(57)【要約】【課題】ガス分離膜として無機系多孔質中空糸膜モジュールを密閉容器内に収容したガス分離装置であって、高温で行われるガス分離処理時においてもガス分離膜に破損を生ぜしめないものを提供する。【解決手段】無機系多孔質中空糸膜、好ましくは多孔質セラミックス製中空糸膜よりなるモジュールを形成し、一方の中空糸膜端部を被処理ガス導入口に、また他方の中空糸膜端部を分離残ガス排出口にそれぞれ連結するように密閉容器内に収容し、分離したガスを密閉容器の回収口から取り出すように構成したガス分離装置において、無機系多孔質中空糸膜をスプリングコイル形状に構成して密閉容器内に収容したガス分離装置。【選択図】  図４
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
無機系多孔質中空糸膜よりなるモジュールを形成し、一方の中空糸膜端部を被処理ガス導入口に、また他方の中空糸膜端部を分離残ガス排出口にそれぞれ連結するように密閉容器内に収容し、分離したガスを密閉容器の回収口から取り出すように構成したガス分離装置において、無機系多孔質中空糸膜をスプリングコイル形状に構成して密閉容器内に収容したガス分離装置。
【請求項２】
無機系多孔質中空糸膜が多孔質セラミックス製中空糸膜である請求項１記載のガス分離膜装置。
【請求項３】
膜表面に機能層を担持させたスプリングコイル形状無機系多孔質中空糸膜が用いられた請求項１または２記載のガス分離装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、ガス分離装置に関する。更に詳しくは、ガス分離膜を用いたガス分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種のガス分離膜を用いるガス分離法は、蒸発法や深冷分離法などとは異なり、分離に際して相変化を伴わず、省エネルギーであるなどの特徴を有しており、この方法が適用されるガス分離装置は、被処理ガス導入口、分離残ガス排出口および分離ガス回収口からなる密閉容器内にガス分離膜を収容した構成をとっている。
【０００３】
密閉容器用材料としては、種々の材料が適用可能であるが、一般にはステンレス鋼等の金属が用いられることが多い。一方、ガス分離膜としては、緻密金属管、高分子膜、無機系多孔質膜に機能層を担持させたもの等が用いられている。
【０００４】
この内、無機質多孔質膜に機能層を担持させたガス分離膜は、担持させる機能層の厚さを薄くすることができるため、透過速度や耐熱性を高め、また分離性能を任意に設計できるなどといった特徴を有している。しかるに、直管のガス分離膜の両端を密閉容器に固定したガス分離装置を高温で用いると、ガス分離膜と密閉容器との熱膨張係数の差から生ずる応力によって、ガス分離膜が破損するおそれがある。
【０００５】
ガス分離膜の一端側のみを固定し、吊り下げ状に支持するものなども提案されているが、この場合にあっては、非固定側のガス分離膜端面を無機系接着剤およびロウ材等で封止する必要があり、工程が煩雑になるばかりではなく、封止部が高温に曝されるため信頼性に欠けるなどの問題がみられる。特に、中空糸膜の径を細くし、モジュール１本当りの中空糸膜の使用本数を増した場合、無機系接着剤の粘度が高いため作業性が悪く、さらに接着剤の熱硬化時に接着剤層にクラックを発生するという問題がみられる。
【特許文献１】特開平６−１９１８０２号公報
【特許文献２】特開２００３−１４４８６１号公報
【０００６】
また、多孔質セラミックス製中空糸膜のモジュール化において、中空糸膜、接着剤、モジュールケースの相互間に熱膨張係数に差がみられる場合、ケースの熱膨張および熱収縮により多孔質セラミックス製中空糸膜に応力がかかり、中空糸膜に破損を生ずることがある。
【０００７】
さらに、モジュールケースのみをセラミックス製としかつ熱膨張係数の小さなものを用いた場合には、接着剤の熱膨張に耐えられず、ケースが割れてしまうという場合もみられる。したがって、細径多孔質中空糸膜のモジュール化においては、ケース、多孔質中空糸膜、接着剤各部材の熱膨張係数を同一のものとすることもしくは熱膨張係数の違いによって発生する応力を緩衝することが不可欠となる。
【０００８】
本出願人は先に、ガス分離膜として無機系多孔質中空糸膜モジュールを密閉容器内に収容したガス分離装置であって、高温で行われるガス分離処理時においてもガス分離膜に破損を生ぜしめないものとして、膜表面に機能層を担持させたU字形無機系多孔質中空糸膜よりなるモジュールを形成し、一方の中空糸膜端部を被処理ガス導入口に、また他方の中空糸膜端部を分離残ガス排出口にそれぞれ連結するように密閉容器内に収容し、分離したガスを密閉容器の回収口から取り出すように構成したガス分離装置を提案している。
【特許文献３】特開２００１−２１２４２２号公報
【０００９】
しかしながら、この提案された構成では、片支持タイプとすることにより、熱応力が多孔質セラミックス製中空糸膜にかからない構造がとられてはいるものの、片側にガス導入口と排出口とがあるため、取り合いが難しく、シール構造を複雑なものとしている。
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【００１０】
本考案の目的は、ガス分離膜として無機系多孔質中空糸膜モジュールを密閉容器内に収容したガス分離装置であって、高温で行われるガス分離処理時においてもガス分離膜に破損を生ぜしめないものを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる本考案の目的は、無機系多孔質中空糸膜よりなるモジュールを形成し、一方の中空糸膜端部を被処理ガス導入口に、また他方の中空糸膜端部を分離残ガス排出口にそれぞれ連結するように密閉容器内に収容し、分離したガスを密閉容器の回収口から取り出すように構成したガス分離装置において、無機系多孔質中空糸膜をスプリングコイル形状に構成して密閉容器内に収容したガス分離装置によって達成される。
【考案の効果】
【００１２】
本考案に係るガス分離膜装置は、細径の多孔質セラミックス製中空糸膜を用いたモジュールにおいても、中空糸膜をスプリングコイル形状に形成させた状態でモジュールケースとなる密閉容器内に収容しているので、それを高温でガス分離処理に用いた場合にあっても、容器と中空糸膜との熱膨張係数の差による応力が緩和され、中空糸膜の熱衝撃による破損を有効に防止することができる。また、用途に応じたモジュールケース材および接着剤の選定を可能とする。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１３】
スプリングコイル形状の無機系多孔質中空糸膜、好ましくは多孔質セラミックス製中空糸膜は、例えば図１〜２に示されるような方法によって製造される。多孔質セラミックス製中空糸膜は、高分子物質の有機溶媒溶液中にセラミックス粉末を高充填した紡糸原液(ドープ液)を乾湿式紡糸して製膜した後焼成して得られるが、乾湿式紡糸して製膜された中空糸膜１１を、図１に示されるように両端部側を細径部１２，１２′とし、その中央部を太径部１３とした棒状支持治具１４にスプリングコイル状に巻き付け、室温で一昼夜程度乾燥させ、形状の仮固定化が行われる。仮固定されたスプリングコイル形状の中空糸膜１５は、図２の正面図(a)および平面図(b)に示される如く、そのスプリングコイル形状にマッチした形状の焼成台１６に載せ、所定温度で焼成することにより、多孔質セラミックス製中空糸膜が形成される。
【００１４】
このようにして作製されたスプリングコイル形状の無機系多孔質中空糸膜１を用いたガス分離装置の斜視図は図３に、また中心線縦断面図は図４に示される。スプリング形状の無機系多孔質中空糸膜１は、その両端部分の間隙が接着剤層２，２′によって封止され、モジュールケースとなる密閉容器１０内に収容されてモジュール３を形成する。モジュール化された一方および他方の中空糸膜端部は、それぞれモジュールケース１０の上部および下部に設けられた被処理ガス導入口４および分離残ガス排出口５にそれぞれ連結するように、上部および下部ヘッド７，７′で覆われている。また、下部ヘッド７′には、分離したガスの回収口６が設けられている。なお、上部ヘッド７と下部ヘッド７′とは、ボルト９によるボルト締めで上下が連結されており、モジュール３を固定している。さらに、それぞれのガス流路は、Oリング８，８′で気密化されている。
【００１５】
多孔質セラミックス製中空糸膜としては、一般にAl2O3、Y2O3、MgO、SiO2、Si3N4、ZrO2等の粉末を分散させた高分子物質の有機溶媒溶液を用い、それを乾湿式紡糸して得られる孔径が約0.1〜6μm、好ましくは約0.2〜2mm、外径が約0.5〜4mm、好ましくは約1〜3mm程度、その膜厚が約0.1〜0.5mm、好ましくは約0.15〜0.3mm程度のものが用いられる。その膜表面には機能層を担持させることができ、例えばPdやPd合金あるいはシリカ膜を担持させたものは水素ガス分離膜として、またゼオライトを担持させたものは二酸化炭素分離膜として用いられる。
【００１６】
密閉容器であるモジュールケースとしては、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の無機セラミックス製のものも用いられるが、加工性や価格面から、好ましくはアクリル樹脂、ポリスルホン樹脂等の硬質樹脂製ケースまたは石英ガラス等のガラス製ケースが用いられる。スプリングコイル形状の無機系多孔質中空糸膜は、その両端部分の間隙がエポキシ樹脂、ウレタン樹脂等の低粘度でかつ耐熱、耐久性にすぐれた接着剤２によって、一般に約15〜25mm程度の厚さで封止され、モジュール３を形成する。
【００１７】
ガスの分離は、例えば膜表面にPd金属を担持させたセラミックス多孔質中空糸膜を用いた水素ガス分離装置の場合には、被処理ガスがガス導入口から各多孔質中空糸膜の内管部に導入され、被処理ガス中の水素ガスは、水素ガス分離中空糸膜を選択的に透過して密閉容器内に集められ、ガス回収口から回収されると共に、被処理ガスからの残存水素ガスおよび水素ガス以外のガスからなる分離残ガスはガス排水口から排出される。
【００１８】
水素ガスの分離処理中は、密閉容器および水素ガス分離中空糸膜は約300〜500℃の高温に加熱されるが、水素ガス分離中空糸膜がスプリングコイル形状であるため、容器と水素ガス分離中空糸膜との熱膨張係数の差による応力が緩和され、これによって高温処理時における水素ガス分離中空糸膜の破損が抑制される。
【実施例】
【００１９】
次に、実施例について本考案を説明する。
【００２０】
実施例
内径25mm、外径30mm、長さ180mmのポリスルホン樹脂製ケース内に、スプリングコイル形状の内径2.2mm、外径3.0mmの多孔質アルミナ製中空糸膜を収容し、ケース両端部に厚みが20mm程度となるようにエポキシ樹脂を流し込み、スプリングコイル形状中空糸膜の両端部をそれぞれ固定した。作製されたモジュールについて、
-20℃で1時間
-20℃〜100℃に2分間かけて昇温
100℃で1時間
100℃〜-20℃に2分間かけて降温
を１サイクルとする熱衝撃試験を10サイクル行ったが、多孔質アルミナ製中空糸膜に割れはみられなかった。
【００２１】
比較例
実施例において、スプリングコイル形状中空糸膜の代りに、直線形状中空糸膜の両端部をそれぞれ固定し、作製されたモジュールについて同様の熱衝撃試験を行ったところ、1サイクル行った時点で多孔質アルミナ製中空糸膜に割れがみられた。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】スプリングコイル形状の乾湿式紡糸中空糸膜を形成させた状態を示す斜視図である。
【図２】スプリングコイル形状の乾湿式紡糸中空糸膜を焼成する状態を示す正面図(a)および平面図(b)である。
【図３】スプリングコイル状の無機系多孔質中空糸をモジュールケース内に収容した状態を示す斜視図である。
【図４】本考案に係るガス分離装置の一態様の中心線断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１    無機系多孔質中空糸膜
２    接着剤
３    モジュール
４    被処理ガス導入口
５    分離残ガス排出口
６    分離ガス回収口
７    ヘッド
８    Oリング
９    ボルト
１０  密閉容器(モジュールケース)
【図１】
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【図２】
0003134525.tif 000004
【図３】
0003134525.tif 000005
【図４】
0003134525.tif 000006