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JP2851361B2 - スパイラル型気体分離膜モジュール - Google Patents

スパイラル型気体分離膜モジュール

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JP2851361B2
JP2851361B2 JP8954590A JP8954590A JP2851361B2 JP 2851361 B2 JP2851361 B2 JP 2851361B2 JP 8954590 A JP8954590 A JP 8954590A JP 8954590 A JP8954590 A JP 8954590A JP 2851361 B2 JP2851361 B2 JP 2851361B2
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JP
Japan
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gas
membrane
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JP8954590A
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JPH03288517A (ja
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修美 戸沢
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Nitto Denko Corp
Original Assignee
Nitto Denko Corp
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Publication date
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  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、気体透過速度の異なる種々のガス又は蒸気
を含む気体混合物を分離処理して、気体透過速度の高い
ガスを効率よく透過させるスパイラル型気体分離膜モジ
ュールに関する。
〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕 スパイラル型気体分離膜モジュールは、従来より逆浸
透、限外濾過等の各種水処理用、さらに気体分離用とし
て用いられている。気体分離の場合、気体分離膜を介し
て供給側と透過側に圧力差を発生させることにより、ガ
スあるいは蒸気は該膜を透過し、そして透過ガススペー
サーの内を集気管に向かって流れ、集気管出口より取り
出される。
その際、透過ガススペーサーの気体流動抵抗が十分に
小さい場合は、該気体分離膜の気体透過性能に基づく量
のガスあるいは蒸気を取り出すことができる。しかし、
透過ガススペーサーの気体流動抵抗が高い場合は、集気
管部と膜リーフ先端部の間で透過ガススペーサー内に圧
力分布が生じ、膜リーフ先端部で最も高くなる。この結
果として、供給側と透過側の有効差圧が小さくなり、該
気体分離膜の気体透過性能に基づく量のガスあるいは蒸
気が取り出せなくなる。換言すれば、下記の式で示すモ
ジュール効率が100より小さくなる。
かかるモジュール効率は、ガスあるいは蒸気の気体透
過速度が大きくなるにつれて小さくなる。
気体分離膜はガスあるいは蒸気の気体透過速度の差を
利用して気体混合物を分離するものであるが、スパイラ
ル型気体分離膜モジュールの透過ガススペーサーの気体
流動抵抗が高い場合は、平膜状気体分離膜の分離係数を
十分に発現することができなくなり、結果としてガスあ
るいは蒸気の透過流量速度および濃縮度が低下するとい
う問題があった。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者らは、気体透過速度の異なる種々の気体ある
いは蒸気を含む気体混合物を分離するスパイラル型気体
分離膜モジュールの構造部材、特に使用する透過ガスス
ペーサーの気体流動抵抗による透過ガスあるいは蒸気の
圧力損失に起因するモジュール効率の低下における前記
問題点を解決するために鋭意研究を行った。その結果、
気体流動抵抗に係わる特定の物性値および特定のディメ
ンジョンをもつ透過ガススペーサーを用いることによ
り、効率よく気体透過速度の高いガス種あるいは蒸気種
を透過することができることを見い出して、本発明に至
ったものである。
即ち本発明は、気体混合物を接触させ、該気体混合物
を選択的に透過させてこれを分離するスパイラル型気体
分離膜モジュールにおいて、透過ガススペーサーの気体
流動抵抗に係わる物性値およびその厚さおよび長さとい
うディメンジョンを特定の範囲の値にして、気体透過速
度の高いガスあるいは蒸気を透過ガススペーサー内であ
まり圧力損失を生じさせずに効率よく流動させることが
できるスパイラル型気体分離膜モジュールを提供する。
即ち本発明は、第一に、25℃における気体あるいは蒸
気の透過速度が10m3(STP)/m2・h・atm以下である平
膜状気体分離膜を封筒状膜リーフとし、該膜リーフを供
給ガススペーサーおよび透過ガススペーサーと共に集気
管の回りに巻回してなるスパイラル型膜モジュールにお
いて、該透過ガススペーサーが下記条件(a)、(b)
および(c)を満足し、 (a)下記の式で定義される流体力学的抵抗定数αおよ
びβが、20℃の空気の場合、それぞれα=3×10-2
下、β=1.2以下で、 p=αβ Δp:距離1cm当たりの圧力損失(mmHg/cm) :気体の線速(cm/sec) (b)その厚さが1.7mm以上で、かつ (c)その有効長さが40cm以下である。
かつ、供給側のガス圧力を100〜1100mmHg、集気管部
の透過側ガス圧力を10〜200mmHgとしたとき、25℃にお
ける該モジュールの気体あるいは蒸気のモジュール効率
が80%以上であることを特徴とするスパイラル型気体分
離膜モジュールを提供する。
ここで、上記流体力学的抵抗定数αおよびβが、20℃
の空気の場合、それぞれα=3×10-2以下、好ましくは
2.9×10-2〜7.8×10-8、またβ=1.2以下、好ましくは
1.05〜0.95である。α及びβが上記値を超える場合は、
モジュール効率が80%未満になるという問題がある。
また透過ガススペーサーの厚さは、1.7mm以上、好ま
しくは1.9〜2.4mmであり、また透過ガススペーサーの有
効長さは、40cm以下、好ましくは30〜40cmである。かか
る厚さ及び有効長さが上記の値を満足しない場合は、モ
ジュール効率が80%未満になるため好ましくない。な
お、ここで透過ガススペーサーの有効長さとは、集気管
部と膜リーフ先端部の間の有効膜長さにほぼ該当するス
ペーサーの長さである。
また本発明はさらに、25℃における気体あるいは蒸気
の透過速度が41m3(STP)/m2・h・atm以下である平膜
状気体分離膜を封筒状膜リーフとし、該膜リーフを供給
ガススペーサーおよび透過ガススペーサーと共に集気管
の回りに巻回してなるスパイラル型膜モジュールにおい
て、該透過ガススペーサーが下記条件(a)、(b)お
よび(c)を満足し、 (a)下記の式で定義される流体力学的抵抗定数αおよ
びβが、20℃の空気の場合、それぞれα=3×10-5
下、β=2.0以下で、 Δp=αβ Δp:距離1cm当たりの圧力損失(mmHg/cm) :気体の線速(cm/sec) (b)その厚さが1.1mm以上で、かつ (c)その有効長さが50cm以下である。
かつ、供給側のガス圧力を100〜1100mmHg、集気管部
の透過側ガス圧力を10〜200mmHgとしたとき、25℃にお
ける該モジュールの気体あるいは蒸気のモジュール効率
が60%以上であることを特徴とするスパイラル型気体分
離膜モジュールを提供する。
ここで、上記流体力学的抵抗定数αおよびβが、20℃
の空気の場合、それぞれα=3×10-5以下、好ましくは
2.8×10-5〜1.9×10-7、またβ=2.0以下、好ましくは
1.90〜0.95である。α及びβが上記値を超えると、前記
と同様の理由で好ましくない。
また透過ガススペーサーの厚さは、1.1mm以上、好ま
しくは1.2〜2.0mmであり、1.1未満の場合、前記と同様
の理由ため好ましくない。
また透過ガススペーサーの有効長さは、50cm以下、好
ましくは50〜40cmであり、50cmを超えると前記と同様の
理由で好ましくない。
本発明で用いる透過ガススペーサーは、前記条件を満
たす限り限定されないが、通常ネット状のスペーサーが
使用できる。
本発明において気体とは、常温常圧下で気体であり、
かつ気体混合物中に気体として含まれるものをいい、上
記とは常温常圧下で液体であるが、気体混合物中に気体
として含まれるものをいう。
本発明において用いる気体分離膜は、平膜状であれば
特に限定されず、例えば、多孔質支持膜上に合成樹脂の
非多孔質活性薄膜が形成されてなる選択透過性複合膜、
非多孔質活性薄膜からなる均質膜や、緻密層または活性
緻密層とこれを一体に支持する多孔質層とからなる非対
称膜、非対称膜の緻密層中に非多孔質薄膜が一部しみこ
んで形成されてなる複合膜等が挙げられる。またかかる
気体分離膜を密封した封筒状膜リーフは、一枚もしくは
複数枚用いることができる。
本発明によるスパイラル型気体分離膜モジュールは、
気体あるいは蒸気の気体混合物の分離に用いることがで
きるが、その他に気体分離膜を介して透過側を減圧状態
にしね常温あるいは高温の液体混合物を蒸気として取り
出して分離する、所謂、パーベーパレーション用分離膜
モジュールとしても用いることができ、その使用目的あ
るいは方法に何ら限定されるものではない。
本発明のモジュールは、例えば、25℃における気体あ
るいは蒸気の透過速度が10m3(STP)/m2・h・atm以下
である平膜状気体分離膜を用いた場合は、供給側のガス
圧力を100〜1100mmHg、集気管部の透過側ガス圧力を10
〜200mmHgとしたとき、25℃における該モジュールの気
体あるいは蒸気のモジュール効率を80%以上とすること
ができる。
また、25℃における気体あるいは蒸気の透過速度が41
m3(STP)/m2・h・atm以下である平膜状気体分離膜を
用いた場合は、供給側のガス圧力を100〜1100mmHg、集
気管部の透過側ガス圧力を10〜200mmHgとしたとき、25
℃における該モジュールの気体あるいは蒸気のモジュー
ル効率を60%以上とすることができる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、気体透過速度の極めて高い平膜状気
体分離膜を、そのガスあるいは蒸気透過性能をほとんど
低下させずにスパイラル型気体分離膜モジュールを得る
ことができ、結果として設備費、運転費等が低減できる
という利点がある。
〔実施例〕
以下に実施例により本発明を説明するが、本発明はこ
れら実施例に何ら限定されるものではない。
以下において部及び%は重量部及び重量%を意味す
る。
実施例1 繰り返し単位が、 であるポリイミド(極限粘度〔η〕は0.75dl/g)16%と
ジエチレングリコール16%とを含むN−メチル−2−ピ
ロリドン溶液を用いて、特開昭55−152507号公報に記載
されている方法に従って、常法の相転換法によって、厚
さ200μm、分画分子量80000の異方性構造を有する限外
濾過膜を調整した。
次に、上記ポリイミド限外濾過膜上に架橋シリコーン
樹脂からなる活性薄膜を備えてなる選択透過性複合膜を
得た。
即ち、イソオクタン90部、反応性基としてビニル基を
有する架橋性ポリジメチルシロキサンのプレポリマー10
部及び架橋剤1部からなる溶液を70度で7時間加熱し
て、シリコーン樹脂溶液を調製した後、これをイソオク
タンで希釈して、樹脂濃度4%の溶液とした。該樹脂溶
液を前記ポリイミド限外濾過膜の緻密相上に厚さ70μm
にて均一に塗布した。この塗膜を100℃の温度に加熱し
て塗膜からイソオクタンを蒸発除去させた後、室温で24
時間放置して多孔質膜の緻密層上に、厚さ約3μmの架
橋性シリコーン樹脂からなる活性薄膜を有する選択透過
性複合膜を得た。
このようにして得られた複合膜を、封筒状膜リーフに
し、該膜リーフ6枚を厚さ0.7mmのネット状供給ガスス
ペーサーおよび透過ガススペーサー(α=2.8×10-2
β=1.0、厚さ1.9mm、長さ35cm)と共に集気管の回りに
巻回して、スパイラル型膜モジュールとした。かかるモ
ジュールの径は90mm、長さは1mはであった。
25℃の気体透過速度が10m3(STP)/m2・h・atm以下
の数種のガスあるいは蒸気の該平膜状複合膜での気体透
過速度、そして供給側圧力300mmHg、透過側圧力15mmHg
で測定したモジュールでの気体透過速度、およびモジュ
ール効率を第1表に示す。
比較例1 α=2.8×10-2、β=1.0、厚さ0.48mm、長さ70cmの透
過ガススペーサーを用いた以外は実施例1と同様にし
て、径90mm、長さ1mのスパイラル型膜モジュールを得
た。
実施例1と同様にして測定したモジュールでの気体透
過速度、およびモジュール効率を第1表に示す。
実施例2 実施例1と同様にして、厚さが約4μmの架橋性シリ
コーン樹脂からなる活性薄膜を有する選択透過性複合膜
を得た。かかる複合膜を封筒状膜リーフとし、該膜リー
フ6枚を、厚さ0.7mmのネット状供給ガススペーサーお
よび透過ガススペーサー(α=2.7×10-5、β=1.9、厚
さ1.3mm、長さ46cm)と共に集気管の回りに巻回して、
スパイラル型膜モジュールとした。かかるモジュールの
径は90mm、長さは1mであった。
25℃の気体透過速度が41m3(STP)/m2・h・atm以下
の数種のガスあるいは蒸気の該平膜状複合膜での気体透
過速度、そして供給側圧力300mmHg、透過側圧力15mmHg
で測定したモジュールでの気体透過速度、およびモジュ
ール効率を第2表に示す。
比較例2 α=2.8×10-2、β=1.0、厚さ0.48mm、長さ70cmの透
過ガススペーサーを用いた以外は実施例2と同様にし
て、径90mm、長さ1mのスパイラル型膜モジュールを得
た。
実施例2と同様にして測定したモジュールでの気体透
過速度、およびモジュール効率を第2表に示す。
第1及び第2表より明らかなように、本発明のモジュ
ールはその気体透過速度及びモジュール効率が極めて優
れていることがわかる。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】25℃における気体あるいは蒸気の透過速度
    が10m3(STP)/m2・h・atm以下である平膜状気体分離
    膜を封筒状膜リーフとし、該膜リーフを供給ガススペー
    サー及び透過ガススペーサーと共に集気管の回りに巻回
    してなるスパイラル型膜モジュールにおいて、該透過ガ
    ススペーサーが下記条件(a)、(b)および(c)を
    満足し、 (a)下記の式で定義される流体力学的抵抗定数αおよ
    びβが、20℃の空気の場合、それぞれα=3×10-2
    下、β=1.2以下で、 Δp=αβ Δp:距離1cm当たりの圧力損失(mmHg/cm) :気体の線速(cm/sec) (b)その厚さが1.7mm以上で、かつ (c)その有効長さが40cm以下である。 かつ、供給側のガス圧力を100〜1100mmHg、集気管部の
    透過側ガス圧力を10〜200mmHgとしたとき、25℃におけ
    る該モジュールの気体あるいは蒸気のモジュール効率が
    80%以上であることを特徴とするスパイラル型気体分離
    膜モジュール。
  2. 【請求項2】25℃における気体あるいは蒸気の透過速度
    が41m3(STP)/m2・h・atm以下である平膜状気体分離
    膜を封筒状膜リーフとし、該膜リーフを供給ガススペー
    サーおよび透過ガススペーサーと共に集気管の回りに巻
    回してなるスパイラル型膜モジュールにおいて、該透過
    ガススペーサーが下記条件(a)、(b)および(c)
    を満足し、 (a)下記の式で定義される流体力学的抵抗定数αおよ
    びβが、20℃の空気の場合、それぞれα=3×10-5
    下、β=2.0以下で、 Δp=αβ Δp:距離1cm当たりの圧力損失(mmHg/cm) :気体の線速(cm/sec) (b)その厚さが1.1mm以上で、かつ (c)その有効長さが50cm以下である。 かつ、供給側のガス圧力を100〜1100mmHg、集気管部の
    透過側ガス圧力を10〜200mmHgとしたとき、25℃におけ
    る該モジュールの気体あるいは蒸気のモジュール効率が
    60%以上であることを特徴とするスパイラル型気体分離
    膜モジュール。
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