JPS6274433A - ガスの分離方法 - Google Patents

ガスの分離方法

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JPS6274433A
JPS6274433A JP21519085A JP21519085A JPS6274433A JP S6274433 A JPS6274433 A JP S6274433A JP 21519085 A JP21519085 A JP 21519085A JP 21519085 A JP21519085 A JP 21519085A JP S6274433 A JPS6274433 A JP S6274433A
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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】 <a、産業上の利用分野〉 本発明は、選択透過膜を用いて、ガス混合物から特定成
分を選択的に透過させ、ガスを濃縮分離する方法に関し
、更に詳しくは混合ガスを脱法で濃縮するに際して、効
率的且つ経済的に濃縮するのに適した方法を提供するこ
とに関する。
<b、従来技術〉 膜によるガスの分離法については、古くから知られてお
り、ポリエチレンテレフタレートの中空糸条の膜を用い
た天然ガスなどからのヘリウムの濃縮回収、有閤高分子
の中空糸状多孔質支持体上にシリコン系化合物を′Xg
層コーティングした膜を用いた化学プロセス例えばアン
モニア合成におけるプロセスガス中からの水幕の分離回
収、或いはシリコンゴムの薄膜を用いた空気中の酸素ガ
スの濃縮など数多くの報告がある。
近年、このような膜によるガス分離法の開発並びに実用
化が著しく進展し、種々のガスに対応した分離法の改良
が提案されている。その理由は、従来のガス分離法例え
ば、各種化学プロセスにおける抽出分離法、空気からの
酸素及び窒素の分離における深冷法や、ゼオライトや活
性炭の吸着剤を用いた吸着分離法などをあげることがで
きるが、膜による分離法は分離コストが安価であって、
且つ装置が極めて簡単で運転性に優れているなどの大き
な特徴があり、工業的用途では注目されている。
薄膜により混合ガスを分離する場合は、混合ガス中の各
成分が薄膜を透過する速度の比によって、分離性が異る
。このことから、透過ガスの組成が決る。従って、混合
ガス(原料ガス)の組成と、目的とする透過ガスの11
度から、薄膜の材質や膜透過の操作条件を選定するが、
常識的な技術からすれば、分離を効率的且つ経済的に行
うためには、(1)分離しようとする各成分の薄膜を透
過する速度の比が大きければ大きい程好ましく、且つ、
(2透過膜度も大きければ大きい程好ましい。従って、
上記(1)及び(aを満足するi’tl1gの素材を見
出すことが重要であり、また、上記(2)を達成するた
めに薄膜の膜厚を薄くするための技術の開発が重要であ
る。一般に膜素材は有機化合物及び無様化合物のいずれ
も提案されているが、最近では、有曙高分子化合物の開
発が盛んで数多く提案されている。
このような膜素材は多孔質支持体上に種々の方法で1l
lfJ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、それぞれの形式の特徴があ
り、ガス分離の用途によって使いわけられている。
<C,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m縮分離する場合、他の′a縮
縮分六方法較べて有利であるためには、前記透過膜素材
の性能をあげることや、用途に応じたモジュールの形式
で、モジュールの単位体積当りの膜の充填密度をあげる
ことで分離の効率を向上させる。更には、膜の耐用年数
を上げることで経済性を良くすることが重要である。然
しそれらについては、モジュールの全体の性能をあげる
という方法で当然今後も研究が続けられ改良が為される
ことであろう。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の
検討が必要で、そのための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(通常多孔質支持体側)を原料ガス側
の圧力より低い圧力に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、膜の透過する速度が異るため
に透過ガスの組成が、原料ガスの組成と異ることで、透
過ガス或は、原料ガスの透過されない残存ガス(以下非
透過ガスと称す)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、この費用の主なものは、動力費である。こ
の動力費に関係する運転条件は、原料ガスの供給量と圧
力、透過ガスの取出量と圧力であり、目的の濃縮度合に
適合し、且つ運転コストが最小となるための運転条件を
きめる。そのためには、通常最適化手法を用いて計算し
、実験的に検証することできめられる。
このようなガスの量や操作圧力は運転最適条件として決
まるもので、更に運転コストを下げることが重要な問題
点である。
<d、問題点を解決するための手段〉 かかる在来技術に関する問題点を解決すべく本発明者は
鋭意検討した結末、1次ガス(原料ガス)の1部を透過
側に供給し、透過側のガス量を増加させることにより透
過側における透過ガスの濃度を下げることで、モジュー
ルとしての分離の効率が向上することを見出し、本発明
に到達した。即ち、選択透過膜を介して、原料ガス中の
特定成分を濃縮分離するに際し、(イ)選択透過膜の片
側に原料ガスを供給し、(0)選択透過膜のもう一方の
側(透過ガス側)から上記原料ガスの供給圧力より低い
圧力で透過ガスを排出させ、その際(lり上記原料ガス
の一部を透過ガス側に導入し、しかも当該導入原料ガス
が透過ガス側膜面の少くとも一部領域を通過するように
導入することを特徴とするガスの分離方法である。
所定のモジュールの透過特性において、特定成分の透過
ff1qiは、原料ガス側と透過ガス側の特定成分の分
圧の差即ち[Pi−πi]に比例することから、原料ガ
スの圧力を増すか、透過側の圧力を低くし、例えば酸素
を濃縮する場合は透過側圧力を真空とすることで有利に
運転される。一方透過する特定成分のガス組成は、原料
ガス側の圧力と透過側の圧力の比、即ら、圧力比γ−π
/Pに依存し、γが大きくなると、透過しやすい成分の
透過側の組成は低くなる。
そこで、透過ガスの組成を著しく低下させずに透過機を
増すことができればより経済的なはずである。透過ガス
側は、一般的に目的の濃縮成分とする場合が多いが、原
料ガスを透過ガス側に供給することは、透過ガス側の濃
縮成分の濃度を下げるだけで、意味がないものと考えら
れていたが、驚くべきことに実際には透過側の濃度低下
は極めて小さいにもかかわらず、透過量の増加は大きい
ことが明らかになった。透過膜を用いたガスの分離コス
トは、同一操作条件の場合(透過m)X(濃度)に依存
し、この値が大きい程有利となり得ることから、本発明
が経済的に意義あることがわかる。
本発明において、原料ガスの1部を透過ガス側に導入す
る方法として、原料ガス側の膜面(場合によっては多孔
質支持体面)と接触しさえすれば、モジュールの任意の
場所に導入することができるが、透過ガスの取出し口と
反対側、即ち当該導入された原料ガスが透過膜面側の全
領域にわたって接触するように導入するのが最も好まし
い。
以下本発明を図面を用いて具体的に説明する。
第1図は本発明に係る膜構造体の複合膜の1例を示す。
第1図において、1は選択透過膜、2は膜1を保持する
ための多孔質支持体である。原料ガスは、膜1の片側に
流し、膜のもう一方の多孔質支持体側は、原料ガス側よ
り圧力を低く保つことで、透過成分が膜中を移動し、透
過する。
第2図は、プレートアンドフレーム型モジュールの1例
で傾視図として示す。第2図において1は膜エレメント
、2は透過ガス集合管及び3はモジュールケースを示す
。第2図のA−A’断面の1部を拡大し第3図に示す。
第3図は、従来技術での使用例を示したもので、膜エレ
メントは1〜5で構成される。ガスを透過しない支持板
3に、透過ガスの流路であり、また運転差圧により流路
が閉鎖されないような網状材2並びに透過ガス取出ノズ
ル5を、更に前記網状材の外側に膜構造体1を記し、そ
の外縁を接着剤等4で固定し、原料ガス側と透過ガス側
を気密状態に保つ。モジュールは、膜面に原料ガスが流
通するように流通方向と平行に膜エレメントの両端側部
にスペーサー6が配置され、これらが必要に応じて複数
組積層された復層M4造となっている。透過ガスは取出
ノズル5より排出され、それらは集合されモジュールの
透過ガス集合管より排出される。
第4図は本発明方法のプレートアンドフレーム型モジュ
ールにおける1例を示す。第4図−は、第3図の従来公
知の事例に対応して示しである:即ち、第4図において
、原料ガスの1部はガス導入ノズル7より導入される。
該ガス導入ノズル7は透過ガスノズルと対象位置に配さ
れ、透過ガスノズルと同様に接着剤で膜エレメントに気
密的に取付けられている。
第5図は、中空糸型モジュールにおける本発明方法の1
例を示す。第5図において、1は多孔質中空糸選択透過
膜を配した膜構造体で該中空糸膜の多数本を束ね、その
中心部に原料ガスを導入するための開孔部を有した供給
管4を配し、中空糸束を保持する7ランジ付の耐圧容器
3の両端は気密を保つために、接着剤で一体成をされた
モジュールエレメントが形成されている。該エレメント
の両端では中空糸が開放されていて、一方の端は、透過
ガスを取出すためのノズルを有した管板5がパツキン7
を介してボルト8で締結され、もう一方の端は、原料ガ
ス導入管4と管板6との間を気密に保つシール材9でシ
ールされ、かつ本発明における原料ガスの1部を導入す
るための導入口1゜を有した管板6が前記他端と同様に
ボルトで締結されている。
<e、発明による効果〉 本発明方法によれば、透過ガスの組成変化が僅かにもか
かわらず、透過ガス量を著しく増大させることができ、
それにより従来の方法に比して、単位透過ガス量当りの
運転コストは低下し、より経済的である。
更に本発明は、実用的に大きな利点を持っている。一般
にガス分離操作において、製品ガスの組成は一定である
ことが必要な場合が多く、例えば選択透過膜を用いたガ
ス分離においても、透過ガスが製品の場合に原料ガスの
組成変化や運転操作条件の僅かな変動によって透過ガス
の濃度変化が生ずる。このような場合、従来よく用いら
れる方法は、例えば第6図に示した如く、製品ガスの濃
度−ンサーCで組成分析をし、所定の濃度になるように
i1度調整用ガスの流量を1節する。一方、第7図に示
した如く、本発明方法によれば、a度調整ガスや濃度3
!整ガスの挿入ポンプが不要なばかつてなく、曲記理由
即ち、透過ガス量の著しい増大により、更に経済的であ
る。以下実施例により更に本発明の詳細な説明する。尚
本発明は、以下の実施例に限定されることはない。
(実施例) 運転A 膜面積24コの酸素分離用中空糸型モジュール30本を
並列に接続した酸素濃縮装置用いて、原料ガスの空気か
ら酸素を濃縮した。原料供給ブロワ−から温度35℃、
圧力200MAQ −absの空気を毎分18.677
13供給し、また、モジュールの透過ガス排出口端と反
対側端(第5図原料ガス供給口(2))より、20℃の
空気を毎分300 、Q導入した。一方透過ガス排出口
に排気ポンプを接続し、圧力310T orrで運転し
た。この結果透過ガスは、排出ポンプの出口側で29.
0mo1%の酸素濃度、 10501111AQ −a
bs 、 55℃、m分3.27 rrt3であった。
運転B 次に、透過ガス側への空気の供給をしない従来の方法で
運転した。原料空気は上記条件と同一条件で供給し、ま
た透過ガス側圧力は318T orrで運転したところ
、2!J、7vo 1%の酸素濃度の酸素富化空気を毎
分1050sAQ  −abs 、 55℃で2.45
TrL3であった。
この酸素濃縮装置から肖られた酸素富化空気中の純酸素
の20℃、1atll11.:換算した1′IrL3当
りの消費動力を計算した結果、以下の通りであった。
項  目        単  位     運転A 
 運転B原料空気供給(N −Trt3/ 1n ) 
18.0  18.0覆 透過側へ導入(N−lit /min )  300 
   Qした空気間 透過ガスfi  (N−m3/min )  3.21
  2.49透過ガス中 (■01%)     29
.0  29,7酸素1111度 透過ガス中 (N−m3/min )  0,931 
0.740M素量 空気供給ブ[]   (KW)     1,5  1
.5ワー消黄電力 透過ガス排気  (K W )    15.6  .
13.5ポンプ消費動力 酸素1Tr1.3当り (W/FL3 )   306
  338消費動力
【図面の簡単な説明】
第1図はガス分離膜の代表的膜構造体図で、1は選択透
過膜、2は多孔質支持体を示す。 第2図はプレートアンドフレーム型のガス分離モジュー
ルの公知の型式の1例を傾視図で示したものである。1
は膜エレメント、2は透過ガス集合管、3はモジュール
のケースを示す。 第3図は第2図のA−A’断面の一部を拡大して示した
ものである。1は膜構造体、2は網状材。 3は支持板、4は接着剤、5は透過ガス取出ノズル、6
はスペーサーを示づ゛。 第4図は本発明の1例を第3図と対応して示したもので
あり、1〜6も第3図に対応している。 7は原料ガス導入ノズルを示す。 第5図は中空糸型のガス分耐モジュールで本発明の1例
を示す。1は中空糸膜、2は端末成型樹脂、3は耐圧容
器、4は原料ガス供給管、5は管板、6は一部原料ガス
導入口、7はパツキンを示す。 第6図はガス濃縮装置の従来公知のフローを示す。1は
膜モジユールユニット、2は原料ガス供給ポンプ、3は
製品取出ポンプ、4は濃度調整ガス送入ポンプ、5は流
量調部弁をそれぞれ示す。 第7図は本発明をガス濃縮装置に用いた場合のフローの
1例を示す。1は膜モジユールユニット。 2は原料ガス供給ポンプ、3は製品取出ポンプ。 5は流量調節弁を示す。 図面の浄7:−(内容に訪更なしl 第1図 透過、ガス 第?図 手続ネ甫正書(方式) 昭和61年 2月2q日

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、(イ)選択透過膜の片側に原料ガスを供給し、(ロ
    )選択透過膜のもう一方の側(透過ガス側)から上記原
    料ガスの供給圧力より低い圧力で透過ガスを排出させる
    ことから基本的になる、選択透過膜を介して原料ガス中
    の特定成分を濃縮分離する分離方法において、当該原料
    ガスの一部を透過ガス側に導入し、しかも当該導入原料
    ガスが透過ガス側膜面の少くとも一部領域を通過するよ
    うに導入することを特徴とするガスの分離方法。 2、当該原料ガスが空気であって、当該選択透過膜が酸
    素を選択的に透過する膜である特許請求の範囲第1項記
    載のガスの分離方法。
JP60215190A 1985-09-30 1985-09-30 ガスの分離方法 Expired - Lifetime JPH0691929B2 (ja)

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Cited By (4)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4808201A (en) * 1986-09-19 1989-02-28 Perma Pure Products, Inc. Connector construction for fluid drying tube
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS567603A (en) * 1979-06-29 1981-01-26 Dow Corning Device for changing relative concentration of component of mixture

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