JP5825007B2 - ガス分離膜モジュール - Google Patents

Description

本発明は、中空糸膜を利用してガス分離を行うガス分離膜モジュールに関し、特には、いわゆるボアフィードタイプのモジュールにおいてガス分離をより効率的に実施することができるガス分離膜モジュールに関する。

従来、選択的透過性を有する分離膜を用いてガス分離（例えば、酸素分離、窒素分離、水素分離、水蒸気分離、二酸化炭素分離、有機蒸気分離等）を行う分離膜モジュールとしては、プレートおよびフレーム型、チューブラー型、中空糸型などがある。そのなかでも、中空糸型のガス分離膜モジュールは、単位体積当たりの膜面積がもっとも大きいという利点を有するだけでなく、耐圧性、自己支持性の点においても優れているので、工業的に有利であり、広範囲に利用されている。

中空糸型のガス分離膜モジュールは、一般に、選択的透過性を有する多数の中空糸膜からなる中空糸束を有する中空糸エレメントと、それを収容する中空のケーシングとを備えている。中空糸エレメントの中空糸束は、その一端または両端が、樹脂の硬化板（管板）によって固定されている。また、ケーシングには、混合ガス入口、透過ガス出口、および未透過ガス出口等が設けられている。

効率的なガス分離を目的として、例えば特許文献１には、混合ガスが中空糸膜内に供給されるいわゆるボアフィード型のモジュールにおいて、中空糸束の一部をフィルム部材で被覆し、キャリアガスの流れと混合ガスの流れが中空糸膜を挟んで向流となるように構成されたガス分離膜モジュールが開示されている。

特開２０００−２６２８３８

上述した特許文献１のガス分離膜モジュールではキャリアガスの流れ方向を規制することでガス分離の効率化を図ることが可能であるが、ボアフィードタイプであって、かつ、キャリアガス（パージガス）を利用しないものにおいても、ガス分離の効率を改善することは重要である。本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ボアフィードタイプのモジュールにおいてガス分離をより効率的に実施することができるガス分離膜モジュール提供することにある。

上記目的を達成するための本発明のガス分離膜モジュールは下記の通りである：
ガス分離性能を有する多数の中空糸膜が集束された中空糸束と、
混合ガス入口、透過ガス出口、および未透過ガス出口を有し、前記中空糸束が内部に配置されるケーシングと、
前記中空糸束の両端部を固定する２つの管板と、を備え、
前記混合ガス入口から導入された混合ガスを前記中空糸膜内に供給し、その混合ガスの一部を透過させることでガス分離を行う分離膜モジュールであって、
（ｉ）前記中空糸膜を透過した透過ガスを排出するためのパージガスを供給するための構造は設けられておらず、
（ｉｉ）前記中空糸束の外周面に巻き付けられたガス不透過性（実質的にガス不透過性のものも含む）のフィルム部材であって、その一方の端部が混合ガス供給方向下流側の前記管板に実質的に当接し他方の端部が混合ガス供給方向上流側の前記管板から離れるように配置されているフィルム部材を、さらに備える、ガス分離膜モジュール。

本発明によれば、中空糸束に巻かれたフィルム部材によって透過ガスの流れ方向が規制され、混合ガスの供給方向と逆向きに流れることとなるため（詳細後述）、ボアフィードタイプのモジュールにおいてガス分離をより効率的に実施することが可能となる。

本発明の一形態に係るガス分離膜モジュールの基本的な構成を模式的に示す断面図である。 図１の部分拡大図である。 図１のモジュールにおけるケーシングの一例を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の一形態について説明する。図１は、本実施形態のガス分離膜モジュールの基本的な構成を模式的に示す断面図である。

図１に示すガス分離膜モジュール６０１はボアフィードタイプのものであり、多数の中空糸膜６１４が集束された中空糸束６１５と、それを収容するケーシング６１０と、中空糸束６１５の両端部に設けられた管板６２１、６２２とを備えている。

中空糸膜６１４は従来公知のものを利用可能であり、ガス分離性能を有するものであればどのような素材のものでも構わない。一例として、高分子材料特にポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリカーボネートなどの常温（２３℃）でガラス状の高分子材料からなるものは、ガス分離性能が良好であるので、好適である。

中空糸束６１５は、例えば１００〜１，０００，０００本程度の中空糸膜６１４を集束したものである。集束された中空糸束６１５の形状には特に制限はないが、製造の容易さおよびケーシングの耐圧性の観点から一例として円柱状が好ましい。図１では中空糸膜６１４が実質的に平行に配列されている形態を例示しているが、各中空糸膜が交叉配列されている形態であってもよい。

中空糸膜６１４によって分離される混合ガスは、特に限定されるものではないが、例えば、分離膜に対する透過速度の比が２以上である透過性の大きいガスと透過性の小さいガスとを含むガス混合物であってもよい。本実施形態のガス分離膜モジュール６０１は、様々な態様で、混合ガスから特定ガス成分を分離するのに用いることができる。例えば、各種ガスの除湿、各種ガスの加湿、窒素富化または酸素富化などを行うものであってもよい。

管板６２１、６２２は、ケーシング断面形状に対応して円盤状に設けられており、各中空糸膜６１４の開口が保持された状態で中空糸束６１５の端部を固着するものである。管板６２１、６２２は、ポリエチレンやポリプロピレン等の熱可塑性樹脂、あるいは、エポキシ樹脂やウレタン樹脂などからなる熱硬化性樹脂であってもよい。管板６２１、６２２は、多数の中空糸膜６１４を一体に固着する役割を果たす。また、中空糸膜６１４どうしの間、および、中空糸束６１５とケーシング６１０の内面の間を密封する役割を果たす。図１に示すように、ケーシング６１０と２つの管板６２１、６２２とによって１つの密閉空間６１８（後述するように透過ガス排出口６１０ｃを有する）が形成され、この密閉空間６１８内には中空糸膜６１４を透過した透過ガスが導入される。さらに、ケーシング６１０および管板６２１とによって混合ガス空間６１９ａが形成され、ケーシング６１０および管板６２２によって未透過ガス空間６１９ｂが形成される。なお、管板６２１、６２２とケーシング６１０の内面との間の密封のために、他のシーリング手段が設けられていてもよい。

なお、管板６２１、６２２のためのエポキシ樹脂としては、例えば窒素膜モジュールの場合には、特公平２−３６２８７等に記載されたようなものを利用可能であり、また、有機蒸気分離モジュールの場合にはＷＯ２００９／０４４７１１等に記載されたようなものを利用可能である。

ケーシング６１０は、図１に示すように、全体として略円筒状に設けられている。ケーシング６１０は、上流側（図の左側）に混合ガスをケーシング６１０内に導入するための混合ガス入口６１０ａを有し、下流側（図の右側）に未透過ガス出口６１０ｂを有し、側壁部に透過ガス出口６１０ｃを有している。透過ガス出口６１０ｃの数は、１つであってもよいし複数であってもよい。複数の透過ガス出口６１０ｃがケーシング６１０の側壁部に沿って等間隔で配置されていてもよい。透過ガス出口６１０ｃは、この例では、上流側の管板６２１に近い位置（具体的には、後述するフィルム部材６３１が存在しない中空糸束６１５の露出部分Ａ１の位置）に形成されている。

混合ガス入口６１０ａから導入された混合ガスは、管板６２１の端面から各中空糸膜６１４内に入り込み、その内部を下流側に向かって流れる。この際、混合ガスのうち一部が中空糸膜６１４外へと透過し、その透過ガスは密閉空間６１８内に送り込まれ、次いで、透過ガス出口６１０ｃを介してケーシング外へと排出される。一方、中空糸膜を透過しない未透過ガスはそのまま中空糸膜６１４内を下流側に向かって流れ、下流側の端面から膜外へと送り出され、次いで、未透過ガス出口６１０ｂを介してケーシング外へと排出される。

なお、図１ではケーシング６１０を模式的に示しているが、具体的には図３のようなケーシングの構成であってもよい。この例では、ケーシング６１０は、両端部が開口した円筒状部材６１１と、その両端部に取り付けられたキャップ６１２、６１３を有している。筒状部材６１１およびキャップ６１２、６１３は一例として金属製、プラスチック製、またはセラミック製であってもよい。各キャップ６１２、６１３に混合ガス入口６１０ａ、未透過ガス出口６１０ｂがそれぞれ形成されている。一例として、混合ガス入口６１０ａおよび未透過ガス出口６１０ｂは、キャップ６１２、６１３の中心部（キャップ正面方向から見て中心部）に形成されていてもよい。

図１、図２に示すように、本実施形態のガス分離膜モジュール６０１においては中空糸束６１５の外周にフィルム部材６３１が巻かれている。フィルム部材６３１は、その一方の端部６３１ａが管板６２２に実質的に当接し、他方の端部６３１ｂが管板６２１から所定の距離だけ離れるように配置されている。図１において、フィルム部材６３１によって覆われていない中空糸束６１５の領域は符号Ａ１（露出部分）で示されている。フィルム部材６３１は、中空糸束の外表面の５０％〜９５％、好ましくは７５％〜９２％を覆うように構成されていてもよい。また、フィルム部材６３１は、両端部がそれぞれの管板に近接して中空糸束の外表面全体を覆い、管板６２１の近傍においてフィルム部材６３１に１つまたは複数の穴を開けるように構成されていてもよい。

なお、フィルム部材の端部が「実質的に当接する」とは、（ｉ）フィルム端部が管板に完全に当接している場合と、（ｉｉ）例えば製造上の都合等により、フィルム端部と管板との間に僅かな隙間が生じた状態でフィルム端部が管板に近接している場合との両方を意図する。一方で、管板がエポキシ樹脂などの場合、フィルム端部が管板内に入り込んでいると（例えば、フィルム端部を管板に埋設させて管板を硬化させた場合など）、その部分を起点として管板が割れたり損傷が生じたりするおそれがある。そのため、フィルム端部が管板内部に入り込まないように構成されていることが好ましい。

フィルム部材６３１は、実質的にガス不透過性の材質であればいかなるものであってもよい。なお、「実質的にガス不透過性」とは、フィルム部材６３１のガス透過が充分に小さく、ガスの流路を規制できる事を意味する。例えば、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステル等のプラスチックフィルムであってもよい。中でもポリイミドは、耐熱性、耐溶剤性、加工性の点で好ましい。プラスチックフィルムの他にも、アルミニウムやステンレス等の金属箔であってもよい。フィルムの厚みは、数十μｍ〜数ｍｍの範囲内であってもよい。フィルム部材６３１は、一枚のフィルムの側縁どうしを固着することで筒状に形成されたものであってもよいし、または、継ぎ目のない筒状部材を使用してもよい。フィルムどうしを固着する手段としては、例えば接着剤、テープ等を利用することができる。

仮にフィルム部材６３１が配置されていない場合、図２の矢印ｆ３に示すように中空糸膜６１４からの透過ガスの進行方向は十字流方向（すなわち、中空糸膜６１４と交差する方向）となる。一方、本実施形態のように中空糸束６１５にフィルム部材６３１が巻かれている場合、透過ガスの散逸が防止され、透過ガスは矢印ｆ２に示すように混合ガスの供給方向ｆ１に対して向流となる方向に流れることとなる。

上述のように構成された本実施形態の分離膜モジュールの使用方法の一例を以下に説明する。なお、本実施形態のモジュールの使用方法は下記に限定されるものではない。

まず、混合ガスを混合ガス入口６１０ａからケーシング６１０内の混合ガス空間６１９ａに導入する。導入されたその混合ガスは、管板６２１の端面から各中空糸膜６１４内に入り込み、その内部を下流側に向かって移動する。このときに、中空糸膜６１４内の圧力が密閉空間６１８の圧力より高いことが好ましく、例えば、混合ガスを０．０１ＭＰａＧ〜１０ＭＰａＧの圧力で供給すること、密閉空間６１８を減圧状態にすることなどが好適である。この際、混合ガスの一部が中空糸膜６１４を選択的に透過し、中空糸膜６１４外の密閉空間６１８へと送出される。一方、未透過のガスはそのまま中空糸膜６１４内を下流側に向かって流れ、下流側の端面から中空糸膜６１４外の未透過ガス空間６１９ｂへと送出される。

中空糸膜６１４を透過したガスは、ケーシング６１０内の密閉空間６１８内に導入され
る。図２に示すように、特にフィルム部材６３１が巻かれた領域では、フィルム部材６３１の作用により透過ガスの散逸が防止され、透過ガスは、混合ガスの供給方向ｆ１とは逆向きの矢印ｆ２方向に流れる。次いで、透過ガスは、透過ガス出口６１０ｃ（図１参照）を介してケーシング６１０の外部へと排出される。未透過のガスは中空糸膜６１４の下流側端部から送出された後、未透過ガス出口６１０ｂを介して外部へと排出される。

以上説明した本実施形態の分離膜モジュール６０１によれば、フィルム部材６３１によって透過ガスの散逸が防止されるとともに、透過ガスは混合ガス供給方向に対して向流方向に流れることとなるため、ガスの分離効率の向上を図ることができる。

以下、フィルム部材が巻かれている場合と巻かれていない場合のガス分離膜モジュールの応答についてシミュレーションした結果を示す。表１は、モジュールの応答を示しており、「型式Ａ（十字流）」はフィルム部材が巻かれていないものであり、「型式Ｂ（向流）」はフィルム部材が巻かれたものである。温度はｔ＝２５℃、混合ガスの供給圧力はＰＦ＝０．７ＭＰａＧとして計算した。なお、ここでは、混合ガスとして空気を供給し、窒素富化空気を製品として得る分離膜モジュールについてシミュレーションした。この窒素富化空気は、中空糸膜内を通ってその下流側端部から排出された未透過ガスとして取り出される。表中の供給圧力および供給流量は、それぞれ混合ガスである空気の供給圧力及び流量を、製品濃度および製品流量は、それぞれ未透過ガスとして得られる製品の窒素富化空気の窒素濃度及び流量を、回収率は、供給した混合ガスのうち、製品の未透過ガスとして得られた割合（（製品流量／供給流量）＊１００）を示す。

表１に示す通り、同じ供給流量ＦＦでは（ケース１、２を参照）、フィルム部材が巻かれたケース２のものの方が製品濃度ＸＲを高くできる。一方、同じ製品濃度ＸＲでは（ケース１、３を参照）、フィルム部材が巻かれたケース３のものの方が製品流量ＦＲおよび回収率を高くできる。すなわち、これらの結果から、フィルム部材を巻くことがガス分離の効率化に有効であることが分かる。

６０１ ガス分離膜モジュール
６１０ ケーシング
６１０ａ 混合ガス入口
６１０ｂ 未透過ガス出口
６１０ｃ 透過ガス出口
６１１ 筒状部材
６１２、６１３ キャップ
６１４ 中空糸膜
６１５ 中空糸束
６１８ 密封空間
６１９ａ 混合ガス空間
６１９ｂ 未透過ガス空間
６２１、６２２ 管板
６３１ フィルム部材
６３１ａ、６３１ｂ 端部
Ａ１ 露出部分

Claims (4)

1. ガス分離性能を有する多数の中空糸膜が集束された中空糸束と、
   混合ガス入口、透過ガス出口、および未透過ガス出口を有し、前記中空糸束が内部に配
   置されるケーシングと、
   エポキシ樹脂で形成され、前記中空糸束の両端部を固定する２つの管板と、を備え、
   前記混合ガス入口から導入された混合ガスを前記中空糸膜内に供給し、その混合ガスの
   一部を透過させることでガス分離を行う分離膜モジュールであって、
   （ｉ）前記中空糸膜を透過した透過ガスを排出するためのパージガスを供給するための構
   造は設けられておらず、
   （ｉｉ）前記中空糸束の外周面に巻き付けられたガス不透過性のフィルム部材であって、
   その一方の端部が混合ガス供給方向下流側の前記管板に実質的に当接し他方の端部が混合
   ガス供給方向上流側の前記管板から離れるように配置されているフィルム部材を、さらに
   備え、
   前記フィルム部材の前記一方の端部が前記管板の内部に入り込まないように構成されて
   いる、向流型のガス分離膜モジュール。
2. 前記透過ガス出口が、
   前記フィルム部材が存在しない前記中空糸束の露出部分を囲む前記ケーシングの一部に
   設けられている、請求項１に記載のガス分離膜モジュール。
3. 前記フィルム部材が、一方の前記管板から他方の管板までの領域において、前記中空糸
   束の外表面の５０％〜９５％を覆うように構成されている、請求項１または２に記載のガ
   ス分離膜モジュール。
4. 前記フィルム部材の材質がポリイミドである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガ
   ス分離膜モジュール。

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