JPS6354914A - 気体分離装置 - 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〕 本発明は、気体選択透過膜を用いた気体分離装置に関し
、とくにコンパクトに構成可能なプレート型気体分離装
置の構造に関する。

〔従来の技術〕

気体選択透過膜を用いた気体分離装置は、気体選択透過
膜の形状から、平膜、管状膜（チューブラー）、中空糸
膜の３型式に分類できる。平膜を用いたものに関しては
、さらに、膜をシート状のまま積層したプレート型と、
膜積層体を巻き上げたスパイラル型とが知られている。

一般に液体分離用としてはスパイラル型が採用されてい
るが、この場合は使用条件が高圧であり、耐圧性を要求
されることが主たる選定理由となっている。

低圧で運転される気体分離装置の場合、その代表的な例
は空気中の酸素を濃縮する酸素富化であるが、被処理気
体をほぼ大気圧で供給し、透過側を大気圧よりも減圧し
て透過気体を取り出すことが一般的運転条件であるため
、装置の耐圧性は要求されず、プレート型を用いるのが
一般的である。

また製作の面からも、巻き上げる工程が省け、且つ巻き
上げ時にしばしば発生する膜のこすれ等の問題のないプ
レート型がより好ましい型式と言える。

このプレート型の気体分離装置として、既にＵ。

Ｓ、Ｐ、３３３２２１６号明細書（１９６７年）、特開
昭４７−４２２６５号公報、特開昭５６−４４００３号
公報、特開昭６１−９３８１７号公報等、いくつかの形
状のものが提案されている。それぞれ特有の工夫はなさ
れているものの、通称プレートアンドフレーム型と呼ば
れていることからも推察されるとおり、基本的には金属
等で製作した強固なフレームに膜を貼り付けた構造と言
うことができる。一般的にフレーム内側が透過気体の流
路となるため、この透過気体を外部へ取り出すための接
続口がフレーム部に何らかの形で必要になる０例えば特
開昭５６−４４００３号公報に示される構造では、フレ
ーム部に透過側、供給側両方の流路を設け、フレームを
積み重ねた時にそれぞれの流路毎に接続される構成とな
っている。また、特開昭６１−９３８１７号公報に示さ
れる構造においても、内部をくり抜いたフレームに気体
選択透過膜を貼り付け、該フレームに透過気体と供給気
体の流路を設け、これらを適当数積層してエレメントを
構成している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような従来のプレート型気体分離装置においては
、適当数の気体選択透過膜とフレームとで構成されたエ
レメントを積層したり、各エレメントを交換することが
容易にできるという利点を有するものの、以下のような
問題がある。

すなわち、基本的にフレームを用いる構造であり、フレ
ーム内に供給気体あるいは透過気体の流路を形成する構
造であるため、フレームの厚さを薄くすることには限界
がある。そのため、気体分離装置内の気体選択透過膜の
膜充填密度にも限界が生じ、通常５０〜１５０　ｎ（／
　ｎ？程度にとどまってしまう、膜充填密度が低いと、
工業用途としての装置の大容量化を達成するためには、
単純に装置を大型化せざるを得す、装置の専有面積の広
大化、重量増大の面から、このような大型化が困難であ
る場合が多い。

たとえば、気体分離装置の一用途として酸素富化空気製
造があるが、酸素富化空気の最も有望な分野である燃焼
用空気としての利用の場合、工業的規模は富化空気製造
量で数千〜致方Ｎｒｄ／Ｈｒとなる。現在数百Ｎｒｄ／
Ｈｒの燃焼装置にプレート型モジュールを試験的に応用
した例はあるが、前記欠点からそのスケールアップは困
難視されている。

本発明は、上記のような問題点に着目し、従来構造が有
する、必要に応じてエレメントを積層、交換することが
容易であるという利点を活かしつつ、膜充填密度を大幅
に向上し、小型であっても大容量化が可能な気体分離装
置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的に沿う本発明の気体分離装置は、気体選択ｉ３
遇膜の膜面に沿って広がり該膜面へと供給される気体を
該膜面に沿う方向に導く供給気体流路材と、気体選ｔｘ
　ｉ３過膜と、気体選択透過膜の膜面に沿って広がり気
体選択透過膜を透過した気体を膜面に沿う方向に導く透
過気体流路材と、気体選択透過膜と、をこの順に積層す
ることにより一組の素材群を構成し、該素材群を複数積
層するとともに、Ｍｉ層された各素材群における透過気
体の流路を供給気体側の流路から分離してエレメントを
構成し、該エレメントに、各素材群からの透過気体を合
流させてエレメント外部へ導く透過気体取り出し口を設
けたものから成っている。

ここで、積層された素材群および透過気体の流路と供給
気体の流路との分離構造は、たとえば、長尺の気体選択
透過膜が折りたたまれ、該気体選択透過膜の膜表面側に
供給気体流路材、膜裏面側に透過気体流路材が交互に挿
入され、透過気体流路材はその３辺で気体選択透過膜と
接着され、かつ１辺のみ開放され、該開放口から透過気
体が取り出される構造により構成される。また、透過気
体取り出し口は、エレメント同士を積層した際に互に接
続可能に構成され、単にエレメントを必要数積層してい
くだけで、自然に各エレメントからの透過気体取り出し
流路が構成されるようにすることも可能である。

〔作用〕

このような装置においては、気体選択透過膜は供給気体
流路材および透過気体流路材によって平膜状態に保たれ
、これらを所定の順序で積層することにより素材群が、
該素材群を積層することによりエレメントが構成される
。各流路材は、その略全面で隣接する気体選択透過膜を
保持するので、従来構造におけるフレームは必要なくな
り、しがも各波路材自体が、供給、透過、それぞれの気
体の流路を形成できるので、従来のフレーム内部に流路
を形成する場合に比べ大幅な薄肉化が可能になる。その
結果、流路材を間に積層されていくことになる気体選択
透過膜の積層ピッチを大幅に小に抑えることが可能にな
り、膜充填密度が向上される。そして、各素材群からの
透過気体が合流されて取り出されるので、コンパクトな
エレメントが構成される。そして、エレメント単位での
交換、追加等が容易という従来構造の利点は本型式でも
そのまま活かされている。

〔実施例〕

以下に、本発明の望ましい実施例を図面を参照して説明
する。

第１図ないし第３図は、本発明の第１実施例に係る気体
分離装置を示している。第２図および第３図において、
１は、ある種の気体を選択的に透過させる気体選択透過
膜（たとえば酸素を優先的に透過させる酸素富化膜）、
２は、気体選択透過膜１の膜面に沿って広がるように設
置され、供給気体を膜面に沿う方向に導くとともに膜面
に向けて導く供給気体流路材、３は、同様に気体選択透
過膜１の膜面に沿って広がるように設置され、気体選択
透過膜１を透過した気体を膜面に沿う方向に導く透過気
体流路材を示している０図に示すように、これら供給気
体流路材２、気体選択透過膜１、透過気体流路材３、気
体選択透過膜１がこの順に積層されることにより、−組
の素材群４が構成される。そして、この素材群４が、適
当な複数積層されることにより、エレメント５が構成さ
れている。

エレメント５においては、透過気体が供給気体と混じら
ないよう、積層された各素材群４における気体選択透過
膜透過気体の流路と供給気体側の流路とが分離されてい
る。この分離構造は、本実施例では、透過気体流路材３
０３辺を接着剤６を塗布することによりシールし、気体
選択透過膜１を透過した気体が各素材群４の上方にのみ
逃げるようにするとともに、供給気体流路材２の上辺を
接着剤６でシールし、供給気体が上方に逃げ通過気体と
混じることを防止するようにした構造に構成されている
。充填される接着剤６は、適当に粘度が低くシール性の
良好なものが好ましく、たとえばエポキシ系、ウレタン
系のものが適用できる。

そして第１図に示すように、積層された素材群４の４角
に適当な接着剤充填によるシール部７が設けられ、供給
気体流路材２へと通じる供給気体用の開口部と、透過気
体流路材３へと通じ上方に向けて開口する透過気体用の
開口部とが分離されている。積層された素材群４および
各シール部７は、枠体８の両側壁８ａ、８ａによって両
側から挟持されるとともにシールされている。枠体８に
は、両側壁以外少なくとも上壁８ｂが設けられており、
上壁８ｂと積層素材群４およびシール部材７で囲まれる
空間９は、供給気体側の流路がらシールされた、かつ各
素材群４からの気体選択透過膜透過気体を合流させる空
間に形成されている。上壁８ｂには、合流した透過気体
をエレメント外部へ導く透過気体取り出し口１０が設け
られている。

このように枠体８で保持された複数の積層素材群４から
なるエレメント５は、目標とする装置容量を満足するよ
う積層され、ａ層された各エレメント５は、適当な締め
付は枠体１１によって連結される。また、各エレメント
５の透過気体取り出し口１０は、共通のダクト１２によ
り一つの流路にまとめられ、該ダクト１２から透過気体
が取り出される。

このように構成された装置においては、エレメント５外
部からの供給気体は、供給気体流路材２へと送られ、該
流路材２が構成する流路に沿って、気体選択透過膜１の
膜面に沿う方向に進むとともに気体選択透過ｌｌ１１の
膜面に接触される。気体選択透過膜１は、供給気体のう
ちの所定の気体を優先的に透過させ、該気体成分の濃度
が高められた透過気体が、透過気体流路材３が構成する
流路に沿って空間９へと集められ、透過気体取り出し口
１０、ダクト１２を介して、供給気体とは分離された気
体として取り出される。

この膜面に沿う方向への気体流路は、供給気体流路材２
、透過気体流路材３によって構成されるが、これらの流
路材は気体選択透過膜ｌの平膜状態保持機能も備えてい
るので、本構造をとることにより従来のような気体選択
透過膜保持用のフレームが不要となる。これら流路材２
．３は、自身と気体選択透過膜１の膜面との共働により
隣接する気体選択ｉ３過膜１間に気体流路を構成するも
のであるから、部材内に特別に流路を形成するような構
造をとる必要がなく、従来のフレームに比べ大幅な薄肉
化が可能である。したがって、各素材群４の厚みも薄肉
化され、同−容積内にそれだけ多数の素材群４を収容す
ることが可能となって気体選択透過膜１の膜充填密度が
向上される。また、各素材群４からの透過気体は、一つ
にまとめて取り出されるので、各素材群４毎の取り出し
口は必要なく、この面からも各素材群４は高密度でｔ１
層される。上記のような効果を発揮する流路材としては
、たとえばプラスチックネット等が考えられ、ネット断
面方向の空隙率の大きなものを選択することにより、薄
肉でありながら抵抗の小さな流路の構成が可能である。

さらに本発明構造では、各エレメント５を一つの部材と
して取扱えるようにしであるので、従来型同様エレメン
ト単位での交換ができ、交換が容易であるという利点は
そのまま残される。また、要求される装置容量に応じて
容易にエレメント５が積層することも可能であり、大容
量化が可能である。

なお、上記実施例装置においては、供給気体は各エレメ
ント５の側面側から直接送り込まれるようになっている
が、この送り込みについては、第４図に示すように、各
エレメント２０に対し、透過気体取り出し口２１ととも
にそれぞれ供給気体供給口２２を設け、エレメント２０
毎に供給気体を送り込むようにしてもよい。

つぎに、第５図に本発明の第２実施例を示す。

本実施例においては、各エレメント３０の各素材群３１
における透過気体流路材は上下開口され、透過気体は上
下の空間３２．３３に集められる。各エレメント３０の
透過気体取り出し口３４は、エレメント積層方向に開口
され、エレメント３０同士を積層した際に、互に接続可
能に構成されている。

このような構成においては、単にエレメント３０を積層
するだけで、各エレメント３０の透過気体取り出し口３
４が接続されて、第１図に示したダクト１２を設けるこ
となく自然に透過気体取り出し用流路が形成される。そ
の他の構成、作用は第１実施例に準じる。

つぎに、第６図および第７図に、本発明の第３実施例を
示す０本実施例においては、素材群の積層構造は、長尺
の気体選択透過膜４０を順次折りたたみ、折りたたんだ
気体選択透過膜４０の膜表面側に供給気体流路材４１、
膜裏面側に透過気体流路材４２を交互に挿入して構成さ
れる。そして、透過気体流路材４２は、その３辺で接着
剤４３により気体選択透過膜４０と接着されてシールさ
れ、１辺のみ開放されて該開放口から透過気体が取り出
される。

つまり、気体選択透過膜４０は、透過気体流路材の周囲
で封筒状に構成される。各エレメント４４には、互に接
続可能な透過気体取り出し口４５が設けられている。

このような構造においては、第６図の下面側における透
過気体流路材４２部分は、接着剤４３によってシールさ
れているので、あえて枠体等によりシールする必要はな
く、透過気体は図の上部側からのみ取り出される。長尺
の気体選択透過膜４０を折たたみ、その間に各流路材４
１．４２を挿入していくだけで所定の積層構造が達成さ
れるので、製造が容易化される。その他の構成、作用は
第１実施例に準じる。

なお、上記第２、第３実施例においては、各エレメント
の透過気体取り出し口の接続構造を示したが、この構造
は透過気体側のみに限らず供給気体側でも採り得る。た
とえば第８図に第４実施例を示すように、各エレメント
５００枠体５１を供給気体供給側が張り出した構造とし
、その部分に互に接続可能な供給気体供給口５２を設け
れば、透過気体取り出し口５３と併せ、単に各エレメン
ト５０を接続するだけで供給気体用の流路、透過気体用
の流路が自動的に形成される。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の気体骨＃装置によるとき
は、従来のフレーム構造を採ることなく薄肉の供給気体
流路材、透過気体流路材を用いて素材群を構成し、かつ
各素材群からの透過気体をまとめて取り出すことができ
るよう各エレメントを構成したので、エレメントの交換
容易性、積層容易性を確保しつつ、エレメント内、ひい
ては気体分離装置内の気体選択透過膜の膜充填密度を大
幅に高めることができ、従来装置に比べ、同一容量であ
れば装置の小型化、同一サイズであれば大容量化を達成
できるという効果が得られる。

膜充填密度にあっては、従来型が５０〜１５０ｒｄ／−
であったのに対し、本発明構造では、その数倍の３００
〜９００ｒｄ／ｒ＋？まで向上できる。

上記効果を有する本発明の実施により、気体分離装置の
より工業的規模での通用が可能になり、たとえばボイラ
、加熱炉等の大容量燃焼用空気を製造する酸素富化装置
等への適用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る気体分離装置の斜視
図、 第２図は第１図の装置の一素材群の横断面図、第３図は
第２図の素材群の斜視図、 第４図は第１図の装置の変形例を示す気体分離装置の斜
視図、 第５図は本発明の第２実施例に係る気体分離装置の斜視
図、 第６図は本発明の第３実施例に係る気体分離装置の斜視
図、 第７図は第６図の装置の部分斜視図、 第８図は本発明の第４実施例に係る気体分離装置の斜視
図、 である。 １．４０・・・・・・気体選択透過膜 ２．４１・・・・・・供給気体流路材 ３．４２・・・・・・透過気体流路材 ４．３１・・・・・・素材群 ５　’、　２０．３０．４４．５０・・・・・・エレメ
ント６．４３・・・・・・接着剤 ７・・・・・・・・・・・・シール部材８．５１・・・
・・・枠体 ９．３２．３３・・・・・・合流用空間１０、２１．３
４．４５．５３・・・・・・透過気体取り出し口１１・
・・・・・・・・・・・締め付は枠体２２、５２・・・
・・・供給気体供給口時　　許　　出　　願　　人　　
　　　東　し　株　式　会　社第４図 第５図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）気体選択透過膜の膜面に沿って広がり該膜面へと
   供給される気体を該膜面に沿う方向に導く供給気体流路
   材と、気体選択透過膜と、気体選択透過膜の膜面に沿っ
   て広がり気体選択透過膜を透過した気体を膜面に沿う方
   向に導く透過気体流路材と、気体選択透過膜と、をこの
   順に積層することにより一組の素材群を構成し、該素材
   群を複数積層するとともに、積層された各素材群におけ
   る透過気体の流路を供給気体側の流路から分離してエレ
   メントを構成し、該エレメントに、各素材群からの透過
   気体を合流させてエレメント外部へ導く透過気体取り出
   し口を設けたことを特徴とする気体分離装置。
2. （２）前記透過気体取り出し口を、前記エレメント同士
   を積層した際に互に接続可能に構成した特許請求の範囲
   第１項記載の気体分離装置。
3. （３）前記積層された素材群および透過気体の流路と供
   給気体の流路との分離構造を、長尺の気体選択透過膜が
   折りたたまれ、該気体選択透過膜の膜表面側に供給気体
   流路材、膜裏面側に透過気体流路材が交互に挿入され、
   透過気体流路材はその３辺で気体選択透過膜と接着され
   、かつ１辺のみ開放され、該開放口から透過気体が取り
   出される構造に構成した特許請求の範囲第１項記載の気
   体分離装置。
4. （４）前記気体選択透過膜が酸素を選択的に透過する膜
   であり、供給気体が空気である特許請求の範囲第２項記
   載の気体分離装置。