JPS585688B2 - クヌッセン細孔拡散膜の移動式ガス混合物成分濃縮装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の目的」 ガス混合物をクヌツセン細孔拡散の多孔性膜面にパルス
状に印加すれば、膜内を通過して膜の反対側の面から出
てくるガスは低分子量成分を多く含んでいる。

この多く含まれている割合は時間の■いときほど大きい
のでパルス状に印加してすぐに出てくるガスを捕集する
ことが低分子量成分の濃縮には有効である。

しかし、膜面にガス混合物をパルス状に印加し，ついで
膜内ガスを除いて再′びパルス状印加という単紳な方式
ではガス捕集が間けつ的となり・ガスの処理量が少ない
。

本発明の目的は上記原理に基きながらガス捕集が連続的
にできるような装置の提供にある。

この装置により低分子員成分が濃縮されたガスを連絣的
に取り出すことができるし、はじめに供給した原料ガス
室では重分子量成分の濃縮が効率よく行なわれる。

本発明の膜の相対的移動式の濃縮器はガス混合物中の低
分子量成分と重分子量成分の濃縮に同時に用いられる。

「発明の構成」 本発明の理解がたやすいように、以下本発明の構成原理
を本発明の代表的な具体例により説明する。

ガスがクヌツセン拡散する多孔性膜を帯状にして移動さ
せるのが第１図の装置、円板状で回転移動させるのが第
２図の装置である。

何れも本発明の原理の理解を助ける為の概念図である。

第１図に示す装置では２枚の膜１，２０間の一部を仕切
って原料供給室３をつくり、該室の上と下にそれぞれ拡
散ガス捕集室４，５をつくる。

第２図に示す装置では円板状膜１，２の間の一部を仕切
って原料供給室３をつくり、該室の外側に拡散ガス捕集
室４と５をつくる。

第１図、第２図の装置ともに拡散ガス捕集室４，５を真
空ポンブ８につなぎ、弁１０から原料供給室３にガス混
合物を仕込む。

原料供給室３から膜を通って拡散ガス捕集室４と５にガ
ス拡散が起きる。

膜は各室と相対的に運動しているので膜が原料供給室３
でガス混合物と接触する時間を短く、拡散ガス捕集室４
，５でその膜の反対側の面からのガス捕集時間も短くで
きる。

膜が再生室６に入ればここで膜内残存ガスは真空ポンプ
７の排気で除かれて再びガスを含まない新しい胛面とし
て原料供給室３に入る。

その結果拡散ガス捕集室４と５から低分子量成分の濃い
ガスが連続的に矢９で取出を示すように得られ、これと
逆に原料供給室３では重分子量成分が濃縮されて、この
ガスは弁１１から取り出される。

再生室６で膜内から除かれたガスも連続的に原料供給室
３に戻される。

本発明の装置に於では膜面と各室開口部とのシールが重
要である。

シールは完全であるに越したことはないが、気体の漏れ
は本発明の装置の原理を決定的に害うものではないので
、必要に応じて適当なシール方法を選択すればよい。

例えば、第１図、第２図の装置では実験室的には何れも
各室の開口部よりも膜の方を広くして膜が各室開口部に
接して滑り動くようにし、開口部の端縁には各種合成ゴ
ム類や合成樹脂等の弾性材料製のリップ型シールを、好
ましくは３段以上の多段をなすように施すことにより良
好にシールができる。

リップは高圧側が凹とするのが一般的に好ましい。

開口部の端縁の形状は角の少ない形状が好ましく、特に
実験室的には円形とするのが簡便である。

またリップと膜の摩擦にも留意する必要があり、適当な
表面処理、表面処理剤等の利用も可能である．腋の最も
代表的な材料には四フツ化エチレン系樹脂類等の各種ハ
ロゲン化オレフイン類があげられる。

リップの代表的な材料にはフッ素樹脂ゴム類シリコン樹
脂ゴム類等があるっ 第３図は多段のリップ型シールを施した場合の概念を示
す縦断面図である。

１１１が室内が高圧側である場合のリップ、１１２は同
じく低圧側である場合のリップである。

但し、この図に於で低圧惧１とした拡散ガス捕集室は一
般には再生室に対し非低圧側即ち等圧，又は好ましくは
高圧側となるのが望まれることも多いので、高圧側であ
る場合リップの向きは逆となる。

また等圧又は差圧の少ない場合にはラビリンス型のシー
ルを応用してもよい。

本発明では第１図、第２図の如く原料供給室３が常に２
個の拡散ガス捕集室４，５により膜１を介してはさまれ
る必要はなく，膜をはさんで両種の室の開口部が接して
いるのが根本的な構成であり、これに画室と膜とを相対
的に移動させる手段、原料混合ガス供給手段、膜透過ガ
スを拡散ガス捕集室から捕集する手段の適宜のものが夫
々少なくとも１個備えられればよい。

第４図は本発明の装置の一例の構成の要部の概念を示す
縦断面図で、円板状の再生室６の外周に付設された枠１
１３に多孔性膜１が張られている９その中心には強力維
持具１１４により上下貫通孔１２１が設けられており、
これにより膜１により上下に分かれた再生室６が均圧さ
れる。

原料送入管１１８と拡散ガス捕集管１１９は円板状の再
生室６と中心軸を共有して配置されており、両管とも円
板状の再生室６に対し該室の中心部で、前記中心軸を回
転軸として回転自在にシールされている。

再生室６の上半側の中心付近の壁には排出管１２０が設
けられているう原料送入管１１８は、再生室６内で正反
対の水平方向に分岐する２本の枝管１１５を介して２個
の原料供給室３に連なるっ技管一原料供給室の２個の組
は前記回転軸に関し対称に配設される。

同様に、拡散ガス捕集管１１９と枝管１１６，拡散ガス
捕集室４も多孔性膜１の下側で再生室６の下半部内に２
個、回転軸に関して対称、かつ上述の２個の原料供給室
３の夫々とこれらに夫々対応する２個の拡散ガス捕集宇
４が膜１を介し互に開口部を正対させて隣り合うよう配
設させている。

原料送入管１１８と拡散ガス捕集管１１９とは、双方の
分岐部で、上下貫通孔１２１を再生室６の上下の通気を
さまたげずに貫通する連結具１１７ｖｃより連結され、
両管とこれらに連なる枝管及び各室が一致して回転でき
るようになっている。

各室及び各枝管等は回転軸に関し対称に配設されている
ので、回転により発生する遠心力が均衡される。

原料供給室３と膝１の間はリップ型シール材を多層に用
いてシールされ、拡散ガス捕集室４と該膜の間はラビリ
ンス型シールでシールされている。

矢９９９は原料混合ガス供給、矢９９は高分子量側ガス
排出，矢９は低分子量側ガス取出を夫々示す。

第４図の装置では多孔性膜１が固定され原料供給室３と
拡散ガス捕集室４が該膜をはさんで移動するが、必要に
よっては膜１の方が再生室６と共に回転する 又は画室
と膜１とが互に反対方向に回転して相対速度を上げる等
の応用も可能である。

この様な際の本発明の装置の部分構造の一例を第５図に
示す。

再生室６の土側壁の中心付近がキャップ１３０と回転自
在のシール１２５で連なり、該キャップに排出管１２０
が設けられる。

原料送入管１１８は該上側壁とではなくキャップ１３０
と回転自在のシール１２６によって連なるっまた第４図
に類似の構成で、複数枚の多孔性膜１を前記両種の室で
交互にはさんだ形式の多層構成とする応用も可能であり
、第６図がその一例の要部の一例である。

多数の原料供給室３と拡散ガス捕集室４とが多数の膜１
を介して交互に開口を正対させて重なり合い、原料送入
管１１８と拡散ガス捕集管１１９とは、第４図に於る如
き連結具によってではなく、原料送入管１１８が上端か
ら下方に向う途中で同軸的に径を増してこれが外管とな
り、拡散ガス捕集管１１９は原料送入管１１８の径の増
した部分内で同軸の内管となり、内管から分岐する枝管
は外管壁を気密的に貫いて夫々対応する拡散ガス捕集室
４に通じる構造によって直接結合される。

但し図中では、使単の為に、各室の開口の端縁と膜１の
間のシールは図示を省略したほか張力維持具の符号によ
る指示も略したが，本例の構造は図上で左右対称である
ことに留意して第６図の例、特に中心部付近を参照すれ
ば、本例は容易に理解されよう。

第７図は再生室６内で多数のロールを介して蛇行部分を
有しつつ周回移動する無端帯状の多孔性膜１の平行な蛇
行部を多数の原料供給室３と拡散ガス捕集室４で交互に
はさむ配置としてある。

膜１はこのように無端とする代りに、両端を夫々に対応
する巻取・巻戻ロールに接続して往復させることもでき
，良好な無端化の困難な膜材料を利用したい場合等に便
利である。

上記説明により本発明は充分理解されよう。

但し本発明は勿論上記図示のものに限定されず．これら
に本発明の原理を損なわない改変を行ったものはすべて
本発明に含まれる。

「発明の効果」 クヌツセン細孔拡散膜を固定しガス混合物をパルス状に
印加していたのでは操作が断続的であり捕集ガス量も少
ない。

本発明の膜回転式の濃縮装置によれば連続的に拡散通過
ガスが得られるので操作が容易となり低分子量成分の濃
いガスを多量に得ることができるし、同時に原料ガス供
給室では重分子量成分が速かに濃縮されてゆく。

たとえば第１図に示す２枚の帯状膜をもつ濃縮装置で、
膜として細孔空隙率３０％，膜のクヌツセン拡散係数０
．００１８ｃｍ２／ｓｅｃ、厚さ０．３ｍｍの帯状膜を
用い、２枚の膜面間の距離は６ｃｍ．２枚の帯状膜をと
もに１回転の所用時間０．１ｓｅｃ、膜が部屋３に滞在
する時間は０．００９ｓｅｃで運転する９９．９８５％
の軽水素と０．０１５％の重水素の混合ガスを部屋３に
仕込んでこの濃縮装置を３０分間運転したところ、部屋
３では初めにあった重水素のうち３９，１％が除かれ６
０．９％が残留したのに対して軽水素は９２．６％が除
かれ７．４％が残留した。

したがって残留ガス中の重水素は０．１２％であり、重
水素分は８倍も濃縮されたのである。

また除かれたガスを集めればそのガスの中の軽水素分は
９９．９９４％であり、原料ガス中の軽水素より濃縮さ
れている。

つぎにウラン濃縮に応用した場合について記すウラン濃
縮は多段で行い、それぞれの段で低分子量成分が濃縮さ
れたガスを更につぎの段に送り低分子量成分が減少した
ガスは一段前に戻す方法がとられるが、各段では定常拡
散で濃縮が行われている。

天然ウランには分子量が２３５のものが０．７％含まれ
ているが、軽水炉燃料にするためにはこれを３％に濃縮
しなければならない。

この濃縮は六フツ化ガスで通常５０％カット（原料ガス
の５０％を拡散除去）操作なので７３１段が必要である
。

ところが、膜回転式の下記の濃縮装置を膜細孔空隙率
３０チ 膜内クヌツセン拡散係数 ０．０００２ｃｍ２／ｓ
ｅｃ膜厚さ ０．１ｍｍ 部屋３での２枚の膜面間距離 ５ｃｍ １回転の所要時間 ０．１０４７ｓｅｃ膜が
部屋３に滞在する時間 ０．０１５Ｓｅｅ５０％カッ
トで１８．３分間運転すれば０．７％から３％への濃縮
が１９７段で遂行でき、しかも０．７％濃度の原料１０
０モルから３チ濃縮物が０．６８９モル得られる。

ところが従来の定常拡散法では上記の膜を用いて１００
モル原料あたり得られる３係濃縮物も０．１８６モルと
少ないのである。

このように混合ガス中の重分子量成分を濃縮したい場合
には濃縮装置内の原料ガス供給室のガスを回収すればよ
いし、低分子量成分の濃縮が目的の場合には拡散で除か
れたガスを集めればよい。

本発明の膜回転式の濃縮器は一般に混合ガスからの低分
子量成分、重分子量成分の濃縮や分離に広く利用できる
が、重水素の濃縮やウラン濃縮など原子力工業への貢献
が特に著しいう

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の装置の具体例の概念図、第３
図は多孔性膜と各室の間のシール方法の一例の概念を示
す縦断面図、第４図，第５図、第６図は本発明の装置の
一例の構成の要部の概念を示す縦断面図，第７図は本発
明の装置の一例の構造の概念を示す縦断面図である。 １，２は多孔性膜、３は原料供給室、４，５は拡散ガス
捕集室、６は再生室、７，８はポンプ、９は低分子量側
ガス取出、１０．１１は弁、９９は高分子量側ガス排出
．１１１，１１２は多段リップ型シール、１１３は枠、
１１４は張力維持具、１１５，１１６は枝管，１１７は
連結具、１１８は原料送入管、１１９は拡散ガス捕集管
，１２０は排出管、１２１は上下貫通孔、１２５，１２
６は回転自在のシール、１３０はキャップ、９９９は原
料混合ガス供給を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ クヌツセン細孔拡散の多孔性膜面にパルス状にガス
   混合物を印加し時間の短い過度区間での膜内拡散を利用
   するガス濃縮装置において、原料供給室，これに隣接す
   る拡散ガス捕集室，画室を仕切る多孔性の膜、該膜を連
   続的に画室に対し相対的に移動せしめる手段、原料供給
   室へ原料たる混合ガスを供給する手段、拡散ガス捕集室
   から膜透過ガスを捕集する手段を夫々少なくとも１個具
   備し、画室に対し該膜を相対的に移動せしめながら原料
   供給室にガス混合物を連続的に供給し拡散ガス捕集室か
   らはクヌツセン拡散によって膜を通過したガス成分を連
   続的に取り出すことにより、膜が画室に対し相対的に移
   動する間に嘆面の一部が常にパルス状にガス混合物の印
   加をうけるようにし、印加とは反対側の膜面から膜内通
   過ガスを連続的に捕集できることを特徴とする装置。