JPS5962326A - ガス分離モジユ−ル - 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】 本発明は、選択透過膜を用いて、気体混合物から有用成
分を分離するだめの装置に関するものである。

従来、気体陵は、液体の混合物から、ある成分を膜によ
って、分離する装置は、種々提案されている。これらの
装置は、流体混合物中の透過成分或は透過流体の透過の
原理によって種々異り、分離のための駆動力の与え方に
よる違い、即ち例えば、液体の場合、その系の浸透圧以
上の圧力を膜壁を介して与えて溶媒を分離する逆浸透法
、溶質分子の太きさや、溶媒と膜との親。

和力の差を利用して、ｐｌＸ壁を介して圧力差を与えて
溶媒を分離する限界濾過法、気体混合物の場合、膜壁を
介して圧力差を与えて、特定成分の分圧差によって、拡
散速度差を利用して分離する溶解拡散法、或は、溶媒間
の溶質の濃度拡散により特定成分を分離する透析法など
、その原理によって、装置の構成や構造に異る。従って
、分離操作に望まれる分離度（選択性）１分離コスト、
および装置の寿命と１分離の条件。

即ち、分％を対象流体の種修、成分、４度、温度および
圧力等とによって、分離装Ｒ２１ｌ−最適に選定するの
は、至極当然のことである。

膜分離装Ｓｔのモジュール形式は、分離の条件によらず
、一般的に膜の形状によって、中空繊維で目、ホローフ
ァイバー型モジュール、管状では、チューブラ−型モジ
ュール、平膜では、平板状に重ね合わせた場合、プレー
トアンドフレーム型モジュール、のり巻設に巻きあげた
場合、スパイラル型モジュールに大別されるが、モジュ
ールの詳細構造は、用いる膜の性質や上述の如き条件に
よって、千差万別である。

近年の膜分離技術の著しい発展によって、気体混合物か
ら、特定成分を分離する方法も、実用化の域に達してい
る。中でも、空気を原料として、膜によって酸素を分離
娘絹する技術は、省エネルギーの点から社会的ニーズが
強く、実用化への技術の開発が強力に進められていると
ころである。

気体混合物の分離の場合、特に空気を原料とする場合は
、経済的理由から、分離の操作圧力は低く、高々５Ｋｆ
　／　ｃｒ！　Ｇ以下の場合が多い。低圧操作における
。＠分離モジュールは、一般には、前述のプレートアン
ドフレーム型モジュールの形式が有利とされているが、
この種の装置形式は、逆浸透法や、限外Ｆ５適法の目的
で開発され種々提案されているが、いずれも高圧操作に
適したものであって、低圧操作の気体分離には、装置が
過大であるばかりでなく、操作上程々の困難を伴う。

即ち、従来公知のプレートアンドフレーム型モジュール
は例えば特開昭４８−８４０８７号公報の記載によれば
、さ択透過膜を高圧に耐え得るために支持する支持板と
、膜を誘過した流体が、流動して、系外に排出できるた
めの空間部が高圧に耐えて保持できるようにする案内板
とから成っており、支持板および案内板とも、強度的に
強い材料で、大きさも大きく、堅牢な構造となっている
。更に、支持板および案内板は、流体流路が複雑に形成
されているため、取扱い操作が極めて煩雑である。従っ
て、ガス分離における比較的低圧領域でのモジュールの
開発、特に取扱い操作が簡単なモジュールが望まれてい
る。

本発明者らは上記観点に立って製作容易なすぐれたモジ
ュールを提供すべく研究の結果、本発明に到達した。

すなわち、本発明は少なくとも２種類以上の成分から成
るガス混合物から、有用成分を選択透過膜で分離するガ
ス分離モジコーールにおいて、シート状多孔質構造体と
、該多孔質構造体の少々くとも片方の表面に、選択透過
膜を配し、周端部を密報し、前記多孔質構造体をサンド
インチにした袋状と為し、且つ前記膜を透過したガスを
排出する開口部を有する膜エレメントを、少なくとも２
層以上枝Ｍ！ｉ　して成る分離モジュールであって、積
層された膜エレメニ／トの間には、各積間共原料ガスを
一定方向に流すように配置され、前記膜エレメントのガ
ス排出開口部は、横１ｍ間で同じ位置に配置し、膜エレ
メント間に隣接する開口部の間にシール部材を有し、前
記膜を透過したガスは、開口部に果められ積層した膜エ
レメントの開口部から集合して排出するようにしたこと
を％徴とするガス分離モジュールである。

以下、図面を参照しながら、本発明のモジュ−ルを説明
する。

第１図（、）は、膜エレメントの１例を示す平面図で、
第１図（ｂ）は、第１図（ａ）のＡ−Ａ断面を示す。

第１図において、１は選択透〕尚膜、２け膜を支持する
と共に、膜を透過したガス成分の流路となる多孔質構造
体、７は多孔質構造体を袋状に包み込んでいる膜１と多
孔質構造体２とを密封した部分、８は膜を透過したガス
成分を排出するための開口部をそれぞれ示している。

選択透過膜の８材としては、有用ガス成分の透過係数の
大きいものがよく、分離目的によって、種り選択するこ
とができる。例えは、酸素分離膜では、ポリα−オレフ
ィン例えば、４−メチルペンテン−１，メチルペンテン
重合体とオルガノポリシロキサン−ポリカーボネート共
電合体、ポリフェニレンオキサイド、セルロースアセテ
ート、ポリビニルアルキルシラン、ポリアリルアルキル
シラン、例えはビス（３−アミノプロピル）テトンメチ
ルジシ四キサンと４．４′−ジフェニルメタンジイソシ
アネートとから得られるポリ尿素等をあげることができ
る。

水素分離用膜では、前記酸す分離膜素材と同じ素材を使
用でき、それ以外にもアクリルニトリル−スチレン共重
合体、オルガノポリシロキサン、ポリピロメリットイミ
ドなどもあげることλ：できる。

ガス成分を整択的に透過膜せる膜（：１、微細孔であっ
ても、拡散速度差であっても、真に選択性を発揮させる
構造体は、一般には、膜厚が薄ければ薄い程その透過１
ｔは大きくとれるので膜厚を極めて薄ぐする方法の研究
が為−されている。

その方法としては、溶媒に浴解した昼分子比合物を、水
平上で展開拡張させる作る方法や、多孔質構造体の狭面
上で２相間の界面反応によって、生成化合物を薄膜化さ
せる方法を等有効に用いることができる。

多孔質構造体２は、選択透過膜を支持固定すると共＋ｆ
Ｃ，膜を透過したガス成分の流路の役を果す。その対応
として、第２図（ａ）に１例を示す。

第２し１（ａ）において多孔質構造体３は、不均質な細
孔から成り、膜の近傍では、極微細な構造であるような
、所副、非対称多孔体で、例えば、ポリスルホン、ポリ
エーテルスルホン、ポリフッ化−ビニリデン、セルロー
ルアセテート等の高分子化合物をフィルム状に湿式成型
１７て得られる非対称微多孔膜を多孔質Ｓ蚕体として用
いることができる。

第２図（ａ）の例では、前記微多孔膜の緻密な界面側に
選択透過膜を形成し、多孔質粗面を相対して重ねて１対
とした例である。第２図（ｂ）は、第２図（、）に示し
た非対称微多孔膜を４の多孔体の上にＩＨ接成型した例
で、多孔体としては、例えば、合成繊維や天然繊維の織
物２合成繊昶の不織布や紙など、有利に用いることがで
きる。

第２図（ｃ）は、選択透過膜を支持固定する機能と、膜
を透過したガス成分の流路となる機能とを別々の材料で
構成させる例で、第２図（ｃ）の５は前者の機能材料を
示Ｌ、多孔質高分子フィルム例エバ、ポリエチレン、ポ
リプロピレン、芳香族ポリエチレン、或は、ポリカーボ
ネート等の多孔質フィルムをあげることができる。第２
図（Ｃ）の４は後者の機能材料を示し、第２図（ｂ）の
４の前記例示などをあけることができる。第２図（ｄ）
は、バスを透過したガス成分の流通を更に改良するため
、第２図（ｂ）の多孔質体の間に、適当な空間部を有す
る構成材料６を挿入した例で、その様な材料として例え
ば、紙板、樹脂シート或は金属板を波状に成型しに一板
、繊維、繊維束、或は帯状の紐を網目状に成型したノー
ト、粉末状固体を圧縮成型した通気板、＃Ｊ脂板や金属
板に溝加工した板ｉｕ気性発泡体及び通気性ハニカム構
造体、など用いることができる。股エレメントとして第
２図（、）〜（ｄ）のいずえ【の形状をとるか顛、目的
ガス成分、ガスの透気、１．操作圧力および温度などの
分離膜ｔｔによつ−Ｃ任意に選定することができる。

以下の詳細な説、明で明らかとなるか、本発明における
膜エレメントは、該エレメントを多層にするため、重ね
合わせた場合の膜エレメントの変形が問題となる。従っ
て、第２図（ａ）〜（ｂ）に例示した構成は、変形しに
くい適当な剛性を持った構造や構成材料を適宜選択する
。

ａｔ　１　ｒｆｆｌにおける７の密封は、原料ガスが透
過ガス側に洩れないように゛するためでおる一０密封の
構造としては、多孔６質構造体を介して相対した選択透
過膜向士を密封する、膜の間に密封目的物をはさみ込む
、或は、多孔質構造体をサンドイッチにしたま＼Ｕ封す
ることができる。

育封の方法としては、接着剤による接着、熱板、熱ロー
ル、高周波或は超音波等によって加熱する熱融着、或は
接着テープなどがある。

多孔６構造体を同時に密封しない場合、多孔質構造体は
、′、＆−封部分の内側で切断されるが、この切断部分
が密封部を破損させることがある。

か＼る場合は、多孔質構造体の切断部分に破損防止用の
保護テープや、軟貴接着剤を含浸させることかできる。

膜エレメントにおいて、膜を透過したガスを排出するた
めの開口部は、膜エレメントの適当な位置に配すること
ができるが、通常好ましいのけ、膜エレメントの中心で
ある。開口部形状は円形、正方形、矩形、及び楕円等任
意に選定することができるが、形状加工する点からは、
円形が好ましい。開口部は、膜と多孔質構造体の両者同
形で、同一寸法で貫通して開口してもよく、又、膜エレ
メントや、分離装置の形式。

膜エレメントの配置によっては、多孔質構造体の開口部
分が、膜の開口部分より小さく、更には、膜の形状と異
った形状とすることもできる。

選択透過膜の開口部面積は一般に、透過量から決められ
ることと考えられているが、本発明の如く、多孔質構造
体とのサンドインチ構造の場合は、整択透過膜の有効膜
面積の０．１％以上５頭以下、好ましくは０．５％以上
３係以下である。

膜エレメントの全体の５ｇ状は、円形、土宵円。

正方形及び矩形等任意の形状とすることができる。

かくのごとき諸要件から成る膜エレメントは１例として
第３図に示す如く、多層に重ね合わせて、分離モジュー
ルとなる。

第３図において、１２は膜エレメント、１１け多層に重
ね合わせた膜モジュールを・収納するハウジング、１３
は積層された膜エレメントの開口Ｎｌの間に挿入はれた
シール部材、１４は積層エレメントの側部の１方又は底
部とノ・ウジングとの間をシールする部材、１５はもう
一方の側部−トたは上端廿；へとノ・ウジングとのｌ￥
＋１をン′−ルする部材、２２け膜を！ン過したガス昂
り分カニ、膜エレメントね開口部に流通し、集合される
空間部をそれぞわ示す。

原料カスは、導管１７からノ・ウジング内に導入さね、
分流板１６によって、各膜エレメント間にガスが均一に
分散し流通される。目臼′Ｊル見分は膜を透過し、集合
空間２２に集められ、取出管２１から得られ、残りの排
ガス（吐杉ト出管１９から排出される。

原料ガスは、第５図に示した女口く、積ｊ（容重し・メ
ントの膜に平行に、且つ槓１−エレメントの１ユニツト
では、同一方向に流される。

第３図１３で示されたシール部材は、１ノング状で中心
部分が膜エレメントの開口部と同一の形状寸法で開口し
、外周部は、シールを保つのに適する大きさと厚さから
なる。シール部材は積層膜エレメントの間を流通する原
料ガスと、透過ガスとの間を封止すると共に、各膜エレ
メントを保持する。シール部側が膜面に接する部分は、
平面状でもよく、捷たシールをより完全にするためにシ
ール部材に連続した突起を少なくとも１条設けることも
好ましく用いられる。

シール部材の材質は、膜の材質や、多孔質構造体の８ｉ
類により、金属、樹脂、コ゛ム及び一般に用いられてい
るシールテープなど任意に選定できるが、樹脂、ゴムが
好ましい。

高度なシール姓が要求される場合は、シール部材と膜面
にグリース状物質を塗布することもできるし、更には、
接着を用いて接着してもよい。第３図において、１４お
よび１５で示された両端の膜エレメントの開口部と〕・
つ・ジングとの間のシール部材は、前記１３のシール部
材と同様の部材で兼ねることもできる。さらに両端開口
部は、ハウジングと直接シールすることなく、その間に
スペーサーを入れてシールすることもできる。

本発明において、膜エレメントを多層に積層する際、膜
エレメントが大きくなると、前述の多孔質構造体の選定
では、膜エレメントの平面性が保てなくなり変形する。

原料ガスを膜エレメント間に平均して流すためや、変形
による膜の損傷を防ぐために、９層膜エレメントの間に
スペーサーを配置する。第４図２３にその１例を示した
。スペーサー２３は原料ガス流の方向□ と平行が好ましく、その大きさや配置数量は、積層数や
、膜エレメントの剛性によって適宜決定できる。

多層膜エレメントは第３図の如く、単に上方に積み重ね
ることにより十分に分離の性能を発探することかできる
が、必要に応じ、互に連通した膜エレメントの開口部の
空間に通しボルト及び締結ナツトを配置し、膜エンメン
トを両端から締めて固定することも有利に用いることが
できる。

本発明の積層型分離モジュールは構造が簡単。

組立てが容易及び取扱いが簡単ガどの％徴を有し、従来
比較的低い分離操作圧力例えば、原料ガスの入口圧力が
１０ＫＬｉ／ｉ’Ｇ以下の圧力で運転するガス分離に適
した分離モジュールを提供する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の膜エレメントの構成の１例を示すもの
で、第２図は本発明の選択透過膜と多孔質ｍ透体の捜々
の組み合わせの例を示す。 第３図′は本発明の分離モジュールの構造の１例を示し
、第４図は、積層した膜エレメントの構造の１例を示す
。第５図は本発明における分離モジュール内の原料ガス
の流れの１例を示す。 特許出願人　帝人株式会社 第１圀（０，、） 第１圀ＣＩ）） （Ｃ）　　　　　　　　　　　ばつ ネ２（辺

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　少なくとも２種類以上の成分から成るガス混合物
   から、有用成分を選択透過膜で分離するガス分離モジュ
   ールにおいて、シート状多孔貧構造体と、核多孔質構造
   体の少なくとも片方の表面に、選択透過膜を配し、周端
   部を？ビ封し、ｎｉｌ記多孔質４１！４体をサンドイン
   チにした袋状と為し、且つ前記膜を透過したカスを排出
   する開口部を有する膜エレメントを、少なくとも２層以
   上屓層して成る分離モジュールであって、積層された膜
   エレメントの間には、各積間共原料ガスを一定方向に流
   すように配置され、前記膜エレン〉′トのガス排出開口
   部は、積層間で同じ位置に配置し、膜エレメント間に隣
   接する開口部の間にシール部材を有し、前記膜を透過し
   たガスは、開口部に集められ、積層した膜エレメントの
   開口部から集合して排出するようにしたことを特徴とす
   るガス分離モジュール。 ２、特許請求の範囲第１項において、透過ガス排出開口
   部の面積が、各エレメント当り、有効な選択透過膜面の
   ｏ、ｉ％乃至５係の範囲で、開口部形状が円形であるこ
   とを特徴とする第１項記載のノｆス分離モジュール。 ３　特許請求の範囲第１項において、膜エレメントを釉
   層するに除し、胆エレメントの間に、シール部ｔ（と同
   一の厚さのスペーサーを設けることを特徴とする第１項
   記載のガス分離モジュール。