JP2002166121A - ガス濃縮方法及びガス圧縮機 - Google Patents
ガス濃縮方法及びガス圧縮機Info
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- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ガス分離膜を用いた多段カスケード濃縮法を
採用するに際し、カスケードの組合わせを考慮すること
により、必要となる圧縮機を集約して最少の台数にす
る。 【解決手段】 有用ガス成分を含む混合ガスを原料ガス
とし、前記有用ガス成分を複数の膜モジュールを用いた
多段カスケード濃縮法によって濃縮する方法であって、
前記複数の膜モジュールにそれぞれ導入するガスの圧縮
を、複数の圧縮室を有するコンバイン式多流体同時圧縮
により行う。
採用するに際し、カスケードの組合わせを考慮すること
により、必要となる圧縮機を集約して最少の台数にす
る。 【解決手段】 有用ガス成分を含む混合ガスを原料ガス
とし、前記有用ガス成分を複数の膜モジュールを用いた
多段カスケード濃縮法によって濃縮する方法であって、
前記複数の膜モジュールにそれぞれ導入するガスの圧縮
を、複数の圧縮室を有するコンバイン式多流体同時圧縮
により行う。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス濃縮方法及び
ガス圧縮機に関し、詳しくは、有用ガスを含む混合ガス
中の有用ガスをガス分離膜や吸着器を使用して濃縮回収
する方法、例えば、酸素、窒素、クリプトン、キセノン
等の有用ガスを、空気や使用済み排ガスから回収して濃
縮する方法、及び、この方法で採用するのに適したガス
圧縮機の構造に関する。
ガス圧縮機に関し、詳しくは、有用ガスを含む混合ガス
中の有用ガスをガス分離膜や吸着器を使用して濃縮回収
する方法、例えば、酸素、窒素、クリプトン、キセノン
等の有用ガスを、空気や使用済み排ガスから回収して濃
縮する方法、及び、この方法で採用するのに適したガス
圧縮機の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】例え
ば、空気から高純度の窒素ガスや酸素ガス、酸素富化ガ
スを得る方法として、ガス分離膜を用いた方法や吸着剤
を用いた吸着器による方法が広く採用されるようになっ
てきている。また、空気以外の混合ガスから有用成分、
例えば水素や一酸化炭素を分離回収することも盛んに行
われている。しかし、ガス分離膜の分離係数は、対象と
する混合ガスにもよるが、一般に大きい値が得られてい
ないという問題がある。例えば、空気中の窒素を濃縮す
る場合、実用的なガス透過係数を有するガス分離膜（高
分子膜）においても、その酸素／窒素の分離係数は３〜
５である。
ば、空気から高純度の窒素ガスや酸素ガス、酸素富化ガ
スを得る方法として、ガス分離膜を用いた方法や吸着剤
を用いた吸着器による方法が広く採用されるようになっ
てきている。また、空気以外の混合ガスから有用成分、
例えば水素や一酸化炭素を分離回収することも盛んに行
われている。しかし、ガス分離膜の分離係数は、対象と
する混合ガスにもよるが、一般に大きい値が得られてい
ないという問題がある。例えば、空気中の窒素を濃縮す
る場合、実用的なガス透過係数を有するガス分離膜（高
分子膜）においても、その酸素／窒素の分離係数は３〜
５である。
【０００３】したがって、高回収率でかつ高純度に目的
成分を濃縮するには、複数の膜モジュールを用いた多段
カスケードによる濃縮が必要となる。例えば、米国特許
第５３７８２６３号明細書には、９９．９％以上の高純
度窒素を製造する方法として、３〜５ステージの膜モジ
ュールを使用したカスケード濃縮方法が開示されてい
る。
成分を濃縮するには、複数の膜モジュールを用いた多段
カスケードによる濃縮が必要となる。例えば、米国特許
第５３７８２６３号明細書には、９９．９％以上の高純
度窒素を製造する方法として、３〜５ステージの膜モジ
ュールを使用したカスケード濃縮方法が開示されてい
る。
【０００４】また、特開平１０−２３５１２７号公報に
は、空気から酸素を製品として採取するにあたり、圧力
変動式吸着分離装置、いわゆるＰＳＡ式酸素製造装置と
多段カスケード膜ユニットとを組合わせた方法が開示さ
れている。
は、空気から酸素を製品として採取するにあたり、圧力
変動式吸着分離装置、いわゆるＰＳＡ式酸素製造装置と
多段カスケード膜ユニットとを組合わせた方法が開示さ
れている。
【０００５】このように、分離係数の小さなガス分離膜
を用いて目的成分のガスを高純度に分離濃縮しようとす
る場合は、多段のカスケードを採用することになるが、
多段にすると、その段数だけガスの再圧縮が必要とな
り、多数の圧縮機を設置しなければならないという問題
があった。
を用いて目的成分のガスを高純度に分離濃縮しようとす
る場合は、多段のカスケードを採用することになるが、
多段にすると、その段数だけガスの再圧縮が必要とな
り、多数の圧縮機を設置しなければならないという問題
があった。
【０００６】そこで本発明は、複数のガス分離膜を用い
た多段カスケード濃縮法によって目的とする有用ガス成
分を濃縮するにあたり、カスケードの組合わせを考慮す
ることにより、必要となる圧縮機を集約して最少の台数
で効率よくガスを濃縮することができる方法及びこの方
法に用いるのに最適なガス圧縮機を提供することを目的
としている。
た多段カスケード濃縮法によって目的とする有用ガス成
分を濃縮するにあたり、カスケードの組合わせを考慮す
ることにより、必要となる圧縮機を集約して最少の台数
で効率よくガスを濃縮することができる方法及びこの方
法に用いるのに最適なガス圧縮機を提供することを目的
としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のガス分離膜を用いたガスの濃縮方法は、有
用ガス成分を含む混合ガスを原料ガスとし、該原料ガス
中の前記有用ガス成分の分離濃縮を、複数の膜モジュー
ルを用いた多段カスケード濃縮法によって行うガス濃縮
方法であって、前記複数の膜モジュールにそれぞれ導入
するガスの圧縮を、複数の圧縮室を有するコンバイン式
多流体同時圧縮により行うことを特徴とし、特に、前記
コンバイン式多流体同時圧縮における吸入圧力と吐出圧
力とが略同一に設定されていることを特徴としている。
さらに、前記コンバイン式多流体同時圧縮における容量
調節を、圧縮室に設けたバイパス弁で行うことを特徴と
している。
め、本発明のガス分離膜を用いたガスの濃縮方法は、有
用ガス成分を含む混合ガスを原料ガスとし、該原料ガス
中の前記有用ガス成分の分離濃縮を、複数の膜モジュー
ルを用いた多段カスケード濃縮法によって行うガス濃縮
方法であって、前記複数の膜モジュールにそれぞれ導入
するガスの圧縮を、複数の圧縮室を有するコンバイン式
多流体同時圧縮により行うことを特徴とし、特に、前記
コンバイン式多流体同時圧縮における吸入圧力と吐出圧
力とが略同一に設定されていることを特徴としている。
さらに、前記コンバイン式多流体同時圧縮における容量
調節を、圧縮室に設けたバイパス弁で行うことを特徴と
している。
【０００８】また、前記多段カスケード濃縮法により前
記有用ガス成分の一次分離濃縮を行った後、吸着器を用
いた圧力変動式吸着分離法による二次分離濃縮を行うと
ともに、該吸着器に導入するガスの圧縮を前記コンバイ
ン式多流体同時圧縮により行うことを特徴とし、前記多
段カスケード濃縮法による一次分離濃縮と圧力変動式吸
着分離法による二次分離濃縮とからなる二段濃縮を複数
組合わせて用いることを特徴としている。さらに、前記
膜モジュールにおけるガス分離膜のガス透過機構がクヌ
ッセン流であることを特徴としている。
記有用ガス成分の一次分離濃縮を行った後、吸着器を用
いた圧力変動式吸着分離法による二次分離濃縮を行うと
ともに、該吸着器に導入するガスの圧縮を前記コンバイ
ン式多流体同時圧縮により行うことを特徴とし、前記多
段カスケード濃縮法による一次分離濃縮と圧力変動式吸
着分離法による二次分離濃縮とからなる二段濃縮を複数
組合わせて用いることを特徴としている。さらに、前記
膜モジュールにおけるガス分離膜のガス透過機構がクヌ
ッセン流であることを特徴としている。
【０００９】また、本発明のガス圧縮機は、異なる組成
の混合ガスを圧縮するための複数のシリンダーと、各シ
リンダー内でそれぞれ往復動するピストンと、該複数の
ピストンを一括して作動させるための１本のクランク軸
とを備えていること、あるいは、異なる組成の混合ガス
を圧縮するための複数の圧縮室と、該圧縮室内でガスを
圧縮する圧縮手段と、該複数の圧縮手段を一括して作動
させるための１本のリニア駆動軸とを備えていることを
特徴としている。
の混合ガスを圧縮するための複数のシリンダーと、各シ
リンダー内でそれぞれ往復動するピストンと、該複数の
ピストンを一括して作動させるための１本のクランク軸
とを備えていること、あるいは、異なる組成の混合ガス
を圧縮するための複数の圧縮室と、該圧縮室内でガスを
圧縮する圧縮手段と、該複数の圧縮手段を一括して作動
させるための１本のリニア駆動軸とを備えていることを
特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は本発明のガス濃縮方法を適
用した第１形態例を示す系統図である。このガス濃縮方
法は、５個の膜モジュール１，２，３，４，５をカスケ
ード接続した多段カスケード濃縮法によって混合ガス中
の有用ガス成分を分離濃縮し、高純度で回収するための
ものである。
用した第１形態例を示す系統図である。このガス濃縮方
法は、５個の膜モジュール１，２，３，４，５をカスケ
ード接続した多段カスケード濃縮法によって混合ガス中
の有用ガス成分を分離濃縮し、高純度で回収するための
ものである。
【００１１】以下、回収目的とする有用ガス成分がガス
分離膜における非透過ガスである場合を例に挙げて説明
する。まず、有用ガス成分を含む混合ガスからなる原料
ガスＭは、管路１１から導入され、第１圧縮機６でガス
分離膜でのガス分離に必要な所定の圧力に圧縮された
後、管路１２を通って第１膜モジュール１に導入され、
一次分離が行われて非透過ガスからなる一次富化ガス
と、透過ガスからなる一次排ガスとに分離する。
分離膜における非透過ガスである場合を例に挙げて説明
する。まず、有用ガス成分を含む混合ガスからなる原料
ガスＭは、管路１１から導入され、第１圧縮機６でガス
分離膜でのガス分離に必要な所定の圧力に圧縮された
後、管路１２を通って第１膜モジュール１に導入され、
一次分離が行われて非透過ガスからなる一次富化ガス
と、透過ガスからなる一次排ガスとに分離する。
【００１２】第１膜モジュール１から管路１３に導出さ
れた一次富化ガスは、第２圧縮機７で所定圧力に再び圧
縮された後、管路１４を通って第２膜モジュール２に導
入され、二次分離が行われて非透過ガスからなる二次富
化ガスと、透過ガスからなる二次排ガスとに分離する。
れた一次富化ガスは、第２圧縮機７で所定圧力に再び圧
縮された後、管路１４を通って第２膜モジュール２に導
入され、二次分離が行われて非透過ガスからなる二次富
化ガスと、透過ガスからなる二次排ガスとに分離する。
【００１３】第２膜モジュール２から管路１５に導出さ
れた二次富化ガスは、第３圧縮機８で所定圧力に再び圧
縮された後、管路１６を通って第３膜モジュール３に導
入され、三次分離が行われて非透過ガスからなる三次富
化ガスと、透過ガスからなる三次排ガスとに分離する。
第３膜モジュール３で分離した三次富化ガスは、管路１
７から製品濃縮ガスＰとして導出される。
れた二次富化ガスは、第３圧縮機８で所定圧力に再び圧
縮された後、管路１６を通って第３膜モジュール３に導
入され、三次分離が行われて非透過ガスからなる三次富
化ガスと、透過ガスからなる三次排ガスとに分離する。
第３膜モジュール３で分離した三次富化ガスは、管路１
７から製品濃縮ガスＰとして導出される。
【００１４】このとき、第２膜モジュール２で分離した
二次排ガスは、管路１８に導出されて前記管路１１の原
料ガスに合流し、第１圧縮機６で圧縮されて管路１２か
ら第１膜モジュール１に再導入される。また、第３膜モ
ジュール３で分離した三次排ガスは、管路１９に導出さ
れて前記管路１３の一次富化ガスに合流し、第２圧縮機
７で圧縮されて管路１４から第２膜モジュール２に再導
入される。
二次排ガスは、管路１８に導出されて前記管路１１の原
料ガスに合流し、第１圧縮機６で圧縮されて管路１２か
ら第１膜モジュール１に再導入される。また、第３膜モ
ジュール３で分離した三次排ガスは、管路１９に導出さ
れて前記管路１３の一次富化ガスに合流し、第２圧縮機
７で圧縮されて管路１４から第２膜モジュール２に再導
入される。
【００１５】一方、前記第１膜モジュール１で分離した
一次排ガスは、管路２１に導出されて第４圧縮機９で再
圧縮され、管路２２を通って第４膜モジュール４に導入
され、四次分離が行われて非透過ガスからなる四次富化
ガスと、透過ガスからなる四次排ガスとに分離する。こ
の第４膜モジュール４の四次富化ガスは、管路２３に導
出され、前記第２膜モジュール２からの二次排ガスとと
もに前記管路１１の原料ガスに合流し、前記第１膜モジ
ュール１に再導入される。
一次排ガスは、管路２１に導出されて第４圧縮機９で再
圧縮され、管路２２を通って第４膜モジュール４に導入
され、四次分離が行われて非透過ガスからなる四次富化
ガスと、透過ガスからなる四次排ガスとに分離する。こ
の第４膜モジュール４の四次富化ガスは、管路２３に導
出され、前記第２膜モジュール２からの二次排ガスとと
もに前記管路１１の原料ガスに合流し、前記第１膜モジ
ュール１に再導入される。
【００１６】また、第４膜モジュール４から管路２４に
導出された四次排ガスは、第５圧縮機１０で所定圧力に
圧縮された後、管路２５から第５膜モジュール５に導入
されて五次分離が行われ、非透過ガスからなる五次富化
ガスと透過ガスからなる五次排ガスとに分離する。五次
排ガスは、第５膜モジュール５から管路２６に排ガスＥ
として導出され、第５膜モジュール５から管路２７に導
出された五次富化ガスは、前記管路２１の一次排ガスに
合流し、第４圧縮機９で再圧縮されて第４膜モジュール
４に再導入される。
導出された四次排ガスは、第５圧縮機１０で所定圧力に
圧縮された後、管路２５から第５膜モジュール５に導入
されて五次分離が行われ、非透過ガスからなる五次富化
ガスと透過ガスからなる五次排ガスとに分離する。五次
排ガスは、第５膜モジュール５から管路２６に排ガスＥ
として導出され、第５膜モジュール５から管路２７に導
出された五次富化ガスは、前記管路２１の一次排ガスに
合流し、第４圧縮機９で再圧縮されて第４膜モジュール
４に再導入される。
【００１７】このように膜モジュールを５個使用した多
段カスケード濃縮法においては、各膜モジュールに導入
する異なる組成の混合ガスを所定圧力にそれぞれ圧縮す
るために５台の圧縮機を必要とする。このようなとき
に、各膜モジュールの中のいくつかにおける操作圧力、
即ち圧縮機の吐出圧力を同一とし、各排ガス圧力、即ち
圧縮機の吸入圧力を同一に設定することにより、複数の
圧縮室を有する圧縮機を１台設置してコンバイン式多流
体同時圧縮でガスを所定圧力に圧縮することができ、複
数のガスを所定圧力に同時に圧縮して各膜モジュールに
それぞれ導入することができる。これにより、設備構成
の簡素化を図ることができ、設置面積の縮小や圧縮機の
コスト低減等が可能となる。
段カスケード濃縮法においては、各膜モジュールに導入
する異なる組成の混合ガスを所定圧力にそれぞれ圧縮す
るために５台の圧縮機を必要とする。このようなとき
に、各膜モジュールの中のいくつかにおける操作圧力、
即ち圧縮機の吐出圧力を同一とし、各排ガス圧力、即ち
圧縮機の吸入圧力を同一に設定することにより、複数の
圧縮室を有する圧縮機を１台設置してコンバイン式多流
体同時圧縮でガスを所定圧力に圧縮することができ、複
数のガスを所定圧力に同時に圧縮して各膜モジュールに
それぞれ導入することができる。これにより、設備構成
の簡素化を図ることができ、設置面積の縮小や圧縮機の
コスト低減等が可能となる。
【００１８】複数の圧縮室を有する圧縮機としては、例
えば図２乃至図４にそれぞれ概略図で示すような構造の
ガス圧縮機を用いることができる。図２に示すガス圧縮
機の第１形態例は、４個のシリンダー３１Ｓ，３２Ｓ，
３３Ｓ，３４Ｓを有する４筒単段の圧縮機であって、各
シリンダー内の各ピストン３１Ｐ，３２Ｐ，３３Ｐ，３
４Ｐを、１本のクランク軸３５によるクランク機構で一
括して駆動するように形成されている。
えば図２乃至図４にそれぞれ概略図で示すような構造の
ガス圧縮機を用いることができる。図２に示すガス圧縮
機の第１形態例は、４個のシリンダー３１Ｓ，３２Ｓ，
３３Ｓ，３４Ｓを有する４筒単段の圧縮機であって、各
シリンダー内の各ピストン３１Ｐ，３２Ｐ，３３Ｐ，３
４Ｐを、１本のクランク軸３５によるクランク機構で一
括して駆動するように形成されている。
【００１９】したがって、クランク軸３５をモーター等
で駆動して各ピストンを作動させることにより、各シリ
ンダーの圧縮室３６，３７，３８，３９に設けられてた
吸入部３６ｉ，３７ｉ，３８ｉ，３９ｉからガスを吸込
み、吐出部３６ｏ，３７ｏ，３８ｏ，３９ｏから所定圧
力のガスをそれぞれ吐出することができる。
で駆動して各ピストンを作動させることにより、各シリ
ンダーの圧縮室３６，３７，３８，３９に設けられてた
吸入部３６ｉ，３７ｉ，３８ｉ，３９ｉからガスを吸込
み、吐出部３６ｏ，３７ｏ，３８ｏ，３９ｏから所定圧
力のガスをそれぞれ吐出することができる。
【００２０】図３に示すガス圧縮機の第２形態例は、２
個のシリンダー４１Ｓ，４２Ｓを有する２筒復動単段の
圧縮機であって、両シリンダー内のピストン４１Ｐ，４
２Ｐを１本のクランク軸４３によるクランク機構で駆動
することにより、両シリンダーにそれぞれ２室設けられ
た圧縮室４４，４５，４６，４７において、吸入部４４
ｉ，４５ｉ，４６ｉ，４７ｉからガスを吸込み、吐出部
４４ｏ，４５ｏ，４６ｏ，４７ｏから所定圧力のガスを
それぞれ吐出するように形成されている。
個のシリンダー４１Ｓ，４２Ｓを有する２筒復動単段の
圧縮機であって、両シリンダー内のピストン４１Ｐ，４
２Ｐを１本のクランク軸４３によるクランク機構で駆動
することにより、両シリンダーにそれぞれ２室設けられ
た圧縮室４４，４５，４６，４７において、吸入部４４
ｉ，４５ｉ，４６ｉ，４７ｉからガスを吸込み、吐出部
４４ｏ，４５ｏ，４６ｏ，４７ｏから所定圧力のガスを
それぞれ吐出するように形成されている。
【００２１】図４に示すガス圧縮機の第３形態例は、１
軸の４流体１段圧縮機であって、シリンダー５１内を３
個の隔壁５１ａ，５１ｂ，５１ｃによって４室の圧縮室
５２，５３，５４，５５を形成し、各圧縮室内にそれぞ
れ配置したピストン５２Ｐ，５３Ｐ，５４Ｐ，５５Ｐを
一本のリニア駆動軸５６で一括して作動させることによ
り、各圧縮室に設けた吸入部５２ｉ，５３ｉ，５４ｉ，
５５ｉからガスを吸込み、吐出部５２ｏ，５３ｏ，５４
ｏ，５５ｏから所定圧力のガスをそれぞれ吐出するよう
に形成されている。
軸の４流体１段圧縮機であって、シリンダー５１内を３
個の隔壁５１ａ，５１ｂ，５１ｃによって４室の圧縮室
５２，５３，５４，５５を形成し、各圧縮室内にそれぞ
れ配置したピストン５２Ｐ，５３Ｐ，５４Ｐ，５５Ｐを
一本のリニア駆動軸５６で一括して作動させることによ
り、各圧縮室に設けた吸入部５２ｉ，５３ｉ，５４ｉ，
５５ｉからガスを吸込み、吐出部５２ｏ，５３ｏ，５４
ｏ，５５ｏから所定圧力のガスをそれぞれ吐出するよう
に形成されている。
【００２２】なお、各混合ガスにおける処理量（流量）
が異なる場合は、圧縮室の容積を処理量に対応する容積
にしてもよいが、各圧縮室の容積は同一として吐出部と
吸入部とを接続するパイパス回路にバイパス弁を設け、
このバイパス弁の開度を調節することによって処理量の
変動に対応することができる。
が異なる場合は、圧縮室の容積を処理量に対応する容積
にしてもよいが、各圧縮室の容積は同一として吐出部と
吸入部とを接続するパイパス回路にバイパス弁を設け、
このバイパス弁の開度を調節することによって処理量の
変動に対応することができる。
【００２３】さらに、圧縮比を変えることによって吸入
圧力や吐出圧力が異なる場合も対応が可能である。ま
た、図２乃至図４に示した各形態例では、往復動式の圧
縮機を例示したが、遠心式等、その他の圧縮形式のもの
も用いることができる。さらに、カスケードの各段にお
ける圧力を揃えることにより、このような圧縮機の設計
を容易にできるが、多少の圧力差があったとしても、圧
縮機の設計に大きな影響はない。
圧力や吐出圧力が異なる場合も対応が可能である。ま
た、図２乃至図４に示した各形態例では、往復動式の圧
縮機を例示したが、遠心式等、その他の圧縮形式のもの
も用いることができる。さらに、カスケードの各段にお
ける圧力を揃えることにより、このような圧縮機の設計
を容易にできるが、多少の圧力差があったとしても、圧
縮機の設計に大きな影響はない。
【００２４】使用するガス分離膜については、空気から
の窒素又は酸素の分離、アンモニアパージガスからの水
素の分離等、分離対象となるガス成分によって多くのガ
ス分離膜が存在するが、分離するガス成分のどのような
組み合せにも対応できる膜の製作が可能であり、その最
適膜の研究がなされている。例えば、窒素とクリプト
ン、キセノン等の希ガスとの混合ガスの分離において、
膜におけるガスの透過機構がクヌッセン流（分子流）の
場合、窒素とクリプトン及びキセノンとのガス透過係数
比は、窒素とクリプトン及びキセノンの分子質量比の平
方根の逆数をとった値であるＫｒ／Ｎ２＝１．７３、Ｘ
ｅ／Ｎ２＝２．１７となる。
の窒素又は酸素の分離、アンモニアパージガスからの水
素の分離等、分離対象となるガス成分によって多くのガ
ス分離膜が存在するが、分離するガス成分のどのような
組み合せにも対応できる膜の製作が可能であり、その最
適膜の研究がなされている。例えば、窒素とクリプト
ン、キセノン等の希ガスとの混合ガスの分離において、
膜におけるガスの透過機構がクヌッセン流（分子流）の
場合、窒素とクリプトン及びキセノンとのガス透過係数
比は、窒素とクリプトン及びキセノンの分子質量比の平
方根の逆数をとった値であるＫｒ／Ｎ２＝１．７３、Ｘ
ｅ／Ｎ２＝２．１７となる。
【００２５】このような値をもつガス分離膜としては、
高分子膜、カーボン膜、セラミック膜、金属焼結体等が
あり、比較的簡単に作製することができる。また、必要
な濃縮度及び回収率に合わせてカスケードの段数を設定
することができる。前例のクヌッセン流（分子流）の場
合のように、比較的低いガス透過係数比であっても、多
段カスケード濃縮法によって容易に濃縮し、回収率を上
げることが可能である。また、分子ふるい効果のある膜
では、更に大きなガス透過係数比が期待されるので、高
濃縮、高回収率、カスケード段数の低減等のより大きな
効果を得ることが可能となる。
高分子膜、カーボン膜、セラミック膜、金属焼結体等が
あり、比較的簡単に作製することができる。また、必要
な濃縮度及び回収率に合わせてカスケードの段数を設定
することができる。前例のクヌッセン流（分子流）の場
合のように、比較的低いガス透過係数比であっても、多
段カスケード濃縮法によって容易に濃縮し、回収率を上
げることが可能である。また、分子ふるい効果のある膜
では、更に大きなガス透過係数比が期待されるので、高
濃縮、高回収率、カスケード段数の低減等のより大きな
効果を得ることが可能となる。
【００２６】図５及び図６は、本発明のガス濃縮方法を
適用した第２形態例及びその変形例を示す概略系統図で
あって、前述のような複数の膜モジュールを使用した多
段カスケード濃縮法と、吸着器を用いた圧力変動式吸着
分離法による二次分離濃縮とを組合わせた装置構成の一
例を示している。
適用した第２形態例及びその変形例を示す概略系統図で
あって、前述のような複数の膜モジュールを使用した多
段カスケード濃縮法と、吸着器を用いた圧力変動式吸着
分離法による二次分離濃縮とを組合わせた装置構成の一
例を示している。
【００２７】圧力変動式吸着分離法は、複数、例えば２
個の吸着器６０Ａ，６０Ｂ内に、有用ガス成分を難吸着
成分とする吸着剤を充填し、両吸着器６０Ａ，６０Ｂ
を、相対的に高い圧力で有用ガス成分以外のガス成分を
吸着剤に吸着させる吸着工程と、相対的に低い圧力で吸
着剤に吸着したガスを脱着させる再生工程とに交互に切
換えることにより、目的とする有用ガス成分を連続的に
分離濃縮するものである。吸着剤には、原料ガスの組成
や濃縮する有用ガス成分の種類に応じて、例えば、ゼオ
ライトや活性炭等の吸着剤を適宜に選択することができ
る。
個の吸着器６０Ａ，６０Ｂ内に、有用ガス成分を難吸着
成分とする吸着剤を充填し、両吸着器６０Ａ，６０Ｂ
を、相対的に高い圧力で有用ガス成分以外のガス成分を
吸着剤に吸着させる吸着工程と、相対的に低い圧力で吸
着剤に吸着したガスを脱着させる再生工程とに交互に切
換えることにより、目的とする有用ガス成分を連続的に
分離濃縮するものである。吸着剤には、原料ガスの組成
や濃縮する有用ガス成分の種類に応じて、例えば、ゼオ
ライトや活性炭等の吸着剤を適宜に選択することができ
る。
【００２８】原料ガスＭは、管路６１から第１圧縮機６
２に導入されて膜分離に必要な圧力まで圧縮され、管路
６３を通って第１膜モジュール６４に導入され、一次分
離が行われて非透過ガスからなる一次富化ガスと、透過
ガスからなる一次排ガスとに分離する。この一次排ガス
は、最終排ガスＥとして管路６５から導出される。
２に導入されて膜分離に必要な圧力まで圧縮され、管路
６３を通って第１膜モジュール６４に導入され、一次分
離が行われて非透過ガスからなる一次富化ガスと、透過
ガスからなる一次排ガスとに分離する。この一次排ガス
は、最終排ガスＥとして管路６５から導出される。
【００２９】一次富化ガスは、第１膜モジュール６４か
ら管路６６に導出され、第２圧縮機６７で膜分離に必要
な圧力に再圧縮された後、管路６８を通って第２膜モジ
ュール６９に導入され、二次分離が行われて非透過ガス
からなる二次富化ガスと、透過ガスからなる二次排ガス
とに分離する。管路７０に導出した二次排ガスは、前記
管路６１の原料ガスに合流して第１圧縮機６２に導入さ
れ、再圧縮されて第１膜モジュール６４での再分離に供
される。
ら管路６６に導出され、第２圧縮機６７で膜分離に必要
な圧力に再圧縮された後、管路６８を通って第２膜モジ
ュール６９に導入され、二次分離が行われて非透過ガス
からなる二次富化ガスと、透過ガスからなる二次排ガス
とに分離する。管路７０に導出した二次排ガスは、前記
管路６１の原料ガスに合流して第１圧縮機６２に導入さ
れ、再圧縮されて第１膜モジュール６４での再分離に供
される。
【００３０】第２膜モジュール６９から管路７１に導出
した二次富化ガスは、第３圧縮機７２で吸着器での吸着
工程に必要な圧力に圧縮され、管路７３を通って吸着工
程にある吸着器、例えば吸着器６０Ａに導入される。吸
着器６０Ａでは、吸着剤に易吸着成分ガスが吸着するこ
とよって難吸着成分ガスと易吸着成分ガスとが分離し、
有用ガス成分を含む難吸着成分からなる三次富化ガスが
吸着器６０Ａから管路７４に導出する。この三次富化ガ
スは、製品貯槽７５を通り、管路７６から製品濃縮ガス
Ｐとして導出される。
した二次富化ガスは、第３圧縮機７２で吸着器での吸着
工程に必要な圧力に圧縮され、管路７３を通って吸着工
程にある吸着器、例えば吸着器６０Ａに導入される。吸
着器６０Ａでは、吸着剤に易吸着成分ガスが吸着するこ
とよって難吸着成分ガスと易吸着成分ガスとが分離し、
有用ガス成分を含む難吸着成分からなる三次富化ガスが
吸着器６０Ａから管路７４に導出する。この三次富化ガ
スは、製品貯槽７５を通り、管路７６から製品濃縮ガス
Ｐとして導出される。
【００３１】この吸着器６０Ａが吸着工程を行っている
間、吸着器６０Ｂは再生工程を行っている。この再生工
程は、吸着器６０Ｂ内のガスを放出して圧力を下げるこ
とにより、吸着剤に吸着していた易吸着成分ガスを管路
７７に導出する工程と、前記製品貯槽７５内の三次富化
ガスの一部を管路７８から吸着器６０Ｂに逆流させて吸
着器６０Ｂ内のガスを管路７７に押出す工程とによって
行われ、これによって吸着剤が再生される。管路７７に
導出した易吸着成分ガス、即ち三次排ガスは、前記管路
６６の一次富化ガスに合流して第２圧縮機６７で圧縮さ
れ、第２膜モジュール６９での分離に再度供される。
間、吸着器６０Ｂは再生工程を行っている。この再生工
程は、吸着器６０Ｂ内のガスを放出して圧力を下げるこ
とにより、吸着剤に吸着していた易吸着成分ガスを管路
７７に導出する工程と、前記製品貯槽７５内の三次富化
ガスの一部を管路７８から吸着器６０Ｂに逆流させて吸
着器６０Ｂ内のガスを管路７７に押出す工程とによって
行われ、これによって吸着剤が再生される。管路７７に
導出した易吸着成分ガス、即ち三次排ガスは、前記管路
６６の一次富化ガスに合流して第２圧縮機６７で圧縮さ
れ、第２膜モジュール６９での分離に再度供される。
【００３２】このように、膜分離と吸着分離とを組合わ
せて分離濃縮を行うことにより、膜分離のみでは得られ
なかった純度の製品濃縮ガスを得ることができる。な
お、吸着分離後の三次排ガスにおける有用成分濃度が比
較的低い場合は、図６の概略系統図に示すように、管路
７７の三次排ガスを管路６１の原料ガスに合流させるよ
うにしてもよい。
せて分離濃縮を行うことにより、膜分離のみでは得られ
なかった純度の製品濃縮ガスを得ることができる。な
お、吸着分離後の三次排ガスにおける有用成分濃度が比
較的低い場合は、図６の概略系統図に示すように、管路
７７の三次排ガスを管路６１の原料ガスに合流させるよ
うにしてもよい。
【００３３】本形態例においても、各圧縮機６２，６
７，７２を前記図２乃至図４に示したような圧縮機を使
用してコンバイン式多流体同時圧縮を行うことにより、
設備構成の簡素化、設置面積の縮小、圧縮機コストの低
減等を図ることができる。また、多段カスケード濃縮法
による一次分離濃縮と圧力変動式吸着分離法による二次
分離濃縮とからなる二段濃縮を複数組合わせて用いるこ
とにより、更に効率よく高濃度で有用ガス成分を濃縮回
収することができる。
７，７２を前記図２乃至図４に示したような圧縮機を使
用してコンバイン式多流体同時圧縮を行うことにより、
設備構成の簡素化、設置面積の縮小、圧縮機コストの低
減等を図ることができる。また、多段カスケード濃縮法
による一次分離濃縮と圧力変動式吸着分離法による二次
分離濃縮とからなる二段濃縮を複数組合わせて用いるこ
とにより、更に効率よく高濃度で有用ガス成分を濃縮回
収することができる。
【００３４】
【実施例】実施例１ 図１の第１形態例に示した多段カスケード濃縮法によ
り、窒素とクリプトンとの各５０％の混合ガスを原料ガ
スとし、クリプトンを分離濃縮して回収する操作のシミ
ュレーションを行った。原料ガスの導入量は２ＮＬ／ｍ
ｉｎ（ＮＬは、０℃、１気圧に換算した体積を表す。）
とし、５個の膜モジュールの内、第１〜第４膜モジュー
ル１〜４の操作圧力は４５０ｋＰａに統一し、図２に示
す構造の圧縮機を用いて圧縮した。なお、流量調節はバ
イパス弁により行った。ガス分離膜のガス透過係数は、
窒素が３×１０７ｍｏｌ／（ｍ２Ｐａ・ｓ）であり、ガ
ス透過係数比（分離係数）はＫｒ／Ｎ２＝１．７３であ
る。各膜モジュールの膜表面積は０．０４７ｍ２とし
た。このとき、各膜モジュールからの排ガスの圧力は約
１０ｋＰａであった。ガス温度は１００℃とした。
り、窒素とクリプトンとの各５０％の混合ガスを原料ガ
スとし、クリプトンを分離濃縮して回収する操作のシミ
ュレーションを行った。原料ガスの導入量は２ＮＬ／ｍ
ｉｎ（ＮＬは、０℃、１気圧に換算した体積を表す。）
とし、５個の膜モジュールの内、第１〜第４膜モジュー
ル１〜４の操作圧力は４５０ｋＰａに統一し、図２に示
す構造の圧縮機を用いて圧縮した。なお、流量調節はバ
イパス弁により行った。ガス分離膜のガス透過係数は、
窒素が３×１０７ｍｏｌ／（ｍ２Ｐａ・ｓ）であり、ガ
ス透過係数比（分離係数）はＫｒ／Ｎ２＝１．７３であ
る。各膜モジュールの膜表面積は０．０４７ｍ２とし
た。このとき、各膜モジュールからの排ガスの圧力は約
１０ｋＰａであった。ガス温度は１００℃とした。
【００３５】運転条件及び結果を表１に示す。この結
果、第３膜モジュール３から導出される製品濃縮ガス
は、クリプトン濃度が９０％であり、クリプトンの回収
率は７０％となった。
果、第３膜モジュール３から導出される製品濃縮ガス
は、クリプトン濃度が９０％であり、クリプトンの回収
率は７０％となった。
【００３６】
【表１】
【００３７】実施例２ 図５の第２形態例に示した膜分離と吸着分離とを組合わ
せた方法により、実施例１と同様に、窒素とクリプトン
との各５０％の混合ガスを原料ガスとし、クリプトンを
分離濃縮して回収する操作のシミュレーションを行っ
た。吸着剤にはゼオライトを使用した。その結果、吸着
器からクリプトン濃度が９９％以上に精製されたクリプ
トンガスを得ることができた。
せた方法により、実施例１と同様に、窒素とクリプトン
との各５０％の混合ガスを原料ガスとし、クリプトンを
分離濃縮して回収する操作のシミュレーションを行っ
た。吸着剤にはゼオライトを使用した。その結果、吸着
器からクリプトン濃度が９９％以上に精製されたクリプ
トンガスを得ることができた。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多段カスケード濃縮法によって有用ガス成分を高回収率
で高濃度まで効率よく濃縮することができ、各カスケー
ドの各段の圧力を調整して複数の圧縮室を有するコンバ
イン式多流体同時圧縮を行うことにより、各段に独立の
圧縮機を設置するに比べて格段に装置コストを削減で
き、設置スペースを削減することできる。さらに、各段
における圧力、流量を揃えることにより、圧縮機の設計
及び装置の運転制御を容易に行うことができる。
多段カスケード濃縮法によって有用ガス成分を高回収率
で高濃度まで効率よく濃縮することができ、各カスケー
ドの各段の圧力を調整して複数の圧縮室を有するコンバ
イン式多流体同時圧縮を行うことにより、各段に独立の
圧縮機を設置するに比べて格段に装置コストを削減で
き、設置スペースを削減することできる。さらに、各段
における圧力、流量を揃えることにより、圧縮機の設計
及び装置の運転制御を容易に行うことができる。
【図１】 本発明のガス濃縮方法を適用した第１形態例
を示す系統図である。
を示す系統図である。
【図２】 本発明のガス圧縮機の第１形態例を示す概略
図である。
図である。
【図３】 本発明のガス圧縮機の第２形態例を示す概略
図である。
図である。
【図４】 本発明のガス圧縮機の第３形態例を示す概略
図である。
図である。
【図５】 本発明のガス濃縮方法を適用した第２形態例
を示す系統図である。
を示す系統図である。
【図６】 本発明のガス濃縮方法を適用した第２形態例
の変形例を示す系統図である。
の変形例を示す系統図である。
１，２，３，４，５…膜モジュール、６，７，８，９，
１０…圧縮機、Ｅ…排ガス、Ｍ…原料ガス、Ｐ…製品濃
縮ガス、３１Ｐ，３２Ｐ，３３Ｐ，３４Ｐ…ピストン、
３１Ｓ，３２Ｓ，３３Ｓ，３４Ｓ…シリンダー、３５…
クランク軸、３６ｉ，３７ｉ，３８ｉ，３９ｉ…吸入
部、３６ｏ，３７ｏ，３８ｏ，３９ｏ…吐出部、４１
Ｐ，４２Ｐ…ピストン、４１Ｓ，４２Ｓ…シリンダー、
４３…クランク軸、４４，４５，４６，４７…圧縮室、
４４ｉ，４５ｉ，４６ｉ，４７ｉ…吸入部、４４ｏ，４
５ｏ，４６ｏ，４７ｏ…吐出部、５１…シリンダー、５
１ａ，５１ｂ，５１ｃ…隔壁、５２，５３，５４，５５
…圧縮室、５２Ｐ，５３Ｐ，５４Ｐ，５５Ｐ…ピスト
ン、５６…リニア駆動軸、５２ｉ，５３ｉ，５４ｉ，５
５ｉ…吸入部、５２ｏ，５３ｏ，５４ｏ，５５ｏ…吐出
部、６０Ａ，６０Ｂ…吸着器、６２…第１圧縮機、６４
…第１膜モジュール、６７…第２圧縮機、６９…第２膜
モジュール、７２…第３圧縮機、７５…製品貯槽
１０…圧縮機、Ｅ…排ガス、Ｍ…原料ガス、Ｐ…製品濃
縮ガス、３１Ｐ，３２Ｐ，３３Ｐ，３４Ｐ…ピストン、
３１Ｓ，３２Ｓ，３３Ｓ，３４Ｓ…シリンダー、３５…
クランク軸、３６ｉ，３７ｉ，３８ｉ，３９ｉ…吸入
部、３６ｏ，３７ｏ，３８ｏ，３９ｏ…吐出部、４１
Ｐ，４２Ｐ…ピストン、４１Ｓ，４２Ｓ…シリンダー、
４３…クランク軸、４４，４５，４６，４７…圧縮室、
４４ｉ，４５ｉ，４６ｉ，４７ｉ…吸入部、４４ｏ，４
５ｏ，４６ｏ，４７ｏ…吐出部、５１…シリンダー、５
１ａ，５１ｂ，５１ｃ…隔壁、５２，５３，５４，５５
…圧縮室、５２Ｐ，５３Ｐ，５４Ｐ，５５Ｐ…ピスト
ン、５６…リニア駆動軸、５２ｉ，５３ｉ，５４ｉ，５
５ｉ…吸入部、５２ｏ，５３ｏ，５４ｏ，５５ｏ…吐出
部、６０Ａ，６０Ｂ…吸着器、６２…第１圧縮機、６４
…第１膜モジュール、６７…第２圧縮機、６９…第２膜
モジュール、７２…第３圧縮機、７５…製品貯槽
フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H076 AA04 BB11 BB21 CC24 CC28 CC91 4D006 GA42 JA52A JA56A JA63A KA12 KA51 KA54 KA55 KA63 KA68 KA72 KB12 KE07Q KE08Q MB04 MB06 MC03 MC05 PA04 PB17 PB19 PB62 PB63 PB70 PC71 4D012 CA20 CD07 CG01 CH08 CJ03 CJ10
Claims (8)
- 【請求項１】 有用ガス成分を含む混合ガスを原料ガス
とし、該原料ガス中の前記有用ガス成分の分離濃縮を、
複数の膜モジュールを用いた多段カスケード濃縮法によ
って行うガス濃縮方法であって、前記複数の膜モジュー
ルにそれぞれ導入するガスの圧縮を、複数の圧縮室を有
するコンバイン式多流体同時圧縮により行うことを特徴
とするガス濃縮方法。 - 【請求項２】 前記複数の膜モジュールにおける操作圧
力及び排ガス圧力が略同一に設定されていることを特徴
とする請求項１記載のガス濃縮方法。 - 【請求項３】 前記コンバイン式多流体同時圧縮におけ
る容量調節を、圧縮室に設けたバイパス弁で行うことを
特徴とする請求項１記載のガス濃縮方法。 - 【請求項４】 前記多段カスケード濃縮法により前記有
用ガス成分の一次分離濃縮を行った後、吸着器を用いた
圧力変動式吸着分離法による二次分離濃縮を行うととも
に、該吸着器に導入するガスの圧縮を前記コンバイン式
多流体同時圧縮により行うことを特徴とする請求項１記
載のガス濃縮方法。 - 【請求項５】 前記多段カスケード濃縮法による一次分
離濃縮と圧力変動式吸着分離法による二次分離濃縮とか
らなる二段濃縮を複数組合わせて用いることを特徴とす
る請求項４記載のガス濃縮方法。 - 【請求項６】 前記膜モジュールにおけるガス分離膜の
ガス透過機構がクヌッセン流であることを特徴とする請
求項１記載のガス濃縮方法。 - 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれか１項記載のガ
ス濃縮方法に使用するガス圧縮機であって、異なる組成
の混合ガスを圧縮するための複数のシリンダーと、各シ
リンダー内でそれぞれ往復動するピストンと、該複数の
ピストンを一括して作動させるための１本のクランク軸
とを備えていることを特徴とするガス圧縮機。 - 【請求項８】 請求項１乃至６のいずれか１項記載のガ
ス濃縮方法に使用するガス圧縮機であって、異なる組成
の混合ガスを圧縮するための複数の圧縮室と、該圧縮室
内でガスを圧縮する圧縮手段と、該複数の圧縮手段を一
括して作動させるための１本のリニア駆動軸とを備えて
いることを特徴とするガス圧縮機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000362919A JP2002166121A (ja) | 2000-11-29 | 2000-11-29 | ガス濃縮方法及びガス圧縮機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000362919A JP2002166121A (ja) | 2000-11-29 | 2000-11-29 | ガス濃縮方法及びガス圧縮機 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002166121A true JP2002166121A (ja) | 2002-06-11 |
Family
ID=18834116
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000362919A Pending JP2002166121A (ja) | 2000-11-29 | 2000-11-29 | ガス濃縮方法及びガス圧縮機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002166121A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008247654A (ja) * | 2007-03-29 | 2008-10-16 | Hiroshima Univ | アンモニアの分離方法、製造方法、及び気体分離膜 |
| JP2009501031A (ja) * | 2005-07-14 | 2009-01-15 | クラウス シュミット | ガス混合物を提供する装置及び方法 |
| JP2009544382A (ja) * | 2006-07-26 | 2009-12-17 | クラウス シュミット | 人工呼吸器をつけている患者の呼気中の希ガスの膜分離による保持 |
| JP2010116872A (ja) * | 2008-11-13 | 2010-05-27 | Aisan Ind Co Ltd | 蒸発燃料処理装置 |
| CN102359895A (zh) * | 2011-08-15 | 2012-02-22 | 西北核技术研究所 | 一种大气中氙的常温富集取样方法及装置 |
| CN102508285A (zh) * | 2011-11-28 | 2012-06-20 | 西北核技术研究所 | 一种大气中氙的低温富集取样方法和装置 |
-
2000
- 2000-11-29 JP JP2000362919A patent/JP2002166121A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009501031A (ja) * | 2005-07-14 | 2009-01-15 | クラウス シュミット | ガス混合物を提供する装置及び方法 |
| JP2009544382A (ja) * | 2006-07-26 | 2009-12-17 | クラウス シュミット | 人工呼吸器をつけている患者の呼気中の希ガスの膜分離による保持 |
| JP2008247654A (ja) * | 2007-03-29 | 2008-10-16 | Hiroshima Univ | アンモニアの分離方法、製造方法、及び気体分離膜 |
| JP2010116872A (ja) * | 2008-11-13 | 2010-05-27 | Aisan Ind Co Ltd | 蒸発燃料処理装置 |
| CN102359895A (zh) * | 2011-08-15 | 2012-02-22 | 西北核技术研究所 | 一种大气中氙的常温富集取样方法及装置 |
| CN102508285A (zh) * | 2011-11-28 | 2012-06-20 | 西北核技术研究所 | 一种大气中氙的低温富集取样方法和装置 |
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