JPH0824815B2 - ガスの分離方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はガス分離膜を用いてガス混合物から選択的に
特定の成分を濃縮分離する方法に関し、更に詳しくはガ
ス分離膜モジュールにプレッシャースイング法の手法を
適用して効率的、且つ経済的に混合ガスから特定成分を
濃縮分離する方法を提供するものである。

（従来の技術） ガスを分離精製する技術、もしくは特定の成分を濃縮
（富化）する技術は工業、鉱業、医療等の各産業分野で
種々なガスを対象にして利用されている。中でも空気よ
り分離膜を用いて酸素を濃縮分離する技術は、医療用酸
素発生装置として既に実用化の段階に来ており、これら
に関する数多くの技術が公開されている。例えば、特開
昭58−55310（酸素富化空気発生装置）、特開昭59−829
03（酸素富化装置）、特開昭59−203705（酸素富化
器）、特開昭62−83022（ガス分離モジュール）、特開
昭62−74433（ガスの分離方法）等。またこれらの装置
に用いられる分離膜についても多くの発明がなされてお
り、例えば特開昭62−30524（選択透過膜）、特開昭62
−74405（分離膜）等、枚挙に暇のない位である。一般
に分離膜は有機化合物又は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
数多くの提案がなされている。このような分離膜は通常
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、それぞれの形式に特徴があり、目的によって使いわ
けられている。

（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比べて有利とするには、前記
種々の分離膜の性能を上げること、用途に適するモジュ
ールの形式を用い、モジュール単位体積当たりの分離膜
の充填密度を上げて、分離効率を向上させること、さら
には膜の耐用年数を上げることにより、経済性を良くす
ることなどが重要である。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
くするかが問題であって、そのため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（中空糸型においては内面）を原料
ガス側の圧力より低い圧力を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を透過する速度が異な
るために透過ガスの組成が、原料ガスの組成と異なるこ
とで、透過ガス組成は原料ガス中の特定成分に富み、一
方透過されないガス（非透過ガス）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、主なものは動力費である。
このような運転コストを下げるため、前記公開技術の中
で 1.原料ガスの一部を透過ガスに導入する。（特開昭62−
74433） 2.原料空気を加圧するとともに透過ガスを吸引する。
（特開昭58−55310） 3.モジュールを多段直列に連結する。（特開昭58−5530
9） 4.複合モジュールの下流側に面積の小さいものを配置す
る。（特開昭62−83022） 5.操作弁を設けて圧力を一定にする。（特開昭59−2037
05） などの種々の運転操作に関する発明がなされている。

また前記種々の分離膜の性能向上のための発明が公開
されているが、性能の向上と共に分離膜自体のコストが
高くなっているのも事実であり、如何に単位膜面積当り
の製品収量を高くするかが、前記動力費と共に製品コス
トに影響する重要なファクターとなっている。

前記の例示した技術を含め、従来の膜によるガス分離
技術においては、原料ガスを原料供給側より一定圧力で
定常供給するか、もしくは透過側より減圧排気するか、
これを同時に行うかに限られていた。この方法ではガス
を分離膜表面に沿って流す場合、ガス出口側に近い部分
程透過ガスが減少してその分圧を小さくなるため充分透
過せず、従って分離膜の全表面にわたりその性能を充分
に発揮させることが出来ず、結局分離膜単位面積当りの
製品収量が低い結果となっていた。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、かかる観点からなされた発明であって、本
発明者らは出口側で透過ガスの分圧が小さくなり、ガス
分離性能、即ちガス分離膜の分離効果が充分生かされて
ない点に着目し、これを解決すべく検討を重ね、供給側
と透過側（原料側と吸引側）の圧力差を大きくすると共
に、膜の全表面にわたって透過ガスの分圧を均一にする
ことが出来れば効果的であると考えた。

本発明者らは、この圧力差を大きくとる為に、原料ガ
スをガス分離膜モジュールに加圧供給する工程と、供給
を停止しモジュールの透過側より減圧吸引する工程を短
時間で交互に繰返す事によって、少ない動力消費量で供
給側と透過側の圧力差を最大限に大きくすることが出
来、また膜の全表面において透過ガスの分圧を均一にす
る働きがある事を見出し、本発明に到達した。

即ち、ガス入口側とガス出口側における透過ガス成分
の分圧に着目すると、モジュールに原料ガスを一定圧力
で連続供給するか、もしくは定常的に減圧吸引した場合
に比べてその分圧がより均一になり、ガス出口側に近い
部分でのガス透過量及び分離能力が減少低下するのを防
ぎ、従って膜の全面積を有効に使用することが可能とな
った。さらに原料ガスの供給と、透過側よりの減圧吸引
の両方を２〜３秒から数十秒間の周期で交互に繰返す
と、加圧供給側と透過側に各々残圧が出来、この圧力差
が、定常的に一定加圧、もしくは一定減圧した場合よ
り、大きな差圧を繰り返して与える為にすぐれた効果を
奏するものと考えられる。その作用機構は充分審らかで
はないが、これを図−１を用いて説明する。

工程−１において圧力P₁まで加圧された供給ガスは、
工程−２では供給を停止し透過側よりの減圧吸引によっ
て、その圧力はP₃まで低下する。一方、工程−２で圧力
P₄まで減圧された透過側の圧力は、次の工程−１で減圧
を停止し原料供給側の加圧によってP₂まで圧力上昇す
る。このようにして、原料ガスの加圧供給と透過ガスの
減圧吸引を交互に行うと、供給側と透過側に△P₁＋△P₂
＝△P_Aもしくは△P₃＋△P₄＝△P_Bの圧力差が生じ、一定
圧力（P₁）で加圧供給するか、もしくは一定圧力（P₄）
で減圧排気した場合に比べて△P₂もしくは△P₃に相当す
る残圧分の圧力差が加算されて有利となる。また、従来
の定常的な一定加圧と一定減圧方式の場合の圧力差と△
P_Aまたは△P_Bが同程度であったとしても、本発明の方法
は加圧、減圧を繰返すために、加圧側、減圧側の圧力が
それぞれP₁とP₃、P₂とP₄の間を変動し、かつ、その間の
圧力比がP₁/P₂、P₃/P₄の範囲で周期的に変動することが
分離膜性能にドライビングフォースを与え、本発明のす
ぐれた効果を奏するものと推定される。換言すれば、従
来の定常加圧−減圧方法の場合のポンプ２台による透過
量（点線で囲った部分）に比べ本発明のポンプ１台によ
る透過量（曲線で囲った部分）の方がポンプ１台当たり
にすると明らかに多いことがわかる。（本発明でポンプ
２台を別に用いる場合も交互に稼働するから動力消費量
としては１台分と等しい。） このように本発明の方法は、後記実施例に示すごと
く、従来の一定加圧または／および一定減圧方式に比べ
て格段の効果を奏する事実は驚くべきことである。

本発明の目的は、ガス分離膜モジュールに混合ガスを
供給し、特定ガス成分を濃縮分離する新規な方法を提供
するにあり、その要旨は「ガス分離膜モジュールへ混合
ガスを加圧供給する工程と、供給を停止し、透過ガスを
透過側より減圧吸引する工程を交互に繰返すことを特徴
とするガスの分離方法」である。

本発明において、前記加圧、減圧工程は、数秒間ない
し数十秒間の短時間の周期で繰返すことが望ましく、余
り長時間または短時間であると本発明の効果が充分あら
われず、更に好ましくは５〜20秒程度である。加圧又は
減圧に使用するポンプは加圧用と減圧用を１台で切替え
使用してもよいし、加圧用、減圧用専用に夫々別のポン
プを使用してもよい。工業用大規模装置の場合には、加
圧、減圧共用に適したポンプが得られ難いので、別形式
のものを用いた方が加圧又は吸引の能力が充分発揮出来
る。しかもポンプを別にすると簡単に複数個のモジュー
ルを同時に操作することが出来、従って連続的に製品が
得られるという利点がある。

本発明の分離方法は、中空糸型分離膜に限らず、プレ
ートアンドフレーム型、スパイラル型などあらゆるタイ
プのモジュールに適用でき、またガスの種類を問わず混
合ガスからその中の特定成分を濃縮分離するのに有効な
方法である。以下、酸素透過膜をガス分離膜として用
い、空気から窒素を分離する場合について、実施態様を
説明する。

図−２は、１台のポンプを用いて加圧と減圧を交互に
繰返す場合のガス流れ図であり、ガス分離膜モジュール
の透過側を減圧吸引して排気するプロセスを示してい
る。勿論ガス分離膜モジュールが複数個あっても１台の
ポンプで賄える。原料が空気で窒素を分離する場合、非
透過側に窒素が濃縮されるのでこれを製品とし、透過側
を減圧排気するが、逆に酸素を濃縮分離する場合には、
非透過側を排気し、透過側を減圧吸引して製品とする。
これはガスの種類と分離膜の性能によってきまる問題で
あるので、透過側を減圧吸引すればいずれも本発明の範
囲である。

図−３には前記１台のポンプを使用した場合の操作工
程図を示した。工程−１ではガス分離膜モジュールに原
料ガスを加圧供給して非透過側より製品を分離し、工程
−２では原料ガスの供給を止め、ガス分離膜モジュール
の透過側を減圧吸引して排気する。前記のようにこれは
原料としての空気から窒素富化ガスを製品とする場合で
あるが、逆に酸素富化ガスを製品とする場合には透過側
の吸引ガスを集めねばならない。工程−１、工程−２の
タイムサイクルをどれ位にするか、加圧、減圧の圧力を
いくらにするかはガスの種類、分離膜の性能、モジュー
ルの種類と装置構造等により、実験的に最適値を決定す
べき問題である。同様に図−４には、複数のガス分離膜
モジュールに加圧用の原料ガス供給ポンプと、減圧用の
真空ポンプを用いた場合のガス流れ図を、図−５には２
台のポンプを用いた場合の操作工程図を示した。前記図
−３で説明したと同様に、タイムサイクル等は実験的に
最適値を決定すべきであるが、どの場合でも数秒間から
数十秒間の短時間が効果的であった。

（実施例） 次に本発明の方法による実施例を掲げるが、本発明が
これに限定されるものでないことは云う迄もない。

実施例１（窒素富化ガスの製造） ガス分離膜モジュールとして酢酸セルローズ樹脂製の
中空糸型で膜表面積8m²のものを用い、ポンプは容量50
/min、180ワットのダイヤフラム式ポンプ１台を採用
して、空気を原料とし、工程−１、工程−２、各10秒の
周期で加圧、減圧を繰り返し、透過側より酸素を除去
し、非透過側より窒素を濃縮した製品を取得した。

その結果、同じポンプを用いて一定圧力で空気を加圧
供給した場合を比較例として対比すると、表−１のよう
になった。

以上より同じガス分離膜モジュールと同じポンプを用
いて比較すると、製品中の酸素濃度が7.5％の場合、一
定加圧供給の場合の８倍の製品窒素量を得た。製品中の
酸素濃度を5.0％にしようとしたが、一定加圧供給の場
合は製品の取得が不可能であった。

実施例２（窒素富化ガスの製造） また同じガス分離膜モジュール２基を用い、加圧用と
減圧用に実施例１と同じポンプを２台別々に用いた場合
の結果は表−２の如くであった。

（発明の効果） 本発明は、従来のガス分離膜モジュールに一定の加圧
または／および減圧により原料ガスから製品を濃縮分離
する方法に比べ、加圧と減圧を交互に繰返すという、全
く新しい手法によるものである。これにより、ガス分離
膜の性能を充分に発揮させることが出来、従来不可能で
あった高濃度の製品を取得することが出来ると共に、同
じ濃度の製品に対しては、単位時間当たり数倍もの製品
量を取得することが出来、ガス分離膜の工業的利用に寄
与する所大である。

【図面の簡単な説明】

図−１は本願発明の作用機構を示す模式図。 図−２は１台のポンプで加圧、減圧を繰返す場合のガス
流れ図。 図−３は同じく操作工程図。 図−４は加圧、減圧を別々のポンプで行う場合のガス流
れ図。 図−５は同じく操作工程図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス分離膜モジュールへ混合ガスを加圧供
   給する工程と、供給を停止し、透過ガスを透過側より減
   圧吸引する工程を交互に繰返すことを特徴とするガスの
   分離方法。
2. 【請求項２】前記各工程を数秒ないし数十秒の短時間の
   周期で繰返す特許請求の範囲（１）記載の方法。
3. 【請求項３】加圧又は減圧に使用するポンプが同一であ
   る特許請求の範囲（１）記載の方法。
4. 【請求項４】加圧又は減圧に使用するポンプが、加圧用
   と減圧用、各々別である特許請求の範囲（１）記載の方
   法。