JP2003533344A - 分離モジュール及びその製造方法 - Google Patents

分離モジュール及びその製造方法

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JP2003533344A JP2001583922A JP2001583922A JP2003533344A JP 2003533344 A JP2003533344 A JP 2003533344A JP 2001583922 A JP2001583922 A JP 2001583922A JP 2001583922 A JP2001583922 A JP 2001583922A JP 2003533344 A JP2003533344 A JP 2003533344A
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グンドゥラ フィッシャー
エリック トゥーセル
インゴルフ ホイグト
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ゲセルシャフト フュア フィジカリッシュ/ケミッシェ トレンバーファーレン エムベーハー
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Abstract

(57)【要約】 本発明の課題は、金属ハウジング、ガラスハウジングもしくはプラスチックハウジングの欠点をもたず、かつ同時にできるだけ損傷のない分離膜の形成を可能にする分離モジュールを提供することである。ハウジングと該ハウジングによって保持された分離エレメントを有する分離モジュールによる上記課題は、本発明によれば、(a)該分離モジュールが緻密なセラミックスからなるハウジングと多孔質のセラミックスからなる分離エレメント-支持体で組み立てられており、(b)該分離エレメント-支持体が供給側もしくは透過物質側で分離膜で被覆されており、かつ(c)該分離膜が、全てセラミックの分離モジュールの組立後に該分離エレメント-支持体に塗布されていることによって解決される。本発明による製品は、とりわけ、しかし限定的にではなく、きわめて広い意味での化学プロセス工学に使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、多孔質無機で非金属の分離エレメントを有する分離モジュールなら
びにその製造方法に関する。この分離モジュールの主要な、しかし限定的ではな
い使用分野は、液体もしくは気体及び固体もしくは分子の分離であり、その際、
分離モジュールの材料は、攻撃的な固体、液体及び/または気体に耐性であるこ
とも必要である。
【0002】 化学プロセス工業での物質分離には、従来の熱による方法もしくは化学的な方
法の他に膜による方法がますます利用されている。殊に耐溶剤性かつ耐熱性の微
孔質セラミック膜の開発によって、この方法はますます重要になっている。
【0003】 管型の多孔質セラミックの分離エレメントのためのモジュール構造は、これま
で専ら金属ハウジングで構成されていた。本質的にこのモジュールは、ハウジン
グ内での分離エレメントの封止方法及び取付け方法によって区別される。
【0004】 一般に公知の従来技術は、この場合には従来の、種々の材料によるOリングを
使用した封止である。さらにフィルターエレメントの端部は、特別に鋳造された
エラストマーキャップでハウジングに対して封止することが可能である(欧州特
許第0270051号明細書)。
【0005】 さらに別の方法は、分離エレメントとハウジングの間の接続部分として、分離
エレメントの端部に金属製の接続部品を取り付けることである。この場合には接
続部品またはハウジング自体は、物質間の固着によるかまたは嵌め合いにより、
多孔質の分離エレメントの、金属で溶浸された端部(国際公開第99/3220
8号パンフレット)と接合されるか、あるいは適当なセラミックス用接着剤(独
国特許第4131407号明細書)で接合される。これらの封止の目的は、一方
ではモジュール内での透過物質側と残留物質側の隔離であり、他方ではハウジン
グと分離エレメントとの異なる膨張係数の解消であり、その際、後者は著しく制
限されてのみ達成可能である。
【0006】 多くの適用分野には、慣用のハウジング材料である金属材料は、触媒副反応の
危険があるために使用することができない。しかしながら、触媒反応と物質分離
が組み合わされて進行する膜反応器に対してはまさに、セラミックの微孔質膜が
著しく高い適用潜在能力を有する。ガラスは、その壊れやすさから、例えば圧力
で促進される濾過には適当ではない。プラスチックは、有機溶剤に対するその不
十分な耐性あるいはその限定された耐熱性のために除外される。
【0007】 全てセラミックの分離モジュールの場合には、化学的な分離プロセスの要件(
化学的安定性、温度)及び分離方法の要件(圧力)を満たす材料が基本的に使用
される。
【0008】 全ての公知のモジュール構造物の場合には完全に被覆された分離エレメントが
ハウジング内に取り付けられる。殊に外側が被覆されたフィルターエレメントの
場合には、ハウジング内への取り付けは著しく費用がかかりかつ複雑であり、そ
れというのも、膜(分離膜)がこの場合には簡単に引っかき傷をつけられる可能
性があり、ひいては使用不可能になるからである。
【0009】 全てセラミックの分離モジュールの場合には、ハウジングと接続箇所と分離エ
レメントの間の膨張係数が正確に適合しているので、該分離モジュールを高温で
使用することは問題ない。これに対して従来のモジュール設計の場合には、金属
のハウジングとセラミックの分離エレメントの間の膨張係数が著しく異なってお
り、このことが高温での使用を制限付きでしか可能にしていない。
【0010】 したがって本発明の課題は、金属ハウジング、ガラスハウジングもしくはプラ
スチックハウジングの上記欠点をもたず、かつ同時にできるだけ損傷のない分離
膜の形成を可能にする分離モジュールを提供することである。
【0011】 上記課題は、特許請求の範囲に記載された本発明によって解決される。
【0012】 多孔質の分離エレメントは、フィルターとして作用する膜(分離膜)が塗布さ
れる前に、ハウジング内に取り付けられた状態でこの緻密なセラミックハウジン
グに接合される。引き続いての被覆の際に全ての分離エレメントが同時に被覆さ
れる。複数の分離膜を連続して塗布することもできる。
【0013】 緻密なモジュールハウジングに使用される材料は、非金属の無機材料である。
この材料の膨張係数は、分離エレメントの膨張係数に適合している。分離エレメ
ントは、任意の外径の単独の管ないしは中空糸、複数の管ないしは中空糸からな
る束あるいは任意の数の長手方向の流路を有する多流路管である。この分離エレ
メントは、開放気孔率10%―80%及び平均孔径10μm未満の、金属、遷移
金属もしくは希土類の単一の酸化物またはこれらの混合物からなり(支持体)、
場合によっては非金属の無機膜で管ないしは中空糸の内側もしくは外側または多
流路管の流路内が被覆されている。この場合には膜は、開放気孔率70%未満及
び平均孔径6μm未満の、金属、遷移金属もしくは希土類の非晶質もしくは結晶
質の酸化物またはこれらの混合物からなる。この場合には膜の分離作用は、膜で
の分子もしくは粒子の大きさによる除外、膜による分子もしくは粒子の電気化学
的な交換作用または膜のイオン伝導または混合伝導に基づいているか、あるいは
これらの交換作用の組合せからなる。
【0014】 次に本発明を実施例及び図に基づいて実例を挙げて説明する。添付の図には、
本発明による分離モジュールの基本的な構造が示されている。
【0015】 例1: ムライトからなる支持体管Dを使用することをもとに、部材A1、A2及びB
からなるハウジングの材料として、膨張係数が前記管Dの膨張係数に適合するス
テアタイトを選択した。ステアタイトを結合剤、潤滑剤及び水からなる系を用い
て可塑化した。その塊状物からブランクを押し出し、引き続き、最初はフィルム
下に、次に空気中で15―30℃で水分3%未満になるまで徐々に乾燥した。焼
成後の加工によって部材A1―Dxをつくった。ステアタイトの焼結を1270
―1300℃及び滞留時間30〜300分間で行った。焼結後の寸法誤差は0.
5%未満でなければならず、開放気孔率は1%未満でなければならない。焼結し
た部材と管の組立を、適合したガラスペーストを用いて行い、組立後にガラスペ
ーストを1100℃ないしは850℃で固化した。組立は、次の相応する順序で
行った: 1.部材A1とBならびにD1…x及びA2 2.部材Bと透過物質側接続部C
【0016】 組立後に分離モジュール内の管(分離エレメント-支持体)を、部分的に加水
分解したオルト珪酸テトラエチルゾルで被覆した。内側の被覆のためにこのゾル
をフランジ付き接続部A1もしくはA2を通して管の中に充填した。ゾルは管の
内側にゲルとして析出し、このゲルを乾燥し、引き続き酸化雰囲気下に400℃
−600℃で焼結した。得られたシリカ膜の層厚は、500nm未満であった。
この膜は、60%未満の開放気孔率及び1nm未満の孔径を有していた。外側の
被覆の際には前記ゾルを透過物質側接続部Cを通してモジュール内部に入れた。
ゾルは管の外側に析出し、これを乾燥した。その後の技術工程は、上記の内側被
覆の際の技術工程に同じである。
【0017】 例2: 酸化アルミニウムからなる支持体管Dを使用することをもとにハウジングの材
料として、膨張係数がこの材料の膨張係数に適合するアルミナ磁器を選択した。
アルミナ磁器を結合剤、潤滑剤及び水からなる系を用いて可塑化した。その塊状
物から部材A1―Cを回転によりつくり、引き続きフィルム下に徐々に乾燥した
。取付によって焼結前に部材A1及びCをBに継ぎ足した。全てのアルミナ磁器
部材を温度1350−1450℃及び滞留時間30分間−300分間で焼結した
。焼結後の寸法誤差は0.5%未満でなければならず、開放気孔率は1%未満で
なければならない。焼結した部材と管の組立をセラミックス用接着剤を用いて次
の相応する順序で行った: 1.部材A1及びBとD1…x及びA2 2.1.で組み合わされたものとC
【0018】 組立後に分離モジュール内の管を、テトラプロピルアンモニウムブロミド、コ
ロイド状シリカゾル及び水酸化ナトリウム溶液からなる溶液で被覆した。内側の
被覆のためにこのゾルをフランジ付き接続部A1もしくはA2を通して管の中に
充填した。管の内側にシリカライト膜が、水熱条件下で150℃−180℃で6
時間−72時間で晶出した。得られた膜は、平均の層厚30μm未満、開放気孔
率65%及び平均孔径0.51nmを有していた。外側の被覆の際には前記溶液
を透過物質側接続部Cを通してモジュール内部に入れた。被膜が管の外側に析出
し、これを乾燥した。その後の技術工程は、上記の内側被覆の際の技術工程に同
じである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による分離モジュールの基本的な構造が示されている。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成14年2月28日(2002.2.28)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C23C 18/16 C23C 18/16 Z 30/00 30/00 D (72)発明者 フィッシャー グンドゥラ ドイツ連邦共和国 シュータットローダ D−07646 ローザ−ルクセンブルク−ス トラッセ 6 (72)発明者 トゥーセル エリック ドイツ連邦共和国 ホンブルク/ザアル D−66424 アン デン ビルケン 5 (72)発明者 ホイグト インゴルフ ドイツ連邦共和国 イエナ D−07743 アン デア オイレ 24 (72)発明者 ホイグツベルガー バーベル ドイツ連邦共和国 バド クロスターロウ スニッツ D−07639 フォルストラッセ 8 Fターム(参考) 4D006 GA02 GA41 HA26 JA02C JA25C JB09 MA02 MA06 MA21 MC03 MC05 NA31 NA43 NA46 NA62 4K022 AA04 AA33 DA01 4K044 AA13 AB03 BA01 BB01 CA14 CA15

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ハウジングと該ハウジングによって保持された分離エレメン
    トからなる分離モジュールにおいて、 a)該分離モジュールが緻密なセラミックスからなるハウジングと多孔質のセ
    ラミックスからなる分離エレメント-支持体で組み立てられており、 b)該分離エレメント-支持体が供給側もしくは透過物質側で分離膜で被覆さ
    れており、かつ c)該分離膜が、全てセラミックの分離モジュールの組立後に該分離エレメン
    ト-支持体に塗布されている ことを特徴とする、分離モジュール。
  2. 【請求項2】 前記分離膜が適当な有機もしくは無機の材料からかなること
    を特徴とする、請求項1記載の分離モジュール。
  3. 【請求項3】 前記分離モジュールが管形熱交換器の方式で構成されており
    、その際、該管が、有利に毛細管、単流路管、多流路管または環状流路管の形で
    、前記分離エレメント-支持体を形成し、かつ前記ハウジングが、該管がはめ込
    まれている穴あきエンドプレートならびに有利に円筒形の外側ジャケットからな
    ることを特徴とする、請求項1または2記載の分離モジュール。
  4. 【請求項4】 前記毛細管ないしは管内の前記流路の内壁が供給側に配置さ
    れていることを特徴とする、請求項3記載の分離モジュール。
  5. 【請求項5】 前記管の外側面ないしは環状流路管の外側面と内側面が供給
    側に配置されていることを特徴とする、請求項3記載の分離モジュール。
  6. 【請求項6】 前記分離モジュールが、相互に間隔をあけて配置された分離
    用袋状物(中空円板)を有しており、その際、各分離用袋状物が、1個以上の穴
    を有する前記分離エレメント-支持体を形成し、かつ前記ハウジングが、該分離
    用袋状物を数珠繋ぎ状に貫いている穴あきセラミック管ならびに有利に円筒形も
    しくは直方体形の外側ジャケットからなることを特徴とする、請求項1または2
    記載の分離モジュール。
  7. 【請求項7】 前記分離用袋状物の外側面が供給側に配置されかつ分離膜で
    被覆されており、その結果、透過物質が前記穴あきセラミック管の穴を通して導
    出可能であることを特徴とする、請求項6記載の分離モジュール。
  8. 【請求項8】 前記分離モジュールが、相互に間隔をあけて配置された多流
    路板を有しており、その際、各多流路板が前記分離エレメント-支持体を形成し
    、かつ前記ハウジングが、該多流路板がはめ込まれているスロット付きの穴あき
    エンドプレートならびに有利に円筒形の外側ジャケットからなることを特徴とす
    る、請求項1または2記載の分離モジュール。
  9. 【請求項9】 前記多流路板の流路が供給側に配置されていることを特徴と
    する、請求項8記載の分離モジュール。
  10. 【請求項10】前記多流路板の外側面が供給側に配置されている、請求項8
    記載の分離モジュール。
  11. 【請求項11】 請求項1から10までのいずれか1項に記載の分離モジュ
    ールの製造方法において、分離モジュールのセラミックの個々の部材をレザーハ
    ード状態もしくは焼成した状態で組み立て、その後で分離膜の形成を被覆によっ
    て行うことを特徴とする、分離モジュールの製造方法。
  12. 【請求項12】 先ず、組み立てられたセラミックの個々の部材を物質間の
    固着により接合しかつ場合によっては、レザーハード状態の個々の部材をこのよ
    うな方法の場合に通常の温度で焼成して焼成セラミックスとし、さらに被覆を行
    い、かつ最後に接合温度ないしは焼成温度より低い温度での熱処理によって該被
    覆から分離膜を形成することを特徴とする、請求項11記載の方法。
  13. 【請求項13】 前記組立を、積み重ねられた分離用袋状物の場合に同時に
    間隔保持部材(スペーサ)として機能するセラミック接合薄膜によって行うこと
    を特徴とする、請求項11または12記載の方法。
  14. 【請求項14】 前記組立をセラミックス含有もしくはガラス含有のスラリ
    ーまたはペーストによって行うことを特徴とする、請求項11または12記載の
    方法。
  15. 【請求項15】 前記被覆をセラミックのスラリーの塗布及び該スラリーの
    焼付けによって行うことを特徴とする、請求項11から14までのいずれか1項
    に記載の方法。
  16. 【請求項16】 前記被覆をゾルゲル法によって行うことを特徴とする、請
    求項11から14までのいずれか1項に記載の方法。
  17. 【請求項17】 被覆用溶液を組み立てられたモジュール内に充填し、該モ
    ジュールを密封しかつ、ゼオライト被膜層を形成するのに適当である水熱条件が
    得られる程度に温度を上昇させることを特徴とする、請求項16記載の方法。
  18. 【請求項18】 前記被覆の形成を適当な軸もしくはその他の軸を中心にし
    た回転によって補助することを特徴とする、請求項17記載の方法。
  19. 【請求項19】 前記被覆の形成を強制循環によって補助することを特徴と
    する、請求項17記載の方法。
  20. 【請求項20】 前記被覆の水熱条件を、有利にマイクロ波による、適当な
    照射によって補助することを特徴とする、請求項17記載の方法。
  21. 【請求項21】 金属の、ポリマーの、もしくは有機金属の分離膜をプラズ
    マ重合、CVDまたはCVDとプラズマ重合の組合せによって塗布することを特
    徴とする、請求項11から14までのいずれか1項に記載の方法。
  22. 【請求項22】 金属もしくはポリマーの材料からなりかつ適当な物理化学
    的な方法によって塗布される分離膜を塗布することを特徴とする、請求項11か
    ら14までのいずれか1項に記載の方法。
  23. 【請求項23】 金属の分離膜を金属塩溶液を用いた被覆もしくは含浸と引
    き続いての金属への還元によって塗布することを特徴とする、請求項22記載の
    方法。
  24. 【請求項24】 ポリマーの分離膜をモノマー溶液を用いた被覆と引き続い
    ての重合によって塗布することを特徴とする、請求項22記載の方法。
  25. 【請求項25】 有機被膜を減じた酸素分圧で熱分解し、かつこれから分離
    膜としての炭素膜を形成することを特徴とする、請求項20記載の方法。
JP2001583922A 2000-05-19 2001-05-19 分離モジュール及びその製造方法 Pending JP2003533344A (ja)

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