JPS6178418A - 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】 （産業上の利用分野） 近年、安価で省エネルギー的なガス分離技術として膜に
よるガス分離技術が注目され、工業的実用化のための研
究がさかんに行わ１．でいる。工業高笑用化のためには
、高いガス透過機能およびガス分離機能を有する膜素材
の開発とともに、コンノξクトかクゾンプルな構造で、
安価で信頼性の高いガス分離モジュールの開発が重要で
らる。本発明はコンノξクトかつシンプルな構造で、安
価で信頼性の高いガス分離モジュールに関するものであ
る。

（従来の技術） 多孔質膜による水素などの分離技術は分離能が劣るため
、非多孔質高分子膜によるガス分離技術が研究の主流に
なっている。しかしながら、多孔質無機材料膜による水
素などの濃縮分離法は、耐熱性がすぐ几ていることと、
高いガス透過能をもっている点で非多孔質高分子膜にな
い長所と魅力をもっている。多孔質無機材料膜としては
多孔質ガラス、セラミック焼結体、金属焼結体などが知
ら几ているが、数十〜数百λの直径全もつ微小細孔を容
易にコントロールできる点では多孔質ガラスがもつとも
好ましい素材である。多孔質ガラス膜を利用したガス分
離モジュールを例にとると、従来技術（二は次のような
ものがある。

特開昭５３−１３０２８４号公報 多孔性石英ガラス膜（平均細孔径４０Ａ）を温１９９５
０−”−１−０００℃の範囲で熱処理することによって
分離能が増大することを示している。又、多孔質ガラス
の形状として外径０．６　＋ｍ、膜厚０．２　ｆｉのキ
ャピラリーが提案さ几ている。しかしながら、この従来
技術例においてはこのような細いガラス管を多数本内蔵
し之モジュールの構造および製作法については記載がな
い。

特開昭５５−１１９４２０号公報 外径２０以下、膜厚０．８　ｍｌ以下、細孔直径２０〜
２００Ａの多孔質中空ガラス繊維を多数本束ねて分離系
とし、水素を濃縮分離する方法を提案している。外径を
小さく膜厚を薄くして充填本数をふやすことによって、
単位体積あたりの透過流量の増大をはかったもので、実
施例では外径０．３　ｍスのキャピラリー約２０万本を
内蔵させたモジュールが示さ几ている。

特開昭５８−２０８１０２号公報 大部分の細孔が１１０〜１６０Ａの細孔厘径金もつ多孔
質ガラスで分離系を構成すること全提案している。こう
することによって、分離能とともに透過能を著しく増大
させることができるので、多孔質ガラス管をキャピラリ
ー状にする必要もない。この方法は、従来技術の実施例
で用いら几た４０Ａの細孔直径をもつ多孔質ガラス管よ
りも細孔直径を大きくすることによって分離能の増大全
はかった点が特徴的である。細孔直径を大きくす几は当
然の結果として透過能は増大する。したがってモジュー
ル単位体積あたりの透過流量を増大させるために、無理
に管径の小さい多孔質ガラスのキャピラリーを用いる必
要はなく、実施例では外径５　ｗｘ　、膜厚０５關の多
孔質ガラス管が用いら几ている。

こ几らの従来技術においては、いず几も実用化のために
残る課題は、いかなる構造のモジュールｔいかなる方法
で安価に製作するか、またモジュールの耐久性、信頼性
をいかに確保するかにある。

（発明が解決しようとする問題点） 従来のガス分離モジュールにおける問題点を、次の実例
に基づいて具体的に説明する。

第５図は特開昭５５−１１９４２０号公報に提示さ几て
いるガス分離モジュールの図で、金属製外管２２の中に
流体分配管２８と多数本（約２０万本）の多孔質ガラス
キャピラリー２１が内蔵さ几ている。多数本の多孔質ガ
ラスキャピラリーは支持シート３３によって若干の間隔
を残すように配列され、上部は支持板３ｏを貫通し、透
過ガス受皿３才に向って開４口するが、下部は支持板３
１中に埋込み固定さ几る。なお、流体分配管２８の上部
は支持板３０内に埋め込ま几て封鎖さ几る。流体分配管
２８に圧入された混合ガスはすべて矢印Ｂにそって多孔
質ガラスキャピラリー２１の外周面に吹きつけら几る。

この場合、混合ガス流が偏流を起こすことなくすべての
多孔質ガラスキャピラリーの外周面全均等に流几るよう
、分配管の適正な設計および多孔質ガラスキャピラリー
の適正な配列が重要である。混合ガス中の水素ガスは多
孔質ガラスキャピラリーの内側に透過濃縮され、矢印Ｃ
のごとく集めら几て回収さ几る。他方、非透過のガスは
空隙３２を通過して矢印りのごとく集めら几る。

このモジュール構造の第一の問題点り：、多数本の多孔
質ガラスキャピラリーのシール固定法のわずられしさで
ある。流体分配管および多数本の多孔質ガラスキャピラ
リーの１本１本を破損しないように留意しながら適正な
配列で支持板３ｏおよび３１に接着固定するために精巧
かつ繁雑な作業が必要である。第二の問題点は多孔質ガ
ラスキャピラリーどうしの間隔を適正に維持する必要が
あるため、多孔質ガラスキャビラリーヲ外管の中に最密
充填構造で収納できないことである。１几、第三の問題
点は高温のガスを処理する場合の対応策が特に施さｎ、
ていないことにある。

本発明の目的は、こ几らの従来技術における問題点を解
決して、耐久性と気密性（二すぐ几安価に製作できるシ
ンプルなガス分離モジュールヲ提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は前記問題点を解決するために、両端が開口しｔ
外管と該外管の中に収納されその両端部が固定された多
孔質材料管束とからなり、該多孔質材料管束を構成する
多孔質材料管はその両端部をそ几ぞ几両端が開口した筒
内に挿入した状態でシール材で固定され、さら（二前記
多孔質材料管端部を固定した筒と外管端部の内面間に間
隙を設けて該間隙を７−ル材で固定してガス分離モジュ
ールを構成したことを特徴とする。この場合、多孔質材
料管は特に限定さ几ないが、多孔質材料管の端部を硬化
性のシール材で固定する場合、シール材の浸入？容易に
する点で多孔質材料管の両端部の口径が縮小された形状
が望ましい。多孔質材料管の中では、耐熱性がすぐ几て
いること、細孔径の制御が容易であること、および管端
部の縮小が容易であることなどの点から多孔質ガラス管
は好ましい多孔質材料管の１つである。

本発明のガス分離モジュールの構成をさらに添付図面に
よｆ）説明する。

第１図は本発明のガス分離モジュールの例を示す図であ
る。

第１図（ｃ）はモジュールの側断面図で、外管１の中（
＝多孔質材料管束１０を収納してその両端部はシール剤
４及び９で固定さ几ている。

第１図（ａ）は第１図（ｃンのＢ、−８２部の断面図を
示し、多孔質材料管束１０は多数本の多孔質材料管を束
ね、その管端部８は筒２の中のシール材９中に埋め込ま
ｎたような状態で筒内に気密にシール固定さ几る。この
ように固定さｎた多孔質材料管束１０の端部の筒２と外
管１の内面間（二は一定の間隙が設ｆｆら几、／−ル材
４によってさらにシール固定さ几ている。

第１図（ｂ）は第１図（ｃ）のＣ，−Ｃ２部の断面に示
り、、多孔質材料管３はその両端部を除く部分では最密
充填状態で結束さ几ている。

個々の多孔質材料管３は第２図に示すように両端部８の
掻音縮小させて構成することにより、第１図（ｂ）（二
示すように多孔質材料管３を最密充填状態になるように
束ねても両端部は第１図（ａ月二示すように管８と管８
の間には間隙が生じるので、後述するようにモジュール
？製造する場合にすぐ几た効果がある。

このように構成されたガス分離モジュール音用いて第１
図（ｃ）の上方から混合ガスを多孔質材料管束１０の管
内に流すと、特定のガス成分だけが多孔質材料管３の微
小孔より管外に透過流出し、透過ガス出口５よジ流出す
る。〜方、多孔質材料管の微小孔よジ透過しなかった残
余のガスは多孔質材料管３内？流几、そのまま下方の管
端開口部より流出すること（二よってガスの分離が行わ
几る。

次（二、本発明のモジュールを製造する方法を簡単に説
明する。

本発明のモジュールは、第１図に示したように外管１の
中に多孔質材料管束１０が収納され、管束の端部はシー
ル材中に埋め込ま几た状態で気密（−シール固定さ几て
いる。

このようなモジュールを製造するに際しては、先づ多孔
質材料管束を準備しておいて、外管の中に収納した後端
部を固定することによって容易に製造することができる
。

多孔質材料管束を準備する場合の１例を示すと、第３図
（ａ）（＝示すよう（−両端が開口した商２を底磐７の
上にセットした後、筒２の中に硬化性のシール材を注入
しておいて、例えば第２図１−示す多数の多孔質材料管
３を束ねて、その端部と前記シール材が庄・人さｆ’し
た筒の中に挿入したままシール材が硬化するまで静置し
て固定するが、筒２の中に予め多孔質材料管３を束ねて
その端部を簡の中に挿入しておいて、シール材金注入し
て硬化させることによって管端部両端を固定できる。

次に、このような方法（＝よって両端部をシール材で固
定した多孔質材料管束Ｌｏｔ−ｉ３図（ｂ）に示すよう
に前記の筒２より大きい外径を有する両端が開口した外
管１の中に収納して筒２の外周面と外管１の内面間に適
当な間隙１１が生じるように配置しておいて、外管の側
面に設けら几た開口部５より前述の間隙１１にシール材
を注入して硬化させること（二よって多孔質材料管束１
０の端部を外管内に収納した状態でシール固定すること
ができる。

このような方法で多孔質材料管束１０の端部の一端をシ
ール固定した後、外管１を上下逆向きにして前述した方
法（二より池の端部もシール固定することによって、ガ
ス分離モジュールを容易に製造することができる。

なお、多孔質材料管束１０の端部を外管内に固定する方
法としては、次の実施例に示すような方法もある。例え
ば、第４図（ａｌに示すようなり／グ６全設けた筒２を
用いて、前述した方法で多孔質材料管の端部をシール固
定して多孔質材料管束１０全準備したのち、第４図（ｂ
）に示すように多孔質材料管束１０を外管１の中に収納
した状態で筒２と外管１の間の間隙に上方からシール材
４を注入すると、筒（二設けたり／グ６（−よって液留
が形成さ几るので、７−ル材４が硬化するまで静置する
ことによってシール固定することができる。

（作　　用） 本発明の作用全以下に説明する。

（１）本発明のガス分離モジュールは、多孔性材料管束
の端部をシール材で固定していることと、多孔質材料管
束と外管の間に間隙？設けて７−ル材で固定しているこ
とによって、モジュールの使用環境によって＠度が急変
しても温度変化に充分に適応することができる。

即ち、温度変化によって多孔質管の個々の端部に生じる
応力は固定に使用さ几ているソール剤によって緩和さす
るので、細管でも破損かまぬが几る。

また、モジュールの使用環境の温度が変化する場合、外
管１と多孔質材料管３との熱膨張係数の差異により生じ
る応力は、外管１と闇２の間の７−ル材４の弾力で緩和
されたのち筒２に作用し、多数本の多孔質材料管全体に
分散作用するので、多孔質材料管の破損は生じない。

さらに、温度差が大きく温度変化が急激な場合には、外
管の長手方向の好１しくに中央部に伸縮継手を接合する
ことによって、温度窒化に充分適応することができる。

（２）両端部の口径が縮小された多孔質材料管を使用す
る場合は、第１図（ｂ）に示すよう（１多孔質材料管３
を最密充填状態に配列しても、両端部においては第１図
（ａ）に示すように個々の多孔質材料管８の間には必然
的に間隙が生じるので、前記した多孔質材料管の端部を
筒内に収納して端部をシール材で固定するに際して／−
ル材が多孔質材料管の周面に充分に浸入することができ
るので７−ル性が優几ている。

さら（１多孔質ガラス管を用いる場合には、多孔質ガラ
ス管の端部を半俗融状態になるまで加熱して管口径を縮
小すると管端部の強度が向上する利点もある。

（３）　　ガス分離モジュールの端部を硬化性シール材
でシール固定することによりモジュール製作の作業性が
良い、即ち多孔質材料管の端部全固定するに際して流動
性のある硬化性シール材でシールしておいて静置するこ
とによりソール材が硬化すると同時に固定さ几るので、
特に精巧な手作業を行う必要がない。

（実施例） 多孔質ガラス管を用いて本発明に係るガス分離モジュー
ルを製造した。

５ｉ０２０．６２５、Ｂ、、０５０．２７３、Ｎａ２０
０．０７２、鳩０３００３０の組成をもっほうけい酸ソ
ーダガラスの管を５４０℃で８０時間熱処理したのち酸
処理を行い、さらに８５０℃で１０時間熱処理を行って
、長さ６００ｍ、外径３５頗、厚み０．４　ｍの多孔質
ガラス管を製作した。このガラス管２００大の両端部２
５〜３０１１１１Ｉの部分を火焔温度１２００〜１３０
０℃の水素バーナで１〜１．５分間熱処理し、両端部の
口径を縮小させた。

一方、外径６０．５＋ｍ、厚さ１．６５ｍ、長さ２３龍
の両端の開口したステンレス鋼管の筒を第４図（ａ）の
よう（二底盤７の上にセットしたのち筒２の中に硬化性
シリコンゴム液を注入し、前記２００本の多孔質ガラス
管を最密充填状態に束ねてその端部を筒の中に挿入した
ままシリコンゴム液上硬化させた。同様にして多孔質ガ
ラス管束のもう一方の端部を前記と同じ外径、厚さ、長
さを有するもう一つのステンレス鋼管の筒の中にシール
固定すること（＝よって多孔質ガラス管束を準備した。

前記ステンレス鋼管の筒の一端（＝は、外管とのシール
固定が容易なように第４図に示すようなリング６を固定
しである。

次に、前述の方法によってステンレス鋼管の筒の中で両
端部全７−ル固定した多孔質ガラス管束を外径７６．３
ｍ、厚さ３．０　ｍ　、長さ６００ｍのステンレス鋼管
の外管１の中に第４図（ｂ）のように挿入し、外管１と
筒２の間の間隙をシリコンゴムでシール固定した。この
場合、筒２に固定したリング６と外管１の間のクリアラ
ンスからシリコンゴム液が漏洩しないよう少量のグラス
ウールを充填したのチ、外管１と簡２の間の間隙にシリ
コンゴム液を注入し、硬化させた。もう一方の外管と筒
の間の間隙も同様（ニしてシール固定した。　　。

最後に、シリコンゴムで閉塞した多孔質ガラス管端部を
ドリルで穿孔し、多孔質ガラス管１本１本の両端を開口
させた。

以上のように、本発明のガス分離モジュールは容易に製
造することができた。

（発明の効果） 本発明のようにモジュールを構成すること（−より、多
数本の多孔質材料管を最密充填構造で外管内（二収納で
き、かつ多数本の多孔質材料管をきわめて容易に７−ル
固定することができる。また、外管と多孔質材料管との
熱膨張係数の差異により生ずる応力を、外管と筒との間
のシール材の弾力くして、安価にモ・ジュール金製作で
き、モジュールの耐久性と信頼性を確保することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のモジュール構造を示すもので、Ｎ１図
（ａ）は第１図（Ｃ）の８．−８２断面図、第１図（ｂ
）は第１図（Ｃ）のＣ，−Ｃ２断面図、第１図（Ｃ）は
モジュールの側断面図を示す。 第２図は多孔質材料管の形状を示す側面図である。 第３図および第４図は本発明のガス分離モジュールの製
造法を説明するための図で、第３図（ａ）及び第４図（
ａ）は底盤の上に筒をセットした状態を示し、第３図（
ｂ）及び第４図（ｂ）は外管の中に両端を筒に固定ソー
ルした多孔質ガラス管束を挿入し、外管と筒の間の間隙
を７−ルして多孔質ガラス管束を外管に固定することを
説明する図である。 第５図は従来のガス分離モジュールの一例を示す図であ
る。 ｌ−・外管、２・・筒、３・・多孔質材料管、４・・・
シール材、５・・透過ガス出口、６・・リング、７・・
底盤、８・・端部、９・・・シール材、１０・・・多孔
質材料管束。 代理人　弁理士　秋　沢　政　光 他２名 第５図 Ｃ 自発手続補正書 昭和５９年１１月２１日

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）両端が開口した外管と該外管の中に収納されその
   両端部が固定された多孔質材料管束とからなり、前記多
   孔質材料管束を構成する多孔質材料管は両端が開口した
   筒内に挿入された状態でそれぞれ両端がシール固定され
   、さらに前記多孔質材料管端部を固定した筒と外管端部
   の内面間には間隙が設けられ、該間隙をシール材で固定
   して構成されることを特徴とするガス分離モジュール。
2. （２）金属製外管と多孔質ガラス管束からなる特許請求
   の範囲第１項記載のガス分離モジュール。
3. （３）多孔質材料管が、管端部の口径が縮小された多孔
   質材料管である特許請求の範囲第１項または第２項記載
   のガス分離モジュール。
4. （４）多孔質材料管が、管端部を半溶融状態になるまで
   加熱処理して管端部の口径を縮小させた多孔質ガラス管
   である特許請求の範囲第３項記載のガス分離モジュール
   。
5. （５）外管部に伸縮継手を設けた特許請求の範囲第１項
   、第２項、第３項または第４項記載のガス分離モジュー
   ル。