JP2016093767A - ガス中のｃｏ２分離装置及びその膜分離方法、ガス中のｃｏ２分離装置の膜分離管理方法 - Google Patents

ガス中のｃｏ２分離装置及びその膜分離方法、ガス中のｃｏ２分離装置の膜分離管理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ガス中のＣＯ2分離装置及びその膜分離方法、ガス中のＣＯ2分離装置の膜分離管理方法を提供する。
【解決手段】導入された原料ガス１１を圧縮する圧縮器１２と、原料ガス１１からＣＯ2を分離膜１３ａにより膜分離する第１膜分離器１３Ａと、第１膜分離器１３Ａの膜分離で透過した第１透過ガス１４Ａを排出する第１透過ガス排出ラインＬ12と、第１膜分離器１３Ａの膜分離で透過されない第１非透過ガス１５Ａを排出する第１非透過ガス排出ラインＬ13と、第１膜分離器１３Ａの下流側に設けられ、第１非透過ガス１５ＡからＣＯ2をさらに分離膜１３ｂにより膜分離する第２膜分離器１３Ｂと、第２膜分離器１３Ｂの膜分離で透過した第２透過ガス１４Ｂを排出する第２透過ガス排出ラインＬ14と、第２透過ガス排出ラインＬ14の一部から分岐し、第２透過ガス１４Ｂを、原料ガス１１に戻す第２透過ガスの戻しラインＬ15と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス中のＣＯ2分離装置及び分離方法、ガス中のＣＯ2分離装置の膜分離管理方法に関するものである。
例えば、メタン（ＣＨ4）を含む天然ガスから、二酸化炭素（ＣＯ2）を分離回収する技術として、化学的吸収法と物理的吸収法とが提案されている（特許文献１参照）。
（１) 化学的吸収法の吸収法は、例えばアミン系やアルカリ系の吸収液により排ガス中の二酸化炭素を吸収除去した後、二酸化炭素が飽和状態まで吸収された吸収液を加熱再生するとともに、高濃度の二酸化炭素を回収する方法である。
（２） 物理的吸収法の吸着分離法は、ゼオライト系、分子ふるい、炭素系などの吸着剤により排ガス中の二酸化炭素を吸着除去した後、減圧状態及び／又は過熱状態にすることにより吸着された二酸化炭素を脱着させ吸着剤を再生するとともに、高濃度の二酸化炭素を回収する方法である。
また、ゼオライト等のＣＯ2分離膜を用いて、メタンを主成分とする天然ガスから二酸化炭素を分離する技術が提案されている。特に、天然ガスの輸送設備において、二酸化炭素の濃度を例えば２％以下に低減することで、腐食を防止するので、天然ガスから二酸化炭素を所定濃度以下に低減することが求められている（特許文献２参照）。
特開平６−９９０３５号公報 特開２０１２−２３６１３４号公報
ところで、ＣＯ2分離膜を用いて、選択的に分離膜の透過ガス側にＣＯ2を濃縮することで、ＣＯ2濃度が３〜７５％の混合された天然ガスから、ＣＯ2の除去された分離膜の非透過ガスを得る場合、膜分離法では、膜を介しての非透過ガスと透過ガスの圧力差がガス透過の駆動力となるため、非透過ガスのＣＯ2濃度が低下すると分離効率が低下し、非透過ガス側にはＣＯ2が残存してしまい、非透過ガス側のＣＯ2濃度を２％以下とすることが困難である、という問題がある。
ＣＯ2分離膜の非透過ガスが、特にメタンや水素などの有価なガスの場合、この有価ガスを利用する観点からは、非透過側ガスを高純度化することが望ましく、非透過ガス側のＣＯ2残存量を低減する必要がある。
また、混合の天然ガス中のＣＯ2濃度が低下するほど、ＣＯ2分離膜の透過ガスへのＣＯ2以外の物質の混入濃度が増加する、という問題がある。この結果、ＣＯ2除去ガスが有価である場合（例えばメタン等）には、ＣＯ2分離膜への有価ガスの混入は、混合ガスからの有価ガスの回収率の低下に繋がる、という問題がある。
特に、天然ガスは採掘する油田からの随伴するガス中のＣＯ2濃度は例えば３〜７５％の混合比率に相違があるので、原料ガス中のＣＯ2濃度が低いような場合において高純度なＣＯ2ガスを得ることが求められている。
さらに、ＣＯ2分離膜の透過ガスであるＣＯ2を、例えばＣＯ2 ＥＯＲ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｏｉｌ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）用途等の有価物として利用する際には、透過ガス純度が高いことも求められている。
よって、例えば天然ガス等の原料ガスからＣＯ2をＣＯ2分離膜により分離する際、非透過ガスであるＣＯ2の純度と、透過ガスであるメタンの純度とを共に向上する技術の出現が切望されている。
本発明は、前記問題に鑑み、非透過ガスであるＣＯ2の純度と、透過ガスであるメタンの純度とを共に向上するガス中のＣＯ2分離装置及びその膜分離方法、ガス中のＣＯ2分離装置の膜分離管理方法を提供することを課題とする。
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、ＣＯ2を含む原料ガスを導入する原料ガス導入ラインと、前記原料ガス導入ラインの端部が接続され、前記原料ガスからＣＯ2を膜分離する第１膜分離器と、前記第１膜分離器の膜分離で透過した第１透過ガスを排出する第１透過ガス排出ラインと、前記第１膜分離器の膜分離で透過されない第１非透過ガスを排出する第１非透過ガス排出ラインと、前記第１膜分離器の下流側に設けられ、第１非透過ガスからＣＯ2を膜分離する第２膜分離器と、前記第２膜分離器の膜分離で透過した第２透過ガスを排出する第２透過ガス排出ラインと、前記第２透過ガス排出ラインの一部から分岐し、第２透過ガスを、前記原料ガス又は前記第１非透過ガスに戻す第２透過ガスの戻しラインと、を備えることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置にある。
第２の発明は、第１の発明において、前記第１透過ガス中のＣＯ2濃度を求め、所定値以下の場合、第２透過ガスを原料ガス側にリサイクルすることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置にある。
第３の発明は、第１の発明において、原料ガス中のＣＯ2濃度を求め、所定値以下の場合、第２透過ガスを原料ガス側にリサイクルすることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置にある。
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記第１透過ガス排出ラインの一部から分岐し、第１透過ガスを原料ガスに戻す第１透過ガスの戻しラインを備えることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置にある。
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記原料ガス又は前記第１透過ガス又は第２透過ガス中のＣＯ2濃度を計測するＣＯ2濃度計を備えることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置にある。
第６の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記原料ガス中のＣＯ2濃度を計測するＣＯ2濃度計と、前記第１膜分離器の上流側に設けられ、前記原料ガス中のＣＯ2濃度に応じて、原料ガス中のＣＯ2を分離し、所定濃度のＣＯ2ガス濃度とした原料ガスを得る前処理用の第３膜分離器と、を備えることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置にある。
第７の発明は、第１乃至６のいずれか一つの発明において、前記原料ガス導入ラインに介装され、導入された原料ガスを圧縮する圧縮器を、第１膜分離器の上流側に備えることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置にある。
第８の発明は、第１乃至７のいずれか一つの発明において、前記第２透過ガス排出ラインの一部から排出される第２非透過ガス中のＣＯ2をさらに分離するＣＯ2分離設備と、前記ＣＯ2分離設備で分離したＣＯ2ガスを、前記原料ガス又は前記第１非透過ガスに戻すＣＯ2ガスの戻しラインと、を備えることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置にある。
第９の発明は、ＣＯ2を含む原料ガスからＣＯ2を選択的に分離する分離膜を有する膜分離器を直列に２段設け、１段目の第１膜分離器の膜分離で透過されない第１非透過ガスを２段目の第２膜分離器で膜分離するに際し、前記原料ガス又は前記第１膜分離器の膜分離後の第１透過ガス中のＣＯ2濃度を求め、求めたＣＯ2濃度が所定値以下の場合、第２膜分離器の膜分離後の第２透過ガスを、原料ガス側にリサイクルすることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置の膜分離方法にある。
第１０の発明は、第９の発明において、さらに、前記第１膜分離器での膜分離後の第１透過ガスを原料ガスに戻すことを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置の膜分離方法にある。
第１１の発明は、第９又は１０の発明において、前記第２非透過ガス中のＣＯ2をさらにＣＯ2分離設備で分離し、前記ＣＯ2分離設備で分離したＣＯ2ガスを、前記原料ガス又は前記第１非透過ガスに戻すことを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置の膜分離方法にある。
第１２の発明は、ＣＯ2を含む原料ガスからＣＯ2を選択的に分離する分離膜を有する第１及び第２膜分離器を直列に２段設け、１段目の第１膜分離器の膜分離で透過されない第１非透過ガスを２段目の第２膜分離器で膜分離するに際し、前記原料ガス中のＣＯ2濃度を求め、前記原料ガス中の求めたＣＯ2濃度が所定値以上の場合、前記原料ガス中のＣＯ2を前処理用の第３膜分離器で膜分離し、前記第３膜分離器で分離されない第３非透過ガスを、第１膜分離器に導入して、ＣＯ2を選択的に分離することを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置の膜分離管理方法にある。
本発明によれば、この第２透過ガスを原料ガス側に戻すことで、原料ガス中に、ＣＯ2が濃縮された第２透過ガスが導入され、ＣＯ2分圧が増加する。この結果、ＣＯ2添加原料ガス中のＣＯ2濃度が、第２透過ガスをリサイクルしない場合よりも増加することとなるので、第１膜分離器での膜分離のドライビングフォースを向上させることとなる。
図１は、実施例１に係るガス中のＣＯ2分離装置の概略図である。 図２は、実施例１に係る他のガス中のＣＯ2分離装置の概略図である。 図３−１は、実施例１に係る他のガス中のＣＯ2分離装置の概略図である。 図３−２は、実施例１に係る他のガス中のＣＯ2分離装置の概略図である。 図４は、実施例２に係るガス中のＣＯ2分離装置の概略図である。 図５は、実施例３に係るガス中のＣＯ2分離装置を備えた油随伴ガスからのＣＯ2分離システムの概略図である。 図６は、実施例４に係るガス中のＣＯ2分離装置を備えた油随伴ガスからのＣＯ2分離システムの概略図である。 図７は、実施例５に係るガス中のＣＯ2分離装置を備えた油随伴ガスからのＣＯ2分離システムの概略図である。 図８は、実施例６に係るガス中のＣＯ2分離装置を備えた油随伴ガスからのＣＯ2分離システムの概略図である。 図９は、実施例６に係る他のガス中のＣＯ2分離装置を備えた油随伴ガスからのＣＯ2分離システムの概略図である。
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
図１は、実施例１に係るガス中のＣＯ2分離装置の概略図である。
図１に示すように、本実施例に係るガス中のＣＯ2分離装置１０Ａは、ＣＯ2を含む原料ガス１１を導入する原料ガス導入ラインＬ11と、原料ガス導入ラインＬ11に介装され、導入された原料ガス１１を圧縮する圧縮器１２と、原料ガス導入ラインＬ11の端部が接続され、原料ガス１１からＣＯ2を分離膜１３ａにより膜分離する第１膜分離器１３Ａと、第１膜分離器１３Ａの膜分離で透過した第１透過ガス１４Ａを排出する第１透過ガス排出ラインＬ12と、第１膜分離器１３Ａの膜分離で透過されない第１非透過ガス１５Ａを排出する第１非透過ガス排出ラインＬ13と、第１膜分離器１３Ａの下流側に設けられ、第１非透過ガス１５ＡからＣＯ2をさらに分離膜１３ｂにより膜分離する第２膜分離器１３Ｂと、第２膜分離器１３Ｂの膜分離で透過した第２透過ガス１４Ｂを排出する第２透過ガス排出ラインＬ14と、第２透過ガス排出ラインＬ14の一部から分岐し、第２透過ガス１４Ｂを、原料ガス１１に戻す第２透過ガスの戻しラインＬ15と、を備えるものである。
本実施例では、原料ガス１１としては二酸化炭素（ＣＯ2）とメタン（ＣＨ4）とを少なくとも含む原料ガスを用いて説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。
この原料ガス１１は、例えば油田から油と同伴する天然ガス、ガス田から排出される天然ガス等を挙げることができる。
圧縮器１２は、天然ガスである原料ガス１１を所定圧力まで圧縮し、膜透過の駆動力として、ＣＯ2の膜分離を容易としている。なお、原料ガス１１の自圧が所定圧力に達している場合には、圧縮器１２は不要となるので、圧縮器１２を図示しないバイパスラインによりバイパスするようにしてもよい。
なお、圧縮器以外としては、例えば真空ポンプによる膜透過側において、減圧手段により減圧するようにしてもよい。
第１膜分離器１３Ａは、ＣＯ2を選択的に透過する分離膜１３ａを有する分離装置であり、分離膜１３ａとしては、例えばゼオライト等を含有する二酸化炭素分離用ゼオライト膜、分子ゲート中空糸膜、分子ゲート膜等を用いることができるが、ＣＯ2を選択的に透過する分離膜であれば、これらに限定されるものではない。
第１膜分離器１３Ａには、分離膜１３ａを透過した第１透過ガス１４Ａを排出する第１透過ガス排出ラインＬ12が接続され、選択的に分離されたＣＯ2を、回収ＣＯ2として回収している。
また、この分離膜１３ａを透過しない第１非透過ガス１５Ａは、第１非透過ガス排出ラインＬ13により第１膜分離器１３Ａから排出される。
第２膜分離器１３Ｂは、第１膜分離器１３Ａと同様の構成であり、ＣＯ2を選択的に透過する分離膜１３ｂを有する分離装置であり、分離膜１３ｂとしては分離膜１３ａと同一の種類でもよいが、必要に応じて異種の種類の分離膜を用いるようにしてもよい。
この第２膜分離器１３Ｂは、第１膜分離器１３Ａからの第１非透過ガス排出ラインＬ13の端部が接続され、排出される非透過ガス１５Ａを内部に導入し、分離膜１３ｂによりＣＯ2を選択的に分離する。
第２膜分離器１３Ｂには、分離膜１３ｂを透過した第２透過ガス１４Ｂを排出する第２透過ガス排出ラインＬ14が接続され、選択的に分離されたＣＯ2を、回収ＣＯ2として回収している。
なお、ＣＯ2の回収に際して、第１透過ガス１４Ａと第２透過ガス１４ＢとにはＣＯ2ガスが分離された分だけ、圧力差が生じる。よって、補助圧縮器２１を用いて、第１透過ガス１４Ａの圧力と同等となるように、第２透過ガス１４Ｂを所定圧力まで圧縮して、回収ＣＯ2としている。
また、この分離膜１３ｂを透過しない第２非透過ガス１５Ｂは、第２膜分離器１３Ｂから、第２非透過ガス排出ラインＬ16により排出される。この排出された第２非透過ガス１５Ｂは、原料ガスがメタンリッチの場合には、メタンの製品ガスとなる。
また、本実施例では、第２透過ガスの戻しラインＬ15は、第２透過ガス排出ラインＬ14の一部から分岐し、その先端が圧縮器１２の上流側の原料ガス導入ラインＬ11に接続され、第２透過ガス１４Ｂを原料ガス１１に戻し、原料ガス１１にＣＯ2を添加し、ＣＯ2添加原料ガス１１Ａとしている。
また、この第２透過ガス排出ラインＬ14には、第一弁Ｖ11が設けられている。また、第２透過ガスの戻しラインＬ15には、第二弁Ｖ12が設けられている。そして、両弁Ｖ11、Ｖ12の調整により、第２透過ガス１４Ｂの原料ガス１１側へのリサイクル量を調整している。
すなわち、図１に示すように、第一弁Ｖ11を全閉し、第二弁Ｖ12を全開した場合には、第２透過ガス１４Ｂの全量（１００％）を、原料ガス１１側に戻すこととなる。なお、調整弁の代わりに、切替バルブ等の流量切替手段を用いるようにしてもよい。
そして、この第２透過ガス１４Ｂを原料ガス１１側に戻すことで、原料ガス１１中に、ＣＯ2が濃縮された第２透過ガス１４Ｂが導入され、ＣＯ2分圧が増加する。この結果、原料ガス１１中のＣＯ2濃度が、第２透過ガス１４Ｂをリサイクルしない場合よりも増加するので、第１膜分離器１３Ａでの膜分離のドライビングフォースを向上させることとなる。これにより、第２透過ガス１４Ｂをリサイクルしない場合と較べて、第１膜分離器１３ＡでのＣＯ2選択分離性の向上を図ることができる。
次に、本実施例におけるガス中のＣＯ2分離装置１０Ａの動作について、図１を参照しつつ説明する。
ＣＯ2及びＣＨ4を含む原料ガス１１は、圧縮器１２に導入され、ここで、所定圧力まで圧縮される。圧縮された原料ガス１１は、第１膜分離器１３Ａで分離膜１３ａによりＣＯ2が選択的に分離され、第１透過ガス１４Ａとなって、回収ＣＯ2となる。
第１膜分離器１３Ａの分離膜１３ａで膜分離されない第１非透過ガス１５Ａは、第１膜分離器１３Ａの下流側の第２膜分離器１３Ｂに、第１非透過ガス排出ラインＬ13により送られ、ここで第２膜分離器１３Ｂの分離膜１３ｂにより残存するＣＯ2をさらに選択分離している。第２膜分離器１３Ｂで分離膜１３ｂにより分離されない第２非透過ガス１５Ｂは製品ガス（メタン）として回収される。
本実施例では、圧縮器１２に導入する前において、第２透過ガス１４Ｂを原料ガス１１に第２透過ガスの戻しラインＬ15によりリサイクルするようにしている。この第２透過ガス１４Ｂを原料ガス１１側にリサイクルすることで、ＣＯ2を添加したＣＯ2添加原料ガス１１Ａを得ている。このリサイクルの際、第一弁Ｖ11を全閉し、第二弁Ｖ12を全開することで、第２透過ガス１４Ｂの全量（１００％）を、原料ガス１１側に戻すようにしている。
この第２透過ガス１４Ｂを原料ガス１１側に全量戻すことで、原料ガス１１中に、ＣＯ2が濃縮された第２透過ガス１４Ｂが導入され、ＣＯ2分圧が増加する。この結果、ＣＯ2添加原料ガス１１Ａ中のＣＯ2濃度が、第２透過ガス１４Ｂをリサイクルしない場合よりも増加することとなるので、第１膜分離器１３Ａでの膜分離のドライビングフォースを向上させることとなる。これにより、第２透過ガス１４Ｂをリサイクルしない場合と較べて、第１膜分離器１３ＡでのＣＯ2選択分離性の向上を図ることができる。
ここで、原料ガス１１中のＣＯ2濃度を計測するＣＯ2計１９Ａは、原料ガス１１を供給する原料ガス導入ラインＬ11に設けている。また、第１膜分離器１３Ａの第１透過ガス排出ラインＬ12及び第２膜分離器１３Ｂの第２透過ガス排出ラインＬ14にもＣＯ2計１９Ｂ、１９Ｃを各々設けている。
そして、原料ガス１１又は第１膜分離器１３Ａの膜分離後の第１透過ガス１４Ａ中のＣＯ2濃度を求め、求めたＣＯ2濃度が所定値以下の場合（原料ガス１１の場合には、例えば２０ｍｏｌ％以下、第１透過ガス１４Ａの場合には、例えば９０ｍｏｌ％以下）、第２膜分離器１３Ｂの膜分離後の第２透過ガス１４Ｂを、原料ガス１１側にリサイクルするようにしている。
ここで、下記［表１］に、本実施例のように圧縮器１２の上流側において、原料ガス１１に第２透過ガス１４Ｂをリサイクルさせて、ＣＯ2添加原料ガス１１Ａとした場合と、従来のように、リサイクルしない場合との、ＣＯ2膜分離の分離効率の相違を示す。
なお、比較例１は、第１膜分離器１３Ａの一段のみで処理した場合である。
Figure 2016093767
この試験例では、ＣＯ2濃度が２０ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度が８０ｍｏｌ％の原料ガス１１を用いて膜分離した。
試験例１の場合には、図１に示すように、圧縮器１２の上流側の原料ガス１１に第２透過ガス１４Ｂを戻しているので、第１膜分離器１３Ａ入口でのＣＯ2濃度は戻し分の８．６ｍｏｌ％だけ増加し、ＣＯ2濃度は２８．６ｍｏｌ％となる。この結果、第１膜分離器１３Ａ透過側の第１透過ガス１４ＡのＣＯ2濃度は９２．３ｍｏｌ％となる。
これに対して、比較例１の場合、圧縮器１２の上流側の原料ガス１１に第２透過ガス１４Ｂを戻していないので、第１膜分離器１３Ａ入口でのＣＯ2濃度は原料ガス１１と同じ組成のＣＯ2濃度が２０ｍｏｌ％であり、第１膜分離器１３Ａ透過側の第１透過ガス１４ＡのＣＯ2濃度は８８．２ｍｏｌ％となる。
よって、試験例１のように、第１膜分離器１３Ａに導入するＣＯ2添加原料ガス１１ＡのＣＯ2濃度を、原料ガス１１中のＣＯ2濃度よりも高めることが可能なため、第１膜分離器１３Ａの第１透過ガス１４Ａとして、非ＣＯ2ガス成分の混入量の低い高純度なＣＯ2ガスを得ることができる。
この結果、濃縮ＣＯ2として分離する第１膜分離器１３Ａの透過ガスへの非ＣＯ2ガス成分（例えばメタン）混入量が少なくなるので、第１非透過ガス１５Ａ中及び第２非透過ガス１５Ｂ中の非ＣＯ2ガス成分である例えばメタンの原料ガスからの回収率を高めることができる。
また、第２透過ガス１４Ｂのリサイクル先は、圧縮器１２の上流側に限定されず、第１膜分離器１３Ａの上流側であれば、いずれでもよい。
図２は、実施例１に係る他のガス中のＣＯ2分離装置の概略図である。
図２に示すように、本実施例に係るガス中のＣＯ2分離装置１０Ｂは、図１に示すガス中のＣＯ2分離装置１０Ａにおいて、さらに第２透過ガス１４Ｂの戻しラインＬ15から分岐された第２透過ガス分岐ラインＬ17を設けるようにしている。
この第２透過ガス分岐ラインＬ17の接続先を、圧縮器１２と第１膜分離器１３Ａの間の原料ガス導入ラインＬ11としている。そして、補助圧縮器２２を用いて所定圧力まで圧縮した後、圧縮された原料ガス１１と混合するようにして、原料ガス１１側へリサイクルしている。また、第２透過ガス分岐ラインＬ17には、第三弁Ｖ13が設けられている。この第三弁Ｖ13の調整により、圧縮器１２を通過後の原料ガス１１側へ供給する第２透過ガス１４Ｂのリサイクル量を調整している。
そして、この第２透過ガス１４Ｂを原料ガス１１側に戻すことで、原料ガス１１中に、ＣＯ2が濃縮された第２透過ガス１４Ｂを導入して、ＣＯ2分圧を増加させるようにしている。この結果、原料ガス１１中のＣＯ2濃度が、第２透過ガス１４Ｂをリサイクルしない場合よりも増加するので、第１膜分離器１３Ａでの膜分離のドライビングフォースを向上させることとなる。
これにより、第２透過ガス１４Ｂをリサイクルしない場合と較べて、第１膜分離器１３ＡでのＣＯ2選択分離性の向上を図ることができる。
図３−１、３−２は、実施例１に係る他のガス中のＣＯ2分離装置の概略図である。
図２に示すガス中のＣＯ2分離装置１０Ｂでは、この第２透過ガス分岐ラインＬ17の接続先を、圧縮器１２と第１膜分離器１３Ａの間の原料ガス導入ラインＬ11として、第１膜分離器１３Ａに導入する前の原料ガス１１中のＣＯ2濃度を増加させている。
これに対し、図３−１に示すガス中のＣＯ2分離装置１０Ｃ−１は、この第２透過ガス分岐ラインＬ17の接続先を、第１膜分離器１３Ａと第２膜分離器１３Ｂとの間の第１非透過ガス排出ラインＬ13として、第２膜分離器１３Ｂに導入する前の第１非透過ガス１５Ａ中のＣＯ2濃度を増加させている。
この結果、第１非透過ガス１５Ａ中のＣＯ2濃度が、第２透過ガス１４Ｂをリサイクルしない場合よりも増加するので、第２膜分離器１３Ｂでの膜分離のドライビングフォースを向上させることとなる。これにより、第２透過ガス１４Ｂをリサイクルしない場合と較べて、第２膜分離器１３ＢでのＣＯ2選択分離性の向上を図ることができる。よって、図１及び図２に示すガス中のＣＯ2分離装置１０Ａ、１０Ｂに較べて第２透過ガス１４Ｂ中のＣＯ2濃度を高めることができる。
この際、図３−１に示すガス中のＣＯ2分離装置１０Ｃ−１においては、第２透過ガス排出ラインＬ14に設けた第一弁Ｖ11を開放し、第２透過ガスの戻しラインＬ15に設けた第二弁Ｖ12を閉止し、第２透過ガス１４Ｂの一部を回収ＣＯ2として回収するようにしている。これは、第一弁Ｖ11及び第二弁Ｖ12を共に閉止した場合、第２膜分離器１３Ｂに供給されたＣＯ２は製品ガスにのみ行き先が限られることになり、これを解消するためである。
また、第一弁Ｖ11を開放し、第２透過ガス１４Ｂの一部を第２透過ガス排出ラインＬ14により回収ＣＯ2として第１透過ガス１４Ａと混合するようにする場合には、第２透過ガス１４Ｂをリサイクルしない場合と較べて、ＣＯ2濃度が高い第２透過ガス１４Ｂを混合するため、第１透過ガス１４Ａ及び第２透過ガス１４Ｂが混合された回収ＣＯ2中のＣＯ2濃度低下を抑制することができる。
また、図３−２に示すガス中のＣＯ2分離装置１０Ｃ−２においては、第２透過ガス排出ラインＬ14に設けた第一弁Ｖ11を閉止し、第２透過ガスの戻しラインＬ15に設けた第二弁Ｖ12を解放し、第２透過ガス１４Ｂの一部を原料ガス１１側に戻している。
図３−２に示すガス中のＣＯ2分離装置１０Ｃ−２のように、第二弁Ｖ12を解放して、第２透過ガス１４Ｂの一部を原料ガス１１にリサイクルすることにより、第２透過ガス１４Ｂをリサイクルしない場合と較べて、原料ガス１１中のＣＯ2濃度が高まることとなり、第１透過ガス１４Ａ中のＣＯ2濃度もより高めることができる。
図４は、実施例２に係るガス中のＣＯ2分離装置の概略図である。なお、実施例１のガス中のＣＯ2分離装置の構成部材と同一の部材には同一符号を付して、その説明は省略する。
実施例２のガス中のＣＯ2分離装置１０Ｄでは、原料ガス１１中のＣＯ2濃度が所定（想定）の場合よりも低い場合に、第２透過ガス１４Ｂのみを、原料ガス１１中にリサイクルしただけでは、ＣＯ2分離効率が低下する場合の対策である。
本実施例に係るガス中のＣＯ2分離装置１０Ｄの構成は、実施例１のガス中のＣＯ2分離装置１０Ａに、さらに第１透過ガス１４Ａの第１透過ガス排出ラインＬ12から分岐された第１透過ガス分岐ラインＬ18を設けるようにしている。
この第１透過ガス分岐ラインＬ18の接続先を、圧縮器１２と第１膜分離器１３Ａの間の原料ガス導入ラインＬ11としている。そして、補助圧縮器２３を用いて所定圧力まで圧縮した後、圧縮された原料ガス１１と混合するようにして、原料ガス１１側へＣＯ2をリサイクルするようにしている。また、第１透過ガス分岐ラインＬ18には、第四弁Ｖ14が設けられている。そして、第四弁Ｖ14により、圧縮器１２を通過後の原料ガス１１側へ供給する第１透過ガス１４Ａのリサイクル量を調整している。
原料ガス１１として、天然ガス中のＣＯ2濃度が例えば１０ｍｏｌ％以下のような場合、本実施例のように、第２透過ガス１４Ｂの全量と、第１透過ガス１４Ａの所定量とを導入することで、原料ガス１１中に、ＣＯ2が濃縮された第２透過ガス１４Ｂに加えて、ＣＯ2が濃縮された第１透過ガス１４Ａが導入され、ＣＯ2分圧を増加させるようにしている。この結果、ＣＯ2添加原料ガス１１Ａ中のＣＯ2濃度が、第２透過ガス１４Ｂ及び第１透過ガス１４Ａをリサイクルしない場合よりも増加することとなるので、第１膜分離器１３Ａでの膜分離のドライビングフォースを向上させることとなる。これにより、第１透過ガス１４Ａ及び第２透過ガス１４Ｂをリサイクルしない場合と較べて、第１膜分離器１３ＡでのＣＯ2選択分離性の向上を図ることができる。
ここで、原料ガス１１中のＣＯ2濃度を計測するＣＯ2計１９Ａは、原料ガス１１を供給する原料ガス導入ラインＬ11に設けている。また、第１膜分離器１３Ａの第１透過ガス排出ラインＬ12及び第２膜分離器１３Ｂの第２透過ガス排出ラインＬ14にもＣＯ2計１９Ｂ、１９Ｃを各々設けている。
そして、原料ガス１１又は第１膜分離器１３Ａの膜分離後の第１透過ガス１４Ａ中のＣＯ2濃度を求め、求めたＣＯ2濃度が所定値以下の場合（原料ガス１１の場合には、例えば１０ｍｏｌ％以下、第１透過ガスの場合には、例えば８０ｍｏｌ％以下）、第２膜分離器１３Ｂの膜分離後の第２透過ガス１４Ｂ及び第１膜分離器１３Ａの膜分離後の第１透過ガス１４Ａを、原料ガス１１側にリサイクルするようにしている。なお、所定値は回収ＣＯ2の要求濃度等により変動される。
ここで、下記［表２］に、本実施例のように圧縮器１２の上流側の原料ガス導入ラインＬ11に、第１透過ガス１４Ａ及び第２透過ガス１４Ｂをリサイクルさせて原料ガス１１中のＣＯ2濃度を増加させて、ＣＯ2添加原料ガス１１Ａとした場合と、従来のように、リサイクルしない場合との、ＣＯ2膜分離の分離効率の相違を示す。なお、比較例２は、第１膜分離器１３Ａの一段のみで処理した場合である。
Figure 2016093767
この試験例では、ＣＯ2濃度が１０ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度が９０ｍｏｌ％の原料ガス１１を用いて膜分離する。
試験例２の場合には、図４に示すように、圧縮器１２の上流側の原料ガス１１に第２透過ガス１４Ｂを戻すと共に、第１透過ガス１４Ａを圧縮器１２の下流側に戻している。第１膜分離器１３Ａ入口でのＣＯ2濃度は戻し分の１４．２ｍｏｌ％だけ増加し、ＣＯ2濃度は２４．２ｍｏｌ％となる。この結果、第１膜分離器１３Ａ透過側の第１透過ガス１４ＡのＣＯ2濃度は９０．５ｍｏｌ％となる。
これに対して、比較例２の場合、圧縮器１２の上流側の原料ガス１１に第２透過ガス１４Ｂを戻していないので、第１膜分離器１３Ａ入口でのＣＯ2濃度は原料ガス１１と同じ組成のＣＯ2濃度が１０ｍｏｌ％であり、第１膜分離器１３Ａ透過側の第１透過ガス１４ＡのＣＯ2濃度は７６．９ｍｏｌ％となる。また、試験例２での第１膜分離器１３Ａ透過側ガスのリサイクル率は６０％であり、回収ＣＯ2としての回収流量は９ｋｍｏｌ／ｈであった。
よって、試験例２のように、第１膜分離器１３Ａに導入するＣＯ2添加原料ガス１１ＡのＣＯ2濃度を、原料ガス１１中のＣＯ2濃度よりも高めることが可能なため、第１膜分離器１３Ａの第１透過ガス１４Ａとして、非ＣＯ2ガス成分の混入量の低い高純度なＣＯ2ガスを得ることができる。この結果、濃縮ＣＯ2として分離する第１膜分離器１３Ａの透過ガスへの非ＣＯ2ガス成分（例えばメタン）混入量が少なくなるので、第１非透過ガス１５Ａ中及び第２非透過ガス１５Ｂ中の非ＣＯ2ガス成分である例えばメタンの原料ガスからの回収率を高めることができる。
図５は、実施例３に係るガス中のＣＯ2分離装置を備えた油随伴ガスからのＣＯ2分離システムの概略図である。なお、実施例１及び２のガス中のＣＯ2分離装置の構成部材と同一の部材には同一符号を付して、その説明は省略する。
図５に示すように、本実施例に係る油随伴ガスからのＣＯ2分離システム１００Ａは、原油（含随伴ガス）５１を搾油する生産井５２と、原油５１から油５３と原料ガス１１となる随伴ガスと水５４とに各々分離するセパレータ５５と、実施例１の第１膜分離器１３Ａ及び第２膜分離器１３Ｂを備えたガス中のＣＯ2分離装置１０Ａと、第２膜分離器１３Ｂからの第２非透過ガス１５Ｂ中に残存するＣＯ2をさらに分離するＣＯ2分離設備６０とを備えている。
原油５１は生産井５２より産出され、原油採掘ラインＬ1を介してセパレータ５５に送られ、ここで油５３及び水５４を分離すると共に、随伴する随伴ガスを分離している。本実施例では、この随伴ガスが原料ガス１１となる。
原料ガス１１は、実施例１と同様に処理され、ＣＯ2分離効率の向上を図るようにしている。本実施例では、第２膜分離器１３Ｂの第２非透過ガス１５Ｂ中にＣＯ2が所望以上に残存する場合、化学的吸収法や物理的吸収法によりＣＯ2分離設備６０で除去することで、原料ガス１１からＣＯ2を除去した精製ガス６６を得るようにしている。
本実施例のＣＯ2分離設備６０は、吸収液としてアミン溶剤を用い、第２非透過ガス１５Ｂ中のＣＯ2を除去するＣＯ2吸収塔６１と、ＣＯ2吸収塔６１でＣＯ2を吸収したリッチ溶液６２からリボイラ７２による水蒸気によりＣＯ2を放出して吸収液を再生する再生塔６３とから構成され、再生塔６３でＣＯ2を放出したリーン溶液６４を、再度ＣＯ2吸収塔６１で循環利用している。なお、リッチ溶液６２とリーン溶液６４とは、熱交換器６５で熱交換している。
ＣＯ2吸収塔６１でＣＯ2が除去された第２非透過ガス１５Ｂは、メタンリッチな精製ガス６６となる。ここで、図５中、符号Ｌ2はリッチ溶液供給ライン、Ｌ3はリーン溶液供給ライン、Ｌ4は精製ガス排出ライン、Ｌ5はＣＯ2同伴水蒸気排出ライン、Ｌ6はＣＯ2回収ライン、Ｌ7はＣＯ2回収分岐ラインである。
リッチ溶液６２を再生する再生塔６３の頂部からは、ＣＯ2を同伴した水蒸気６７が放出され、気液分離器７１でＣＯ2を分離して分離ガス６８としている。気液分離器７１で分離されたＣＯ2は、ＣＯ2回収ラインＬ6により、第２膜分離器１３Ｂでの分離したＣＯ2と同様に、ＣＯ2回収ラインＬ6に介装された第五弁Ｖ15を開き、補助圧縮器２３で圧縮されて回収ＣＯ2として回収される。
本実施例に係る油随伴ガスからのＣＯ2分離システム１００Ａでは、実施例１と同様に、原料ガス１１又は第１透過ガス１４Ａ中のＣＯ2濃度を求め、求めたＣＯ2濃度が所定値以下の場合（原料ガス１１の場合には、例えば２０ｍｏｌ％以下、第１透過ガス１４Ａの場合には、例えば９０ｍｏｌ％以下）、第２膜分離器１３Ｂの膜分離後の第２透過ガス１４Ｂを、原料ガス１１側にリサイクルするようにしている。なお、所定値は回収ＣＯ2の要求濃度に等より変動される。
そして、この第２透過ガス１４Ｂを原料ガス１１側に戻すことで、原料ガス１１中に、ＣＯ2が濃縮された第２透過ガス１４Ｂが導入され、ＣＯ2分圧が増加する。この結果、原料ガス１１中のＣＯ2濃度が、第２透過ガス１４Ｂをリサイクルしない場合よりも増加するので、第１膜分離器１３Ａでの膜分離のドライビングフォースを向上させることとなる。これにより、第２透過ガス１４Ｂをリサイクルしない場合と較べて、第１膜分離器１３ＡでのＣＯ2選択分離性の向上を図ることができる。
ここで、下記［表３］に、本実施例のように圧縮器１２の上流側において、原料ガス１１に第２透過ガス１４Ｂをリサイクルさせて、ＣＯ2添加原料ガス１１Ａとした場合と、従来のように、リサイクルしない場合との、ＣＯ2膜分離の分離効率の相違を示す。なお、比較例３は、第１膜分離器１３Ａの一段のみで処理した場合である。
Figure 2016093767
この試験例では、ＣＯ2濃度が２０ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度が８０ｍｏｌ％の原料ガス１１を用いて膜分離した。
試験例３の場合には、図５に示すように、圧縮器１２の上流側の原料ガス１１に第２透過ガス１４Ｂを戻しているので、第１膜分離器１３Ａ入口でのＣＯ2濃度は戻し分の８．６ｍｏｌ％だけ増加し、ＣＯ2濃度は２８．６ｍｏｌ％となる。この結果、第１膜分離器１３Ａの透過側の第１透過ガス１４ＡのＣＯ2濃度は９２．３ｍｏｌ％となる。
また、ＣＯ2吸収塔６１出口の精製ガス６６のＣＯ2濃度は、０．３ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度は９９．７ｍｏｌ％となり、再生塔６３出口の分離ガス６８のＣＯ2濃度は１００ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度は０ｍｏｌ％となり、この結果ＣＨ4回収率は９８．１％となる。
これに対して、比較例３の場合、圧縮器１２の上流側の原料ガス１１に第２透過ガス１４Ｂを戻していないので、第１膜分離器１３Ａ入口でのＣＯ2濃度は原料ガスと同じ組成のＣＯ2濃度が２０ｍｏｌ％であり、第１膜分離器１３Ａ透過側の第１透過ガス１４ＡのＣＯ2濃度は８８．２ｍｏｌ％となる。
また、ＣＯ2吸収塔６１出口の精製ガス６６のＣＯ2濃度は、０．３ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度は９９．７ｍｏｌ％となり、再生塔６３出口の分離ガス６８のＣＯ2濃度は１００ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度は０ｍｏｌ％となり、この結果ＣＨ4回収率は９７．０％となる。
よって、試験例３のように、第１膜分離器１３Ａに導入するＣＯ2添加原料ガス１１ＡのＣＯ2濃度を、原料ガス１１中のＣＯ2濃度よりも高めることが可能なため、第１膜分離器１３Ａの第１透過ガス１４Ａとして、非ＣＯ2ガス成分の混入量の低い高純度なＣＯ2ガスを得ることができる。
この結果、濃縮ＣＯ2として分離する第１膜分離器１３Ａの第１透過ガス１４Ａへの非ＣＯ2ガス成分（例えばメタン）混入量が少なくなるので、第１非透過ガス１５Ａ中の非ＣＯ2ガス成分である例えばメタンの原料ガスからの回収率を高めることができる。
図６は、実施例４に係るガス中のＣＯ2分離装置を備えた油随伴ガスからのＣＯ2分離システムの概略図である。なお、実施例３の油随伴ガスからのＣＯ2分離システムの構成部材と同一の部材には同一符号を付して、その説明は省略する。
図６に示すように、本実施例に係る油随伴ガスからのＣＯ2分離システム１００Ｂは、原油（含随伴ガス）５１を搾油する生産井５２と、原油５１から油５３と原料ガス１１となる随伴ガスと水５４とに各々分離するセパレータ５５と、実施例２の第１膜分離器１３Ａ及び第２膜分離器１３Ｂを備えたガス中のＣＯ2分離装置１０Ｄと、第２膜分離器１３Ｂからの第２非透過ガス１５Ｂ中に残存するＣＯ2をさらに分離するＣＯ2分離設備６０とを備えている。
そして、原料ガス１１又は第１透過ガス１４Ａ中のＣＯ2濃度を求め、求めたＣＯ2濃度が所定値以下の場合（原料ガス１１の場合には、例えば１０ｍｏｌ％以下、第１透過ガス１４Ａの場合には、例えば８０ｍｏｌ％以下）、第２膜分離器１３Ｂの膜分離後の第２透過ガス１４Ｂ、第１膜分離器１３Ａの膜分離後の第１透過ガス１４Ａ及びＣＯ2分離設備６０からの分離ガス６８を、ＣＯ2回収ラインＬ6から分岐されたＣＯ2回収分岐ラインＬ7に介装された第六弁Ｖ16を開き、原料ガス１１側にリサイクルするようにしている。
本実施例に係る油随伴ガスからのＣＯ2分離システム１００Ｂによれば、再生塔６３から放散された分離ガス６８であるＣＯ2を、原料ガス１１に添加するようにしているので、原料ガス１１中のＣＯ2の分離効率を向上させることができる。
以上により、ＣＯ2を不純物として含む原料ガス１１中のＣＯ2を高度除去するとともに、高純度なＣＯ2を回収ＣＯ2として得ることができる。
図７は、実施例５に係るガス中のＣＯ2分離装置を備えた油随伴ガスからのＣＯ2分離システムの概略図である。なお、実施例４の油随伴ガスからのＣＯ2分離システムの構成部材と同一の部材には同一符号を付して、その説明は省略する。
図７に示すように、本実施例に係る油随伴ガスからのＣＯ2分離システム１００Ｃでは、第２透過ガス１４Ｂのリサイクルの有無の判断をＣＯ2濃度により管理している。
先ず、本実施例では、第１透過ガス１４Ａ中のＣＯ2濃度をＣＯ2計１９Ｂにより求める。求めたＣＯ2濃度が、例えばＣＯ2ガスが９０ｍｏｌ％を超える場合には、第２透過ガス１４Ｂのリサイクルをしないという判断をする。
第１透過ガス１４ＡにおいてＣＯ2濃度を判断するのは、分離膜１３ａの劣化度合いを考慮する点と、製品要求の回収ＣＯ2のＣＯ2濃度に適合しているかを判断する点からである。
すなわち、第１透過ガス１４ＡのＣＯ2濃度（純度）の所望値は、回収ＣＯ2の適用先で異なる。例えば９０ｍｏｌ％で良い場合や、９２ｍｏｌ％以上とする場合等である。
このように、第１膜分離器１３Ａ及び第２膜分離器１３ＢによりＣＯ2が濃縮された第１及び第２透過ガス１４Ａ、１４Ｂ中のＣＯ2濃度をＣＯ2計１９Ｂ、１９Ｃで測定し、所望のＣＯ2純度を満足している場合には、原料ガス１１への第１、第２透過ガス１４Ａ、１４Ｂ及び再生塔６３で回収された分離ガス６８の原料ガス１１へのリサイクル量を減ずる或いはリサイクルを行わないことにより、ＣＯ2濃縮ガスの原料ガス１１へのリサイクルに要する圧縮動力の増加を防止する。
この結果、本実施例では、所望値の回収ＣＯ2濃度となる場合には、原料ガス１１への第１、第２透過ガス１４Ａ，１４Ｂ及び再生塔６３で回収された分離ガス６８の原料ガス１１へのリサイクル量を減ずる或いはリサイクルを行わないことにより、無用なリサイクルは行わない操業を実施することができる。
ここで、下記［表４］に、本実施例のように原料ガス１１に第２透過ガス１４Ｂをリサイクルさせない場合のＣＯ2分離効率を示す。
Figure 2016093767
この試験例では、ＣＯ2濃度が３０ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度７０ｍｏｌ％の原料ガス１１を用いて膜分離した。
試験例４の場合には、図７に示すように、圧縮器１２の上流側の原料ガス１１に第２透過ガス１４Ｂを戻していない。この結果、第１膜分離器１３Ａ透過側の第１透過ガス１４ＡのＣＯ2濃度は９２．８ｍｏｌ％、第２膜分離器１３Ｂ透過側の第２透過ガス１４ＢのＣＯ2濃度は９０．７ｍｏｌ％となる。また、ＣＯ2吸収塔６１の出口の精製ガス６６のＣＯ2濃度は０．４ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度は９９．６ｍｏｌ％となり、再生塔６３出口の分離ガス６８のＣＯ2濃度は１００ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度は０ｍｏｌ％となり、この結果ＣＨ4回収率は９６．３％となる。
図８は、ガス中のＣＯ2分離装置を備えた油随伴ガスからのＣＯ2分離システムの概略図である。なお、実施例４の油随伴ガスからのＣＯ2分離システムの構成部材と同一の部材には同一符号を付して、その説明は省略する。
図８に示すように、本実施例に係る油随伴ガスからのＣＯ2分離システム１００Ｄは、原油（含随伴ガス）５１を搾油する生産井５２と、原油５１から油５３と原料ガス１１となる随伴ガスと水５４とに各々分離するセパレータ５５と、実施例２の第１膜分離器１３Ａ及び第２膜分離器１３Ｂを備えたガス中のＣＯ2分離装置１０Ｄと、第２膜分離器１３Ｂからの第２非透過ガス１５Ｂ中に残存するＣＯ2をさらに分離するＣＯ2分離設備６０と、原料ガス１１中のＣＯ2濃度を計測するＣＯ2計１９Ａと、第１膜分離器１３Ａの上流側に設けられ、原料ガス１１中のＣＯ2濃度に応じて、原料ガス１１中のＣＯ2を分離し、所定濃度のＣＯ2ガス濃度とした原料ガス１１を得る分離膜１３ｃを有する第３膜分離器１３Ｃと、を備えている。
ここで、原料ガス１１中のＣＯ2濃度は、採掘する生産井５２からの原油５１中の随伴ガスの成分により大きく変動する場合がある。
長年（例えば１０年、２０年以上）の経年変化により、原油５１中の随伴ガス中のＣＯ2が大幅に増加する場合がある。特に、ＣＯ2をＣＯ2 ＥＯＲとして油田等に戻した場合に、増加の傾向がみられる場合がある。
更には、複数の生産井５２からの原料ガス１１を集中し、この混合された原料ガス１１からＣＯ2を選択的に分離する場合、ＣＯ2濃度が極端に変動する場合がある。
本実施例では、このような場合の対策として、第１膜分離器１３Ａに供給する原料ガス１１中のＣＯ2濃度を所定濃度に調整するために、圧縮器１２と第１膜分離器１３Ａとの間に、前処理用の第３膜分離器１３Ｃを設け、ＣＯ2濃度が所定濃度（３０ｍｏｌ％以下）となる第３非透過ガス１５Ｃを得るように調整している。
これにより、第１膜分離器１３Ａに導入する原料ガス１１の濃度を、実施例５と同等の濃度とすることができる。
これにより、ＣＯ2濃度が高い場合の第２分離膜１３ｂで分離できない余分なＣＯ2がアミン吸収法のＣＯ2分離設備６０に導入することを防止できる。
すなわち、ＣＯ2分離設備６０では導入するＣＯ2濃度が設計初期において規定されており、これを超える場合には、処理できず、ＣＯ2分離設備６０の増設が必要となる。
本実施例では、前処理用の第３膜分離器１３Ｃを設けることで、これを解消することができる。
この結果、原料ガス１１の組成変動や流量変動があるような場合にも、適切に対応できる。
本実施例では、主にＣＯ2流量が時間的に変化することで原料ガス１１の流量が増加した場合に、原料ガス１１の圧縮器１２の後流に追設の前処理用の第３膜分離器１３Ｃを必要に応じた段数設置するようにしている。これにより、原料ガス１１の流量増加分に相当するＣＯ2ガスを追設の前処理用の第３膜分離器１３Ｃで高純度な濃縮ＣＯ2として取り出した後に、流量の減じた原料ガス１１を、実施例４と同様に第１膜分離器１３Ａに供給する。
以上により、ＣＯ2を不純物として含む原料ガス中のＣＯ2を高度除去するとともに、高純度なＣＯ2を得ることができる。
よって、追設の第３膜分離器１３Ｃの設置により、大幅なＣＯ2分離プロセスの変更を行わずに、原料ガス１１中のＣＯ2量増加に伴う原料ガス流量増加時において、膜分離器以降のＣＯ2分離設備６０を改造せずに、処理ガス量増加に伴う性能不足を補うことが可能となる。
ここで、下記［表５］に、本実施例のように原料ガス１１からＣＯ2を分離する場合のＣＯ2分離効率を示す。
Figure 2016093767
この試験例では、ＣＯ2濃度が４９．５ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度５０．５ｍｏｌ％の原料ガス１１を用いて膜分離した。
試験例５の場合には、図８に示すように、圧縮器１２を通過した原料ガス１１を第３膜分離器１３Ｃに通過させている。この結果、第３膜分離器１３Ｃの透過側の第３透過ガス１４ＣのＣＯ2濃度は９６．７ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度は３．３ｍｏｌ％となり、第３膜分離器１３Ｃの非透過側の第３非透過ガス１５ＣのＣＯ2濃度は３０ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度は７０ｍｏｌ％となる。
また、第１膜分離器１３Ａの透過側の第１透過ガス１４ＡのＣＯ2濃度は９２．８ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度は７．２ｍｏｌ％、第２膜分離器１３Ｂの透過側の第２透過ガス１４ＢのＣＯ2濃度は９０．７ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度は９．３ｍｏｌ％となる。また、ＣＯ2吸収塔６１の出口の精製ガス６６のＣＯ2濃度は、０．４ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度は９９．６ｍｏｌ％となり、再生塔６３出口の分離ガス６８のＣＯ2濃度は１００ｍｏｌ％、ＣＨ4濃度は０ｍｏｌ％となり、この結果ＣＨ4回収率は９４．４％となる。
図９は、本実施例に係る他のガス中のＣＯ2分離装置を備えた油随伴ガスからのＣＯ2分離システムの概略図である。
図９のガス中のＣＯ2分離装置を備えた油随伴ガスからのＣＯ2分離システム１００Ｅでは、第３膜分離器１３ＣをバイパスラインＬ31に介装している。このバイパスラインＬ31には、第七弁Ｖ17が設けられ、原料ガス導入ラインＬ11には、第八弁Ｖ18が設けられている。
ガス中のＣＯ2分離装置の膜分離管理を行う場合には、原料ガス１１中のＣＯ2を監視し、ＣＯ2濃度が所定量以上に増加したと判断した場合、第七弁Ｖ17を開放し、第八弁Ｖ18を閉じることで、圧縮器１２を通過後の原料ガス１１を第３膜分離器１３Ｃに導入し、ここでＣＯ2を分離し、原料ガス中のＣＯ2を所定濃度の第３非透過ガス１５Ｃとなるように調整している。
よって、本実施例によれば、原料ガス１１の各々の濃度に応じて、実施例４乃至６によるＣＯ2分離を実施することができる。さらに原料ガス１１中のＣＯ2濃度が高い場合には、バイパスラインＬ31側に切り替えて、圧縮器１２を通過後の原料ガス１１を第３膜分離器１３Ｃに導入し、ここでＣＯ2を分離し、所定濃度となるように調整してＣＯ2の膜分離をすることができる。
これにより、濃縮ＣＯ2ガスの純度に応じて、原料ガス１１への濃縮ＣＯ2ガスのリサイクル量を調整することができると共に、ＣＯ2濃度が増大した場合においても任意の対応も可能となる。
１０Ａ〜１０Ｄ ガス中のＣＯ2分離装置
１１ 原料ガス
１２ 圧縮器
１３Ａ〜１３Ｃ 第１〜第３膜分離器
１３ａ〜１３ｃ 分離膜
１４Ａ〜１４Ｃ 第１〜第３透過ガス
１５Ａ〜１５Ｃ 第１〜第３非透過ガス
１００Ａ〜１００Ｅ 油随伴ガスからのＣＯ2分離システム

Claims (12)

  1. ＣＯ2を含む原料ガスを導入する原料ガス導入ラインと、
    前記原料ガス導入ラインの端部が接続され、前記原料ガスからＣＯ2を膜分離する第１膜分離器と、
    前記第１膜分離器の膜分離で透過した第１透過ガスを排出する第１透過ガス排出ラインと、
    前記第１膜分離器の膜分離で透過されない第１非透過ガスを排出する第１非透過ガス排出ラインと、
    前記第１膜分離器の下流側に設けられ、第１非透過ガスからＣＯ2を膜分離する第２膜分離器と、
    前記第２膜分離器の膜分離で透過した第２透過ガスを排出する第２透過ガス排出ラインと、
    前記第２透過ガス排出ラインの一部から分岐し、第２透過ガスを、前記原料ガス又は前記第１非透過ガスに戻す第２透過ガスの戻しラインと、を備えることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置。
  2. 請求項１において、
    前記第１透過ガス中のＣＯ2濃度を求め、所定値以下の場合、第２透過ガスを原料ガス側にリサイクルすることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置。
  3. 請求項１において、
    原料ガス中のＣＯ2濃度を求め、所定値以下の場合、第２透過ガスを原料ガス側にリサイクルすることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
    前記第１透過ガス排出ラインの一部から分岐し、第１透過ガスを原料ガスに戻す第１透過ガスの戻しラインを備えることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
    前記原料ガス又は前記第１透過ガス又は第２透過ガス中のＣＯ2濃度を計測するＣＯ2濃度計を備えることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置。
  6. 請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
    前記原料ガス中のＣＯ2濃度を計測するＣＯ2濃度計と、
    前記第１膜分離器の上流側に設けられ、前記原料ガス中のＣＯ2濃度に応じて、原料ガス中のＣＯ2を分離し、所定濃度のＣＯ2ガス濃度とした原料ガスを得る前処理用の第３膜分離器と、を備えることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれか一つにおいて、
    前記原料ガス導入ラインに介装され、導入された原料ガスを圧縮する圧縮器を、第１膜分離器の上流側に備えることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれか一つにおいて、
    前記第２透過ガス排出ラインの一部から排出される第２非透過ガス中のＣＯ2をさらに分離するＣＯ2分離設備と、
    前記ＣＯ2分離設備で分離したＣＯ2ガスを、前記原料ガス又は前記第１非透過ガスに戻すＣＯ2ガスの戻しラインと、を備えることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置。
  9. ＣＯ2を含む原料ガスからＣＯ2を選択的に分離する分離膜を有する膜分離器を直列に２段設け、
    １段目の第１膜分離器の膜分離で透過されない第１非透過ガスを２段目の第２膜分離器で膜分離するに際し、
    前記原料ガス又は前記第１膜分離器の膜分離後の第１透過ガス中のＣＯ2濃度を求め、
    求めたＣＯ2濃度が所定値以下の場合、
    第２膜分離器の膜分離後の第２透過ガスを、原料ガス側にリサイクルすることを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置の膜分離方法。
  10. 請求項９において、
    さらに、前記第１膜分離器での膜分離後の第１透過ガスを原料ガスに戻すことを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置の膜分離方法。
  11. 請求項９又は１０において、
    前記第２非透過ガス中のＣＯ2をさらにＣＯ2分離設備で分離し、
    前記ＣＯ2分離設備で分離したＣＯ2ガスを、前記原料ガス又は前記第１非透過ガスに戻すことを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置の膜分離方法。
  12. ＣＯ2を含む原料ガスからＣＯ2を選択的に分離する分離膜を有する第１及び第２膜分離器を直列に２段設け、
    １段目の第１膜分離器の膜分離で透過されない第１非透過ガスを２段目の第２膜分離器で膜分離するに際し、
    前記原料ガス中のＣＯ2濃度を求め、
    前記原料ガス中の求めたＣＯ2濃度が所定値以上の場合、
    前記原料ガス中のＣＯ2を前処理用の第３膜分離器で膜分離し、前記第３膜分離器で膜分離されない第３非透過ガスを、
    第１膜分離器に導入して、ＣＯ2を選択的に分離することを特徴とするガス中のＣＯ2分離装置の膜分離管理方法。
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