例示する平面図である。１；原料ガス導入口、２；透過ガス出口、３；
未透過ガス排出口、４；筒型容器、５；（中空糸）
の糸束、６；樹脂壁、７；封止板、８；貫通孔、
９；糸束組立体。

Claims

【特許請求の範囲】１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型容器内に、(a)選択透過性
を有する多数の中空糸からなる糸束、(b)前記糸束
の各中空糸が貫通して開口した状態で糸束の片端
部を固着している、硬化性樹脂から形成された樹
脂壁、および(c)前記糸束の他端部の各中空糸を封
止し、固着している、硬化性樹脂から形成された
封止板からなる糸束組立体が、内蔵されているガ
ス分離装置において、前記の糸束組立体の封止板が、糸束の長手方向
に沿つて封止板の厚さ方向に貫通している少なく
とも１個の貫通孔を封止板の中央部付近に有して
おり、そして、その封止板が、前記筒型容器の端
部に設けられている未透過ガス排出口に近接した
位置に配置されており、しかも前記封止板の貫通
孔と前記未透過ガス排出口とが連通しており、ま
た、前記糸束組立体の樹脂壁が前記筒型容器の他
の端部に設けられている透過ガス出口に近接する
位置で、前記筒型容器に固定および密封されてお
り、しかも前記樹脂壁の各中空糸の開口部と透過
ガス出口とが連通しており、さらに、原料供給口
が前記樹脂壁に近接する前記筒型容器の胴部に設
けられていることを特徴とするガス分離装置。