JPS63107802A - 酸素富化空気の製造法 - 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】 繊維を用いて中空繊維の外部を負圧に保持しながら酸素
濃度２０〜４０チ程度の酸素富化空気を多量に製造する
方法に関するものである。

（従来の技術） 近年化学プロセスにおける酸化用、発酵用、高炉吹込用
、燃焼補助用、廃液処理曝気用の空気の代わシに膜分離
法により製造される酸素濃度が２０〜４０１程度の酸素
富化空気を使用する試みがなされている。本出願人も特
開昭６１−１０１２２５号に内径が３５０μｍ以上でか
つ透過性能０．５　Ｎｒｒｌ／ν・Ｈ・嬌偏以上の中空
繊維を用い、該中空繊維内を特定の条件下で負圧に保持
しながら酸素富化空気を製造する方法を提案した。

能と透過空気量の低下のない優れた酸素富化空気上 の製造方法であるが、実用・次のような問題があ□った
。　（１）　　ファンやプロワ−を用いても中空繊゛細
束の中央部にまで十分原料空気を供給する事が困難で、
中空繊維束の中央部がデッド・ゾーンとなり、必要以上
の過大な膜面積を必要とする。

（２）　　中空ｍ細束の中央部に原料空気を十分供給し
ようとすれば特殊な構造を必要とする。

（問題点を解決する為の手段） 本発明は上述の問題点を解消した実用的な酸素富化空気
の製造法を提供するもので、中空繊維外を負圧に保持し
て空気を中空繊維の内部へ均等に供給して中空繊維の内
部から外部へ選択的に透過させることにより酸素富化さ
れた透過空気を製造する方法である。

本発明方法では中空繊維として内径が８００−以上であ
り、かつ透過性能が０．５Ｎｉ／／　−Ｈ−Ｋｊｌ／ｃ
ｙｊ以上で、しかも下記式を満足する中空繊維が用いら
れる。

本発明で用いる中空繊維の透過性能は次式を用いて表わ
される。

但し　ＦＣ：透過性能（Ｎｄ／♂・Ｈ−Ｋｙ／ｃｔＡ）
Ｑ：透過空気量（ＮＨ１／Ｈ） Ｐｌ：１次側空気圧力（Ｋｙ／ｍ　ａｂｓ　）Ｐ２：２
次側空気圧力（Ｋｙ／ｃｉ　ａｂｓ　）Ｄ＝中空繊維の
内径（ｍ） Ｌ：中空繊維の長さくｍ） 酸素濃度２０〜４０チ程度の酸素富化空気を多量に製造
する場合には、膜の分離性は選択性酸素透過膜の酸素と
窒素の透過係数の比は２．０〜３．０でも士、分であり
、むしろ分離性の高い中空繊維素材よシも透過性の高い
素材を選択すべきである。なぜならば・一般に素材の分
離性能と透過性能とは相反する性質を持ち、分離性能の
良い膜素材は透過性能が良くない。それ故、膜素材は用
途との関係を考慮しつつ、分離性能と透過性能との兼ね
合いで決定されるものである。したがって本発明の目的
に用いる選択性酸素透過膜は酸素と窒素の透過係数の比
が２．０以上で、かつ透過性能が０．５Ｎｒｌ／ｒｌ−
Ｈ，Ｋｙ、／ｃｒＡ以上のものであればいずれの素材の
ものも使用出来るが、得られる富化空気の必要酸素濃度
及び分離操作上から、好ましくは透過係数の比は２．５
以上で透過性能が１．５Ｎｒｌ／ｒｌ・Ｈ、ＮＶｉのも
のである。

透過性能が０．５　Ｎｒｌ／ｄ−Ｈ−に９／−未満の膜
では低圧力の操作条件で所望の散索濃度の富化空気を製
造する事が出来ない。

素材としては酸素透過係数の大きいものがよく、膜厚は
透過量が膜厚に反比例する事により分離に１才 関わる膜の層・出来るだけ薄く、且つ耐久性のあるもの
が用いられる。

膜の形態としては非対称膜、均質膜、複合膜のいずれで
も使用出来るが、中でも中空糸膜状多孔質支持体の内面
にその細孔中に浸透しないように高分子薄膜を均一に形
成させた複合中空糸膜は透過性能が大きいこと、更に選
択性も２．０以上あり、０、５μｍ以下の極薄膜化も可
能で、また耐久性もあるので好適に用いられる。かかる
複合中空糸膜の微多孔質中空糸を形成すべき素材として
は、その要求される性能としてその内表面に細孔内に実
質的に侵入しないように被覆された高分子薄膜の破損を
防止し、取扱いを容易にするに足るだけの力学的強度物
性を有すれば十分であり、この意味で例えばポリビニル
アルコール、芳香族ポリスルホン、ポリアミド、ポリエ
ーテルエーテルクトン等可能である。とりわけ、中空糸
成型性に秀れ又耐熱性も良好である等種々の利点を有す
る芳香族ポリスルホンが特に好ましいものである。

高分子薄膜成分に関しては、ポリジメチルシロキサン、
ポリジフェニルシロキサン、ポリメチルフェニルシロキ
サン等のポリオルガノシロキサン類及びポリ−４−メチ
ルペンテン−１、ポリテトラフルオロエチレン％フルフ
リルアルコール樹風セルロースアセテート、セルロース
トリアセテート、ポリ−４−ビニルピリジン等種々の高
選択分離透過性を有する高分子を用い得るが、中でもポ
リシロキサン系ポリマーが酸素透過速度定数があらゆる
ポリマーの中で最大であるという意味で適したポリマー
である。

更に、この様な鎖状ポリオルガノシロキサンを架橋触媒
にて３次元架橋して強度物性を向上させたシリコンゴム
は、鎖状ポリオルガノシロキサンよシ成る高分子薄膜よ
シもその強度物性が更に向上している為に、よシ薄膜化
し得るという大きな長所を有しておシ、本発明の目的用
途の主たる１つである酸素富化膜用としては最も適した
ものであるＯ ×１０９以下となる長さとする必要がある０内径が８０
０μｍ未満で、上記パラメータが１．ＯＸ　１０　’を
超える中空ａ維では、中空繊維内の流動抵抗が大きくな
シ、原料空気を供給するファンの消費動力が大きくなり
、経済性の面で劣る。

（作用） 本発明では簡単な構造の膜モジュールであっても低圧力
レベルの操作条件において透過性能の高い中空繊維によ
シ酸素濃度２０〜４０チの富化空気を多量に製造すると
いう効果が得られるが、かかる効果は従来の知見からは
全く予想できないことである。この効果を生ずる理由は
内径が８００μｍ以上の太径の中空繊維を用い、かつ長
さを上述の特定の条件を満足する長さにする事により、
膜を透過する空気の流動抵抗を１次側空気圧力と２次側
空気圧力との差圧に対して無視出来る程度に小さく出来
るため、供給空気ファンの動力を小さく出来、省エネ幼
果を発揮出来たものと推測される０（実施例） 実施例１及び比較例１ 芳香族ポリスルホン（商品ニュープリポリスルボン：Ｐ
−１７００：ユニオン・カーノ（イド社製）の１００重
量部と、ポリビニルピロリドンの１００００重量、それ
らの共通溶媒であるジメチルホルムアミドの５００重量
部に混合溶解し、充分脱泡した後、環状ノズルより吐出
成形し、中空部に水を供給しながら水浴中を通過させな
からジメチルホルムアミドを取り除いて後、乾燥する事
により最終的に芳香族ポリスルホン１００重量部と、ポ
リビニルピロリドン１００重量部が極めて均一に混合さ
れた非多孔性中空糸状膜基材を得九〇 一方、常温硬化型のシリコーンゴム（商品名：シルポッ
ト１８４Ｗ／Ｃ：ダウコーニング社製）と、その１／１
０量の硬化触媒をｎ−ペンタンに溶解して１０重量−の
シリコーン溶解液を調整した０この様に作成した１０重
量係のシリコーン溶液を。

前述の非多孔性中空糸膜状基材の内表面側に、約３　Ｑ
　ｍｊ／ｍｉｎの供給速度で約３分間供給し、その後自
然滴下にて、シリコーン溶液の液抜きをした後空気を１
５ｍ／ｓｅａの線速で約１分間通過させた。

この後、１００℃Ｘ　Ｉ　ＨＲの架橋処理を行い、この
後、６０℃のエタノールに１６時間浸漬して、ポリビニ
ルピロリドンの抽出除去を行った。この様な方法により
、最終的に芳香族ポリスルホンよシ成る多孔性中空糸膜
状基材とその内表面に、内表面の細孔内に実質的に浸透
することがない様に、かつ該中空糸内表面の円周方向、
及び繊維軸方向のいずれにおいても、極めて厚みむらが
なく形成されたシリコーンゴム薄膜とよシ成る内径５０
０Ｉｉｎ、８００ＡＢ１１０００Ｐ１１１２００μｍ、
で長さ１ｍの複合中空光分Ｍ膜を得た。この各中空繊維
膜の多数を集束して両端が開口するようにエポキシ樹脂
で固定し、膜面積が１００ゴのモジュールを作製し、中
空糸外部で且つハウジング内部をルーツプロワ−で吸引
して中空繊維の内径の分離性能及び透過性能に及ぼす影
響を測定した結果を我−１に示す。

また、上記結果をプロットしたものを第１図に示すＯ ｃ−Ｌ２ 上記実施例よりパラメーター「は次のように求められる
。即ち中空繊維外への透過空気量０式として、中空繊維
内の流れは層流状態であり、流動抵抗は０式で示される
。

ｑ＝πｘＤｘＬｘＦｃ　ｘ　（ＰＨ−Ｐｚ　）□■但し
、 ・−ｏ　圧力損失　　　　（Ｋｙ／ｃｒＡ）Ｆｃ　膜の
透過性能　　（Ｎｒｒｆ／ｒｌ−Ｈ−ＫＶｃｔＡ）Ｄ　
中空繊維の内径　（ｍ） Ｌ　中空繊維の長さ　（ｍ） Ｐｌ　　１次圧力　　　　（ＫＶｃ！Ａａｂａ）Ｐｚ　
　２次圧力　　　　（Ｋｙ／ｃ！Ａａｂｓ）μ粘度　　
（ｋｙ／ｍ−Ｓ） Ｕ流速　　（ｍ／Ｓ） ｇｃ　　重力換算係数　　（９，８ｋＰ−ｍ７Ｓ２−Ｋ
ｙ）１次側の供給空気量をＱ　（Ｎｉ／Ｈ）とすればＱ
＝１０ｑ□□■ が好ましい供給量であり、■式に従い空気を供給する。

温度２０℃のときの空気の粘度１８　ｘ　１０−６０−
６ｋｆを０式に代入し、かつ■式と結合すれば■式とな
る。

■式で計算された結果と実施例１及び比較例１で示す表
−１の結果を対比させた場合の修正係数を表−２に示す
。

上記結果より修正係数は０．７３〜０．７７の範囲にあ
シ、平均値として０．７５を採用すると、■式は０式に
置き換える事が出来る。

実施例１及び比較例１で用いた４種類の内径を有する中
空繊維は１次圧力と２次圧力の差に対し、各々表−３の
ようになる。

表−３ 表−３の結果を０式に代入し整理すれば操作条件、中空
繊維の仕様（透過性能、内径、長さ）を考慮したパラメ
ータとして表−４にまとめる事が出来る０ 表−４ （発明の効果） 以上のように本発明方法は膜の透過性能、操作条件等か
ら、中空繊維の内径、長さを選択する事により、空気か
ら酸素富化空気を経済的に製造する事が出来、実用上極
めて有用な方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は中空繊維の内径の流動抵抗を示すグラフである
。 特許出願人　　　株式会社ＦＪワレ 代　理　人　　弁理土木多堅

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 中空繊維外を負圧に保持して空気を中空繊維の内部から
   外部へ選択的に透過させることにより酸素富化された透
   過空気を製造する方法において、該中空繊維として内径
   が８００μｍ以上、かつ透過性能が０．５Ｎｍ＾３／ｍ
   ＾２・Ｈ・Ｋｇ／ｃｍ＾２以上で、しかも下記式を満足
   する中空繊維を用いることを特徴とする酸素富化空気の
   製造法。 Ｌ＾２／Ｄ＾３＜（１．０×１０＾９）／Ｆｃ 但しＦｃ：透過性能（Ｎｍ＾３／ｍ＾２・Ｈ・Ｋｇ／ｃ
   ｍ＾２） Ｄ：中空繊維の内径（ｍ） Ｌ：中空繊維の長さ（ｍ）