JP2009268994A - ガス分離装置および方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】製品ガスの需要にあわせて原料ガスの圧縮コストを抑えるとともに安定した濃度の製品ガスが得られ、しかも設備コストやメンテナンスコストに優れて高い信頼性の得られるガス分離装置を提供する。
【解決手段】透過ガスを分離膜2に透過させて原料空気を非透過ガスである窒素と透過ガスである酸素に分離して窒素ガスを抽出対象ガスとして抽出する分離膜モジュール1を備え、上記分離膜モジュール1が複数並列状に設けられて分離ユニット10A〜10Dが構成されるとともに、上記分離ユニット10A〜10Dがさらに複数組並列状に設けられ、各分離ユニット10A〜10D毎にガスの流通を開閉するための弁13A〜13Dが設けられ、ガスを流通させる分離ユニット10A〜10Dの数を制御可能に構成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、分離膜によるガス分離装置および方法に関するものである。
空気などの混合ガスの分離方法としては、従来から種々の方式があり、例えば、沸点差を利用した深冷分離法や、加圧下における吸着材への吸着速度の違いを利用した吸着法等があり、さらに、高分子膜のガス透過速度の差を利用した膜分離法も実用化されている。
一般に、膜分離方式は、混合ガス中の各ガス成分の高分子膜に対する透過速度の差(選択透過性)を利用し、酸素、二酸化炭素、水蒸気等の透過速度の速いガスと、窒素、アルゴン等の透過速度の遅いガスとを分離するものである。
例えば、下記の特許文献1に示すように、分離膜として中空糸状の分離膜を束ねた分離膜モジュールに原料ガスとして圧縮空気を送り、透過速度の速い酸素や二酸化炭素を分離膜に透過させて排出し、分離膜モジュール内に窒素ガスを濃縮して分離し、製品窒素ガスとして供給することが行われる。用途としては、窒素ガスシールやパージ用として、化学工業、食品工業、エレクトロニクス、金属工業、プラスチック・複合材料等、多岐の分野に渡り、中小規模の窒素ガス利用者に利用されている。
特開平10−322号公報 特開2002−37612号公報
ところが、原料ガスとして空気等の混合気体を圧縮して供給する必要があり、窒素等の分離された製品ガスの需要が減少しても、必要とされる原料ガスの量はほとんど変わらず、原料ガスの圧縮や加熱に要するエネルギーやコストを抑えられないという問題がある。また、製品ガスの需要が減少すると分離された製品ガスの濃度が変動して、需要の減少とともに濃度が高くなってしまい、一定濃度の製品ガスを必要とする場合に問題となる。
これらの問題を解決するために、例えば、透過膜モジュールを複数並列に設置し、各透過膜モジュールに接続された弁を開閉するようにした装置が提案されている(上記特許文献2)。
しかしながら、上記特許文献2の装置では、各透過膜モジュールごとに個々に弁を設け、各弁を個別に開閉制御しなければならない。このため、装置を構成する部品数がそれだけ多くなり、部品費用および組み立て費用が高くなって設備費が嵩む。また、透過膜モジュールごとに設けた多数の弁を開閉制御するため、それだけ制御が複雑になるうえ、弁の開閉トラブルが生じる確率も高くなり、その分信頼性に劣ったりメンテナンスにコストを要したりすることとなる。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、製品ガスの需要にあわせて原料ガスの圧縮コストを抑えるとともに安定した濃度の製品ガスが得られ、しかも設備コストやメンテナンスコストに優れて高い信頼性の得られるガス分離装置および方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明のガス分離装置は、透過ガスを分離膜に透過させて混合ガスを非透過ガスと透過ガスに分離していずれかのガスを抽出対象ガスとして抽出する分離膜モジュールを備え、
上記分離膜モジュールが複数並列状に設けられて分離ユニットが構成されるとともに、上記分離ユニットがさらに複数組並列状に設けられ、
各分離ユニット毎にガスの流通を開閉するための弁が設けられ、ガスを流通させる分離ユニットの数を制御可能に構成されていることを要旨とする。
また、上記目的を達成するため、本発明のガス分離方法は、透過ガスを分離膜に透過させて混合ガスを非透過ガスと透過ガスに分離していずれかのガスを抽出対象ガスとして抽出する分離膜モジュールを準備し、
上記分離膜モジュールを複数並列状に設けて分離ユニットを構成するとともに、上記分離ユニットをさらに複数組並列状に設け、
各分離ユニット毎に設けた弁により、各分離ユニット毎にガスの流通を開閉してガスを流通させる分離ユニットの数を制御することを要旨とする。
本発明のガス分離装置および方法は、各分離ユニット毎に設けた弁を開閉して混合ガスを導入する分離ユニットの数を制御する。このため、抽出対象ガスの需要が増減するのに合わせて、弁の開閉制御によりガスを流通させる分離ユニットの数を増減することができる。これにより、抽出対象ガスの需要が減ったときは原料ガスの供給量を減少させることができ、原料ガスの圧縮や加熱に要するエネルギーやコストを抑えることができる。また、抽出対象ガスの需要が変動して抽出対象ガスの濃度が変動した場合も、弁の開閉制御によりガスを流通させる分離ユニットの数を増減することにより、その濃度を均一に保つことが可能となる。しかも、複数の分離膜モジュールから構成される分離ユニット毎に設けた弁を開閉操作すればよいことから、構成部品が少なくてすむうえ、弁を開閉操作する制御も簡素化する。さらに、弁の数が少なくてすむことから弁の開閉トラブルが発生する確率がそれだけ低くなり、メンテナンスもそれだけ簡略化できるうえ、信頼性も向上する。また、抽出対象ガスの純度に応じて装置のスペックを設定できるため、装置の過剰スペックを防止することで設備コストの低減を図ることができる。
本発明において、上記抽出対象ガスを導出する導出路に抽出対象ガスの流量を検知する流量検知手段が設けられ、上記流量検知手段で検知された流量に基づいて各弁の開閉制御を行なってガスを流通させる分離ユニットの数を制御するように構成されている場合には、導出路における流量の増減すなわち抽出対象ガスの需要が増減するのに合わせて確実にガスを流通させる分離ユニットの数を増減することができる。
本発明において、常にガスが流通されて抽出対象ガスを抽出する常時稼動用の分離膜モジュールが、上記複数組の分離ユニットに対して並列状に設けられている場合には、常時稼動用の分離膜モジュールに常にガスを流通させて導出路の流量がゼロになるのを防止し、導出路の流量に基づいて各弁の開閉制御を行なう場合に、流量がゼロとなって次の制御ができなくなる事態を防止する。
本発明において、上記抽出対象ガスを導出する導出路に抽出対象ガスの濃度を検知する濃度検知手段が設けられ、上記濃度検知手段で検知された濃度に基づいてガス流通の開閉制御が行なわれる濃度調節用の分離膜モジュールが、上記複数組の分離ユニットに対して並列状に設けられている場合には、導出路における抽出対象ガスの濃度に基づいて濃度調節用の分離膜モジュールの稼動をオンオフすることにより、全体として稼動させる分離膜モジュールの数を調整することができる。これにより、抽出対象ガスの濃度をより均一に保つことが可能となる。また、このように、濃度調節用の分離膜モジュールを設けることにより、分離ユニットを構成するモジュールの数を多く設定することが可能となり、構成部品を少なくして制御も簡素化する設備効率をより高めることが可能となる。
本発明において、上記抽出対象ガスを導出する導出路に抽出対象ガスの濃度を検知する濃度検知手段が設けられ、上記濃度検知手段で検知された濃度に基づいて分離ユニット毎に設けた弁を開閉制御することにより、各分離ユニット毎にガスの流通を開閉してガスを流通させる分離ユニットの数を制御する場合には、導出路における抽出対象ガスの濃度に基づいて稼動させるモジュールの数を増減させることにより、抽出される抽出対象ガスの濃度を均一に保つことが可能となる。
本発明において、濃度調節用の分離膜モジュールの数は、分離ユニットを構成するモジュールの数よりも少ない場合には、導出路における抽出対象ガスの濃度に基づいて濃度調節用の分離膜モジュールの稼動をオンオフすることにより、全体として稼動させる分離膜モジュールの数を微調整することができる。これにより、抽出対象ガスの濃度をより均一に保つことが可能となる。また、このように、濃度調節用の分離膜モジュールを設けることにより、分離ユニットを構成する分離膜モジュールの数を多く設定することが可能となり、構成部品を少なくして制御も簡素化する設備効率をより高めることが可能となる。
本発明において、各分離膜モジュールは共通である場合には、構成されるモジュールを共通化することで、設備効率を高め、設備コストやメンテナンスコストの面でより有利となる。
本発明において、各分離ユニットを構成するモジュール数が同じである場合には、稼動させる分離ユニットの数を増減する制御がより簡略化される。
本発明において、常時稼動用の分離膜モジュールの数は、分離ユニットを構成するモジュール数よりも少ない場合には、最小に稼動させる分離膜モジュールの数を少なくすることで、抽出対象ガスの少ない需要から多くの需要まで幅広い需要変動に対応できる。
つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図1は、本発明が適用されるガス分離装置の一例を示す構成図、図2は、上記ガス分離装置に使用される分離膜モジュール1を示す断面図である。
このガス分離装置は、透過ガスを分離膜2に透過させて混合ガスを非透過ガスと透過ガスに分離していずれかのガスを抽出対象ガスとして抽出する分離膜モジュール1を備えている。この例では、混合ガスとして空気が用いられ、分離膜2に酸素を透過させ、窒素を抽出対象ガスとして抽出する。すなわち、分離膜2の非透過ガスが窒素であり、透過ガスが酸素である。
上記分離膜モジュール1は、筒状のケース3と、上記ケース3内部に挿着された分離膜2とを備えて構成されている。上記分離膜2は、中空糸が束ねられて構成されている。この分離膜モジュール1のケース3には、原料空気導入口4と透過ガス導出口5および非透過ガス導出口6とが形成されている。
上記原料空気導入口4と非透過ガス導出口6とは分離膜2を構成している高分子製の中空糸の内部空間を介して連通されており、透過ガス導出口5は分離膜2を構成している中空糸とケース3の内周面とで形成される透過ガス溜り7に連通している。
そして、所定の圧力に加圧した空気を原料空気導入口4から供給し、導入された原料空気は、分離膜2を構成している各中空糸の内部を流通する間に、酸素成分が中空糸製の分離膜2を透過して透過ガス溜り7を通って透過ガス導出口5から排出され、非透過ガスである窒素成分が非透過ガス導出口6から取り出されて抽出対象ガスとして抽出される。
このガス分離装置は、上記分離膜モジュール1が複数並列状に設けられて分離ユニット10A、10B、10C、10Dが構成されている。この例では、各分離ユニット10A、10B、10C、10Dは、それぞれ4つの分離膜モジュール1によって構成されている。そして、上記各分離ユニット10A、10B、10C、10Dがさらに複数組(この例では4組)並列状に設けられている。
上記各分離ユニット10A、10B、10C、10Dは、導入側(図示の下側)が導入側マニホールド8A、8B、8C、8Dで並列状に連結され、導入側(図示の上側)が導出側マニホールド9A、9B、9C、9Dで並列状に連結されている。
各導入側マニホールド8A、8B、8C、8Dは、ヒータ12A、12B、12C、12Dおよび弁13A、13B、13C、13Dを介して原料空気導入路11に接続されている。
上記原料空気導入路11には、圧縮機17、フィルタ18、圧力計19が設けられ、原料空気を圧縮してフィルタ18を通過させて所定圧力で各分離膜モジュール1に導入しうるようになっている。各分離膜モジュール1の導出路にはそれぞれオリフィス24が設けられ、所定圧力で原料空気を分離膜2に通過させるようになっている。
また、分離膜2は、所定の温度範囲(例えば50℃前後)において所定の分離性能を発揮することから、原料空気はヒータ12A、12B、12C、12Dで所定の温度範囲まで加温されて分離膜モジュール1に導入されるようになっている。
各導出側マニホールド9A、9B、9C、9Dは、逆止弁14A、14B、14C、14Dを介してマニホールド16に接続され、上記マニホールド16は窒素ガス導出路15に接続されている。
上記窒素ガス導出路15には、圧力計20、酸素濃度センサ21、流量計22、窒素導出弁23が設けられている。
このように、各分離ユニット10A、10B、10C、10D毎にガスの流通を開閉するための弁13A、13B、13C、13Dが設けられ、上記弁13A、13B、13C、13Dを開閉制御することにより、ガスを流通させる分離ユニット10A、10B、10C、10Dの数を制御可能に構成されている。
すなわち、窒素ガスの需要が多い場合は、第1〜第4の弁13A、13B、13C、13Dをすべて開け、第1〜第4の分離ユニット10A、10B、10C、10Dのすべての分離膜モジュール1(16本)にガスを流通させて窒素ガスを抽出し、窒素ガス導出路15から導出することが行なわれる。そして、窒素ガスの需要が減少した場合は、まず、第4の弁13Dを閉じて第1〜第3の分離ユニット10A、10B、10Cの分離膜モジュール1(12本)にガスを流通させて窒素ガスを抽出し、窒素ガス導出路15から導出する。さらに窒素ガスの需要が減少すると、順次第3の弁13C、第2の弁13Bを閉じ、それぞれ第1〜第2の分離ユニット10A、10Bの分離膜モジュール1(8本)で、第1分離ユニット10Aの分離膜モジュール1(4本)で窒素ガスを抽出することが行なわれる。
このとき、上記抽出対象ガスである窒素ガスを導出する窒素ガス導出路15に抽出対象ガスの流量を検知する流量検知手段としての流量計22が設けられ、上記流量計22で検知された流量に基づいて各弁13A、13B、13C、13Dの開閉制御を行なってガスを流通させる分離ユニット10A、10B、10C、10Dの数を制御するように構成されている。
また、このガス分離装置は、上記第1〜第4の分離ユニット10A、10B、10C、10Dに加え、常にガスが流通されて抽出対象ガスを抽出する常時稼動用の分離膜モジュール1Aと、濃度検知手段としての酸素濃度センサ21で検知された濃度に基づいてガス流通の開閉制御が行なわれる濃度調節用の分離膜モジュール1Bを備えている。
上記常時稼動用の分離膜モジュール1Aと濃度調節用の分離膜モジュール1Bは、この例ではそれぞれ2本ずつ設けられている。すなわち、常時稼動用の分離膜モジュール1Aの数は、各分離ユニット10A、10B、10C、10Dを構成するモジュール数よりも少なく、この例では半分の本数である。また、濃度調節用の分離膜モジュール1Bの数は、各分離ユニット10A、10B、10C、10Dを構成するモジュールの数よりも少なく、この例では半分の本数である。
上記常時稼動用の分離膜モジュール1Aの導入側は、導入側マニホールド8Eに接続され、導入側マニホールド8Eは、ヒータ12Eおよび弁13Eを介して原料空気導入路11に接続されている。上記常時稼動用の分離膜モジュール1Aの導出側は、上記マニホールド16を介して窒素ガス導出路15と接続されている。
上記濃度調節用の分離膜モジュール1Bの導入側は、開閉弁25を介して導入側マニホールド8Eに接続され、導入側マニホールド8Eは、ヒータ12Eおよび弁13Eを介して原料空気導入路11に接続されている。上記濃度調節用の分離膜モジュール1Bの導出側は、上記導出側マニホールド9Eおよび逆止弁14Eならびにマニホールド16を介して窒素ガス導出路15と接続されている。
このような構成により、常時稼動用の分離膜モジュール1Aが、上記複数組の分離ユニット10A、10B、10C、10Dに対して並列状に設けられ、複数の常時稼動用の分離膜モジュール1Aも並列状に設けられている。また、濃度調節用の分離膜モジュール1Bが、上記複数組の分離ユニット10A、10B、10C、10Dに対して並列状に設けられ、複数の濃度調節用の分離膜モジュール1Bも並列状に設けられている。
上記常時稼動用の分離膜モジュール1Aは、本ガス分離装置が稼動している間は、常にガスが流通されて抽出対象ガスとしての窒素ガスを抽出して窒素ガス導出路15に送り込むようになっている。これにより、常時稼動用の分離膜モジュール1Aに常にガスを流通させて窒素ガス導出路15の流量がゼロになったときに分離膜モジュール全てが閉じられてしまうことを防止する。上述したように、窒素ガス導出路15の流量に基づいて各弁13A、13B、13C、13Dの開閉制御を行なうため、窒素ガス導出路15の流量がゼロとなって次の制御ができなくなる事態を防止する。
上記常時稼動用の分離膜モジュール1Aは、複数設けられることにより、いずれかの分離膜モジュール1Aでトラブルが発生してガスが流通しない状態となっても、他方の分離膜モジュール1Aでガスの流通を確保して窒素ガス導出路15の流量がゼロになったときに分離膜モジュール全てが閉じられてしまうことを防止する。また、上記複数(この例では2本)の常時稼動用の分離膜モジュール1Aは、導出側マニホールド9Eおよび逆止弁14Eを介さずにマニホールド16と接続されていることにより、導出側マニホールド9Eや逆止弁14Eのトラブルでガス流通が停止して窒素ガス導出路15の流量がゼロになったときに分離膜モジュール全てが閉じられてしまうことを防止する。
上記濃度調節用の分離膜モジュール1Bは、抽出対象ガスとしての窒素ガスを導出する窒素ガス導出路15に抽出対象ガスの濃度を検知する濃度検知手段として設けられた酸素濃度センサ21で検知された濃度に基づいて開閉弁25の開閉制御が行なわれ、ガス流通の開閉制御が行なわれるようになっている。
具体的には、酸素濃度センサ21で検知される窒素ガス導出路15内の窒素ガスの窒素純度が低くなったときに開閉弁25を開け、分離ユニット10A、10B、10C、10Dの分離膜モジュール1に加えて濃度調節用の分離膜モジュール1Bを使用し、トータルのモジュール数を増やして運転する。これにより、抽出される窒素ガスの窒素純度を上げることができる。この状態で、酸素濃度センサ21で検知される窒素ガス導出路15内の窒素ガスの窒素純度が高くなったときは、開閉弁25を閉じ、濃度調節用の分離膜モジュール1Bを使用せず、トータルのモジュール数を減らして運転することにより、抽出される窒素ガスの窒素純度を下げることができる。
上述したように、この装置では、流量計22で検知される窒素ガス導出路15の窒素ガス流量に応じて、弁13A、13B、13C、13Dの開閉制御を行なって使用する分離ユニット10A、10B、10C、10Dを増減させる。特に、使用する分離ユニット10A、10B、10C、10Dを1段階増減させたときに(この例では、1段階の増減で分離膜モジュール1が4本増減する)窒素濃度の変動が起きやすい。そのようなときに酸素濃度センサ21で窒素濃度を検知し、それに応じて濃度調節用の分離膜モジュール1Bの開閉を行ない、窒素濃度を均一に維持しうるようになっている。
ここで、例えば、上記濃度調節用の分離膜モジュール1Bを開閉する開閉弁25の開閉制御は、窒素ガス導出路15の窒素濃度が所定の上限値まで上がったときに開き、窒素濃度が所定の下限値まで下がったときに閉じるように制御される。このとき、上限値と下限値の間に若干の差をもたせ、異なる値に設定することにより、開閉が激しく切り替わるのを防止し、上限値と下限値の間で安定した濃度を維持することができる。例えば、上限値を窒素95%、下限値を窒素94%とすることにより、窒素ガス導出路15の窒素濃度を94〜95%の間で安定させることができる。
上記濃度調節用の分離膜モジュール1Bの数は、分離ユニット10A、10B、10C、10Dを構成するモジュールの数よりも少なくすることにより、濃度調節用の分離膜モジュール1Bの稼動をオンオフすることにより全体として稼動させるモジュールの数を微調整することができる。特に、モジュール数が段階的に増減するときの段階幅を均一化するため、上記濃度調節用分離膜モジュール1Bの数を、分離ユニット10A、10B、10C、10Dを構成するモジュールの数の半分とするのが好ましい。
なお、上述した説明では、本発明の濃度検知手段として酸素濃度センサ21を用い、酸素濃度を検知することで窒素濃度を計測するようにしている。
以上のように、本実施形態のガス分離装置および方法によれば、各分離ユニット10A、10B、10C、10D毎に設けた弁13A、13B、13C、13Dを開閉して混合ガスを導入する分離ユニット10A、10B、10C、10Dの数を制御する。このため、抽出対象ガスである窒素ガスの需要が増減するのに合わせて、弁13A、13B、13C、13Dの開閉制御によりガスを流通させる分離ユニット10A、10B、10C、10Dの数を増減することができる。これにより、窒素ガスの需要が減ったときは原料空気の供給量を減少させることができ、原料空気の圧縮や加熱に要するエネルギーやコストを抑えることができる。また、窒素ガスの需要が変動して窒素ガスの濃度が変動した場合も、弁13A、13B、13C、13Dの開閉制御によりガスを流通させる分離ユニット10A、10B、10C、10Dの数を増減することにより、その濃度を均一に保つことが可能となる。しかも、複数の分離膜モジュール1から構成される分離ユニット10A、10B、10C、10D毎に設けた弁13A、13B、13C、13Dを開閉操作すればよいことから、構成部品が少なくてすむうえ、弁13A、13B、13C、13Dを開閉操作する制御も簡素化する。さらに、弁13A、13B、13C、13Dの数が少なくてすむことから弁13A、13B、13C、13Dの開閉トラブルが発生する確率がそれだけ低くなり、メンテナンスもそれだけ簡略化できるうえ、信頼性も向上する。また、抽出対象ガスの純度に応じて装置のスペックを設定できるため、装置の過剰スペックを防止することで設備コストの低減を図ることができる。
また、上記窒素ガスを導出する窒素ガス導出路15に窒素ガスの流量を検知する流量計22が設けられ、上記流量計22で検知された流量に基づいて各弁13A、13B、13C、13Dの開閉制御を行なってガスを流通させる分離ユニット10A、10B、10C、10Dの数を制御するように構成されているため、窒素ガス導出路15における流量の増減すなわち窒素ガスの需要が増減するのに合わせて確実にガスを流通させる分離ユニット10A、10B、10C、10Dの数を増減することができる。
また、常にガスが流通されて窒素ガスを抽出する常時稼動用の分離膜モジュール1Aが、上記複数組の分離ユニット10A、10B、10C、10Dに対して並列状に設けられているため、常時稼動用の分離膜モジュール1Aに常にガスを流通させて窒素ガス導出路15の流量がゼロになったときに分離膜モジュール全てが閉じられてしまうことを防止し、窒素ガス導出路15の流量に基づいて各弁13A、13B、13C、13Dの開閉制御を行なう場合に、流量がゼロとなって次の制御ができなくなる事態を防止する。
また、上記窒素ガス導出路15に窒素ガスの濃度を検知する酸素濃度センサ21が設けられ、上記酸素濃度センサ21で検知された濃度に基づいてガス流通の開閉制御が行なわれる濃度調節用の分離膜モジュール1Bが、上記複数組の分離ユニット10A、10B、10C、10Dに対して並列状に設けられている場合には、窒素ガス導出路15における窒素ガスの濃度に基づいて濃度調節用の分離膜モジュール1Aの稼動をオンオフすることにより、全体として稼動させるモジュールの数を調整することができる。これにより、窒素ガスの濃度をより均一に保つことが可能となる。また、このように、濃度調節用の分離膜モジュール1Bを設けることにより、分離ユニット10A、10B、10C、10Dを構成する分離膜モジュール1の数を多く設定することが可能となり、構成部品を少なくして制御も簡素化する設備効率をより高めることが可能となる。
また、濃度調節用の分離膜モジュール1Bの数は、分離ユニット10A、10B、10C、10Dを構成するモジュールの数よりも少ないため、窒素ガス導出路15における窒素ガスの濃度に基づいて濃度調節用の分離膜モジュール1Bの稼動をオンオフすることにより、全体として稼動させるモジュールの数を微調整することができる。これにより、窒素ガスの濃度をより均一に保つことが可能となる。また、このように、濃度調節用の分離膜モジュール1Bを設けることにより、分離ユニット10A、10B、10C、10Dを構成する分離膜モジュール1の数を多く設定することが可能となり、構成部品を少なくして制御も簡素化する設備効率をより高めることが可能となる。
この実施形態では、各分離ユニット10A、10B、10C、10Dを構成する分離膜モジュール1と、各常時稼動用の分離膜モジュール1Aおよび各濃度調節用の分離膜モジュール1Bは、共通のものが使用されている。このように、各分離膜モジュール1が共通である場合には、構成されるモジュールを共通化することで、設備効率を高め、設備コストやメンテナンスコストの面でより有利となる。
また、この実施形態では、各分離ユニット10A、10B、10C、10Dを構成するモジュール数が同じである場合には、稼動させる分離ユニット10A、10B、10C、10Dの数を増減する制御がより簡略化される。
また、常時稼動用の分離膜モジュール1Aの数は、分離ユニット10A、10B、10C、10Dを構成するモジュール数よりも少ないため、最小に稼動させる常時稼動用の分離膜モジュール1Aの数を少なくすることで、窒素ガスの少ない需要から多くの需要まで幅広い需要変動に対応できる。
また、上記常時稼動用の分離膜モジュール1Aの数は、分離ユニット10A、10B、10C、10Dを構成するモジュール数の半分とすることで、モジュール数が段階的に増減するときの段階幅を均一化することができる。
上述した実施形態において、窒素ガス導出路15で窒素ガスの濃度を検知する酸素濃度センサ21が設けられ、上記酸素濃度センサ21で検知された濃度に基づいて分離ユニット10A、10B、10C、10D毎に設けた弁13A、13B、13C、13Dを開閉制御することにより、各分離ユニット10A、10B、10C、10D毎にガスの流通を開閉してガスを流通させる分離ユニット10A、10B、10C、10Dの数を制御するようにすることもできる。このようにすることにより、窒素ガス導出路15における窒素ガスの濃度に基づいて稼動させる分離膜モジュール1の数を増減させることにより、抽出される窒素の濃度を均一に保つことが可能となる。
上記実施形態のガス分離装置は、上述したように、第1の分離ユニット10A、第2の分離ユニット10B、第3の分離ユニット10C、第4の分離ユニット10Dの4つの分離ユニット10A、10B、10C、10Dと、2本の常時稼動用の分離膜モジュール1Aおよび2本の濃度調節用の分離膜モジュール1Bを含んで構成されている。
常時稼動用の分離膜モジュール1Aは装置が稼動している間は常にガスが流通しており、第1の分離ユニット10A、第2の分離ユニット10B、第3の分離ユニット10C、第4の分離ユニット10Dは、流量計22で検知された窒素ガスの流量に基づいてそれぞれ開閉されて使用するユニットが増減され、濃度調節用の分離膜モジュール1Bは、酸素濃度センサ21で検束した窒素濃度に基づいて開閉する。
このとき、第1の分離ユニット10A、第2の分離ユニット10B、第3の分離ユニット10C、第4の分離ユニット10Dは、流量が少ないときは第1の分離ユニット10Aを開け、流量が多くなるにしたがって順次第2の分離ユニット10B、第3の分離ユニット10C、第4の分離ユニット10Dと開にしていくことが行なわれる。逆に、第1の分離ユニット10A、第2の分離ユニット10B、第3の分離ユニット10C、第4の分離ユニット10Dが全て開の最大流量から、流量が少なくなるにしたがって順次第4の分離ユニット10D、第3の分離ユニット10C、第2の分離ユニット10Bと閉にしていくことが行なわれる。
このようにすることにより、各分離ユニット10A、10B、10C、10Dは、第1の分離ユニット10A、第2の分離ユニット10B、第3の分離ユニット10C、第4の分離ユニット10Dの順に使用頻度が高いことが担保され、各分離ユニット10A、10B、10C、10Dのメンテナンス計画を立てやすくなるというメリットがある。
また、上述した場合において、弁13A、13B、13C、13Dの開閉制御を、各分離ユニット10A、10B、10C、10Dの使用頻度が、第1の分離ユニット10A、第2の分離ユニット10B、第3の分離ユニット10C、第4の分離ユニット10Dの順に使用頻度が高い第1の状態と、第4の分離ユニット10D、第3の分離ユニット10C、第2の分離ユニット10B、第1の分離ユニット10Aの順に高い第2の状態とを切り替え可能とすることもできる。このようにすることにより、第1の状態で所定期間使用した後、第2の状態に切り替えて使用することにより、各分離ユニット10A、10B、10C、10Dの使用頻度を均一化することができ、各分離ユニット10A、10B、10C、10Dのメンテナンス間隔を延長できるというメリットがある。
図1に示す装置により、原料空気圧力が0.54〜0.66MPaであるときに、窒素ガス発生量(Nm/h)を変動させて運転し、駆動された分離ユニット10A、10B、10C、10D、濃度調節用の分離膜モジュール1Bがオンオフされた状態を下記の表1に示す。表からわかるとおり、窒素ガス発生量が174〜70Nm/hのあいだ、モジュール数は18〜6本使用され、その間の窒素ガス純度は94.0〜95.2%の間で比較的小さな変動幅で収まっている。
Figure 2009268994
図1に示す装置により、原料空気圧力が0.63〜0.77MPaであるときに、窒素ガス発生量(Nm/h)を変動させて運転し、駆動された分離ユニット10A、10B、10C、10D、濃度調節用の分離膜モジュール1Bがオンオフされた状態を下記の表2に示す。表からわかるとおり、窒素ガス発生量が168〜51Nm/hのあいだ、モジュール数は18〜6本使用され、その間の窒素ガス純度は94.2〜96.5%の間で比較的小さな変動幅で収まっている。
Figure 2009268994
なお、上記実施形態では、各分離ユニット10A、10B、10C、10Dにおける分離膜モジュール1の構成本数を4本としたが、これに限定するものではなく、3本以下でもよいし、5本以上とすることもできる。
また、上記実施形態では、原料ガスとして空気を使用し、原料空気を窒素ガスと酸素ガスに分離し、抽出対象ガスとして窒素ガスを抽出するものを例示したが、本発明の適用範囲はこれに限定するものではなく、空気以外の各種の混合ガスを原料ガスとし、各種のガスを分離膜2により分離して抽出する装置および方法とすることができる。
本発明が適用されたガス分離装置の一実施形態を示す図である。 上記ガス分離装置に用いる分離膜モジュールの一例を示す図である。
符号の説明
1:分離膜モジュール
1A:常時稼動用の分離膜モジュール
1B:濃度調節用の分離膜モジュール
2:分離膜
3:ケース
4:原料空気導入口
5:透過ガス導出口
6:非透過ガス導出口
7:透過ガス溜り
8A 8B 8C 8D 8E:導入側マニホールド
9A 9B 9C 9D 9E:導出側マニホールド
10A 10B 10C 10D:分離ユニット
11:原料空気導入路
12A 12B 12C 12D 12E:ヒータ
13A 13B 13C 13D 13E:弁
14A 14B 14C 14D:逆止弁
15:窒素ガス導出路
16:マニホールド
17:圧縮機
18:フィルタ
19:圧力計
20:圧力計
21:酸素濃度センサ
22:流量計
23:窒素導出弁
24:オリフィス
25:開閉弁

Claims (5)

  1. 透過ガスを分離膜に透過させて混合ガスを非透過ガスと透過ガスに分離していずれかのガスを抽出対象ガスとして抽出する分離膜モジュールを備え、
    上記分離膜モジュールが複数並列状に設けられて分離ユニットが構成されるとともに、上記分離ユニットがさらに複数組並列状に設けられ、
    各分離ユニット毎にガスの流通を開閉するための弁が設けられ、ガスを流通させる分離ユニットの数を制御可能に構成されていることを特徴とするガス分離装置。
  2. 上記抽出対象ガスを導出する導出路に抽出対象ガスの流量を検知する流量検知手段が設けられ、上記流量検知手段で検知された流量に基づいて各弁の開閉制御を行なってガスを流通させる分離ユニットの数を制御するように構成されている請求項1記載のガス分離装置。
  3. 常にガスが流通されて抽出対象ガスを抽出する常時稼動用の分離膜モジュールが、上記複数組の分離ユニットに対して並列状に設けられている請求項1または2記載のガス分離装置。
  4. 上記抽出対象ガスを導出する導出路に抽出対象ガスの濃度を検知する濃度検知手段が設けられ、
    上記濃度検知手段で検知された濃度に基づいてガス流通の開閉制御が行なわれる濃度調節用の分離膜モジュールが、上記複数組の分離ユニットに対して並列状に設けられている請求項1〜3のいずれか一項に記載のガス分離装置。
  5. 透過ガスを分離膜に透過させて混合ガスを非透過ガスと透過ガスに分離していずれかのガスを抽出対象ガスとして抽出する分離膜モジュールを準備し、
    上記分離膜モジュールを複数並列状に設けて分離ユニットを構成するとともに、上記分離ユニットをさらに複数組並列状に設け、
    各分離ユニット毎に設けた弁により、各分離ユニット毎にガスの流通を開閉してガスを流通させる分離ユニットの数を制御することを特徴とするガス分離方法。
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