JPH0751531A - ガス分離器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多数の中空糸を結束している樹脂材の変形を
防止し、中空糸の孔の変形防止及び結束部のとりつけ部
を強固にする。 【構成】 無機多孔質膜中空糸束の両端部を結束する樹
脂材の外周部を金属製の材料からなる外輪で構成し、該
外輪内部の垂直方向の数段部に縦線及び横線からなる金
属製の補強部材を取り付けるとともに、前記両端部の補
強部材群どおしを金属製のテンション材で連接する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、混合ガスから特定のガ
スを選択して取出す際に、中空糸を用いて行うガス分離
器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスの分離又は除去方法としては、種々
の方式があり、例えば、空気より酸素、窒素等を分離す
る代表例として空気深冷分離法、又は近年小中規模の分
離用として急速に増加しつつあるＰＳＡ法に代表される
吸着法等があるが、さらに、最近は、混合ガスから特定
ガスを選択的に透過する各種の高分子膜の性能が向上し
てきたため、これらの高分子膜を使用した膜分離法が盛
んに工業化されている。

【０００３】膜分離は、たとえば深冷分離のような相変
化が伴わないため、わずかなエネルギー消費で分離で
き、又、化学反応を用いて分離するものでないため、小
型、軽量化が容易と云うメリットがある。

【０００４】この高分子膜を用いて、ガス分離する際に
最も重要なことは、その膜が有する基本的な選択性と透
過性であると共に、その高分子膜の性能を工業的大規模
に発揮させるためのガス分離器としての構造および構成
等である。

【０００５】前述のガス分離膜は通常多孔質膜（厚さ：
３０〜７００μ）状に形成され、糸状として、すなわち
中空糸として使用されることが多い。

【０００６】その中空糸の束を容器胴に収めた熱交換器
型を図１２に示す。

【０００７】尚、図１２のタイプは、”特公平２―１７
２１５：ガス分離膜モジュール”にても開示されてお
り、種々の構造のものが提案されてきた。

【０００８】そこで、従来行なわれてきた図１２につい
て以下に述べると、本例では一例として地下の天然ガス
からＣＯ₂を選択する例で説明する。地下からの天然ガ
スは各種ガス等の混合ガスであり、その組成は概略第１
表の通りである。

【０００９】

【表１】

【００１０】上記の混合ガスは混合ガス入口３より容器
胴１内の混合ガス部１４に流入する。

【００１１】流入圧力は１０１．５ｋｇ／ｃｍ² Ｇであ
り、温度は約７２℃である。

【００１２】流入した混合ガス”天然ガス”は、中空糸
６”材質の一例としてポリスルフォン製”の膜の孔を主
としてＣＯ₂が透過し透過ガス部１５では、ＣＯ₂組成は
８３％であった。

【００１３】尚、透過ガス部１５での圧力は５ｋｇ／ｃ
ｍ²Ｇである。又、１本の中空糸６の外径は１．２ｍ
ｍ、厚さは０．３ｍｍ、内径は０．６ｍｍである。

【００１４】未透過ガスは、未透過ガス出口４より流出
する。容器胴１の内径は３５０ｍｍであり、長さは３５
００ｍｍで、その中に前記の中空糸６が２５０００本入
っており、その両端部は樹脂板７”材質は硬化エポキシ
樹脂”で結束されている。

【００１５】その硬化エポキシ樹脂の性質は概略次の通
りである。

【００１６】曲げ強さ １２３０ｋｇ／ｃｍ² 曲げ弾性係数 ３×１０^-6ｋｇ／ｃｍ² 圧縮強さ １０７０ｋｇ／ｃｍ² 引張強さ ７５０ｋｇ／ｃｍ² 伸び（破壊時） ６．７％

【００１７】混合ガス部のガスはシール材９でシールさ
れており透過ガス部のガスは蓋板２のシール材１０で同
様にシールされ、蓋板２は、本例ではネジ１１で容器胴
１に固定されている。

【００１８】さらに、両端の樹脂板７の相互の距離を固
定するためにステー１２を設けており、中空糸６が弛ん
だり、引張られたりしないようにしている。

【００１９】一方、中空糸を結束する樹脂板７は、エポ
キシ樹脂を注入静置して製造する方法又は、遠心力をか
けて製造する方法等が一般的に行われてきた。

【００２０】いずれの方法にても、エポキシ樹脂を凝結
固化させるのにエポキシ樹脂の熱伝導率は４．５×１０
^-4Ｃａｌ／ｓｃｍ℃と非常に低いため（鋼は約０．１２
４）時間がかかり、かつ中空糸との結合力はエポキシ樹
脂の熱硬化に影響し、熱硬化は加熱温度及び加熱速度に
影響を受けるので中空糸との結合力の減少又は、ピンホ
ールの発生等の減少をまねかないよう行ってきたが、凝
固度に応じて、加熱温度、速度又は遠心力を調整する等
の作業管理と凝固後のマクロ及びミクロの外観検査及び
ガスによる洩漏テスト等の品質管理を行ってきたが、発
生した場合の補修ができない状況であり、廃棄処分とな
ってきた。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成および方法では、図１３〜１８で示すような
大きな課題があった。

【００２２】すなわち、図１３は樹脂板７等を容器胴１
に装着した組立時の状態を示しており、樹脂板７は平板
で、中空糸６は、弛んだり、引張られたりすることなく
組立てられている。

【００２３】本図では、１本の中空糸６を代表的に図示
しているが、実機では前記の如く２５０００本がセット
されている。

【００２４】次に、混合ガスが流入して操業されている
状態、すなわち、図１４に示す如く操業時の荷重と変形
状態を示すと、樹脂板７には、混合ガス部の圧力Ｐ
₁（本例では１０１．５ｋｇ／ｃｍ²Ｇ）と透過ガス部の
圧力Ｐ₂（本例では５ｋｇ／ｃｍ²Ｇ）の差ΔＰ＝Ｐ₁−
Ｐ₂＝９６．５ｋｇ／ｃｍ²が図の方向に作用する。

【００２５】この差圧によって、樹脂板７は図示のよう
に変形し、すなわち、弾性係数が極めて小さいので大き
く変形する。

【００２６】中空糸７のうち中央部にあるもの程、引張
られると共に、樹脂板部の中空糸は一方は内径が狭まり
他方は広がるため、透過ガスの管路の抵抗が増し、透過
量が減少すると共に、圧力損失が増え、透過ガス部１５
の圧力Ｐ₂が減少する。又、接着面１９もはがさ易くな
る。

【００２７】従って、差圧ΔＰがさらに増大し、上記の
変形および影響が大となると共にエネルギー消費が大と
なる。

【００２８】次に、図１５に示す如く、停止時には、接
触面１９は操業と停止を繰返すたびに疲労荷重を受けて
より剥れ易くなっていると共に、中空糸６も弛緩してく
ることを示している。

【００２９】中空糸６が弛緩すると、透過性が劣化する
と共に、中空糸内部にコンデンセートが滞溜するケース
が多くなった。

【００３０】さらに、図１６は組立時透過孔形状を模擬
的に示しているが、この状態では透過孔１７は通常の性
能がでる状態であるが、図１７に示すように、操業時透
過孔形状は、前述の如く中空糸６が引張りを受けるた
め、図示のような変形をし、その分だけガスの透過性が
劣化することになる。

【００３１】一方、上記のように、極めて変形し易い樹
脂に、多数の穴があいた多孔板である樹脂板７の変形を
より少なくしようとすれば、樹脂板７の板厚を図１８に
示すように、大きく厚く”図１８ではＴ４”しなくては
ならないが、これを厚くすればする程、中空糸６の有効
長さＬ４は減少し、極めて不経済となる。

【００３２】又、シール材９の当り面の変形によってシ
ール性も劣化した。

【００３３】従って、混合ガスがシール材９をショート
パスすることもあいまって、透過ガスの性状が著しく劣
ることとなった。

【００３４】一方、樹脂板の材料であるエポキシ樹脂の
熱伝導率は約４〜５×１０^-4ｃａｌ／ｓｅｃ．ｃｍ℃で
あり、金属例えば鋼の約０．１５ｃａｌ／ｓｅｃ．ｃｍ
℃に比して極めて小さいため、凝固固化させるのに長時
間を要し、さらには、接着力の劣化、ピンホールの発生
など、品質上の欠陥トラブルが多く、その補修も不可能
であった。

【００３５】

【課題を解決するための手段】特許請求の範囲に記載し
た手段によって、前記課題を解決した。

【００３６】

【作用】本発明によって、 （１）中空糸６は引張又は圧縮（すなわち弛緩）するこ
となく、中空糸本来の選択性および透過性を長期間発揮
することができた。

【００３７】（２）操業時に樹脂板７に高い圧力が作用
しても樹脂板７の変形を防止することができたので、各
部に無理な変形の繰返しが極めて小さくなったので、中
空糸の寿命を長くすることができた。

【００３８】（３）上記の硬化によって、シール材での
シール性も向上し、完全シールを実現することができ
た。

【００３９】（４）加圧下で受ける樹脂板の応力を相殺
するような負の初期応力をつまり、塑性応力を加熱制御
による熱応力で発生することができる。

【００４０】（５）さらに、エポキシの凝固速度をコン
トロールすることができ、接着力の向上、ピンホールの
減少等ができた。

【００４１】（６）エポキシ樹脂部のうち欠陥部は局部
的に加熱して、より強い熱硬化を発生させ、正常な結合
力をもたせることが可能となった。

【００４２】

【実施例】図１は、本発明の一実施例を示す。

【００４３】混合ガスは混合ガス入口３より容器胴１に
流入し、透過ガス、本例では主としてＣＯ₂ガスは中空
糸６の中空糸ガス透過孔１７を通って、透過ガス部１５
に入る。

【００４４】樹脂板は補強樹脂板８として補強させてお
り、本例の一例ではピアノ線によってつくられた縦線２
０、横線２１、円周線２２で図示のように補強されてい
る。

【００４５】さらに、両端の補強樹脂板８の相互の間隔
を保持するステー１２、各々の補強樹脂板８は図示のよ
うに、多数のテンション材１８、本例は一例であるがそ
の材質はピアノ線で結合されている。

【００４６】補強樹脂板８の外側は、外輪１６によって
カバーされており、外輪の材質は一例であるがＳＵＳ
３０４でつくられている。

【００４７】さらに、圧力をシールするために、シール
材９およびシール材１０が台座１３に設けられ、蓋２は
ネジ１１によって、容器胴１に固定されている。

【００４８】図２は本発明例である図１の補強樹脂板８
の近傍の拡大図を示している。

【００４９】図３〜７は、加圧下に於る中空糸ガス透過
孔形状および補強樹脂板８等の変形状態を模式的に示し
たものである。

【００５０】すなわち、図３は製作時の状態を示してお
り、テンション材１８に引張力を作用させており、した
がって、補強樹脂板は図示の破線のような変形を呈する
残留応力が発生している。

【００５１】図４は操業時の状態、すなわち加圧下の状
態を示しており、差圧ΔＰ＝Ｐ₁−Ｐ₂＝１０１．５−１
８．５＝８３ｋｇ／ｃｍ²の圧力が作用している。

【００５２】透過ガス部の圧力Ｐ₂は、従来法に比べ透
過性が良好、すなわち変形が少なかったため、上記の１
８．５ｋｇ／ｃｍ²Ｇを確保できた。

【００５３】図４で、破線で示すように、差圧によって
変形するはずであるが、図３で述べたように残留応力が
かかっているため、実線のように、変形を呈しない。

【００５４】すなわち、中空糸６は何らの引張りを受け
ない状態が保たれる訳である。

【００５５】又補強樹脂板８の強度および剛性は、エポ
キシ樹脂本来のそれよりも曲げ強さで約３倍、弾性（係
数で約１０〜３０倍の大巾な向上となっているので、撓
み自体は極めて小さく、従って、補強樹脂板８の厚さを
薄くすることができる。

【００５６】図５は停止時の状態を示しており、前述の
如く変形がないので、接着面１９は何ら破損されること
はない。

【００５７】図６は、組立時の中空糸透過孔形状１７を
示しており、何ら変化のない状態である。

【００５８】図７は加圧下の形状を示しているが、変形
は極めて小さいものであり、中空糸本来のもっているガ
ス分離性能に影響を与えるものでないことがわかった。

【００５９】図８〜１１は補強樹脂板８等の製造方法の
手順図を示している。

【００６０】図８は線材にて縦線２０、横線２１、円周
線２２の網１枚が図示されており、材質は１例としてピ
アノ線でつくられている。

【００６１】図９は、それらの網を重ね、ステー１２、
テンション材１８等を取付け、その網目の中に、中空糸
６を通している。

【００６２】図１０は、外輪１６を取付け、エポキシ樹
脂を充填しその凝固速度をコントロールするための加熱
体２３、又は冷媒２４を模式的に図示している。

【００６３】十分に凝固固化した後に、図１１に示すよ
うに中空糸６をそろえるために切断している状態を簡単
に示している。

【００６４】

【発明の効果】以上のように、本発明のガス分離器は、 （１）中空糸の結束部を構成している樹脂板は、弾性係
数が小さく、かつ多数の孔が明いているため圧力によっ
て大きく変形し易く、かつ中空糸自体に引張又は弛緩が
生じて、本来のガスの選択性および透過性が劣化してい
たが、本発明によってそれらの現象が完全になくなり、
大巾な性能向上をなしえた。

【００６５】（２）中空糸によるガス分離器は、上記の
問題もあって大型化が進まなかったきらいがあったが、
本発明によって単一の大型分離器を実現しえた。

【００６６】（３）又、シール部のシール性能も完全な
ものとなり性能ともども安全に対しても良好なものとな
った。

【００６７】（４）さらに、組立、分解、クリーニング
等にも極めて容易であり、かつ、中空糸を含む分離器の
長寿命化を達成しえた。

【００６８】（５）尚、構成および構造も極めてシンプ
ルなため上記性能とも合せて、経済的な分離器を達成し
た。

【００６９】（６）樹脂板の製造に手間がかかり、品質
も不完全になりがちであったが、大型化にあっても、こ
れらの問題が発生することなく、完全なものが得られる
ようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図。

【図２】本発明の拡大図を示す。

【図３】本発明の加圧下の変形状態を示す説明図（製作
時）。

【図４】本発明の加圧下の変形状態を示す説明図（操業
時）。

【図５】本発明の加圧下の変形状態を示す説明図（停止
時）。

【図６】本発明の加圧下の変形状態を示す説明図（製作
時透過孔形状）。

【図７】本発明の加圧下の変形状態を示す説明図（操業
時透過孔形状）。

【図８】本発明の補強樹脂板の製造手順例を示す説明
図。

【図９】本発明の補強樹脂板の製造手順例を示す説明
図。

【図１０】本発明の補強樹脂板の製造手順例を示す説明
図。

【図１１】本発明の補強樹脂板の製造手順例を示す説明
図。

【図１２】従来法の１例を示す断面図。

【図１３】従来法の加圧下の変形状態を示す説明図（組
立時）。

【図１４】従来法の加圧下の変形状態を示す説明図（操
業時）。

【図１５】従来法の加圧下の変形状態を示す説明図（停
止時）。

【図１６】従来法の加圧下の変形状態を示す説明図（組
立時透過孔形状）。

【図１７】従来法の加圧下の変形状態を示す説明図（操
業時透過孔形状）。

【図１８】従来法の加圧下の変形状態を示す説明図（樹
脂板厚増加）。

【符号の説明】

１ 容器胴 ２ 蓋板 ３ 混合ガス入口 ４ 未透過ガス出口 ５ 透過ガス出口 ６ 中空糸 ７ 樹脂板 ８ 補強樹脂板 ９ シール材 １０ シール材 １１ ネジ １２ ステー １３ 台座 １４ 混合ガス部 １５ 透過ガス部 １６ 外輪 １７ 中空糸ガス透過孔 １８ テンション材 １９ 接着面 ２０ 縦線 ２１ 横線 ２２ 円周線 ２３ 加熱体 ２４ 冷媒

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 無機多孔質膜中空糸束の両端部を樹脂材
   で結束し、該両端部の樹脂材をステーにて連接し、前記
   結束及び連接された中空糸束を、混合ガスの入り口およ
   び未透過ガスの出口を有する容器胴の内部に配設し、前
   記容器胴の両端部に、透過ガスの出口を有する蓋板を脱
   着自在に配設してなるガス分離器において、前記両端部
   の樹脂材の外周部を金属製の材料からなる外輪で構成
   し、該樹脂材内部の垂直方向数段部に縦線及び横線から
   なる金属製の補強部材を取り付けるとともに、前記両端
   部の補強部材群どおしを金属製のテンション材で連接し
   たことを特徴とするガス分離器。