JPS60261527A - 気体透過セル - 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】 本発明は気体選択透過膜を用いた気体透過セルに関する
ものである。更Ｋｌ￥−しくけ１選択透過膜を用いて混
合ガスから特定の成立ガスを分離濃縮するに際し、効率
よ（目的を達成するための改良された気体透過セルを提
供するもので１　ある。

近年、合成高分子の薄膜を用いて混合ガスから特定の成
分を選択的に透過させ、分離濃縮或は精製する方法が著
しい進歩をとげ、各方面で実用化の域に達しつ又ある。

例えは、セルｐ　−ス系の半合成薄膜＋　８４系合成高
分子の薄膜等を用いて、空気から酸素或いは窒素を分離
濃縮し、かくして得られた酸素濃度の高いガスを各種の
燃焼に用いて燃焼効率を向上させ、また、伝熱効率の向
上によって省エネル片−になるなどの効用が認められて
いる。或は、従来酸素ボンベを用いていた呼吸器系患者
の治療に、脱法により簡便に得られる酸素富化空気が代
って用いられる等酸素や窒素の分離利用においても数多
くの実用例がある。更には一酸化炭素ガス水素ガスまた
はヘリウムガスなど有用ガス成分の回収や、有用ガス成
分から使用目的によって害になるガス成分を除去するた
めに選択透過膜を利用するプμセスの研究が盛んに行な
われている１、気体透過膜は一般に気体分子同士が高分
子の中を、圧力差或は濃度差を駆動力として溶解拡散す
る速度の差によって分離するもので、分離の程度即ち選
択性は高分子の種類によって、特有な数値を示す。しか
し、単位面積当りの高分子膜を気体分子が透過する量は
、溶解拡散する距離即ち高分子膜の厚さに逆比例する。

従って、気体選択透過膜を効率よ（利用するためには、
透過膜の材料の選定と共に、透過膜の膜厚を如何に薄く
するかにか瓦っている。

一方、前記高分子薄膜は、その形状によって、平膜型及
び中空糸型に分類することができるが特に平膜ｇ　１７
．）場合、透過セルの構造が透過性能に大きく影譬する
。即ち、透過膜を介して圧力差或は濃度差によってガス
を透過させるに際し、原料ガスの膜面への流し方や透過
ガスの排出方法により、Ｉｌｋ面上に観度分極か起り、
選択透過膜の本来の性能が発揮されない場合や、前述の
如く透過膜は極めて薄いため、膜の機械的強度が弱く、
透過セルに膜を装着する方法や原料ガスの供給方法によ
って膜が破損し、原料ガスが漏洩したりする。

本発明者らは選択透過膜を用いてガス分離するに際し膜
の破損もな（、膜の透過特性を正　５− 確に測定し、又効率よく目的成分を分離するための透過
セルについて研究した結果本発明に到達した。即ち （１）　選択ａ過膜を介してガス状物質を選択的に透過
させる気体透過セルであって、当該セルは選択透過膜が
多孔性支持体上に配置され、尚該選択透過膜側に分離ガ
スを供給することができる供給口（ト）、箔該膜を透過
せずに腹側に残存したガスを排出することができる排出
口Ｑ３）、当＃膜を透過して多孔性支持体側に移動した
透過ガスを排出することができる排出口０及び分離ガス
側と透過ガス側とを遮断するソール材とを有し、且つ上
記供給口（４）は選択透過膜に関してその周辺部に少く
とも２個略均吟間隔で配置され、上記排出口（匂は選択
透過膜に関しその中央部に配置されたことを特徴とする
気体透過セルであり、また （２１　選択透過膜を介してガス状物質を選択的に透過
させる気体透過セルであって、当該　６− セルは、選択透過膜が多孔質支持体上に配置され、当該
選択透過膜側に分離ガスを供給することができる供給口
（４）、当該膜を透過せずに腹側に残存したガスを排出
することができる排出口（１１，当該膜を支持している
多孔質支持体側にヤヤリャーガスを供給することができ
る供給口０．当該キャリヤーガスと膜を透過して多孔質
支持体側に移動した透過ガスとの混合ガスを排出するこ
とができる排出口０及び分離ガス側と透過ガス側とを適
所するシール材を有し、且つ上記供給口に）及び（Ｑは
選択透過膜に関してその周辺部に少くとも２個略均等間
隔で配置され、上記排出口０３）及び０は選択透過膜に
関しその中央部に配置されたことを特徴とする気体透過
セルである。

最近の高分子材料の研究の進歩によって１、）　気体選
択透過膜の膜厚の極めて薄い膜を作ることが可能罠なっ
てきた。その厚さは、数十オンゲスト１一ムから、数千
オンダストロームである。かへる膜は、単独では機椋的
強度が弱いため、通常、高分子の多孔質のフィルムの上
に密着させて用いられる。この多孔質フィルムは、気体
を大きな抵抗なく通過させるが、ガス成分を分離する機
能はない支持体であって、孔の大きさは選択透過膜の膜
厚と同等か、それ以下の極めて微細な径であるのが好ま
しい。選択透過膜を用いてガスを分離する場合、前記多
孔質支持体の上に密着させた腹側に分離対象の原料ガス
を流し、多孔質支持体側から、透過したガスを取出すの
が一般的である。透過の推進力が圧力の場合、透過１１
１ｉ＠の方の圧力を、多孔質支持体側の圧力より高くす
ることによって、ガスの移動が起り、又透過の推進力が
濃度の場合は、透過膜側の原料ガス中の目的分離ガス成
分の分圧が多孔質支持体側の目的分離ガス成分の分圧よ
り常に高い状態に保つようにし、多孔質支持体側に、キ
ャリヤーとして他のガスを流すことによって、膜を介し
てガスの移動が起る。

前記いずれの場合であっても、原料ガスを流す透過膜側
と、透過したガスを取出す多孔質支持体側とは、透過セ
ルの中でシールされていなければならない。従って、透
過セルでは通常膜を接着剤で接着するが、パツキンを用
い【圧着ｌ−シールするかの方法がとられるが、透過膜
は、永久的に使用することが回船で、使用の膜の劣化や
、原料ガス中の微細粉体によって汚染されるため、膜を
取出し、新しい膜と交換することが必須であるため、透
過セルでは、パツキンを用いてシールする方法が好まし
く用いられる。

ガス透過セルにおいては、原料ガス供給口側から、未透
過ノノス排出口側に向って、ガス流量は徐々に低下する
。そのため、膜上ではガス流速の低下に伴って、境界層
抵抗が増大し、所謂濃度分極が増大し、分離効率が悪く
なる、その結果、透過ガスの目的成分の純度が低下し、
またガスの透過量も低下する。

本発明は以上述べた欠点を解消した高性能　９− な気体透過セルを提供するものである。

以下図面を用いて詳細に説明する 第１図は本発明の気体透過セルの一例を模式的に示した
図である。第１図（ａ）はセルの断面図である。第１図
（ｂ）は、気体透過セルを用いて実際に気体を流した場
合の透過膜面上の気体の流れを示し、第１図（ａ）のＡ
−Ａ断面から見た状態を示す。第１図において、スは、
該層を支持する多孔質支持体を示す。１１（Ａ）は、供
給口（４）であり、選択透過膜の周辺部に２個以上、好
ましくは４個以上、更に好ましくは周辺部に開口したス
リット状の供給口として配置され、分離される原料ガス
は、この供給口から供給される。１２Ｑ３）は、透過膜
の略中央に膜を透過しない残存ガスの排出口として配置
されている。一方、原料ガス側と、透過膜を透過した透
過ガス側とを速断する目的で少くとも原料ガス側にガス
シール材２０゜必要に応じて透過ガス側にガスシール材
２１を設る。

１０− 本発明のガス透過セルの形状即ち、選択透過膜及び多孔
質支持体の形状は、任意な形状とすることができるが、
セルの工作のしやすさや、選択透過膜の強度が弱いため
にしばしばシール部分の膜が破損し漏れの原因となるこ
とから、円形構造とすることが特に好ましく１゜ シール材２０及び２１は、シール面での接触部分が平面
状であることが好ましく、特に２０は選択透過膜との接
触部分では、該層の表面の接衝による膜の損傷によるガ
スの漏れを少（する上でも平面形状のシール材が好まし
い。ガスシール材の材質は特Ｋ　［定されないが、軟質
のゴムを好適に用いることができる。

第１図１６０は、１２＠と対称の位置の多孔質支持体の
略中夫の位置に、選択透過膜を：：・　透過したガフが
排出される排出口として配置される。

選択透過膜で特定成分のガスを選択的に分離する場合、
分離の効率を上げる目的で、ガスの透過する側に、原料
ガスに含まれる成分や、分離する特定成分のガス以外の
第３成分のガスをキャリヤーガスとして、しばしば用い
ることがある。このような場合に、該キャリヤーガスの
流し方が膜の性能に影響する。

第２図において、１５（Ｑは、該キャリヤーガスの供給
口を示し、前記原料ガスの供給口１１（Ａ）と同様、多
孔質の支持体の周辺部に２個以上、好ましくは４個以上
、更に好ましくは外周部に開口したスリット状の供給［
１として配置される。

選択透過膜で特定成分のガスを選択的に分離する場合の
選択性や、ガスの透過速度を上げるためには、該分離膜
及び多孔質支持体上を流通するガスの流速を上げ、膜面
や多孔質支持体近傍でのガスの濃度勾配を小さくするこ
とが好ましく、そのためｌｌ囚及び１２中）から成るセ
ルの蓋体１０の膜面側が、膜面と平行な平面板櫓上とし
、更にセルの本体１４の多孔質支持体側が、多孔質支持
体と平行な平面板樹上とし、且つ的記のそれぞれの平面
と膜面及び多孔質支持体との面間が０．２ｓＩＩ＋以上
３Ｗ以下とすることが好ましい。０．２１１１以下とな
ると、実際の分離繰作において膜面が僅かに変形し、セ
ルの蓋体１０と接触して膜が損傷することがある。

本発明に用いられる多孔質支持体としては、特に限定さ
れないが、好ましくは有機＃維又は金属線状体の織布及
び不織布１合成樹脂又は金属の多孔質焼結体及び平板に
多数の小さな孔をあけた多孔板が用いられる。

選択透過膜を用いてガス分離するに際し、本発明の透過
セルを用いることＫよって、脆剥な薄膜であっても破れ
たりすることなく、効率よ（目的成分を分離することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明による気体透過セルの一例を
示す。第１図（ａ）は、気体透過セルの断面図、１１ｃ
１図０ＩＩ）ハ、＃Ｉ１図（ａ）　ｆ）　Ａ　Ａ　ｍ断
面１３− における気体の流れを示す図であり、第２図はキャリヤ
ーガスを用いる場合の気体透過セルの断面図である。 図において、１は選択透過膜、２は多孔質支持体＋ＩＯ
はセルの蓋体、１４はセルの本体。 １１（４）は原料ガス供給口、１２（１１９は膜を透過
しないガスの排出口、］３はシール材、１５（Ｃ１４ｔ
キャリヤーガス供給口、　１６Ｑ］は膜を透過したガス
及びキャリヤーガスの排出口を各々示す。 １４− 第１図（ａ） 第１圓（ｂ） 第２０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　選択透過膜を介してガス状物質を選択的に透過さ
   せる気体透過セルであって、当該セルは選択透過膜が多
   孔性支持体上に配置され、当該選択透過膜側に分離ガス
   を供給することができる供給ロ囚、当該膜を透過せずに
   層側に残存したガスを排出することができる排出口（８
   ，当該膜を透過して多孔性支持体側に移動した透過ガス
   を排出することができる排出口０）及び分離ガス側と透
   過ガス側とを遣断するシール材とを鳴し、且つ上記供給
   口に）は選択透過膜に関してその周辺部に少（とも２個
   略均等間隔で配置され、上記排出口の）は選択透過ＷＫ
   関しその中央部に配置さねたことを特徴とする気体透過
   セル。 ２、　選択透過膜を介してガス状物質を選択的に透過さ
   せる気体＆過セルであって、当該セルは、選択透過膜が
   多孔質支持体上に配置され当該選択透過膜側に分離ガス
   を供給することができる供給ロ囚、当該膜を透過せずに
   腹側圧残存したガスを排出することができる排出口の）
   、当該膜を支持している多孔質支持体側にキャリヤーガ
   スを供給することができる供給口（Ｑ　、当駄キャリヤ
   ーガスと膜を透過して多孔質支持体側に移動した透過ガ
   スとの混合ガスを排出することができる排出口σ）及び
   分離ガス側と透過ガス側とを連断するシール拐を有し、
   且つ上記供給口（イ）及び供給口（０は選択透過膜に関
   してその周辺部に少くとも２個略均等間隔で配置され、
   上記排出口中）及び排出口０は選択透過膜に関しその中
   央部に配置されたことを尋黴とする気体透過セル。 ３、　当骸供給口囚及び／ヌは供給口（Ｃ）が選択透過
   膜又は多孔質支持体の周辺部に配置されたスリット状の
   供給口である特許請求の範囲第１項又は第２項記載の気
   体透過セル。 ４、　選択分離膜と多孔質支持体との上に位置するガス
   流路が３１１ｊ以下の間隙で形成され、且つ選択分離膜
   及び多孔質支持体に対しそれぞれ平行な平面板を配置し
   て成る特許請求の範囲第１項又は第２項記載の気体透過
   セル。 ５　選択分離膜及び多孔質支持体が円形である特許請求
   の範囲第１項又は第２項記載の気体透過セル５． ６　シール材の形状が、膜と接触する部分において、平
   面状である特許請求の範囲第１項又は諾２項記載の気体
   透過セル。