JPH03503974A - ガス分離を改良する装置および方法 - 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】 ガス分離を改良する装置および方法 本発明は、特殊であるが独占的ではない透過膜を使用する混合気体中の気体の改 良した分離を行う方法及び装置に関する。

隔膜気体分離技術は、前記隔膜の両便の圧力差（または少なくとも部分圧力差） を用いて混合気体を半透過性隔膜を通過さすことにより成り、低拡散率の気体は 高圧側に停溜するが一方、高拡散率のものは通過しようとし、この拡散率自体は 前記膜の分子の大きさと溶解度との関数である。

現今の膜は、小径プラスチックの管状体の管束、又は中間に収集管を存し、且つ 、プラスチックを離隔するスペーサを宵する三方シールされた渦巻形プラスチッ クシートとして製造され、この配管に対しては高圧側を内部にするか外部にし得 るかは製造業者により決まる。

透過性隔膜を用いて気体を分離する現今の方法にはある欠点があり、要素の配向 がガス流が水平となるように選択されると、ガス層状化が生じ得るので、この層 状化はヘリウム及びニトロゲンの如き二成分系混合ガスの分離に関する下記例を 参照して最も明白に説明する。

隔膜壁付近の境界層に於いては、透過性ガスのヘリウムは前記隔膜を介して拡散 して比較的濃度の高いニトロゲン層を残し、このニトロゲン層は前記壁がら分離 して軽混合気体を介して殆ど若しくは、混合することなしに下降し、さらに膜内 筒体の底部に「溜り」、もし膜表面間の気体速度が遅すぎると前記高密度の「淀 み」がそこに残り有効膜面積を減少すると共に前記隔膜の高圧側の残留ガスの部 分高圧を生じる。

この分離問題を解消する現今の方法は、前記底部に溜ろうとするガスを吸収する に充分な高速度まで膜面間のガス速度を増加することであるが、分離したガスを 吸収すべく混合気体の流れが必要なので、これは残留ガス中には注目すべき量の 透過性ガスが存在することを意味し、従って、完全なガス分離は制約され、且つ 非能率的となる。また、特殊な設備が高流量を得るのに必要となりガス分離工程 の単価を増大し複雑化するのである。

本発明の目的は、前記不都合の少なくとも１つを除去又は軽減する改良したガス 分離装置及び方法を提供するものである。

これは、膜を通過する場合に、前記隔膜壁に密接する混合気体の一部が、前記膜 を介して選択的なガス拡散の成分の濃度の変化を経験するということを認識し、 利用することにより達成され、管路の表面におけるガス濃度が変化（拡散を介し て）するとき、ガスはガス流の方向の浮力誘発加速度を受け、隣接ガスの細胞を 剥離して交替する干渉性細胞を形成し、斯くして前記膜壁から徐々に離れて開口 空間内に入るが、その濃度と層流の性質とから、既に前記膜に露出したガスは前 記膜つの膜表面から離れて中心部で終りガス流内の最高速度を有すること＼とな る。

特に、本発明は重力を用いて拡散により生ずる濃度差に作用して、下記事項に助 力する。即ち、り実質的な拡散を既に行ったガスを「剥離」　（前記膜壁から） ｂ）このガスを一旦離れてからは拡散表面から離隔するように保持し、 Ｃ）前記膜からさらに迅速に離間せしめ、且つｄ）拡散工程への露出の少ないガ スの流れを緩やかにし、これを膜壁の方向に移動すること。

好ましい配列としては前記膜素子を垂直に取付ることであり、ガス流の方向は濃 度の異なるガスへの重力影響を利用する方向であると共に、ガス速度を充分に低 下して分離したガスの吸い込み（ｅｎｔｒａｌｎｍｅｎｔ）を防止若しくは最少 限にするのである。

また・、分離しようとするガスの相対透過率と濃度とについて知識を有すること が必要である。

前記膜素子が垂直方向である場合に低濃度のガスが浸透すると混合ガスは前記隔 膜壁を通過下降する。

例えば、分離すべき２つのガス混合が隔膜壁付近の境界層内のヘリウムとニトロ ゲンである場合、透過性ガスのヘリウムは膜を通して拡散し且つ比較的１密なニ トロゲン層を残す。このニトロゲン層は前記壁から分離して経理合体を介して下 降するものであり、該１度の高い二トロゲンガスが下降するにつれて局部混合ガ スは上方へ再循環して壁部から分離した濃密と交替するのである。

ガス速度は、前記濃密ガスが下降し得るに充分な低速になるように制御され、こ の濃密ガスの下降速度は前記混合ガスの速度よりは大である。

前記膜が垂直に取付けられる場合、特殊な分離を行う底部に於ける「濃密ガス」 終了により（ガスは時には濃度が低くまた時には高くなるものである。）、拡散 工程により設定した濃度勾配は安定するのであり、この配列により垂直隔膜内の ガス流に対向するガスのパック及び水平隔膜におけるガスの重力援助成層化と「 パッドリング（淀み）」とを防止する高速度吸込みの必要がなくなるのである。

膜内に存在し得る層流条件下で、前記膜の壁に接触するガスは、浸透工程に露出 されて１度変更を行い、一方内部ガスはこれを行わない。浮力を考慮することに より前記壁部に置けるガスはそれを膜出口の方向に加速しようとする力を受け（ ひいては前記膜に接触しない次のガスを減少するにつれて）、均一なガスの層流 に対して速力は表面に於いてゼロであり、離隔するにつれて増加し、斯くして更 に迅速な加速したガスは壁部から離間する傾向があり（非露出ガスにより取り替 えられるべき）、また、高速度により隔膜を出て好ましい結果が更に早く与えら れることになる。

本発明の第１の態様に従って、隔膜をまたがる圧力差を用いるガス隔膜分離器を 用いて混合気体からガスを分離する方法を提供するもので、該方法は次の手段に より成るもので、即ち、 前記分離器内のガス流を、重力または力場により膜を介して拡散して透過性ガス となる少な（とも１つの透過可能なガスを用いて異なる濃度のガスに影響を与え るような方向に向けること＼、拡散を行った後の残留ガスを重力またはその他の 力場により膜分離器出口の方向へ移動せしめることである。

好ましくは、前記ガス膜分離器は大体垂直方向であり、都合よく、本方法は相対 的な濃度と透過率を決定すること＼、この決定の結果を蒙る膜分離器の上下端に 混合気体を注入すること＼を含み、好ましくは本方法はまたガス速度を充分低下 して分離ガスの吸込みを実質的に防止するように分離器を介してガス速度を制御 する手段を含むものである。

また、従来、本方法は、複数の分離段位を直列に接続して複数のガスの混合気体 からガスを分離することを含む。

本発明の第２態様に従って混合ガスからガスを分離する装置が設けられており、 該装置は、前記膜を通過するガスを重力又は他の力場下で流れるような１つの方 向に配置するガス膜手段と、護膜をまたがる圧力差を与える手段と、前記ガス膜 手段を囲み、且つ前記混合気体をしてその中のガスの相対透過率と濃度により決 まる前記装置の上下端に導入せしめる注入手段を有する容器及び分離したガスを 除去せしめる出口手段より成る。好ましくは、前記装置と膜とは、重力または他 の力の下で混合気体が実質的に垂直方向に流れるような方向が定まるのである。

従来、前記膜分離器は中心部にガス透過収集管を宵する渦巻形シート膜であり、 その他の膜分離器は中空ファイバー膜分離器である。

本発明の第３態様によれば、膜分離器素子は共に渦巻形の高圧チャンネルと低圧 チャンネルとより成り、該高圧チャンネルはその中に前記高圧渦巻チャンネル内 の膜分離素子の実長に沿う平滑な実質的に連続した流路を形成する空間手段を設 けている。好ましくは該空間手段は実際の分離部分以上に延伸する複数の別々の 長さ方向の小片であり、その他、該空間手段は膜分離器の端部のみに設けるロッ ドであってもよく、従って、前記流路の中間部分には平滑な連続した流れが得ら れ、またこの他、前記空間手段は前記趙圧チ十ンネルの渦巻形素子により設けて もよく、該素子は端面図では蛇紋岩杖であり、ガス透過性であると共に前記高圧 チャンネルの複数の別々のチャンネルを形成するものである。

本発明の変化及びその他の態様は附属図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例による螺旋巻形ガス脱分離器の正面図及び一部破砕図で あり、第２図は、第１図に示す形式の一部非螺旋形素子の斜視図、第３図は、局 部容積と潤度変化とにより生ずる混合ガスの層流中の変化を示す垂直膜壁に亘る 拡大説明図、第４ａ、４ｂ図は、第１図に示す膜分離器の頂部と底面図、第５Ａ 、５Ｂ図は、本発明の一態様にか＼る膜分離器の第２実施例の第４Ａ１４Ｂ図と 同様な頂部及び底面図、第８Ａ１ＥＩＢ図は、本膜分離器の第３実施例の第５Ａ 、５Ｂ図と同様な図、第７図は、本発明の膜分離器の更に他の実施例の略図、第 ８図は、本発明の実施例について使用可能な、他の中空ファイバーガス膜分離器 の正面図。

第１図の第１実施例では、ガス分離膜素子を示すもので、その全体を（１０）で 示し、またその渦巻形構造は垂直方向であって、従って、ガスは下記の実施例に 述べる如く混合気体内のガスの濃度と拡散率により底部に示す如く供給し得るか 若しくは頂部に於いて供給し得るのである。

前記ガス素子（１０）は、底部のガス供給ポート（１４）を存するガス不透過性 ハウジング（１２）を有し、該素子の中心を通って透過ガスを収集する透過管（ １６）があり、また護管（１６）を中心に渦巻形の布製膜分離素子即ち、スペー サ（１８）が有り、これは第２図から明らかな如く、混合ガスを前記透過管（１ ６）を介して排出する透過性ガスと前記素子（１０）の上端（２０）から排出す る残留ガスとに分離するのであり、該膜分離素子の構造は本質的に公知であり、 その詳細は説明しない。

前記ガス分離器は、第１，３図で明らかであり、この実施例は分離が必要なヘリ ウムとニトロゲンとの混合気体用のものであり、この場合、前記膜素子（１８） の頂部（破線により示す）に入口（２４）があり、その底部（２６）に出口があ り、該ヘリウムは軽く且つ更に透過性があるのでセルローズアセテート膜（２８ ）を越えて管体（工６）へ選択的浸透により拡散し、従って、前記壁部付近に残 留する重いニトロゲンガスは図示の如く「剥離」シ、且つ図示の如く底部（２６ ）に向かって下降するのであり、膜内に於いて期待さるべき層流条件下では、前 記膜壁と連続するガスは浸透工程に露出され濃度変更を行い、一方、内部ガスは 変化しない。浮力を考慮することにより、膜（２８）のガスは膜出口（２６）の 方向へ加速しようとする力を受ける（ひいては膜と連続しない次位のガスを減速 するにつれて）が、均一ガスの層流に対しては、表面における速度はゼロである が、離隔するにつれて増加する。斯くして更に迅速に加速されたガスは壁から離 隔しようとするもので（非露出ガスにより置換さるべき）あり、またその高速に より望み通りに膜を出てゆくものである。

メタンから二酸化炭素を分離するためには、第１図の構造を底部の入口（１４） と頂部の前記出口とにより使用し、この場合、二酸化炭素は濃密度ガスであるが 、また更に透過性であり、従って、これは透過ガスであり、また、混合気体は膜 （２８）を経て上方に移動するにつれて濃度が減少する。

他の実施例のメタンから水素を分離するものに於いては入口は頂部にあり、空気 をその基本的成分の酸素と二トロゲンとに分離するためには、酸素は重い方で且 つよい透過性であるので入口は底部にある。

また、数種のガス、例えばメタン、二酸化炭素、及び水素等の混合気体に対して 、入口を頂部又は底部に位置決めするのは該混合気体が重いか軽いかによっての み結末がつくもので、第１段位が一方進路であり、第２段位が他方進路である如 き２段位工程を使用することがである。

前記した実施例と装置に於いて、発生した浮力を把握し得るもので、代表的な例 としては１００バール（テスト施行条件下）の空気からヘリウムを分離するため は水の密度の約３％の膜内にガスが侵入し、はんの約０．４（メータ７分）の出 口速度で１２％で排出するのである。

たとえ、乱流または、混合流が存在しても、ガスが完全に混合されない限り重力 ファクタによりなお分離工程を援助するものである。

第１．２図に示す実施例に使用する如き従来の多孔スペーサを育する膜分離器を 示す第４Ａ１４Ｂについて斯様なスペーサは分離器のガスの再混合を促進する傾 向を有し、また斯様な再混合により、最少限のバック、エツジと共に素子に沿う 連続密度勾配を与えることができ、さらにガス分離の効率を減少し、第５Ａ１５ Ｂ図は第４Ａ１４Ｂ図と同様な分離器（３０）を示すが、但し従来の多孔スペー サは、高圧チャンネル（３２）内に配置する（３１）にて示す直径約１／８イン チ（３、、）の別々の長さ方向平行なプラスチックロッド又は細片のセットに取 り替えられであることを除く。該細片（３７）はその間に分離ガスチャンネル（ ３４）を形成し、第５Ｂ図から明らかな如く分離器（３０）の全長に亙って延長 している。

長さ方向の細片（３１）を用いて重力加速により設定した密度成層は前記分離器 （１０）の全長に亘って持続され、膜（３６）を介して最少の交換量を存するガ スの一部は前記膜（３６）と自動的に接触して膜に既に露出しているガスは近づ かない。斯様にしてガス分離は相当増加するのである。

第６Ａ、６Ｂ図について、前記膜と共に高圧ガスチャンネル（３１）内に巻かれ る螺旋形または波形のスペーサ（３８）を示す。スペーサ壁（４）は分かれたチ ャンネル（３４）を形成すると共に、前記膜（３６）と接触または隣接する膜（ ３８）の一部分は穴（４２）を存して膜を通るガス通路を最大にしている。

第７図に、膜分離素子（５０）の更に他の実施例を示し、この場合、ロッド（５ ２）は素子の頂部と底部とに於けるスペーサとして作用するが膜の大部分に亘っ て平滑な連続したガス流が得られ、頂部と底部とに於いてのみ幾分かの乱れが生 じるが、分離ガスの衰滅を阻害し得る流路に沿う隅部及びクレビスは除去されて いる。

第５．８．７図に示す分離器の主要利点は第１乃至第４図に示す分離器を用いて 得られるものよりは相当に強化されていることである。

理解し無ければならないことは、種々の変更が本発明の範囲を逸脱することなく 前記の如く行われることであり、例えば、本発明の全ての他の螺旋巻膜と管状膜 の重力又は他の力が第７図に示す如く管状体の外側のガス流を制御し、且つ中空 のファイバー膜は内部ガス流について適用されるものであり、分離作用は他の加 速力、例えば遠心分離機により発生する力を使用することに得られるもの。理解 すべきことは垂直分離作用は層流に依存しないが、水平方向分離作用に於いては 前記底部から離脱する低速層流条件が要求され、管体の小横断面積から層流の考 慮が特に払われる。この場合の他の効果により本技術を重要なものとなし得るも ので、即ち、同様な相対位置に於けるガス濃度に変化を生じる異なる管体の透過 能力を異ならしめて、これによりガスの流量を差動的に変化することであり、そ の時間的要因により濃度変化が更に一層大きくなるのである。ガス流を支障する より、寧ろ助長すべく重力を使用することはこの点を補償しようとするもので、 現今の中空ファイバ膜素子構造については流路が本来平滑なので甚だ些少な変更 を行うべきもので、これらは正確に方向を定めて妥当なガス流を存することが必 要であり、更に理解しなければならないことは、高圧チャンネルスペーサが誤っ た形式のものであっても、層流形式分離が必ずしも含まれてはいなので、構成に より作業を開示することである。

本システムは、種々の適用が可能で、例えば水素−メタン、ヘリウム−酸素、Ｃ Ｏ２−メタン、特に層流が基準である場合であり、また、例えばガスクロマトグ ラフに於いて垂直ふるいの使用により鋭いピークと高精度が得られること＼とな り、なお、本システムは、現在、低温学的に施行される天然ガスからヘリウムの 分離に使用できるが、これは高価であり、また、本システムは、例えばネオン、 アルゴン及びクリプトンの如き希ガスの分離と精製に使用可能である。

石油化学産業において広く用いられており、ガス流から水素またはＣＯ２の何れ か（及び他の酸化ガス）の除去に広く適用されている。

これらは水素分解装置のパージ流れと、油圧トラクタと水素化精製用パージ流と 、メタノールと水素化脱アルキル用パージ流と、水素−〇〇レベルの流れの調整 と、酸化ガスの除去のためのサワーガスの処理とに於いて除去とを含むものであ る。

第３図 第４Ｂ図　　　　第５Ｂ図 第６図 第６５図 国際調査報告 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ガス膜分離器を使用して、該膜をまたがる圧力差を用いて混合気体からガス を分離する方法であって、該ガス膜分離器を、実質的に重力または他の力場下で ある方向に前記混合気体が移動するように指向せしめることゝ、前記分離器内の ガス流を、膜を介して拡散して透過性ガスとなる少なくとも１つの透過可能なガ スを用いて異なる濃度のガスに対して前記重力または力場が影響を持つようにす ると共に、拡散が行われた後の残留ガスを重力または他の力場により膜分離器入 口の方向へ移動せしめるように指向せしめることゝの手段より成ることを特徴と する前記ガス分離方法。 ２）請求項１記載の混合気体からガスを分離する方法であって、前記ガス膜分離 を指向せしめることを含むことを特徴とする前記ガス分離方法 ３）請求項１又は２記載の混合気体からガスを分離する方法であって、前記ガス の相対濃度と透過率とを決定する共に、前記決定結果を受けて前記膜の上部及び 下部に前記混合気体を注入することを特徴とする前記ガス分離方法。 ４）請求項１乃至３記載の方法であって、前記ガス速度を充分低下して実質的に 分離ガスの吸込みを防止するように前記分離器を通るガス速度を制御する手段を 含むことを特徴とする前記ガス分離方法。 ５）前記請求項の何れにも記載の方法であって、複数のガスの混合体からガスを 分離すべく複数の分離段位を直列に接続することを含むことを特徴とする前記ガ ス分離方法。 ６）混合気体からガスを分離する装置であって、該装置は、前記膜を通過するガ スが重力または他の力場を受けて流れるような方向に配列したガス膜手段と、前 記膜をまたがって圧力差を与える手段と、前記膜手段を囲み且つ前記混合気体内 の相対透過率と濃度とによって決まる前記装置の端部への前記混合気体を導入せ しめる吸込手段を有するハウジング、及び、分離ガスを除去せしめる引出し（出 口）手段より成ることを特徴とする前記ガス分離装置。 ７）請求項６記載の混合気体からガスを分離する装置において、前記装置と膜と を、前記混合気体が重力と前記他の力を受けて実質的に垂直方向に流れるように 指向せしめることを特徴とする前記ガス分離装置。 ８）請求項６または７項記載の混合気体からガスを分離する装置であって、前記 膜分離器は、中心にガス透過収集管体を有する渦巻形シート膜であることを特徴 とする前記ガス分離装置。 ９）請求項６または７項記載の混合気体よりガスを分離する装置において、前記 膜分離器は中空ファイパー膜分離器であることを特徴とする前記ガス分離装置。 １０）請求項６又は９項記載の混合気体よりガスを分離する装置であって、前記 ガス流を制御して前記装置内の分離ガスの吸込みを実質的に防止する手段とを含 むことを特徴とする前記ガス分離装置。 １１）膜分離器素子であって、共に渦巻状に巻かれた高圧チャンネルと低圧チャ ンネルとより成り、該高圧チャンネルは、その中の前記膜分離器素子の実長に沿 う平滑で実質的に連続した流路を形成するスペーサ手段を位置せしめたことを特 徴とする前記膜分離器素子。 １２）請求項１１記載の膜分離器素子に於いて、前記スペーサ手段は、前記膜分 離器素子の実長以上に延伸する複数の個別の長さ方向の細片であることを特徴と する前記膜分離器素子。 １３）請求項１１記載の膜分離器素子に於いて、前記スペーサ手段は前記膜分離 器素子の端部のみに設けるロッドであることを特徴とする前記膜分離器素子。 １４）請求項１１記載の膜分離器素子に於いて、前記スペーサ手段は前記高圧チ ャンネル内で渦巻状に巻かれた素子により設けられ、該素子は端面図で、蛇紋岩 状であり、且つガス透過可能であると共に前記高圧チャンネル内の複数の個別チ ャンネルを形成することを特徴とする前記膜分離器素子。