JP2011184283A - 膜分離による窒素製造設備及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空気から窒素を製造するに当たり膜分離法は他の分離方法に比して高純度の窒素を製造することが難しい問題があった。ガス分離効率を高めることにより高純度窒素を製造する設備及びその方法を提供する。
【解決手段】２段以上の膜分離装置において後段の膜分離装置から出る透過ガスを前段の供給ガスにリサイクルし、前段の膜分離装置から排出される非透過ガス中の酸素濃度を設定値内に入るように前段の非透過ガス抜き出し量即ち後段の膜分離装置への供給ガス量を制御することにより高純度窒素を製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は空気中から高純度の窒素を膜により分離、製造する設備及びその方法に関するものである。

空気中の窒素を分離するのに蒸留による方法、吸着による方法、膜による方法があることは良く知られており、いずれも工業的に使われている。蒸留による分離は深冷化して液化する必要があり、設備に多大の投資を要し窒素を需要者側に極低温の液体の形で輸送されるか、ガス化してパイプラインで引き渡され流通上、保管上限定されている。吸着法、膜法による分離は設備が簡単で需要者側で直接分離装置を設置するのが一般的である。

しかし吸着法は吸着剤の経年劣化や粉化による耐久性に問題がある。また膜法に比して圧力の切り替えによる交互の吸脱着操作を必要とし、膜法に比して設備コストが割高である。

一方空気から膜による窒素の分離は設備上簡単であるが窒素の収率が低く、高純度の窒素を得るのに原料となる空気を多大に必要としそれだけ設備を大きくする必要がありコスト高になっていた。

従来はかかる欠点を透過ガスをリサイクルすることで対処することは公知であったが、その量又はリサイクル量を決定する酸素濃度を限定するに至らず性能を発揮できないでいた。

本発明は鋭意検討した結果、２段以上の膜分離装置を設け後段の膜分離の透過ガスを直前段の膜分離装置の供給ガスにリサイクルすることにより各段の膜分離装置の非透過ガス抜き出し量を制御することによって窒素の収率を高め高純度窒素を製造できることを可能ならしめることにある。

本発明は空気中から高純度窒素を製造するに当たり２段以上の多段膜分離装置を使用し、第２段目以降の透過ガスを直前段膜分離装置に供給し、第１段目膜分離装置からの非透過ガス抜き出し量即ち第２段目膜分離装置への供給ガス量をその非透過ガス中の酸素濃度を１〜１０％の範囲で所定濃度に制御することにより高純度窒素を製造することが達成される。この所定濃度は第１段膜分離装置へのガス供給量を第１段膜分離装置への原料空気供給量の１．２倍から３．５倍モル量即ち第２段目膜分離装置の透過ガスリサイクル量を０．２から２．５倍モル量にすることにより可能となる。

膜分離装置は中空糸形状を有する管状型高分子膜が一般的であるが平板型やスパイラル型も用いることができる。膜材質としてポリイミド、酢酸セルロース、ポリスルホン、ポリカーボネートなどの高分子材料、多孔性シリカ、多孔性カーボンなどの無機材料が挙げられるが限定するものではない。

膜へ供給する空気は通常圧縮機で圧縮されるがその圧力は０．２〜４．０ＭＰａ．好ましくは０．３〜３．０に圧縮される。低いと透過速度が遅くなり、高いと膜の耐圧性が問題となる。

非透過ガス中の酸素濃度の分析にはジルコニア限界電流方式などがよく用いられる。

外部からの外乱を防ぐため系全体を温度一定で運転することが望ましい。温度が高いほど膜の透過速度が速くなるが窒素と酸素の選択性を阻害する。温度が低いと透過速度が遅くなる。通常常温付近好ましくは１０〜５０℃で運転するのが好ましい。必要に応じて加温、冷却したり、除湿装置を設けることは妨げとしない。圧縮機で加圧したり、冷却して凝縮した水は取り除かれることが望ましい。

各分離装置の温度の設定を変えることも妨げとしない。

２段膜分離装置を用いる設備では、第２段膜分離装置即ち最終膜分離装置から排出される空気より酸素濃度の低い透過ガスを第１段膜分離装置への供給ガスにリサイクルする場合、圧縮機は原料空気の圧縮と兼用でき、必要な圧縮機は１段となり追加設備は不要となる。

３段膜分離装置を用いる設備では、第３段目即ち最終段膜分離装置からの酸素濃度の低い透過ガスのリサイクル先は第１段膜分離装置と第２段膜分離装置への供給ガスが考えられる。第１段膜分離装置へのリサイクルの場合は圧縮機は共用できるが、第２段膜分離装置へのリサイクルの場合は圧縮機は新たに設置する必要となる。

このリサイクル先を第１段膜分離装置への供給ガスにした場合は窒素の収率は２段膜分離装置を用いる場合よりも大きくは改善されないが、第２段膜分離装置への供給ガスにした場合は窒素の収率は大きく改善される。

第１段膜分離装置出の非透過ガス中の酸素濃度を１％以下にすると後段膜分離装置出非透過ガス中の酸素濃度を既定濃度以下に維持するには窒素収率が低下し、効果が発揮せず得策ではない。

第１段膜分離装置出の非透過ガス中の酸素濃度を１０％以上にすると後段膜分離装置出非透過ガス中の残存酸素濃度を既定濃度以下に維持するためにリサクル量を大きくする必要があり、従って第１段分離装置への供給圧縮機の容量が大きくなりすぎ得策ではない。又処理量が多くなりすぎて分離に必要な膜面積も過大となる。

膜分離装置出の非透過ガス中の酸素濃度を一定以下に制御するにはその非透過ガス量をコントロールすればよく、それに従って透過ガス量が変化する。非透過ガス中の酸素濃度を下げるには非透過ガスの抜き出し量を少なくし、従って透過ガス量が増加することになる。非透過ガス中の酸素濃度を上げるには非透過ガスの抜き出し量を多くし、従って透過ガス量が減少することになる。

図１において６、７を用いて第１段膜分離装置からの非透過ガスである抜き出し量がコントロールされ、残りは第１段膜分離装置から透過ガスとして排出される。１０、１１を用いて第２段膜分離装置からの非透過ガスである抜き出し量がコントロールされ、残りは第２段膜分離装置から透過ガスとして抜き出されこのガスがリサイクルされ、第１段膜分離装置の供給ガスとして空気と共に第１段膜分離装置に供給される。このようにして図１は安定運転することができ、性能を発揮できる。

図２において１８、１９を用いて第１段膜分離装置からの非透過ガスである抜き出し量がコントロールされ、残りは第１段膜分離装置から透過ガスとして排出される。２３、２４を用いて第２段膜分離装置からの非透過ガスである抜き出し量がコントロールされ、残りは第２段膜分離装置から透過ガスとして抜き出されこのガスがリサイクルされ、第１段膜分離装置の供給ガスとして空気と共に第１段膜分離装置に供給される。更に２６、２７を用いて第３段膜分離装置からの非透過ガスである抜き出し量がコントロールされ、残りは第３段膜分離装置から透過ガスとして抜き出されこのガスがリサイクルされ、圧縮機３○を介して第２段膜分離装置の供給ガスとして第１段膜分離装置非透過ガス出と共に第２段膜分離装置に供給される。このようにして図２は安定運転することができ、性能を発揮できる。

他方従来法では多段膜分離装置の非透過ガス中の酸素濃度が適切な濃度にコントロールされず、従ってリサイクル量が適切でなく、系内のガス量の変動が生じたり、系内の組成変動をおこしたりし最終的には窒素の収率低下や製品窒素の純度低下を招き効果が発揮できない。

本発明により空気より膜分離法による窒素ガスの製造において、窒素収率が向上し、より純度の高い窒素の製造で更に消費エネルギー原単位の低下が可能となる製造を提供できる。

２段膜分離装置の説明図である。（実施例１） ３段膜分離装置の説明図である。（実施例２）

（比較例）
非透過側圧力０．６９ＭＰａ、透過側圧力を大気圧としたポリイミド製中空糸１段膜分離装置に空気を圧縮機を介して送り込み非透過ガス出酸素濃度を０．１％にした。定常後の分離した窒素ガス収率は９％であった。圧縮機に処理する単位容積当たりの窒素の製造量は０．０９容積比であった。

図１は実施例１のフロー図である。非透過側圧力０．６９ＭＰａ、透過側圧力を大気圧としたポリイミド製中空糸２段膜分離装置において空気を圧縮機を介して第１段膜分離装置へ供給した。この膜分離装置出の非透過ガス中の酸素濃度を５％にして更にこのガスを第２段膜分離装置へ供給した。第２段目膜分離装置出の非透過ガス濃度を０．１％になるように抜き出し量をコントロールし、第２段膜分離装置出透過ガスは全量第１段膜分離装置供給ガスにリサイクルした。定常後の第１段膜分離装置からの非透過ガス抜き出し量は原料空気１に対して１．１３モル比であった。分離した窒素ガス収率は２６％であった。圧縮機に処理する単位容積当たりの窒素の製造量は０．１３容積比であった。これは比較例１に比して消費エネルギーの原単位が３１％向上したことになる。必要膜面積は比較例を１とした場合第１段膜分離装置の膜面積は０．９で第２段膜分離装置の膜面積は０．３であった。

図２は実施例２のフロー図である。非透過側圧力０．６９ＭＰａ、透過側圧力を大気圧としたポリイミド製中空糸３段膜分離設備に空気を圧縮機を介して第１段膜分離装置へ供給した。その非透過ガスを第２段膜分離装置へ供給した。第２段膜分離装置の透過ガスは第１段膜分離装置の供給ガスへリサイクルし、非透過ガスは第３段膜分離装置へ供給した。第３段膜分離装置の透過ガスは第２段膜分離装置の供給ガスへ圧縮機を介してリサイクルした。第１段膜分離装置からの抜き出し非透過ガスの酸素濃度を５％とし、第２段膜分離装置からの抜き出し非透過ガスの酸素濃度を０．９％とし、第３段膜分離装置からの抜き出し非透過ガスの酸素濃度を０．１％とした。定常後の第１段膜分離装置からの非透過ガス抜き出し量は原料空気１に対して０．８９モル比であった。第２段膜分離装置からの非透過ガス抜き出し量は原料空気１に対して０．６９モル比であった。分離した窒素ガス収率は３４％であった。２台の圧縮機に処理する単位合計容積当たりの窒素の製造量は０．１６容積比であった。これは比較例１に比して消費エネルギーの原単位が４４％向上したことになる。必要膜面積は比較例を１とした場合第１段膜分離装置の膜面積は０．９で第２段膜分離装置の膜面積は０．２３で第３段膜分離装置の膜面積は０．０３であった。

１、１３：空気
２、１４、３０：圧縮機
３：第１段膜分離装置
４、１６：第１段膜分離装置出非透過ガス
５、１７：第１段膜分離装置出透過ガス（酸素富化ガス）
６、１０、１８、２３、２６：酸素分析計又は（及び）流量計
７、１１、１９、２４、２７：コントロールバルブ
８：第２段膜分離装置
９、２２：第２段膜分離装置出透過ガス（リサイクルガス）
１２：窒素ガス（製品）
１５：第１段膜分離装置
２０：第２段膜分離装置
２１：第２段膜分離装置出非透過ガス
２５：第３段膜分離装置
２８：窒素ガス（製品）
２９：第３段膜分離装置出透過ガス（リサイクルガス）

Claims (4)

1. 空気中の窒素を製造するに当たり２段以上の多段膜分離装置を使用し、２段目以降の透過ガスを直前段膜分離装置の供給ガスにリサイクルすることを特徴とする窒素製造設備及びその方法
2. 未透過ガス出中の酸素濃度を測定し、設定した酸素濃度に合わせて次段膜分離装置への供給ガス量を制御することを特徴とする窒素製造設備及びその方法
3. 第１段目出未透過ガス中の酸素濃度を１％〜１０％に設定することを特徴とする窒素製造設備及びその方法
4. 〔請求項３〕において酸素酸素濃度を１％〜１０％に設定することに相当する第１段目出未透過ガス流量を制御して第２段膜分離装置へ供給することを特徴とする窒素設備及びその製造方法

Images