JP2009268994A

JP2009268994A - ガス分離装置および方法

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Publication number: JP2009268994A
Application number: JP2008122825A
Authority: JP
Inventors: Takuma Fujimoto; 琢磨藤本
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2009-11-19

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^３／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^３／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。

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^３／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^３／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。

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
８Ａ８Ｂ８Ｃ８Ｄ８Ｅ：導入側マニホールド
９Ａ９Ｂ９Ｃ９Ｄ９Ｅ：導出側マニホールド
１０Ａ１０Ｂ１０Ｃ１０Ｄ：分離ユニット
１１：原料空気導入路
１２Ａ１２Ｂ１２Ｃ１２Ｄ１２Ｅ：ヒータ
１３Ａ１３Ｂ１３Ｃ１３Ｄ１３Ｅ：弁
１４Ａ１４Ｂ１４Ｃ１４Ｄ：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

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。
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。
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。
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。
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。