CN116056778A - 气体分离系统及混合气体的分离方法 - Google Patents

气体分离系统及混合气体的分离方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供适于降低为分离混合气体所必要的能量的气体分离系统。本发明的气体分离系统100具备：将包含二氧化碳及氮的混合气体70分离成第1透过气体80和第1非透过气体81的第1分离膜单元10；将第1透过气体80分离成第2透过气体90和第2非透过气体91的第2分离膜单元20；将第1分离膜单元10的透过侧空间减压的第1减压装置50；和将第2分离膜单元20的透过侧空间减压的第2减压装置52。

Description

气体分离系统及混合气体的分离方法
技术领域
本发明涉及气体分离系统及混合气体的分离方法。
背景技术
在工厂、发电站等中，例如，对使燃料燃烧而得的能量加以利用。通常，若使燃料燃烧，则会产生包含二氧化碳及氮的排出气体。从环境控制等观点考虑，期望从排出气体除去二氧化碳。
作为从包含二氧化碳的混合气体分离二氧化碳的方法，开发了膜分离法。对于膜分离法而言，与使混合气体中所含的二氧化碳吸收于吸收剂而进行分离的吸收法相比，能够在抑制运转成本的同时高效地分离二氧化碳。
在膜分离法中，为了以高精度对混合气体进行分离，有时利用组合了多个分离膜单元的气体分离系统。例如，专利文献1中公开了一种设备，其具备：利用膜分离法对供给流进行分离的供给流分离阶段；及将在供给流分离阶段中得到的第一透过流进一步进行分离的透过物分离阶段。专利文献2中公开了一种气体分离系统，其具备：对混合气体进行分离的第1气体分离膜单元；及，对从第1气体分离膜单元排出的未透过气体进行分离的第2气体分离膜单元。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本特表2018-511472号公报
[专利文献2]日本特开2013-128868号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在以往的气体分离系统中，在对混合气体、尤其是包含二氧化碳及氮的排出气体进行分离的情况下，具有能量的消耗量大的倾向。
为此，本发明的目的在于，提供适于降低为分离混合气体所必要的能量的气体分离系统。
用于解决课题的手段
本申请的发明人进行了深入研究，结果得到了下述新见解：在使被供给至气体分离系统的混合气体大幅升压的情况下，为分离混合气体所必要的能量大幅增加。本申请的发明人基于上述见解推进研究，从而完成了本发明。
本发明提供一种气体分离系统，其具备：
将包含二氧化碳及氮的混合气体分离为第1透过气体和第1非透过气体的第1分离膜单元；
将所述第1透过气体分离为第2透过气体和第2非透过气体的第2分离膜单元；
对所述第1分离膜单元的透过侧空间进行减压的第1减压装置；和
对所述第2分离膜单元的透过侧空间进行减压的第2减压装置。
此外，本发明提供一种混合气体的分离方法，其包括：
将包含二氧化碳及氮的混合气体向第1分离膜单元供给、并对所述第1分离膜单元的透过侧空间进行减压，由此将所述混合气体分离为第1透过气体和第1非透过气体的第1分离工序；
将所述第1透过气体向第2分离膜单元供给、并对所述第2分离膜单元的透过侧空间进行减压，由此将所述第1透过气体分离为第2透过气体和第2非透过气体的第2分离工序。
发明效果
根据本发明，能够提供适于降低为分离混合气体所必要的能量的气体分离系统。
附图说明
[图1]为本发明的一个实施方式涉及的气体分离系统的构成图。
[图2]为示出第1分离膜单元的一例的概略截面图。
[图3]为示出第1分离膜的一例的截面图。
[图4]为示出第2分离膜单元的一例的概略截面图。
[图5]为用于说明关系式(A)的图。
[图6]为示出第1分离膜单元的另一例的概略截面图。
[图7]为示出气体分离系统的另一例的构成图。
[图8]为示出气体分离系统的又一例的构成图。
[图9]为示出第3分离膜单元的一例的概略截面图。
[图10]为以往的气体分离系统的构成图。
[图11]为以往的气体分离系统的构成图。
具体实施方式
以下，对本发明的详情进行说明，但以下说明并非旨在将本发明限制为特定的实施方式。
＜气体分离系统＞
如图1所示，本实施方式的气体分离系统100具备：第1分离膜单元10、第2分离膜单元20、第1减压装置50及第2减压装置52。第1分离膜单元10是使用第1分离膜对包含二氧化碳及氮的混合气体进行膜分离的膜分离装置。第1分离膜单元10所具有的第1分离膜能够将混合气体分离为第1透过气体和第1非透过气体。第2分离膜单元20是使用第2分离膜对从第1分离膜单元10排出的第1透过气体进行膜分离的膜分离装置。第2分离膜单元20所具有的第2分离膜能够将第1透过气体分离为第2透过气体和第2非透过气体。
混合气体例如包含主成分气体及副成分气体。主成分气体是指混合气体以重量比计最多包含的气体。副成分气体是指混合气体中所含的气体之中主成分气体以外的气体。混合气体例如作为主成分气体包含氮、且作为副成分气体包含二氧化碳。作为混合气体的一例，可举出天然气体(城市气体)、丙烷气体等燃料(化石燃料)燃烧所产生的排出气体。但是，混合气体不限于排出气体，也可以是空气。
第1分离膜单元10的第1分离膜例如能够使混合气体中所含的副成分气体、详细而言副成分气体中所含的至少一种气体优先透过。因此，经第1分离膜分离的第1透过气体中的副成分气体的含有率比混合气体高、且主成分气体的含有率比混合气体低。另一方面，第1非透过气体中的副成分气体的含有率比混合气体低、且主成分气体的含有率比混合气体高。需要说明的是，本说明书中，为易于说明，第1透过气体中的“主成分气体”及“副成分气体”的名称基于分离前的混合气体中的含有率来定。例如，在第1透过气体中，即使混合气体中的副成分气体(例如二氧化碳)的含有率比混合气体中的主成分气体(例如氮)的含有率高的情况下，也将混合气体中的副成分气体称为第1透过气体的“副成分气体”，并且，将混合气体中的主成分气体称为第1透过气体的“主成分气体”。
第2分离膜单元20的第2分离膜例如能够使第1透过气体中所含的副成分气体、详细而言副成分气体中所含的至少一种气体优先透过。因此，经第2分离膜分离的第2透过气体中的副成分气体的含有率比第1透过气体高、且主成分气体的含有率比第1透过气体低。另一方面，第2非透过气体中的副成分气体的含有率比第1透过气体低、且主成分气体的含有率比第1透过气体高。需要说明的是，本说明书中，与第1透过气体同样地，第2透过气体及第2非透过气体中的“主成分气体”及“副成分气体”的名称基于由第1分离膜分离前的混合气体中的含有率来定。
第1减压装置50能够对第1分离膜单元10的透过侧空间进行减压。换言之，能够通过第1减压装置50在第1分离膜单元10的供给侧空间与透过侧空间之间产生差压，或者，能够使差压增加。第1减压装置50的具体例为泵。第1减压装置50优选为真空泵等真空装置。真空泵典型而言为气体输送式的真空泵，可举出往复运动式的真空泵、旋转式的真空泵等。作为往复运动式的真空泵，可举出隔膜型、摇动活塞型的真空泵。作为旋转式的真空泵，可举出液封泵；油旋转泵(旋转泵)；机械增压泵；罗茨式、爪式、螺杆式、涡轮式、涡旋式干泵等各种干式泵，等等。作为第1减压装置50的泵也可以具备用于使转速等变化的可变速机构。可变速机构的例子为对泵的电机进行驱动的逆变器。通过用可变速机构对泵的转速等进行控制，由此能够对第1分离膜单元10的透过侧空间的压力适当地进行调节。
第1减压装置50也可以是多个泵的集合体。即，第1减压装置50也可以具有能够通过多个泵的各自来对第1分离膜单元10的透过侧空间进行减压的构成。根据该构成，通过调节工作的泵的数量，能够适当地调节第1分离膜单元10的透过侧空间的压力。
第2减压装置52能够对第2分离膜单元20的透过侧空间进行减压。换言之，能够通过第2减压装置52而在第2分离膜单元20的供给侧空间与透过侧空间之间产生差压、或者使差压增加。第2减压装置52的具体例为泵。第2减压装置52优选为真空泵等真空装置。作为真空泵，能够使用针对第1减压装置50而在上文说明的泵。作为第2减压装置52的泵也可以具有用于使转速等变化的可变速机构。可变速机构的例子是对泵的电机进行驱动的逆变器。通过利用可变速机构控制泵的转速等，由此能够对第2分离膜单元20的透过侧空间的压力适当地进行调节。
第2减压装置52也可以是多个泵的集合体。即，第2减压装置52也可以具有能够通过多个泵的各自来对第2分离膜单元20的透过侧空间进行减压的构成。根据该构成，通过调节工作的泵的数量，能够对第2分离膜单元20的透过侧空间的压力适当地进行调节。
气体分离系统100还具备混合气体供给路径30。混合气体供给路径30是连接于第1分离膜单元10的混合气体入口(入口13a)、用于从贮存混合气体的罐(未图示)等向第1分离膜单元10供给混合气体的路径。混合气体供给路径30可以直接连接于混合气体的产生源，也可以是从该产生源向第1分离膜单元10连续地供给混合气体的构成。在混合气体供给路径30，可以配置对第1分离膜单元10的供给侧空间进行加压的加压装置54，也可以不配置。作为加压装置54，例如，可举出压缩机、送风机及背压阀。加压装置54能够通过使例如被供给至第1分离膜单元10的混合气体升压而对第1分离膜单元10的供给侧空间进行加压。
在混合气体供给路径30，也可以配置用于对混合气体的组成进行测定的气体传感器。该气体传感器例如能够检测混合气体中的二氧化碳的含有率。气体传感器优选配置于第1分离膜单元10的入口13a附近。通过使用气体传感器来对供给至第1分离膜单元10的混合气体的组成进行测定，从而能够适当地设定第1分离膜单元10的运转条件、尤其是第1分离膜单元10的透过侧空间的减压度。
气体分离系统100还具备透过气体供给路径32。透过气体供给路径32是连接于第1分离膜单元10的透过气体出口(出口14a)及第2分离膜单元20的透过气体入口(入口23a)、用于从第1分离膜单元10向第2分离膜单元20供给第1透过气体的路径。在透过气体供给路径32配置有第1减压装置50。
透过气体供给路径32具有：从第1分离膜单元10延伸至第1减压装置50的第1部分32a；和从第1减压装置50延伸至第2分离膜单元20的第2部分32b。第1减压装置50能够通过第1部分32a对第1分离膜单元10的透过侧空间进行减压。第1减压装置50例如抽吸从第1部分32a通过的第1透过气体，并将该第1透过气体向第2部分32b排出。第1减压装置50例如构成为不将从第1部分32a通过的气体向气体分离系统100的外部排出。第1减压装置50例如仅连接于第1部分32a及第2部分32b。在第1减压装置50为多个泵的集合体的情况下，透过气体供给路径32的第1部分32a可以进行分支、连接于多个泵的入口的各自。同样地，透过气体供给路径32的第2部分32b可以进行分支、连接于多个泵的出口的各自。
在第2部分32b，可以配置将从第1减压装置50排出的第1透过气体升压的加压装置(未图示)，也可以不配置。通过该加压装置，能够对第2分离膜单元20的供给侧空间进行加压。作为加压装置，例如，可举出压缩机，送风机及背压阀。在第2部分32b，也可以配置用于测定第1透过气体的组成的气体传感器。该气体传感器例如能够检测第1透过气体中的二氧化碳的含有率。气体传感器优选配置于第2分离膜单元20的入口23a附近。通过使用气体传感器对被供给至第2分离膜单元20的第1透过气体的组成进行测定，从而能够对第2分离膜单元20的运转条件、尤其是第2分离膜单元20的透过侧空间的减压度适当地进行设定。
优选的是，在透过气体供给路径32不配置对第1透过气体进行捕集的捕集器等的罐、进行路径的开闭的开闭阀。特别地，在透过气体供给路径32未配置捕集器的情况下，能够将从第1分离膜单元10排出的第1透过气体连续地向第2分离膜单元20供给。通过这种构成，能够容易地增加每单位时间的混合气体的处理量。作为一例，透过气体供给路径32也可以仅由第1减压装置50及配管构成。
气体分离系统100还具备第1排出路径34。第1排出路径34是连接于第1分离膜单元10的非透过气体出口(出口13b)、用于从第1分离膜单元10排出第1非透过气体的路径。在第1排出路径34，形成有用于从第1排出路径34排出第1非透过气体的开口(排出口42)。气体分离系统100也可以还具备贮存第1非透过气体的罐(未图示)、第1排出路径34连接于该罐。
气体分离系统100还具备第2排出路径36及罐60。第2排出路径36是连接于第2分离膜单元20的透过气体出口(出口24a)及罐60的入口、用于从第2分离膜单元20向罐60输送第2透过气体的路径。罐60能够贮存从第2分离膜单元20输送而来的第2透过气体。在第2排出路径36，配置有第2减压装置52。
第2排出路径36具有：从第2分离膜单元20延伸至第2减压装置52的第1部分36a；和从第2减压装置52延伸至罐60的第2部分36b。第2减压装置52能够通过第1部分36a对第2分离膜单元20的透过侧空间进行减压。第2减压装置52例如抽吸从第1部分36a通过的第2透过气体，并将该第2透过气体向第2部分36b排出。第2减压装置52例如构成为不将从第1部分36a通过的气体向气体分离系统100的外部排出。第2减压装置52例如仅连接于第1部分36a及第2部分36b。在第2减压装置52为多个泵的集合体的情况下，第2排出路径36的第1部分36a也可以进行分支、连接于多个泵的入口的各自。同样地，第2排出路径36的第2部分36b也可以进行分支、连接于多个泵的出口的各自。
气体分离系统100还具备第3排出路径38。第3排出路径38是连接于第2分离膜单元20的非透过气体出口(出口23b)、用于从第2分离膜单元20将第2非透过气体排出的路径。第3排出路径38也可以在合流位置40处与混合气体供给路径30合流。图1中，第3排出路径38连接于加压装置54，在加压装置54中与混合气体供给路径30合流。通过第3排出路径38与混合气体供给路径30合流，由此例如，能够对包含未被第2分离膜单元20完全分离的副成分气体的第2非透过气体进行再利用。
对于气体分离系统100的路径的各自而言，除非特别提及，否则例如由金属制或树脂制的配管构成。
气体分离系统100也可以还具备对气体分离系统100的各部件进行控制的控制器(未图示)。控制器例如为A包含/D转换电路、输入输出电路、运算电路、存储装置等的DSP(Digital Signal Processor；数字信号处理器)。控制器中存储有用于使气体分离系统100适当地运转的程序。详细而言，控制器例如能够控制第1减压装置50及第2减压装置52的动作。控制器也可以从气体传感器接受信息，基于该信息来确定减压装置50及52的运转条件。
作为一例，在从混合气体供给路径30向第1分离膜单元10供给了混合气体的情况下，控制器以使得第1分离膜单元10的透过侧空间被减压的方式控制第1减压装置50。详细而言，在向第1分离膜单元10供给混合气体的期间，控制器以将第1分离膜单元10的透过侧空间持续减压的方式控制第1减压装置50。同样地，在从透过气体供给路径32向第2分离膜单元20供给第1透过气体的情况下，控制器以使得第2分离膜单元20的透过侧空间被减压的方式控制第2减压装置52。详细而言，在向第2分离膜单元20供给第1透过气体的期间，控制器以将第2分离膜单元20的透过侧空间持续减压的方式控制第2减压装置52。需要说明的是，气体分离系统100也可以不具备控制器。在气体分离系统100中，也可以是操作者对减压装置50及52的开闭进行切换来控制减压装置50及52的动作。
本实施方式的气体分离系统100例如为连续式系统。本说明书中，所谓连续式系统，是指能够通过开闭阀等在不将构成气体分离系统100的路径关闭的情况下连续地处理混合气体的系统。换言之，气体分离系统100能够实现用第1分离膜单元10处理混合气体，并且针对在第1分离膜单元10中得到的第1透过气体，在不捕集于罐等的情况下立即用第2分离膜单元20进行处理。由此，本实施方式的气体分离系统100能够实现连续运转。作为连续式系统发挥功能的气体分离系统100适于混合气体被连续供给的用途、尤其是排出气体的处理。
在气体分离系统100中，例如，下述(I)及(II)中的至少一者成立：(I)在通过第1减压装置50对第1分离膜单元10的透过侧空间进行减压的同时，将混合气体分离为第1透过气体和第1非透过气体；(II)在通过第2减压装置52对第2分离膜单元20的透过侧空间进行减压的同时，将第1透过气体分离为第2透过气体和第2非透过气体。在气体分离系统100中，优选上述要件(I)及(II)这两者均成立。
[第1分离膜单元]
如图2所示，第1分离膜单元10具备第1分离膜11及罐12。罐12具有第1室13及第2室14。第1室13内的空间相当于供给侧空间，第2室14内的空间相当于透过侧空间。第1分离膜11配置于罐12的内部。在罐12的内部，第1分离膜11将第1室13与第2室14隔开。第1分离膜11从罐12的1对壁面的一者延伸至另一者。
第1室13具有入口13a及出口13b。第2室14具有出口14a。第1室13的入口13a是用于将混合气体70向第1分离膜单元10供给的开口。第2室14的出口14a是用于将混合气体70从第1分离膜11透过而得到的第1透过气体80从第1分离膜单元10排出的开口。第1室13的出口13b是用于将未从第1分离膜11透过的混合气体70(第1非透过气体81)从第1分离膜单元10排出的开口。入口13a、出口13b及出口14a的各自例如形成于罐12的壁面。
(第1分离膜)
第1分离膜11例如能够使混合气体70中所含的副成分气体优先透过。以下，作为一例，针对能够使混合气体70中所含的酸性气体、特别是二氧化碳优先透过的第1分离膜11进行说明。
如图3所示，第1分离膜11例如具备分离功能层1。第1分离膜11也可以还具备支承分离功能层1的多孔性支承体3、及配置于分离功能层1与多孔性支承体3之间的中间层2。中间层2例如与分离功能层1及多孔性支承体3的各自直接接触。
第1分离膜11的膜面积能够根据用于分离混合气体70的条件来适当设定。
(分离功能层)
分离功能层1是能够使混合气体70中所含的酸性气体优先透过的层。在优选的一个方式中，分离功能层1包含树脂。作为分离功能层1中所含的树脂，例如，可举出聚醚嵌段酰胺树脂、聚酰胺树脂、聚醚树脂、聚酰亚胺树脂、乙酸纤维素树脂、有机硅树脂及氟树脂。分离功能层1优选包含聚醚嵌段酰胺树脂。在该方式中，分离功能层1优选实质上由树脂形成。本说明书中，“实质上由～形成”意味着将改变所谈论的材料的本质特征的其他成分排除在外，例如是指95％以上、乃至99％以上由该材料构成。
在另一优选的方式中，分离功能层1包含离子液体。分离功能层1例如具有包含离子液体的双网络凝胶。双网络凝胶是具备相互独立的2种网眼结构的凝胶。双网络凝胶例如包含：主要由有机材料构成的第1网眼结构；主要由无机材料构成的第2网眼结构；及离子液体。本说明书中，“主要由～构成”意味着50wt％以上、乃至70wt％以上由该材料构成。
用于构成第1网眼结构的有机材料例如包含聚丙烯酰胺(尤其是聚二甲基丙烯酰胺等聚二烷基丙烯酰胺)等聚合物。有机材料中所含的聚合物具有来自丙烯酰胺衍生物的结构单元，也可以还包含交联结构。包含交联结构的聚合物能够通过公知的方法制备。例如，首先，准备具有N-羟基琥珀酰亚胺酯基的结构单元的预聚物。具有N-羟基琥珀酰亚胺酯基的结构单元例如来自N-丙烯酰氧基琥珀酰亚胺。然后，通过使预聚物与胺系交联剂反应，能够得到含有交联结构的聚合物。胺系交联剂为具有2个以上伯氨基的化合物，例如为乙二醇双(3-氨基丙基)醚。
第2网眼结构也可以包含多个粒子的网络。多个粒子的网络例如通过多个粒子利用氢键相互键合而形成。第2网眼结构中所含的粒子可以是作为后述的纳米粒子而例示的粒子。作为一例，第2网眼结构中所含的粒子为二氧化硅粒子。
在本实施方式中，作为具体的离子性液体，例如可举出具有咪唑鎓，吡啶鎓，铵或鏻、和碳原子数为1以上的取代基的离子性液体等。
在具有咪唑鎓和碳原子数为1以上的取代基的离子性液体中，作为碳原子数为1以上的取代基，可举出碳原子数为1以上20以下的烷基、碳原子数为3以上14以下的环烷基，碳原子数为6以上20以下的芳基等，它们可以进一步被羟基、氰基、氨基、一价醚基等取代(例如碳原子数为1以上20以下的羟烷基等)。
作为碳原子数为1以上20以下的烷基，可举出甲基、乙基、正丙基、正丁基、正戊基、正己基、正庚基、正辛基、正壬基、正癸基、正十一烷基、正十二烷基、正十三烷基、正十四烷基、正十五烷基、正十六烷基、正十七烷基、正十八烷基、正十九烷基、正二十烷基、异丙基、仲丁基、异丁基、1-甲基丁基、1-乙基丙基、2-甲基丁基、异戊基、新戊基、1，2-二甲基丙基、1，1-二甲基丙基、叔戊基、2-乙基己基、1、5-二甲基己基等，它们也可以进一步被羟基、氰基、氨基、一价醚基等取代。
上述烷基也可以被环烷基取代。被环烷基取代的烷基的碳原子数例如为1以上20以下。作为被环烷基取代的烷基，可举出环丙基甲基、环丁基甲基、环己基甲基、环己基丙基等，它们也可以进一步被羟基、氰基、氨基、一价醚基等取代。
作为碳原子数为3以上14以下的环烷基，可举出环丙基、环丁基、环戊基、环己基、环庚基、环辛基、环十二烷基、降冰片基、冰片基、金刚烷基等，它们也可以进一步被羟基、氰基、氨基、一价醚基等取代。
作为碳原子数为6以上20以下的芳基，可举出苯基、甲苯基、二甲苯基、均三甲苯基、茴香基、萘基和苄基。这些芳基也可以进一步被羟基、氰基、氨基或一价醚基取代。
具有咪唑鎓及碳原子数为1以上的取代基的化合物也可以进一步具有烷基等取代基，也可以与抗衡阴离子形成盐。作为抗衡阴离子，可举出烷基硫酸盐、甲苯磺酸盐、甲磺酸盐、乙酸盐、双(氟磺酰基)酰亚胺、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺、硫氰酸盐、双氰胺、三氰基甲烷化物、四氰基硼酸盐、六氟磷酸盐、四氟硼酸盐、卤化物等，从气体分离性能的观点考虑，优选双(氟磺酰基)酰亚胺、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺、双氰胺、三氰基甲烷化物、四氰基硼酸盐。
作为具有咪唑鎓及碳原子数为1以上的取代基的离子性液体，具体而言，可举出1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(氟磺酰基)酰亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑鎓双氰胺、1-丁基-3-甲基咪唑鎓溴化物、1-丁基-3-甲基咪唑鎓氯化物、1-丁基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓三氟甲磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓四氯铁酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓碘化物、1-丁基-2,3-二甲基咪唑鎓氯化物、1-丁基-2,3-二甲基咪唑鎓六氟磷酸盐、1-丁基-2,3-二甲基咪唑鎓四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲磺酰基)酰亚胺、1-丁基-2,3-二甲基咪唑鎓双(三氟甲磺酰基)酰亚胺、1-丁基-2,3-二甲基咪唑鎓双(三氟甲磺酰基)酰亚胺、1-丁基-3-甲基咪唑鎓三氟(三氟甲基)硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓三溴化物、1,3-二甲基咪唑鎓氯化物、1,3-双(2,6-二异丙基苯基)咪唑鎓氯化物、1,3-二异丙基咪唑鎓四氟硼酸盐、1,3-二叔丁基咪唑鎓四氟硼酸盐、1,3-二环己基咪唑鎓四氟硼酸盐、1,3-二环己基咪唑鎓氯化物、1,2-二甲基-3-丙基咪唑鎓碘化物、1-己基-3-甲基咪唑鎓氯化物、1-己基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸盐、1-己基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐、1-己基-3-甲基咪唑鎓溴化物、1-甲基-3-丙基咪唑鎓碘化物、1-甲基-3-正辛基咪唑鎓溴化物、1-甲基-3-正辛基咪唑鎓氯化物、1-甲基-3-正辛基咪唑鎓六氟磷酸盐、1-甲基-3-[6-(甲基亚磺酰基)己基]咪唑鎓对甲苯磺酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑鎓三氰基甲烷化物、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氰基硼酸盐、1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲磺酰基)酰亚胺等。
其中，从气体分离性能的观点考虑，特别优选1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(氟磺酰基)酰亚胺([EMI][FSI])、1-乙基-3-甲基咪唑鎓双氰胺([EMI][DCA])、1-乙基-3-甲基咪唑鎓三氰基甲烷化物([EMI][TCM])、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氰基硼酸盐([EMI][TCB])、1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲磺酰基)酰亚胺([C4mim][TF2N])、1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲磺酰基)酰亚胺([C2OHim][TF2N])。
制作双网络凝胶的方法没有特别限定，例如，可利用E.Kamio etal.,Adv.Mater,29,1704118(2017)中公开的方法。
双网络凝胶中的离子液体的含有率例如为50wt％以上，优选为60wt％以上，更优选为70wt％以上，进一步优选为80wt％以上。离子液体的含有率越高，分离功能层1越能够使混合气体中所含的酸性气体优先透过。离子液体的含有率的上限值没有特别限定，例如为95wt％。
双网络凝胶中的主要由有机材料构成的第1网眼结构的含有率例如为1wt％以上，优选为5wt％以上，更优选为10wt％以上。第1网眼结构的含有率的上限值例如为15wt％。从提高双网络凝胶的强度的观点考虑，双网络凝胶中的主要由无机材料构成的第2网眼结构的含有率例如为1wt％以上。第2网眼结构的含有率的上限值例如为5wt％。第1网眼结构的重量和第2网眼结构的重量的合计值相对于双网络凝胶的重量的比率例如为2wt％以上，优选为5wt％以上，更优选为10wt％以上。该比率优选为20wt％以下。在该实施方案中，分离功能层1优选实质上由双网络凝胶形成。
分离功能层1的厚度例如为50μm以下，优选为25μm以下，更优选为15μm以下。分离功能层1的厚度根据情况可以为10μm以下，也可以为5.0μm以下，也可以为2.0μm以下。分离功能层1的厚度可以为0.05μm以上，也可以为0.1μm以上。
(中间层)
中间层2例如包含树脂，也可以进一步包含分散于树脂(基质)的纳米粒子。纳米颗粒在基质内可以彼此间隔开，也可以部分地聚集。基质的材料没有特别限定，例如可举出聚二甲基硅氧烷等有机硅树脂；聚四氟乙烯等氟树脂；聚环氧乙烷等环氧树脂；聚酰亚胺树脂；聚砜树脂；聚三甲基甲硅烷基丙炔、聚二苯基乙炔等聚炔树脂；聚甲基戊烯等聚烯烃树脂。基质优选包含有机硅树脂。
纳米粒子可以包含无机材料，也可以包含有机材料。作为纳米粒子中所含的无机材料，例如可举出二氧化硅、二氧化钛及氧化铝。优选纳米粒子包含二氧化硅。
中间层2的厚度没有特别限定，例如小于50μm，优选为40μm以下，更优选为30μm以下。中间层2的厚度的下限值没有特别限定，例如为1μm。中间层2例如是具有小于50μm的厚度的层。
(多孔性支承体)
多孔性支承体3隔着中间层2支承分离功能层1。作为多孔性支承体3，例如可举出：无纺布；多孔质聚四氟乙烯；芳香族聚酰胺纤维；多孔质金属；烧结金属；多孔陶瓷；多孔质聚酯；多孔质尼龙；活化碳纤维；胶乳；有机硅；有机硅橡胶；含有选自聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚醚醚酮、聚丙烯腈、聚酰亚胺和聚苯醚中的至少1者的透过性(多孔质)聚合物；具有连续气泡或独立气泡的金属发泡体；具有连续气泡或独立气泡的聚合物发泡体；二氧化硅；多孔质玻璃；网筛等。多孔性支承体3也可以是将这些中的2种以上组合而得到的支承体。
多孔性支承体3具有例如0.01～0.4μm的平均孔径。多孔性支承体3的厚度没有特别限定，例如为10μm以上，优选为20μm以上，更优选为50μm以上。多孔性支承体3的厚度例如为300μm以下，优选为200μm以下，更优选为150μm以下。
(第1分离膜的制造方法)
第1分离膜11例如可以通过以下方法制作。首先，制备含有中间层2的材料的涂布液。接着，在多孔性支承体3上涂布含有中间层2的材料的涂布液，形成涂布膜。涂布液的涂布方法没有特别限定，例如可利用线棒等。通过调整线棒的线径、涂布液中的中间层2的材料的浓度，可以调整所形成的中间层2的厚度。需要说明的是，也可以通过使多孔性支承体3浸渍于涂布液来形成涂布膜。接着，干燥涂布膜，形成中间层2。涂布膜的干燥例如可以在加热条件下进行。涂布膜的加热温度例如为50℃以上。涂布膜的加热时间例如为1分钟以上，也可以为5分钟以上。
可以根据需要对中间层2的表面实施易粘接处理。作为易粘接处理，可以实施底涂剂的涂布、电晕放电处理、等离子体处理等表面处理。
接着，制备包含分离功能层1的材料的涂布液。在中间层2上涂布包含分离功能层1的材料的涂布液，得到涂布膜。将该涂布膜干燥，形成分离功能层1。涂布液的涂布方法及干燥条件可以使用针对中间层2在上文说明的方法及条件。需要说明的是，包含分离功能层1的材料的涂布液的涂布也可以通过旋涂来进行。由此，得到第1分离膜11。
第1分离膜11的制作方法不限于上述方法。例如，也能够通过以下方法制作第1分离膜11。例如，将包含分离功能层1的材料的涂布液涂布于转印膜上而得到涂布膜。通过将涂布膜干燥而形成分离功能层1。接着，将包含中间层2的材料的涂布液涂布在分离功能层1上并干燥，由此形成中间层2。将中间层2和分离功能层1的层叠体转印到多孔性支承体3上。由此，得到第1分离膜11。
(第1分离膜的特性)
透过第1分离膜11的酸性气体的透过速度没有特别限定。作为一例，透过第1分离膜11的二氧化碳的透过速度T1例如为50GPU以上，优选为100GPU以上，更优选为150GPU以上，进一步优选为200GPU以上，特别优选为300GPU以上。透过速度T1的上限值没有特别限定，例如为500GPU。其中，GPU是指10-6cm3(STP)/(sec·cm2·cmHg)。cm3(STP)是指1个大气压、0℃条件下的二氧化碳的体积。
透过速度T1能够通过以下方法算出。首先，向与第1分离膜11的一个面(例如第1分离膜11的分离功能层侧的主面11a)邻接的空间供给包含二氧化碳及氮的混合气体。由此，在与第1分离膜11的另一面(例如第1分离膜11的多孔性支承体侧的主面11b)邻接的空间中，得到透过第1分离膜11的透过气体。测定透过气体的组成、透过气体的重量等。能够根据测定结果算出透过速度T1。在上述操作中，混合气体中的二氧化碳的浓度在标准状态(0℃，101kPa)下为50vol％。向与第1分离膜11的一个面邻接的空间供给的混合气体的温度为30℃、压力为0.1MPa
根据上述方法，也能够计算透过第1分离膜11的氮的透过速度T2。透过速度T2例如为25GPU以下，优选为15GPU以下，更优选为5GPU以下。透过速度T2的下限值没有特别限定，例如为1GPU。
在上述透过速度T1的测定条件下，第1分离膜11的二氧化碳相对氮的分离系数α例如为15以上，优选为20以上，更优选为30以上，进一步优选为40以上，特别优选为50以上。分离系数α的上限值没有特别限定，例如为100。分离系数α可根据下式算出。其中，下述式中，XA及XB分别为混合气体中的二氧化碳的体积比率及氮的体积比率。YA及YB分别为透过第1分离膜11的透过气体中的二氧化碳的体积比率及氮的体积比率。
分离系数α＝(YA/YB)/(XA/XB)
[第2分离膜单元]
如图4所示，第2分离膜单元20具备第2分离膜21及罐22。罐22具有第3室23和第4室24。第3室23内的空间相当于供给侧空间，第4室24内的空间相当于透过侧空间。第2分离膜21配置在罐22的内部。在罐22的内部，第2分离膜21将第3室23和第4室24隔开。第2分离膜21从罐22的1对壁面的一者延伸至另一者。
第3室23具有入口23a及出口23b。第4室24具有出口24a。第3室23的入口23a是用于将第1透过气体80供给至第2分离膜单元20的开口。第4室24的出口24a是用于将通过第1透过气体80透过第2分离膜21而得到的第2透过气体90从第2分离膜单元20排出的开口。第3室23的出口23b是用于将未透过第2分离膜21的第1透过气体80(第2非透过气体91)从第2分离膜单元20排出的开口。入口23a、出口23b以及出口24a的各自例如分别形成于罐22的壁面。
第2分离膜21例如可以使第1透过气体80中所含的副成分气体优先透过。作为第2分离膜21，可以使用作为第1分离膜11例示的分离膜。第2分离膜21的膜面积可以根据用于分离第1透过气体80的条件适当设定。
对于第2分离膜21而言，除膜面积以外，可以与第1分离膜11相同，也可以与第1分离膜11不同。作为一例，选自由第1分离膜11及第2分离膜21组成的组中的至少一者可以含有聚醚嵌段酰胺树脂或离子液体作为分离功能层的材料，优选第1分离膜11及第2分离膜21这两者均含有聚醚嵌段酰胺树脂或离子液体作为分离功能层的材料。
需要说明的是，气体分离系统100所具备的第1分离膜单元10以及第2分离膜单元20适用于流通式(连续式)的膜分离方法。但是，这些分离膜单元也可以用于分批式的膜分离方法。
[混合气体的分离方法]
在本实施方式中，混合气体70的分离方法包括使用第1分离膜单元10的第1分离工序和使用第2分离膜单元20的第2分离工序。
第1分离工序例如如下实施。首先，通过混合气体供给路径30，将混合气体70供给至第1分离膜单元10的第1室13(供给侧空间)。混合气体70例如不升压而以测定环境中的大气压(例如101kPa)向第1室13供给。但是，混合气体70也可以在其压力不超过700kPa的范围内通过加压装置54升压。通过将混合气体70升压到该程度，具有能够降低为分离混合气体70所必要的能量，同时能够降低混合气体70的分离所必要的第1分离膜11的膜面积的倾向。混合气体70的压力，即第1分离膜单元10的供给侧空间内的压力，例如可以为101kPa以上，也可以为150kPa以上，也可以为200kPa以上，也可以为300kPa以上，也可以为400kPa以上。混合气体70的压力的上限值可以是600kPa，也可以是500kPa。需要说明的是，在本说明书中，只要没有特别说明，“压力”是指绝对压力。
如上所述，混合气体70包含二氧化碳及氮。典型而言，混合气体70包含氮作为主成分气体、且包含二氧化碳作为副成分气体。但是，本实施方式的气体分离系统100也能够用于上述组成以外的混合气体70的分离。例如，主成分气体可以是选自氢、甲烷等非极性气体、氦等非活性气体中的1种气体。根据情况，主成分气体可以为选自二氧化碳等酸性气体中的1种气体。混合气体70中，作为副成分气体，可以代替二氧化碳或与二氧化碳一同含有二氧化碳以外的酸性气体、氧。作为二氧化碳以外的酸性气体，例如可举出硫化氢、硫化羰、硫氧化物(SOx)、氰化氢、氮氧化物(NOx)等。根据情况，混合气体70也可以含有氮、氢、甲烷、氧等非极性气体、氦等非活性气体作为副成分气体。作为一例，混合气体可以含有氢作为主成分气体、且含有二氧化碳作为副成分气体。混合气体也可以含有甲烷作为主成分气体、且含有二氧化碳作为副成分气体。
混合气体70中的主成分气体(例如氮)的含有率例如为50wt％以上，优选为60wt％以上，更优选为70wt％以上，进一步优选为75wt％以上，特别优选为80wt％以上，尤其优选为85wt％以上，也可以为90wt％以上，根据情况，也可以为95wt％以上，也可以为99wt％以上。混合气体70中的主成分气体的含有率的上限值没有特别限定，例如为99.9wt％，可以为99wt％，也可以为95wt％。混合气体70中的副成分气体(例如二氧化碳)的含有率例如小于50wt％，优选为40wt％以下，更优选为30wt％以下，进一步优选为25wt％以下，特别优选为20wt％以下，尤其优选为15wt％以下，也可以为10wt％以下，根据情况，也可以为5wt％以下，也可以为1wt％以下。混合气体70中的副成分气体的含有率的下限值没有特别限定，例如为0.1wt％，可以为1wt％，也可以为5wt％。混合气体70中的副成分气体、特别是二氧化碳的含有率优选为5wt％以上。在本说明书中，只要没有特别说明，“含有率”是指标准状态(0℃，101kPa)下的值。
混合气体70中的二氧化碳的含有率CCO2(wt％)以及混合气体70中的氮的含有率CN2(wt％)也可以满足下述关系式(1)。在满足关系式(1)的情况下，有能够大幅降低气体分离系统100中所需能量的倾向。
CCO2＜CN2/4   (1)
接着，在向第1分离膜单元10的第1室13供给混合气体70的状态下，对第2室14内(透过侧空间)进行减压。详细而言，使用第1减压装置50，通过出口14a对第2室14内进行减压。透过侧空间内的压力例如为70kPa以下，优选为50kPa以下，更优选为30kPa以下，进一步优选为10kPa以下，特别优选为5kPa以下。考虑第1减压装置50的运转所需的能量(动力)，透过侧空间内的压力可以为1kPa以上，也可以为2kPa以上，还可以为5kPa以上。
通过对第2室14内进行减压，在供给侧空间与透过侧空间之间产生差压，或者差压增加。由此，混合气体70被第1分离膜11分离，第1透过气体80被供给至第2室14。在进行混合气体70的分离的期间，第2室14内也可以由第1减压装置50持续减压。从降低气体分离系统100所消耗的能量的观点考虑，第1分离膜单元10的供给侧空间与透过侧空间的差压例如被调整为500kPa以下，优选为400kPa以下，更优选为300kPa以下，进一步优选为200kPa以下，特别优选为100kPa以下。第1分离膜单元10的供给侧空间与透过侧空间的差压的下限值没有特别限定，例如为10kPa。
供给至第2室14的第1透过气体80从透过气体供给路径32的第1部分32a通过，例如被第1减压装置50抽吸。第1减压装置50例如将所抽吸的第1透过气体80排出至透过气体供给路径32的第2部分32b。由于第1透过气体80被供给至第2部分32b，因此第2部分32b内的压力通常被维持在测定环境中的大气压程度。第1透过气体80从第2部分32b通过并被供给至第2分离膜单元20。
如上所述，第1分离膜单元10的第1分离膜11例如使混合气体70中所含的副成分气体优先透过。因此，通过第1分离工序得到的第1透过气体80与混合气体70相比副成分气体的含有率高。通过第1分离工序得到的第1透过气体80中的副成分气体(例如二氧化碳)的含有率没有特别限定，例如为30wt％～80wt％。第1透过气体80中的副成分气体的含有率(wt％)相对混合气体70中的副成分气体的含有率(wt％)之比没有特别限定，例如为2～10。
另一方面，混合气体70中的主成分气体的浓度从第1室13的入口13a朝向出口13b而徐徐上升。在第1室13中处理的混合气体70(第1非透过气体81)中的主成分气体(例如氮)的含有率例如为95wt％以上，优选为97wt％以上，更优选为98wt％以上，进一步优选为99wt％以上。第1非透过气体81从出口13b通过并被排出至第1分离膜单元10的外部。第1非透过气体81从第1排出路径34通过并被从排出口42排出。
第2分离工序例如如下实施。首先，从透过气体供给路径32的第2部分32b通过，将第1透过气体80供给至第2分离膜单元20的第3室23(供给侧空间)。第1透过气体80例如不升压而被以测定环境中的大气压(例如101kPa)供给至第3室23。但是，第1透过气体80也可以在其压力不超过700kPa的范围内通过配置于第2部分32b的加压装置而升压。第1透过气体80的压力、即第2分离膜单元20的供给侧空间内的压力例如可以为101kPa以上，也可以为150kPa以上，也可以为200kPa以上，也可以为300kPa以上，也可以为400kPa以上。第1透过气体80的压力的上限值可以为600kPa，也可以为500kPa。
接着，在向第2分离膜单元20的第3室23供给第1透过气体80的状态下，对第4室24内(透过侧空间)进行减压。详细而言，使用第2减压装置52通过出口24a而对第4室24内进行减压。透过侧空间内的压力例如为70kPa以下，优选为50kPa以下，更优选为30kPa以下，进一步优选为10kPa以下，特别优选为5kPa以下。考虑到第2减压装置52的运转所需的能量(动力)，透过侧空间内的压力可以为1kPa以上，也可以为2kPa以上，也可以为5kPa以上，也可以为10kPa以上，也可以为15kPa以上，也可以为20kPa以上，也可以为30kPa以上。
通过对第4室24内进行减压，在供给侧空间与透过侧空间之间产生差压，或者差压增加。由此，第1透过气体80被第2分离膜21分离，第2透过气体90被供给至第4室24。在进行第1透过气体80的分离的期间，第4室24内可以由第2减压装置52持续减压。从降低气体分离系统100消耗的能量的观点出发，第2分离膜单元20的供给侧空间与透过侧空间的差压例如被调整为500kPa以下，优选为400kPa以下，更优选为300kPa以下，进一步优选为200kPa以下，特别优选为100kPa以下。第2分离膜单元20的供给侧空间与透过侧空间的差压的下限值没有特别限定，例如为10kPa。
供给至第4室24的第2透过气体90从第2排出路径36的第1部分36a通过，例如被第2减压装置52抽吸。第2减压装置52例如将抽吸的第2透过气体90排出至第2排出路径36的第2部分36b。第2透过气体90从第2部分36b通过并被送至罐60。
如上所述，第2分离膜单元20的第2分离膜21例如使第1透过气体80中所含的副成分气体优先透过。因此，通过第2分离工序得到的第2透过气体90与第1透过气体80相比副成分气体的含有率高。通过第2分离工序得到的第2透过气体90中的副成分气体(例如二氧化碳)的含有率没有特别限定，例如为80wt％以上，优选为85wt％以上，更优选为90wt％以上，进一步优选为95wt％以上。第2透过气体90中的副成分气体的含有率(wt％)相对第1透过气体80中的副成分气体的含有率(wt％)之比没有特别限定，例如为1.2～3。
另一方面，第1透过气体80中的主成分气体的浓度从第3室23的入口23a朝向出口23b徐徐上升。在第3室23中处理的第1透过气体80(第2非透过气体91)中的主成分气体(例如氮)的含有率没有特别限定，例如为60wt％～90wt％。第2非透过气体91从出口23b通过并被排出至第2分离膜单元20的外部。
本实施方式的分离方法中，第1分离工序和第2分离工序优选连续进行。即，在第1分离工序中分离出的第1透过气体80优选不被捕集到罐等中而立即供于第2分离工序。通过连续地进行第1分离工序和第2分离工序，能够容易地增加每单位时间的混合气体70的处理量。
需要说明的是，在分离膜单元(第1分离膜单元10或第2分离膜单元20)的分离膜使副成分气体优先透过的方式中，供给至分离膜单元的气体中的副成分气体的含有率越高，越能够通过对分离膜单元的透过侧空间进行减压而容易地扩大分离膜单元的供给侧空间与透过侧空间中的副成分气体的分压差。因此，在供给至分离膜单元的气体中的副成分气体的含有率高的情况下，通过将分离膜单元的透过侧空间的压力一定程度较高地设定，能够在不使基于分离膜单元的分离性能大幅降低的情况下，降低减压装置(第1减压装置50或第2减压装置52)的运转所必要的能量(动力)。这样，分离膜单元的透过侧空间的压力优选根据向分离膜单元供给的气体的组成、特别是副成分气体的含有率来调整。
作为一例，在本实施方式的分离方法中，在副成分气体为二氧化碳的情况下，可以是下述(i)及(ii)中的至少一者成立：(i)在第1分离工序中，当将第1分离膜单元10的透过侧空间的压力表示为P(kPa)、将混合气体70中的二氧化碳的含有率表示为x(wt％)时，满足以下的关系式(A)；(ii)在第2分离工序中，在将第2分离膜单元20的透过侧空间的压力表示为P(kPa)、将第1透过气体80中的二氧化碳的含有率表示为x(wt％)时，满足关系式(A)。
0.2e0.0536x≤P≤0.55e0.0536x(A)
图5是用于说明关系式(A)的图。在该图中，横轴表示供给至分离膜单元的气体中的二氧化碳的含有率x。纵轴表示分离膜单元的透过侧空间的压力P。根据本申请发明人的研究，通过将压力P调整至满足关系式(A)的范围，可以在不大幅降低分离膜单元的分离性能的情况下降低减压装置的动力。详细而言，通过基于二氧化碳的含有率x将压力P设定在满足关系式(A)的范围内，对于分离膜单元所具备的分离膜，具有能够在不大幅增加气体的分离所必要的膜面积的情况下降低减压装置的动力的倾向。分离膜单元的透过侧空间的压力P(kPa)和向分离膜单元供给的气体中的二氧化碳的含有率x(wt％)也可以满足以下的关系式(B)。
P＝0.4116e0.0536x(B)
关系式(B)是表示适于不使分离膜单元的分离性能大幅降低地降低减压装置的动力的、二氧化碳的含有率x与透过侧空间的压力P的关系的式子。详细而言，关系式(B)是基于模拟的结果而生成的近似曲线。
由关系式(A)和(B)可知，二氧化碳的含有率x越高，越能够将透过侧空间的压力P设定得较高。通常，第1透过气体80中的二氧化碳的含有率高于混合气体70中的二氧化碳的含有率。因此，第2分离工序中的第2分离膜单元20的透过侧空间的压力P2可以与第1分离工序中的第1分离膜单元10的透过侧空间的压力P1相同或高于该压力P1。压力P2优选高于压力P1。
在第1分离工序以及第2分离工序中，分离膜单元的透过侧空间的压力P可以根据向分离膜单元供给的气体的组成、特别是二氧化碳的含有率x的变化而经时变化。根据向分离膜单元供给的气体的组成，将透过侧空间的压力P始终调整为适当的值，由此能够有效地降低减压装置的动力。向分离膜单元供给的气体的组成的变化例如可以通过配置在分离膜单元的入口附近的气体传感器来检测。
本实施方式的分离方法例如还包括将第2非透过气体91和混合气体70混合的混合工序。混合工序可以通过第3排出路径38将第2非透过气体91输送到混合气体供给路径30的合流位置40来实施。通过混合工序，能够对第2非透过气体91进行再利用，具有能够提高主成分气体和副成分气体的回收率的倾向。
根据本实施方式的混合气体70的分离方法，例如能够回收副成分气体被浓缩而得的第2透过气体90和主成分气体被浓缩而得的第1非透过气体81。利用该分离方法的副成分气体(例如二氧化碳)的回收率没有特别限定，例如为80％以上，优选为90％以上。主成分气体的回收率没有特别限定，例如为90％以上，优选为95％以上。需要说明的是，二氧化碳浓缩了的第2透过气体90例如可以用于干冰等的制造。氮浓缩后的第1非透过气体81例如能够在工业用途中利用。
在现有的气体分离系统中，通常所供给的混合气体被大幅升压至至少700kPa以上。这从专利文献1的实施例中的工作压力设定为至少7bar以上也是明显可见的。但是，在使混合气体升压的方式中，不透过分离膜单元中的分离膜的非透过气体也被升压。在该情况下，为了使非透过气体升压而消耗的能量是无谓的浪费。在本实施方式的气体分离系统100中，能够通过减压装置50以及52分别对分离膜单元10以及20的透过侧空间进行减压而进行分离工序，因此不需要对供给侧空间进行较大的加压。由于能够节省因供给侧空间的加压而导致的能量的无谓浪费，因此本实施方式的气体分离系统100适于降低为分离混合气体70所必要的能量。特别是，在第1分离膜单元10的第1分离膜11使混合气体70中的副成分气体优先透过的情况下，气体分离系统100具有能够显著降低为分离混合气体70所必要的能量的倾向。
[第1分离膜单元的变形例]
在气体分离系统100中，第1分离膜单元10可以是如图6所示的螺旋型的膜元件。图6的第1分离膜单元15具备中心管16及层叠体17。层叠体17包含第1分离膜11。
中心管16具有圆筒形状。在中心管16的表面形成有用于使第1透过气体80流入中心管16的内部的多个孔或狭缝。作为中心管16的材料，例如可举出丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚树脂(ABS树脂)、聚苯醚树脂(PPE树脂)、聚砜树脂(PSF树脂)等树脂；不锈钢、钛等金属。中心管16的内径例如在20-100mm的范围内。
层叠体17除了第1分离膜11之外，还包括供给侧流路材料18和透过侧流路材料19。层叠体17卷绕在中心管16的周围。第1分离膜单元15可以进一步具备外部包装材料(未图示)。
作为供给侧流路材料18和透过侧流路材料19，可使用例如由聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)或乙烯-氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)形成的树脂制的网、机织物或针织物。
使用了第1分离膜单元15的膜分离例如通过以下方法进行。首先，向卷绕的层叠体17的一端供给混合气体70。对中心管16的内部的空间进行减压。由此，从层叠体17的第1分离膜11透过的第1透过气体80向中心管16的内部移动。第1透过气体80通过中心管16向外部排出。在第1分离膜单元15中处理的混合气体70(第1非透过气体81)从卷绕的层叠体17的另一端排出至外部。
需要说明的是，在气体分离系统100中，第2分离膜单元20也可以是具有与第1分离膜单元15的构成的螺旋型的膜元件。
＜气体分离系统的变形例＞
气体分离系统100也可以具备多个第1分离膜单元10。图7所示的本实施方式的气体分离系统110具有2个第1分离膜单元10a及10b。在气体分离系统110中，混合气体供给路径30在分支位置44处分支为第1部分30a和第2部分30b。透过气体供给路径32还具有第3部分32c。气体分离系统110还具备第4排出路径35。除上述以外，本实施方式的气体分离系统110的结构与气体分离系统100的结构相同。因此，对气体分离系统100和本实施方式的气体分离系统110中共通的要素标注相同的附图标记，省略它们的说明。即，关于各实施方式的说明只要在技术上不矛盾，则能够相互适用。而且，只要技术上不矛盾，各实施方式也可以相互组合。
混合气体供给路径30中的分支位置44例如位于比合流位置40(以及加压装置54)靠下游侧，即位于合流位置40与第1分离膜单元10a之间。第1部分30a从分支位置44延伸至第1分离膜单元10a的混合气体入口(入口13a)。能够通过第1部分30a向第1分离膜单元10a供给混合气体70。第2部分30b从分支位置44延伸至第1分离膜单元10b的混合气体入口(入口13c)。能够通过第2部分30b向第1分离膜单元10b供给混合气体70。
透过气体供给路径32的第3部分32c从第1分离膜单元10b的透过气体出口(出口14b)延伸至第1减压装置50。第1减压装置50可以通过第1部分32a对第1分离膜单元10a的透过侧空间进行减压，并且通过第3部分32c对第1分离膜单元10b的透过侧空间进行减压。第1减压装置50例如对从第3部分32c通过的第1透过气体进行抽吸，将该第1透过气体向第2部分32b排出。如此，在气体分离系统110中，第1减压装置50可以为多个第1分离膜单元10所共用。第1减压装置50为多个第1分离膜单元10所共用的方式适合于减小减压装置的设置面积、确保空间。进而，根据该方式，能够省略阀等部件，在成本方面也是有利的。在第1减压装置50为多个第1分离膜单元10所共用的情况下，气体分离系统110还适合于进一步降低为分离混合气体70所必要的能量。但是，气体分离系统110也可以具备多个第1减压装置50，并且构成为多个第1减压装置50能够分别对多个第1分离膜单元10的透过侧空间进行减压。
第4排出路径35是连接于第1分离膜单元10b的非透过气体出口(出口13d)、用于从第1分离膜单元10b排出第1非透过气体的路径。在第4排出路径35，形成有用于从第4排出路径35排出第1非透过气体的开口(排出口46)。也可以是，气体分离系统110还具备贮存第1非透过气体的罐(未图示)，第1排出路径34及第4排出路径35的各自分别与该罐连接。
在气体分离系统110中，多个第1分离膜单元10可以彼此相同，也可以不同。通过气体分离系统110具有多个第1分离膜单元10，能够容易地增加处理混合气体70的分离膜(第1分离膜11)的膜面积。
＜气体分离系统的其他变形例＞
图8表示变形例的气体分离系统120的构成图。如图8所示，气体分离系统120还具备第3分离膜单元25、第3减压装置56、第5排出路径37及第6排出路径39。第2排出路径36连接于第3分离膜单元25的透过气体入口(入口28a)。除上述以外，气体分离系统120的结构与图1的气体分离系统100的结构相同。
第3分离膜单元25是使用第3分离膜对从第2分离膜单元20排出的第2透过气体进行膜分离的膜分离装置。第3分离膜单元25所具有的第3分离膜可以将第2透过气体进一步分离为第3透过气体和第3非透过气体。
第3分离膜单元25的第3分离膜例如可以使第2透过气体中所含的副成分气体、详细而言副成分气体中所含的至少1种气体优先透过。因此，由第3分离膜分离出的第3透过气体与第2透过气体相比副成分气体的含有率高，且与第2透过气体相比主成分气体的含有率低。另一方面，第3非透过气体与第2透过气体相比副成分气体的含有率较低，且与第2透过气体相比主成分气体的含有率较高。需要说明的是，在本说明书中，与第1透过气体同样地，第3透过气体和第3非透过气体中的“主成分气体”和“副成分气体”的名称基于用第1分离膜分离前的混合气体中的含有率来定。
第3减压装置56可对第3分离膜单元25的透过侧空间进行减压。换言之，通过第3减压装置56，能够在第3分离膜单元25的供给侧空间与透过侧空间之间产生差压或增加差压。第3减压装置56的具体例为泵。第3减压装置56优选为真空泵等真空装置。作为真空泵，可以使用针对第1减压装置50在上文说明的真空泵。作为第3减压装置56的泵也可以具备用于使转速等变化的可变速机构。可变速机构的例子是驱动泵的马达的逆变器。通过用可变速机构控制泵的转速等，能够对第3分离膜单元25的透过侧空间的压力进行适当地调整。
第3减压装置56也可以是多个泵的集合体。即，第3减压装置56也可以具有能够通过多个泵的各自分别对第3分离膜单元25的透过侧空间进行减压的构成。根据该构成，通过调整工作的泵的数量，能够对第3分离膜单元25的透过侧空间的压力适当地进行调整。
如上所述，第2排出路径36连接于第3分离膜单元25的入口28a。第2排出路径36作为用于从第2分离膜单元20向第3分离膜单元25供给第2透过气体的路径而发挥功能。在第2排出路径36的第2部分36b，可以配置对从第2减压装置52排出的第2透过气体进行升压的加压装置(未图示)，也可以不配置。通过该加压装置，可对第3分离膜单元25的供给侧空间进行加压。作为加压装置，例如可举出压缩机、送风机及背压阀。也可以在第2部分36b配置用于测定第2透过气体的组成的气体传感器。该气体传感器例如能够检测第2透过气体中的二氧化碳的含有率。气体传感器优选配置于第3分离膜单元25的入口28a附近。通过使用气体传感器测定向第3分离膜单元25供给的第2透过气体的组成，可以适当地设定第3分离膜单元25的运转条件、特别是第3分离膜单元25的透过侧空间的减压度。
优选的是，在第2排出路径36不配置对第2透过气体进行捕集的捕集器等的罐、进行路径的开闭的开闭阀。特别是，在第2排出路径36未配置捕集器的情况下，可将从第2分离膜单元20排出的第2透过气体连续地供给至第3分离膜单元25。根据这样的结构，能够容易地增加每单位时间的混合气体70的处理量。作为一例，第2排出路径36也可以仅由第2减压装置52以及配管构成。
第5排出路径37是连接于第3分离膜单元25的透过气体出口(出口29a)及罐60的入口、用于从第3分离膜单元25向罐60输送第3透过气体的路径。罐60能够贮存从第3分离膜单元25输送来的第3透过气体。在第5排出路径37配置有第3减压装置56。
第5排出路径37具有从第3分离膜单元25延伸至第3减压装置56的第1部分37a和从第3减压装置56延伸至罐60的第2部分37b。第3减压装置56可通过第1部分37a对第3分离膜单元25的透过侧空间进行减压。第3减压装置56例如对从第1部分37a通过的第3透过气体进行抽吸，将该第3透过气体排出至第2部分37b。第3减压装置56例如构成为不将从第1部分37a通过的气体排出至气体分离系统120的外部。第3减压装置56例如仅与第1部分37a和第2部分37b连接。在第3减压装置56是多个泵的集合体的情况下，第5排出路径37的第1部分37a也可以分支并与多个泵的入口的各自分别连接。同样地，第5排出路径37的第2部分37b也可以分支并与多个泵的出口的各自分别连接。
第6排出路径39是连接于第3分离膜单元25的非透过气体出口(出口28b)、用于从第3分离膜单元25排出第3非透过气体的路径。第6排出路径39也可以在合流位置41处合流于透过气体供给路径32，详细而言合流于透过气体供给路径32的第2部分32b。通过第6排出路径39与透过气体供给路径32合流，例如能够对包含未被第3分离膜单元25完全分离的副成分气体的第3非透过气体进行再利用。
在气体分离系统120具备控制器的情况下，控制器例如也可以控制第3减压装置56的动作。作为一例，控制器在从第2排出路径36向第3分离膜单元25供给第2透过气体的情况下，控制第3减压装置56以使第3分离膜单元25的透过侧空间减压。详细而言，控制器在向第3分离膜单元25供给第2透过气体的期间，控制第3减压装置56以使第3分离膜单元25的透过侧空间被持续减压。在气体分离系统120中，例如下述(III)成立：(III)在通过第3减压装置56对第3分离膜单元25的透过侧空间进行减压的同时，将第2透过气体分离为第3透过气体和第3非透过气体。
本实施方式的气体分离系统120具有在第2分离膜单元20的下游侧进一步配置有第3分离膜单元25及第3减压装置56的构成。在气体分离系统120中，也可以在第3分离膜单元25的下游侧进一步配置分离膜单元及减压装置的组合。配置于第3分离膜单元25的下游侧的分离膜单元及减压装置的组合的数量可根据分离对象的混合气体70的组成适当设定。在气体分离系统120具备控制器的情况下，控制器例如控制配置在第3分离膜单元25的下游侧的各减压装置的动作。
[第3分离膜单元]
如图9所示，第3分离膜单元25具备第3分离膜26及罐27。罐27具有第5室28及第6室29。第5室28内的空间相当于供给侧空间，第6室29内的空间相当于透过侧空间。第3分离膜26配置于罐27的内部。在罐27的内部，第3分离膜26将第5室28和第6室29隔开。第3分离膜26从罐27的1对壁面的一者延伸至另一者。
第5室28具有入口28a及出口28b。第6室29具有出口29a。第5室28的入口28a是用于将第2透过气体90供给至第3分离膜单元25的开口。第6室29的出口29a是用于将通过第2透过气体90透过第3分离膜26而得到的第3透过气体95从第3分离膜单元25排出的开口。第5室28的出口28b是用于将未透过第3分离膜26的第2透过气体90(第3非透过气体96)从第3分离膜单元25排出的开口。入口28a、出口28b以及出口29a的各自分别形成于例如罐27的壁面。
第3分离膜26例如可以使第2透过气体90中所含的副成分气体优先透过。作为第3分离膜26，可使用作为第1分离膜11例示的分离膜。第3分离膜26的膜面积可以根据用于分离第2透过气体90的条件适当设定。
第3分离膜26除膜面积以外，可以与第1分离膜11或第2分离膜21相同，也可以不同。作为一例，选自由第1分离膜11、第2分离膜21及第3分离膜26组成的组中的至少一者可以含有聚醚嵌段酰胺树脂或离子液体作为分离功能层的材料，优选第1分离膜11、第2分离膜21及第3分离膜26中的各自分别含有聚醚嵌段酰胺树脂或离子液体作为分离功能层的材料。
需要说明的是，第3分离膜单元25适于流通式(连续式)的膜分离方法。但是，第3分离膜单元25也可以用于分批式的膜分离方法。第3分离膜单元25可以是针对第1分离膜单元15在上文说明的螺旋型的膜元件。
[混合气体的分离方法]
在本实施方式中，混合气体70的分离方法可以除上述的第1分离工序及第2分离工序之外，还包括使用第3分离膜单元25的第3分离工序。
第3分离工序例如如下实施。首先，通过第2排出路径36的第2部分36b，将第2透过气体90供给至第3分离膜单元25的第5室28(供给侧空间)。第2透过气体90例如不升压，而被以测定环境中的大气压(例如101kPa)供给至第5室28。但是，第2透过气体90也可以在其压力不超过700kPa的范围内通过配置于第2部分36b的加压装置升压。第2透过气体90的压力、即第3分离膜单元25的供给侧空间内的压力例如可以为101kPa以上，也可以为150kPa以上，也可以为200kPa以上，也可以为300kPa以上，也可以为400kPa以上。第2透过气体90的压力的上限值可以为600kPa，也可以为500kPa。
接着，在向第3分离膜单元25的第5室28供给第2透过气体90的状态下，对第6室29内(透过侧空间)进行减压。详细而言，使用第3减压装置56通过出口29a对第6室29内进行减压。透过侧空间内的压力例如为70kPa以下，优选为50kPa以下，更优选为30kPa以下，进一步优选为10kPa以下，特别优选为5kPa以下。考虑对于第3减压装置56的运转而言所必要的能量(动力)，透过侧空间内的压力可以为1kPa以上，也可以为2kPa以上，也可以为5kPa以上，也可以为10kPa以上，也可以为15kPa以上，也可以为20kPa以上，也可以为30kPa以上。
通过对第6室29内进行减压，在供给侧空间与透过侧空间之间产生差压，或者差压增加。由此，第2透过气体90被第3分离膜26分离，第3透过气体95被供给至第6室29。在进行第2透过气体90的分离的期间，第6室29内可以由第3减压装置56持续减压。从降低气体分离系统120消耗的能量的观点出发，第3分离膜单元25的供给侧空间与透过侧空间的差压例如被调整为500kPa以下，优选为400kPa以下，更优选为300kPa以下，进一步优选为200kPa以下，特别优选为100kPa以下。第3分离膜单元25的供给侧空间与透过侧空间的差压的下限值没有特别限定，例如为10kPa。
供给至第6室29的第3透过气体95通过第5排出路径37的第1部分37a，并例如被第3减压装置56抽吸。第3减压装置56例如将所抽吸的第3透过气体95向第5排出路径37的第2部分37b排出。第3透过气体95通过第2部分37b被送至罐60。
如上所述，第3分离膜单元25的第3分离膜26例如使第2透过气体90中所含的副成分气体优先透过。因此，通过第3分离工序得到的第3透过气体95与第2透过气体90相比，副成分气体的含有率高。通过第3分离工序得到的第3透过气体95中的副成分气体(例如二氧化碳)的含有率没有特别限定，例如为80wt％以上，优选为85wt％以上，更优选为90wt％以上，进一步优选为95wt％以上。第3透过气体95中的副成分气体的含有率(wt％)相对第2透过气体90中的副成分气体的含有率(wt％)之比没有特别限定，例如为1.2～3。
另一方面，第2透过气体90中的主成分气体的浓度从第5室28的入口28a朝向出口28b徐徐上升。在第5室28中处理的第2透过气体90(第3非透过气体96)中的主成分气体(例如氮)的含有率没有特别限定，例如为60wt％～90wt％。第3非透过气体96通过出口28b排出至第3分离膜单元25的外部。
在本实施方式的分离方法中，第1分离工序～第3分离工序优选连续地进行。即，在第2分离工序中分离出的第2透过气体90优选不被捕集到罐等中而立即供于第3分离工序。通过连续地进行第1分离工序～第3分离工序，能够容易地增加每单位时间的混合气体70的处理量。
需要说明的是，第3分离膜单元25的透过侧空间的压力可以根据供给至第3分离膜单元25的第2透过气体90的组成、特别是副成分气体的含有率来调整。作为一例，在本实施方式的分离方法中，在副成分气体为二氧化碳的情况下，在第3分离工序中，当将第3分离膜单元25的透过侧空间的压力表示为P(kPa)、将第2透过气体90中的二氧化碳的含有率表示为x(wt％)时，可以满足上述关系式(A)，也可以满足关系式(B)。
第3分离工序中的第3分离膜单元25的透过侧空间的压力P3可以与第2分离工序中的第2分离膜单元20的透过侧空间的压力P2相同或高于该压力P2。压力P3优选高于压力P2。
在第3分离工序中，第3分离膜单元25的透过侧空间的压力P3也可以根据向第3分离膜单元25供给的气体的组成，特别是二氧化碳的含有率x的变化而经时变化。根据向第3分离膜单元25供给的气体的组成，将透过侧空间的压力P3始终调整为适当的值，由此可以有效地降低第3减压装置56的动力。向第3分离膜单元25供给的气体的组成的变化例如可通过配置于第3分离膜单元25的入口28a附近的气体传感器检测。
本实施方式的分离方法例如还包括将第3非透过气体96和第1透过气体80混合的第2混合工序。第2混合工序可通过经由第6排出路径39将第3非透过气体96输送到透过气体供给路径32的合流位置41来实施。根据第2混合工序，可以对第3非透过气体96进行再利用，具有可提高主成分气体及副成分气体的回收率的倾向。
根据本实施方式的混合气体70的分离方法，例如能够回收副成分气体被浓缩了的第3透过气体95和主成分气体被浓缩了的第1非透过气体81。利用该分离方法的副成分气体(例如二氧化碳)的回收率没有特别限定，例如为80％以上，优选为90％以上。主成分气体的回收率没有特别限定，例如为90％以上，优选为95％以上。
使用了气体分离系统120的本实施方式的混合气体70的分离方法适用于副成分气体的含有率低的混合气体70的分离。详细而言，本实施方式的混合气体70的分离方法适合于副成分气体，特别是二氧化碳的含有率为1wt％以下的混合气体70(例如空气)的分离。
实施例
以下，通过实施例更详细地说明本发明，但本发明并不限定于此。
(分离膜A)
首先，用140g的正癸烷(三协化学公司制造)稀释有机硅溶液(MomentivePerformance Materials公司制YSR3022)10g，制备2质量％的有机硅溶液。将超滤膜(日东电工制NTU-3175M)在所制备的有机硅溶液中浸渍5秒，进行40秒脱液，进行2次用120℃的干燥机干燥2分钟的工序，在超滤膜上形成厚度2μm的有机硅层(中间层)。对于形成的有机硅层的表面，使用台式电晕处理装置(春日电机制造)以1J/cm2的强度进行亲水化处理。
接着，将聚醚嵌段酰胺(Arkema公司制的Pebax MH1657)2g投入到70质量％的异丙醇水溶液98g中，并于80℃搅拌3小时，由此制备2质量％的Pebax溶液。将所制备的溶液在有机硅层上展开，以2000rpm的转速进行40秒旋涂。接着，将得到的涂布膜在60℃的烘箱中干燥30分钟，由此形成分离功能层。由此，得到分离膜A。
(分离膜B)
使用包含双网络凝胶的涂布液代替包含聚醚嵌段酰胺的涂布液，除此以外，通过与分离膜A相同的方法制备分离膜B。双网络凝胶包含第1网眼结构、第2网眼结构及离子液体。第1网眼结构由具有来自二甲基丙烯酰胺的结构单元、还包含交联结构的聚合物构成。第2网眼结构由二氧化硅粒子(Aerosil公司制的AEROSIL200)构成。作为离子液体，使用1-乙基-3-甲基咪唑双氰胺(EMI-DCA)。双网络凝胶中的第1网眼结构的含有率为15wt％，第2网眼结构的含有率为5wt％，离子液体的含有率为80wt％。
(分离膜C)
作为离子液体，使用1-乙基-3-甲基咪唑鎓三氰基甲烷化物(EMI-C(CN)3)代替EMI-DCA，除此以外，通过与分离膜B相同的方法制作分离膜C。
[分离膜的特性评价]
接着，通过以下的方法，分别对分离膜A～C的各自测定二氧化碳的透过速度T1，氮的透过速度T2，以及二氧化碳相对氮的分离系数α(CO2/N2)。首先，将分离膜设置在金属单元中，以不发生泄漏的方式用O形环进行密封。接着，以混合气体与分离膜的分离功能层侧的主面接触的方式向金属单元内注入混合气体。混合气体实质上由二氧化碳和氮形成。混合气体中的二氧化碳的浓度在标准状态下为50vol％。注入金属单元内的混合气体的温度为30℃。混合气体的压力为0.1MPa。由此，从分离膜的多孔性支承体侧的主面得到透过气体。基于得到的透过气体的组成、透过气体的重量等，算出二氧化碳的透过速度T1、氮的透过速度T2和分离系数α。结果如表1所示。
[表1]
Figure BDA0004113459080000361
(计算例1～19)
接着，使用分离膜A～C，进行运转图1所示的气体分离系统时的模拟。详细而言，预先确定分离膜单元的运转条件、分离膜单元中使用的分离膜的种类、混合气体的组成、第2透过气体的组成等，在该情况下，计算使用气体分离系统为分离混合气体所必要的能量和分离膜的膜面积。更详细而言，使用Schlumberger公司制的工艺模拟软件Symmetry，计算图1中的减压装置50和52的动力，以及分离膜11和21的膜面积。
在计算例1～19中，变更分离膜单元的供给侧空间的压力、所使用的分离膜的种类，确认其影响。例如，在计算例1中，分离膜11及21的性能设定为表1所示的分离膜A的值(透过速度T1：130.3GPU，选择性α：37.2)。针对分离膜单元10及20的各自，将所供给的气体的压力(供给侧空间的压力)设定为大气压(101.33kPa)，将透过侧空间的压力设定为几乎真空的值(1kPa)。将供给至第1分离膜单元10的混合气体中所含的二氧化碳的气体流量设定为300t/年(34.25kg/hr)，将二氧化碳的含有率设定为10wt％，将混合气体的温度设定为25℃。进而，将最终得到的第1非透过气体和第2透过气体的温度设定为25℃，将它们的压力设定为101.33kPa。对于第2透过气体，将二氧化碳的含有率设定为95wt％，将其回收率设定为90％(30.82kg/hr)。减压装置50及52的隔热效率设定为一般的值即70％。结果示于表2和3中。
[表2]
Figure BDA0004113459080000381
(*1)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的CO2的重量(t)之比
(*2)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的N2的重量(t)之比
[表3]
Figure BDA0004113459080000391
(*1)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的CO2的重量(t)之比
(*2)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的N2的重量(t)之比
(计算例20～25)
接着，进行运转专利文献1所公开的气体分离系统时的模拟。详细而言，设想运转图10所示的气体分离系统200来分离混合气体。
气体分离系统200具备第1分离膜单元210、第2分离膜单元220及第3分离膜单元225。第1分离膜单元210及第2分离膜单元220分别对应于图1的气体分离系统100的第1分离膜单元10及第2分离膜单元20。图10的第3分离膜单元225是使用第3分离膜对从第1分离膜单元210排出的第1非透过气体进行膜分离的膜分离装置。第3分离膜可以将第1非透过气体分离为第3透过气体和第3非透过气体。
气体分离系统200具备：混合气体供给路径230、透过气体供给路径232、第1排出路径234、第2排出路径236、第3排出路径238、第4排出路径237及第5排出路径239。混合气体供给路径230是用于向第1分离膜单元210供给混合气体的路径。在混合气体供给路径230，配置有压缩机CP1及热交换器C1。通过压缩机CP1，能够使混合气体升压。
透过气体供给路径232是用于从第1分离膜单元210向第2分离膜单元220供给第1透过气体的路径。在透过气体供给路径232，没有配置减压装置。第1排出路径234是用于从第1分离膜单元210向第3分离膜单元225输送第1非透过气体的路径。
第2排出路径236是用于从第2分离膜单元220排出第2透过气体的路径。在第2排出路径236，配置有减压装置CP2以及热交换器C2。
第3排出路径238是用于从第2分离膜单元220排出第2非透过气体的路径。第3排出路径238在合流位置240处与混合气体供给路径230合流，能够将第2非透过气体向混合气体供给路径230输送。
第4排出路径237是用于从第3分离膜单元225排出第3非透过气体的路径。第5排出路径239是用于从第3分离膜单元225排出第3透过气体的路径。第5排出路径239在合流位置240处与混合气体供给路径230合流，能够将第3透过气体输送到混合气体供给路径230。
在气体分离系统200中，预先确定分离膜单元的运转条件、分离膜单元中使用的分离膜的种类、混合气体的组成、第2透过气体的组成等，在这种情况下，计算使用气体分离系统200为分离混合气体所必要的能量和分离膜的膜面积。计算中使用Schlumberger公司制的工艺模拟软件Symmetry。在计算例20～25中，变更第1分离膜单元210及第3分离膜单元225中的分离膜的膜面积的比率、所使用的分离膜的种类，确认其影响。结果如表4所示。
[表4]
Figure BDA0004113459080000421
(*1)(第1分离膜的面积)/(第3分离膜的面积)
(*2)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的CO2的重量(t)之比
(*3)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的N2的重量(t)之比
(计算例26～28)
接着，进行运转专利文献2所公开的气体分离系统时的模拟。详细而言，预想运转图11所示的气体分离系统250来分离混合气体。气体分离系统250除了不具备第2分离膜单元220、第2排出路径236及第3排出路径238之外，具有与图10的气体分离系统200相同的构成。
在气体分离系统250中，预先确定分离膜单元的运转条件、分离膜单元中使用的分离膜的种类、混合气体的组成、第1透过气体的组成等，在该情况下，计算使用气体分离系统250为分离混合气体所必要的能量和分离膜的膜面积。计算中使用Schlumberger公司制的工艺模拟软件Symmetry。在计算例26～28中，变更所使用的分离膜的种类，确认其影响。结果如表5所示。
[表5]
Figure BDA0004113459080000441
(*1)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的CO2的重量(t)之比
(*2)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的N2的重量(t)之比
由表2～5可知，根据具有能够对第1分离膜单元及第2分离膜单元各自的透过侧空间进行减压的构成的、本实施方式的气体分离系统，与以往的气体分离系统200及250相比，能够降低为分离混合气体所必要的能量。尤其是，由计算例1～10等可知，在本实施方式的气体分离系统中，通过在不超过700kPa的范围内对第1分离膜单元的供给侧空间内进行加压，能够降低为分离混合气体所必要的能量，并且也能够降低所必要的分离膜的膜面积。
(计算例29～39)
与计算例1～19同样地，进行运转图1所示的气体分离系统时的模拟。在计算例29～39中，变更第2透过气体的组成、混合气体的组成，确认其影响。结果示于表6。
[表6]
Figure BDA0004113459080000461
(*1)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的CO2的重量(t)之比
(*2)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的N2的重量(t)之比
(计算例40～45)
与计算例20～25同样地，进行了运转图10所示的气体分离系统200时的模拟。在计算例40～45中，变更第2透过气体的组成、混合气体的组成，确认其影响。结果示于表7。
[表7]
Figure BDA0004113459080000481
(*1)(第1分离膜的面积)/(第3分离膜的面积)
(*2)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的CO2的重量(t)之比
(*3)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的N2的重量(t)之比
(计算例46～50)
与计算例26～28同样地，进行运转图11所示的气体分离系统250时的模拟。在计算例46～50中，变更第1透过气体的组成、混合气体的组成，确认其影响。结果示于表8。
[表8]
Figure BDA0004113459080000501
(*1)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的CO2的重量(t)之比
(*2)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的N2的重量(t)之比
在气体分离系统中，为分离混合气体所必要的能量很大程度上取决于透过气体的组成、混合气体的组成，特别是混合气体的组成。关于表6～8中记载的计算例，在上述气体的组成为相同条件下进行比较时，根据具有能够对第1分离膜单元以及第2分离膜单元各自的透过侧空间进行减压的构成的本实施方式的气体分离系统，与以往的气体分离系统200以及210相比，可知能够降低为分离混合气体所必要的能量。
(计算例51～58)
与计算例1同样地进行运转图1所示的气体分离系统时的模拟。在计算例51～58中，从计算例1的条件出发，变更第1分离膜单元或第2分离膜单元的透过侧空间的压力，确认其影响。结果示于表9。
[表9]
Figure BDA0004113459080000521
(*1)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的CO2的重量(t)之比
(*2)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的N2的重量(t)之比
(计算例59～72)
与计算例33同样地，对计算例59～72进行运转图1所示的气体分离系统时的模拟。在计算例59～72中，从计算例33的条件出发，变更第1分离膜单元或第2分离膜单元的透过侧空间的压力，确认其影响。结果示于表10和11中。
[表10]
Figure BDA0004113459080000541
(*1)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的CO2的重量（t)之比
(*2)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的N2的重量(t)之比
[表11]
Figure BDA0004113459080000551
(*1)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的CO2的重量(t)之比
(*2)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的N2的重量(t)之比
由表9-11可知，通过适当地设定第1分离膜单元或第2分离膜单元的透过侧空间的压力，能够在不大幅增加为分离混合气体所必要的分离膜的膜面积的情况下降低所必要的能量。该效果在分离膜单元的透过侧空间的压力P满足上述关系式(A)的计算例中可以说是显著的。
(计算例73～77)
与计算例1同样地，对计算例73进行运转图1所示的气体分离系统时的模拟。此外，在计算例74～77中，进行运转图8所示的气体分离系统时的模拟。计算例74～77的模拟通过与计算例1等同样的方法进行。需要说明的是，在计算例74～77中，预先确定第3透过气体的组成来代替第2透过气体的组成。在计算例73～77中，变更混合气体的组成，确认其影响。结果示于表12。
[表12]
Figure BDA0004113459080000571
(*1)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的CO2的重量(t)之比
(*2)必要的能量的合计值(MWh)相对所回收的N2的重量(t)之比
由表12可知，根据本实施方式的气体分离系统，对于二氧化碳的含有率非常低的混合气体也能够进行分离。
[产业上的可利用性]
本实施方式的气体分离系统适于对混合气体、尤其是包含二氧化碳及氮的排出气体进行分离。

Claims (21)

1.气体分离系统，其具备：
将包含二氧化碳及氮的混合气体分离为第1透过气体和第1非透过气体的第1分离膜单元；
将所述第1透过气体分离为第2透过气体和第2非透过气体的第2分离膜单元；
对所述第1分离膜单元的透过侧空间进行减压的第1减压装置；和
对所述第2分离膜单元的透过侧空间进行减压的第2减压装置。
2.如权利要求1所述的气体分离系统，其为连续式系统。
3.如权利要求1或2所述的气体分离系统，其中，下述(I)及(II)中的至少一者成立：
(I)在通过所述第1减压装置对所述第1分离膜单元的所述透过侧空间进行减压的同时，将所述混合气体分离为所述第1透过气体和所述第1非透过气体；
(II)在通过所述第2减压装置对所述第2分离膜单元的所述透过侧空间进行减压的同时，将所述第1透过气体分离为所述第2透过气体和所述第2非透过气体。
4.如权利要求1～3中任一项所述的气体分离系统，其中，
所述混合气体包含主成分气体及副成分气体，
所述第1透过气体中的所述副成分气体的含有率比所述混合气体高，
所述第1非透过气体中的所述副成分气体的含有率比所述混合气体低。
5.如权利要求4所述的气体分离系统，其中，
所述第2透过气体中的所述副成分气体的含有率比所述第1透过气体高，
所述第2非透过气体中的所述副成分气体的含有率比所述第1透过气体低。
6.如权利要求4或5所述的气体分离系统，其中，所述混合气体包含氮作为所述主成分气体、且包含二氧化碳作为所述副成分气体。
7.如权利要求1～6中任一项所述的气体分离系统，其中，所述混合气体中的二氧化碳的含有率CCO2(wt％)、及所述混合气体中的氮的含有率CN2(wt％)满足下述关系式(1)，
CCO2＜CN2/4   (1)。
8.如权利要求1～7中任一项所述的气体分离系统，其中，所述混合气体中的二氧化碳的含有率为5wt％以上。
9.如权利要求1～8中任一项所述的气体分离系统，其中，
所述第2透过气体中的二氧化碳的含有率为80wt％以上，
所述第1非透过气体中的氮的含有率为95wt％以上。
10.如权利要求1～9中任一项所述的气体分离系统，其还具备：连接于所述第1分离膜单元及所述第2分离膜单元、用于向所述第2分离膜单元供给所述第1透过气体的透过气体供给路径，
所述第1减压装置配置于所述透过气体供给路径。
11.如权利要求10所述的气体分离系统，其中，在所述透过气体供给路径未配置捕集所述第1透过气体的捕集器。
12.如权利要求10或11所述的气体分离系统，其中，所述透过气体供给路径仅由所述第1减压装置及配管构成。
13.如权利要求1～12中任一项所述的气体分离系统，其具备多个所述第1分离膜单元。
14.如权利要求13所述的气体分离系统，其中，所述第1减压装置为多个所述第1分离膜单元所共用。
15.如权利要求1～14中任一项所述的气体分离系统，其还具备：
连接于所述第1分离膜单元、用于向所述第1分离膜单元供给所述混合气体的混合气体供给路径；和
连接于所述第2分离膜单元、用于从所述第2分离膜单元排出所述第2非透过气体的排出路径，
所述排出路径在合流位置处与所述混合气体供给路径合流。
16.如权利要求1～15中任一项所述的气体分离系统，其中，
所述第1分离膜单元具有对所述混合气体进行分离的第1分离膜，
所述第2分离膜单元具有对所述第1透过气体进行分离的第2分离膜，
选自由所述第1分离膜及所述第2分离膜组成的组中的至少一者包含聚醚嵌段酰胺树脂或离子液体。
17.混合气体的分离方法，其包括：
将包含二氧化碳及氮的混合气体向第1分离膜单元供给、并对所述第1分离膜单元的透过侧空间进行减压，由此将所述混合气体分离为第1透过气体和第1非透过气体的第1分离工序；和
将所述第1透过气体向第2分离膜单元供给、并对所述第2分离膜单元的透过侧空间进行减压，由此将所述第1透过气体分离为第2透过气体和第2非透过气体的第2分离工序。
18.如权利要求17所述的分离方法，其中，在所述第1分离工序中，将所述第1分离膜单元的供给侧空间与所述透过侧空间的差压调节为400kPa以下。
19.如权利要求17或18所述的分离方法，其中，下述(i)及(ii)中的至少一者成立：
(i)在所述第1分离工序中，将所述第1分离膜单元的所述透过侧空间的压力表示为P(kPa)、将所述混合气体中的二氧化碳的含有率表示为x(wt％)时，满足以下的关系式(A)；
(ii)在所述第2分离工序中，将所述第2分离膜单元的所述透过侧空间的压力表示为P(kPa)、将所述第1透过气体中的二氧化碳的含有率表示为x(wt％)时，满足所述关系式(A)，
0.2e0.0536x≤P≤0.55e0.0536x(A)。
20.如权利要求17～19中任一项所述的分离方法，其中，所述第2分离工序中的所述第2分离膜单元的所述透过侧空间的压力与所述第1分离工序中的所述第1分离膜单元的所述透过侧空间的压力相同或高于该压力。
21.如权利要求17～20中任一项所述的分离方法，其中，所述混合气体是燃料燃烧所产生的排出气体。
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