JP2014024025A - 除湿システムおよび乾燥空気の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より効率的に除湿を行うことができる除湿システムおよび乾燥空気の製造方法を提供する。
【解決手段】除湿システム１は、原料ガス中の水蒸気を中空糸膜で分離し、一次側から乾燥空気を取り出すとともに二次側から湿り空気を取り出すガス分離膜モジュール２０と、原料ガスを昇圧して前記ガス分離膜モジュールに供給する原料ガス供給手段１５と、前記二次側を減圧する減圧手段２５と、前記二次側にパージガスを供給するパージガス供給手段２２とを備える。前記原料ガス供給手段は、原料ガスを２００〜１０００ｋＰａＧに昇圧して供給する。前記減圧手段１５は、一次側のガスの絶対圧をＰ１、二次側のガスの絶対圧をＰ２としたときに、圧力比Ｐ２／Ｐ１が０．０５以下となるように前記二次側を減圧する。
【選択図】図１

Description

本発明は、中空糸膜を利用して原料ガスからそれに含まれている水蒸気を取り除く除湿システムおよび乾燥空気の製造方法に関し、特には、より効率的に除湿を行うことができる除湿システムおよび乾燥空気の製造方法に関する。

中空糸膜型のガス分離膜モジュールを利用して原料ガスの除湿を行うことが従来より提案されている。このようなガス分離膜モジュールは、選択的透過性を備えた複数の中空糸膜が容器内に納められた構造をしており、加圧された原料ガスが中空糸膜の内部に導入される。原料ガス中の水蒸気は中空糸膜を透過して中空糸膜の外側に移動し、一方、除湿された乾燥空気（除湿空気）は、そのまま中空糸膜内を移動して膜の出口より取り出される。また、取り出された乾燥空気の一部は、通常、ガス分離膜モジュールの中空糸膜の外側にパージガスとして戻され、このパージガスによって透過側の水蒸気分圧が下がり除湿効率が向上し中空糸膜を透過した水蒸気は湿り空気としてパージガスと共に排出される。

例えば特許文献１には、中空糸膜を利用した除湿システムに関し、２００ｋＰａＧ未満の圧力で原料ガスを中空糸膜内に供給することが開示されている。

特許４８１０７４８号

上述のように、中空糸膜型のガス分離膜モジュールを用いた除湿においては、乾燥空気の一部がパージガスとしてガス分離膜モジュールに戻されるが、原料ガスの圧力が比較的低い場合には相当量のパージガスが必要となり、高い圧力を必要としない乾燥空気を製造する方法としては比較的大きな除湿エネルギーまたはモジュール本数が必要となる。

そこで本発明の目的は、中空糸膜を利用して原料ガスからそれに含まれている水蒸気を取り除く除湿技術において、より効率的に除湿を行うことができる除湿システムおよび乾燥空気の製造方法を提供することにある。

本発明の一形態によれば下記の除湿システムおよび乾燥空気の製造方法が提供される。
１．原料ガス中の水蒸気を中空糸膜で分離し、一次側から乾燥空気を取り出すとともに二次側から湿り空気として取り出すガス分離膜モジュールと、
原料ガスを昇圧して前記ガス分離膜モジュールに供給する原料ガス供給手段と、
前記二次側を減圧する減圧手段と、
前記二次側にパージガスを供給するパージガス供給手段と、
を備える除湿システムであって、
前記原料ガス供給手段は、原料ガスを２００〜１０００ｋＰａＧに昇圧して供給し、
前記減圧手段は、一次側のガスの絶対圧をＰ１、二次側のガスの絶対圧をＰ２としたときに、圧力比Ｐ２／Ｐ１が０．０５以下となるように前記二次側を減圧する、
除湿システム。

なお、本明細書においては、「乾燥空気」および「除湿空気」という用語を用いているが、これらの用語はいずれも、原料ガスから一定量の水蒸気を除去することにより得られた空気を意味している。これらの用語の区別が本願発明を何ら限定するものでないことに留意されたい。一方、「湿り空気」とは、分離膜の二次側に取り出された、水蒸気を多く含む空気のことをいう。

このような構成によれば、膜の一次側での昇圧だけではなく、減圧手段によって膜の二次側を減圧しており、具体的には、一次側と二次側との圧力比が０．０５以下となるように減圧することで、一次側のみを昇圧し二次側は減圧しない構成と比較してより効率的な除湿（乾燥空気の製造）が可能となる。

２．前記パージガス供給手段は、前記ガス分離膜モジュールの一次側のガスの一部を二次側に供給するものであって、パージ率が２０％以下となるようにパージガスを供給する、
上記１に記載の除湿システム。

乾燥空気の一部を二次側にパージガスとして供給する構成において、パージ率が高いということは、その分、乾燥空気の回収率が低下することを意味する。よって、パージ率を２０％以下とすることは乾燥空気の回収率を低下させない点で好ましい。

３．原料ガス中の水蒸気を中空糸膜で分離し、一次側から乾燥空気を取り出すとともに二次側から湿り空気として取り出すガス分離膜モジュールと、
原料ガスを昇圧して前記分離膜モジュールに供給する原料ガス供給手段と、
前記二次側を減圧する減圧手段と、
前記二次側にパージガスを供給するパージガス供給手段と、
を備える除湿システムを用いた乾燥空気の製造方法であって、
前記原料ガス昇圧手段で、原料ガスを２００〜１０００ｋＰａＧに昇圧して供給するステップと、
前記減圧手段で、一次側のガスの絶体圧をＰ１、二次側のガスの絶対圧をＰ２としたときに、圧力比Ｐ２／Ｐ１が０．０５以下となるように前記二次側を減圧するステップと、
を有する乾燥空気の製造方法。

４．前記パージガス供給手段は、前記ガス分離膜モジュールの一次側のガスの一部を二次側に供給するものであって、
前記パージガス供給手段で、パージ率が２０％以下となるようにパージガスを供給するステップをさらに有する、
上記３に記載の乾燥空気の製造方法。

５．原料ガスを供給する前記ステップにおいては、前記原料ガスを３００ｋＰａＧ以上に昇圧する、上記３または４に記載の乾燥空気の製造方法。

本発明によれば、上述のように、より効率的に除湿を行うことができる除湿システムおよび乾燥空気の製造方法を提供することができる。

本発明の一形態の除湿システムの構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１の除湿システム１は、ガス分離膜モジュール２０の中空糸膜に原料ガスを供給し、該中空糸膜の透過側（二次側）に水蒸気を透過させ、供給側（一次側）から除湿されたガスを取り出すシステムである。なお、原料ガスとしては、窒素、酸素、二酸化炭素など分離膜で除湿しうる気体であればどのようなものでも構わないが、以下の説明では、原料ガスとして空気を供給する例について説明する。

除湿システム１は、ガス分離膜モジュール２０の一次側に接続された供給ライン１１と、その供給ライン１１上に配置されたコンプレッサ１５とを備えている。コンプレッサ１５よりも下流側にはドレインセパレータ１２が配置され、さらに、供給ライン１１内のガスの流量、温度、および圧力を測定するための計器３１ａ、３１ｂ、３１ｃが配置されている。

流量を測定する計器３１ａとしては、例えばフローメータ式もしくは容量式の流量測定器を利用可能であり、温度を測定する計器３１ｂとしては、例えば熱電対式もしくは抵抗式の温度測定器を利用可能であり、圧力を計測計器３１ｃとしては、例えばベローズ式もしくはブルドン管式の圧力測定器を利用可能である。なお、プロセスの状況等に応じて、これらの計器３１ａ〜３１ｂの一部のみを使用するようにしてもよい。

コンプレッサ１５は、一例として、ガスをゲージ圧で２００ｋＰａＧ以上１０００ｋＰａＧ以下の範囲で昇圧する性能を備えていることが好ましい。原料ガスの供給圧力の下限は２００ｋＰａＧ以上であることが好ましく、２５０ｋＰａＧ以上もしくは３００ｋＰａＧ以上であってもよい。原料ガスの供給圧力の上限は１０００ｋＰａＧ以下であることが好ましく、９００ｋＰａＧ以下、８００ｋＰａＧ以下もしくは７００ｋＰａＧ以下であってもよい。

ガス分離膜モジュール２０は、いわゆるボアフィードタイプとシェルフィードタイプのいずれであっても構わない。ガス分離膜モジュール２０自体は従来公知のものを利用可能であり、例えば、数百本から数十万本からなる中空糸膜の束（中空糸束）と、それを収容する容器と、中空糸束の一端または両端部に形成された管板等を備えるものであってもよい。ボアフィードタイプの場合、各中空糸膜の一方の開口部から原料ガスが中空糸膜の中空内に送り込まれ、水蒸気が選択的に膜を透過して透過側（二次側）に送出される。

中空糸膜としては、その膜厚は１０〜５００μｍで外径は５０〜２０００μｍ程度ものであってもよい。ガス分離膜は、均質性でもよく、複合膜や非対称膜などの不均一性でもよく、また微多孔性でも非多孔性でもよい。中空糸膜は、例えば、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリカーボネート、シリコーン樹脂、セルロース系ポリマーなどのポリマー材料、ゼオライトなどのセラミックス材料などで形成されたものを挙げることができる。

中空糸束の形態としては、平行配列、交叉配列、織物状などが挙げられる。また中空糸束は略中心部に芯管を備えていてもよいし、中空糸束の外周部にフィルムが巻き付けられていてもよい。また、中空糸束は、円柱状、平板状、角柱状等の形態としてもよい。また、中空糸束は、ストレートの形態に限らず、Ｕ字状に折り曲げた形態などであってもよい。

除湿システム１に使用されるガス分離膜モジュール２０の本数は特に限定されるものではなく、１本または複数本のいずれであってもよい。

図１に示すように、ガス分離膜モジュール２０には、一次側ライン２１と二次側ライン２３とが接続されている。一次側ライン２１は、除湿された乾燥空気を取り出すためのラインであり、二次側ライン２３は中空糸膜を透過した湿り空気を送出するためのラインである。

一次側ライン２１の途中にはパージガスライン２２が接続されており、このパージガスライン２２を通じて乾燥空気の一部がパージガスとしてガス分離膜モジュール２０の二次側に戻されるように構成されている。パージガスライン２２に設けられた調整弁３２ａと、一次側ライン２１に設けられた調整弁３２ｂとを操作することにより、乾燥空気の流量およびパージガスの流量を調整することができる。図１では、一次側ライン２１に、該ライン内のガス濃度および／または流量を測定する計器３１ｄが配置されている。当然ながら、ガスの温度や圧力を測定するための他の計器が配置されていてもよい。計器３１ｄとしては露点計であっても構わない。

二次側ライン２３には、二次側を減圧するための減圧装置２５が設けられている。減圧装置２５としては、ブロア、エゼクター、または真空ポンプなどを利用できる。図１では、二次側ライン２３に、該ライン内のガスの圧力、流量を測定する計器３１ｅ、３１ｆが配置されている。当然ながら、ガスの温度を測定するための他の計器が配置されていてもよい。

除湿システム１は制御部３０を備えており、この制御部３０により、コンプレッサ１５および減圧装置２５の動作が制御される。制御部３０は、また、パージガスの流量を変えるための上記調整弁３２ａ、３２ｂの少なくとも一方の動作を制御する。制御部３０は、ＣＰＵおよび記憶部等を有し所定の制御プログラムにより所定の動作を実行するものであってもよい。制御部３０は、各計器３１ａ〜３１ｆからの情報の少なくとも１つに基づいて所定の判定ステップを実行し、その判定結果に基づいてコンプレッサ１５等に所定の動作を行わせるステップを実行する。

上述のように構成された本実施形態の除湿システム１においては、コンプレッサ１５および減圧装置２５を駆動させ中空糸膜の一次側と二次側とで圧力差を生じさせた状態で、ガス分離膜モジュール２０に加圧空気を供給する。加圧空気が中空糸膜を通過する間に、その中の水蒸気が選択的に中空糸膜を透過して二次側ライン２３へと送り出され、一方で、除湿された乾燥空気（製品空気）が一次側ライン２１から取り出される。

乾燥空気の大気圧露点は、製品に要求されるレベルに応じて適宜変更されるものであるが、例えば、−２０℃以下、−４０℃以下、または−６０℃以下であってもよい。除湿システム１で得られたこのような低露点の乾燥空気は、産業用機器や医療用機器をはじめとして種々の分野で利用される。

原料ガスの供給圧力Ｐ１と、二次側の圧力（透過圧力）Ｐ２と、除湿効率との関係等を調べるために行った実施例および比較例について以下説明する。なお、以下の記載における「露点」とは大気圧露点のことをいう。

（実施例）
表１および表２は、実施例の実施条件および実施結果を示す表である。原料ガスとしては、供給圧力における４０℃の水蒸気飽和空気を、結露を防止するために４５℃に加温して用いた。実施例ではいずれも、一次側を昇圧するとともに二次側を減圧した。実施例１−１〜１−４（単に「実施例１」ともいう）は、供給圧力が７００ｋＰａＧで除湿空気の露点が−４０℃であり、圧力比（詳細下記）を０．００５〜０．０５０の範囲内としたものである。実施例２−１は、基本的には実施例１と同条件であるが除湿空気の露点を−６０℃としたものである。実施例３−１〜３−４（単に「実施例３」ともいう）は、基本的には実施例１と同条件であるが供給圧力を３００ｋＰａＧとしたものである。実施例４−１（単に「実施例４」ともいう）は、供給圧力を３００ｋＰａＧ、除湿空気の露点を−６０℃としたものである。表２に示す実施例５−１〜５−２（単に「実施例５」ともいう）、６−１〜６−２（単に「実施例６」ともいう）は、それぞれ供給圧力を９００、２００ｋＰａＧ、除湿空気の露点を−４０℃としたものである。

（比較例）
比較例１−１〜１−５および比較例２−１〜２−５は原料ガスの供給圧力を２００ｋＰａＧ〜９００ｋＰａＧとしているが、二次側は減圧していない。比較例１−ａ、２−ａ、３−ａ、４−ａは一次側を昇圧するとともに二次側を減圧し、圧力比（詳細下記）を０．０７５としたものである。比較例１−１〜１−５は露点が−４０℃であり、比較例２−１〜２−５（単に「比較例２」ともいう）は露点が−６０℃である。比較例３−ａ、４−ａ（単に「比較例３」、「比較例４」ともいう）は露点がそれぞれ−４０℃、−６０℃である。

なお、本実施例において、
「供給圧力」は、ガス分離膜モジュールに供給する原料ガスの圧力（ゲージ圧）である。
「透過圧力」は、膜の二次側におけるガスの圧力（ゲージ圧）である。
「圧力比（Ｐ２／Ｐ１）」は、透過圧力の絶対圧（Ｐ２）を供給圧力の絶対圧（Ｐ１）で割った比率である。

「供給空気大気圧露点」は原料ガスの大気圧露点である。
「除湿空気大気圧露点」は乾燥空気の大気圧露点である。
「除湿空気流量（Ｎｍ^３／ｈ）」は一次側ラインで取り出される乾燥空気の流量である。
「除湿エネルギー（ｋＷ／Ｎｍ^３）」は単位体積当たり除湿に必要なエネルギーである。
「除湿空気流量増加率（％）」は、実施例の除湿空気流量と、それに対応する比較例の除湿空気流量との比率（増加率）を示すものあり、例えば、実施例１−２の「１３６（％）」であれば、（３２．３−１３．７）／１３．７×１００という計算式によって算出される。
「除湿エネルギー削減率（％）」は、当該実施例の除湿エネルギーと、それに対応する比較例の除湿エネルギーとの比率（増加率）である。

表１の実施例１、３に示すように、露点が−４０℃の乾燥空気を製造する場合、供給圧力（７００ｋＰａＧ、３００ｋＰａＧ）に対して圧力比が０．０５０以下となるように二次側を減圧することで、いずれの実施例においても除湿空気量の増加が見られ、また、除湿エネルギーの削減も達成されていた。

透過圧力のゲージ圧に着目すると、例えば実施例１および３の場合において、透過圧力は−６０〜−１００ｋＰａＧの範囲内であることが好ましい。なお、Ｐ２／Ｐ１圧力比を０．００５未満（例えば０．００１）とするには透過圧力を著しく低減させる必要があり、高出力の減圧手段が必要となる。従って、Ｐ２／Ｐ１圧力比の下限は０．００５以上であることが好ましい。

また、実施例２、４に示すように、露点が−６０℃の乾燥空気を製造する場合も、供給圧力（７００ｋＰａＧ、３００ｋＰａＧ）に対して圧力比が例えば０．０５０となるように二次側を減圧することで、いずれの実施例においても除湿空気量の増加が見られ、また、除湿エネルギーも削減された。

以上のとおり、本発明の方法およびシステムによれば従来の方法およびシステムと比較してより効率良く乾燥空気を生成することができた。

１ 除湿システム
１１ 供給ライン
１２ ドレインセパレータ
１５ コンプレッサ
２０ ガス分離膜モジュール
２１ 一次側ライン
２２ パージガスライン
２３ 二次側ライン
２５ 減圧装置
３０ 制御部
３１ａ〜３１ｆ 計器
３２ａ、３２ｂ 調整弁

Claims (5)

1. 原料ガス中の水蒸気を中空糸膜で分離し、一次側から乾燥空気を取り出すとともに二次側から湿り空気を取り出すガス分離膜モジュールと、
   原料ガスを昇圧して前記ガス分離膜モジュールに供給する原料ガス供給手段と、
   前記二次側を減圧する減圧手段と、
   前記二次側にパージガスを供給するパージガス供給手段と、
   を備える除湿システムであって、
   前記原料ガス供給手段は、原料ガスを２００〜１０００ｋＰａＧに昇圧して供給し、
   前記減圧手段は、一次側のガスの絶対圧をＰ１、二次側のガスの絶対圧をＰ２としたときに、圧力比Ｐ２／Ｐ１が０．０５以下となるように前記二次側を減圧する、
   除湿システム。
2. 前記パージガス供給手段は、前記ガス分離膜モジュールの一次側のガスの一部を二次側に供給するものであって、パージ率が２０％以下となるようにパージガスを供給する、
   請求項１に記載の除湿システム。
3. 原料ガス中の水蒸気を中空糸膜で分離し、一次側から乾燥空気を取り出すとともに二次側から湿り空気を取り出すガス分離膜モジュールと、
   原料ガスを昇圧して前記分離膜モジュールに供給する原料ガス供給手段と、
   前記二次側を減圧する減圧手段と、
   前記二次側にパージガスを供給するパージガス供給手段と、
   を備える除湿システムを用いた乾燥空気の製造方法であって、
   前記原料ガス昇圧手段で、原料ガスを２００〜１０００ｋＰａＧに昇圧して供給するステップと、
   前記減圧手段で、一次側のガスの絶体圧をＰ１、二次側のガスの絶対圧をＰ２としたときに、圧力比Ｐ２／Ｐ１が０．０５以下となるように前記二次側を減圧するステップと、
   を有する乾燥空気の製造方法。
4. 前記パージガス供給手段は、前記ガス分離膜モジュールの一次側のガスの一部を二次側に供給するものであって、
   前記パージガス供給手段で、パージ率が２０％以下となるようにパージガスを供給するステップをさらに有する、
   請求項３に記載の乾燥空気の製造方法。
5. 原料ガスを供給する前記ステップにおいては、前記原料ガスを３００ｋＰａＧ以上に昇圧する、請求項３または４に記載の乾燥空気の製造方法。

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