(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜表面に機能層を担持させたＵ字形の多孔質セラミックス中空糸膜群よりなるモジュールを形成し、その多孔質セラミックス中空糸膜群の一端側をスイープガス導入管に連結してスイープガスを膜内に流通させ、他端側を分離ガス取出管に連通させて、かかるモジュールを気密性を確保して筒体のハウジングに収容し、このハウジング内部に被処理ガス導入管から被処理ガスを導入し、その被処理ガスを多孔質セラミックス中空糸膜の膜外に沿って流通させて機能層に接触させた後排気管からハウジング外部に排気するように構成したガス分離装置であって、
ハウジングの内部に一端部を固定しかつ他端部が開放端となっている仕切板を設けて、この仕切板の開放端である他端部に多孔質セラミックス中空糸膜群のＵターンする湾曲部を跨がせていることを特徴とするガス分離装置。
【請求項２】
仕切板の開放端である他端部に位置決め凹部を設け、この位置決め凹部に多孔質セラミックス中空糸膜群の各湾曲部を跨って係合して固定している請求項１記載のガス分離装置。
【請求項３】
多孔質セラミックス中空糸膜群の各湾曲部を緩衝部材を介して仕切板の位置決め凹部に係合させている請求項２に記載のガス分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス分離装置に関する。さらに詳しくは、膜表面に機能層を担持させたＵ字形の多孔質セラミックス中空糸膜群を用いたガス分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、緻密金属管、高分子膜、無機系多孔質膜などに機能層を担持させたものをガス分離膜として用いるガス分離法および分離装置が周知である。先に本出願人は、無機系多孔質のセラミックス中空糸膜をＵ字形湾曲に成形し、そうした中空糸膜の複数を一群に束ねてモジュール化し、ステンレス鋼を筒形に加工した密閉容器に収容した装置を提案している（特開2001-212422号公報）。ここで用いられる多孔質セラミックス中空糸膜の製造は、高分子物質の有機溶媒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中空糸膜をＵ字形に成形し、その後焼成することによって得られる。そのようにして得た中空糸膜の膜表面に、例えばパラジウム（Pd）やPd合金またはシリカを機能層として担持させたものは水素ガス分離膜として、またゼオライトを機能層として担持させたものは二酸化炭素分離膜として用いられる。
【０００３】
上記ガス分離装置において、密閉容器は一端側を閉塞し他端側を開口した筒形であり、開口端にモジュール支持板を結合して閉塞し、上記Ｕ字形多孔質セラミックス中空糸膜モジュール（以下、単にモジュールという）をそのモジュール支持板に固定して密閉容器の内部に収容している。したがって、Ｕ字形モジュールの一端側から中空糸膜の膜内に被処理ガスを流すことにより、透過させて密閉容器の内部に集めた分離ガスを回収するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
かかるガス分離装置にあっては、次のような点に改良の余地を残している。すなわち、モジュールを収容した密閉容器の内部で分離ガスの圧力が上昇すると、モジュールの中空糸膜内を流通している被処理ガス中の分離ガスの分圧との圧力差がなくなり、ガス分離能力が低下することが考えられるのである。
【０００５】
また、モジュールはそのＵ字形の一端側と他端側をモジュール支持板上に固定されて、Ｕ字形の湾曲部は開放された片持ち支持的な形で密閉容器の内部に収容されているため、装置外部に衝撃力などの外力が働くと、モジュール全体がモジュール支持板上で固定された一端側と他端側を支点にして振動し、湾曲部が振れることにより、モジュールを破損させるおそれがある。
【０００６】
本発明の目的は、中空糸膜内外の圧力差を保持してガス分離能力を高めると共に、衝撃外力による破損などから多孔質セラミックス中空糸膜を有効に保護できるようにしたガス分離装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明にかかるガス分離装置は、膜表面に機能層を担持させたＵ字形の多孔質セラミックス中空糸膜群よりなるモジュールを形成し、その多孔質セラミックス中空糸膜群の一端側をスイープガス導入管に連結してスイープガスを膜内に流通させ、他端側を分離ガス取出管に連通させて、かかるモジュールを気密性を確保して筒体のハウジングに収容し、このハウジング内部に被処理ガス導入管から被処理ガスを導入し、その被処理ガスを多孔質セラミックス中空糸膜の膜外に沿って流通させて機能層に接触させた後排気管からハウジング外部に排気するように構成したものであって、ハウジングの内部に一端部を固定しかつ他端部が開放端となっている仕切板を設けて、この仕切板の開放端である他端部に多孔質セラミックス中空糸膜群のＵターンする湾曲部を跨がせていることを特徴とする。
【０００８】
このガス分離装置は、ハウジング内に設けた仕切板の開放端に多孔質セラミックス中空糸膜群のＵターン湾曲部を跨って固定しているので、その仕切板で被処理ガスが整流されてスイープガスと常に対向流にすることができる。その結果、被処理ガスとスイープガスのそれぞれ分離ガス分圧間に常時圧力差を生じさせることができ、被処理ガス中の分離ガスの回収率を高めることができる。
【０００９】
また、このガス分離装置は、仕切板の開放端である他端部に位置決め凹部を設けて、この位置決め凹部に多孔質セラミックス中空糸膜群の各湾曲部を跨って係合して固定させることができる。
【００１０】
このガス分離装置は、仕切板の開放端に設けた位置決め凹部に多孔質セラミックス中空糸膜群の湾曲部を跨って係合させているので、ハウジングに衝撃外力などが働いて仕切板に振動などが生じた場合でも、その振動で多孔質セラミックス中空糸膜群を破損から防止できる。
【００１１】
さらに、このガス分離装置は、前記多孔質セラミックス中空糸膜群の各湾曲部を緩衝部材を介して仕切板の位置決め凹部に接触させることができる。
【００１２】
このガス分離装置は、多孔質セラミックス中空糸膜群の湾曲部を緩衝部材で被覆保護して仕切板の位置決め凹部に係合させているので、仕切板に生じた振動や衝撃外力をその緩衝部材で有効に吸収して緩衝することで、多孔質セラミックス中空糸膜群を破損防止からさらに有効に保護することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明にかかるガス分離装置の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の基本である第１実施の形態のガス分離装置を示す断面図である。装置本体は筒体の密閉容器としてのハウジング１を備え、このハウジング１の図でいう上部は閉塞された天板部２となっており、下部は開口されてその下部開口縁から鍔状にフランジ３が一体的に結合されている。また、そのフランジ３と同径のフランジ４が単体で備わっており、次に示すモジュール支持板(束着板)５をそれら両フランジ３，４間に挟み込み、ボルト孔３ａ，４ａ，５ａに通した結合ボルト（図示せず）で共締して組み立てるようになっている。
【００１４】
そのように外側から組み立てられるフランジ４には、この場合２本のスイープガス導入管６と１本の分離ガス取出管７が貫通した形で結合されている。また、ハウジング１の天板部２に外側から貫通して１本の被処理ガス導入管８と２本の被処理ガス排気管９が筒体内部に通されている。それら被処理ガス導入管８の管先端８ａおよび被処理ガス排気管９の筒先端９ａはいずれもハウジング１内部の下部に開放されている。
【００１５】
そうしたハウジング１の筒体内に本装置の要部であるＵ字形に湾曲成形された多孔質セラミックス中空糸膜１１の複数本からなるモジュール１０が収容されている。多孔質セラミックス中空糸膜１１はＵ字形を逆さにした形でそれぞれ両端部１１ａ，１１ｂがモジュール支持板５に連結して固定されている。その場合、上記フランジ４の内面側に２つの連絡通気路４ｂとその間に１つの連絡通気路４ｃが形成してあって、多孔質セラミックス中空糸膜１１の一端部１１ａは連絡通気路４ｂを介してスイープガス導入管６に連通し、他端部１１ｂは連絡通気路４ｃを介して分離ガス取り出し管７に連通している。
【００１６】
また、本装置では、ハウジング１の筒体内部の上下高さ方向に立ち上がって筒状仕切板１２が設けられており、この下部端１２ａがモジュール支持板５上に結合され、上部端１２ｂは開放端となっている。モジュール１０を形成している多孔質セラミックス中空糸膜１１は、それらの各湾曲部１１ｃをその仕切板１２の上部端１２ｂに跨がせている。
【００１７】
なお、ハウジング１内部の気密性を確保するために、モジュール支持板５を内外側から挟むフランジ３，４の３つの部材間に、低温で使用する場合にはＯ−リングなどのシール部材１３，１４が、また高温で使用する場合にはＣ−シールや膨張黒鉛などのシール部材１３，１４がそれぞれ装着されている。連絡通気路４ｂ，４ｃ間にも、互いに気密性を確保するために、同様なシール部材１５が装着されている。
【００１８】
以上の構成から、この第１実施の形態のガス分離装置においては、図中白抜き矢印Ｓで示すスイープガスがスイープガス導入管６から連絡通気路４ｂを経てモジュール１０の多孔質セラミックス中空糸膜１１に一端部１１ａから送り込んで流され、中空糸膜内をＵターン一周して他端側１１ｂから分離ガスＳ1として連絡通気路４ｃを経て、分離ガス取出管７から取り出される。
【００１９】
そうしたスイープガスＳの供給と同期して、図中黒色矢印Ｇで示す被処理ガスが被処理ガス導入管８に通され、その管先端８ａからハウジング１の筒体内部に供給され、仕切板１２で仕切られた一方側のハウジング空間に流される。その際、被処理ガスＧは仕切板１２に沿い、かつ多孔質セラミックス中空糸膜１１のそれぞれ膜外に沿って流れ、ハウジング１内部を流通して被処理ガス排気管９の筒基端９ｂから分離ガス(排出ガス)Ｇ1としてハウジング１外部に排気される。
【００２０】
以上から明らかなように、仕切板１２による整流作用によって被処理ガスＧは常に中空糸膜内のスイープガスＳとは対向方向へ流れる。その結果、スイープガスＳ中の分離ガスＳ1分圧と被処理ガスＧ中の分離ガスＧ1分圧との間に常時圧力差が生じることになり、被処理ガスＧから分離ガスＳ1を有効に回収して回収率を高めることができる。
【００２１】
次に、図２および図３は、本発明の第２実施の形態としてハウジング１に対して衝撃外力などが働いた場合にモジュール１０の破損を防止する構造を示している。図１で示された各部材と同一のものには同一符号を付して重複する説明は省く。
【００２２】
この場合、モジュール１０を構成する複数本からなる多孔質セラミックス中空糸膜１１が仕切板１２の上端部１２ｂを跨ぐ部分において、その上部端１２ｂに複数、一般には中空糸膜群に対応する数の位置決め凹部１２ｃ（図３参照）が形成されている。多孔質セラミックス中空糸膜１１のそれぞれ湾曲部１１ｃをその位置決め凹部１２ｃに係合させて跨がせることにより、多孔質セラミックス中空糸膜１１を安定して固定することができる。その結果、ハウジング１に衝撃外力が働いた場合、仕切板１２にブレや振動が生じても、多孔質セラミックス中空糸膜１１が破損するおそれがなくなる。
【００２３】
また、衝撃外力を緩衝してモジュール１０の多孔質セラミックス中空糸膜１１に対する破損防止をさらに有効ならしめるために、図２に示すように、多孔質セラミックス中空糸膜１１の湾曲部１１ｃを、低温で使用する場合にはゴム質やスポンジ材など弾性材料、高温で使用する場合にはガラス繊維やセラミックス繊維などの弾性材料による緩衝部材２０で覆い、この緩衝部材２０を介して仕切板１２上端部の位置決め凹部１２ｃに係合させることにより、仕切板１２からの振動や衝撃力をその緩衝部材２０で有効に吸収して緩衝し、多孔質セラミックス中空糸膜１１を保護することができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明にかかるガス分離装置は、ハウジング内に設けた仕切板の開放端に多孔質セラミックス中空糸膜群のＵターン湾曲部を跨って固定しているので、その仕切板で被処理ガスが整流されてスイープガスと常に対向流とすることができる。その結果、被処理ガスとスイープガスのそれぞれ分離ガス分圧間に常時圧力差を生じさせることができ、被処理ガス中の分離ガスの回収率を高めるのに有効である。
【００２５】
また、このガス分離装置は、仕切板の開放端に設けた位置決め凹部に多孔質セラミックス中空糸膜群の湾曲部を跨って係合させることにより、ハウジングに衝撃外力などが働いて仕切板に振動などが生じた場合でも、その振動で多孔質セラミックス中空糸膜群を破損から防止できる。
【００２６】
さらに、このガス分離装置は、多孔質セラミックス中空糸膜群の湾曲部を緩衝部材で被覆保護して仕切板の位置決め凹部に係合させることにより、仕切板に生じた振動や衝撃外力をその緩衝部材で有効に吸収して緩衝することで、多孔質セラミックス中空糸膜群を破損防止からさらに有効に保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかるガス分離装置の第１実施の形態を示す端面図である。
【図２】  本発明にかかるガス分離装置の第２実施の形態を示す端面図である。
【図３】  同第２実施の形態の要部を拡大して示す端面図である。
【符号の説明】
１                ハウジング
２                天板部
３                フランジ部
４                単体のフランジ
４ｂ，４ｃ        連絡通気路
５                モジュール支持板(束着板)
６                スイープガス導入管
７                分離ガス取出管
８                被処理ガス導入管
８ａ              管先端
９                被処理ガス排気管
９ａ              管先端
９ｂ              管基端
１０              モジュール（Ｕ字形多孔質セラミックス中空糸膜群）
１１              多孔質セラミックス中空糸膜
１１ａ            中空糸膜一端側
１１ｂ            中空糸膜他端側
１１ｃ            湾曲部
１２              仕切板
１２ａ            固定端
１２ｂ            開放端
１２ｃ            位置決め凹部
１３，１４，１５  シール部材
２０              緩衝部材
【図１】
0003758558.tif 000002
【図２】
0003758558.tif 000003
【図３】
0003758558.tif 000004