DE102015003998A1

DE102015003998A1 - Gastrennsystem und Herstellungsverfahren für angereichertes Gas

Info

Publication number: DE102015003998A1
Application number: DE102015003998.9A
Authority: DE
Inventors: Nobuhiko Fukuda; Tomohide Nakamura
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2015-10-08
Also published as: US20180339264A1; CN104941394A; US20150273388A1; JP6435961B2; US10258921B2; CN104941394B; JP2016163868A

Abstract

Es wird ein Gastrennsystem bereitgestellt, in dem die Membranfläche des gesamten Systems verringert werden kann, während gleichzeitig eine hohe Ausbeuterate eines Zielgases aufrecht erhalten wird. Eine Ausströmöffnung für Retentatgas (11b) einer ersten Einheit (11) und eine Gaseinströmöffnung (12a) einer zweiten Einheit (12) sind durch eine Ausströmleitung für Retentatgas (14) miteinander verbunden. Eine Ausströmöffnung für Permeatgas (11c) der ersten Einheit und eine Gaseinströmöffnung (13a) einer dritten Einheit (13) sind durch eine Ausströmöffnug für Permeatgas (15) miteinander verbunden. Eine Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung (16) ist mit einer Gaseinströmöffnung (11a) der ersten Einheit verbunden. Eine Ausströmöffnung für Permeatgas (12c) der zweiten Einheit (12) und die Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung (16) sind durch eine Rücklaufleitung für Permeatgas (17) miteinander verbunden. Eine Ausströmöffnung für Retentatgas (13b) der dritten Einheit (13) und die Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung (16) sind durch eine Rücklaufleitung für Retentatgas (18) miteinander verbunden. Mindestens im Betrieb ist die Gaspermeabilität der zweiten Einheit (12) höher als die der dritten Einheit (13), und die Gasselektivität der dritten Einheit ist höher als die der zweiten Einheit.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gastrennsystem, das eine Gasmischung unter Verwendung einer Vielzahl von Gastrennmembraneinheiten trennt, und auf ein Herstellungsverfahren für ein angereichertes Gas, das dieses Gastrennsystem nutzt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Membrantrennverfahren, das die Differenz bezüglich der Gaspermeabilität im Hinblick auf eine Membran verwendet, ist als ein Verfahren zum Trennen einer Gasmischung, die mindestens zwei verschiedenen Gasarten umfasst, in die jeweiligen Gase bekannt. Mit diesem Verfahren können mindestens entweder ein hochreines Gas mit hoher Permeabilität oder ein hochreines Gas mit niedriger Permeabilität, welche die Zielgase sind, durch Gewinnen des Permeatgases und/oder des Retentatgases erhalten werden. Die Permeabilität – die das Volumen der Permeation durch eine Membran von jedem Gas, das in der Gasmischung umfasst ist, pro Einheitsmembranfläche, pro Einheitszeit, und pro Einheitspartialdruckdifferenz ist – kann als P' (Einheit: ×10^–5 cm³ (STP)/cm²·sec·cm Hg) ausgedrückt werden. Die Gasselektivität der Membran kann als das Verhältnis der Permeabilität des Gases mit hoher Permeabilität zu der Permeabilität des Gases mit niedriger Permeabilität ausgedrückt werden (d. h., Permeabilität des Gases mit hoher Permeabilität/Permeabilität des Gases mit niedriger Permeabilität).
Allgemein gesagt weist eine Gastrennmembran mit hoher Gasselektivität eine niedrige Gaspermeabilität auf, und umgekehrt weist eine Membran mit einer hohen Gaspermeabilität eine niedrige Gasselektivität auf. Somit vergrößert in Fällen der Gewinnung eines Gases mit niedriger Permeabilität aus einer Gasmischung unter Verwendung einer einstufigen Gastrennmembran die Verwendung einer Membran mit hoher Gasselektivität die Ausbeuterate, falls die Reinheit des zu gewinnenden Gases konstant ist. In diesem Fall ist jedoch die Permeabilität gering, und es ist somit notwendig, die Membranfläche zu vergrößern oder den Betriebsdruck zu vergrößern. Auf der anderen Seite benötigt eine Membran, die eine hohe Permeabilität aufweist, eine Vergrößerung der Membranfläche oder eine Vergrößerung des Betriebsdruckes nicht, aber die Ausbeuterate ist verringert, weil ihre Gasselektivität verringert ist.
Im Allgemeinen wird eine Gastrennmembran in der Form eines Gastrennmembransmoduls verwendet, wobei die Gastrennmembran, die Gaspermselektivität aufweist, in einem Behälter untergebracht wird, der mindestens eine Gaseinströmöffnung, eine Ausströmöffnung für Permeatgas, und eine Ausströmöffnung für Retentatgas aufweist. Die Gastrennmembran wird im Inneren des Behälters in einer solchen Weise angebracht, so dass der Raum auf der Seite des Gaseinlasses und der Raum auf der Gaspermeationseite voneinander getrennt sind. In einem Gastrennsystem werden im Allgemeinen eine Vielzahl von solchen Gastrennmembranmodulen parallel zueinander kombiniert und sie werden als eine Gastrennmembraneinheit verwendet, um eine vorgegebene Membranfläche zu erhalten. Die Vielzahl an Gastrennmembranmodulen, die die Gastrennmembraneinheit bilden, teilen sich die Gaseinströmöffnung, die Ausströmöffnung für Retentatgas, und die Ausströmöffnung für Permeatgas, und die Gastrennmembraneinheit funktioniert somit im Wesentlichen als ein grosses Gastrennmembranmodul.
Um das Zielgas mit niedrieger Permeabilität mit hoher Reinheit und einer hohen Ausbeuterate zu gewinnen, verwendet ein bekanntes Verfahren ein System, das mehrere Stufen der zuvor erwähnten Gastrennmembraneinheiten umfasst. Beispiele solcher mehrstufigen Gastrennsysteme umfassen: ein System, in dem das Retentatgas der ersten Stufe, das erhalten wird, indem ein Gas mit niedriger Permeabilität angereichert wird, weiter getrennt wird, um die Reinheit zu erhöhen; und ein System, in dem ein Gas mit niedriger Permeabilität, das in dem Permeatgas der ersten Stufe enthalten ist, gewonnen wird, um die Ausbeuterate zu verbessern.
Im Hinblick auf vielstufige Gastrennmembraneinheiten schlägt zum Beispiel Patentliteratur 1 ein Gastrennverfahren vor, das drei Gastrennmembraneinheiten umfasst, die den Konzentrattrennstufen (1) bis (3) entsprechen. In dem Gastrennverfahren, das in Patentliteratur 1 offenbart ist, wird eine Gasmischung, die getrennt werden soll, zu einer Konzentrattrennstufe (1) (erste Gastrennmembraneinheit) zugeführt. Das Retentatgas, das aus der Konzentrattrennstufe (1) ausströmt, wird zu einer Konzentrattrennstufe (2) (zweite Gastrennmembraneinheit) zugeführt, und das Permeatgas, das aus der ersten Gastrenneinheit ausströmt, wird zu einer Konzentrattrennstufe (3) (dritte Gastrennmembraneinheit) zugrführt. Weiter werden das Permeatgas, das aus der zweiten Gastrennmembraneinheit ausströmt, und auch das Retentatgas, das aus der dritten Gastrennmembraneinheit ausströmt, zu der ersten Gastrennmembraneinheit zurückgeführt (s. 11 von Patentliteratur 1). Anspruch 1 von Patentliteratur 1 beschreibt, dass ”vorzugsweise die Selektivität des gemischten Gases in allen drei Membrantrennstufen (1) bis (3) mindestens 30 beträgt”, und das Beispiel, das darin beschrieben wird, verwendet drei Trennmembraneinheiten, die die gleiche hohe Gasselektivität aufweisen.
ZITATLISTE
PATENTLITERATUR

Patentliteratur 1: JP 2013-534863 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Unglücklicherweise ist in Fällen, in denen, wie in Patentliteratur 1, drei Gastrennmembraneinheiten, die die gleiche hohe Gasselektivität aufweisen, verwendet werden, die Gaspermeabilität gering; somit ist es, um Gas mit einer vorgegebenen Reinheit und mit einer hohen Ausbeuterate zu erhalten, notwendig, die gesamte Membranfläche in dem System zu vergrößern – es ist zum Beispiel notwendig, die Anzahl der Membranmodule zu vergrößern.
Auf der anderen Seite ist es durch Verwendung von drei Gastrennmembraneinheiten, die eine ähnlich niedrige Gasselektivität aufweisen, möglich, die gesamte Membranfläche in dem System zu verringern, aber in diesem Fall verschlechtert sich die Ausbeuterate des Zielgases, und der Vorteil, drei Gastrennmembraneinheiten in Kombination zu verwenden, wird aufgehoben.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gastrennsystem und ein Herstellungsverfahren für angereichertes Gas bereitzustellen, mit denen es möglich ist, die Nachteile des zuvor erwähnten Standes der Technik zu überwinden.
LÖSUNG ZU DEM PROBLEM
Als ein Ergebnis von sorgfältigen Studien, um das zuvor erwähnte Problem zu lösen, haben die Erfinder gefunden, dass sowohl eine extrem hohe Ausbeuterate als auch eine Reduktion der Membranfläche in dem gesamten System erreicht werden können, indem in einem Gastrennsystem, das, wie oben beschrieben, drei Gastrennmembraneinheiten aufweist, zumindest im Systembetrieb die Gaspermeabilität der zweiten Gastrennmembraneinheit höher als die Gaspermeabilität der dritten Gastrennmembraneinheit gemacht wird, und indem die Gasselektivität der dritten Gastrennmembraneinheit höher als die Gasselektivität der zweiten Gastrennmembraneinheit gemacht wird.
Die vorliegende Erfindung löst das zuvor erwähnte Problem, indem ein Gastrennsystem bereitgestellt wird, in dem eine Zufuhrgasmischung, die mindestens zwei verschiedene Gasarten umfasst, zu Gastrennmembraneinheiten zugeführt wird und mindestens eine Gasart unter den Gasarten, die in der Zufuhrgasmischung enthalten sind, angereichert wird, wobei:
die Gastrennmembraneinheiten eine erste Gastrennmembraneinheit, eine zweite Gastrennmembraneinheit, und eine dritte Gastrennmembraneinheit umfassen;
jede der Gastrennmembraneinheiten mindestens eine Gaseinlaßöffnung, eine Ausströmöffnung für Permeatgas, und eine Ausströmöffnung für Retentatgas umfasst;
die Ausströmöffnung für Retentatgas der ersten Gastrennmembraneinheit und die Gaseinströmöffnung der zweiten Gastrennmembraneinheit durch eine Ausströmleitung für Retentatgas miteinander verbunden sind;
die Ausströmöffnung für Permeatgas der ersten Gastrennmembraneinheit und die Gaseinströmöffnung der dritten Gastrennmembraneinheit durch eine Ausströmleitung für Permeatgas miteinander verbunden sind;
eine Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung mit der Gaseinströmöffnung der ersten Gastrennmembraneinheit verbunden ist und ein erstes Kompressionsmittel in Strommitte der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung zwischengeschaltet und angeordnet ist;
die Ausströmöffnung für Permeatgas der zweiten Gastrennmembraneinheit und eine Position auf einer Saugseite des ersten Kompressionsmittels in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung durch eine Rücklaufleitung für Permeatgas miteinander verbunden sind;
die Ausströmöffnung für Retentatgas der dritten Gastrennmembraneinheit und eine Position auf der Saugseite oder auf einer Ausströmseite des ersten Kompressionsmittels in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung durch eine Rücklaufleitung für Retentatgas miteinander verbunden sind;
ein angereichertes Gas entweder von der Ausströmöffnung für Retentatgas der zweiten Gastrennmembraneinheit oder von der Ausströmöffnung für Permeatgas der dritten Gastrennmembraneinheit entnommen wird;
und mindestens im Betrieb die Gaspermeabilität der zweiten Gastrennmembraneinheit höher als die Gaspermeabilität der dritten Gastrennmembraneinheit ist, und die Gasselektivität der dritten Gastrennmembraneinheit höher als die Gasselektivität der zweiten Gastrennmembraneinheit ist.
Die vorliegende Erfindung löst das zuvor erwähnte Problem, indem sie auch ein Herstellungsverfahren für angereichertes Gas bereitstellt, in dem eine Zufuhrgasmischung, die mindestens zwei verschiedene Gasarten umfasst, zu einem Gastrennsystem zugeführt wird und das Gastrennsystem betrieben wird, um ein angereichertes Gas, in dem mindestens eine Gasart unter den Gasarten, die in der Zufuhrgasmischung umfasst sind, angereichert wird, herzustellen, wobei das Verfahren umfasst:
dass als das Gastrennsystem ein Gastrennsystem verwendet wird, das eine erste Gastrennmembraneinheit, eine zweite Gastrennmembraneinheit, und eine dritte Gastrennmembraneinheit umfasst, wobei: jede der Gastrennmembraneinheiten mit einer Gaseinlaßöffnung, einer Ausströmöffnung für Permeatgas, und einer Ausströmöffnung für Retentatgas bereitgestellt wird; die Ausströmöffnung für Retentatgas der ersten Gastrennmembraneinheit und die Gaseinströmöffnung der zweiten Gastrennmembraneinheit durch eine Ausströmleitung für Retentatgas miteinander verbunden sind; die Ausströmöffnung für Permeatgas der ersten Gastrennmembraneinheit und die Gaseinströmöffnung der dritten Gastrennmembraneinheit durch eine Ausströmleitung für Permeatgas miteinander verbunden sind; eine Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung mit der Gaseinströmöffnung der ersten Gastrennmembraneinheit verbunden ist; ein erstes Kompressionsmittel in Strommitte der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung zwischengeschaltet und angeordnet ist; die Ausströmöffnung für Permeatgas der zweiten Gastrennmembraneinheit und eine Position auf der Saugseite des ersten Kompressionsmittels in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung durch eine Rücklaufleitung für Permeatgas miteinander verbunden sind; und die Ausströmöffnung für Retentatgas der dritten Gastrennmembraneinheit und eine Position auf der Saugseite oder auf einer Ausströmseite des ersten Kompressionsmittels in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung durch eine Rücklaufleitung für Retentatgas miteinander verbunden sind;
dass die Zufuhrgasmischung durch die Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung zu der ersten Gastrennmembraneinheit zugeführt wird, und dass ein angereichertes Gas entweder von der Ausströmöffnung für Retentatgas der zweiten Gastrennmembraneinheit oder von der Ausströmöffnung für Permeatgas der dritten Gastrennmembraneinheit entnommen wird; und
dass das Gastrennsystem unter Bedingungen betrieben wird, unter denen die Gaspermeabilität der zweiten Gastrennmembraneinheit höher als die Gaspermeabilität der dritten Gastrennmembraneinheit ist, und die Gasselektivität der dritten Gastrennmembraneinheit höher als die Gasselektivität der zweiten Gastrennmembraneinheit ist.
WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Membranfläche in dem gesamten System zu verringern – z. B., die Anzahl der Membranmodule zu verringern – und somit die anfänglichen Kosten zu verringern, während gleichzeitig eine hohe Zielgasausbeuterate aufrechterhalten wird. Somit ist das Gastrennsystem der Erfindung ökonomisch wirksam.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration eines Gastrennsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur eines Beispiels eines Gastrennmembranmoduls veranschaulicht, das in dem Gastrennsystem der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
3 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration eines Gastrennsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird unten gemäß bevorzugter Ausführungsformen und Beispielen davon unter Verweis auf die Figuren beschrieben.
Zunächst werden ein Gastrennsystem 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und ein Herstellungsverfahren für angereichertes Gas gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zum Herstellen eines angereicherten Gases unter Verwendung des Gastrennsystems 10 unter Verweis auf 1 beschrieben. Das Gastrennsystem 10, das in 1 veranschaulicht wird, umfasst drei Gastrennmembraneinheiten: eine erste Gastrennmembraneinheit 11, eine zweite Gastrennmembraneinheit 12, und eine dritte Gastrennmembraneinheit 13. Es ist zum Beispiel möglich, für jede Gastrennmembraneinheit 11, 12, und 13 ein Modul 40 zu verwenden, in dem eine Gastrennmembran 30, die z. B. aus Hohlfasermembranen hergestellt ist und Gaspermselektivität aufweist, im Inneren eines Gehäuses 31 untergebracht ist, wie es in 2 veranschaulicht wird. Jede Gastrennmembraneinheit 11, 12, und 13 in dieser Ausführungsform nutzt ein einzelnes Gastrennmembranmodul 40, wie es in 2 veranschaulicht wird, oder nutzt ein Modulset, in dem eine Vielzahl von Modulen 40 parallel zueinander angeordnet sind. Die zwei engegengesetzten Oberflächen des Gehäuses 31 in jedem Modul 40 sind offen, und bilden Öffnungen 32. Es sollte beachtet werden, dass diese Öffnungen 32 zum Einsetzen der Gastrennmembran 30 in das Gehäuse 31 dienen, und nicht die Öffnungen der Gastrennmembran 30 sind. Die Gastrennmembran 30 wird im Inneren des Gehäuses 31 durch die Öffnung 32 untergebracht. In Fällen, in denen die Gastrennmembran 30 durch ein Bündel aus Hohlfasermembranen gebildet wird, wird die Gastrennmembran 30 im Inneren des Gehäuses 31 so untergebracht, dass in einem Zustand, in dem die Membran im Inneren des Gehäuses 31 untergebracht ist, die jeweiligen Enden der Hohlfasermembranen in der Nähe der jeweiligen Öffnungen 32 des Gehäuses 31 geöffnet sind.
In einem Zustand, in dem die Gastrennmembran 30 im Inneren des Gehäuses 31 untergebracht ist, ist die Gastrennmembran 30 an der Innenwand des Gehäuses 31 durch Rohrplatten 33, 34 an Positionen an den jeweiligen Enden in der Y-Richtung befestigt, die die Richtung ist, in der sich die Hohlfasermembranen erstrecken. Die Öffnungen 32 des Gehäuses 31 werden durch entsprechende Deckel 35, 36 geschlossen. Der Deckel 35 wird mit einer Gaseinströmöffnung 37 bereitgestellt. Der Deckel 36 wird mit einer Ausströmöffnung 38 für das Retentatgas bereitgestellt. Die Gasmischung, die getrennt werden soll, wird in das Modul über die Gaseinströmöffnung 37 des Deckels 35 eingeleitet. Von den eingeleiteten Gasen strömt das Gas, das durch die Gastrennmembran 30 permeiert hat, außerhalb des Moduls über eine Ausströmöffnung für Permeatgas 39, die in dem Gehäuse 31 bereitgestellt wird, aus. Auf der anderen Seite strömt das Retentatgas, das die Gastrennmembran 30 nicht permeiert hat, außerhalb des Moduls über die Ausströmöffnung für Retentatgas 38 in dem Deckel 36 aus. In einigen Fällen kann eine Spülgaseinströmöffnung (nicht gezeigt) in dem Gehäuse 31 bereitgestellt werden. Obwohl die obige Erklärung auf dem Trennmembranmodul, das in 2 veranschaulicht wird, basiert, muss es nicht erwähnt werden, dass die vorliegende Erfindung auf Trennmembranmodule mit anderen Konfigurationen anwendbar ist – zum Beispiel ist die Erfindung auf Module vom Schalen-Zufuhr-Typ anwendbar.
Wieder zurück zu 1: Die erste Gastrennmembraneinheit 11 und die zweite Gastrennmembraneinheit 12 sind in Serie zueinander miteinander verbunden, wie in 1 veranschaulicht wird. Genauer gesagt sind die erste Gastrennmembraneinheit 11 und die zweite Gastrennmembraneinheit 12 miteinander verbunden, indem die Ausströmöffnung für Retentatgas 11b der ersten Gastrennmembraneinheit 11 und die Gaseinströmöffnung 12a der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 durch eine Ausströmleitung für Retentatgas 14 miteinander verbunden sind.
Wie weiter in 1 veranschaulicht wird, sind die erste Gastrennmembraneinheit 11 und die dritte Gastrennmembraneinheit 13 in Serie zueinander miteinander verbunden. Genauer gesagt sind die erste Gastrennmembraneinheit 11 und die dritte Gastrennmembraneinheit 13 miteinander verbunden, indem die Ausströmöffnung für Permeatgas 11c der ersten Gastrennmembraneinheit 11 und die Gaseinströmöffnung 13a der dritten Gastrennmembraneinheit 13 durch eine Ausströmleitung für Permeatgas 15 miteinander verbunden sind.
Eine Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung 16 zum Zuführen einer Zufuhrgasmischung, die das Zufuhrgas ist, das aus einer Gasmischungsquelle (nicht gezeigt) zugeführt wird, zu der ersten Gastrennmembraneinheit 11 ist mit der Gaseinströmöffnung 11a der ersten Gastrennmembraneinheit 11 verbunden. Ein erstes Komprssionsmittel 21 ist in Strommitte der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung 16 zwischengeschaltet und angeordnet. Das erste Kompressionsmittel 21 wird mit dem Ziel bereitgestellt, die Gasmischung unter Druck zu setzen, die von der Gasmischungsquelle zugeführt wird, und mit dem Ziel, das Permeatgas unter Druck zu setzen, das aus der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 ausströmt, wenn das Permeatgas zu der ersten Gastrennmembraneinheit 11 zurückgeführt wird, und mit dem Ziel, um das Retentatgas unter Druck zu setzen, das aus der dritten Gastrennmembraneinheit 13 ausströmt, wenn das Retentatgas zu der ersten Gastrennmembraneinheit 11 zurückgeführt wird.
Die Ausströmöffnuung für Permeatgas 12c der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 und eine Position auf der Saugseite des ersten Kompressionsmittels 21 in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung 16 sind durch eine Rücklaufleitung für Permeatgas 17 miteinander verbunden. Auf der anderen Seite sind die Ausströmöffnung für Retentatgas 13b der dritten Gastrennmembraneinheit 13 und eine Position auf der Saugseite des ersten Kompressionsmittels 21 in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung 16 durch eine Rücklaufleitung für Retentatgas 18 miteinander verbunden.
Der Betrieb des Gastrennsystems 10 der vorliegenden ersten Ausführungsform, die wie oben konfiguriert ist, wird unten beschrieben. Eine Zufuhrgasmischung, die getrennt werden soll, wird von einer Gasmischungsquelle (nicht gezeigt) zu der ersten Gastrennmembraneinheit 11 über die Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung 16 zugeführt. Bevor sie zugeführt wird, wird die Gasmischung durch das erste Kompressionsmittel 21 unter Druck gesetzt, und ihr Druck wird erhöht. Es ist möglich, für das erste Kompressionsmittel 21 Mittel zu verwenden, die ähnlich zu jenen sind, die üblicherweise in diesem technischen Gebiet verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Kompressor (eine Kompressionsmaschine) verwendet werden.
Die Gasmischung umfasst mindestens Gas A und Gas B, welche zwei verschiedene Gasarten sind, die getrennt werden sollen. Die Gasarten A und B sind nicht besonders eingeschränkt. Wenn die Gasmischung, die durch das erste Kompressionsmittel unter Druck gesetzt wurde, zu der ersten Gastrennmembraneinheit 11 zugeführt wird, wird die Gasmischung aufgrund einer Differenz bezüglich der Permeabilität im Hinblick auf die Gastrennmembran in ein Permeatgas, welches das Gas ist, das durch die Gastrennmembran permeiert, und ein Retentatgas, welches das Gas ist, das nicht durch die Gastrennmembran permeiert, getrennt. Zur Vereinfachung ist in der unten folgenden Beschreibung das Gas A ein Gas, das eine hohe Permeabilität im Hinblick auf die Gastrennmembran aufweist – d. h. ein Gas mit hoher Permeabilität; während das Gas B ein Gas ist, das eine niedrige Permeabilität im Hinblick auf die Gastrennmembran aufweist – d. h. ein Gas mit niedriger Permeabilität. Das Retentatgas, das aus der ersten Gastrennmembraneinheit 11 ausströmt, ist ein Gas, in dem das Gas B im Vergleich zu der Gasmischung, die das Rohmaterial ist, höher konzentriert ist. Das Retentatgas strömt aus der Ausströmöffnung für das Retentatgas 11b der ersten Gastrennmembraneinheit 11 aus, und wird zu der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 über die Ausströmleitung für Retentatgas 14 zugeführt. Auf der anderen Seite ist das Permeatgas aus der ersten Gastrennmembraneinheit 11 ein Gas, in dem das Gas A im Vergleich zu der Gasmischung, die das Rohmaterial ist, höher konzentriert ist. Das Permeatgas strömt aus der Ausströmöffnung für Permeatgas 11c der ersten Gastrennmembraneinheit 11 aus, und wird zu der dritten Gastrennmembraneinheit 13 über die Ausströmleitung für Permeatgas 15 zugeführt.
Das Gas, das in die dritte Gastrennmembraneinheit 13 eingeleitet wird (d. h. ein Gas, das an Gas A angereichert ist), wird durch die Einheit 13 in Permeatgas und Retentatgas getrennt. Das Permeatgas ist ein Gas, in dem das Gas A im Vergleich zu dem Gas, das zu der dritten Gastrennmambraneinheit 13 geleitet wird, weiter konzentriert und angereichert ist, und das Permeatgas wird von der Ausströmöffnung für Permeatgas 13c der Einheit 13 entnommen. Auf der anderen Seite strömt das Retentatgas aus der Ausströmöffnung für Retentatgas 13b der dritten Gastrennmembraneinheit 13 aus, und wird über die Rücklaufleitung für Retentatgas 18, die mit der Ausströmöffnung 13b verbunden ist, zu der Saugseite des ersten Kompressionsmittels 21 in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung 16 zurückgeführt.
Auf der anderen Seite wird das Retentatgas, das aus der Ausströmöffnung für Retentatgas 11b der ersten Gastrennmembraneinheit 11 ausströmt, in die zweite Gastrennmembraneinheit 12 eingeleitet. Das Gas, das in die zweite Gastrennmembraneinheit 12 eingeleitet wird, wird durch die Einheit 12 in Permeatgas und Retentatgas getrennt. Das Retentatgas ist ein Gas, in dem das Gas B im Vergleich zu dem Gas, das in die zweite Gastrennmembraneinheit 12 eingeleitet wird, weiter konzentriert und angereichert ist, und das Retentatgas wird von der Ausströmöffnung für Retentatgas 12b der Einheit 12 entnommen. Auf der anderen Seite strömt das Permeatgas aus der Ausströmöffnung für Permeatgas 12c der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 aus, und es wird über die Rücklaufleitung für Permeatgas 17, die mit der Ausströmöffnung 12c verbunden ist, zu der Saugseite des ersten Kompressionsmittels 21 in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung 16 zurückgeführt. Das Permeatgas und das Retentatgas, die zurückgeführt worden sind, werden mit der Gasmischung, die das Rohmaterial ist, gemischt, und sie werden durch das erste Kompressionsmittel 21 unter Druck gesetzt.
Allgemein gesagt weist das Gas A, das in der Gasmischung umfasst ist, eine relativ höhere Permeabilität als das Gas B im Bezug auf alle der Gastrennmembraneinheiten 11, 12, und 13 auf. Auf der anderen Seite weist das Gas B, das in der Gasmischung umfasst ist, eine relativ niedrigere Permeabilität als das Gas A in Bezug auf alle der Gastrennmembraneinheiten 11, 12, und 13 auf.
Hinsichtlich der Gastrennmembraneinheiten 11, 12, und 13, die in dem Gastrennsystem 10 verwendet werden, wird zumindest im Betrieb die Gaspermeabilität der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 höher als die Gaspermeabilität der dritten Gastrennmembraneinheit 13 gemacht, und die Gasselektivität der dritten Gastrennmembraneinheit 12 wird höher als die Gasselektivität der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 gemacht. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben gefunden, dass, indem diese Konfiguration in einem Gastrennsystem, in dem eine erste Gastrennmembraneinheit in Serie zueinander mit jeder von einer zweiten und dritten Gastrennmembraneinheit verbunden ist, verwendet wird, es möglich ist, die Membranfläche der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 sehr zu verringern, während die Reinheit des erhaltenen Gases und die Gasausbeuterate – insbesondere die Ausbeuterate des Gases mit niedriger Permeabilität – im Vergleich zu Fällen, in denen die Gastrennselektivitäten der entsprechenden ersten bis dritten Gastrennmembraneinheiten im Betrieb alle gleichmäßig hoch gemacht werden, kaum verringert werden. Zum Beispiel kann in Fällen, in denen die zweite Gastrennmembraneinheit 12 durch Hohlfasermembranmodule gebildet wird, wie es in 2 veranschaulicht wird, die Anzahl an Membranmodulen verringert werden. Somit ist es in der vorliegenden Erfindung möglich, die gesamte Membranfläche in dem System – z. B. die Anzahl an Membranmodulen – zu verringern, während eine vorgegebene Gasreinheit und Gasausbeuterate aufrecht erhalten werden, und somit können anfängliche Systemkosten verringert werden und eine Raumersparnis kann erreicht werden. Es sollte beachtet werden, dass, falls ein Abschnitt in der vorliegenden Beschreibung einfach den Begriff ”im Betrieb” verwendet, der Betrieb nicht auf eine spezifische Betriebsbedingung eingeschränkt ist, sondern es nicht erwähnt werden muss, dass diese Aussage z. B. auch sowohl die beiden Fälle, in denen die Einheiten 11 bis 13 bei verschiedenen Temperaturen betrieben werden, wie weiter unten beschrieben wird, als auch Fälle, in denen die Einheiten 11 bis 13 alle bei der gleichen Temperatur betrieben werden, umfasst.
Die zuvor erwähnte Gaspermeabilität ist die Permeabilität des Gases A (Gas mit hoher Permeabilität), welches das Gas ist – unter den Gases A und B, die in der Gasmischung umfasst sind – dessen Permeabilität in der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 hoch gemacht werden soll. Im Betrieb kann die Gasselektivität und/oder die Gaspermeabilität der ersten Gastennmembraneinheit 11 die gleiche wie, oder verschieden von, der der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 sein. In Fällen, in denen die Selektivität und/oder die Permeabilität der ersten Gastrennmembraneinheit 11 verschieden sind bzw. ist, können bzw. kann die Selektivität und/oder die Permeabilität höher oder niedriger als die der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 sein. Im Betrieb kann die Gasselektivität und/oder die Gaspermeabilität der ersten Gastennmembraneinheit 11 die gleiche wie, oder verschieden von, der der dritten Gastrennmembraneinheit 13 sein. In Fällen, in denen die Selektivität und/oder die Permeabilität der ersten Gastrennmembraneinheit 11 verschieden sind bzw. ist, können bzw. kann die Selektivität und/oder die Permeabilität höher oder niedriger als die der dritten Gastrennmembraneinheit 13 sein. Es ist vom Gesichtspunkt, dass die Kompressionsleistung des ersten Kompressionsmittels 21 verringert werden kann, bevorzugt, die Gasselektivität der ersten Gastrennmembraneinheit 11 im Betrieb höher als die der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 – z. B. gleich zu der oder höher als die der dritten Gastrennmembraneinheit 13 – zu machen. Es ist vom Gesichtspunkt, dass die Membranfläche in der ersten Gastrennmembraneinheit 11 verringert werden kann, bevorzugt, die Gaspermeabilität der ersten Gastrennmembraneinheit 11 im Betrieb höher als die der dritten Gastrennmembraneinheit 13 – z. B. gleich zu der oder höher als die der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 – zu machen.
Um im Betrieb die Gaspermeabilität der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 höher als die der dritten Gastrennmembraneinheit 13 zu machen, und um die Gasselektivität der dritten Gastrennmembraneinheit 13 höher als die der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 zu machen, können verschiedene Typen von Membranen für die zweite Gastrennmembraneinheit 12 und die dritte Gastrennmembraneinheit 13 verwendet werden. Um die Membrantypen zwischen den Einheiten verschieden zu machen, können die Einheiten nutzen: (1) Trennmembranen, die verschiedene chemische Zusammensetzungen aufweisen; (2) Trennmembranen, die die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen, aber für die die Herstellungsbedingungen (z. B. Bedingungen zum Herstellen der Membran, die Wärmebehandlungstemperatur, etc.) verschieden sind; oder (3) Trennmembranen, die die gleiche chemische Zusammensetzung und Herstellungsbedingungen aufweisen, aber für die die Bedingungen für eine Oberflächenbehandlung, wie zum Beispiel eine Beschichtung, verschieden sind.
Es ist allgemein bekannt, dass, selbst wenn die gleiche Gastrennmembran verwendet wird, indem die Betriebstemperatur relativ niedrig eingestellt wird, im Vergleich zu Fällen, in denen die Betriebstemperatur relativ hoch eingestellt wird, die Gaspermeabilität verringert wird und die Gasselektivität erhöht wird.
Basierend auf dieser Tatsache kann in dem Gastrennsystem und in dem Herstellungsverfahren für angereichertes Gas der vorliegenden Erfindung die Betriebstemperatur zwischen den Einheiten verschieden gemacht werden, um die Gaspermeabilität der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 höher als die der dritten Gastrennmembraneinheit 13 zu machen und die Gasselektivität der dritten Gastrennmembraneinheit 13 höher als die der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 zu machen. Genauer gesagt ist es bevorzugt, die Betriebstemperatur der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 auf eine höhere Temperatur als die Betriebstemperatur der dritten Gastrennmembraneinheit 13 einzustellen. Indem die Betriebstemperatur für jede Einheit geändert wird (zum Beispiel, indem die dritte Gastrennmembraneinheit bei einer relativ niedrigen Temperatur betrieben wird), ist es selbst in Fällen, in denen die gleiche Gastrennmembran für die zweite Gastrennmembraneinheit 12 und die dritte Gastrennmembraneinheit 13 verwendet wird, möglich, die gleichen Wirkungen wie in den Fällen, in denen verschiedene Trennmembranen verwendet werden, zu erreichen. Es muss nicht erwähnt werden, dass die vorliegende Erfindung auch Fälle umfasst, in denen die Gasselektivität und/oder Gaspermeabilität zwischen den Einheiten verschieden gemacht werden bzw. wird, indem verschiedene Betriebstemperaturen für jede Einheit verwendet werden, und auch indem verschiedene Membrantypen für die zweite Gastrennmembraneinheit 12 und die dritte Gastrennmembraneinheit 13 verwendet werden. In Fällen, in denen die Betriebstemperatur der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 auf eine höhere Temperatur als die der dritten Gastrennmembraneinheit 13 eingestellt wird, ist es vom Gesichtspunkt der Verstärkung der Wirkungen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass die Differenz bezüglich der Betriebstemperatur zwischen der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 und der dritten Gastrennmembraneinheit 13 5°C oder höher beträgt, weiter bevorzugt 20°C oder höher, und noch weiter bevorzugt 40°C oder höher.
Die Betriebstemperatur der ersten Gastrennmembraneinheit kann die gleiche wie die, oder verschieden von der, der zweiten Gastrennmembraneinheit sein. In Fällen, in denen die Betriebstemperatur verschieden ist, kann sie höher oder niedriger als die der zweiten Gastrennmembraneinheit sein. Die Betriebstemperatur der ersten Gastrennmembraneinheit kann die gleiche wie die, oder verschieden von der, der dritten Gastrennmembraneinheit sein. In Fällen, in denen die Betriebstemperatur verschieden ist, kann sie höher oder niedriger als die der dritten Gastrennmembraneinheit sein.
Falls die Betriebstemperatur der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 höher als die der ersten Gastrennmembraneinheit 11 eingestellt werden soll, kann der Bereich der Differenz bezüglich der Betriebstemperatur zwischen den Einheiten ähnlich zu dem Bereich sein, der oben als die Differenz bezüglich der Betriebstemperatur zwischen der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 und der dritten Gastrennmembraneinheit 13 beschrieben worden ist. Weiter kann, falls die Betriebstemperatur der ersten Gastrennmembraneinheit 11 höher als die der dritten Gastrennmembraneinheit 13 eingestellt werden soll, der Bereich der Differenz bezüglich der Betriebstemperatur zwischen den Einheiten ähnlich zu dem Bereich sein, der oben als die Differenz bezüglich der Betriebstemperatur zwischen der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 und der dritten Gastrennmembraneinheit 13 beschrieben worden ist.
Die zuvor erwähnte Gaspermeabilität ist das Permeationsvolumen durch die Membran von jedem Gas, das in der Gasmischung umfasst ist, pro Membranflächeneinheit, pro Zeiteinheit, und pro Partialdrucksdifferenzeinheit, und kann als P' (Einheit: ×10^–5 cm³ (STP)/cm²·sec·cmHg) ausgedrückt werden. Die Gasselektivität der Membran kann als das Verhältnis der Permeabilität P'_A der Gases mit hoher Permeabilität zu der Permeabilität P'_B des Gases mit niedriger Permeabilität (d. h. Permeabilität des Gases mit hoher Permeabilität P'_A/Permeabilität des Gases mit niedriger Permeabilität P'_B) ausgedrückt werden.
Es ist vom Gesichtspunkt, die Wirkungen der vorliegenden Erfindung weiter zu verstärken, bevorzugt, dass das Verhältnis der Gasselektivität der dritten Gastrennmembraneinheit 13 (P'_A/P'_B (3)) zu der Gasselektivität der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 (P'_A/P'_B (2)) (d. h. das Verhältnis (P'_A/P'_B (3))/(P'_A/P'_B (2)) im Betrieb 1,2 oder größer ist, weiter bevorzugt 1,5 oder größer, und noch weiter bevorzugt 2 oder größer. Weiter ist es vom Gesichtspunkt, die Wirkungen der vorliegenden Erfindung weiter zu verstärken, bevorzugt, dass das Verhältnis der Gaspermeabilität (Permeabilität des Gases mit hoher Permeabilität A) in der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 P'_A (2) zu der Gaspermeabilität (Permeabilität der Gases mit hoher Permeabilität A) in der dritten Gastrennmembraneinheit 13 P'_A (3) (d. h. das Verhältnis P'_A (2)/P'_A (3)) im Betrieb 1,0 oder größer ist, weiter bevorzugt 1,1 oder größer, und noch weiter bevorzugt 1,2 oder größer. Verschiedene Bedingungen – wie zum Beispiel die Systembetriebstemperatur, und/oder das Material, die Oberflächenbehandlungsbedingungen, die Wärmebehandlungsbedingungen, etc. der Trennmembranen – können angepasst werden, um das Verhältnis der Gaspermeabilität und das Verhältnis der Gasselektivität im Betrieb auf Werte einzustellen, die gleich zu oder über den zuvor erwähnten Obergrenzen liegen.
Falls die Gasselektivität der ersten Gastrennmenbraneinheit 11 (P'_A/P'_B (1)) höher als die der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 eingestellt werden soll, kann das Verhältnis (P'_A/P'_B (1))/(P'_A/P'_B (2)) ähnlich zu den zuvor erwähnten Verhältnissen sein, die für das Verhältnis (P'A/P'B (3))/(P'A/P'B (2)) beschrieben worden sind. Falls die Gaspermeabilität der ersten Gastrennmembraneinheit 11 (P'_A (1)) niedriger als die der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 eingestellt werden soll, kann das Verhältnis P'_A (2)/P'_A (1) ähnlich zu den zuvor erwähnten Verhältnissen sein, die für das Verhältnis P'_A (2)/P'_A (3) beschrieben worden sind.
Falls die Gasselektivität der ersten Gastrennmembraneinheit 11 (P'_A/P'_B (1)) niedriger als die der dritten Gastrennmembraneinheit 13 eingestellt werden soll, kann das Verhältnis (P'_A/P'_B (3))/(P'_A/P'_B (1)) ähnlich zu den zuvor erwähnten Verhältnissen sein, die für das Verhältnis (P'_A/P'_B (3))/(P'_A/P'_B (2)) beschrieben worden sind. Falls die Gaspermeabilität der ersten Gastrennmembraneinheit 11 (P'_A (1)) höher als die der dritten Gastrennmembraneinheit 13 eingestellt werden soll, kann das Verhältnis P'_A (1)/P'_A (3) ähnlich zu den zuvor erwähnten Verhältnissen sein, die für das Verhältnis P'_A (2)/P'_A (3) beschrieben worden sind.
Die Gastrennmembran, die in jeder Gastrennmembraneinheit 11, 12, und 13 verwendet werden soll, kann wie geeignet in Abhängigkeit der eingeleiteten Gasmischung und/oder des Typs des Zielproduktgases ausgewählt werden. Membranen, die üblicherweise in diesem technischen Gebiet verwendet werden, können ohne besondere Einschränkungen für die Gastrennmembranen verwendet werden. Beispiele von Membranmaterialien umfassen: Gummizustand-Polymermaterialien, wie zum Beispiel Siliconharze und Polybutadienharze; Glaszustand-Polymermaterialien, wie zum Beispiel Polyimide, Polyetherimide, Polyamide, Polyamidimide, Polysulfone, Polycarbonate, und Cellulose; und keramische Materialien, wie zum Beispiel Zeolith. Die Gastrennmembran kann zum Beispiel eine homogene Membran, eine asymmetrische Membran, die eine homogene Schicht und eine poröse Schicht umfasst, oder eine mikroporöse Membran sein. Die Gastrennmembran kann in dem Gehäuse in verschiedenen Formen untergebracht sein, wie zum Beispiel in einer Platten-und-Rahmen-Form, Spiralform, oder Hohlfaserform. Ein Beispiel einer besonders bevorzugten Gastrennmembran ist eine Hohlfasergastrennmembran aus einem aromatischen Polyimid, die einen Innendurchmesser von etwa 30 μm bis 500 μm inklusive aufweist und eine asymmetrische Struktur aufweist, in der die Dicke der homogenen Schicht von 10 nm bis 200 nm inklusive beträgt und die Dicke der porösen Schicht von 20 μm bis 200 μm beträgt.
Eine einzelne Gastrennmembraneinheit kann ein Gastrennmembranmodul aufweisen, oder sie kann eine Vielzahl an Gastrennmembranmodulen aufweisen. In Fällen, in denen eine einzelne Gastrennmembraneinheit zwei oder mehr Gastrennmembranmodule umfasst, ist es bevorzugt, dass die Module innerhalb der Einheit parallel zueinander verbunden sind. Indem eine Vielzahl an Gastrennmembranmodulen in jeder Gastrennmembraneinheit bereitgestellt werden, ist es möglich, die Membranfläche von jeder Einheit leicht durch Ändern der Anzahl an Gastrennmembranmodulen einzustellen.
Die Gasmischung, die getrennt werden soll, indem das Gastrennsystem 10 der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, ist nicht besonders eingeschränkt, so lange wie es eine Gasmischung ist, die zwei oder mehr Gasarten umfasst. Das Gastrennsystem der vorliegenden Ausführungsform kann geeignet zum Beispiel in einem Verfahren zum Trennen und Gewinnen von Methangas, welches ein Gas mit niedriger Permeabilität ist, aus einem Biogas, das hauptsächlich Methangas und Kohlendioxidgas umfasst, verwendet werden. Methangas entspricht dem Gas B, das das Gas mit niedriger Permeabilität ist, und Kohlendioxidgas entspricht dem Gas A, das das Gas mit hoher Permeabilität ist. In diesem Beispiel kann in Fällen, in denen zum Beispiel das abgetrennte und gewonnene Methangas in eine Stadtgasleitung eingeleitet werden soll, ein Gaskompressor als ein Kompressionsmittel an die Ausströmöffnung für das Retentatgas 12b der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 angebracht werden und das Methangas kann auf hohe Drücke unter Druck gesetzt werden.
Als Nächstes werden ein Gastrennsystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und ein Herstellungsverfahren für angereichertes Gas gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, in der dieses Gastrennsystem verwendet wird, unter Verweis auf 3 beschrieben. In der Beschreibung der zweiten Ausführungsform werden Merkmale, die die gleichen wie jene in der ersten Ausführungsform sind, mit den gleichen Referenzzeichen bezeichnet und die Erklärung derselben wird weggelassen, und die Beschreibung konzentriert sich hauptsächlich auf Merkmale, die verschieden von jenen in der ersten Ausführungsform sind.
Das Gastrennsystem 10' der zweiten Ausführungsform umfasst weiter ein zweites Kompressionsmittel 22 zusätzlich zu dem ersten Kompressionsmittel 21. Dieses zweite Kompressionsmittel 22 ist in Strommitte der Ausströmleitung für Permeatgas 15 zwischengeschaltet und angebracht. Das zweite Kompressionsmittel 22 wird mit dem Ziel bereitgestellt, das Permeatgas, das aus der Ausströmöffnung für Permeatgas 11c der ersten Gastrennmembraneinheit 11 ausströmt, unter Druck zu setzen, und um das unter Druck gesetzte Permeatgas zu der dritten Gastrennmembraneinheit 13 zu zuführen. Die Ausströmöffnung für Retentatgas 13b der dritten Gastrennmembraneinheit 13 ist durch die Rücklaufleitung für Retentatgas 18 mit einer Position auf der Ausströmseite des ersten Kompressionsmittel 21, und nicht mit der Saugseite des ersten Kompressionsmittel 21, in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung 16 verbunden.
Wie das Gastrennsystem 10 der ersten Ausführungsform wird auch in diesem Gastrennsystem 10' der zweiten Ausführungsform im Betrieb die Gaspermeabilität der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 höher als die Gaspermeabilität der dritten Gastrennmembraneinheit 13 gemacht, und die Gasselektivität der dritten Gastrennmembraneinheit 13 wird höher als die Gasselektivität der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 gemacht. In dieser Weise kann die Membranfläche – z. B. die Anzahl an Membranmodulen – der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 verringert werden, während die Ausbeuterate des Zielgases (insbesondere des Gases mit niedriger Permeabilität B) auf einem extrem hohen Niveau aufrecht erhalten werden kann. Somit kann auch mit diesem Gastrennsystem 10' die Membranfläche wie mit dem Gastrennsystem 10 der ersten Ausführungsform verringert werden.
Insbesondere wird in diesem Gastrennsystem 10' das Permeatgas, das aus der Ausströmöffnung für Permeatgas 11c der ersten Gastrennmembraneinheit 11 ausströmt, in die dritte Gastrennmembraneinheit 13 in einem durch das zweite Kompressionsmittel 22 unter Druck gesetzten Zustand eingeleitet. Deshalb kann in diesem System 10' die dritte Gastrennmembraneinheit 13 bei einem relativ höheren Druck betrieben werden, und somit kann die Membranfläche in der dritten Gastrennmembraneinheit 13 verringert werden – z. B. kann die Anzahl an Membranmodulen verringert werden.
Weiter wird in diesem Gastrennsystem 10' das Retentatgas, das aus der Ausströmöffnung für Retentatgas 13b der dritten Gastrennmembraneinheit 13 ausströmt, zu einer Position zwischen der Ausströmseite des ersten Kompressionsmittels 21 in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung 16 und der ersten Gastrennmembraneinheit 11 zurückgeführt. Dieses Retentatgas weist aufgrund der Druckaufschlagung durch das zweite Kompressionsmittel 22 einen hohen Druck auf. Indem dieses Retentatgas mit hohem Druck zurückgeführt wird, können die notwendigen Membranflächen in der ersten Gastrennmembraneinheit 11 und der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 verringert werden. Genauer gesagt ist es in Fällen, in denen das zweite Kompressionsmittel 22 nicht verwendet wird, notwendig, dass nicht nur die dritte Gastrennmembraneinheit 13, sondern auch die erste Gastrennmembraneinheit 11 und/oder die zweite Gastrennmembraneinheit eine gewisse Menge an Membranfläche aufweisen, um das Permeatgas von der ersten Gastrennmembraneinheit 11 mit einem Druck, der höher als Atmosphärendruck ist, zu gewinnen; während durch Verwenden des zweiten Kompressionsmittels 22 eine solche Notwendigkeit weniger wahrscheinlich auftreten wird. Somit kann die Membranfläche, die in der ersten Gastrennmembraneinheit 11 und/oder der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 notwendig ist, wie oben beschrieben verringert werden.
Aus diesen Gründen können das Gastrennsystem 10' der zweiten Ausführungsform und das Herstellungsverfahren für angereichertes Gas, das das System nutzt, die Membranfläche in dem gesamten System effektiver verringern.
Weiter wird in der zweiten Ausführungsform das Retentatgas unter hohem Druck zwischen der Ausströmseite des ersten Kompressionsmittels 21 und der ersten Gastrennmembraneinheit 11 zugeführt und es wird mit der Zufuhrgasmischung gemischt. Somit kann im Vergleich mit Fällen, in denen das Retentatgas wie in der ersten Ausführungsform zu der Saugseite des ersten Kompressionsmittels 21 zurückgeführt wird, die Menge an Gas, das durch das erste Kompressionsmittel 21 aufgenommen wird, verringert werden. Somit kann in Fällen, in denen das Produktgas das Gas B ist, unter der Annahme, dass die Reinheit und die Ausbeuterate des Gases in den Fällen die gleichen sind, die Kompressionsleistung, die für das erste Kompressionsmittel 21 notwendig ist, im Vergleich zu Fällen, in denen das zweite Kompressionsmittel 22 nicht verwendet wird, verringert werden, indem sowohl das erste Kompressionsmittel 21 als auch das zweite Kompressionsmittel 22 in Kombination verwendet werden. Genauer gesagt kann die gesamte Kompressionsleistung, die für das erste Kompressionsmittel 21 und das zweite Kompressionsmittel 22 notwendig ist, geringer als die Kompressionsleistung, die notwendig ist, wenn nur das erste Kompressionsmittel 21 verwendet wird, gemacht werden.
Allgemein gesagt ist, falls die Reinheit und die Ausbeuterate die gleiche sind, auch die Gastrennselektivität gering in Fällen, in denen eine Membran mit einer hohen Permeabilität verwendet wird, und dieses resultiert in einer Zunahme hinsichtlich der zirkulierenden Gasmenge des gesamten Systems und auch in einer Zunahme hinsichtlich der Gaskompressionsleistung. Im Gegensatz dazu kann in Fällen, in denen eine Membran mit hoher Gasselektivität verwendet wird, die Gaskompressionsleistung klein gehalten werden, aber die Permeabilität ist gering, und so muss die Membranfläche vergrößert werden. In dieser Hinsicht ist, wie aus dem Vergleich zwischen Vergleichsbeispiel 3 und Beispiel 4, die weiter unten beschrieben werden, klar ist, die zweite Ausführungsform vorteilhaft in der Hinsicht, dass, weil das Retentatgas, das von der dritten Gastrennmembraneinheit 13 zu der ersten Gastrennmembraneinheit 11 zugeführt wird, mit hohem Druck durch das zweite Kompressionsmittel 22 bereitgestellt wird, der Grad der Zunahme hinsichtlich der Kompressorleistung des ersten Kompressionsmittels klein ist, selbst wenn die Gaspermeabilität der zweiten Gastrennmembraneinheit erhöht wird, und somit der Grad der Zunahme hinsichtlich der gesamten Kompressorleistung des ersten Kompressionsmittels und des zweiten Kompressionsmittels klein ist.
Die vorliegende Erfindung ist oben gemäß bevorzugter Ausführungsformen davon beschrieben worden, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorhergehenden Ausführungsformen eingeschränkt. Zum Beispiel wurden in den vorhergehenden Ausführungsformen Einheiten, die aus Gastrennmembranmodulen, die Hohlfasermembranen umfassen, gebildet wurden, als ein Beispiel der Gastrennmembraneinheiten verwendet, aber andere Typen von Gastrennmembraneinheiten können stattdessen verwendet werden.
Weiter ist es möglich, zusätzlich zu den Kompressionsmitteln, die in den vorhergehenden Ausführungsformen verwendet werden, ein Dekompressionsmittel auf der Permeationsseite von mindestens einer der Einheiten bereitzustellen, um die Gasmischung mit einer treibenden Kraft zum Permeieren durch die Trennmembran zu versehen. Als ein solches Dekompressionsmittel kann zum Beispiel eine bekannte Vakuumpumpe verwendet werden.
BEISPIELE
Die vorliegende Erfindung wird unten mit weiteren Details gemäß von Beispielen davon beschrieben. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird nicht durch diese Beispiele eingeschränkt.
Beispiele 1 bis 3, und Vergleichsbeispiele 1 und 2:
Eine Gasmischung, die Kohlendioxid und Methan umfasst, wurde unter Verwendung des Gastrennsystems 10, das in 1 veranschaulicht wird, getrennt. Ein Kompressor wurde für das erste Kompressionsmitel 21 in dem System 10 verwendet. Die Temperatur, der Druck, der Förderstrom, und die Zusammensetzung der Gasmischung waren wie unten in Tabelle 1 gezeigt. Die ersten bis dritten Gastrennmembraneinheiten 11, 12, und 13, die verwendet wurden, wurden jeweils hergestellt, indem eine Vielzahl von Gastrennmembranmodulen A oder B parallel zueinander miteinander verbunden wurden. Die Gastrennmembranmodule A und B haben die Charakteristika, die in Tabelle 2 unten gezeigt sind, und sind Module, die jeweils ein Gehäuse aufweisen, in dem Gastrennmembranen, die aus Polyimid-Hohlfasermembranen mit verschiedenen Zusammensetzungen bestehen, untergebracht sind. P'_CO2, P'_CH4, und das Verhältnis P'_CO2/P'_CH4 der Gastrennmembranmodule A und B, die in Tabelle 2 gezeigt sind, sind Werte bei einer Betriebstemperatur von 50°C. P'_CO2, P'_CH4, und das Verhältnis P'_CO2/P'_CH4 des Gastrennmembranmoduls A', die in Tabelle 2 gezeigt sind, sind Werte dafür, wenn eine Trennung durch das Gastrennmembranmodul A bei einer Betriebstemperatur von 100°C durchgeführt wird. Wie aus Tabelle 2 klar wird, weist das Gastrennmembranmodul A eine höhere Gasselektivität als das Gastrennmembranmodul B auf. Im Hinblick auf die Gaspermeabilität weist das Gastrennmembranmodul B eine höhere Permeabilität als das Gastrennmembranmodul A auf. Wenn das Gastrennmembranmodul A bei 100°C betrieben wird (Fall A'), ist die Gaspermeabilität höher und die Gasselektivität ist niedriger als wenn es bei 50°C betrieben wird (Fall A).
Jede der ersten bis dritten Gastrennmembraneinheiten 11, 12, und 13, die verwendet wurden, wurde hergestellt, indem Gastrennmembranmodule, deren Typ in Tabelle 1 angezeigt ist (Gastrennmembranmodule A oder B) parallel zueinander miteinander verbunden wurden. Die Betriebstemperatur und der Betriebsdruck jeder Gastrennmembraneinheit 11, 12, und 13 wurden auf die Werte eingestellt, die in Tabelle 1 angezeigt sind. Die Gasmischung wurde unter diesen Bedingungen getrennt. In jedem der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden die Anzahl der Module, die gesamte Membranfläche, und die Kompressorleistung für den Zustand erhalten, wenn die Methanreinheit 95 mol% betrug und die Methanausbeuterate 99% betrug. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Es sollte jedoch bemerkt werden, dass, unabhängig von einem Erhöhen der gesamten Membranfläche und der Kompressorleistung, die Methanausbeuterate für Vergleichsbeispiel 2 nur 96% erreichte, und somit die minimale Anzahl an Modulen, die minimale gesamte Membranfläche, und die Kompressorleistung für den Zustand erhalten wurden, wenn die Methanausbeuterate 96% betrug. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Beispiele 4 bis 6, und Vergleichsbeispiele 3 und 4:
Eine Gasmischung wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 getrennt, außer, dass das Gastrennsystem 10', das in 3 veranschaulicht wird, verwendet wurde. Ein Kompressor wurde für jedes der ersten und zweiten Kompressionsmittel 21 und 22 in dem System 10' verwendet. Die Anzahl der Module, die gesamte Membranfläche, und die Kompressorleistung wurden für den Zustand erhalten, wenn die Methanreinheit 95 mol% betrug und die Methanausbeuterate 99% betrug. Es sollte jedoch bemerkt werden, dass, unabhängig von einem Erhöhen der gesamten Membranfläche und die Kompressorleistung, die Methanausbeuterate für Vergleichsbeispiel 4 nur 94,3% erreichte, und somit die minimale Anzahl an Modulen, die minimale gesamte Membranfläche, und die Kompressorleistung für den Zustand erhalten wurden, wenn die Methanausbeuterate 94,3% betrug. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 2

Typ des Gastrennmembranmoduls P'_CO2 P'_CH4 P'_CO2/P'_CH4 Membranfläche pro Einzelmodul m²

A 8 0,3 27 11

A' 11 1,0 11 11

B 20 1,6 13 11

P'_CO2 zeigt die Kohlendioxidgaspermeabilität an (Einheit: ×10^–5 cm³ (STP)/cm²·sec·cmHg)
P'_CH4 zeigt die Methangaspermeabilität an (Einheit: ×10^–5 cm³ (STP)/cm²·sec·cmHg)
P'_CO2/P'_CH4 zeigt die Gasselektivität an
Wie aus den in Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen klar ist, wies Vergleichsbeispiel 1 – in dem die ersten bis dritten Gastrennmembraneinheiten in dem Gastrennsystem 10 der 1 durch Module A, die eine hohe Gasselektivität und eine niedrige Gaspermeabilität aufweisen, gebildet wurden – die größte gesamte Membranfläche unter allen Beispielen und Vergleichsbeispielen, für die die Methanreinheit 95 mol% betrug und die Methanausbeuterate 99% betrug, auf.
Im Gegensatz dazu wurde gefunden, dass in dem Gastrennsystem der Beispiele 1 und 2 – in denen die Gaspermeabilität der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 höher als die der dritten Gastrennmembraneinheit 13 gemacht worden war und in denen die Gasselektivität der dritten Gastrennmembraneinheit 13 höher als die der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 gemacht worden war, indem verschiedene Membrantypen verwendet wurden – die Anzahl an Modulen in der zweiten Gastrennmembraneinheit 12 von 120 (Vergleichsbeispiel 1) auf 45 oder weniger verringert wurde, was 37% oder weniger von Vergleichsbeispiel 1 war, selbst obwohl die Gasreinheit und die Gasausbeuterate die gleichen wie in Vergleichsbeispiel 1 waren. Entsprechend wurde gefunden, dass die gesamte Membranfläche des Systems in den Beispielen 1 und 2 von 2255 m² (Vergleichsbeispiel 1) auf 1430 m² oder weniger verringert wurde, was 63% oder weniger von Vergleichsbeispiel 1 war.
Weiter wurde gefunden, dass Beispiel 3 – in dem Module, die aus den gleichen Membrantypen bestanden, bei verschiedenen Temperaturen betrieben wurden – fähig war, die gleichen Wirkungen wie die Beispiele 1 und 2 zu erzielen. Es wurde auch gefunden, dass das Gastrennsystem 10', das in 3 gezeigt ist, fähig war, die gleichen Wirkungen wie die des Systems von 1 zu erzielen.
Wie weiter aus dem Vergleichen zwischen Beispiel 1 und Beispiel 4, zwischen Beispiel 2 und Beispiel 5, und zwischen Beispiel 3 und Beispiel 6 klar ist, wurde gefunden, dass, indem das System von 3 verwendet wird, im Vergleich mit dem System von 1 die gesamte Membranfläche weiter verringert werden kann und dass auch die Kompressorleistung verringert werden kann.
Bezugszeichenliste

10, 10': Gastrennsystem
11: Erste Gastrennmembraneinheit
11a: Gaseinströmöffnung
11b: Ausströmöffnung für Retentatgas
11c: Ausströmöffnung für Permeatgas
12: Zweite Gastrennmembraneinheit
12a: Gaseinströmöffnung
12b: Ausströmöffnung für Retentatgas
12c: Ausströmöffnung für Permeatgas
13: Dritte Gastrennmembraneinheit
13a: Gaseinströmöffnung
13b: Ausströmöffnung für Retentatgas
13c: Ausströmöffnung für Permeatgas
14: Ausströmleitung für Retentatgas
15: Ausströmleitung für Permeatgas
16: Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung
17: Rücklaufleitung für Permeatgas
18: Rücklaufleitung für Retentatgas
21: Erstes Kompressionsmittel
22: Zweites Kompressionsmittel
30: Gastrennmembran
31: Gehäuse
32: Öffnung
33, 34: Rohrplatte
35, 36: Deckel
37: Gaseinströmöffnung
38: Ausströmöffnung für Retentatgas
39: Ausströmöffnung für Permeatgas
40: Gastrennmembranmodul

Claims

Gastrennsystem, in dem eine Zufuhrgasmischung, die mindestens zwei verschiedene Gasarten umfasst, zu Gastrennmembraneinheiten zugeführt wird und mindestens eine Gasart unter den Gasarten, die in der Zufuhrgasmischung umfasst sind, angereichert wird, wobei: die Gastrennmembraneinheiten eine erste Gastrennmembraneinheit, eine zweite Gastrennmembraneinheit, und eine dritte Gastrennmembraneinheit umfassen; jede der Gastrennmembraneinheiten mindestens eine Gaseinströmöffnung, eine Ausströmöffnung für Permeatgas, und eine Ausströmöffnung für Retentatgas umfasst; die Auströmöffnung für Retentatgas der ersten Gastrennmembraneinheit und die Gaseinströmöffnung der zweiten Gastrennmembraneinheit durch eine Ausströmleitung für Retentatgas miteinander verbunden sind; die Ausströmöffnung für Permeatgas der ersten Gastrennmembraneinheit und die Gaseinströmöffnung der dritten Gastrennmembraneinheit durch eine Ausströmleitung für Permeatgas miteinander verbunden sind; eine Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung mit der Gaseinströmöffnung der ersten Gastrennmembraneinheit verbunden ist und ein erstes Kompressionsmittel in Strommitte der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung zwischengeschaltet und angeordnet ist; die Ausströmöffnung für Permeatgas der zweiten Gastrennmembraneinheit und eine Position auf einer Saugseite des ersten Kompressionsmittels in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung durch eine Rücklaufleitung für Permeatgas miteinander verbunden sind; die Ausströmöffnung für Retentatgas der dritten Gastrennmembraneinheit und eine Position auf der Saugseite oder auf einer Ausströmseite des ersten Kompressionsmittels in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung durch eine Rücklaufleitung für Retentatgas miteinander verbunden sind; ein angereichertes Gas entweder von der Ausströmöffnung für Retentatgas der zweiten Gastrennmembraneinheit oder von der Ausströmöffnung für Permeatgas der dritten Gastrennmembraneinheit entnommen wird; und mindestens im Betrieb die Gaspermeabilität der zweiten Gastrennmembraneinheit höher als die Gaspermeabilität der dritten Gastrennmembraneinheit ist, und die Gasselektivität der dritten Gastrennmembraneinheit höher als die Gasselektivität der zweiten Gastrennmembraneinheit ist.
Gastrennsystem nach Anspruch 1, wobei die Gaspermeabilität der zweiten Gastrennmembraneinheit höher als die Gaspermeabilität der dritten Gastrennmembraneinheit ist, und die Gasselektivität der dritten Gastrennmembraneinheit höher als die Gasselektivität der zweiten Gastrennmembraneinheit ist, indem die Betriebstemperatur der zweiten Gastrennmembraneinheit höher als die der dritten Gastrennmembraneinheit eingestellt wird.
Gastrennsystem nach Anspruch 1, wobei durch die Verwendung von verschiedenen Typen von Gastrennmembranen für die zweite Gastrennmembraneinheit und für die dritte Gastrennmembraneinheit die Gaspermeabilität der zweiten Gastrennmembraneinheit höher als die Gaspermeabilität der dritten Gastrennmembraneinheit gemacht wird, und die Gasselektivität der dritten Gastrennmembraneinheit höher als die Gasselektivität der zweiten Gastrennmembraneinheit gemacht wird.
Gastrennsystem nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, wobei: ein zweites Kompressionsmittel in Strommitte der Ausströmleitung für Permeatgas zwischengeschaltet und angeordnet ist; und die Ausströmöffnung für Retentatgas der dritten Gastrennmembraneinheit und eine Position auf der Ausströmseite des ersten Kompressionsmittels in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung durch die Rücklaufleitung für Retentatgas miteinander verbunden sind.
Gastrennsystem nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, wobei: kein zweites Kompressionsmittel in Strommitte der Ausströmleitung für Permeatgas zwischengeschaltet und angeordnet ist; und die Ausströmöffnung für Retentatgas der dritten Gastrennmembraneinheit und die Position auf der Saugseite des ersten Kompressionsmittels in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung durch die Rücklaufleitung für Retentatgas miteinander verbunden sind.
Herstellungsverfahren für angereichertes Gas, in dem eine Zufuhrgasmischung, die mindestens zwei verschiedene Gasarten umfasst, zu einem Gastrennsystem zugeführt wird und das Gastrennsystem betrieben wird, um ein angereichertes Gas, in dem mindestens eine Gasart unter den Gasarten, die in der Zufuhrgasmischung umfasst sind, angereichert ist, herzustellen, wobei das Verfahren umfasst: dass als das Gastrennsystem ein Gastrennsystem verwendet wird, das eine erste Gastrennmembraneinheit, eine zweite Gastrennmembraneinheit, und eine dritte Gastrennmembraneinheit umfasst, wobei: jede der Gastrennmembraneinheiten mit einer Gaseinströmöffnung, einer Ausströmöffnung für Permeatgas, und einer Ausströmöffnung für Retentatgas bereitgestellt wird; die Auströmöffnung für Retentatgas der ersten Gastrennmembraneinheit und die Gaseinströmöffnung der zweiten Gastrennmembraneinheit durch eine Ausströmleitung für Retentatgas miteinander verbunden sind; die Ausströmöffnung für Permeatgas der ersten Gastrennmembraneinheit und die Gaseinströmöffnung der dritten Gastrennmembraneinheit durch eine Ausströmleitung für Permeatgas miteinander verbunden sind; eine Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung mit der Gaseinströmöffnung der ersten Gastrennmembraneinheit verbunden ist; ein erstes Kompressionsmittel in Strommitte der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung zwischengeschaltet und angeordnet ist; die Ausströmöffnung für Permeatgas der zweiten Gastrennmembraneinheit und eine Position auf einer Saugseite des ersten Kompressionsmittels in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung durch eine Rücklaufleitung für Permeatgas miteinander verbunden sind; die Ausströmöffnung für Retentatgas der dritten Gastrennmembraneinheit und eine Position auf der Saugseite oder auf einer Ausströmseite des ersten Kompressionsmittels in der Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung durch eine Rücklaufleitung für Retentatgas miteinander verbunden sind; dass die Zufuhrgasmischung durch die Zufuhrleitung für die Zufuhrgasmischung zu der ersten Gastrennmembraneinheit zugeführt wird, und dass ein angereichertes Gas entweder von der Ausströmöffnung für Retentatgas der zweiten Gastrennmembraneinheit oder von der Ausströmöffnung für Permeatgas der dritten Gastrennmembraneinheit entnommen wird; und dass das Gastrennsystem unter Bedingungen betrieben wird, unter denen die Gaspermeabilität der zweiten Gastrennmembraneinheit höher als die Gaspermeabilität der dritten Gastrennmembraneinheit ist, und die Gasselektivität der dritten Gastrennmembraneinheit höher als die Gasselektivität der zweiten Gastrennmembraneinheit ist.
Herstellungsverfahren für angereichertes Gas nach Anspruch 6, wobei, indem die Betriebstemperatur der zweiten Gastrennmembraneinheit höher als die Betriebstemperatur der dritten Gastrennmembraneinheit eingestellt wird, die Gaspermeabilität der zweiten Gastrennmembraneinheit höher als die Gaspermeabilität der dritten Gastrennmembraneinheit gemacht wird, und die Gasselektivität der dritten Gastrennmembraneinheit höher als die Gasselektivität der zweiten Gastrennmembraneinheit gemacht wird.
Herstellungsverfahren für angereichertes Gas nach Anspruch 6, wobei die zweite Gastrennmembraneinheit und die dritte Gastrennmembraneinheit, die verwendet werden, Einheiten sind, in denen die Gaspermeabilität der zweiten Gastrennmembraneinheit höher als die Gaspermeabilität der dritten Gastrennmembraneinheit ist, und die Gasselektivität der dritten Gastrennmembraneinheit höher als die Gasselektivität der zweiten Gastrennmembraneinheit ist.