(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記中空糸束を包囲する筒状部材と、その筒状部材の端部に設けられたキャップ部材とを有し、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において前記中空糸膜どうしを固定する第１および第２の管板と、
前記第１の管板の外周面と前記ケーシングの内周面との間をシールするシール部材と、  を備え、
前記第１の管板は、その外周面が前記筒状部材の内周面に接着しないように構成され、  前記シール部材は、前記第１の管板と前記ケーシングとの間に１つのみ配置され、かつ、当該管板に設けられた段部と、前記筒状部材の内周面のうち内径が一定である第１の部分とから構成される環状の凹溝内に配置されると共に、前記キャップ部材にも当接して第１の管板とキャップ部材との間もシールする、
ガス分離膜モジュール。
【請求項２】
前記筒状部材には、内径が部分的に小さくなる肉厚部が形成されており、この肉厚部に前記第１の管板が当接することにより、前記第１の管板の前記筒状部材の軸方向内側への移動が防止される、
請求項１に記載のガス分離膜モジュール。
【請求項３】
前記シール部材が、前記環状の凹溝に嵌め込まれる環状の弾性部材である、請求項１または２に記載のガス分離膜モジュール。
【請求項４】
前記キャップ部材と前記第１の管板との間に、混合ガスが供給される混合ガス空間が形成され、
混合ガスを前記第１の管板側から前記中空糸膜内に導入することによりガス分離が行われる、ボアフィードタイプの、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス分離膜モジュール。
【請求項５】
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、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において前記中空糸膜どうしを固定する第１および第２の管板と、を備えるガス分離膜モジュールの製造方法であって、
中空糸束を包囲する筒状部材とその筒状部材の端部に設けられたキャップ部材とを有する前記ケーシングを用意するステップと、
前記ケーシングの内周面のうち、少なくとも、前記第１の管板が接することとなる部分に離型剤を塗布するステップと、
前記ケーシング内の一部に熱硬化性樹脂を充填するステップと、
前記熱硬化性樹脂を硬化させることにより前記第１の管板を形成するステップと、
前記熱硬化性樹脂の硬化後、前記第１の管板の外周面と前記ケーシングの内周面との間にシール部材を設けるステップと、
を含み、
前記シール部材を設けるステップでは、前記第１の管板に設けられた段部と、前記筒状部材の内周面のうち内径が一定である第１の部分とから構成される環状の凹溝内に、前記シール部材がキャップ部材にも当接して管板とキャップ部材との間もシールすることとなるように、前記シール部材を配置することを行う、
ガス分離膜モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、比較的硬化収縮しやすい管板材料を使用する場合であっても、管板周辺のシール性能が十分に確保され、ひいては高温下で良好に使用することが可能なガス分離膜モジュール等に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
ガス分離膜は、一般に、供給されるガスが高温高圧であるほど、ガスの透過速度が大きくなる。したがって、ガス分離膜モジュールを用いる場合には、原料ガスをコンプレッサ等で圧縮してからモジュールに供給することが検討される場合がある。この圧縮されたガスは、場合によっては、１４９℃〜２６０℃程度となることもある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のような高温の混合ガスの分離を行うモジュールの場合、耐熱性を有する管板材料を使用する必要があるが、このような管板材料は、一般に、硬化させる際に硬化収縮しやすく、その結果、管板周辺のシール性能が不十分となりうるという問題がある。本発明はこの点に鑑みてなされたものであって、その目的は、比較的硬化収縮しやすい管板材料を使用する場合であっても、管板周辺のシール性能が十分に確保され、ひいては高温下であっても良好に使用することが可能な分離膜モジュール等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一形態のガス分離膜モジュールは、
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、
前記中空糸束が内部に配置されるケーシングと、
前記中空糸束の少なくとも一方の端部を固定する管板と、を備え、
前記管板の外周面が前記ケーシングの内周面に接着しないように構成されたガス分離膜モジュールであって、
さらに、前記管板の外周面と前記ケーシングの内周面との間をシールするシール部材を備えている。
【０００７】
また、本発明の一形態のガス分離膜モジュールの製造方法は、
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、前記中空糸束が内部に配置されるケーシングと、前記中空糸束の少なくとも一方の端部を固定する管板と、を備えるガス分離膜モジュールの製造方法であって、
前記ケーシングの内周面のうち少なくとも前記管板が接することとなる部分に離型剤を塗布するステップと、
前記ケーシング内の一部に熱硬化性樹脂を充填するステップと、
前記熱硬化性樹脂を硬化させることにより前記管板を形成するステップと、
前記熱硬化性樹脂の硬化後、前記管板の外周面と前記ケーシングの内周面との間にシール部材を設けるステップと、
を含む。
【０００８】
なお、本明細書における用語の定義は下記の通りである。
「高温条件」または「高温」とは、例えば８０℃〜３００℃の範囲内を意図している。
「筒状容器」とは、両端が開口したものに限定されるものではなく、一端のみが開口したものも含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、比較的硬化収縮しやすい管板材料を使用する場合であっても、管板周辺のシール性能が十分に確保され、ひいては高温下であっても良好に使用することが可能なガス分離膜モジュール等が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一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２】図１の一部拡大図である。
【図３】図２のＡ−Ａにおける断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。なお、図２では、一例としてケーシング（詳細下記）の形状がより具体的に示されている。また、下記に説明する構成はあくまで本発明の一例を示すものであり、本発明のガス分離膜モジュールがこれらの構成に限定されることを意図するものではない。
【００１２】
図１、図２に示すガス分離膜モジュール（以下、単にモジュールともいう）１００１は、多数の中空糸膜１０１４が集束された中空糸束１０１５と、それを収容するケーシング１０１０と、中空糸束１０１５の両端部に設けられた管板１０２１、１０２２とを備えている。このモジュール１００１は、一例として、いわゆるボアフィードタイプのものであり、混合ガス（原料ガス）は中空糸膜１０１４の内側に供給される。
【００１３】
中空糸膜１０１４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。
【００１４】
中空糸束１０１５は、例えば１００〜１，０００，０００本程度の中空糸膜１０１４を集束したものである。集束された中空糸束１０１５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１０１４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。
【００１５】
中空糸膜１０１４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１００１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。
【００１６】
管板１０２１、１０２２は、ケーシング１０１０の形状に対応して略円盤状（詳細下記）に形成されており、各中空糸膜１０１４の開口が保持された状態で中空糸束１０１５の端部を固着する。管板は、この例では、中空糸膜どうしの間を密封する役割を果たす。管板は、また、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。以下では、管板が熱硬化性樹脂である例について説明する。
【００１７】
なお、管板１０２１、１０２２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。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態では、ケーシング１０１０と２つの管板１０２１、１０２２とによって１つの密閉空間１０１８（後述するように透過ガス排出口１０１０ｃを有する）が形成され、この密閉空間１０１８内には中空糸膜１０１４を透過した透過ガスが導入される。さらに、ケーシング１０１０および管板１０２１とによって混合ガス空間１０１９ａが形成され、ケーシング１０１０および管板１０２２によって未透過ガス空間１０１９ｂが形成される。
【００１９】
ケーシング１０１０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１０１０は、混合ガスをケーシング１０１０内に導入するための混合ガス入口１０１０ａを上流側（図の左側）に有し、下流側（図の右側）に未透過ガス出口１０１０ｂを有し、側壁部に透過ガス出口１０１０ｃを有している。透過ガス出口１０１０ｃ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１０１０ｃがケーシング１０１０の側壁に沿って等間隔で配置されていてもよい。
【００２０】
混合ガス入口１０１０ａから導入された混合ガスは、管板１０２１の端面から各中空糸膜１０１４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１０１４外へと透過した透過ガスとなり、その透過ガスは密閉空間１０１８内に送り込まれ、次いで、透過ガス出口１０１０ｃ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かった未透過ガスはそのまま中空糸膜１０１４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１０１０ｂを介してケーシング外へと排出される。
【００２１】
なお、混合ガス入口１０１０ａおよび／または未透過ガス出口１０１０ｂは、その中心軸がケーシング１０１０の中心軸（すなわち、中空糸束１０１５の中心軸）と揃うように配置されていてもよい。また、ケーシング１０１０は、図２の例のように、円筒状部材１０１１と、その両端部に取り付けられたキャップ部材１０１２（一方は不図示）を有するものであってもよい。円筒状部材１０１１およびキャップ部材１０１２は一例として金属製であってもよい。
【００２２】
具体的には、円筒状部材１０１１は内径がｄ０の中空の部材であって、その端部には肉厚部１０１１ａ、１０１１ｂが形成されている。第１の肉厚部１０１１ａは円筒状部材１０１１の端面付近に設けられており、この部分の内径は内径ｄ０よりも小さく形成されている。第２の肉厚部１０１１ｂは、第１の肉厚部１０１１ａよりも軸方向内側に設けられており、この部分の内径も内径ｄ０よりも小さく形成されている。肉厚部１０１１ａと肉厚部１０１１ｂとの間の部分の内径は、両肉厚部１０１１ａ、１０１１ｂの内径より大きく、一例としてｄ０であってもよい。
【００２３】
円筒状部材１０１１のこのような構造に対応して、管板１０２１は次のような形状に形成される。すなわち、管板１０２１は、図２に示すように、大きく分けて、直径の異なる３つの部分（外側から順に第１の部分１０２１ａ、第２の部分１０２１ｂ、および第３の部分１０２１ｃ）を有しており、そのうち、中間の部分１０２１ｂの直径が最も大きくなるように設けられている。この例では、第１の部分１０２１ａと第２の部分１０２１ｂとの境界はテーパ面となっている。また、第２の部分１０２１ｂと第３の部分１０２１ｃとの境界はストレート面（円筒状部材の中心軸に直交する方向に拡がる面）となっている。
【００２４】
分離膜モジュール１００１を使用する際、混合ガスの圧力によって、管板１０２１には該管板を円筒状部材１０１１内に押し込む方向の力が加わることとなる。しかしながら、図２のような構成によれば、管板１０２１の一部と肉厚部１０１１ｂとが当接することにより、管板１０２１の移動が規制されるので、管板１０２１が内部に押し込まれることはない。
【００２５】
なお、限定されるものではないが、管板の第２の部分１０２１ｂと第３の部分１０２１ｃとの接続部１０２１ｆにアール形状が設けられていてもよい。これにより、この部分での応力集中が緩和され管板の破損等を防止することができる。
【００２６】
図２の例は、管板１０２１が熱硬化性樹脂であって、硬化収縮により管板１０２１の直径が若干縮まった状態を示している。このような構成の場合、管板１０２１と円筒状部材１０１１との間のシールが十分に確保されなくなるおそれがあるので、本実施形態では、両部材間をシールするための環状のシール部材１０６０が設けられている。
【００２７】
図２に示すように、管板の第１の部分１０２１ａの外周部に環状の段部１０２１ｓが形成されている。この段部１０２１ｓと円筒状部材１０１１の内周面とが協働して、全体して環状の凹溝Ｃ１が形成され、この凹溝Ｃ１に環状のシール部材１０６０が配置されている。
【００２８】
シール部材１０６０は、弾性部材からなる環状のパーツであって、凹溝Ｃ１内に嵌め込まれるもの（例えばＯリングなど）であってもよい。あるいは、シール用の樹脂材料が凹溝Ｃ１内に充填され、その樹脂材料が硬化することによりシール部材として機能するものであってもよい。Ｏリングの断面形状は円形でもよいし楕円形でもよい。「弾性部材からなる環状のパーツ」としては、Ｏリングの他にも、断面形状が略Ｖ型のＶパッキン、略Ｕ型のＵパッキンなどであってもよい。さらに、例えば、矩形、多角形、またはＸ型等の断面形状のものであってもよい。なお、図２の例では、シール部材１０６０は、管板１０２１とケーシング１０１０との間をシールするとともに、管板１０２１とキャップ部材１０１２との間もシールしている。
【００２９】
また、図２に示された構造はあくまで一例であって、本発明を何ら限定するものではない。例えば、管板の第１の部分１０２１ａと第３の部分１０２１ｃとの径が同じであってもよい。あるいは、第１の部分１０２１ａと第３の部分１０２１ｃとで構成されるような管板を用いてもよい。また、第１の部分１０２１ａと第２の部分１０２１ｂとの間の面は、図２のようなテーパ面でなくストレート面であってもよい。同様に、第２の部分１０２１ｂと第３の部分１０２１ｃとの間の面は、図２のようなストレート面でなくテーパ面であってもよい。さらに、シール部材１０６０が管板１０２１とケーシング１０１０とキャップ部材１０１２との間をシールしているが、管板１０２１とケーシング１０１０との間のシール部材とは別個に、ケーシング１０１０とキャップ部材１０１２との間のシール部材を備えていても良い。
【００３０】
図３は、図２のＡ−Ａ線における断面図である。この図に示されているように、円筒状部材１０１１の内周面の２箇所に凹部１０１１ｄ、１０１１ｄが形成されていてもよい。この場合、管板部材がこの凹部１０１１ｄ、１０１１ｄに入り込んで硬化する（詳細下記）こととなり、その結果、管板１０２１の回転を防止することができる。なお、凹部１０１１ｄの数は特に限定されるものではなく、１つのみであってもよいし、３つ以上であってもよい。
【００３１】
以上のような構成のガス分離膜モジュール１００１を製造する方法は、一例として下記のようなものでもよい。すなわち、本実施形態の製造方法は、
（ａ）ケーシングの内周面のうち、少なくとも、管板が接することとなる部分に離型剤を塗布するステップと、
（ｂ）ケーシング内の一部に硬化前の熱硬化性樹脂を充填するステップと、
（ｃ）充填された熱硬化性樹脂を硬化させることにより管板を形成するステップと、
（ｄ）熱硬化性樹脂の硬化後、管板の外周面とケーシングの内周面との間に環状のシール部材を設けるステップと、を含む。
【００３２】
上記（ａ）のステップのように離型剤を塗布することにより、ステップ（ｃ）の硬化工程において管板（一例としてエポキシ樹脂）がケーシング（一例として金属）から良好に離型することとなる。仮に離型剤を用いない場合、樹脂硬化時に管板がケースから離れず、場合によっては管板にクラック等が生じるおそれがありうる。
【００３３】
上記（ｂ）のステップでは、不図示の金型を円筒状部材１０１１の端部に取り付け、その状態で管板樹脂の注入を実施してもよい。この場合、金型が管板の段部１０２１ｓ（図２参照）に対応する環状の凸部を有しており、この凸部によって管板に段部１０２１ｓが形成されるようになっていてもよい。
【００３４】
上記（ｄ）のステップでは、上述のように、例えばＯリングなどの環状弾性部材を凹溝Ｃ１に嵌め込んでもよいし、または、凹溝Ｃ１に樹脂を注入しそれを硬化させることによりシール部材１０６０を形成してもよい。
【００３５】
以上説明したような本実施形態のガス分離膜モジュール１００１によれば、管板１０２１の硬化収縮により管板外周面とケーシング内周面との間のシールが確保されないような場合であっても、別途、シール部材１０６０が設けられているので両部材間のシールを十分に確保することができる。
【００３６】
これは、特に高温で使用されるガス分離膜モジュールの場合に有利である。すなわち、一般的に、硬化収縮しにくい材料は弾性を有しガラス転移温度が低く、耐熱性に乏しい傾向がある。一方で、耐熱性に優れた管板材料は硬化収縮しやすい傾向がある。仮に、このような耐熱性の材料を用い、かつ、管板がケーシングに接着するような構成とした場合、管板材料の硬化収縮によって延伸応力がかかり、管板にクラックが入るおそれがある。これに対して本実施形態によれば、ケーシング内に離型剤を塗布することで管板材料の接着を防止するとともに、環状シール部材によって管板とケーシングとの間のシールを確保している。したがって、管板にクラックが生じることを防止し、かつ、シール性能も十分に確保されたガス分離膜モジュールを提供することができる。
【００３７】
なお、上記説明では２つの管板１０２１、１０２２のうち一方の管板１０２１（図２）について主に説明したが、両方の管板１０２１、１０２２が同様の構成を有していてもよい。あるいは、一方の管板のみに図２のような構造が設けられていてもよい。さらに、本実施形態のような管板、環状シール部材、及びケーシングの構造は、ボアフィード型のモジュールに限らず、シェルフィード型のモジュールにも適用可能であり、その他のタイプのモジュールにも適用可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１００１  ガス分離膜モジュール
１０１０  ケーシング
１０１０ａ  混合ガス入口
１０１０ｂ  未透過ガス出口
１０１０ｃ  透過ガス出口
１０１１  円筒状部材
１０１１ａ、１０１１ｂ  肉厚部
１０１１ｄ  凹部
１０１２  キャップ部材
１０１４  中空糸膜
１０１５  中空糸束
１０１８  密封空間
１０１９ａ  混合ガス空間
１０１９ｂ  未透過ガス空間
１０２１、１０２２  管板
１０２１ｓ  段部
１０６０  シール部材
Ｃ１  環状の凹溝
【図１】
0005825032.tif 000002
【図２】
0005825032.tif 000003
【図３】
0005825032.tif 000004