JPH0259015A - ガスの分離方法 - 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、ガスの分離方法、詳しくは中空糸状分離膜を
内蔵するガス分離膜モジュールを用いて行うガスの分離
方法に関する。

〔従来の技術］ 混合ガスの中から特定の成分ガスを分離・濃縮する方法
として、原料ガス導入口、透過ガス出口及び非透過ガス
出口を有する筒状容器内に、多数の中空糸状分離膜を束
ね、その両端部を樹脂製管板で固着して形成した中空糸
束を収容してなるガス分離膜モジュールを用いて行うも
のがある。上記ガスの分離方法に用いるガス分離膜モジ
ュールとしては、筒状容器内に収容されている中空糸束
が、一方の管板の外側端面のみで中空糸状分離膜の末端
が開口され（他方では末端が管板の樹脂で閉塞され、気
密封止されいる）、該開口末端を介してのみ中空糸状分
離膜の内側空間が透過ガス出口に連結されているものが
知られている。

上記ガス分離膜モジュールにおいては、原料ガス導入口
から原料ガスを所定の加圧下で筒状容器内に流入させ、
該容器内に収容されている中空糸状分離膜に接触させる
ことにより、該中空糸状分離膜を透過したガスを上記管
板における開口末端を経て上記透過ガス出口から流出さ
せ、一方、上記中空糸状分離膜を透過しなかったガスを
非透過ガス出口から流出させることにより上記原料ガス
の分離・濃縮の処理が行われる。その際、透過ガス成分
が中空糸状分離膜を透過する推進力を維持するためには
、該中空糸状分離膜の外側と内側とにおける上記透過ガ
ス成分の分圧差を十分に確保し且つ維持する必要がある
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、中空糸状分離膜の内側空間に透過した透
過ガスを、上記のように、一方の管板の外側端面に形成
された開口末端を経て流出させる場合は、上記中空糸状
分離膜の内側空間における圧力…失が大きいため、該中
空糸状分離膜の内側空間から透過ガスを速やかにパージ
することができず、その結果中空糸状分離膜の内側と外
側との分圧差を維持し、該中空糸状分離膜の分離性能を
十分に発揮させることができないという問題があった。

従って、本発明の目的は、中空糸状分離膜の内側空間か
ら透過ガスを速やかにパージすることができ、その結果
、中空糸状分離膜の外側と内側とにおける透過ガス成分
の分圧差を十分に確保し且つ維持し、該中空糸状分離膜
の分離性能を効果的に発揮させ、高い分離効率で原料ガ
スの分離を行うことができるガスの分離方法を提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、原料ガス導入口、二つの透過ガス出口及び非
透過ガス出口を存する筒状容器内に、束ねられた多数本
の中空糸状分離膜の両側部が樹脂製管板で固着され且つ
該両管板の外側端面では何れも該中空糸状分離膜の末端
が開口されてなる中空糸束が収容され、上記両外側端面
がそれぞれ第一透過ガス出口及び第二透過ガス出口に連
通ずる空間に面しているガス分離膜モジュールを用い、
第一透過ガス出口及び第二透過ガス出口を何れも真空系
に接続した状態の下で、原料ガス導入口から原料ガスを
流入させ、非透過ガス出口より分離処理がなされた製品
ガスを流出させることを特徴とするガスの分離方法を提
供するものである。

［作用］ 本発明によれば、中空糸状分離膜の内側空間を、その両
開口末端を介して真空系に連結することにより、上記内
側空間における長さ方向の圧力…失を減少させることが
でき、その結果上記内側空間から透過ガスを速やかにパ
ージすることができることになり、中空糸状分離膜の分
離性能を有効に発揮させることが可能となる。

本発明方法は、高い分離性能を有している中空糸状分離
膜を用いて選択的に特定成分を透過させるが、中空糸状
分離膜の外側空間に流入させる原料ガスの供給圧力を高
くするだけでは中空糸状分離膜の内側空間に透過した透
過ガスを速やかにパージすることができないため、該内
側空間と上記外側空間とにおける透過ガス成分の分圧差
を十分に確保し且つ維持することができない中空糸状分
離膜を用いる場合に適用して特に有効である。

以下、本発明方法の好ましい一実施態様について説明す
る。

先ず、本実施態様において用いるガス分離膜モジュール
を第１図に示す概略断面図に基づいて説明する。

上記ガス分離膜モジュールは、円筒状の耐圧容器１でそ
の外殻（シェル）が形成され、該容器１にはその左側端
に近接した筒壁部に原料ガスの導入口２が、また、その
左右両側の端壁部には二つの透過ガス出口３及び３”が
それぞれ設けられている。また、上記容器１の内部には
、多数の中空糸状分離膜４を略円柱状に束ね、その両端
部を樹脂製の第一管板５及び第二管板６で一体的に固着
して形成した中空糸束７が収容されており、しかも、こ
れら第一管板５及び第二管板６はそれぞれその周囲を上
記容器１の内周壁に密着させ、気密状態で支持固定され
ている。更に、上記中空糸束７の軸中心には、第−管板
５及び右側端壁を貫通する芯管８が配設されている。上
記芯管８には、上記第一管板５の近傍に通気孔８ａが穿
設されており、該芯管８の一端は非透過ガス出口９とし
て機能し、その他端は上記第二管板６に埋設され、封止
されている。

また、上記管板５．６に固着されている全ての中空糸状
分離膜４は、該両管板５．６の外側端面においてその両
末端が開口されており、その結果該中空糸状分離膜８の
内側と上記両管板の外側端面がそれぞれ面している空間
１０及び１１とは相互に連通している。従って、上記透
過ガス出口３．３°は共に中空糸状分離膜４の内側に連
通しており、また、上記の原料ガス導入口２及び非透過
ガス出口９は共に上記通気孔８ａを介して中空糸状分離
膜４の外側の空間１２に連通している。

次に、上述したガス分離膜モジュールを用いて行うガス
の分離方法について詳述する。

先ず、第１図に示したように、二つの透過ガス出口３．
３°を所定圧力の真空系１３に接続し、上記空間１０．
１１を該所定圧力に凍圧し、その状態を維持する。

次いで、原料ガスを原料ガス導入口２から筒状容器１内
の空間（シェル側空間）１２に流入させる（図中、ガス
の流れを矢印で示した）。

流入した原料ガスは、内蔵されている中空糸状分離膜４
と接触を繰り返しながら上記空間１２を第二管板６の方
向へ、しかも中空糸状分離膜４と交差して該第二管板６
に近接する上記通気孔８ａの方向に流動していく。従っ
て、上記中空糸状分離膜４を透過しなかったガスは最終
的には非透過ガス出口９より流出され、また、上記中空
糸状分離膜４と接触を繰り返す間に該中空糸状分離膜４
を透過した透過ガスは該中空糸状分離膜４の内部を通過
し、上記空間１０又は１１を経て上記透過ガス出口３又
は３゛より真空系１３へ流出され、その結果、上記原料
ガスを非透過ガスと透過ガスとに分離することが達成さ
れる。上記非透過ガスは製品ガスとして所望の用途に用
いられる。

本実施態様では、第−及び第二の両管板５及び６の外側
端面に位置する開口末端を介して中空糸状分離膜４の内
側空間と上記真空系１３とが連通されている。即ち、中
空糸状分離膜４の内側空間を、その両開口末端を介して
真空系１３に連結することにより、上記内側空間におけ
る長さ方向の圧力損失を減少させることができる。その
結果、上記内側空間から透過ガスを速やかにパージする
ことができるため、中空糸状分離膜の分離性能をを効に
発揮させることが可能となる。

本発明方法について更に詳述すると、上記実施態様に用
いられるガス分離膜モジュールにおいては、内蔵される
上記中空糸状分離膜４は、分離処理の対象、即ち原料ガ
スにより適切な材料からなるものが使用されることはい
うまでもない。

例えば、原料ガスに含まれている水蒸気を透過させ、該
原料ガスを乾燥する場合には、水蒸気を選択的に透過さ
せる性能を有するものであれば特に制限なく利用するこ
とができる。その具体例としては、芳香族系ポリイミド
樹脂からなる中空糸状分離膜を挙げることができる。

中空糸状分離膜４を上記の如く芳香族系ポリイミド樹脂
で形成する場合は、その膜厚を１０〜５００μｍ、好ま
しくは２０〜３００μｍに、その外径を５０〜２．００
０μｍ、好ましくは２００〜１．０００μｍにすること
を好適な例として挙げることができる。

また、本発明における中空糸状分離膜が有する水蒸気の
透過特性としては、水蒸気の透過係数Ｐ’Ｈ２０と水蒸
気以外のガス（例えばＮｔガス）の透過係数Ｐ’ｏｔｈ
ｅｒの比が１０以上、好ましくは１００以上、更に好ま
しくは２００〜８００である。

通常、膜によるｉ成分の透過速度はその透過係数を用い
て次式で表すことができる。

Ｑ　ｉ　＝Ｐ’　ｉ　ＸＡＸΔＰｉ ここで、Ｑｌ；ｉ成分の透過速度（Ｎｃｃ／ｓ　）Ａ；
膜面積（Ｃ艷〕 ΔＰｉｎｔ成分の供給側と透過側の 分圧差（ｃｍｌｌｇ） 尚、中空糸束７を形成するために使用する中空糸状分離
膜４の本数及びその長さは任意に変更できることはいう
までもない。

また、芯管８の材料、外径、管厚等に制限はなく、目的
に応じて任意に変更することができ、通気孔８ａの孔径
、数、穿設位置等も任意に変更することができる。また
、上記管板５．６も同様に限定されるものでなく、例え
ばエポキシ樹脂で形成することができる。

また、前記ガス分離膜モジュールに適用する上記中空糸
束７は、例えば次ようにして作成することができる。

先ず、芯管８を中心にして、所定の厚さ迄中空糸状分離
膜４を巻き付けて中空糸状分離膜４の束状物を形成し、
該束状物の両端部をエポキシ樹脂等の樹脂で固着し、管
板相当部を形成する。次いで、第−管板及び第二管板に
対応する端部の固着樹脂を切断し、その両切断面（外側
端面）で中空糸状分離膜４の末端を開口させることによ
り上記中空糸束７が完成される。

本発明方法においては、ガス分離膜モジュールを接続す
る真空系の圧力、及び原料ガスをモジュール内に流入さ
せる圧力は、原料ガスの種類、中空糸状分離膜の材料、
外径、膜厚、有効長等により、適宜適切な圧力条件を選
択することができることはいうまでもない。

前述の芳香族系ポリイミド樹脂で形成された中空糸状分
離膜を内蔵するガス分離膜モジュールを用い、湿潤空気
（原料ガス）を乾燥する場合について説明すれば、その
際の圧力条件としては、中空糸状分離膜の有効長が１，
２００〜１．２２０ｍｍである場合、真空系１３の圧力
、即ち空間１０及び１１の圧力は１〜２００　ｍｍｍ１
ｒ、好ましくは５〜１００　ｍｍ１１ｇ、原料ガスをモ
ジュール内に流入させる供給圧力は０〜２０ｋｇ／ｃＪ
Ｇ、好ましくはＯ〜１０ｋｇ／ｃ＋ｆｌＧである。

以上、本発明方法について具体的に説明してきたが、本
発明に適用するガス分離膜モジュールは、前記実施例に
示したものに限られるものでなく、内蔵する中空糸状分
離膜の両末端から透過ガスを流出させることができるガ
ス分離膜モジュールであれば任意に適用することができ
る。

例えば、第２図の概略断面図で示した他のガス分離膜モ
ジュールであってもよい。このガス分離■々モジュール
は、中空糸束７の軸中心に芯管がなく、非透過ガス出口
９が筒状容器１の筒壁部に直接設けられているもので、
それ以外の基本的構成は前記第１図に示したものと同じ
ものである。そして、上記のガス分離膜モジュールにお
いても、前記第１図のモジュールの場合と同様に、原料
ガス導入口２から流入された原料ガスは、図中矢印で示
したように、第二管板６の方向に流動していき、非透過
ガス出口９より非透過ガスが流出される。

次に、本発明方法の効果を明らかにするために行った実
施例及び比較例を説明する。

（実施例１〕 前記第１図に示したものと同構成のガス分離膜モジュー
ルを用いて、湿潤空気の乾燥処理を行った。

ガス分離膜モジュールに内蔵されている中空糸束は、外
径５００〜５４０μｍ、膜ＪＥ３０〜１４０μｍ、水蒸
気の透過係数Ｐ’Ｈ，Ｏと空気の透過係数Ｐ’Ａｉｒの
比が５００で、長さ１．４００ｎｎの芳香族ポリアミド
樹脂からなる中空糸状分離膜を円柱状に束ね、その両端
部をエポキシ樹脂で固着して形成したもので、有効膜面
積は１１０ボであった。

湿潤空気（原料ガス）の乾燥処理は、次のようにして行
った。

先ず、二つの透過ガス出口を真空系に接続し、中空糸状
分離膜の内側空間に連通する空間１０及び１１を１０ｍ
ｍＨｇに維持し、その状態で原料ガス導入口より、１０
゛Ｃ飽和の水蒸気を含有する湿潤空気（水蒸気濃度４３
００ｐｐｍ）を、２ｋｇ／ｃｉＧの加圧下、流速４０　
Ｎｒｒｒ／Ｈで流入させ、中空糸状分離膜を透過した水
蒸気を真空系にパージしながら上記湿潤空気の処理を行
った。その結果、大気圧露点が一２２°Ｃ（水蒸気濃度
８４０　ｐｐｍ）の乾燥空気が、３９Ｎｒｄ／Ｈで得ら
れた。

〔実施例２〕 前記第２図に示したものと同構成のガス分離膜モジュー
ルを用いて湿潤空気の処理を行った。モジュールに内蔵
されている中空糸束の有効膜面積が１２０イである以外
は、形成材料及び処理条件等は全て前記実施例１と同一
であった。

その結果、大気圧露点が一２１°Ｃ（水蒸気濃度９００
　ｐｐｍ）の乾燥空気が、３９Ｎポ／Ｈで得られた。

〔比較例Ｉ〕

中空糸状分離膜の末端が第−管板５の外側端面において
のみ開口されている（第二管板６では樹脂により封止さ
れている）中空糸束が内蔵され、上記第−管板５の外側
端面が面している空間１０のみが真空系に連結されてい
るガス分離膜モジュールを用いて湿潤空気の処理を行っ
た。その他、中空糸状分離膜等の形成材料及び処理条件
等は全て前記実施例１と同一であった。

その結果、大気圧露点が一１８°Ｃ（水蒸気濃度１２３
０ｐｐｍ）の乾燥空気が、３９Ｎポ／Ｈで得られた。

〔比較例２〕 中空糸秋分＃膜の末端が第−管板５の外側端面において
のみ開口されている（第二管板６では樹脂により封止さ
れている）中空糸束が内蔵され、上記第一管板５の外側
端面が面している空間１０のみが真空系に連結されてい
るガス分離膜モジュールを用いて湿潤空気の処理を行っ
た。その他、中空糸状分離膜等の形成材料及び処理条件
等は全て前記実施例２七同−であった。

その結果、大気圧露点が一１７°Ｃ（水蒸気濃度１３５
０ｐｐｍ）の乾燥空気が、３９Ｎポ／Ｈで得られた。

以上説明した実施例及び比較例の結果から、本発明のガ
スの分離方法が極めて優れていることが明らかである。

〔発明の効果〕

本発明のガスの分離方法によれば、中空糸状分離膜の内
側空間から透過ガスを速やかにパージすることができ、
その結果、中空糸状分離膜の外側と内側とにおける透過
ガス成分の分圧差を十分に確保し且つ維持することがで
きるようになり、該中空糸状分離膜の分離性能を効果的
に発揮させ、高い分離効率で原料ガスの分離を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の一実施態様において用いられるガ
ス分離膜モジエールの概略を示す縦断面図、第２図は本
発明方法に適用可能な他のガス分離膜モジュールの概略
を示す縦断面図である。 １・・・筒状容器　　　　２・・・原料ガス導入口３・
・・透過ガス出口　　４・・・中空糸状分離膜５・・・
第一管板　　　　６・・・第二管板７・・・中空糸束　
　　　８・・・芯管８ａ・・・通気孔　　　　９・・・
非通過ガス出口１３−・・真空系

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）原料ガス導入口、二つの透過ガス出口及び非透過
   ガス出口を有する筒状容器内に、束ねられた多数本の中
   空糸状分離膜の両端部が樹脂製管板で固着され且つ該両
   管板の外側端面では何れも該中空糸状分離膜の末端が開
   口されてなる中空糸束が収容され、上記両外側端面がそ
   れぞれ第一透過ガス出口及び第二透過ガス出口に連通す
   る空間に面しているガス分離膜モジュールを用い、第一
   透過ガス出口及び第二透過ガス出口を何れも真空系に接
   続した状態の下で、原料ガス導入口から原料ガスを流入
   させ、非透過ガス出口より分離処理がなされた製品ガス
   を流出させることを特徴とするガスの分離方法。
2. （２）上記中空糸束が、管壁の一部に通気孔を有し且つ
   一端が非透過ガス出口を構成する芯管を軸中心として該
   芯管周囲に束ねた中空糸状分離膜で形成されている請求
   項（１）記載のガスの分離方法。