DE112021002379T5

DE112021002379T5 - Trennsystem

Info

Publication number: DE112021002379T5
Application number: DE112021002379.9T
Authority: DE
Inventors: Naoto KINOSHITA; Kenichi Noda
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-07-13
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2023-01-26
Also published as: CN115720530A; JPWO2022014469A1; WO2022014469A1; US20230108642A1; JP7444990B2

Abstract

Ein Trennsystem (4) beinhaltet ein erstes Trennteil (41), das eine Trennmembran aufweist und mit einer Fluidzufuhröffnung (411), einer Permeatfluidauslassöffnung (413) und einer Nicht-Permeatfluidauslassöffnung (412) versehen ist, ein zweites Trennteil (42), das eine Trennmembran aufweist und mit einer Fluidzufuhröffnung (421), einer Permeatfluidauslassöffnung (423) und einer Nicht-Permeatfluidauslassöffnung (422) versehen ist, ein Zwischenverbindungsteil (44) zum Verbinden der Permeatfluidauslassöffnung des ersten Trennteils und der Fluidzufuhröffnung des zweiten Trennteils, ein Zuführungsrohr (43), das mit der Fluidzufuhröffnung des ersten Trennteils verbunden ist, in dem ein gemischtes Fluid, das mehrere Arten von Fluiden enthält, mit einem höheren Druck als dem atmosphärischen Druck fließt, und ein Druckreduzierungsteil (471), das mit der Permeatfluidauslassöffnung des zweiten Trennteils verbunden ist, um einen Druck innerhalb der Permeatfluidauslassöffnung auf einen Druck zu reduzieren, der niedriger als der atmosphärische Druck ist. Das Zwischenverbindungsteil ist weder mit einer Vorrichtung zur Druckerhöhung noch mit einer Vorrichtung zur Druckreduzierung versehen, und ein Druck innerhalb des Zwischenverbindungsteils ist niedriger als ein Druck innerhalb des Zuführungsrohrs und nicht niedriger als der atmosphärische Druck.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Trennsystem.
[HINWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN]
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-120028 , die am 13. Juli 2020 eingereicht wurde, und der internationalen Anmeldung Nr. PCT/ JP2021/010219 , die am 12. März 2021 eingereicht wurde, deren Inhalt durch Bezugnahme in vollem Umfang hierin aufgenommen wird.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Als Trennverfahren für ein gemischtes Fluid, das aus Flüssigkeiten, Gasen, Dämpfen oder dergleichen besteht, werden ein Destillationsverfahren, ein chemisches Absorptionsverfahren, ein physikalisches Absorptionsverfahren, ein Adsorptionsverfahren, ein Membrantrennverfahren oder dergleichen verwendet, und unter diesen Verfahren wird dem Membrantrennverfahren Aufmerksamkeit geschenkt, das die Vorteile einer einfachen und kompakten Systemkonfiguration, einer einfachen Wartung, eines geringen Energieverbrauchs und dergleichen aufweist. Die Trennung eines gemischten Fluids durch das Membrantrennverfahren hat sich in verschiedenen Anwendungen als praktisch erwiesen, wie bei der Dehydratisierung in einem Bioethanol-Reinigungsverfahren, der CO₂-Entfernung in einem Erdgas-Reinigungsverfahren oder einem Biogas-Reinigungsverfahren und dergleichen.
Im Pariser Abkommen, das auf der COP21 im Jahr 2015 angenommen wurde, wurde zur Verhinderung der globalen Erwärmung das Ziel festgelegt, den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur in diesem Jahrhundert auf deutlich unter 2°C über dem vorindustriellen Niveau zu halten und die Bemühungen zur Begrenzung des Temperaturanstiegs auf 1,5°C über dem vorindustriellen Niveau fortzusetzen und um dieses Ziel zu erreichen, wurden weltweit aktiv Aktivitäten in Bezug auf CCS (Carbon dioxide Capture and Storage) und CCUS (Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage) durchgeführt. Bei CCS und CCUS ist ein Verfahren zur Sammlung von CO₂ sehr wichtig und es wird zu einem Schlüssel für die Verbreitung von CCS und CCUS, hochreines CO₂ zu niedrigen Kosten zu sammeln.
In den letzten Jahren wurde zum Zweck der Verwendung in CCS und CCUS eine Anwendungsuntersuchung oder dergleichen für eine Trennmembran zur Trennung und Sammlung von CO₂ bei der Erdgasreinigung und zur Trennung und Sammlung von CO₂ aus einem Abgas eines Wärmekraftwerks, einer Anlage oder eines Verbrennungsmotors in einem beweglichen Mittel wie einem Automobil oder dergleichen durchgeführt.
Bei dem Membrantrennverfahren wird eine Partialdruckdifferenz einer Fluidkomponente zwischen einer Zufuhrseite und einer Permeatseite einer Trennmembran zu einer treibenden Kraft und im Allgemeinen wird eine Druckerhöhung auf der Zufuhrseite der Trennmembran, eine Druckreduzierung auf der Permeatseite davon oder dergleichen durchgeführt, außer in dem Fall, in dem ein gemischtes Fluid, das ursprünglich einen hohen Druck aufweist, der Trennmembran zugeführt wird (siehe zum Beispiel Patentveröffentlichung Nr. 6435961 (Dokument 1), Japanische Patentanmeldung Offenlegung Patentblatt Nr. 2020-32330 (Dokument 2), Japanische Patentanmeldung Offenlegung Patentblatt Nr. 2012-236123 (Dokument 3) und Japanische Patentanmeldung Offenlegung Patentblatt Nr. 2008-137847 (Dokument 4)). Des Weiteren wird in der Patentveröffentlichung Nr. 6553739 (Dokument 5) ein Verfahren zur Sicherstellung einer Antriebskraft durch Transport von Wasserdampfspülgas zur Permeatseite der Trennmembran offengelegt.
Da die Trenngenauigkeit eines Trennsystems, das das Membrantrennverfahren verwendet, im Wesentlichen von einem Material und einer Struktur der Trennmembran, einer Struktur eines Trennmembranmoduls oder dergleichen abhängt, wurde die Entwicklung von Trennmembranen und Trennmembranmodulen aktiv durchgeführt und es wurden Anstrengungen unternommen, um die Trenngenauigkeit des Trennsystems durch Ausarbeitung der Konfiguration des Trennsystems maximal zu verbessern. In den Dokumenten 1 bis 5 wird zum Beispiel ein Trennsystem vorgeschlagen, um ein Fluid, das ein Trennmembranmodul durchdringt, einem anderen Trennmembranmodul zuzuführen. In den Dokumenten 1 bis 5 werden auch Verfahren zur Bereitstellung von Kompressoren an einer Vielzahl von Abschnitten vorgeschlagen, um den Druck eines Zufuhrfluids zu erhöhen, eine Druckerhöhung auf einer Zufuhrseite und eine Druckreduzierung auf einer Permeatseite in einem Trennmembranmodul gleichzeitig durchzuführen, ein Fluid, das eine Trennmembran durchdringt, wieder zu einer Zufuhrseite zurückzuführen und dergleichen.
In dem vorstehend beschriebenen Trennsystem ist es möglich, die Trenngenauigkeit bis zu einem gewissen Grad zu verbessern, aber es gibt immer noch Probleme, dass die Trenngenauigkeit immer noch unzureichend ist, dass die Konfiguration des Trennsystems nachteiligerweise kompliziert wird und dass der Energieverbrauch erheblich hoch wird.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist für ein Trennsystem vorgesehen und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Trenngenauigkeit durch Verwendung einer einfachen Struktur zu verbessern, die in der Lage ist, den Energieverbrauch im Trennsystem zu unterdrücken.
Das Trennsystem gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein erstes Trennteil, das eine Trennmembran aufweist und mit einer Fluidzufuhröffnung, einer Permeatfluidauslassöffnung und einer Nicht-Permeatfluidauslassöffnung versehen ist, ein zweites Trennteil, das eine Trennmembran aufweist und mit einer Fluidzufuhröffnung, einer Permeatfluidauslassöffnung und einer Nicht-Permeatfluidauslassöffnung versehen ist, ein Zwischenverbindungsteil zum Verbinden der Permeatfluidauslassöffnung des ersten Trennteils und der Fluidzufuhröffnung des zweiten Trennteils, ein Zuführungsrohr, das mit der Fluidzufuhröffnung des ersten Trennteils verbunden ist, in dem ein gemischtes Fluid, das mehrere Arten von Fluiden enthält, mit einem Druck fließt, der höher als der atmosphärische Druck ist, und ein Druckreduzierungsteil, das mit der Permeatfluidauslassöffnung des zweiten Trennteils verbunden ist, um einen Druck innerhalb der Permeatfluidauslassöffnung auf einen Druck zu reduzieren, der niedriger als der atmosphärische Druck ist. In dem Trennsystem ist der Zwischenverbindungsteil weder mit einer Vorrichtung zur Druckerhöhung noch mit einer Vorrichtung zur Druckreduzierung versehen und ein Druck innerhalb des Zwischenverbindungsteils ist niedriger als ein Druck innerhalb des Zuführungsrohrs und nicht niedriger als der atmosphärische Druck.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Trenngenauigkeit zu verbessern, indem eine einfache Struktur verwendet wird, die in der Lage ist, den Energieverbrauch im Trennsystem zu unterdrücken.
Vorzugsweise ist eine Druckdifferenz zwischen der Fluidzufuhröffnung und der Permeatfluidauslassöffnung im zweiten Trennteil nicht höher als das 0,8-fache der Druckdifferenz im ersten Trennteil.
Vorzugsweise ist das gemischte Fluid ein Mischgas, das mehrere Gasarten enthält.
Vorzugsweise enthält das Trennsystem weiterhin ein Kondensationsverhinderungsteil, das an einer vorbestimmten Position auf einem Weg von dem Zuführungsrohr zur Trennmembran des zweiten Trennteils vorgesehen ist, um ein in dem Weg strömendes Gas zu erwärmen oder warm zu halten, um dadurch die Kondensation des Gases zu verhindern.
Vorzugsweise enthält das Trennsystem weiterhin ein Vorverarbeitungsteil, das an einer vorbestimmten Position zwischen einer Zufuhrquelle des gemischten Fluids und dem ersten Trennteil vorgesehen ist, um zumindest einen Teil einer vorbestimmten Komponente zu entfernen, die in dem gemischten Fluid enthalten ist.
Vorzugsweise enthalten die Trennmembran des ersten Trennteils und/oder die Trennmembran des zweiten Trennteils jeweils ein anorganisches Material.
Vorzugsweise sind die Trennmembran des ersten Trennteils und/oder die Trennmembran des zweiten Trennteils jeweils eine Zeolithmembran.
Vorzugsweise enthält das gemischte Fluid ein Fluid mit einer Molekülgröße, die kleiner als der Porendurchmesser des die Zeolithmembran bildenden Zeoliths ist, und ein Fluid mit einer Molekulargröße, die größer als der Porendurchmesser ist.
Vorzugsweise ist der die Zeolithmembran bildende Zeolith ein Zeolith mit einem achtgliedrigen Ring.
Vorzugsweise enthält das Trennsystem weiterhin ein Druckeinstellungsteil zum Einstellen eines Drucks innerhalb der Permeatfluidauslassöffnung oder der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung des zweiten Trennteils, so dass eine Durchflussrate und/oder Komponentenzusammensetzung eines Fluids, das aus der Permeatfluidauslassöffnung oder der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung des zweiten Trennteils austritt wird, in einen vorbestimmten Bereich fallen kann.
Vorzugsweise enthält das Trennsystem weiterhin ein Rückführrohr, um einen Teil eines Fluids, das aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung des ersten Trennteils austritt, und/oder mindestens einen Teil eines Fluids, das aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung des zweiten Trennteils austritt, zur Fluidzufuhröffnung des ersten Trennteils zu leiten.
Vorzugsweise enthält das Trennsystem weiterhin ein Energieumwandlungsteil zum Umwandeln der Druckenergie eines Fluids, das aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung des ersten Trennteils austritt, in eine andere Energie.
Vorzugsweise enthält das Trennsystem weiterhin ein Auslassfluiddruckerhöhungsteil zum Erhöhen eines Drucks eines Fluids, das aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung des zweiten Trennteils austritt. Das Fluid, dessen Druck durch das Auslassfluiddruckerhöhungsteil erhöht wird, wird mit einem Fluid gemischt, das aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung des ersten Trennteils austritt.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung im Einzelnen der vorliegenden Erfindung deutlicher, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Trennsystems zeigt;
2 ist eine Ansicht, die die schematische Struktur eines Trennmembranmoduls zeigt;
3 ist ein Querschnitt durch einen Trennmembrankomplex;
4 ist ein Querschnitt, der einen Teil des Trennmembrankomplexes in vergrößerter Darstellung zeigt;
5 ist ein Diagramm, das den Druck an jeder Stelle des Trennsystems zeigt;
6A ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Trennsystems in einem Vergleichsbeispiel zeigt;
6B ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Trennsystems in einem anderen Vergleichsbeispiel zeigt;
6C ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Trennsystems in einem weiteren Vergleichsbeispiel zeigt;
6D ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Trennsystems in einem weiteren Vergleichsbeispiel zeigt;
7A ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Trennsystems in einem anderen Vergleichsbeispiel zeigt;
7B ist ein Diagramm, das den Druck an jeder Position des Trennsystems in einem anderen Vergleichsbeispiel zeigt;
8 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel für ein Trennsystem zeigt;
9 ist eine Ansicht, die noch ein weiteres Beispiel für ein Trennsystem zeigt;
10 ist eine Ansicht, die auch noch ein weiteres Beispiel für ein Trennsystem zeigt;
11 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel für das Trennsystem zeigt;
12 ist eine Ansicht, die noch ein weiteres Beispiel für das Trennsystem zeigt;
13 ist eine Ansicht, die auch noch ein weiteres Beispiel für ein Trennsystem zeigt;
14 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel für ein Trennsystem zeigt; und
15 ist eine Ansicht, die noch ein weiteres Beispiel für das Trennsystem zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Trennsystems 4 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Trennsystem 4 ist ein System zum Trennen eines Fluids mit hoher Permeabilität für einen später beschriebenen Trennmembrankomplex 1 von einem gemischten Fluid, das mehrere Arten von Fluiden (d.h. Gase oder Flüssigkeiten) enthält. Die Trennung in dem Trennsystem 4 kann beispielsweise durchgeführt werden, um ein Fluid mit hoher Permeabilität aus einem gemischten Fluid zu extrahieren oder um ein Fluid mit niedriger Permeabilität zu konzentrieren.
Das gemischte Fluid kann ein gemischtes Gas sein, das mehrere Arten von Gasen (einschließlich Dämpfen) enthält, kann eine gemischte Flüssigkeit sein, die mehrere Arten von Flüssigkeiten enthält, oder kann ein Gas-Flüssigkeit-Zweiphasenfluid sein, das sowohl ein Gas als auch eine Flüssigkeit enthält. Die gemischte Flüssigkeit kann eine geringe Menge an Feststoffen wie Teilchen oder dergleichen enthalten.
Das gemischte Fluid enthält mindestens eines von beispielsweise: Wasserstoff (H₂), Helium (He), Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂), Wasser (H₂O), Wasserdampf (H₂O), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Stickstoffoxid, Ammoniak (NH₃), Schwefeloxid, Schwefelwasserstoff (H₂S), Schwefelfluorid, Quecksilber (Hg), Arsin (AsH₃), Cyanwasserstoff (HCN), Carbonylsulfid (COS), C1- bis C8-Kohlenwasserstoffe, organische Säure, Alkohol, Mercaptane, Ester, Ether, Keton und Aldehyd.
Das Stickstoffoxid ist eine Verbindung aus Stickstoff und Sauerstoff. Das vorstehend beschriebene Stickstoffoxid ist zum Beispiel ein Gas namens NOx wie Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₂), Distickstoffoxid (auch als Distickstoffmonoxid bezeichnet) (N₂O), Distickstofftrioxid (N₂O₃), Distickstofftetroxid (N₂O₄), Distickstoffpentoxid (N₂O₅) oder dergleichen.
Das Schwefeloxid ist eine Verbindung aus Schwefel und Sauerstoff. Das vorstehend beschriebene Schwefeloxid ist zum Beispiel ein Gas namens SOx wie Schwefeldioxid (SO₂), Schwefeltrioxid (SO₃) oder dergleichen.
Das Schwefelfluorid ist eine Verbindung aus Fluor und Schwefel. Das vorstehend beschriebene Schwefelfluorid ist z.B. Dischwefeldifluorid (F-S-S-F, S=SF₂), Schwefeldifluorid (SF₂), Schwefeltetrafluorid (SF₄), Schwefelhexafluorid (SF₆), Dischwefeldekafluorid (S₂F₁₀) oder dergleichen.
Die C1- bis C8-Kohlenwasserstoffe sind Kohlenwasserstoffe mit nicht weniger als 1 und nicht mehr als 8 Kohlenstoffatomen. Bei den C3- bis C8-Kohlenwasserstoffen kann es sich um eine geradkettige Verbindung, eine Seitenkettenverbindung oder eine Ringverbindung handeln. Darüber hinaus können die C2-bis C8-Kohlenwasserstoffe entweder ein gesättigter Kohlenwasserstoff (d.h. Molekül ohne Doppelbindung oder Dreifachbindung) oder ungesättigter Kohlenwasserstoff (d.h. Molekül mit Doppelbindung und/oder Dreifachbindung) sein. Zu den C1- bis C4-Kohlenwasserstoffen gehören z.B. Methan (CH₄), Ethan (C₂H₆), Ethylen (C₂H₄), Propan (C₃H₈), Propylen (C₃H₆), Normalbutan (CH₃(CH₂)₂CH₃), Isobutan (CH(CH₃)₃), 1-Buten (CH₂=CHCH₂CH₃), 2-Buten (CH₃CH=CHCH₃) oder Isobuten (CH₂=C(CH₃)₂).
Die vorstehend beschriebene organische Säure ist eine Carbonsäure, Sulfonsäure oder dergleichen. Die Carbonsäure ist zum Beispiel Ameisensäure (CH₂O₂), Essigsäure (C₂H₄O₂), Oxalsäure (C₂H₂O₄), Acrylsäure (C₃H₄O₂), Benzoesäure (C₆H₅COOH) oder dergleichen. Die Sulfonsäure ist z.B. Ethansulfonsäure (C₂H₆O₃S) oder dergleichen. Die organische Säure kann entweder eine Kettenverbindung oder eine Ringverbindung sein.
Der vorstehend beschriebene Alkohol ist z.B. Methanol (CH₃OH), Ethanol (C₂H₅OH), Isopropanol (2-Propanol) (CH₃CH(OH)CH₃), Ethylenglykol (CH₂(OH)CH₂(OH)), Butanol (C₄H₉OH) oder dergleichen.
Bei den Mercaptanen handelt es sich um eine organische Verbindung mit hydriertem Schwefel (SH) am Ende und um eine Substanz, die auch als Thiol oder Thioalkohol bezeichnet wird. Die vorstehend beschriebenen Mercaptane sind zum Beispiel Methylmercaptan (CH₃SH), Ethylmercaptan (C₂H₅SH), 1-Propanthiol (C₃H₇SH) oder dergleichen.
Der vorstehend beschriebene Ester ist z.B. Ameisensäureester, Essigsäureester oder dergleichen.
Der vorstehend beschriebene Ether ist z.B. Dimethylether ((CH₃)₂O), Methylethylether (C₂H₅OCH₃), Diethylether ((C₂Hs)₂O) oder dergleichen.
Das vorstehend beschriebene Keton ist z.B. Aceton ((CH₃)₂CO), Methylethylketon (C₂H₅COCH₃), Diethylketon ((C₂H₅)₂CO) oder dergleichen.
Der vorstehend beschriebene Aldehyd ist z.B. Acetaldehyd (CH₃CHO), Propionaldehyd (C₂H₅CHO), Butanal (Butylaldehyd) (C₃H₇CHO) oder dergleichen.
In der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem durch das Trennsystem 4 zu trennenden gemischten Fluid um ein gemischtes Gas handelt, das eine Vielzahl von Gasarten enthält. Das gemischte Gas kann Teilchen, Tröpfchen oder dergleichen als Verunreinigungen enthalten.
Das in 1 dargestellte Trennsystem 4 enthält ein erstens Trennteil 41 und ein zweites Trennteil 42. Das erste Trennteil 41 weist ein oder mehrere Trennmembranmodule 2 auf. Das zweite Trennteil 42 weist ebenfalls ein oder mehrere Trennmembranmodule 2 auf. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform weist jedes der Trennteile 41 und 42 eine Vielzahl von Trennmembranmodulen 2 auf. In 1 ist die Vielzahl der Trennmembranmodule 2, die in jedem der Trennteile 41 und 42 enthalten sind, von einem gestrichelten Rechteck umgeben. Nachfolgend wird das Trennmembranmodul 2 im Einzelnen beschrieben.
2 ist eine Ansicht, die eine schematische Struktur eines Trennmembranmoduls 2 zeigt. In 2 sind parallele Schraffurlinien in einem Querschnitt einer Teilstruktur weggelassen. Das Trennmembranmodul 2 enthält einen Trennmembrankomplex 1, zwei Dichtungsteile 21, ein Gehäuse 22 und zwei Dichtungselemente 23. Der Trennmembrankomplex 1, die Dichtungsteile 21 und die Dichtungselemente 23 sind in dem Gehäuse 22 untergebracht.
3 ist ein Querschnitt durch den Trennmembrankomplex 1. 4 ist ein Querschnitt, der einen Teil des Trennmembrankomplexes 1 in vergrößerter Darstellung zeigt. Der Trennmembrankomplex 1 enthält einen porösen Träger 11 und eine Zeolithmembran 12, die eine auf dem Träger 11 gebildete Trennmembran ist. Die Zeolithmembran 12 wird zumindest durch Bildung eines Zeoliths auf einer Oberfläche des Trägers 11 in einer Membranform erhalten und enthält keine Membran, die durch einfaches Dispergieren von Zeolithteilchen in einer organischen Membran erhalten wird. Die Zeolithmembran 12 kann zwei oder mehr Arten von Zeolithen enthalten, die sich in ihrer Struktur und Zusammensetzung unterscheiden. In 3 ist die Zeolithmembran 12 durch eine dicke Linie dargestellt. In 4 ist die Zeolithmembran 12 schraffiert. Außerdem ist in 4 die Dicke der Zeolithmembran 12 größer dargestellt als sie tatsächlich ist. Darüber hinaus kann in dem Trennmembrankomplex 1 auch eine andere Trennmembran als die Zeolithmembran 12 vorgesehen sein.
Der Träger 11 ist ein poröses Element, das von Gas und Flüssigkeit durchdrungen werden kann. In dem in 3 gezeigten beispielhaften Fall ist der Träger 11 ein Träger vom Monolithtyp mit einem integral und kontinuierlich geformten säulenförmigen Hauptkörper, der mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 111 versehen ist, die sich jeweils in einer Längsrichtung (d.h. in 3 in einer linken und rechten Richtung) erstrecken. In dem in 3 gezeigten beispielhaften Fall weist der Träger 11 eine im Wesentlichen säulenartige Form auf. Ein Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung jedes der Durchgangslöcher 111 (d.h. der Zellen) ist beispielsweise im Wesentlichen kreisförmig. In 3 ist der Durchmesser jedes Durchgangslochs 111 größer als der tatsächliche Durchmesser und die Anzahl der Durchgangslöcher 111 ist kleiner als die tatsächliche Anzahl. Die Zeolithmembran 12 ist über einer Innenoberfläche des Durchgangslochs 111 ausgebildet, die im Wesentlichen die gesamte Innenoberfläche des Durchgangslochs 111 bedeckt.
Die Länge des Trägers 11 (d.h. die Länge in der linken und rechten Richtung von 3) beträgt z.B. 10 cm bis 200 cm. Der Außendurchmesser des Trägers 11 beträgt z.B. 0,5 cm bis 30 cm. Der Abstand zwischen den Mittelachsen benachbarter Durchgangslöcher 111 beträgt z.B. 0,3 mm bis 10 mm. Die Oberflächenrauhigkeit (Ra) des Trägers 11 beträgt beispielsweise 0,1 µm bis 5,0 µm und vorzugsweise 0,2 µm bis 2,0 µm. Weiterhin kann die Form des Trägers 11 beispielsweise wabenförmig, plattenförmig, röhrenförmig, zylindrisch, säulenförmig, polygonal prismatisch oder dergleichen sein. Wenn der Träger 11 eine röhrenförmige oder zylindrische Form aufweist, beträgt die Dicke des Trägers 11 beispielsweise 0,1 mm bis 10 mm.
Als Material für den Träger 11 können verschiedene Materialien (z.B. Keramik oder ein Metall) verwendet werden, sofern diese Materialien eine chemische Stabilität bei dem Verfahrensschritt der Bildung der Zeolithmembranen 12 auf ihrer Oberfläche gewährleisten. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform wird der Träger 11 aus einem Keramiksinterkörper gebildet. Beispiele für den Keramiksinterkörper, der als Material für den Träger 11 ausgewählt wird, sind Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Mullit, Zirkoniumdioxid, Titandioxid, Yttriumdioxid, Siliciumnitrid, Siliciumkarbid und dergleichen. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform enthält der Träger 11 mindestens eine Art von Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und Mullit.
Der Träger 11 kann ein anorganisches Bindemittel enthalten. Als anorganisches Bindemittel kann mindestens eines von Titandioxid, Mullit, leicht sinterbarem Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Glasfritte, ein Tonmineral und leicht sinterbarem Cordierit verwendet werden.
Der durchschnittliche Porendurchmesser des Trägers 11 beträgt z.B. 0,01 µm bis 70 µm und vorzugsweise 0,05 µm bis 25 µm. Der durchschnittliche Porendurchmesser des Trägers 11 in der Nähe der Oberfläche, auf der die Zeolithmembran 12 gebildet wird, beträgt 0,01 µm bis 1 µm und vorzugsweise 0,05 µm bis 0,5 µm. Der durchschnittliche Porendurchmesser kann z.B. mit einem Quecksilberporosimeter, einem Perm-Porometer oder einem Nano-Perm-Porometer gemessen werden. Was die Porendurchmesserverteilung des gesamten Trägers 11 einschließlich seiner Oberfläche und seines Inneren betrifft, so beträgt D5 beispielsweise 0,01 µm bis 50 µm, D50 beispielsweise 0,05 µm bis 70 µm und D95 beispielsweise 0,1 µm bis 2000 µm. Die Porosität des Trägers 11 in der Nähe der Oberfläche, auf der die Zeolithmembran 12 gebildet wird, beträgt z.B. 20 % bis 60 %.
Der Träger 11 weist beispielsweise eine Mehrschichtstruktur auf, bei der eine Vielzahl von Schichten mit unterschiedlichen durchschnittlichen Porendurchmessern in Dickenrichtung geschichtet sind. In dem in 4 beispielhaft dargestellten Fall weist der Träger 11 ein Basismaterial 31, eine Zwischenschicht 32 und eine Oberflächenschicht 33 auf. Der durchschnittliche Porendurchmesser und der Durchmesser der gesinterten Teilchen in der Oberflächenschicht 33, einschließlich der Oberfläche, auf der die Zeolithmembran 12 gebildet wird, sind kleiner als in den anderen Schichten (Basismaterial 31 und Zwischenschicht 32) als der Oberflächenschicht 33. Der durchschnittliche Porendurchmesser in der Oberflächenschicht 33 des Trägers 11 beträgt z.B. 0,01 µm bis 1 µm und vorzugsweise 0,05 µm bis 0,5 µm. Wenn der Träger 11 eine Mehrschichtstruktur aufweist, können die Materialien für die jeweiligen Schichten die vorstehend beschriebenen sein. Die Materialien für die mehreren Schichten, die die Mehrschichtstruktur bilden, können gleich oder unterschiedlich sein. In dem Träger 11 können zwischen dem Basismaterial 31 und der Oberflächenschicht 33 mehrere Zwischenschichten 32 mit jeweils unterschiedlichen durchschnittlichen Porendurchmessern oder dergleichen geschichtet werden. Weiterhin kann in dem Träger 11 die Oberflächenschicht 33 oder die Zwischenschicht 32 weggelassen werden oder sowohl die Oberflächenschicht 33 als auch die Zwischenschicht 32 können weggelassen werden.
Die Zeolithmembran 12 ist eine poröse Membran mit Mikroporen. Die Zeolithmembran 12 kann als Trennmembran zum Trennen einer speziellen Substanz von einer gemischten Substanz verwendet werden, in der eine Vielzahl von Substanzarten gemischt sind, indem eine molekulare Siebfunktion verwendet wird. Im Vergleich zu der speziellen Substanz ist es für jede der anderen Substanzen schwieriger, die Zeolithmembran 12 zu durchdringen. Mit anderen Worten, die Permeanz jeder anderen Substanz durch die Zeolithmembran 12 ist geringer als die der vorstehend genannten speziellen Substanz.
Die Dicke der Zeolithmembran 12 beträgt beispielsweise 0,05 µm bis 30 µm, vorzugsweise 0,1 µm bis 20 µm und bevorzugter 0,5 µm bis 10 µm. Wenn die Dicke der Zeolithmembran 12 erhöht wird, nimmt die Trennleistung zu. Wenn die Dicke der Zeolithmembran 12 verringert wird, nimmt die Permeanz zu. Die Oberflächenrauhigkeit (Ra) der Zeolithmembran 12 beträgt beispielsweise 5 µm oder weniger, vorzugsweise 2 µm oder weniger, bevorzugter 1 µm oder weniger und weiter bevorzugt 0,5 µm oder weniger.
Der Porendurchmesser eines Zeolithkristalls, der in der Zeolithmembran 12 enthalten ist (im Folgenden auch einfach als „Porendurchmesser der Zeolithmembran 12“ bezeichnet), ist nicht kleiner als 0,2 nm und nicht größer als 0,8 nm, vorzugsweise nicht kleiner als 0,3 nm und nicht größer als 0,7 nm und bevorzugter nicht kleiner als 0,3 nm und nicht größer als 0,45 nm. Wenn der Porendurchmesser der Zeolithmembran 12 kleiner als 0,2 nm ist, gibt es einige Fälle, in denen die Menge der Substanz, die die Zeolithmembran durchdringt, kleiner wird, und wenn der Porendurchmesser der Zeolithmembran 12 größer als 0,8 nm ist, gibt es einige Fälle, in denen die Selektivität einer Substanz durch die Zeolithmembran unzureichend wird. Der Porendurchmesser der Zeolithmembran 12 bezieht sich auf einen Durchmesser (d.h. einen kurzen Durchmesser) der Pore in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zum maximalen Durchmesser (d.h. einem langen Durchmesser, der der Maximalwert eines Abstands zwischen Sauerstoffatomen ist) der Pore eines Zeolithkristalls ist, der die Zeolithmembran 12 bildet. Der Porendurchmesser der Zeolithmembran 12 ist kleiner als der durchschnittliche Porendurchmesser in der Oberfläche des Trägers 11, auf dem die Zeolithmembran 12 angeordnet ist.
Wenn die maximale Anzahl der Gliederringe des Zeoliths, der die Zeolithmembran 12 bildet, n ist, wird der kurze Durchmesser einer n-gliedrigen Ringpore als Porendurchmesser der Zeolithmembran 12 definiert. Wenn weiterhin der Zeolith mehrere Arten von n-gliedrigen Ringporen mit demselben n aufweist, wird der kurze Durchmesser der n-gliedrigen Ringpore mit dem größten kurzen Durchmesser als Porendurchmesser der Zeolithmembran 12 definiert. Darüber hinaus bezieht sich ein n-gliedriger Ring auf einen Abschnitt, in dem die Anzahl der Sauerstoffatome, die ein Gerüst bilden, das eine Pore bildet, n ist und jedes Sauerstoffatom an später beschriebene T-Atome gebunden ist, um eine Ringstruktur zu bilden. Weiterhin bezieht sich der n-gliedrige Ring auf einen Abschnitt, in dem ein Durchgangsloch (Kanal) gebildet wird, und schließt keinen Abschnitt ein, in dem kein Durchgangsloch gebildet wird. Die n-gliedrige Ringpore bezieht sich auf eine Pore, die aus einem n-gliedrigen Ring besteht. Um die Selektivität zu verbessern, sollte die maximale Anzahl der Ringe des Zeoliths, der in der vorstehend beschriebenen Zeolithmembran 12 enthalten ist, vorzugsweise acht betragen. Mit anderen Worten: Der Zeolith, der die Zeolithmembran 12 bildet, sollte vorzugsweise ein Zeolith mit einem achtgliedrigen Ring sein.
Der Porendurchmesser der Zeolithmembran wird eindeutig in Abhängigkeit von der Gerüststruktur des Zeoliths bestimmt und kann den Werten entnommen werden, die in der „Database of Zeolite Structures“ [online], Internet <URL: http://www.iza-structure.org/databases/> der International Zeolite Association angegeben sind.
Es gibt keine besondere Beschränkung hinsichtlich des Typs des Zeoliths, der die Zeolithmembran 12 bildet, aber die Zeolithmembran 12 kann beispielsweise aus dem AEI-Typ, dem AEN-Typ, dem AFN-Typ, dem AFV-Typ, dem AFX-Typ, dem BEA-Typ, CHA-Typ, DDR-Typ, ERI-Typ, ETL-Typ, FAU-Typ (X-Typ, Y-Typ), GIS-Typ, IHW-Typ, LEV-Typ, LTA-Typ, LTJ-Typ, MEL-Typ, MFI-Typ, MOR-Typ, PAU-Typ, RHO-Typ, SOD-Typ, SAT-Typ oder dergleichen bestehen. Handelt es sich bei dem Zeolith um einen Zeolith mit einem achtgliedrigen Ring, kann der Zeolith beispielsweise vom AEI-Typ, AFN-Typ, AFV-Typ, AFX-Typ, CHA-Typ, DDR-Typ, ERI-Typ, ETL-Typ, GIS-Typ, IHW-Typ, LEV-Typ, LTA-Typ, LTJ-Typ, RHO-Typ, SAT-Typ oder dergleichen sein. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ist der Typ des Zeoliths, der die Zeolithmembran 12 bildet, ein Zeolith vom DDR-Typ.
Die Zeolithmembran 12 enthält z.B. Silicium (Si). Die Zeolithmembran 12 kann z.B. zwei oder mehr von Si, Aluminium (Al) und Phosphor (P) enthalten. Als Zeolith, der die Zeolithmembran 12 bildet, kann ein Zeolith, bei dem die Atome (T-Atome), die sich im Zentrum eines den Zeolith bildenden Sauerstofftetraeders (TO₄) befinden, nur Si oder Si und Al enthalten, ein Zeolith vom AIPO-Typ, bei dem die T-Atome Al und P enthalten, ein Zeolith vom SAPO-Typ, bei dem die T-Atome Si, Al und P enthalten, ein Zeolith vom MAPSO-Typ, bei dem die T-Atome Magnesium (Mg), Si, Al und P enthalten, ein Zeolith vom ZnAPSO-Typ, bei dem die T-Atome Zink (Zn), Si, Al und P enthalten, oder dergleichen verwendet werden. Einige der T-Atome können durch andere Elemente ersetzt werden.
Wenn die Zeolithmembran 12 Si-Atome und Al-Atome enthält, beträgt das Verhältnis Si/Al in der Zeolithmembran 12 beispielsweise nicht weniger als 1 und nicht mehr als 100000. Das Si/Al-Verhältnis ist ein Molverhältnis von Si-Element zu Al-Element, das in der Zeolithmembran 12 enthalten ist. Das Si/Al-Verhältnis beträgt vorzugsweise 5 oder mehr, bevorzugter 20 oder mehr und weiter bevorzugt 100 oder mehr. Kurz gesagt, je höher das Verhältnis ist, desto besser. Durch Einstellen des Mischungsverhältnisses einer Si-Quelle und einer Al-Quelle in einer Ausgangsmateriallösung, die bei der Herstellung der Zeolithmembran 12 verwendet wird, oder dergleichen kann das Si/Al-Verhältnis in der Zeolithmembran 12 eingestellt werden. Die Zeolithmembran 12 kann ein Alkalimetall enthalten. Das Alkalimetall ist zum Beispiel Natrium (Na) oder Kalium (K).
Das Verhältnis (Permeanzverhältnis) zwischen der Permeanz von CO₂ durch die Zeolithmembran 12 zu der Permeanz von N₂ ist beispielsweise nicht kleiner als 5, vorzugsweise nicht kleiner als 10, bevorzugter nicht kleiner als 15 und weiter bevorzugt nicht kleiner als 25. Das Permeanzverhältnis ist ein Verhältnis in einem Fall, in dem ein Einkomponenten-Flaschengas als Versorgungsgas verwendet wird und der Druck auf der Zufuhrseite 300 kPaG beträgt, der Druck auf der Permeatseite ein atmosphärischer Druck ist und die Temperatur 25°C beträgt.
Wie in 2 gezeigt, handelt es sich bei den beiden Dichtungsteilen 21 im Trennmembranmodul 2 um Elemente, die an beiden Endabschnitten des Trägers 11 in Längsrichtung (d.h. in der linken und rechten Richtung von 2) angebracht sind und beide Endoberflächen des Trägers 11 in Längsrichtung sowie Abschnitte der äußeren Umfangsoberfläche in der Nähe beider Endoberflächen abdecken und abdichten. Das Dichtungsteil 21 verhindert das Einströmen und Ausströmen eines Gases und einer Flüssigkeit von/zu den beiden Endoberflächen des Trägers 11. Jedes der Dichtungsteile 21 ist ein platten- oder membranartiges Element, das z.B. aus Glas oder einem Harz besteht. Das Material und die Form des Dichtungsteils 21 können je nach Bedarf geändert werden. Da das Dichtungsteil 21 mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen ist, die die Vielzahl von Durchgangslöchern 111 des Trägers 11 überlappen, sind beide Enden jedes Durchgangslochs 111 des Trägers 11 in Längsrichtung nicht mit den Dichtungsteilen 21 bedeckt. Daher kann das Einströmen und Ausströmen eines Gases und einer Flüssigkeit in/aus dem Durchgangsloch 111 von/zu dessen beiden Enden erfolgen.
Die Form des Gehäuses 22 ist nicht besonders begrenzt, aber das Gehäuse 22 ist beispielsweise ein rohrförmiges Element mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form. Das Gehäuse 22 besteht z.B. aus rostfreiem Stahl oder Kohlenstoffstahl. Die Längsrichtung des Gehäuses 22 ist im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Zeolithmembrankomplexes 1. An einem Endabschnitt auf einer Seite in Längsrichtung des Gehäuses 22 (d.h. einem Endabschnitt auf der linken Seite in 2) ist eine Zufuhröffnung 221 vorgesehen und an einem anderen Endabschnitt auf der anderen Seite ist eine erste Auslassöffnung 222 vorgesehen. Eine zweite Auslassöffnung 223 befindet sich an einer Seitenoberfläche des Gehäuses 22. Ein Innenraum des Gehäuses 22 ist ein abgedichteter Raum, der von der Umgebung des Gehäuses 22 isoliert ist.
Die zwei Dichtungselemente 23 sind über den gesamten Umfang zwischen einer äußeren Umfangsoberfläche des Zeolithmembrankomplexes 1 und einer inneren Umfangsoberfläche des Gehäuses 22 in der Nähe der beiden Endabschnitte des Zeolithmembrankomplexes 1 in Längsrichtung angeordnet. Jedes der Dichtungselemente 23 ist ein im Wesentlichen ringförmiges Element, das aus einem Material besteht, das nicht von Gas und Flüssigkeit durchdrungen werden kann. Das Dichtungselement 23 ist zum Beispiel ein O-Ring aus einem flexiblen Harz. Die Dichtungselemente 23 stehen in engem Kontakt mit der äußeren Umfangsoberfläche des Zeolithmembrankomplexes 1 und der inneren Umfangsoberfläche des Gehäuses 22 um deren gesamten Umfang herum. In dem in 2 dargestellten Beispielsfall stehen die Dichtungselemente 23 in engem Kontakt mit einer äußeren Umfangsoberfläche des Dichtungsteils 21 und indirekt in engem Kontakt mit der äußeren Umfangsoberfläche des Trennmembrankomplexes 1, wobei das Dichtungsteil 21 dazwischen liegt. Die Abschnitte zwischen den Dichtungselementen 23 und der äußeren Umfangsoberfläche des Zeolithmembrankomplexes 1 sowie zwischen den Dichtungselementen 23 und der inneren Umfangsoberfläche des Gehäuses 22 sind abgedichtet und so ist ein Durchtritt von Gas und Flüssigkeit durch diese Abschnitte weitgehend oder vollständig unmöglich.
Im Trennmembranmodul 2 wird ein gemischtes Fluid (hier gemischtes Gas), das mehrere Arten von Fluiden mit unterschiedlichen Permeabilitäten für die Zeolithmembran 12 enthält, in das Innere des Gehäuses 22 geleitet, wie durch einen Pfeil 251 angezeigt. Eine Hauptkomponente des gemischten Fluids ist beispielsweise CO₂-Gas und N₂-Gas. Das gemischte Fluid kann jede andere Substanz als CO₂ und N₂ enthalten. Das dem Gehäuse 22 zugeführte gemischte Fluid wird vom linken Ende des Zeolithmembrankomplexes 1 in dieser Figur in das Innere jedes Durchgangslochs 111 des Trägers 11 geleitet. Ein Fluid mit hoher Permeabilität (z.B. CO₂-Gas und im Folgenden als „hochpermeables Fluid“ bezeichnet) in dem gemischten Fluid durchdringt die Zeolithmembran 12, die an der Innenoberfläche jedes Durchgangslochs 111 und des Trägers 11 vorgesehen ist, und wird aus der äußeren Umfangsoberfläche des Trägers 11 herausgeführt. Das hochpermeable Fluid wird dadurch von einem Fluid mit geringer Permeabilität (z.B. N₂-Gas, das im Folgenden als „niedrigpermeables Fluid“ bezeichnet wird) im gemischten Fluid getrennt.
Das Fluid (im Folgenden als „Permeatfluid“ bezeichnet), das den Zeolithmembrankomplex 1 durchdrungen hat und aus der äußeren Umfangsoberfläche des Trägers 11 herausgeführt wurde, wird aus dem Gehäuse 22 durch die zweite Auslassöffnung 223 abgeleitet, wie durch einen Pfeil 253 angezeigt. Das Permeatfluid kann sowohl das die Zeolithmembran 12 durchdringende Fluid mit geringer Permeabilität als auch das vorstehend beschriebene Fluid mit hoher Permeabilität enthalten.
Weiterhin strömt in dem gemischten Fluid ein anderes Fluid (im Folgenden als „Nicht-Permeatfluid“ bezeichnet) als das Fluid, das die Zeolithmembran 12 und den Träger 11 durchdrungen hat, durch jedes Durchgangsloch 111 des Trägers 11 von der linken Seite zur rechten Seite in dieser Figur. Das Nicht-Permeatfluid tritt durch die erste Auslassöffnung 222 aus dem Gehäuse 22 aus, wie durch einen Pfeil 252 angezeigt. Der Druck des aus dem Gehäuse 22 austretenden Nicht-Permeatfluids ist beispielsweise im Wesentlichen derselbe wie der Druck (Zuführungsdruck) des in das Innere des Gehäuses 22 zuzuführenden Fluids. Das Nicht-Permeatfluid kann sowohl das hochpermeable Fluid, das die Zeolithmembran 12 nicht durchdrungen hat, als auch das vorstehend beschriebene niedrigpermeable Fluid sein.
Wie bereits beschrieben, kann jedes in 1 gezeigte Trennteil 41 oder 42 eine Vielzahl von Trennmembranmodulen 2 aufweisen. In einem Fall, in dem das Trennteil 41 oder 42 beispielsweise M Trennmembranmodule 2 enthält, d.h. das erste Trennmembranmodul 2 bis zum M-ten Trennmembranmodul 2 (M ist eine ganze Zahl nicht kleiner als 2), ist die erste Auslassöffnung 222 des (m-1)-ten Trennmembranmoduls 2 (m ist eine ganze Zahl nicht kleiner als 2 und nicht größer als M) mit der Zufuhröffnung 221 des m-ten Trennmembranmoduls 2 verbunden. Die mehreren Trennmembranmodule 2 sind somit in Reihe miteinander verbunden. Wie später beschrieben, wird das Fluid in jedem Trennteil 41 oder 42 dem ersten Trennmembranmodul 2 zugeführt, und das Fluid, das die Zeolithmembran 12 nicht durchdringt, tritt nacheinander vom ersten Trennmembranmodul 2 zum M-ten Trennmembranmodul 2 durch. Obwohl hier davon ausgegangen wird, dass das erste Trennteil 41 und das zweite Trennteil 42 jeweils die gleiche Anzahl (M) von Trennmembranmodulen 2 enthalten, kann die Anzahl der Trennmembranmodule 2 im ersten Trennteil 41 von der Anzahl der Trennmembranmodule 2 im zweiten Trennteil 42 abweichen. Wie später beschrieben, kann die Anzahl der Trennmembranmodule 2 im ersten Trennteil 41 und im zweiten Trennteil 42 jeweils eins sein. Weiterhin kann das Trennmembranmodul 2 im ersten Trennteil 41 dasselbe sein wie das Trennmembranmodul 2 im zweiten Trennteil 42 oder sich davon in der Beschaffenheit, der Form oder dergleichen unterscheiden. Das erste Trennteil 41 und das zweite Trennteil 42 können die Trennmembranmodule 2 enthalten, die sich voneinander in der Beschaffenheit, der Form oder dergleichen unterscheiden.
Das erste Trennteil 41 enthält eine Fluidzufuhröffnung 411, eine Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 412 und eine Permeatfluidauslassöffnung 413. In dem ersten Trennteil 41 dient die Zufuhröffnung 221 des ersten Trennmembranmoduls 2, d.h. des Trennmembranmoduls 2 auf der stromaufwärts gelegenen Seite, als Fluidzufuhröffnung 411. Die erste Auslassöffnung 222 des M-ten Trennmembranmoduls 2, d.h. des Trennmembranmoduls 2 auf der stromabwärts gelegenen Seite, dient als Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 412. Weiterhin dient eine Gruppe von M zweiten Auslassöffnungen 223 in den ersten bis M-ten Trennmembranmodulen 2 als Permeatfluidauslassöffnung 413. Das erste Trennteil 41 kann nur ein Trennmembranmodul 2 enthalten und in diesem Fall dienen die Zufuhröffnung 221, die erste Auslassöffnung 222 und die zweite Auslassöffnung 223 des Trennmembranmoduls 2 als Fluidzufuhröffnung 411, als Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 412 bzw. als Permeatfluidauslassöffnung 413.
Wie das erste Trennteil 41 enthält auch das zweite Trennteil 42 eine Fluidzufuhröffnung 421, eine Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 422 und eine Permeatfluidauslassöffnung 423. Im zweiten Trennteil 42 dient die Zufuhröffnung 221 des ersten Trennmembranmoduls 2, d.h. des Trennmembranmoduls 2 auf der stromaufwärtigsten Seite, als Fluidzufuhröffnung 421. Die erste Auslassöffnung 222 des M-ten Trennmembranmoduls 2, d.h. des Trennmembranmoduls 2 auf der stromabwärtigsten Seite, dient als Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 422. Weiterhin dient eine Gruppe von M zweiten Auslassöffnungen 223 in den ersten bis M-ten Trennmembranmodulen 2 als Permeatfluidauslassöffnung 423. Das zweite Trennteil 42 kann nur ein Trennmembranmodul 2 enthalten und in diesem Fall dienen die Zufuhröffnung 221, die erste Auslassöffnung 222 und die zweite Auslassöffnung 223 des Trennmembranmoduls 2 als Fluidzufuhröffnung 421, die Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 422 bzw. die Permeatfluidauslassöffnung 423.
Das Trennsystem 4 enthält weiterhin ein Zuführungsrohr 43, ein Zwischenverbindungsteil 44, ein erstes Nicht-Permeatfluidsammelrohr 45, ein zweites Nicht-Permeatfluidsammelrohr 46 und ein Permeatfluidsammelrohr 47. Das Zuführungsrohr 43 ist mit der Flüssigkeitszufuhröffnung 411 des ersten Trennteils 41 verbunden. Das Zuführungsrohr 43 ist mit einem Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteil 431 versehen. Das Zwischenverbindungsteil 44 ist ein Verbindungsrohr und verbindet die Permeatfluidauslassöffnung 413 des ersten Trennteils 41 mit der Fluidzufuhröffnung 421 des zweiten Trennteils 42. Das erste Nicht-Permeatfluidsammelrohr 45 ist mit der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 412 des ersten Trennteils 41 verbunden. Das zweite Nicht-Permeatfluidsammelrohr 46 ist mit der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 422 des zweiten Trennteils 42 verbunden. Das Permeatfluidsammelrohr 47 ist mit der Permeatfluidauslassöffnung 423 des zweiten Trennteils 42 verbunden. Das Permeatfluidsammelrohr 47 ist mit einem Druckreduzierungsteil 471 versehen.
5 ist ein Diagramm, das den Druck an jeder Position des Trennsystems 4 zeigt. Die vertikale Achse von 5 stellt einen Druck dar und die horizontale Achse davon stellt eine Position in einem Weg von dem Zuführungsrohr 43 zum Permeatfluidsammelrohr 47 dar. Auf der horizontalen Achse von 5 sind die jeweiligen Positionen des Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteils 431, des ersten Trennteils 41, des zweiten Trennteils 42 und des Druckreduzierungsteils 471 durch dieselben Bezugszeichen dargestellt wie die der entsprechenden Bestandteilselemente. Die durchgezogene Linie L1 in 5 stellt den Druck an jeder Position des in 1 gezeigten Trennsystems 4 dar.
Im Trennsystem 4 von 1 strömt das gemischte Fluid von einer externen Zufuhrquelle des gemischten Fluids in das Zuführungsrohr 43. Das Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteil 431 ist beispielsweise ein Kompressor oder dergleichen und erhöht (komprimiert) den Druck des gemischten Fluids. Wie in 5 gezeigt, bewirkt das Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteil 431, dass der Druck des gemischten Fluids auf einen Druck P1 (z.B. einen Druck P1 von mehr als 200 kPaG) ansteigt, der ausreichend höher ist als der atmosphärische Druck P0. Das gemischte Fluid wird dem ersten Trennteil 41 über die Fluidzufuhröffnung 411 zugeführt. In der folgenden Beschreibung wird das dem ersten Trennteil 41 zugeführte gemischte Fluid als „Versorgungsfluid“ bezeichnet. Der Druck P1 des Versorgungsfluids (der Druck auf der Zufuhrseite des ersten Trennteils 41) liegt beispielsweise im Bereich von 200 kPaG bis 10000 kPaG, vorzugsweise von 250 kPaG bis 7000 kPaG und bevorzugter von 300 kPaG bis 4000 kPaG. Die Temperatur des Versorgungsfluids beträgt z.B. 10°C bis 250°C. In dem Zuführungsrohr 43 können zusätzlich zu dem Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteil 431 ein Temperatursteuerteil und ein Druckregulierungsteil zur Steuerung der Temperatur bzw. des Drucks des Versorgungsfluids vorgesehen sein. Wenn der Druck des gemischten Fluids, das von der Zufuhrquelle des gemischten Fluids in das Zuführungsrohr 43 fließt, ausreichend höher ist als der atmosphärische Druck P0, kann das Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteil 431 für das Zufuhrfluid weggelassen werden.
Im ersten Trennteil 41 wird ein Fluid (im Folgenden als „erstes Nicht-Permeatfluid“ bezeichnet), das die Zeolithmembran 12 eines beliebigen Trennmembranmoduls 2 nicht durchdrungen hat, durch die Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 412 zum ersten Nicht-Permeatfluidsammelrohr 45 austritt und dann gesammelt. Der Druck des ersten Nicht-Permeatfluids (der Druck auf der Nicht-Permeatseite des ersten Trennteils 41) ist im Wesentlichen derselbe wie der Druck P1 des dem ersten Trennteil 41 zugeführten Versorgungsfluids. Im ersten Trennteil 41 wird ein Fluid (im Folgenden als „erstes Permeatfluid“ bezeichnet), das die Zeolithmembran 12 eines Trennmembranmoduls 2 durchdrungen hat, durch die Permeatfluidauslassöffnung 413 zum Zwischenverbindungsteil 44 geleitet. Wie später beschrieben, ist in dem in 1 gezeigten beispielhaften Fall der Druck im Inneren des Zwischenverbindungsteils 44 im Wesentlichen atmosphärischer Druck (eigentlich der atmosphärische Druck P0 oder ein Druck, der geringfügig höher als der atmosphärische Druck P0 ist, und z.B. von 0 bis 50 kPaG und vorzugsweise von 0 bis 30 kPaG). Mit anderen Worten, der Druck des ersten Permeatfluids, das aus der Permeatfluidauslassöffnung 413 austritt (ein Druck auf der Permeatseite des ersten Trennteils 41), ist im Wesentlichen der atmosphärische Druck.
Das Zwischenverbindungsteil 44 ist weder mit einer Vorrichtung zur Druckerhöhung, wie einem Kompressor oder dergleichen, noch mit einer Vorrichtung zur Druckreduzierung, wie einer Vakuumpumpe oder dergleichen, versehen und in dem in 1 gezeigten beispielhaften Fall ist der Druck des Zwischenverbindungsteils 44 insgesamt der im Wesentlichen atmosphärische Druck. Das erste Permeatfluid aus dem ersten Trennteil 41 wird dem zweiten Trennteil 41 durch die Fluidzufuhröffnung 421 zugeführt. Der Druck des ersten Permeatfluids, das dem zweiten Trennteil 41 zugeführt wird (ein Druck auf der Zufuhrseite des zweiten Trennteils 42), ist im Wesentlichen der atmosphärische Druck.
Das Druckreduzierungsteil 471 ist beispielsweise eine Vakuumpumpe oder dergleichen, und wie in 5 gezeigt, reduziert das Druckreduzierungsteil 471 einen Druck innerhalb der Permeatfluidauslassöffnung 423 des zweiten Trennteils 42 auf einen Druck P2, der niedriger als der atmosphärische Druck P0 ist. Weiterhin kann das Druckreduzierungsteil 471 das Permeatfluid kühlen oder das Permeatfluid kühlen, so dass es kondensiert oder verfestigt wird, um dadurch den Druck zu reduzieren. Der Druck P2 innerhalb der Permeatfluidauslassöffnung 423 (der Druck auf der Permeatseite des zweiten Trennteils 42) liegt beispielsweise von -10 kPaG bis - 100 kPaG, vorzugsweise von -15 kPaG bis -95 kPaG und bevorzugter von -20 kPaG bis -90 kPaG.
In dem zweiten Trennteil 42 wird ein Fluid (im Folgenden als „zweites Permeatfluid“ bezeichnet), das die Zeolithmembran 12 eines Trennmembranmoduls 2 durchdrungen hat, durch die Permeatfluidauslassöffnung 423 in das Permeatfluidsammelrohr 47 abgeleitet. In dem Trennsystem 4 von 1 ist die Druckdifferenz zwischen der Fluidzufuhröffnung 421 und der Permeatfluidauslassöffnung 423 in dem zweiten Trennteil 42 geringer als die Druckdifferenz zwischen der Fluidzufuhröffnung 411 und der Permeatfluidauslassöffnung 413 in dem ersten Trennteil 41. Zum Beispiel ist die Druckdifferenz im zweiten Trennteil 42 nicht höher als das 0,8-fache der Druckdifferenz im ersten Trennteil 41. Selbst wenn die Druckdifferenz im zweiten Trennteil 42 gering ist, ist es daher möglich, im zweiten Trennteil 42 mit der Zeolithmembran 12 als Trennmembran die Konzentration des hochpermeablen Fluids im zweiten Permeatfluid und die Permeanz des zweiten Permeatfluids zu erhöhen. Die Druckdifferenz im zweiten Trennteil 42 darf nicht höher als das 0,6-fache der Druckdifferenz im ersten Trennteil 41 oder nicht höher als das 0,5-fache der Druckdifferenz im ersten Trennteil 41 sein. Zum Beispiel ist die Druckdifferenz im zweiten Trennteil 42 nicht geringer als das 0,1-fache der Druckdifferenz im ersten Trennteil 41. In dem Permeatfluidsammelrohr 47 ist der Druck des zweiten Permeatfluids, das das Druckreduzierungsteil 471 durchdrungen hat, beispielsweise im Wesentlichen gleich dem atmosphärischen Druck P0.
Im zweiten Trennteil 42 wird ein Fluid (im Folgenden als „zweites Nicht-Permeatfluid“ bezeichnet), das die Zeolithmembran 12 eines beliebigen Trennmembranmoduls 2 nicht durchdrungen hat, durch die Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 422 in das zweite Nicht-Permeatfluidsammelrohr 46 austritt und dann gesammelt. Im Trennsystem 4 entspricht der Druck im Inneren des zweiten Nicht-Permeatfluidsammelrohrs 46 (Druck auf der Nicht-Permeatseite des zweiten Trennteils 42) im Wesentlichen dem atmosphärischen Druck. Der Druck im Inneren des Zwischenverbindungsteils 44 wird dadurch zum im Wesentlichen atmosphärischen Druck (d.h. der atmosphärische Druck P0 oder ein Druck, der geringfügig höher als der atmosphärische Druck P0 ist). Tatsächlich sind die Drücke aller Abschnitte innerhalb des Zwischenverbindungsteils 44 niedriger als der Druck innerhalb des Zuführungsrohrs 43 und nicht niedriger als der atmosphärische Druck.
Als Nächstes wird ein Trennversuch beschrieben, der an den jeweiligen Trennsystemen in Beispiel und Vergleichsbeispielen durchgeführt wird. Das Trennsystem 4 im Beispiel hat die gleiche Konfiguration wie in 1 gezeigt. 6A bis 6D sind Ansichten, die die jeweiligen Konfigurationen der Trennsysteme 9a bis 9d in den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 zeigen. In dem in 6A gezeigten Trennsystem 9a des Vergleichsbeispiels 1 sind alle Trennmembranmodule 2 (siehe 2) in Reihe geschaltet, um ein Trennteil 91 zu bilden. Mit anderen Worten, es ist nur das erste Trennteil 91 und kein zweites Trennteil vorgesehen. An eine Fluidzufuhröffnung 911 des Trennteils 91 ist ein Zuführungsrohr 93 angeschlossen und das Zuführungsrohr 93 ist mit einem Kompressor 931 versehen. An eine Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 912 des Trennteils 91 ist ein Nicht-Permeatfluidsammelrohr 95 angeschlossen und an eine Permeatfluidauslassöffnung 913 desselben ist ein Permeatfluidsammelrohr 97 angeschlossen. Das Permeatfluidsammelrohr 97 ist nicht mit einem Druckreduzierungsteil versehen.
In dem in 6B gezeigten Trennsystem 9b des Vergleichsbeispiels 2 wird dem in 6A gezeigten Trennsystem 9a des Vergleichsbeispiels 1 ein Rückführrohr 98 hinzugefügt. Ein Ende des Rückführrohrs 98 ist mit dem Permeatfluidsammelrohr 97 verbunden und sein anderes Ende ist mit einer stromaufwärts gelegenen Seite des Kompressors 931 in dem Zuführungsrohr 93 verbunden. In dem in 6C gezeigten Trennsystem 9c des Vergleichsbeispiels 3 wird eine Vakuumpumpe 971 zu dem in 6A gezeigten Trennsystem 9a des Vergleichsbeispiels 1 hinzugefügt. Die Vakuumpumpe 971 ist in dem Permeatfluidsammelrohr 97 vorgesehen.
Das in 6D gezeigte Trennsystem 9d des Vergleichsbeispiels 4 ist mit einem ersten Trennteil 91 und einem zweiten Trennteil 92 versehen und die Permeatfluidauslassöffnung 913 des ersten Trennteils 91 und eine Fluidzufuhröffnung 921 des zweiten Trennteils 92 sind durch ein Zwischenverbindungsteil 94 miteinander verbunden. Das Zwischenverbindungsteil 94 ist mit einem Kompressor 942 versehen. An der Fluidzufuhröffnung 911 des ersten Trennteils 91 ist das Zuführungsrohr 93 angeschlossen und das Zuführungsrohr 93 ist mit dem Kompressor 931 versehen. An die Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 912 des ersten Trennteils 91 ist ein erstes Nicht-Permeatfluidsammelrohr 95 angeschlossen und an eine Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 922 des zweiten Trennteils 92 ist ein zweites Nicht-Permeatfluidsammelrohr 96 angeschlossen. An eine Permeatfluidauslassöffnung 923 des zweiten Trennteils 92 ist das Permeatfluidsammelrohr 97 angeschlossen. Das Trennsystem 9d des Vergleichsbeispiels 4 unterscheidet sich von dem Trennsystem 4 des Beispiels dadurch, dass das Druckreduzierungsteil 471 entfällt und das Zwischenverbindungsteil 94 mit dem Kompressor 942 versehen ist.
In den Trennsystemen 1 und 9a bis 9d von Beispiel bzw. Vergleichsbeispielen 1 bis 4 wird das gleiche Trennmembranmodul 2 (siehe 2) verwendet. Jedes der Trennmembranmodule 2 weist den Trennmembrankomplex 1 mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Länge von 160 mm auf. In dem Trennmembrankomplex 1 ist die Zeolithmembran 12 vom Typ DDR vorgesehen. Das Permeanzverhältnis von CO₂/N₂ der Zeolithmembran 12 beträgt 27. Das Permeanzverhältnis von CO₂/N₂ ist ein Verhältnis in einem Fall, in dem ein Einkomponenten-Flaschengas als Versorgungsgas verwendet wird und der Druck auf der Zufuhrseite 300 kPaG beträgt, der Druck auf der Permeatseite der atmosphärische Druck ist und die Temperatur 25°C beträgt.
Bei den Trennsystemen 4 und 9a bis 9d des Beispiels und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wird angenommen, dass der Druck des Versorgungsfluids 800 kPaG beträgt. Im Trennsystem 4 des Beispiels wird angenommen, dass der Druck an der Permeatfluidauslassöffnung 413 des ersten Trennteils 41 0 kPaG und der Druck an der Permeatfluidauslassöffnung 423 des zweiten Trennteils 42 -100 kPaG beträgt. Bei den Trennsystemen 9a und 9b der Vergleichsbeispiele 1 und 2 wird angenommen, dass der Druck an der Permeatfluidauslassöffnung 913 des Trennteils 91 0 kPaG beträgt und bei dem Trennsystem 9b wird angenommen, dass die Durchflussrate des über das Rückführrohr 98 zurückgeführten Permeats 2,3 Nm³/h beträgt. Im Trennsystem 9c des Vergleichsbeispiels 3 wird angenommen, dass der Druck an der Permeatfluidauslassöffnung 913 des Trennteils 91 -100 kPaG beträgt. Im Trennsystem 9d des Vergleichsbeispiels 4 wird angenommen, dass der Druck an der Permeatfluidauslassöffnung 913 des ersten Trennteils 91 0 kPaG, der Druck an der Fluidzufuhröffnung 921 des zweiten Trennteils 92 200 kPaG und der Druck an der Permeatfluidauslassöffnung 923 des zweiten Trennteils 92 0 kPaG beträgt.
Im Trennversuch wird die CO₂-Konzentration des Permeatfluids, das durch das Permeatfluidsammelrohr 47 oder 97 gesammelt wird, bewertet. Es ist nämlich wichtig, die CO₂-Konzentration des Permeatfluids zu erhöhen, um den Einsatzbereich des Permeatfluids zu erweitern. Der Trennversuch wird bei 25°C durchgeführt, wobei das gemischte Fluid, bestehend aus 15 % CO₂ (Mol%, gleiches gilt für die folgenden) und 85 % N₂, als Versorgungsfluid verwendet wird. Das gemischte Fluid wird durch Mischen eines Flaschengases aus CO₂ und eines Flaschengases aus N₂ erzeugt. Die Durchflussrate des Versorgungsfluids beträgt 30 Nm³/h. Weiterhin wird der Test durchgeführt, indem die Anzahl der Trennmembranmodule 2, die in jedem der Trennsysteme 4 und 9a bis 9d verwendet werden, angepasst wird (mit anderen Worten, indem die Membranoberfläche angepasst wird), so dass die CO₂-Sammelrate des Permeatfluids, das von dem Permeatfluidsammelrohr 47 oder 97 gesammelt werden soll, 30 % betragen kann. Darüber hinaus ist die CO₂-Sammelrate ein Prozentsatz, der sich aus der CO₂-Menge in dem Permeatfluid in dem Permeatfluidsammelrohr 47 oder 97 geteilt durch die CO₂-Menge in dem Versorgungsfluid ergibt ((CO₂-Menge in der Permeatfluid/CO₂-Menge in dem Versorgungsfluid)×100).

Tabelle 1 zeigt ein Ergebnis des Trennversuchs. [Tabelle 1]

	Struktur des Trennsystems		Membranleistung	Permeat-CO₂-Konzentration	CO₂ Sammelrate
	Struktur des Trennsystems		CO₂/N₂-Permeanzverhältnis	(%]	[%]
Vergleichsbeispiel 1	1 Stufe	Druckerhöhung auf Zufuhrseite	27	66	30
Vergleichsbeispiel 2	1 Stufe	Druckerhöhung auf Zufuhrseite Permeatfluid-Recycle	27	70	30
Vergleichsbeispiel 3	1 Stufe	Druckerhöhung auf Zufuhrseite Druckreduktion auf Permeatseite	27	30	30
Vergleichsbeispiel 4	2 Stufen	Erstes Trennteil : Druckerhöhung auf Zufuhrseite Zweites Trennteil: Druckerhöhung auf Zufuhrseite	27	90	30
Beispiel	2 Stufen	Erstes Trennteil: Druckerhöhung auf Zufuhrseite Zweites Trennteil: Druckreduktion auf Permeatseite	27	96	30
Referenzbeispiel	1 Stufe	Druckerhöhung auf Zufuhrseite	1013	96	30

Im Trennsystem 9a des Vergleichsbeispiels 1 beträgt die CO₂-Konzentration des Permeatfluids in dem Permeatfluidsammelrohr 97 66 % und es wird keine ausreichende CO₂-Konzentration erreicht. Im Trennsystem 9b des Vergleichsbeispiels 2 wird die CO₂-Konzentration des Permeatfluids leicht erhöht (bis zu 70 %), indem die Hälfte des Permeatfluids in dem Permeatfluidsammelrohr 97 in das Zuführungsrohr 93 zurückgeführt wird, aber eine ausreichende CO₂-Konzentration wird immer noch nicht erreicht. Im Trennsystem 9c des Vergleichsbeispiels 3 wird die CO₂-Konzentration des Permeatfluids auf bis zu 80 % erhöht, indem der Druck auf der Zufuhrseite des Trennteils 91 erhöht und der Druck auf der Permeatseite gesenkt wird; dies ist jedoch nicht ausreichend. Im Trennsystem 9d des Vergleichsbeispiels 4 wird die CO₂-Konzentration des Permeatfluids auf bis zu 90 % erhöht, indem der Druck auf der Zufuhrseite des ersten Trennteils 91 erhöht wird und auch der Druck auf der Zufuhrseite des zweiten Trennteils 92 erhöht wird, aber die beiden Kompressoren 931 und 942 werden benötigt. Da der Kompressor teuer ist, steigen die Herstellungskosten des Trennsystems 9d.
Im Gegensatz dazu wird im Trennsystem 4 des Beispiels die CO₂-Konzentration des Permeatfluids durch die Erhöhung des Drucks auf der Zufuhrseite des ersten Trennteils 91 und die Verringerung des Drucks auf der Permeatseite des zweiten Trennteils 92 deutlich erhöht (bis zu 96 %) und die Trenngenauigkeit kann verbessert werden. Da nur ein teurer Kompressor (Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteile 431) benötigt wird, kann ein Anstieg der Herstellungskosten des Trennsystems 4 vermieden werden. Im Vergleich zwischen dem Trennsystem 4 des Beispiels und dem Trennsystem 9d des Vergleichsbeispiels 4 ist es im Trennsystem 9d des Vergleichsbeispiels 4 erforderlich, den Druck aller Permeatfluids zu erhöhen, die das erste Trennteil 91 durchdrungen haben. Andererseits ist es im Trennsystem 4 des Beispiels möglich, den Energieverbrauch im Vergleich zum Trennsystem 9d des Vergleichsbeispiels 4 zu reduzieren, da der Druck nur für das zweite Permeatfluid, das das zweite Trennteil 42 durchdrungen hat, unter dem ersten Permeatfluid, das das erste Trennteil 41 durchdrungen hat, reduziert wird.
Wie im Trennsystem 9a des Vergleichsbeispiels 1 ist zur Erhöhung der CO₂-Konzentration auf der Permeatseite auf 96 % im Falle der Erhöhung des Drucks auf der Zufuhrseite des Trennteils den Berechnungen zufolge eine Trennmembran mit einem Permeanzverhältnis von CO₂/N₂ von 1000 oder mehr erforderlich. In Tabelle 1 sind das Permeanzverhältnis und dergleichen für diesen Fall als Referenzbeispiel angegeben. Im Gegensatz dazu ist es im Trennsystem 4 des Beispiels durch Verwendung der Trennmembran mit einem Permeanzverhältnis von CO₂/N₂, das ausreichend niedriger ist als das der Trennmembran im Referenzbeispiel, möglich, die CO₂-Konzentration des Permeatfluids auf 96 % zu konzentrieren.
Wie vorstehend beschrieben, enthält das Trennsystem 4 das erste Trennteil 41 und das zweite Trennteil 42, die jeweils die Trennmembran (im vorstehend beschriebenen Beispielfall die Zeolithmembran 12) aufweisen. Das Zwischenverbindungsteil 44 verbindet die Permeatfluidauslassöffnung 413 des ersten Trennteils 41 und die Fluidzufuhröffnung 421 des zweiten Trennteils 42 miteinander. Das Zuführungsrohr 43 ist mit der Flüssigkeitszufuhröffnung 411 des ersten Trennteils 41 verbunden und das gemischte Fluid wird mit einem höheren Druck als dem atmosphärischen Druck zugeführt. An die Permeatfluidauslassöffnung 423 des zweiten Trennteils 42 ist das Druckreduzierungsteil 471 angeschlossen, um den Druck innerhalb der Permeatfluidauslassöffnung 423 auf einen Druck zu reduzieren, der niedriger als der atmosphärische Druck ist. In dem Trennsystem 4 ist der Druck innerhalb des Zwischenverbindungsteils 44 niedriger als der Druck innerhalb des Zuführungsrohrs 43 und nicht niedriger als der atmosphärische Druck. In dem vorstehend beschriebenen Trennsystem 4 ist es möglich, die Trenngenauigkeit zu verbessern, indem eine einfache Struktur verwendet wird, die in der Lage ist, den Energieverbrauch zu unterdrücken. Da das Zwischenverbindungsteil 44 keine teuren Komponenten wie einen Kompressor, eine Vakuumpumpe oder dergleichen enthält, ist es möglich, die Herstellungskosten des Trennsystems 4 zu reduzieren.
Hierin wird, wie in dem Trennsystem von 2 in der japanischen Patentanmeldung Offenlegung Patentblatt Nr. 2008-137847 (das vorstehend beschriebene Dokument 4), ein Trennsystem eines anderen Vergleichsbeispiels angenommen, in dem jedes des ersten Trennteils 91 und des zweiten Trennteils 92 mit einem Kompressor auf der Zufuhrseite und einer Vakuumpumpe auf der Permeatseite versehen ist. 7A ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Trennsystems 9e in einem anderen Vergleichsbeispiel zeigt. 7B ist ein Diagramm, das den Druck an jeder Position des Trennsystems 9e in einem anderen Vergleichsbeispiel zeigt, das 5 entspricht. Auf der horizontalen Achse von 7B sind die jeweiligen Positionen des ersten Trennteils 91, des Kompressors 931 auf der Zufuhrseite des ersten Trennteils 91 und der Vakuumpumpe 941 auf der Permeatseite desselben sowie die jeweiligen Positionen des zweiten Trennteils 92, des Kompressors 942 auf der Zufuhrseite des zweiten Trennteils 92 und der Vakuumpumpe 971 auf der Permeatseite desselben durch dieselben Bezugszeichen dargestellt wie die der entsprechenden Bestandteilselemente.
Wie in 7B gezeigt, sind in dem Trennsystem 9e auf einer stromaufwärtigen Seite und einer stromabwärtigen Seite jedes der Trennteile 91 und 92, der Kompressor 931 oder 942 und die Vakuumpumpe 941 oder 971 vorgesehen und eine große Druckdifferenz für jedes der Trennteile 91 und 92 wird eingestellt. Im Gegensatz dazu ist in dem in 5 gezeigten Trennsystem 4 das Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteil 431 auf einer stromaufwärtigen Seite des ersten Trennteils 41 und das Druckreduzierungsteil 471 auf einer stromabwärtigen Seite des zweiten Trennteils 42 vorgesehen und die durch das Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteil 431 und das Druckreduzierungsteil 471 verursachte Druckdifferenz wird zwischen dem ersten Trennteil 41 und dem zweiten Trennteil 42 geteilt. Daher ist das Trennsystem 4 kein Trennsystem, bei dem der Kompressor 942 und die Vakuumpumpe 941 zwischen dem ersten Trennteil 91 und dem zweiten Trennteil 92 einfach aus dem Trennsystem 9e entfernt werden, sondern das Trennsystem 4 und das Trennsystem 9e haben unterschiedliche technische Vorstellungen. Im Vergleich zum Trennsystem 9e kann das Trennsystem 4 eine einfache und kompakte Struktur annehmen, die in der Lage ist, den Energieverbrauch zu unterdrücken.
Das Trennsystem 9e basiert auf der Verwendung einer Polymermembran (organische Membran) als Trennmembran. Die Polymermembran weist ein geringeres Permeationsverhältnis als die Zeolithmembran und eine geringere Permeation des Permeatfluids als die Zeolithmembran auf. Um sowohl die Trenngenauigkeit zu verbessern als auch die Permeanz des Permeatfluids zu erhöhen, ist es daher notwendig, eine große Druckdifferenz für jedes dieser Trennteile einzustellen, indem der Kompressor und die Vakuumpumpe auf der stromaufwärtigen Seite bzw. der stromabwärtigen Seite jedes der Trennteile vorgesehen werden.
Andererseits wird in jedem der Trennteile 41 und 42 des Trennsystems 4 vorzugsweise eine Trennmembran verwendet, die ein anorganisches Material wie eine Zeolithmembran, eine Kohlenstoffmembran, eine Siliciumdioxidmembran oder dergleichen enthält, oder bevorzugter wird die Zeolithmembran 12 als Trennmembran verwendet. Eine solche Trennmembran weist ein höheres Permeationsverhältnis als die Polymermembran und eine höhere Permeation des Permeatfluids als die Polymermembran auf. Daher ist es leicht möglich, sowohl die Trenngenauigkeit zu verbessern als auch die Permeanz des Permeatfluids zu erhöhen, ohne eine große Druckdifferenz für jedes Trennteil 41 oder 42 einzustellen.
Je nach Ausgestaltung des Trennsystems 4 können im ersten Trennteil 41 und im zweiten Trennteil 42 unterschiedliche Arten von Trennmembranen vorgesehen sein. Vorzugsweise enthalten die Trennmembran des ersten Trennteils 41 und/oder die Trennmembran des zweiten Trennteils 42 ein anorganisches Material. Bevorzugter ist, dass die Trennmembran des ersten Trennteils 41 und/oder die Trennmembran des zweiten Trennteils 42 jeweils die Zeolithmembran 12 sind. In einem Fall, in dem es nicht notwendig ist, die Permeanz des Permeatfluids zu erhöhen, oder in einem ähnlichen Fall, kann in dem Trennsystem 4 die Polymermembran (organische Membran) verwendet werden. Als Trennmembran kann nicht nur eine Membran mit Molekularsieb, sondern auch eine Membran mit erleichtertem Transport verwendet werden. In dem Trennsystem 4 ist es selbst bei Verwendung einer Trennmembran mit nicht hoher Trennleistung, wie der Polymermembran oder dergleichen, möglich, eine Verbesserung der Trenngenauigkeit zu erreichen.
In dem Fall, in dem die Zeolithmembran 12 als Trennmembran verwendet wird, ist es bevorzugt, dass das gemischte Fluid ein Fluid mit einer Molekülgröße, die kleiner als der Porendurchmesser des die Zeolithmembran 12 bildenden Zeoliths (CO₂-Gas im vorstehend beschriebenen Beispielfall) ist, und ein Fluid mit einer Molekülgröße, die größer als der Porendurchmesser davon (N₂-Gas im vorstehend beschriebenen Beispielfall) ist, enthält. Dadurch kann die Trenngenauigkeit noch zuverlässiger verbessert werden.
8 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel für das Trennsystem 4 zeigt. Das Trennsystem 4 von 8 unterscheidet sich von dem Trennsystem 4 von 1 dadurch, dass das Zwischenverbindungsteil 44 mit einem Fluidspeicherteil 441 versehen ist. Die anderen Bestandteilselemente sind identisch mit denen des Trennsystems 4 von 1 und dieselben Bestandteilselemente sind durch dieselben Bezugszeichen dargestellt (dasselbe gilt für die später beschriebenen 9 bis 15).
Das Fluidspeicherteil 441 ist zum Beispiel ein Puffertank oder dergleichen und kann eine Variation der Durchflussrate des ersten Permeatfluids einstellen und die Leistung der zweiten Trennmembran 42 stabilisieren. In dem Trennsystem 4 von 8 ist der Druck im Inneren des Zwischenverbindungsteils 44 im Wesentlichen derselbe wie der atmosphärische Druck. Darüber hinaus kann das Zwischenverbindungsteil 44 mit einem Ventilator, einer Gebläsemaschine, einem Gebläse oder dergleichen ausgestattet sein, weder zur Druckerhöhung noch zur Druckreduzierung.
Dabei ist es denkbar, dass das Zwischenverbindungsteil 44 mit einem Kompressor versehen ist und dadurch der Druck des ersten Permeatfluids deutlich erhöht wird, um so die Leistung der zweiten Trennmembran 42 zu stabilisieren. Da der Kompressor jedoch teuer ist und viel Energie verbraucht, steigen die Herstellungs- und Betriebskosten des Trennsystems nachteilig an. Weiterhin besteht in dem Fall, in dem das Zwischenverbindungsteil 44 mit dem Kompressor versehen ist, die Möglichkeit, dass in Abhängigkeit von der Temperatur des ersten Permeatfluids, die aufgrund der Druckerhöhung durch den Kompressor erhöht wird, eine Auswirkung auf die Trennleistung der Zeolithmembran 12 des zweiten Trennteils 42 entsteht.
Im Gegensatz dazu kann beim Trennsystem 4 der 8 durch den Verzicht auf einen Kompressor ein Anstieg der Herstellungskosten und der Betriebskosten des Trennsystems 4 unterdrückt werden.
9 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel für das Trennsystem 4 zeigt. Das Trennsystem 4 von 9 unterscheidet sich von dem Trennsystem 4 von 1 dadurch, dass ein Teil des Zuführungsrohrs 43 und das Zwischenverbindungsteil 44 mit einem Wärmedämmstoff 481 überzogen sind. In 9 wird durch die Darstellung des Teils des Zuführungsrohrs 43 und des Zwischenverbindungsteils 44 durch dicke Linien gezeigt, dass diese mit dem Wärmedämmstoff 481 bedeckt sind. Die übrigen Bestandteilselemente sind identisch mit denen des Trennsystems 4 aus 1.
Der Wärmedämmstoff 481 ist beispielsweise ein faseriger Wärmedämmstoff wie Glaswolle oder dergleichen oder ein schaumartiger Wärmedämmstoff wie Urethanschaum oder dergleichen und unterdrückt eine Abnahme der Temperatur des Versorgungsfluids, das dem ersten Trennteil 41 zugeführt wird (hier das gemischte Gas), und die des ersten Permeatfluids, das aus dem ersten Trennteil 41 austritt. Der Wärmedämmstoff 481 ist ein Kondensationsverhinderungsteil zum Warmhalten eines Gases, das auf dem Weg von dem Zuführungsrohr 43 zum zweiten Trennteil 42 fließt, um dadurch eine Kondensation des Gases zu verhindern. Das Kondensationsverhinderungsteil kann eine Abnahme der Permeabilität der Zeolithmembran 12 (insbesondere der Zeolithmembran 12 des zweiten Trennteils 42) aufgrund von Kondensation des Gases verhindern.
Der Wärmedämmstoff 481 muss nicht notwendigerweise sowohl das Zuführungsrohr 43 als auch das Zwischenverbindungsteil 44 bedecken und muss nur an einer vorbestimmten Position auf dem Weg von dem Zuführungsrohr 43 zu der Trennmembran des zweiten Trennteils 42 (der Zeolithmembran 12 im vorstehend beschriebenen Beispielfall) vorgesehen sein. Weiterhin kann das Kondensationsverhinderungsteil ein Heizteil enthalten und auch in diesem Fall ist das Heizteil an einer vorbestimmten Position auf dem Weg von dem Zuführungsrohr 43 zur Trennmembran des zweiten Trennteils 42 vorgesehen. In 9 ist das im Zwischenverbindungsteil 44 vorgesehene Heizteil 481a durch ein gestricheltes Rechteck dargestellt. Das Heizteil 481a kann in dem Zuführungsrohr 43 oder im Inneren des ersten Trennteils 41 vorgesehen sein. Außerdem kann das Heizteil 481a auf einer stromaufwärts gelegenen Seite der Trennmembran innerhalb des zweiten Trennteils 42 vorgesehen sein. Im Falle der Bereitstellung des Heizteils 481a kann der Wärmedämmstoff 481 weggelassen werden. Auf diese Weise erwärmt oder hält das Kondensationsverhinderungsteil das Gas, das in dem Weg von dem Zuführungsrohr 43 zu der Trennmembran des zweiten Trennteils 42 strömt, warm und kann dadurch die Kondensation des Gases verhindern, und es ist möglich, eine Abnahme der Permeabilität der Trennmembran aufgrund der Kondensation des Gases zu verhindern.
10 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel für das Trennsystem 4 zeigt. Das Trennsystem 4 von 10 unterscheidet sich von dem Trennsystem 4 von 1 dadurch, dass das Zuführungsrohr 43 mit einem Vorverarbeitungsteil 480 versehen ist. Die übrigen Bestandteilselemente sind identisch mit denen des Trennsystems 4 aus 1.
Das Vorverarbeitungsteil 480 ist beispielsweise ein Filter, ein Waschturm, ein Absorptionsturm, ein Adsorptionsturm, ein Kondensator oder dergleichen und entfernt mindestens einen Teil einer vorbestimmten Komponente aus dem gemischten Fluid, das von der Zufuhrquelle des gemischten Fluids zum ersten Trennteil 41 fließt. Bei der zu entfernenden Komponente handelt es sich beispielsweise um eine Komponente, die die Trennmembran (hier die Zeolithmembran 12), die in jedem der Trennteile 41 und 42 enthalten ist, beschädigt, oder um eine Komponente, die die Permeabilität der Trennmembran beeinflusst, insbesondere um einen Feststoffanteil, ein feines Tröpfchen, eine kondensierte Komponente, eine geringe Menge einer Gaskomponente oder dergleichen. Weiterhin kann die zu entfernende Komponente das hochpermeable Fluid oder das niedrigpermeable Fluid in dem ersten Trennmembranteil 41 und/oder dem zweiten Trennmembranteil 42 sein. In dem in 10 gezeigten Beispielsfall ist das Vorverarbeitungsteil 480 zwischen dem Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteil 431 und dem ersten Trennteil 41 angeordnet. Das Vorverarbeitungsteil 480 kann zwischen der Zufuhrquelle des gemischten Fluids und dem Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteil 431 angeordnet sein, d.h. auf einer stromaufwärts gelegenen Seite des Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteils 431.
So ist in dem Trennsystem 4 von 10 das Vorverarbeitungsteil 480 an einer vorbestimmten Position zwischen der Zufuhrquelle des gemischten Fluids und dem ersten Trennteil 41 vorgesehen und das Vorverarbeitungsteil 480 entfernt zumindest einen Teil der in dem gemischten Fluid enthaltenen vorbestimmten Komponente. Dadurch kann eine Beschädigung der Trennmembran im Trennteil 41 oder 42 (insbesondere im ersten Trennteil 41) und eine Abnahme der Permeabilität, beispielsweise durch die Einwirkung der im gemischten Fluid enthaltenen Komponente, unterdrückt werden.
11 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel für das Trennsystem 4 zeigt. Das Trennsystem 4 von 11 unterscheidet sich von dem Trennsystem 4 von 1 dadurch, dass das Permeatfluidsammelrohr 47 mit einem Druckeinstellungsteil 472 und einem Fluidanalyseteil 473 versehen ist. Die übrigen Bestandteilselemente sind identisch mit denen des Trennsystems 4 aus 1.
Das Fluidanalyseteil 473 misst eine Komponentenzusammensetzung des zweiten Permeatfluids, das aus der Permeatfluidauslassöffnung 423 des zweiten Trennteils 42 austritt. Das Druckeinstellungsteil 472 ist zum Beispiel ein Vakuumregler oder dergleichen und stellt den Druck innerhalb der Permeatfluidauslassöffnung 423 des zweiten Trennteils 42 ein. Zurzeit sind das Fluidanalyseteil 473 und das Druckeinstellungsteil 472 elektrisch mit einem Steuerteil 40 verbunden und ein Messergebnis des Fluidanalyseteils 473 wird an das Steuerteil 40 ausgegeben. Für das Steuerteil 40 wird beispielsweise ein Zielbereich der CO₂-Konzentration des zweiten Permeatfluids im Voraus festgelegt und wenn die CO₂-Konzentration, die durch das Messergebnis des Fluidanalyseteils 473 angezeigt wird, niedriger als der Zielbereich ist, steuert das Steuerteil 40 das Druckeinstellungsteil 472, um zu bewirken, dass der Druck innerhalb der Permeatfluidauslassöffnung 423 niedriger als ein aktueller Druck ist. Wenn zudem die durch das Messergebnis des Flüssigkeitsanalyseteils 473 angezeigte CO₂-Konzentration höher als der Zielbereich ist, steuert das Steuerteil 40 das Druckeinstellungsteil 472, um zu bewirken, dass der Druck im Inneren der Permeatfluidsauslassöffnung 423 höher als der aktuelle Druck ist. Darüber hinaus kann das Flüssigkeitsanalyseteil 473 in dem zweiten Nicht-Permeatfluidsammelrohr 46 vorgesehen sein. Weiterhin kann das Druckanpassungsteil 472 in dem zweiten Nicht-Permeatfluidsammelrohr 46 vorgesehen sein und kann beispielsweise ein Gegendruckventil oder dergleichen sein.
In dem Trennsystem 4 von 11 kann anstelle des Fluidanalyseteils 473 ein Durchflussmessteil (Durchflussmesser) vorgesehen sein. Das Durchflussmessteil misst die Durchflussrate des zweiten Permeatfluids, das aus der Permeatfluidauslassöffnung 423 des zweiten Trennteils 42 austritt. Für das Steuerteil 40 wird beispielsweise ein Zielbereich der Durchflussrate des zweiten Permeatfluids im Voraus festgelegt und wenn die durch ein Messergebnis des Durchflussmessteils angezeigte Durchflussrate niedriger als der Zielbereich ist, steuert das Steuerteil 40 das Druckanpassungsteil 472, um den Druck im Inneren der Permeatfluidauslassöffnung 423 so zu reduzieren, dass er niedriger als der aktuelle Druck ist. Wenn die durch das Messergebnis des Durchflussmessteils angezeigte Durchflussrate höher als der Zielbereich ist, steuert das Steuerteil 40 das Druckeinstellungsteil 472, um den Druck innerhalb der Permeatfluidauslassöffnung 423 zu erhöhen, so dass er höher als der aktuelle Druck ist. Darüber hinaus kann das Durchflussmessteil in dem zweiten Nicht-Permeatfluidsammelrohr 46 vorgesehen sein. Im Trennsystem 4 kann es eine Konfiguration geben, bei der sowohl das Flüssigkeitsanalyseteil 473 als auch das Durchflussmessteil vorgesehen sind und das Druckeinstellungsteil 472 auf der Grundlage der CO₂-Konzentration und der Durchflussrate des zweiten Permeatfluids gesteuert wird.
Somit wird in dem Druckeinstellungsteil 472 der Druck innerhalb der Permeatfluidauslassöffnung 423 des zweiten Trennteils 42 auf der Grundlage der Durchflussrate und/oder der Komponentenzusammensetzung des zweiten Permeatfluids oder des zweiten Nicht-Permeatfluids eingestellt. Dadurch wird es leicht möglich, die Durchflussrate des aus dem Permeatfluidsammelrohr 47 ausgetretenen Fluids und/oder die Konzentration der vorbestimmten Komponente (CO₂ im vorstehend beschriebenen Beispielsfall) des Fluids zu veranlassen, im Wesentlichen innerhalb des Zielbereichs konstant zu werden.
12 und 13 sind Ansichten, die jeweils ein weiteres Beispiel für das Trennsystem 4 zeigen. Das Trennsystem 4 der 12 unterscheidet sich von dem Trennsystem 4 der 1 dadurch, dass ein Rückführrohr 482 vorgesehen ist, um das erste Nicht-Permeatfluidsammelrohr 45 und eine stromabwärtige Seite des Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteils 431 in dem Zuführungsrohr 43 miteinander zu verbinden. Das Trennsystem 4 der 13 unterscheidet sich von dem Trennsystem 4 der 1 dadurch, dass ein Rückführrohr 483 vorgesehen ist, um das zweite Nicht-Permeatfluidsammelrohr 46 und eine stromaufwärts gelegene Seite des drucksteigenden Fluidversorgungsteils 431 in dem Zuführungsrohr 43 miteinander zu verbinden. Die in den 12 und 13 gezeigten Bestandteilselemente sind mit Ausnahme der vorstehend genannten identisch mit denen des Trennsystems 4 der 1.
Im Trennsystem 4 von 12 wird ein Teil des ersten Nicht-Permeatfluids, das aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 412 des ersten Trennteils 41 austritt, durch das Rückführrohr 482 zur Fluidzufuhröffnung 411 des ersten Trennteils 41 geleitet. Dadurch ist es möglich, die Konzentration der vorbestimmten Komponente (CO₂ im vorstehend beschriebenen Beispielsfall) in dem aus dem ersten Nicht-Permeatfluidsammelrohr 45 ausgetretenen Fluid zu verringern und die Konzentration der vorbestimmten Komponente in dem zweiten Permeatfluid zu erhöhen. Weiterhin wird in dem Trennsystem 4 von 13 ein Teil des zweiten Nicht-Permeatfluids, das aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 422 des zweiten Trennteils 42 austritt, durch das Rückführrohr 483 zur Fluidzufuhröffnung 411 des ersten Trennteils 41 geleitet. Dadurch ist es möglich, die Konzentration der vorbestimmten Komponente (CO₂ im vorstehend beschriebenen Beispielfall) in dem aus dem zweiten Nicht-Permeatfluidsammelrohr 46 ausgetretenen Fluid zu verringern und die Konzentration der vorbestimmten Komponente in dem zweiten Permeatfluid zu erhöhen.
Im Trennsystem 4 von 13 kann das gesamte zweite Nicht-Permeatfluid über das Rückführrohr 483 zur Fluidzufuhröffnung 411 des ersten Trennteils 41 geleitet werden. Weiterhin können sowohl das Rückführrohr 482 als auch das Rückführrohr 483 vorgesehen sein. Somit ist das Rückführrohr vorgesehen, um einen Teil des aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 412 des ersten Trennteils 41 austretenden Fluids und/oder zumindest einen Teil des aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 422 des zweiten Trennteils 42 austretenden Fluids zur Fluidzufuhröffnung 411 des ersten Trennteils 41 zu leiten. Dadurch ist es möglich, die Konzentration der vorbestimmten Komponente in dem zweiten Permeatfluid weiter zu erhöhen.
14 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel für das Trennsystem 4 zeigt. Das Trennsystem 4 von 14 unterscheidet sich von dem Trennsystem 4 von 1 dadurch, dass das erste Nicht-Permeatfluidsammelrohr 45 mit einem Energieumwandlungsteil 484 versehen ist. Die übrigen Bestandteilselemente sind identisch mit denen des Trennsystems 4 von 1.
Das Energieumwandlungsteil 484 ist zum Beispiel eine Turbine oder dergleichen und wandelt die Druckenergie des ersten Nicht-Permeatfluids, das in dem ersten Nicht-Permeatfluidsammelrohr 45 fließt, in eine andere Energie wie elektrische Energie, mechanische Energie oder dergleichen um. Die von dem Energieumwandlungsteil 484 erhaltene Energie kann von dem Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteil 431, dem Druckreduzierungsteil 471 oder dergleichen verwendet werden. Wie zuvor beschrieben, weist das erste Nicht-Permeatfluid, das aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 412 des ersten Trennteils 41 austritt, im Wesentlichen den gleichen Druck auf wie das Versorgungsfluid, dessen Druck durch das Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteil 431 erhöht wird. Wie in 14 gezeigt, wird es durch die Bereitstellung des Energieumwandlungsteils 484 zur Umwandlung der Druckenergie des ersten Nicht-Permeatfluids in andere Energie möglich, die Energie im Trennsystem 4 effizient zu nutzen.
15 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel für das Trennsystem 4 zeigt. Das Trennsystem 4 von 15 unterscheidet sich von dem Trennsystem 4 von 1 dadurch, dass ein Endabschnitt des zweiten Nicht-Permeatfluidsammelrohrs 46 gegenüber der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 422 mit dem ersten Nicht-Permeatfluidsammelrohr 45 verbunden ist und das zweite Nicht-Permeatfluidsammelrohr 46 mit einem Auslassfluiddruckerhöhungsteil 485 versehen ist. Die übrigen Bestandteilselemente sind identisch mit denen des Trennsystems 4 von 1.
Das Auslassfluiddruckerhöhungsteil 485 ist zum Beispiel ein Kompressor oder dergleichen und erhöht den Druck des zweiten Nicht-Permeatfluids, das in dem zweiten Nicht-Permeatfluidsammelrohr 46 fließt. Wie zuvor beschrieben, weist das zweite Nicht-Permeatfluid, das aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 422 des zweiten Trennteils 42 austritt, einen niedrigeren Druck auf als das erste Nicht-Permeatfluid, das aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 412 des ersten Trennteils 41 austritt. Daher erhöht das Auslassfluiddruckerhöhungsteil 485 den Druck des zweiten Nicht-Permeatfluids und das zweite Nicht-Permeatfluid wird mit dem ersten Nicht-Permeatfluid gemischt und es ist dadurch möglich, eine große Menge an Nicht-Permeatfluid unter hohem Druck zu erhalten.
Bei der Reinigung des Biogases mit einer Hauptkomponente aus CH₄ und CO₂ ist es notwendig, die CH₄-Konzentration durch Entfernen von CO₂ zu erhöhen. Wie bereits beschrieben, wird im Trennsystem 4 die CO₂-Konzentration in dem Permeatfluid (zweites Permeatfluid), das durch das Permeatfluidsammelrohr 47 gesammelt wird, hoch. Daher wird in dem Fall, in dem das Biogas mit einer Hauptkomponente aus CH₄ und CO₂ als Versorgungsfluid verwendet wird, die CH₄-Konzentration in dem Nicht-Permeatfluid, die durch das erste Nicht-Permeatfluidsammelrohr 45 und das zweite Nicht-Permeatfluidsammelrohr 46 gesammelt wird, hoch. Im Trennsystem 4 von 15 ist es in einem Fall, in dem das erste Nicht-Permeatfluid, das durch das erste Trennteil 41 hindurchgetreten ist und eine erhöhte CH₄-Konzentration aufweist, in einem Speichertank gespeichert wird, der mit dem ersten Nicht-Permeatfluidsammelrohr 45 verbunden ist, während der Druck davon aufrechterhalten wird, durch Erhöhen des Drucks des zweiten Nicht-Permeatfluids, das durch das zweite Trennteil 42 hindurchgetreten ist und eine erhöhte CH₄-Konzentration aufweist, und Mischen des zweiten Nicht-Permeatfluids mit dem ersten Nicht-Permeatfluid möglich, sowohl das erste Nicht-Permeatfluid als auch das zweite Nicht-Permeatfluid in dem Speichertank zu speichern.
An dem vorstehend beschriebenen Trennsystem 4 können verschiedene Modifizierungen vorgenommen werden.
In dem Trennsystem 4 können drei oder mehr Stufen von Trennteilen angeordnet sein. In diesem Fall ist das Trennteil, das nicht das erste oder zweite Trennteil 41 oder 42 ist, beispielsweise auf einer stromaufwärts gelegenen Seite des Zuführungsrohrs 43 angeordnet.
In dem ersten Trennteil 41 kann die Mehrzahl der Trennmembranmodule 2 parallel geschaltet sein. In diesem Fall dienen in M Trennmembranmodulen 2 (M ist eine ganze Zahl nicht kleiner als 2), die parallel zueinander geschaltet sind, eine Gruppe von M Zufuhröffnungen 221 als die Fluidzufuhröffnung 411, eine Gruppe von M ersten Auslassöffnungen 222 als die Nicht-Permeatfluidauslassöffnung 412 und eine Gruppe von M zweiten Auslassöffnungen 223 als die Permeatfluidauslassöffnung 413. Dasselbe gilt für das zweite Trennteil 42.
In dem Zwischenverbindungsteil 44 ist es nicht notwendig, dass das gesamte erste Permeatfluid, das aus der Permeatfluidauslassöffnung 413 des ersten Trennteils 41 austritt, der Fluidzufuhröffnung 421 des zweiten Trennteils 42 zugeführt wird, und abhängig von der Konstruktion des Trennsystems 4 kann nur ein Teil des ersten Permeatfluids der Fluidzufuhröffnung 421 zugeführt werden. In diesem Fall kann das erste Permeatfluid, das nicht der Fluidzufuhröffnung 421 zugeführt wird, zu einer stromaufwärts gelegenen Seite des Druckerhöhungs-Versorgungsfluidteils 431 dem Zuführungsrohr 43 zurückgeführt werden.
Es ist nicht notwendig, dass der Druck im Inneren des Zwischenverbindungsteils 44 (d.h. der Druck des ersten Permeatfluids) im Wesentlichen der atmosphärische Druck ist, und der Druck im Inneren des Zwischenverbindungsteils 44 kann ein Druck sein, der nur dann ausreichend höher als der atmosphärische Druck ist, wenn der Druck niedriger als der Druck des Versorgungsfluids ist.
Obwohl ein Teil des Fluids, das dem zweiten Trennteil 42 zugeführt wird, die Zeolithmembran 12 durchdringt und zur Permeatseite (Permeatfluidauslassöffnung 423) durch den druckreduzierenden Betrieb des Druckreduzierungsteils 471 in dem vorstehend beschriebenen Trennsystem 4 geleitet wird, ist es auch möglich, das Trennsystem des Referenzbeispiels zu konstruieren, das einen Teil des Fluids, das dem zweiten Trennteil 42 zugeführt wird, zur Permeatseite leitet, und zwar anstelle des Druckreduzierungsteils 471, indem ein Spülgas zur Permeatseite des zweiten Trennteils 42 geleitet wird.
Die maximale Anzahl der Ringglieder des Zeoliths, der die Zeolithmembran 12 bildet, kann jede beliebige Zahl außer 8 sein. In dem Trennmembrankomplex 1, wie vorstehend beschrieben, kann die Zeolithmembran 12 aus einem beliebigen Zeolithtyp gebildet werden.
Der Zeolithmembrankomplex 1 kann zusätzlich zu dem Träger 11 und der Zeolithmembran 12 eine Funktionsschicht oder eine Schutzschicht enthalten, die auf die Zeolithmembran 12 laminiert ist. Bei einer solchen Funktions- oder Schutzschicht kann es sich um eine anorganische Membran wie eine Zeolithmembran, eine Siliciumdioxidmembran, eine Kohlenstoffmembran oder dergleichen oder um eine organische Membran wie eine Polyimidmembran, eine Silikonmembran oder dergleichen handeln. Weiterhin kann der Funktionsschicht oder der Schutzschicht, die auf die Zeolithmembran 12 laminiert ist, eine Substanz hinzugefügt werden, die leicht spezielle Moleküle wie CO₂ oder dergleichen adsorbieren kann.
In dem ersten Trennteil 41 und/oder dem zweiten Trennteil 42 kann das Trennmembranmodul 2 ein Membranreaktor sein, der einen Katalysator zur weiteren Förderung einer chemischen Reaktion enthält.
In dem Trennmembrankomplex 1 kann anstelle der Zeolithmembran 12 eine andere Trennmembran (z.B. die vorstehend beschriebene anorganische Membran oder organische Membran) als die Zeolithmembran 12 auf dem Träger 11 ausgebildet sein.
Obwohl der Fall beschrieben wurde, in dem eine Art von hochpermeablem Fluid (z.B. CO₂) konzentriert und als zweites Permeatfluid in der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform extrahiert wird, können in einem Fall, in dem das gemischte Fluid drei oder mehr Arten von Komponenten enthält, zwei oder mehr Arten von hochpermeablen Fluiden konzentriert und extrahiert werden. Mit anderen Worten: In dem Trennsystem 4 kann mindestens eine Art von hochpermeablem Fluid konzentriert und extrahiert werden. Darüber hinaus kann das Trennsystem 4, wie bereits beschrieben, dazu verwendet werden, mindestens eine Art von niedrigpermeablem Fluid zu konzentrieren.
Obwohl in der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform die Trennung von Gasen (einschließlich Dämpfen) im Trennsystem 4 durchgeführt wird, kann es einen Fall geben, in dem das Versorgungsfluid eine gemischte Flüssigkeit ist, die mehrere Arten von Flüssigkeiten enthält, und eine Flüssigkeitstrennung oder Pervaporation durchgeführt wird.
In dem vorstehend beschriebenen Trennsystem 4 können auch andere als die in der vorstehenden Beschreibung beispielhaft dargestellten Stoffe aus dem gemischten Fluid abgetrennt werden.
Die Konfigurationen in der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform und die Variationen können in geeigneter Weise kombiniert werden, sofern sie nicht im Widerspruch zueinander stehen.
Obwohl die Erfindung im Einzelnen gezeigt und beschrieben wurde, ist die vorangehende Beschreibung in jeder Hinsicht erläuternd und nicht einschränkend. Es wird daher davon ausgegangen, dass zahlreiche Modifizierungen und Variationen ohne Abweichung vom Umfang der Erfindung entwickelt werden können.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Das Trennsystem der vorliegenden Erfindung kann zur Trennung verschiedener Substanzen auf verschiedenen Gebieten eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

4: Trennsystem

12: Zeolithmembran
41: erstes Trennteil
42: zweites Trennteil
43: Zuführungsrohr
44: Zwischenverbindungsteil
411, 421: Fluidzufuhröffnung
412, 422: Nicht-Permeatfluidauslassöffnung
413, 423: Permeatfluidauslassöffnung
441: Fluidspeicherteil
471: Druckreduzierungsteil
472: Druckeinstellungsteil
480: Vorverarbeitungsteil
481: Wärmedämmstoff
481a: Heizteil
482, 483: Rückführrohr
484: Energieumwandlungsteil
485: Auslassfluiddruckerhöhungsteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2020120028 [0002]
JP 2021010219 [0002]
JP 6435961 [0006]
JP 202032330 [0006]
JP 2008137847 [0006]

Claims

Trennsystem, umfassend: ein erstes Trennteil, das eine Trennmembran aufweist und mit einer Fluidzufuhröffnung, einer Permeatfluidauslassöffnung und einer Nicht-Permeatfluidauslassöffnung versehen ist; ein zweites Trennteil, das eine Trennmembran aufweist und mit einer Fluidzufuhröffnung, einer Permeatfluidauslassöffnung und einer Nicht-Permeatfluidauslassöffnung versehen ist; ein Zwischenverbindungsteil zum Verbinden der Permeatfluidauslassöffnung des ersten Trennteils und der Fluidzufuhröffnung des zweiten Trennteils; ein Zuführungsrohr, das mit der Fluidzufuhröffnung des ersten Trennteils verbunden ist, in dem ein gemischtes Fluid, das mehrere Arten von Fluiden enthält, mit einem Druck fließt, der höher als der atmosphärische Druck ist; und ein Druckreduzierungsteil, das mit der Permeatfluidauslassöffnung des zweiten Trennteils verbunden ist, um einen Druck innerhalb der Permeatfluidauslassöffnung auf einen Druck zu reduzieren, der niedriger als der atmosphärische Druck ist, wobei das Zwischenverbindungsteil weder mit einer Vorrichtung zur Druckerhöhung noch mit einer Vorrichtung zur Druckreduzierung versehen ist und ein Druck innerhalb des Zwischenverbindungsteils niedriger als ein Druck innerhalb des Zuführungsrohrs und nicht niedriger als der atmosphärische Druck ist.
Trennsystem nach Anspruch 1, wobei eine Druckdifferenz zwischen der Fluidzufuhröffnung und der Permeatfluidauslassöffnung in dem zweiten Trennteil nicht höher ist als das 0,8-fache der Druckdifferenz in dem ersten Trennteil.
Trennsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das gemischte Fluid ein gemischtes Gas ist, das eine Vielzahl von Gasarten enthält.
Trennsystem nach Anspruch 3, weiterhin umfassend: ein Kondensationsverhinderungsteil, das an einer vorbestimmten Position auf einem Weg von dem Zuführungsrohr zu der Trennmembran des zweiten Trennteils vorgesehen ist, um ein in dem Weg strömendes Gas zu erwärmen oder warm zu halten, um dadurch eine Kondensation des Gases zu verhindern.
Trennsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend: ein Vorverarbeitungsteil, das an einer vorbestimmten Position zwischen einer Zufuhrquelle des gemischten Fluids und dem ersten Trennteil vorgesehen ist, um zumindest einen Teil einer vorbestimmten Komponente, die in dem gemischten Fluid enthalten ist, zu entfernen.
Trennsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Trennmembran des ersten Trennteils und/oder die Trennmembran des zweiten Trennteils jeweils ein anorganisches Material enthalten.
Trennsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Trennmembran des ersten Trennteils und/oder die Trennmembran des zweiten Trennteils jeweils eine Zeolithmembran sind.
Trennsystem nach Anspruch 7, wobei das gemischte Fluid ein Fluid mit einer Molekulargröße, die kleiner als der Porendurchmesser des die Zeolithmembran bildenden Zeoliths ist, und ein Fluid mit einer Molekulargröße, die größer als der Porendurchmesser ist, enthält.
Trennsystem nach Anspruch 7 oder 8, wobei ein Zeolith, der die Zeolithmembran bildet, ein Zeolith mit einem achtgliedrigen Ring ist.
Trennsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin umfassend: ein Druckeinstellungsteil zum Einstellen eines Drucks innerhalb der Permeatfluidauslassöffnung oder der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung des zweiten Trennteils, so dass eine Durchflussrate und/oder Komponentenzusammensetzung eines Fluids, das aus der Permeatfluidauslassöffnung oder der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung des zweiten Trennteils austritt, in einen vorbestimmten Bereich fallen kann.
Trennsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiterhin umfassend: ein Rückführrohr zum Leiten eines Teils eines Fluids, das aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung des ersten Trennteils austritt, und/oder mindestens eines Teils eines Fluids, das aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung des zweiten Trennteils austritt, zu der Fluidzufuhröffnung des ersten Trennteils.
Trennsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiterhin umfassend: ein Energieumwandlungsteil zum Umwandeln von Druckenergie eines Fluids, das aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung des ersten Trennteils austritt, in andere Energie.
Trennsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiterhin umfassend: ein Auslassfluiddruckerhöhungsteil zum Erhöhen eines Drucks eines Fluids, das aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung des zweiten Trennteils austritt, wobei das Fluid, dessen Druck durch das Auslassfluiddruckerhöhungsteil erhöht wird, mit einem Fluid gemischt wird, das aus der Nicht-Permeatfluidauslassöffnung des ersten Trennteils austritt.