JPH03238020A - 気体分離膜モジュール - 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 本発明は気体分離膜を用いて空気中から窒素富化空気を
得るための気体分離膜モジュールに関するものである。

従来の技術 従来から窒素は不活性気体として化学工業、食品貯蔵、
電子工業等の分野で利用されている。この窒素の供給源
としては液体窒素や窒素ボンベを用いるのが一般的であ
る。ところが、これらの方法では低温の液体窒素や高圧
ガスボンベ等を取り扱う危険が伴う上、容器の交換、流
量調節等取り扱いが煩雑であるという課題を有していた
。このため気体分離膜を用いて空気中から酸素を除去し
得られた窒素富化空気を前記のような窒素供給源として
用いる試みが行われ、そのためのモジュールが工夫され
ている。例えば特開昭５５１２４５２６号公報に示され
るようなものである。

以下図面を参照しながら前記のような従来の気体分離膜
モジュールについて説明する。第４図は従来の気体分離
膜モジュールの外観図である。第５図（ａ）　、　（ｂ
）　、　（Ｃ）はそれぞれ第４図のＡ−Ａ’　、ＢＢ’
　、Ｃ−Ｃ’断面図である。第４図、第５図において、
１０１はガス導入口、１０２は透過ガス排出口、１０３
は未透過ガス排出口、１０４は気体分離膜でシロキサン
構造からなる高分子をベースとした膜である。１０５は
透過ガス室、１０６は未透過ガス室、１０７は未透過ガ
ス室内のガスの流れを規制する隔壁である。空気はガス
導入口１０１より一定の圧力で未透過ガス室１０６に送
られる。この未透過ガス室１０６内部は第５図（ｂ）　
、　（ｃ）に示すように隔壁１０７で仕切られており、
ガス導入口１０１から導入された空気はこの隔壁に沿っ
て未透過ガス室１０６内を流れ、未透過ガス排出口１０
３からモジュール外へ排出される。この間に未透過ガス
室１０６内の酸素および窒素は未透過ガス室１０６内よ
り相対的に低圧にされた透過ガス室１０５内へ気体分離
ＩＩＩ　１０４を透過するが、酸素は窒素に比べて透過
しやすいため結果として未透過ガス室１０６内へは窒素
が多くとり残され、未透過ガス排出口１０３から窒素富
化空気が得られることとなる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記のような構成では膜の性能を充分に
発揮できず、高濃度の窒素富化空気が得られないという
課題を有していた。気体分離膜を透過する気体の透過量
は各成分の透過膜に対する透過係数と膜を介した両側の
分圧差によって決定される。第３図（ａ）のように未透
過ガスと透過ガスが分離膜を介して同一方向に流れてい
る場合には未透過ガス排出口付近Ａ点では未透過ガスは
導入口からＡ点までの間に酸素が除去されて酸素分圧が
小さくなっており、透過側では導入口付近で膜を透過し
た高酸素濃度の透過ガスが上流から流れてくるためにＡ
点での未透過側と透過側の酸素分圧の差は小さくなり、
酸素除去能力は低下してしまう。ところが第３図（ｂ）
のように未透過カスと透過ガスが反対方向に流れる対向
流の場合には透過側では常に上流の酸素濃度が低い透過
ガスが流れてくるため未透過ガスと透過ガス中の酸素の
分圧差が大きくなり酸素除去量が大きくなる。このこと
は従来から研究されており例えば米国アイオワ大学の研
究者らの論文に詳細に書かれている。

（Ｃｏｕｎｔｅｒ−ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏ−ｃ
ｕｒｒｅｎｔ　ｇａｓ　５ｅｐａｒａｔｉｏｎ；Ｃ，Ｔ
、　ＢＬＡＩＳＤＥＬＬ、に、　ＫＡＭＭＥＲＭＥＹＥ
Ｒ；　ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　５ｃ
ｉｅｎｃｅ　１９７３　、　ｖｏｌ　２８　ｐｐ１２４
９〜１２５５） 以上のように気体分離膜を介して未透過側と透過側の気
体が流れる方向の違いによって同一の膜を用いて同一量
の窒素富化空気を得ようとする場合でも窒素濃度が違う
ため、前記の従来の分離膜モジュールのように未透過側
と透過側の気体の流れが対向流でない場合は充分に窒素
濃度を高めることができなかった。

本発明は上記課題に鑑み、より効率よく窒素富化空気を
得られる気体分離膜モジュールを提供するものである。

課題を解決するための手段 この目的を達成するために本発明の気体分離膜モジュー
ルは、窒素よりも酸素の透過速度が大きい平膜の気体分
離膜を隔てて第１の膜室および第２の膜室を有し、第１
の膜室はガス導入口およびガス排出口を備え、第２の膜
室はガス排出口を備えた気体分離膜モジュールで、第１
の膜室にはガス導入口から入った空気が膜面上を１回以
上屈曲しながら流れ、排出口から出るように隔壁が設け
られ、第２の膜室には気体分離膜を介して第１の膜室の
隔壁と対称に隔壁が設けられており、第２の膜室のガス
排出口は第１の膜室内のガスの流れに対して第２の膜室
内のガスの流れが対向流になるように構成したことを特
徴とするものである。

作用 以上のような構成により第１の膜室内の未透過ガスと第
２の膜室内の透過ガスの流れ方は対向流となり高濃度の
窒素富化空気が得られるようになる。第１の膜室内の膜
面近傍では酸素が優先的に透過することにより窒素濃度
が高くなり膜表面に酸素が接触する機会が少なくなるた
め酸素の透過量が少なくなってしまう。このため、より
効率よく分離を行うためには膜室内のガスの拡散を促し
、酸素が膜に接触する機会を増やしてやることが必要で
ある。第１．第２の膜室内を未透過力ス、透過ガスが１
回以上屈曲して流れるように隔壁を設ける構造により流
れの断面積が小さくなり流速が大きくなるため乱流が発
生しやすくなり両ガス室内の混合ガス中の各成分の拡散
が促進され酸素が膜に接触する機会が増え、酸素の分離
効率が高められることになる。さらにガス導入口から導
入された空気は膜面上を１回以上屈曲して流れる構造に
することで、屈曲しないで流れる場合に比べて流路の長
さが長くなるため、導入されてからガス排出口から排出
されるまでの間に膜と接触している機会が増えるため窒
素濃縮の効率はより向上することとなる。

実施例 以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明す
る。第１図は本発明の一実施例の組立斜視図、第２図は
その外観斜視図である。第１図。

第２図において、１は気体分離膜でポリプロピレン繊維
不織布上にポリエーテルスルホンの多孔質体を形成して
なる支持体上にジメチルシリコーンを主体とした高分子
膜をコートしたものである。

この高分子膜の材料は本実施例ではジメチルシリコーン
を主体とした高分子を用いたが酸素と窒素の透過速度が
異なるものであれば材料に制限はなく、例えばより高濃
度の窒素が必要が場合には、４−メチルペンテン１、ポ
リ−フマル酸エステル、エチルセルロース等の酸素と窒
素の分離比が大きい材料を、また時間当り多くの処理量
が必要とされる場合にはポリ−トリメチルシリルプロピ
ン等の透過速度が大きい材料を、または必要に応じてこ
れらの材料を複合して用いてもよ゛い。２は封止テープ
で前記の気体分離膜を透過ガス室板３に周囲を気密に固
定する。このシールテープとしては作業性等を考慮して
粘着テープを用いるのがよく、特に気体分ＩＩＭ膜とし
てシリコーン系の高分子を含む材料を用いた場合にはシ
リコーン系の粘着材を用いたものが好ましい。３は透過
ガス室板で、透過ガスの流路を規制する隔壁３ａを設け
て蛇行した流路を設けてあり、流路には膜を支持し、透
過ガスの流路となる通気性部材が入れられており、未透
過ガス室と透過ガス室の圧力差によって膜が大きく変形
するのを防ぐ働きをする。

４は透過ガス排出口部材で、透過ガス排出口４ａを有す
る。５は未透過ガス流路部材で、未透過ガス室の外壁を
形成すると同時に未透過ガスの流路を規制する隔壁５ａ
を有し、未透過カス室内のガスが膜面上を蛇行して流れ
るようにするもので、上板６とともに、気体分離膜１を
気密に固定した透過ガス室板３の上に気密に接着され、
未透過ガス室を形成する。また未透過ガス流路部材５の
外周部にはガス導入口５ｂが設けられている。７は未透
過ガス排出口である。

以上のように構成された気体分離膜モジュールにおいて
、透過ガス排出口４ａから真空ポンプによって透過ガス
室内を減圧し、同時に未透過ガス排出ロアから真空ポン
プ、ブロワ等を用いて吸引するか、またはガス導入口５
ｂからブロワ、コンプレツサー、圧縮空気ボンベ等を用
いて空気を導入する。ガス導入口５ｂから未透過ガス室
内に導入された空気は隔壁５ａによって規制された流路
に沿って膜面上を流れる間に気体分離膜１を通して酸素
が選択的に透過ガス室内に透過し、除去される。その結
果として窒素富化空気が未透過ガス排出ロアから得られ
る。本実施例では膜面積２１０ｃｎ？の気体分離膜モジ
ュールの透過カス室内の圧力を−４５０ｍｍＨｇに減圧
し、未透過ガスの排出量を６０　ｃｃ　／　ｍ　ｉ　ｎ
に調節したところ９３％の窒素濃度の窒素富化空気が得
られた。

発明の効果 以上のように本発明によれば、窒素よりも酸素の透過速
度が大きい平膜の気体分離膜を隔てて第１の膜室および
第２の膜室を有し、第１の膜室はガス導入口およびガス
排出口を備え、第２の膜室はガス排出口を備えた気体分
離膜モジュールで、第１の膜室にはガス導入口から入っ
た空気が膜面上を１１１回以上屈しながら流れ、排出口
から出るように隔壁が設けられ、第２の膜室には気体分
離膜を介して第１の膜室の隔壁と対称に隔壁が設けられ
ており、第２の膜室のガス排出口は第１の膜室内のガス
の流れに対して第２の膜室内のガスの流れが対向流にな
るような構成とすることにより 　０ リ、効率よく窒素富化空気を作りだすことができ、その
実用的効果は大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の気体分離膜モジュールの一実施例を示
す組立斜視図、第２図はその外観斜視図、第３図（ａ）
　、　（ｂ）はガスの流れ方による窒素濃縮過程のちが
いを示す原理説明図、第４図は従来の気体分離膜モジュ
ールの外観斜視図、第５図（ａ）。 （ｂ）　、　（ｃ）はそのＡ−Ａ’　、Ｂ−Ｂ’　、Ｃ
−Ｃ’線それぞれの断面図である。 １・・・・・・気体分離膜、３ａ・・・・・・透過ガス
室の隔壁、４・・・・・・透過ガス取り出し口部材、５
ａ・・・・・・未透過ガス室の隔壁、５ｂ・・・・・・
ガス導入口、７・・・・・・未透過ガス排出口。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　窒素よりも酸素の透過速度が大きい平膜の気体分離膜
   を隔てて第１の膜室および第２の膜室を有し、第１の膜
   室はガス導入口およびガス排出口を備え、第２の膜室は
   ガス排出口を備えた気体分離膜モジュールであって、第
   １の膜室にはガス導入口から入った空気が膜面上を１回
   以上屈曲しながら流れ、排出口から出るように隔壁が設
   けられ、第２の膜室には気体分離膜を介して第１の膜室
   の隔壁と対称に隔壁が設けられており、第２の膜室のガ
   ス排出口は第１の膜室内のガスの流れに対して第２の膜
   室内のガスの流れが対向流になるように設けられたこと
   を特徴とする気体分離膜モジュール。