JPH0691929B2 - ガスの分離方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈a.産業上の利用分野〉 本発明は、選択透過膜を用いて、ガス混合物から特定成
分を選択的に透過させ、ガスを濃縮分離する方法に関
し、更に詳しくは混合ガスを膜法で濃縮するに際して、
効率的且つ経済的に濃縮するのに適した方法を提供する
ことに関する。

〈b.従来技術〉 膜によるガスの分離法については、古くから知られてお
り、ポリエチレンテレフタレートの中空糸条の膜を用い
た天然ガスなどからのヘリウムの濃縮回収、有機高分子
の中空糸状多孔質支持体上にシリコン系化合物を薄層コ
ーティングした膜を用いた化学プロセス例えばアンモニ
ア合成におけるプロセスガス中からの水素の分離回収、
或いはシリコンゴムの薄膜を用いた空気中の酸素ガスの
濃縮など数多くの報告がある。

近年、このような膜によるガス分離法の開発並びに実用
化が著しく進展し、種々のガスに対応した分離法の改良
が提案されている。その理由は、従来のガス分離法例え
ば、各種化学プロセスにおける抽出分離法、空気からの
酸素及び窒素の分離における深冷法や、ゼオライトや活
性炭の吸着剤を用いた吸着分離法などをあげることがで
きるが、膜による分離法は分離コストが安価であって、
且つ装置が極めて簡単で運転性に優れているなどの大き
な特徴があり、工業的用途では注目されている。

薄膜により混合ガスを分離する場合は、混合ガス中の各
成分が薄膜を透過する速度の比によって、分離性が異
る。このことから、透過ガスの組成が決る。従って、混
合ガス（原料ガス）の組成と、目的とする透過ガスの濃
度から、薄膜の材質や膜透過の操作条件を選定するが、
常識的な技術からすれば、分離を効率的且つ経済的に行
うためには、（１）分離しようとする各成分の薄膜を透
過する速度の比が大きければ大きい程好ましく、且つ、
（２）透過速度も大きければ大きい程好ましい。従っ
て、上記（１）及び（２）を満足する薄膜の素材を見出
すことが重要であり、また、上記（２）を達成するため
に薄膜の膜厚を薄くするための技術の開発が重要であ
る。一般に膜素材は有機化合物及び無機化合物のいずれ
も提案されているが、最近では、有機高分子化合物の開
発が盛んで数多く提案されている。

このような膜素材は多孔質支持体上に種々の方法で薄膜
状に形成されるが、実際に用いる場合には、この薄膜成
型体を適当な大きさに集合させて用いる。通常この集合
体をモジュールと呼んでいる。モジュールの形式はプレ
ートアンドフレーム型，スパイラル型及び中空糸型が主
として用いられるが、それぞれの形式の特徴があり、ガ
ス分離の用途によって使いわけられている。

〈c.発明が解決しようとする問題点〉 前記モジュールを用いて、種々のガスを濃縮分離する場
合、他の濃縮分離方法に較べて有利であるためには、前
記透過膜素材の性能をあげることや、用途に応じたモジ
ュールの形式で、モジュールの単位体積当りの膜の充填
密度をあげることが分離の効率を向上させる。更には、
膜の耐用年数を上げることで経済性を良くすることが重
要である。然しそれらについては、モジュールの全体の
性能をあげるという方法で当然今後も研究が続けられ改
良が為されることであろう。一方、モジュールを使用す
る立場にあっては、分離のための運転コストを如何に小
さくするかの検討が必要で、そのためのモジュールの運
転条件の設定が重要である。

膜による分離操作は、原料ガスを膜面に沿って流し、膜
面のもう一方の側（通常多孔質支持体側）を原料ガス側
の圧力より低い圧力に保つことによって原料ガスの成分
が膜中を溶解拡散して圧力の低い方へと移動する。その
際、ガスの成分によって、膜の透過する速度が異るため
に透過ガスの組成が、原料ガスの組成と異ることで、透
過ガス或は、原料ガスの透過されない残存ガス（以下非
透過ガスと称す）は、濃縮される。このような操作にお
ける運転コストは、原料ガスの供給と透過ガスを取出す
ための動力費，モジュールの交換費及び場合によって
は、原料ガス，透過ガスを加熱又は冷却するための費用
などであるが、この費用の主なものは、動力費である。
この動力費に関係する運転条件は、原料ガスの供給量と
圧力、透過ガスの取出量と圧力であり、目的の濃縮度合
に適合し、且つ運転コストが最小となるための運転条件
をきめる。そのためには、通常最適化手法を用いて計算
し、実験的に検証することできめられる。

このようなガスの量や操作圧力は運転最適条件として決
まるもので、更に運転コストを下げることが重要な問題
点である。

〈d.問題点を解決するための手段〉 かかる在来技術に関する問題点を解決すべく本発明者は
鋭意検討した結果、１次ガス（原料ガス）の１部を透過
側に供給し、透過側のガス量を増加させることにより透
過側における透過ガスの濃縮を下げることで、モジュー
ルとしての分離の効率が向上することを見出し、本発明
に到達した。即ち、選択透過膜を介して、原料ガス中の
特定成分を濃縮分離するに際し、（イ）選択透過膜の片
側に原料ガスを供給し、（ロ）選択透過膜のもう一方の
側（透過ガス側）から上記原料ガスの供給圧力より低い
圧力で透過ガスを排出させ、その際（ハ）上記原料ガス
の一部を透過ガス側に導入し、しかも当該導入原料ガス
が透過ガス側膜面の少くとも一部領域を通過するように
導入することを特徴とするガスの分離方法である。

所定のモジュールの透過特性において、特定成分の透過
量qiは、原料ガス側と透過ガス側の特定成分の分圧の差
即ち［Pi−πｉ］に比例することから、原料ガスの圧力
を増すか、透過側の圧力を低くし、例えば酸素を濃縮す
る場合は透過側圧力を真空とすることで有利に運転され
る。一方透過する特定成分のガス組成は、原料ガス側の
圧力と透過側の圧力の比、即ち、圧力比γ＝π/Pに依存
し、γが大きくなると、透過しやすい成分の透過側の組
成は低くなる。

そこで、透過ガスの組成を著しく低下させずに透過量を
増すことができればより経済的なはずである。透過ガス
側は、一般的に目的の濃縮成分とする場合が多いが、原
料ガスを透過ガス側に供給することは、透過ガス側の濃
縮成分の濃度を下げるだけで、意味がないものと考えら
れていたが、驚くべきことは実際には透過側の濃度低下
は極めて小さいにもかかわらず、透過量の増加は大きい
ことが明らかになった。透過膜を用いたガスの分離コス
トは、同一操作条件の場合（透過量）×（濃度）に依存
し、この値が大きい程有利となり得ることから、本発明
が経済的に意義あることがわかる。

本発明において、原料ガスの１部を透過ガス側に導入す
る方法として、原料ガス側の膜面（場合によっては多孔
質支持体面）と接触しさえすれば、モジュールの任意の
場所に導入することができるが、透過ガスの取出し口と
反対側、即ち当該導入された原料ガスが透過膜面側の全
領域にわたって接触するように導入するのが最も好まし
い。

以下本発明を図面を用いて具体的に説明する。第１図は
本発明に係る膜構造体の複合膜の１例を示す。第１図に
おいて、１は選択透過膜,2は膜１を保持するための多孔
質支持体である。原料ガスは、膜１の片側に流し、膜の
もう一方の多孔質支持体側は、原料ガス側より圧力を低
く保つことで、透過成分が膜中を移動し、透過する。

第２図は、プレートアンドフレーム型モジュールの１例
で傾視図として示す。第２図において１は膜エレメン
ト,2は透過ガス集合管及び３はモジュールケースを示
す。第２図のＡ−Ａ′断面の１部を拡大し第３図に示
す。第３図は、従来技術での使用例を示したもので、膜
エレメントは１〜５で構成される。ガスを透過しない支
持板３に、透過ガスの流路であり、また運転差圧により
流路が閉鎖されないような網状材２並びに透過ガス取出
ノズル５を、更に前記網状材の外側に膜構造体１を記
し、その外縁を接着剤等４で固定し、原料ガス側と透過
ガス側を気密状態に保つ。モジュールは、膜面に原料ガ
スが流通するように流通方向と平行に膜エレメントの両
端側部にスペーサー６が配置され、これらが必要に応じ
て複数組積層された複層構造となっている。透過ガスは
取出ノズル５より排出され、それらは集合されモジュー
ルの透過ガス集合管より排出される。

第４図は本発明方法のプレートアンドフレーム型モジュ
ールにおける１例を示す。第４図は、第３図の従来公知
の事例に対応して示してある。即ち、第４図において、
原料ガスの１部はガス導入ノズル７より導入される。該
ガス導入ノズル７は透過ガスノズルと対象位置に配さ
れ、透過ガスノズルと同様に接着剤で膜エレメントに気
密的に取付けられている。

第５図は、中空糸型モジュールにおける本発明方法の１
例を示す。第５図において、１は多孔質中空糸選択透過
膜を配した膜構造体で該中空糸膜の多数本を束ね、その
中心部に原料ガスを導入するための開孔部を有した供給
管４を配し、中空糸束を保持するフランジ付の耐圧容器
３の両端は気密を保つために、接着剤で一体成型された
モジュールエレメントが形成されている。該エレメント
の両端では中空糸が開放されていて、一方の端は、透過
ガスを取出すためのノズルを有した管板５がパッキン７
を介してボルトで締結され、もう一方の端は、原料ガス
導入管４と管板６との間を気密に保つシール材でシール
され、かつ本発明における原料ガスの１部を導入するた
めの導入口を有した管板６が前記他端と同様にボルトで
締結されている。

〈e.発明による効果〉 本発明方法によれば、透過ガスの組成変化が僅かにもか
かわらず、透過ガス量を著しく増大させることができ、
それにより従来の方法に比して、単位透過ガス量当りの
運転コストは低下し、より経済的である。

更に本発明は、実用的に大きな利点を持っている。一般
にガス分離操作において、製品ガスの組成は一定である
ことが必要な場合が多く、例えば選択透過膜を用いたガ
ス分離においても、透過ガスが製品の場合に原料ガスの
組成変化や運転操作条件の僅かな変動によって透過ガス
の濃度変化が生ずる。このような場合、従来よく用いら
れる方法は、例えば第６図に示した如く、製品ガスの濃
度センサーＣで組成分析をし、所定の濃度になるように
濃度調整用ガスの流量を調節する。一方、第７図に示し
た如く、本発明方法によれば、濃度調整ガスや濃度調整
ガスの挿入ポンプが不要なばかりでなく、前記理由即
ち、透過ガス量の著しい増大により、更に経済的であ
る。以下実施例により更に本発明を詳細に説明する。尚
本発明は、以下の実施例に限定されることはない。

（実施例） 運転Ａ 膜面積24m²の酸素分離用中空糸型モジュール30本を並列
に接続した酸素濃縮装置用いて、原料ガスの空気から酸
素を濃縮した。原料供給ブロワーから温度35℃，圧力20
0mmAq・absの空気を毎分18.6m³供給し、また、モジュー
ルの透過ガス排出口端（２）と反対側端（第５図原料ガ
ス供給口）より、20℃の空気を毎分300l導入した。一方
透過ガス排出口に排気ポンプを接続し、圧力310Torrで
運転した。この結果透過ガスは、排出ポンプの出口側で
29.0mol％の酸素濃度,1050mmAq・abs,55℃，毎分3.27m³
であった。

運転Ｂ 次に、透過ガス側への空気の供給をしない従来の方法で
運転した。原料空気は上記条件と同一条件で供給し、ま
た透過ガス側圧力は318Torrで運転したところ、29.7vol
％の酸素濃度の酸素富化空気を毎分1050mmAq・abs,55℃
で2.45m³であった。

この酸素濃縮装置から得られた酸素富化空気中の純酸素
の20℃,1atmに換算した１m³当りの消費動力を計算した
結果、以下の通りであった。

【図面の簡単な説明】 第１図はガス分離膜の代表的膜構造体図で、１は選択透
過膜,2は多孔質支持体を示す。 第２図はプレートアンドフレーム型のガス分離モジュー
ルの公知の型式の１例を傾視図で示したものである。１
は膜エレメント,2は透過ガス集合管,3はモジュールのケ
ースを示す。 第３図は第２図のＡ−Ａ′断面の一部を拡大して示した
ものである。１は膜構造体,2は網状材,3は支持板,4は接
着剤,5は透過ガス取出ノズル,6はスペーサーを示す。 第４図は本発明の１例を第３図と対応して示したもので
あり、１〜６も第３図に対応している。７は原料ガス導
入ノズルを示す。 第５図は中空糸型のガス分離モジュールで本発明の１例
を示す。１は中空糸膜,2は端末成型樹脂,3は耐圧容器,4
は原料ガス供給管,5は管板,6は一部原料ガス導入口,7は
パッキンを示す。 第６図はガス濃縮装置の従来公知のフローを示す。１は
膜モジュールユニット,2は原料ガス供給ポンプ,3は製品
取出ポンプ,4は濃度調整ガス送入ポンプ,5は流量調節弁
をそれぞれ示す。 第７図は本発明をガス濃縮装置に用いた場合のフローの
１例を示す。１は膜モジュールユニット,2は原料ガス供
給ポンプ,3は製品取出ポンプ,5は流量調節弁を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（イ）選択透過膜の片側に原料ガスを供給
   し、（ロ）選択透過膜のもう一方の側（透過ガス側）か
   ら上記原料ガスの供給圧力より低い圧力で透過ガスを排
   出させることから基本的になる、選択透過膜を介して原
   料ガス中の特定成分を濃縮分離する分離方法において、
   当該原料ガスの一部を透過ガス側に導入し、しかも当該
   導入原料ガスが透過ガス側膜面の少くとも一部領域を通
   過するように導入することを特徴とするガスの分離方
   法。
2. 【請求項２】当該原料ガスが空気であって、当該選択透
   過膜が酸素を選択的に透過する膜である特許請求の範囲
   第１項記載のガスの分離方法。