空気から酸素富化空気を分離回収する方法、および、気体分離膜モジュール
【課題】 本発明は、簡便な構造のスパイラル型気体分離膜モジュールを用いて空気から酸素富化空気を分離効率よく分離回収する方法、および、その方法に好適に用いられるスパイラル型気体分離膜モジュールを提供することである。
【解決手段】 透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体と、原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成した気体分離膜モジュールを用い、最大送風量および最大静圧を気体分離膜の有効膜面積で割った値がそれぞれ１００ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下および４０００Ｐａ／ｍ２以下となるような送風手段によって原料気体流路内に空気を流しながら、芯管の中空部を減圧手段によって９５ｋＰａＡ（絶対圧）以下に減圧することによって、芯管の中空部から酸素富化空気を分離回収する。
【解決手段】 透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体と、原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成した気体分離膜モジュールを用い、最大送風量および最大静圧を気体分離膜の有効膜面積で割った値がそれぞれ１００ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下および４０００Ｐａ／ｍ２以下となるような送風手段によって原料気体流路内に空気を流しながら、芯管の中空部を減圧手段によって９５ｋＰａＡ（絶対圧）以下に減圧することによって、芯管の中空部から酸素富化空気を分離回収する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平膜状気体分離膜を芯管の周りに巻回してなるスパイラル型の気体分離膜モジュールを用いて空気から酸素富化空気を分離効率よく分離回収する方法に関し、更に空気から酸素富化空気を分離回収するために好適な簡便な構造からなる気体分離膜モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に平膜状気体分離膜を芯管の周りに巻回してなるスパイラル型の気体分離膜モジュールは、透過気体流路を確保するための透過側スペーサを平膜状気体分離膜で挟んで、芯管の中空部に透過気体流路が連通するように芯管に気体分離膜を接着し、供給気体流路となる供給側スペーサと共に芯管の周りに巻回して構成されている。
このようなスパイラル型の気体分離膜モジュールは構造が簡単であり製造も容易であるが、中空糸型の気体分離膜モジュールなどに比べて分離効率が悪くなりまた分離回収気体の濃度が低くなるために実用上は必ずしも好適に用いられていない。
特許文献１には、空気分離を目的としたスパイラル型の気体分離膜モジュールにおいて、圧力損失による性能低下を防ぐために、透過気体流路の厚みを巻終わりから巻始めにいたる過程で順次厚くすることが開示されている。しかしながら、この分離膜モジュールは加圧した空気を供給して高濃縮窒素を分離回収することを目的としたものである。供給側をおおよそ大気圧とし透過側を減圧にして空気から酸素富化空気を分離回収する方法については記載がない。
気体分離膜モジュールを用いて空気から酸素富化空気を分離回収するときには窒素富化空気の排出を必ず伴う。気体分離膜モジュールに加圧した空気を供給する方法では、透過側でほぼ大気圧の酸素富化空気を得ると同時に非透過側で加圧状態の窒素富化空気を得ることになる。すなわち、加圧法の場合は、結果として併産される窒素富化空気までもあらかじめ供給空気として圧縮しなければならない。空気中の窒素は酸素に比べて４倍程度あるから、この窒素を含む供給空気を圧縮のための動力を考慮すると、加圧法はエネルギー的に極めて非効率で不利である。更に、スパイラル型の気体分離膜モジュールの供給側に圧力をかけるには、分離膜モジュールを供給側、非透過側、透過側の開口を有する耐圧容器内に収納されたものにするか、少なくとも分離膜モジュールの最外殻を相応の耐圧性を持った構造、部材にしなければならない。更に加えて、供給側の圧力を維持するために、気体流路の所定位置にバルブなどの圧力調整手段を付けることが必要になるなど、余分な部品や構造が必要になる。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２６２０２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、スパイラル型の気体分離膜モジュールを用いて空気から酸素富化空気を分離効率よく分離回収する方法、および、空気から酸素富化空気を分離効率よく分離回収する方法に好適に用いることができるスパイラル型の気体分離膜モジュールを提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体と、原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成した気体分離膜モジュールを用い、最大送風量および最大静圧を気体分離膜の有効膜面積で割った値がそれぞれ１００ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下および４０００Ｐａ／ｍ２以下となるような送風手段によって原料気体流路内に空気を流しながら、芯管の中空部を減圧手段によって９５ｋＰａＡ（絶対圧）以下に減圧することによって、芯管の中空部から酸素富化空気を分離回収することを特徴とする空気から酸素富化空気を分離回収する方法や装置に関する。
【０００６】
前記気体分離膜モジュールは、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体を複数組備え、前記複数組の各積層体と原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成した気体分離膜モジュールであることが好ましい。また、前記気体分離膜モジュールの透過側スペーサと供給側スペーサとの厚さの比は、１：２〜１：１０であることが好ましい。
【０００７】
さらに、本発明は、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体を複数組備え、前記複数組の各積層体と原料気体流路となる供給側スペーサとを交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成され、更に供給側スペーサと透過側スペーサとの厚さの比が１：２〜１：１０であるように構成したことを特徴とする、原料気体流路に空気を供給し芯管の中空部を減圧にして前記中空部から酸素富化空気を分離回収するための気体分離膜モジュールに関する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によって、簡便なスパイラル型の気体分離膜モジュールを用いて空気から酸素富化空気を分離効率よく分離回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、簡便な構造を有するスパイラル型の気体分離膜モジュールを用いて空気から酸素富化空気を分離回収する方法について種々検討した結果、スパイラル型の気体分離膜モジュールに、有効膜面積あたり所定量の空気をおおよそ大気圧で供給し、更に気体分離膜の透過側を所定圧に減圧にすることによって、極めて分離効率よく酸素富化空気を分離回収できることを見出して得られたものである。
【００１０】
本発明で用いられる気体分離膜モジュールは、スパイラル型の気体分離膜モジュールであって、具体的には、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体と、原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成されている。
図１は、本発明の気体分離膜モジュールの一例のモジュールを展開したときの断面の概略図を示したものである。芯管１は中空部を有し透過気体を集めてモジュール外へ排出する役割を有する。透過側スペーサ２を２枚の平膜状気体分離膜３の間に挟んで一組とした積層体４、４’が芯管の左右にそれぞれ延びている。各積層体４，４’内には透過側スペーサ２によって透過気体流路が確保され、透過気体流路が芯管１の中空部と連通するように芯管１に取り付けられている。これらの積層体４，４’内の透過側スペーサ２が形成する透過気体流路は、積層体４、４’の周辺端部では接着剤５、５’によって封止されており、芯管１の中空部へ連通する開口部を除いて、平膜状気体分離膜３によって外側の空間とは隔絶されている。これらの積層体４、４’に原料気体流路を確保する供給側スペーサ６、６’を図１のように配置し、これらが交互に重なるように芯管１の周りにスパイラル状に巻回される。この巻回は図１中の矢印で示してある。巻回の最外殻には実質的に気体を透過しない外フィルム７が巻回される。供給側スペーサ６、６’は積層体４、４’や外フィルム７によって芯管１の長手方向の両端部を除いて隔絶される。この結果、原料気体流路は芯管１の長手方向の両端部のみが開口し、また透過気体流路は芯管１の中空部へ連通し、相互に平膜状気体分離膜３を挟んで隔絶された空間を形成している。また、図２は図１の断面を上から眺めたときの概略図である。
【００１１】
本発明の方法および装置においては、原料気体流路の芯管の長手方向の両端部の開口のうち一方の開口から空気を供給して原料気体流路内を流し、他方の開口から排出する。空気が原料気体流路を流れる際、空気が分離膜と接触し、供給側と透過側の圧力差に基づいて空気中の酸素ガスが気体分離膜を選択的に透過する。このために透過気体流路には選択的に透過した酸素ガスの濃度が高くなった酸素富化空気が流れ、芯管の中空部に導かれてモジュール外に排出される。
本発明では原料気体流路に空気を流すために、従来のような圧縮装置で加圧された空気を送る必要はなく、ファン等の簡単な送風装置を使用する。送風手段の能力としては、最大送風量が、気体分離膜の有効膜面積（以下、単に膜面積ということもある。）あたり１００ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下、好ましくは１０ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下、特に好ましくは４ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下であり、且つ最大静圧が気体分離膜の有効膜面積あたり４０００Ｐａ／ｍ２以下、好ましくは６００Ｐａ／ｍ２以下、特に好ましくは１５０Ｐａ／ｍ２以下となるような送風手段を使用する。つまり、送風能力としてあまり強力ではないこのような送風手段によって空気が原料気体流路（供給側スペーサ）内に流されるので、運転時における原料気体流路内での空気の圧力はおおよそ大気圧である。従って、原料気体流路を構成する供給側スペーサは、このような送風手段で送風できる程度に圧力損失が小さい必要がある。すなわち、原料気体通路における圧力損失は、膜面積あたり４０００Ｐａ／ｍ２未満である必要があり、好ましくは６００Ｐａ／ｍ２未満であり、さらに好ましくは１５０Ｐａ／ｍ２未満である。
気体分離膜の有効膜面積あたりの供給空気量が１００ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２且つ静圧が４０００Ｐａ／ｍ２を越えると、送風が所要動力の少ないファンやブロアなどでは賄えなくなり、所要動力の大きいコンプレッサなどを必要とするようになるのでエネルギー的に不利となるから好ましくない。
また、送風量は、分離膜の供給側で酸素分圧が低くり過ぎないように十分な量が必要である。好ましくは供給側の排出空気の酸素濃度が１％以下にならないだけの空気を供給すればよい。
【００１２】
送風手段は、最大静圧が上記のものであれば特に限定はないが、例えばファンやブロアを好適に挙げることができる。これらではおおよそ大気圧の送風が可能である。本発明においては、送風手段は吸引でも押込でもよい。
【００１３】
一方、透過側では、芯管の中空部を減圧手段によって９５ｋＰａＡ以下特に６０ｋＰａＡ以下に減圧することによって芯管の中空部から酸素富化空気を分離回収することができる。減圧手段の能力を示す到達圧力は、小さい方が酸素富化の効果は大きいが、装置も大きくなりがちなので、例えば２０ＰａＡ以上であり、例えば３５ＰａＡでも十分である。
装置としては、所定圧力に減圧できるものであれば特に限定はなく、通常の真空ポンプを好適に用いることができる。真空ポンプを用いた場合には真空ポンプの排出口から酸素富化空気を回収する。
【００１４】
酸素を選択的に透過する気体分離膜モジュールの供給側と透過側とに圧力差を設け空気から酸素富化空気を回収する方法において、加圧法の場合は、前述のとおり、結果として併産される窒素富化空気までもあらかじめ供給空気として圧縮しなければならないからエネルギー的に極めて非効率で不利である。更に、スパイラル型の気体分離膜モジュールの供給側に圧力をかけるには、分離膜モジュールを供給側、非透過側、透過側の開口を有する耐圧容器内に収納されたものにするか、少なくとも分離膜モジュールの最外殻を相応の耐圧性を持った構造、部材にし、更に加えて、供給側の圧力を維持するために、気体流路の所定位置にバルブなどの圧力調整手段を付けることが必要になるなど、余分な部品や構造が必要になる。
【００１５】
一方、おおよそ大気圧になるような圧力で供給側に空気を供給し、透過側を減圧する本発明の方法では、目的とする酸素富化空気のみを減圧すればよいからエネルギー的に極めて効率よく有利である。さらに、分離膜モジュールを供給側、非透過側、透過側の開口を有する耐圧容器内に収納したり、分離膜モジュールの最外殻を相応の耐圧性を持った構造、部材にしたりする必要がなく、供給側の圧力を維持するためのバルブなどの圧力調整手段も必要がなくなるから、スパイラル型分離膜モジュールを極めて簡便な構造として用いることが可能になる。
【００１６】
そして、簡便なスパイラル型の分離膜モジュールを用いて、おおよそ大気圧になるような圧力で供給側に空気を供給し、透過側を減圧する方法では、おおよそ大気圧で供給された空気が流れる気体分離膜モジュールの原料気体流路の抵抗を小さくすることが分離効率を向上させるうえで極めて重要である。もちろん、透過側もより減圧された方が分離効率が向上するので透過気体流路の抵抗も小さくなるような構造が望ましい。
【００１７】
本発明の方法および装置においては、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体を複数組、好ましくは２〜８組程度特に２〜４組備え、前記複数組の各積層体と原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成した気体分離膜モジュールを用いることが好適である。複数組の積層体で構成すると、同じ有効膜面積の１組の積層体だけで巻回した場合に比べて分離効率が向上する。１組の積層体だけで巻回した場合は、積層体中の透過気体流路が芯管の中空部から比較的長い距離を持ち、その全流路を減圧するために圧力損失が生じることになり、分離効率が低下すると考えられる。
【００１８】
さらに、使用する気体分離膜モジュールの透過側スペーサと供給側スペーサとの厚さの比が１：１．５〜１：１０好ましくは１：２〜１：１０特に１：３〜１：９更に１：４〜１：７であることが、分離効率を向上させるうえで特に好適である。これらのスペーサの厚みは透過気体流路と供給気体流路の隙間の大きさを規定するから、本発明においては、おおよそ大気圧で流れる供給気体流路の隙間を減圧状態になる透過気体流路の隙間に対して２〜１０倍特に３〜９倍更に４〜７倍に広げることを意味する。供給側スペーサとの厚さが透過側スペーサの厚さに対して２倍未満であると、分離効率を上げることが難しい。
また供給側スペーサとの厚さが透過側スペーサの厚さに対して１０倍を越えると、分離効率は良好であるが飽和して更に効率が向上しないし、分離膜モジュールとして大型になりコンパクト性が失われる。尚、ここで言うスペーサの厚みは上述のとおり流路隙間を意味するものであり、図１のように供給側スペーサを２枚使用した場合には、スペーサ厚みとしては２枚の合計の厚みである。また、圧力損失等の観点から、供給側スペーサの厚み自体も重要であり、例えば０．６ｍｍ以上、好ましくは０．９ｍｍ以上、さらに好ましくは１．２ｍｍ以上である。またコンパクト性や、分離膜、透過側スペーサ、供給側スペーサなどを積層した状態でスパイラル状に巻回してモジュール化するときの成形性を考慮すると、通常は１０ｍｍ以下が好ましく、さらに５ｍｍ以下が好ましく、特に３ｍｍ以下が好ましい。
【００１９】
本発明の分離膜モジュールは、以上説明した空気から酸素富化空気を分離回収する方法に特に好適に用いられる分離膜モジュールであって、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体を複数組備え、前記複数組の各積層体と原料気体流路となる供給側スペーサとを交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成され、更に供給側スペーサと透過側スペーサとの厚さの比が１：２〜１：１０であるように構成したことを特徴とする気体分離膜モジュールである。
【００２０】
気体分離膜としては、窒素ガスに比べて酸素ガスを選択的に透過する平膜状の膜であれば特に限定はないが、２５℃における酸素ガスの透過速度が１×１０−４ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以上、酸素ガスと窒素ガスとの透過速度比（Ｐ’Ｏ２／Ｐ’Ｎ２）が１．５以上であることが好ましい。例えばポリエチレンテレフタレートやセルロースなどのポリマーからなる不織布からなる支持体にポリエーテルイミドやポリフッ化ビニリデンなどのポリマーからなる多孔質体及びその表面にシリコーンゴムからなる分離層を積層した非対称複合分離膜を好適に挙げることができる。
【００２１】
芯管は、中空部と、中空部と透過気体流路とが連通するために開口部と、中空部から透過気体が排出するための開口部とを有する。中空部と透過気体流路とが連通するために開口部は例えば溝状であってもよく、一列に配列された複数の孔であっても構わない。中空部から透過気体が排出するための開口部も特に限定はないが、通常は芯管の一方又は両方の端部を開口したものである。また芯管は分離膜や透過側スペーサや供給側スペーサをスパイラルに巻回するときの芯棒の役割があるから、適当な強度が必要である。このためポリマーや金属などによって好適に形成される。また特に限定されないが通常は円柱形状が好適に用いられる。
【００２２】
供給側スペーサや透過側スペーサは、供給気体流路や透過気体流路を空間として確保するために用いられるものである。したがって、両側を膜で挟んだときに気体が流れる一定の厚さを持った空間が確保でき得るものであれば特に限定されない。例えば、ポリオレフィンやポリエステルやナイロンなどのポリマーで成形されたメッシュ、連通孔からなる多孔質材料、などを好適に挙げることができる。また、メッシュや多孔質材料の空孔径は、形状を保持できる範囲で、圧力損失が生じないように十分大きいものが好ましい。例えばメッシュでは線径が０．０２〜３ｍｍ程度の糸を用いた編物状や織物状のものが、それらは線径によって空孔が確保されるものであるが、好適に用いられる。
【００２３】
外フィルムは、スパイラルに巻回した最外殻に配置して外部と内部とを隔絶するためのもので、気体を実質的に透過させない例えば厚さが０．１〜３ｍｍ程度のポリエチレンやポリプロピレンやポリエステルやナイロンなどが用いられ、特に片面に粘着材を有したフィルムが好適である。また、筒状のフィルムをスパイラルに巻回した最外殻にかぶせる格好で利用するのもよい。また、本発明の気体分離膜モジュールでは積層体の周囲を封止するために接着剤が使用される。封止や接着のために通常用いられる、例えばポリウレタン系やエポキシ樹脂系などの接着剤が好適に用いられる。
【００２４】
次に、空気から酸素富化空気を分離回収する具体例について図３の模式図によって更に詳しく説明する。
図３において、分離膜モジュール１０の長手方向の一方の端部にファン１１とカバー（ケース）１２が設けられ、実線矢印の方向に空気を吸引している。この吸引量は予め設定されており、分離膜モジュール１０のファン１１が接続された端部とは反対の端部の原料気体流路の開口から、分離膜モジュール１０の有効膜面積あたりの供給量が１００ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下且つ静圧が４０００Ｐａ／ｍ２以下になるようにして空気が供給される。分離膜モジュール１０にファン１１が設けられた側の芯管１の端部は封止されている。
分離膜モジュール１０のファン１１が設けられた側とは反対側の芯管１の端部は真空ポンプ１３と接続されており、圧力計１４で減圧度が測定される。真空ポンプ１３の排出口からは酸素富化空気が破線矢印方向に排出され、必要に応じてバッファータンク１５を経由して分離回収される。
【実施例】
【００２５】
以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２６】
〔参考例１〕
平膜状気体分離膜としてポリエチレンテレフタレート不織布（支持体）にポリエーテルイミド多孔質膜及びその表面にシリコーンゴム分離層を積層した厚さが０．１５ｍｍで、２５℃における酸素ガスの透過速度が８×１０−４ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ、窒素ガスに対する酸素ガスの透過速度比が１．８倍の分離性能を有する非対称複合分離膜、供給側スペーサとして厚さ０．５ｍｍのポリエチレン製成形メッシュ（１枚のみ使用）、透過側スペーサとして厚さ０．５ｍｍのポリエチレンテレフタレート製成形メッシュ、芯管として円柱形であって長さ２９８ｍｍ外径１７．２ｍｍであり内部に内径９．５ｍｍの中空部を該中空部と外部を連通させる内径２．８５ｍｍの１２個の孔を有したＡＢＳ樹脂製で一端が封止され他端が開口したもの、外フィルムとして片面に粘着材を有した厚さ１．５ｍｍのポリエチレン製フィルムを用いて、透過側スペーサを平膜状気体分離膜に挟んで一組とした積層体は１組（幅２６４ｍｍ、芯管からの長さ６５０ｍｍで膜全体の長さは表裏合わせて１３００ｍｍの積層体１枚）とし、その端部を芯管に透過気体通路が芯管の中空部と連通するように取り付け、供給側スペーサを交互に重なるように芯管の周りにスパイラル状に巻回して有効膜面積が０．２ｍ２のスパイラル型の分離膜モジュールを作成した。
この分離膜モジュールを図３に示すようにして酸素富化空気の分離回収を行った。ファンは最大流量が０．９ｍ３／ｍｉｎ、最大静圧が２５Ｐａの能力を有するもの、真空ポンプは排気速度１４Ｌ／ｍｉｎ、到達圧力２４ｋＰａＡのものを用いた。バッファータンクとして内寸で径４２ｍｍ長さ４４０ｍｍの円筒形タンクを用い、バッファータンクを経由して排出される酸素富化空気の流量と酸素濃度とを測定した。流量測定は浮遊式流量計、酸素濃度はジルコニア式酸素濃度計を用いた。
結果を表１に示した。この例は、透過側スペーサと供給側スペーサの厚さの比が１：１であるが、回収されたガスの酸素濃度は２１％であって、酸素富化空気を得ることができなかった。供給側スペーサの厚さが小さいために圧損が大きくなったこと及び供給量が少ないことが酸素富化できなかった原因と考えられた。
【００２７】
〔実施例１〕
供給側スペーサを厚さ１．５ｍｍのポリエチレン製成形メッシュを用いたこと以外は比較例１と同様にして酸素富化空気の分離回収を行った。結果を表１に示した。この例は、透過側スペーサと供給側スペーサの厚さの比が１：３であるが、回収されたガスの酸素濃度は２４％であって、分離効率よく酸素富化空気を得ることができた。
【００２８】
〔実施例２〕
透過側スペーサを平膜状気体分離膜に挟んで一組とした積層体を２組（幅２６４ｍｍ、芯管からの長さ３２５ｍｍで膜全体の長さは表裏合わせて６５０ｍｍの積層体２枚）としたこと以外は実施例１と同様にして酸素富化空気の分離回収を行った。結果を表１に示した。この例は、透過側スペーサと供給側スペーサの厚さの比が１：３で、積層体が２組であるが、回収されたガスの酸素濃度は２５％であって、実施例１よりも更に分離効率よく酸素富化空気を得ることができた。
【００２９】
〔参考例２〕
平膜状気体分離膜としてポリエチレンテレフタレート不織布（支持体）にポリエーテルイミド多孔質膜及びその表面にシリコーンゴム分離層を積層した厚さが０．１５ｍｍで、２５℃における酸素ガスの透過速度が８×１０−４ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ、窒素ガスに対する酸素ガスの透過速度比が１．８倍の分離性能を有する非対称複合分離膜、供給側スペーサとして厚さ０．５ｍｍのポリエチレン製成形メッシュ、透過側スペーサとして厚さ０．５ｍｍのポリエチレンテレフタレート製成形メッシュ、芯管として円柱形であって長さ２９８ｍｍ外径１７．２ｍｍであり内部に内径９．５ｍｍの中空部を該中空部と外部を連通させる内径２．８５ｍｍの１２個の孔を有したＡＢＳ樹脂製で一端が封止され他端が開口したもの、外フィルムとして片面に粘着材を有した厚さ１．５ｍｍのポリエチレン製フィルムを用いて、透過側スペーサを平膜状気体分離膜に挟んで一組とした積層体は２組（幅２６４ｍｍ、芯管からの長さ４２５ｍｍで膜全体の長さは表裏合わせて８５０ｍｍの積層体２枚）とし、その端部を芯管に透過気体通路が芯管の中空部と連通するように取り付け、供給側スペーサを交互に重なるように芯管の周りにスパイラル状に巻回して有効膜面積が０．３ｍ２のスパイラル型の分離膜モジュールを作成した。
この分離膜モジュールを図２に示すようにして酸素富化空気の分離回収を行った。ファンは最大流量が０．９ｍ３／ｍｉｎ、最大静圧が２５Ｐａの能力を有するもの、真空ポンプは排気速度１４Ｌ／ｍｉｎ、到達圧力２４ｋＰａＡのものを用いた。バッファータンクとして内寸で径４２ｍｍ長さ４４０ｍｍ円筒形タンクを用い、バッファータンクを経由して排出される酸素富化空気の流量と酸素濃度とを測定した。流量測定は浮遊式流量計、酸素濃度はジルコニア式酸素濃度計を用いた。
結果を表１に示した。この例は、透過側スペーサと供給側スペーサの厚さの比が１：１であるが、回収されたガスの酸素濃度は２１％であって、酸素富化空気を得ることができなかった。供給側スペーサの厚さが小さいために圧損が大きくなったこと及び供給量が少ないことが酸素富化できなかった原因と考えられた。
【００３０】
〔実施例３〕
供給側スペーサを厚さ１．５ｍｍのポリエチレン製成形メッシュを２枚重ねて使用したこと以外は比較例１と同様にして酸素富化空気の分離回収を行った。結果を表１に示した。この例は、透過側スペーサと供給側スペーサの厚さの比が１：６であるが、回収されたガスの酸素濃度は２６％であって、分離効率よく酸素富化空気を得ることができた。
【００３１】
〔実施例４〕
供給側スペーサを厚さ１．５ｍｍのポリエチレン製成形メッシュを３枚重ねて使用したこと以外は比較例１と同様にして酸素富化空気の分離回収を行った。結果を表１に示した。この例は、透過側スペーサと供給側スペーサの厚さの比が１：９であるが、回収されたガスの酸素濃度は２７％であって、分離効率よく酸素富化空気を得ることができた。
【００３２】
〔実施例５〕
平膜状気体分離膜としてポリエチレンテレフタレート不織布（支持体）にポリエーテルイミド多孔質膜及びその表面にシリコーンゴム分離層を積層した厚さが０．１５ｍｍで、２５℃における酸素ガスの透過速度が１．６×１０−３ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ、窒素ガスに対する酸素ガスの透過速度比が１．８倍の分離性能を有する非対称複合分離膜、供給側スペーサとして厚さ２．２ｍｍのポリエチレン製成型メッシュ、透過側スペーサとして厚さ１．０ｍｍのポリエチレンテレフタレート製成型メッシュ、芯管として円柱形であって長さ２９８ｍｍ外径１７．２ｍｍであり内部に内径９．５ｍｍの中空部を該中空部と外部を連通させる内径２．８５ｍｍの１２個の孔を有したＡＢＳ樹脂製で一端が封止され他端が開口したもの、外フィルムとして片面に粘着材を有した厚さ１．５ｍｍのポリエチレン製フィルムを用いて、透過側スペーサを平膜状気体分離膜に挟んで一組とした積層体は１組（幅２６４ｍｍ、芯管からの長さは４２５ｍｍで膜全体の長さは表裏合わせて８５０ｍｍの積層体１枚）とし、その端部を芯管に透過気体通路が芯管の中空部と連通するように取り付け、供給側スペーサを交互に重なるように芯管の周りにスパイラル状に巻回して有効膜面積が０．１７ｍ２のスパイラル型の分離膜モジュールを作製した。
この分離膜モジュールを用いて、参考例１と同様にして酸素富化空気の分離回収を行った。その結果を表１に示した。この例は透過側スペーサと供給側スペーサの厚さの比が１：２．２である。回収されたガスの酸素濃度は２６％であって、分離効率よく酸素富化空気を得ることができた。
【００３３】
〔実施例６〕
分離膜モジュールは実施例５のものを、ファンは最大流量が０．４ｍ３／ｍｉｎ、最大静圧が９３Ｐａの能力を有するものを用いたこと以外は、参考例１と同様にして酸素富化空気の分離回収を行った。結果を表１に示した。回収されたガスの酸素濃度が２７％であって、分離効率よく酸素富化空気を得ることができた。
【００３４】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、極めて簡便な構造を有し製造が容易なスパイラル型分離膜モジュールと簡便なファンや真空ポンプとを組合せることによって、分離効率よく酸素富化空気を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の気体分離膜モジュールの一例のモジュールを展開したときの断面の概略図である。
【図２】図１の展開したときの断面図を上から眺めたときの概略図である。
【図３】本発明の分離膜モジュールを用いて空気から酸素富化空気を分離回収する方法の具体的な一例を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００３７】
１：芯管
２：透過側スペーサ
３：平膜状気体分離膜
４、４’：透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体
５、５’：接着剤
６、６’：供給側スペーサ（図中では２枚用いたときを示している）
７：外フィルム
１０：分離膜モジュール
１１：ファン
１２：カバー（ケース）
１３：真空ポンプ
１４：圧力計
１５：バッファータンク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平膜状気体分離膜を芯管の周りに巻回してなるスパイラル型の気体分離膜モジュールを用いて空気から酸素富化空気を分離効率よく分離回収する方法に関し、更に空気から酸素富化空気を分離回収するために好適な簡便な構造からなる気体分離膜モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に平膜状気体分離膜を芯管の周りに巻回してなるスパイラル型の気体分離膜モジュールは、透過気体流路を確保するための透過側スペーサを平膜状気体分離膜で挟んで、芯管の中空部に透過気体流路が連通するように芯管に気体分離膜を接着し、供給気体流路となる供給側スペーサと共に芯管の周りに巻回して構成されている。
このようなスパイラル型の気体分離膜モジュールは構造が簡単であり製造も容易であるが、中空糸型の気体分離膜モジュールなどに比べて分離効率が悪くなりまた分離回収気体の濃度が低くなるために実用上は必ずしも好適に用いられていない。
特許文献１には、空気分離を目的としたスパイラル型の気体分離膜モジュールにおいて、圧力損失による性能低下を防ぐために、透過気体流路の厚みを巻終わりから巻始めにいたる過程で順次厚くすることが開示されている。しかしながら、この分離膜モジュールは加圧した空気を供給して高濃縮窒素を分離回収することを目的としたものである。供給側をおおよそ大気圧とし透過側を減圧にして空気から酸素富化空気を分離回収する方法については記載がない。
気体分離膜モジュールを用いて空気から酸素富化空気を分離回収するときには窒素富化空気の排出を必ず伴う。気体分離膜モジュールに加圧した空気を供給する方法では、透過側でほぼ大気圧の酸素富化空気を得ると同時に非透過側で加圧状態の窒素富化空気を得ることになる。すなわち、加圧法の場合は、結果として併産される窒素富化空気までもあらかじめ供給空気として圧縮しなければならない。空気中の窒素は酸素に比べて４倍程度あるから、この窒素を含む供給空気を圧縮のための動力を考慮すると、加圧法はエネルギー的に極めて非効率で不利である。更に、スパイラル型の気体分離膜モジュールの供給側に圧力をかけるには、分離膜モジュールを供給側、非透過側、透過側の開口を有する耐圧容器内に収納されたものにするか、少なくとも分離膜モジュールの最外殻を相応の耐圧性を持った構造、部材にしなければならない。更に加えて、供給側の圧力を維持するために、気体流路の所定位置にバルブなどの圧力調整手段を付けることが必要になるなど、余分な部品や構造が必要になる。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２６２０２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、スパイラル型の気体分離膜モジュールを用いて空気から酸素富化空気を分離効率よく分離回収する方法、および、空気から酸素富化空気を分離効率よく分離回収する方法に好適に用いることができるスパイラル型の気体分離膜モジュールを提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体と、原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成した気体分離膜モジュールを用い、最大送風量および最大静圧を気体分離膜の有効膜面積で割った値がそれぞれ１００ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下および４０００Ｐａ／ｍ２以下となるような送風手段によって原料気体流路内に空気を流しながら、芯管の中空部を減圧手段によって９５ｋＰａＡ（絶対圧）以下に減圧することによって、芯管の中空部から酸素富化空気を分離回収することを特徴とする空気から酸素富化空気を分離回収する方法や装置に関する。
【０００６】
前記気体分離膜モジュールは、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体を複数組備え、前記複数組の各積層体と原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成した気体分離膜モジュールであることが好ましい。また、前記気体分離膜モジュールの透過側スペーサと供給側スペーサとの厚さの比は、１：２〜１：１０であることが好ましい。
【０００７】
さらに、本発明は、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体を複数組備え、前記複数組の各積層体と原料気体流路となる供給側スペーサとを交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成され、更に供給側スペーサと透過側スペーサとの厚さの比が１：２〜１：１０であるように構成したことを特徴とする、原料気体流路に空気を供給し芯管の中空部を減圧にして前記中空部から酸素富化空気を分離回収するための気体分離膜モジュールに関する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によって、簡便なスパイラル型の気体分離膜モジュールを用いて空気から酸素富化空気を分離効率よく分離回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、簡便な構造を有するスパイラル型の気体分離膜モジュールを用いて空気から酸素富化空気を分離回収する方法について種々検討した結果、スパイラル型の気体分離膜モジュールに、有効膜面積あたり所定量の空気をおおよそ大気圧で供給し、更に気体分離膜の透過側を所定圧に減圧にすることによって、極めて分離効率よく酸素富化空気を分離回収できることを見出して得られたものである。
【００１０】
本発明で用いられる気体分離膜モジュールは、スパイラル型の気体分離膜モジュールであって、具体的には、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体と、原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成されている。
図１は、本発明の気体分離膜モジュールの一例のモジュールを展開したときの断面の概略図を示したものである。芯管１は中空部を有し透過気体を集めてモジュール外へ排出する役割を有する。透過側スペーサ２を２枚の平膜状気体分離膜３の間に挟んで一組とした積層体４、４’が芯管の左右にそれぞれ延びている。各積層体４，４’内には透過側スペーサ２によって透過気体流路が確保され、透過気体流路が芯管１の中空部と連通するように芯管１に取り付けられている。これらの積層体４，４’内の透過側スペーサ２が形成する透過気体流路は、積層体４、４’の周辺端部では接着剤５、５’によって封止されており、芯管１の中空部へ連通する開口部を除いて、平膜状気体分離膜３によって外側の空間とは隔絶されている。これらの積層体４、４’に原料気体流路を確保する供給側スペーサ６、６’を図１のように配置し、これらが交互に重なるように芯管１の周りにスパイラル状に巻回される。この巻回は図１中の矢印で示してある。巻回の最外殻には実質的に気体を透過しない外フィルム７が巻回される。供給側スペーサ６、６’は積層体４、４’や外フィルム７によって芯管１の長手方向の両端部を除いて隔絶される。この結果、原料気体流路は芯管１の長手方向の両端部のみが開口し、また透過気体流路は芯管１の中空部へ連通し、相互に平膜状気体分離膜３を挟んで隔絶された空間を形成している。また、図２は図１の断面を上から眺めたときの概略図である。
【００１１】
本発明の方法および装置においては、原料気体流路の芯管の長手方向の両端部の開口のうち一方の開口から空気を供給して原料気体流路内を流し、他方の開口から排出する。空気が原料気体流路を流れる際、空気が分離膜と接触し、供給側と透過側の圧力差に基づいて空気中の酸素ガスが気体分離膜を選択的に透過する。このために透過気体流路には選択的に透過した酸素ガスの濃度が高くなった酸素富化空気が流れ、芯管の中空部に導かれてモジュール外に排出される。
本発明では原料気体流路に空気を流すために、従来のような圧縮装置で加圧された空気を送る必要はなく、ファン等の簡単な送風装置を使用する。送風手段の能力としては、最大送風量が、気体分離膜の有効膜面積（以下、単に膜面積ということもある。）あたり１００ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下、好ましくは１０ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下、特に好ましくは４ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下であり、且つ最大静圧が気体分離膜の有効膜面積あたり４０００Ｐａ／ｍ２以下、好ましくは６００Ｐａ／ｍ２以下、特に好ましくは１５０Ｐａ／ｍ２以下となるような送風手段を使用する。つまり、送風能力としてあまり強力ではないこのような送風手段によって空気が原料気体流路（供給側スペーサ）内に流されるので、運転時における原料気体流路内での空気の圧力はおおよそ大気圧である。従って、原料気体流路を構成する供給側スペーサは、このような送風手段で送風できる程度に圧力損失が小さい必要がある。すなわち、原料気体通路における圧力損失は、膜面積あたり４０００Ｐａ／ｍ２未満である必要があり、好ましくは６００Ｐａ／ｍ２未満であり、さらに好ましくは１５０Ｐａ／ｍ２未満である。
気体分離膜の有効膜面積あたりの供給空気量が１００ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２且つ静圧が４０００Ｐａ／ｍ２を越えると、送風が所要動力の少ないファンやブロアなどでは賄えなくなり、所要動力の大きいコンプレッサなどを必要とするようになるのでエネルギー的に不利となるから好ましくない。
また、送風量は、分離膜の供給側で酸素分圧が低くり過ぎないように十分な量が必要である。好ましくは供給側の排出空気の酸素濃度が１％以下にならないだけの空気を供給すればよい。
【００１２】
送風手段は、最大静圧が上記のものであれば特に限定はないが、例えばファンやブロアを好適に挙げることができる。これらではおおよそ大気圧の送風が可能である。本発明においては、送風手段は吸引でも押込でもよい。
【００１３】
一方、透過側では、芯管の中空部を減圧手段によって９５ｋＰａＡ以下特に６０ｋＰａＡ以下に減圧することによって芯管の中空部から酸素富化空気を分離回収することができる。減圧手段の能力を示す到達圧力は、小さい方が酸素富化の効果は大きいが、装置も大きくなりがちなので、例えば２０ＰａＡ以上であり、例えば３５ＰａＡでも十分である。
装置としては、所定圧力に減圧できるものであれば特に限定はなく、通常の真空ポンプを好適に用いることができる。真空ポンプを用いた場合には真空ポンプの排出口から酸素富化空気を回収する。
【００１４】
酸素を選択的に透過する気体分離膜モジュールの供給側と透過側とに圧力差を設け空気から酸素富化空気を回収する方法において、加圧法の場合は、前述のとおり、結果として併産される窒素富化空気までもあらかじめ供給空気として圧縮しなければならないからエネルギー的に極めて非効率で不利である。更に、スパイラル型の気体分離膜モジュールの供給側に圧力をかけるには、分離膜モジュールを供給側、非透過側、透過側の開口を有する耐圧容器内に収納されたものにするか、少なくとも分離膜モジュールの最外殻を相応の耐圧性を持った構造、部材にし、更に加えて、供給側の圧力を維持するために、気体流路の所定位置にバルブなどの圧力調整手段を付けることが必要になるなど、余分な部品や構造が必要になる。
【００１５】
一方、おおよそ大気圧になるような圧力で供給側に空気を供給し、透過側を減圧する本発明の方法では、目的とする酸素富化空気のみを減圧すればよいからエネルギー的に極めて効率よく有利である。さらに、分離膜モジュールを供給側、非透過側、透過側の開口を有する耐圧容器内に収納したり、分離膜モジュールの最外殻を相応の耐圧性を持った構造、部材にしたりする必要がなく、供給側の圧力を維持するためのバルブなどの圧力調整手段も必要がなくなるから、スパイラル型分離膜モジュールを極めて簡便な構造として用いることが可能になる。
【００１６】
そして、簡便なスパイラル型の分離膜モジュールを用いて、おおよそ大気圧になるような圧力で供給側に空気を供給し、透過側を減圧する方法では、おおよそ大気圧で供給された空気が流れる気体分離膜モジュールの原料気体流路の抵抗を小さくすることが分離効率を向上させるうえで極めて重要である。もちろん、透過側もより減圧された方が分離効率が向上するので透過気体流路の抵抗も小さくなるような構造が望ましい。
【００１７】
本発明の方法および装置においては、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体を複数組、好ましくは２〜８組程度特に２〜４組備え、前記複数組の各積層体と原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成した気体分離膜モジュールを用いることが好適である。複数組の積層体で構成すると、同じ有効膜面積の１組の積層体だけで巻回した場合に比べて分離効率が向上する。１組の積層体だけで巻回した場合は、積層体中の透過気体流路が芯管の中空部から比較的長い距離を持ち、その全流路を減圧するために圧力損失が生じることになり、分離効率が低下すると考えられる。
【００１８】
さらに、使用する気体分離膜モジュールの透過側スペーサと供給側スペーサとの厚さの比が１：１．５〜１：１０好ましくは１：２〜１：１０特に１：３〜１：９更に１：４〜１：７であることが、分離効率を向上させるうえで特に好適である。これらのスペーサの厚みは透過気体流路と供給気体流路の隙間の大きさを規定するから、本発明においては、おおよそ大気圧で流れる供給気体流路の隙間を減圧状態になる透過気体流路の隙間に対して２〜１０倍特に３〜９倍更に４〜７倍に広げることを意味する。供給側スペーサとの厚さが透過側スペーサの厚さに対して２倍未満であると、分離効率を上げることが難しい。
また供給側スペーサとの厚さが透過側スペーサの厚さに対して１０倍を越えると、分離効率は良好であるが飽和して更に効率が向上しないし、分離膜モジュールとして大型になりコンパクト性が失われる。尚、ここで言うスペーサの厚みは上述のとおり流路隙間を意味するものであり、図１のように供給側スペーサを２枚使用した場合には、スペーサ厚みとしては２枚の合計の厚みである。また、圧力損失等の観点から、供給側スペーサの厚み自体も重要であり、例えば０．６ｍｍ以上、好ましくは０．９ｍｍ以上、さらに好ましくは１．２ｍｍ以上である。またコンパクト性や、分離膜、透過側スペーサ、供給側スペーサなどを積層した状態でスパイラル状に巻回してモジュール化するときの成形性を考慮すると、通常は１０ｍｍ以下が好ましく、さらに５ｍｍ以下が好ましく、特に３ｍｍ以下が好ましい。
【００１９】
本発明の分離膜モジュールは、以上説明した空気から酸素富化空気を分離回収する方法に特に好適に用いられる分離膜モジュールであって、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体を複数組備え、前記複数組の各積層体と原料気体流路となる供給側スペーサとを交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成され、更に供給側スペーサと透過側スペーサとの厚さの比が１：２〜１：１０であるように構成したことを特徴とする気体分離膜モジュールである。
【００２０】
気体分離膜としては、窒素ガスに比べて酸素ガスを選択的に透過する平膜状の膜であれば特に限定はないが、２５℃における酸素ガスの透過速度が１×１０−４ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以上、酸素ガスと窒素ガスとの透過速度比（Ｐ’Ｏ２／Ｐ’Ｎ２）が１．５以上であることが好ましい。例えばポリエチレンテレフタレートやセルロースなどのポリマーからなる不織布からなる支持体にポリエーテルイミドやポリフッ化ビニリデンなどのポリマーからなる多孔質体及びその表面にシリコーンゴムからなる分離層を積層した非対称複合分離膜を好適に挙げることができる。
【００２１】
芯管は、中空部と、中空部と透過気体流路とが連通するために開口部と、中空部から透過気体が排出するための開口部とを有する。中空部と透過気体流路とが連通するために開口部は例えば溝状であってもよく、一列に配列された複数の孔であっても構わない。中空部から透過気体が排出するための開口部も特に限定はないが、通常は芯管の一方又は両方の端部を開口したものである。また芯管は分離膜や透過側スペーサや供給側スペーサをスパイラルに巻回するときの芯棒の役割があるから、適当な強度が必要である。このためポリマーや金属などによって好適に形成される。また特に限定されないが通常は円柱形状が好適に用いられる。
【００２２】
供給側スペーサや透過側スペーサは、供給気体流路や透過気体流路を空間として確保するために用いられるものである。したがって、両側を膜で挟んだときに気体が流れる一定の厚さを持った空間が確保でき得るものであれば特に限定されない。例えば、ポリオレフィンやポリエステルやナイロンなどのポリマーで成形されたメッシュ、連通孔からなる多孔質材料、などを好適に挙げることができる。また、メッシュや多孔質材料の空孔径は、形状を保持できる範囲で、圧力損失が生じないように十分大きいものが好ましい。例えばメッシュでは線径が０．０２〜３ｍｍ程度の糸を用いた編物状や織物状のものが、それらは線径によって空孔が確保されるものであるが、好適に用いられる。
【００２３】
外フィルムは、スパイラルに巻回した最外殻に配置して外部と内部とを隔絶するためのもので、気体を実質的に透過させない例えば厚さが０．１〜３ｍｍ程度のポリエチレンやポリプロピレンやポリエステルやナイロンなどが用いられ、特に片面に粘着材を有したフィルムが好適である。また、筒状のフィルムをスパイラルに巻回した最外殻にかぶせる格好で利用するのもよい。また、本発明の気体分離膜モジュールでは積層体の周囲を封止するために接着剤が使用される。封止や接着のために通常用いられる、例えばポリウレタン系やエポキシ樹脂系などの接着剤が好適に用いられる。
【００２４】
次に、空気から酸素富化空気を分離回収する具体例について図３の模式図によって更に詳しく説明する。
図３において、分離膜モジュール１０の長手方向の一方の端部にファン１１とカバー（ケース）１２が設けられ、実線矢印の方向に空気を吸引している。この吸引量は予め設定されており、分離膜モジュール１０のファン１１が接続された端部とは反対の端部の原料気体流路の開口から、分離膜モジュール１０の有効膜面積あたりの供給量が１００ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下且つ静圧が４０００Ｐａ／ｍ２以下になるようにして空気が供給される。分離膜モジュール１０にファン１１が設けられた側の芯管１の端部は封止されている。
分離膜モジュール１０のファン１１が設けられた側とは反対側の芯管１の端部は真空ポンプ１３と接続されており、圧力計１４で減圧度が測定される。真空ポンプ１３の排出口からは酸素富化空気が破線矢印方向に排出され、必要に応じてバッファータンク１５を経由して分離回収される。
【実施例】
【００２５】
以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２６】
〔参考例１〕
平膜状気体分離膜としてポリエチレンテレフタレート不織布（支持体）にポリエーテルイミド多孔質膜及びその表面にシリコーンゴム分離層を積層した厚さが０．１５ｍｍで、２５℃における酸素ガスの透過速度が８×１０−４ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ、窒素ガスに対する酸素ガスの透過速度比が１．８倍の分離性能を有する非対称複合分離膜、供給側スペーサとして厚さ０．５ｍｍのポリエチレン製成形メッシュ（１枚のみ使用）、透過側スペーサとして厚さ０．５ｍｍのポリエチレンテレフタレート製成形メッシュ、芯管として円柱形であって長さ２９８ｍｍ外径１７．２ｍｍであり内部に内径９．５ｍｍの中空部を該中空部と外部を連通させる内径２．８５ｍｍの１２個の孔を有したＡＢＳ樹脂製で一端が封止され他端が開口したもの、外フィルムとして片面に粘着材を有した厚さ１．５ｍｍのポリエチレン製フィルムを用いて、透過側スペーサを平膜状気体分離膜に挟んで一組とした積層体は１組（幅２６４ｍｍ、芯管からの長さ６５０ｍｍで膜全体の長さは表裏合わせて１３００ｍｍの積層体１枚）とし、その端部を芯管に透過気体通路が芯管の中空部と連通するように取り付け、供給側スペーサを交互に重なるように芯管の周りにスパイラル状に巻回して有効膜面積が０．２ｍ２のスパイラル型の分離膜モジュールを作成した。
この分離膜モジュールを図３に示すようにして酸素富化空気の分離回収を行った。ファンは最大流量が０．９ｍ３／ｍｉｎ、最大静圧が２５Ｐａの能力を有するもの、真空ポンプは排気速度１４Ｌ／ｍｉｎ、到達圧力２４ｋＰａＡのものを用いた。バッファータンクとして内寸で径４２ｍｍ長さ４４０ｍｍの円筒形タンクを用い、バッファータンクを経由して排出される酸素富化空気の流量と酸素濃度とを測定した。流量測定は浮遊式流量計、酸素濃度はジルコニア式酸素濃度計を用いた。
結果を表１に示した。この例は、透過側スペーサと供給側スペーサの厚さの比が１：１であるが、回収されたガスの酸素濃度は２１％であって、酸素富化空気を得ることができなかった。供給側スペーサの厚さが小さいために圧損が大きくなったこと及び供給量が少ないことが酸素富化できなかった原因と考えられた。
【００２７】
〔実施例１〕
供給側スペーサを厚さ１．５ｍｍのポリエチレン製成形メッシュを用いたこと以外は比較例１と同様にして酸素富化空気の分離回収を行った。結果を表１に示した。この例は、透過側スペーサと供給側スペーサの厚さの比が１：３であるが、回収されたガスの酸素濃度は２４％であって、分離効率よく酸素富化空気を得ることができた。
【００２８】
〔実施例２〕
透過側スペーサを平膜状気体分離膜に挟んで一組とした積層体を２組（幅２６４ｍｍ、芯管からの長さ３２５ｍｍで膜全体の長さは表裏合わせて６５０ｍｍの積層体２枚）としたこと以外は実施例１と同様にして酸素富化空気の分離回収を行った。結果を表１に示した。この例は、透過側スペーサと供給側スペーサの厚さの比が１：３で、積層体が２組であるが、回収されたガスの酸素濃度は２５％であって、実施例１よりも更に分離効率よく酸素富化空気を得ることができた。
【００２９】
〔参考例２〕
平膜状気体分離膜としてポリエチレンテレフタレート不織布（支持体）にポリエーテルイミド多孔質膜及びその表面にシリコーンゴム分離層を積層した厚さが０．１５ｍｍで、２５℃における酸素ガスの透過速度が８×１０−４ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ、窒素ガスに対する酸素ガスの透過速度比が１．８倍の分離性能を有する非対称複合分離膜、供給側スペーサとして厚さ０．５ｍｍのポリエチレン製成形メッシュ、透過側スペーサとして厚さ０．５ｍｍのポリエチレンテレフタレート製成形メッシュ、芯管として円柱形であって長さ２９８ｍｍ外径１７．２ｍｍであり内部に内径９．５ｍｍの中空部を該中空部と外部を連通させる内径２．８５ｍｍの１２個の孔を有したＡＢＳ樹脂製で一端が封止され他端が開口したもの、外フィルムとして片面に粘着材を有した厚さ１．５ｍｍのポリエチレン製フィルムを用いて、透過側スペーサを平膜状気体分離膜に挟んで一組とした積層体は２組（幅２６４ｍｍ、芯管からの長さ４２５ｍｍで膜全体の長さは表裏合わせて８５０ｍｍの積層体２枚）とし、その端部を芯管に透過気体通路が芯管の中空部と連通するように取り付け、供給側スペーサを交互に重なるように芯管の周りにスパイラル状に巻回して有効膜面積が０．３ｍ２のスパイラル型の分離膜モジュールを作成した。
この分離膜モジュールを図２に示すようにして酸素富化空気の分離回収を行った。ファンは最大流量が０．９ｍ３／ｍｉｎ、最大静圧が２５Ｐａの能力を有するもの、真空ポンプは排気速度１４Ｌ／ｍｉｎ、到達圧力２４ｋＰａＡのものを用いた。バッファータンクとして内寸で径４２ｍｍ長さ４４０ｍｍ円筒形タンクを用い、バッファータンクを経由して排出される酸素富化空気の流量と酸素濃度とを測定した。流量測定は浮遊式流量計、酸素濃度はジルコニア式酸素濃度計を用いた。
結果を表１に示した。この例は、透過側スペーサと供給側スペーサの厚さの比が１：１であるが、回収されたガスの酸素濃度は２１％であって、酸素富化空気を得ることができなかった。供給側スペーサの厚さが小さいために圧損が大きくなったこと及び供給量が少ないことが酸素富化できなかった原因と考えられた。
【００３０】
〔実施例３〕
供給側スペーサを厚さ１．５ｍｍのポリエチレン製成形メッシュを２枚重ねて使用したこと以外は比較例１と同様にして酸素富化空気の分離回収を行った。結果を表１に示した。この例は、透過側スペーサと供給側スペーサの厚さの比が１：６であるが、回収されたガスの酸素濃度は２６％であって、分離効率よく酸素富化空気を得ることができた。
【００３１】
〔実施例４〕
供給側スペーサを厚さ１．５ｍｍのポリエチレン製成形メッシュを３枚重ねて使用したこと以外は比較例１と同様にして酸素富化空気の分離回収を行った。結果を表１に示した。この例は、透過側スペーサと供給側スペーサの厚さの比が１：９であるが、回収されたガスの酸素濃度は２７％であって、分離効率よく酸素富化空気を得ることができた。
【００３２】
〔実施例５〕
平膜状気体分離膜としてポリエチレンテレフタレート不織布（支持体）にポリエーテルイミド多孔質膜及びその表面にシリコーンゴム分離層を積層した厚さが０．１５ｍｍで、２５℃における酸素ガスの透過速度が１．６×１０−３ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ、窒素ガスに対する酸素ガスの透過速度比が１．８倍の分離性能を有する非対称複合分離膜、供給側スペーサとして厚さ２．２ｍｍのポリエチレン製成型メッシュ、透過側スペーサとして厚さ１．０ｍｍのポリエチレンテレフタレート製成型メッシュ、芯管として円柱形であって長さ２９８ｍｍ外径１７．２ｍｍであり内部に内径９．５ｍｍの中空部を該中空部と外部を連通させる内径２．８５ｍｍの１２個の孔を有したＡＢＳ樹脂製で一端が封止され他端が開口したもの、外フィルムとして片面に粘着材を有した厚さ１．５ｍｍのポリエチレン製フィルムを用いて、透過側スペーサを平膜状気体分離膜に挟んで一組とした積層体は１組（幅２６４ｍｍ、芯管からの長さは４２５ｍｍで膜全体の長さは表裏合わせて８５０ｍｍの積層体１枚）とし、その端部を芯管に透過気体通路が芯管の中空部と連通するように取り付け、供給側スペーサを交互に重なるように芯管の周りにスパイラル状に巻回して有効膜面積が０．１７ｍ２のスパイラル型の分離膜モジュールを作製した。
この分離膜モジュールを用いて、参考例１と同様にして酸素富化空気の分離回収を行った。その結果を表１に示した。この例は透過側スペーサと供給側スペーサの厚さの比が１：２．２である。回収されたガスの酸素濃度は２６％であって、分離効率よく酸素富化空気を得ることができた。
【００３３】
〔実施例６〕
分離膜モジュールは実施例５のものを、ファンは最大流量が０．４ｍ３／ｍｉｎ、最大静圧が９３Ｐａの能力を有するものを用いたこと以外は、参考例１と同様にして酸素富化空気の分離回収を行った。結果を表１に示した。回収されたガスの酸素濃度が２７％であって、分離効率よく酸素富化空気を得ることができた。
【００３４】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、極めて簡便な構造を有し製造が容易なスパイラル型分離膜モジュールと簡便なファンや真空ポンプとを組合せることによって、分離効率よく酸素富化空気を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の気体分離膜モジュールの一例のモジュールを展開したときの断面の概略図である。
【図２】図１の展開したときの断面図を上から眺めたときの概略図である。
【図３】本発明の分離膜モジュールを用いて空気から酸素富化空気を分離回収する方法の具体的な一例を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００３７】
１：芯管
２：透過側スペーサ
３：平膜状気体分離膜
４、４’：透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体
５、５’：接着剤
６、６’：供給側スペーサ（図中では２枚用いたときを示している）
７：外フィルム
１０：分離膜モジュール
１１：ファン
１２：カバー（ケース）
１３：真空ポンプ
１４：圧力計
１５：バッファータンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体と、原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成した気体分離膜モジュールを用い、最大送風量および最大静圧を気体分離膜の有効膜面積で割った値がそれぞれ１００ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下および４０００Ｐａ／ｍ２以下となるような送風手段によって原料気体流路内に空気を流しながら、芯管の中空部を減圧手段によって９５ｋＰａＡ以下に減圧することによって、芯管の中空部から酸素富化空気を分離回収することを特徴とする空気から酸素富化空気を分離回収する方法。
【請求項２】
前記気体分離膜モジュールが、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体を複数組備え、前記複数組の各積層体と原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成されることを特徴とする前記請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記気体分離膜モジュールの透過側スペーサと供給側スペーサとの厚さの比が、１：２〜１：１０であることを特徴とする前記請求項１〜２のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体を複数組備え、前記複数組の各積層体と原料気体流路となる供給側スペーサとを交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成され、更に供給側スペーサと透過側スペーサとの厚さの比が１：２〜１：１０である、原料気体流路に空気を供給し芯管の中空部を減圧にして前記中空部から酸素富化空気を分離回収するために使用される気体分離膜モジュール。
【請求項５】
透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体と、原料気体流路となる供給側スペーサとを交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成した気体分離膜モジュールと、最大送風量および最大静圧を前記気体分離膜の有効膜面積で割った値がそれぞれ１００ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下および４０００Ｐａ／ｍ２以下となる前記原料気体流路内に空気を流す送風手段と、前記芯管の中空部を減圧手段によって９５ｋＰａＡ以下に減圧し前記芯管の中空部から酸素富化空気を分離回収する減圧手段とを有する酸素富化空気分離回収装置。
【請求項６】
前記気体分離膜モジュールが、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体を複数組備え、前記複数組の各積層体と原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成されることを特徴とする前記請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記気体分離膜モジュールの透過側スペーサと供給側スペーサとの厚さの比が、１：２〜１：１０であることを特徴とする前記請求項５〜６のいずれかに記載の装置。
【請求項１】
透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体と、原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成した気体分離膜モジュールを用い、最大送風量および最大静圧を気体分離膜の有効膜面積で割った値がそれぞれ１００ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下および４０００Ｐａ／ｍ２以下となるような送風手段によって原料気体流路内に空気を流しながら、芯管の中空部を減圧手段によって９５ｋＰａＡ以下に減圧することによって、芯管の中空部から酸素富化空気を分離回収することを特徴とする空気から酸素富化空気を分離回収する方法。
【請求項２】
前記気体分離膜モジュールが、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体を複数組備え、前記複数組の各積層体と原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成されることを特徴とする前記請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記気体分離膜モジュールの透過側スペーサと供給側スペーサとの厚さの比が、１：２〜１：１０であることを特徴とする前記請求項１〜２のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体を複数組備え、前記複数組の各積層体と原料気体流路となる供給側スペーサとを交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成され、更に供給側スペーサと透過側スペーサとの厚さの比が１：２〜１：１０である、原料気体流路に空気を供給し芯管の中空部を減圧にして前記中空部から酸素富化空気を分離回収するために使用される気体分離膜モジュール。
【請求項５】
透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体と、原料気体流路となる供給側スペーサとを交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成した気体分離膜モジュールと、最大送風量および最大静圧を前記気体分離膜の有効膜面積で割った値がそれぞれ１００ｍ３／ｍｉｎ・ｍ２以下および４０００Ｐａ／ｍ２以下となる前記原料気体流路内に空気を流す送風手段と、前記芯管の中空部を減圧手段によって９５ｋＰａＡ以下に減圧し前記芯管の中空部から酸素富化空気を分離回収する減圧手段とを有する酸素富化空気分離回収装置。
【請求項６】
前記気体分離膜モジュールが、透過気体を集めて排出する芯管の中空部に連通した透過気体流路となる透過側スペーサを２枚の平膜状気体分離膜の間に挟んで一組とした積層体を複数組備え、前記複数組の各積層体と原料気体流路となる供給側スペーサとを、交互に重なるように前記芯管の周りにスパイラル状に巻回して構成されることを特徴とする前記請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記気体分離膜モジュールの透過側スペーサと供給側スペーサとの厚さの比が、１：２〜１：１０であることを特徴とする前記請求項５〜６のいずれかに記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−５８７（Ｐ２０１１−５８７Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８２７４０（Ｐ２０１０−１８２７４０）
【出願日】平成２２年８月１８日（２０１０．８．１８）
【分割の表示】特願２００５−４３７６５（Ｐ２００５−４３７６５）の分割
【原出願日】平成１７年２月２１日（２００５．２．２１）
【出願人】（００００００２０６）宇部興産株式会社 (2,022)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１８日（２０１０．８．１８）
【分割の表示】特願２００５−４３７６５（Ｐ２００５−４３７６５）の分割
【原出願日】平成１７年２月２１日（２００５．２．２１）
【出願人】（００００００２０６）宇部興産株式会社 (2,022)
【Ｆターム（参考）】
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