JP2022107005A - ガス分離のためのプロセスおよび機器 - Google Patents

Abstract

【課題】低メンテナンスコストでのガス混合物の分離のための機器を提供する。【解決手段】２つの膜分離段階の相互連結からなり、各段階は、１つまたは複数の物理的ガス分離モジュールからなり、これらのモジュールは、１つの段階内で並列および／または直列に、直接的にまたは間接的に接続される。当該機器は、両方とも膜分離段階である、供給ストリーム分離段階（１）と未透過物分離段階（２）とからなり、この場合、第一未透過ストリーム（７）は、当該未透過物分離段階（２）に導入される前に、供給ストリーム（５）の温度より高い温度に加熱され、ならびに当該未透過物分離段階（２）に使用される膜の総能力は、当該供給ストリーム分離段階（１）に使用される膜の総能力より高い。本発明のプロセスおよび機器は、低循環流により、比較的高い純度において透過ガスおよび未透過ガスの両方を得ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、低投資および低メンテナンスコストにおいてガス混合物を分離するためのプ
ロセスおよび機器に関する。

一般的に、ガス混合物は、個々のガスの異なる透過率（ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ）に
基づいて、ガス分離膜によって分離できることが知られている。ある場合では、そのよう
なガス分離膜を製造するため、中空糸膜または平膜を得るためにポリマーが加工される。
当該膜は、当該膜の透過係数（ｐｅｒｍｅａｎｃｅ）が可能な限り大きくなるような非常
に薄い分離層によって特徴付けられる。

新規の膜材料と同様に、膜を接続する様々な方法が先行技術において調査されている。
ガスを分離するための、一連の一段階または多段階膜相互接続が文献において知られてい
る。一例として、ここでは、以下の参考文献を挙げることができる：Ｂａｋｅｒ，Ｉｎｄ
ＥｎｇＣｈｅｍＲｅｓ，Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｍ
ｅｍｂｒａｎｅｓ，４７（２００８）、Ｂｈｉｄｅ ＭｅｍＳｃｉ，Ｈｙｂｒｉｄ ｐｒ
ｏｃｅｓｓｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ ａｃｉｄ ｇａｓｅｓ ｆｒ
ｏｍ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ，１９９８、Ｈｈｅｎａｒ，ＭｅｍＳｃｉ Ａｐｐｌｉｃ
ａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａｒｄｏ－ｔｙｐｅ ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ（ＰＩ） ａｎｄ ｐｏ
ｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ（ＰＰＯ） ｈｏｌｌｏｗ，２００８、欧州特許第
０６０３７９８号、欧州特許第０６９５５７４号、米国特許第５，７５３，０１１号、欧
州特許第１６３４９４６号、欧州特許第０５９６２６８号、米国特許第６，５６５，６２
６号（Ｂ１）、米国特許第６，１６８，６４９号（Ｂ１）、および欧州特許第０７９９６
３４号。当該特定のプロセスは、それらが一部において複数の再圧縮ステップを含むか、
あるいは高純度の透過ガスのみまたは高純度の未透過ガスのみのどちらかしか達成できな
いという欠点を有する。

国際公開第２０１２／００７２７号、国際公開第２０１３／０９８０２４号、国際公開
第２０１４／０７５８５０号、韓国登録特許第１０－１３２７３３７号、韓国登録特許第
１０－１３２７３３８号、米国特許第６，５６５，６２６号（Ｂ１）、米国特許第６，１
６８，６４９号（Ｂ１）、特開２００９－２４２７７３号（Ａ）、それぞれは、３つの膜
分離段階による膜分離プロセスを開示しており、この場合、段階３からの未透過ストリー
ムおよび段階２からの透過ストリームは、粗ガスストリームへとリサイクルされる。国際
公開第２０１２／００７２７号、国際公開第２０１３／０９８０２４号および国際公開第
２０１４／０７５８５０号は、これらプロセスの全ての中で最も最適化されたものを表し
ている。当該特許には、最も低いエネルギー消費と併せて生成物純度を考慮して最適化さ
れる機器およびプロセスが記載されている。換言すれば、これらのプロセスは、エネルギ
ー最適化された方法において、２つの高純度生成物ストリームを提供する。

しかしながら、近年、先行技術の機器およびプロセスでは十分には解決されない新たな
問題が生じている。その問題は、いくつかのガス分離プラントが、エネルギーの非常に安
価な場所で稼働されているということである。そのような立地では、分離プラントの稼働
の焦点は、エネルギー節約よりもむしろ投資およびメンテナンスコストに置かれている。
この問題に対する十分な解決策は、先行技術において見出されていない。

したがって、本発明の目的は、先行技術の欠点を、たとえあったとして、ある程度低減
する、ガス混合物の分離および精製のための機器およびプロセスを提供することであった
。

より詳細には、比較的高い純度（例えば、少なくとも９５体積％、好ましくは少なくと
も９７体積％の純度）において、透過ガスと未透過ガスの両方を得ることができるプロセ
スおよび機器が提供されるべきである。

さらなる特定の目的において、これらのプロセスおよび機器は、コスト、特に投資およ
びメンテナンスコストにおいて有利であるべきである。とりわけ、膜のような消耗材料の
コストは、可能な限り低くあるべきである。

次の特定の目的では、任意の所望のガス混合物に対して、最大限に普遍的に使用するこ
とができるプロセス／機器が提供されるべきである。より詳細には、それらは、バイオガ
スおよび天然ガスの生産において得られるガスストリーム、または水、水素、硫化水素な
どのガスの存在下において二酸化炭素およびメタンを含むガスストリームを、分離するこ
とができなければならない。

本発明のさらなる特定の目的は、同じスループットにおいて先行技術のプロセスと比べ
てメタン放出が少ない、したがって、この強力な地球温暖化ガスによる環境汚染が少ない
、メタン含有粗ガスストリームの精製を可能にするプロセスまたは機器を提供することで
ある。

さらなる目的は、特に明記はされないが、下記の特許請求の範囲、説明、実施例、およ
び図の内容全てから明白である。

ここで驚くべきことに、請求項１に記載のプロセスおよび請求項２に記載の機器が、複
数のコンプレッサーを必要とすることなく、それぞれ他の方法による透過ストリームまた
は未透過ストリームのさらなる精製を行うことなく、比較的純粋な透過ストリームおよび
未透過ストリームを提供することができることが見出された。したがって、本発明の機器
は、比較的高純度の透過ストリームおよび未透過ストリームを同時に達成することを可能
にする。実施例に示されているように、当該新規のプロセスは、従来のプロセス、特に国
際公開第２０１２／００７２７号と比較して、同様の純度の結果物を得るために、全体的
に非常に低い膜能力で作動させることができる。したがって、消耗品であり時々交換しな
ければならない膜に対するコストが、かなり削減された。

本発明の発明者らは、驚くべきことに、国際公開第２０１２／００７２７号において開
示される三段階膜分離より最適な投資およびメンテナンスコストが存在することを見出し
た。これは、供給ストリーム分離段階（１）と未透過物分離段階（２）とからなる二段階
プロセスまたは機器において、
・分離段階（１）の総膜能力と比較した場合の、未透過物分離段階（２）の総膜能力の
増加
・それとの組み合わせにおいて、未透過物分離段階（２）に導入される前に、第一未透
過ストリーム（７）の温度を供給ストリーム（５）の温度より高い温度に上げることによって、実現することができる。

当該実施例は、国際公開第２０１２／００７２７号に勝る投資およびメンテナンスコス
トの向上を示している。

したがって、本発明は、請求項１～１３において権利請求されるような、および下記の
説明、実施例、および図１において詳細に定義されるような、プロセス、機器、およびそ
れらの使用を提供する。

本発明による膜モジュールの例示的接続配置を示す図である。

本発明について以下においてより詳細に説明する前に、いくつかの重要な用語を定義す
る。

膜能力は、本発明において使用される場合、標準条件下において窒素（グレード４．８
）に対して特定される、膜の表面積と作動温度での膜の透過係数による積として定義され
る。標準条件は、以下の測定方法のセクションで詳細に説明する。膜表面積は、それぞれ
、巨視的に視認される膜の外側表面である膜領域である。その特定のために、当該膜が孔
を有さないこと、および当該外部表面が均質で平坦であることが想定される。換言すれば
、平坦な膜の膜表面積は、当該平坦なシートの長さと幅の積として計算され、中空糸膜の
膜表面は、当該中空糸の長さと外部円周の積として計算される。

同一の材料の膜が、異なる分離段階で作動されている場合、および作動温度が同一であ
る場合、それらの透過係数は同じである。結果として、２つの分離段階で使用される膜能
力の比率は、膜表面積の比率に相関する。しかしながら、異なる材料による膜が、異なる
段階で使用される場合、および／または異なる膜が、１つの段階で使用される場合、およ
び／または異なる温度が、異なる段階で使用される場合、当該能力の比率は、通常、膜表
面積の比率とは異なる。そのような「混合系」も、本発明の範囲であるため、当該「膜能
力」は、「膜表面積」の代わりに特徴を区別する場合に使用される。

本発明では、ある分離段階で２つ以上の膜を使用することも可能である。したがって、
１段階あたりの総膜能力を計算しなければならず、それは、その段階で使用される全ての
個々の膜能力の合計である。

透過係数は、膜を通過する、単位時間、面積、圧力差あたりの材料のフローとして定義
される。一方、透過率は、膜を通る、単位時間、面積、圧力差、および層の厚さあたりの
材料のフローとして定義される。

膜を特徴付けるために本発明において使用されおよび権利請求される、選択性なる用語
は、各場合において、膜が２種または多種のガス混合物を分離するために使用されるか否
かに関係なく、純ガスの選択性である。中空糸膜の場合の選択性は、２種の純ガスの透過
係数の商として計算され、したがって、当該膜が、２つの成分に関してガス混合物をいか
に良く分離することができるかを表している。平坦なシートの膜の場合、選択性は、透過
係数の代わりに、２種の純ガスの透過率を使用して計算される。

透過物は、膜、膜モジュール、または膜分離ステップの低圧側で得られるストリーム全
体を意味する。透過ガスは、各場合において、膜、膜モジュール、または膜分離ステップ
において、それぞれの供給ストリームに対して透過ストリームで濃縮された成分を意味す
る。

未透過物は、膜、膜モジュール、または膜分離ステップの高圧側で得られる、当該膜を
通過しなかったストリーム全体を意味する。

未透過ガスは、各場合において、膜、膜モジュール、または膜分離ステップにおいて、
それぞれの供給ストリームに対して未透過ストリームで濃縮された成分を意味する。

粗ガスまたは粗ガス混合物または粗ガスストリーム（１７）は、それぞれ、本発明のプ
ロセスおよび／または機器を使用して分離されるガス混合物のストリームに対する、２種
以上のガスによるガス混合物を意味する。用語「粗ガス」および「原料ガス」は、本発明
において同意語として使用される。

供給ストリーム（５）は、供給ストリーム分離段階（１）に供給されるガスストリーム
を意味する。このストリームは、それぞれ、原料ガスストリーム（１７）、本発明のプロ
セスまたは機器の作動の開始時にコンプレッサー（４）によって圧縮された原料ガススト
リーム（１７）に対応し得る。場合により、当該原料ガスは、さらなる圧縮、またはそれ
以外の方法、例えば、膜分離段階の透過側における真空装置またはフラッシングガス（ｆ
ｌｕｓｈｉｎｇ ｇａｓ）ストリームなど、による追加の駆動力の発生がなくても、膜に
対して必要な駆動力を生じるのに十分な圧力を既に有している供給源から供給される。し
かしながら、ほとんどの場合、本発明のプロセスおよび機器は、供給ストリーム分離段階
（１）の上流におけるコンプレッサーおよび／または透過ストリームの少なくとも１つに
おける少なくとも１つの真空装置を使用するか、または駆動力を生じるように構成される
。

第二透過ストリーム（９）のリサイクルの後、供給ストリーム（５）は、粗ガスストリ
ーム（１７）および第二透過ストリーム（９）のガスで構成される。この場合、供給スト
リーム（５）は、ストリーム（９）を未圧縮の粗ガスストリーム（１７）と混合すること
、またはストリーム（９）を、圧縮された粗ガスストリーム（１７）と混合すること、ま
たはストリーム（９）をコンプレッサー内において粗ガスストリーム（１７）と混合する
ことのいずれかによって、生成され得る。上記において説明される混合手順の組み合わせ
および明確には述べられていない代替手段も、本発明によって包含される。

供給ストリーム分離段階（１）は、供給ストリーム（５）を第一透過ストリーム（６）
および第一未透過ストリーム（７）へと分離するための膜分離段階を意味する。

未透過物分離段階（２）は、第一未透過ストリーム（７）を第二透過ストリーム（９）
および第二未透過ストリーム（８）へと分離するための膜分離段階を意味する。

本明細書において以下に説明される、本発明によるプロセスの好ましい特定の実施形態
および好ましい特定の好適な設計ならびに図面および図面の説明は、ここでは、本発明の
単なる説明目的のさらなる解明を提供するために使用されるのであり、すなわち、本発明
は、これらの例示的実施形態および使用方法または個々の例示的実施形態内の特徴の特定
の組み合わせに限定されるものではない。

具体的な例示的実施形態との関連において示されるおよび／または表される個々の特徴
は、これらの例示的実施形態、またはこれらの例示的実施形態の他の特徴との組み合わせ
に制限されるものではなく、技術的に可能である場合、任意の他の変形例（たとえそれら
が本明細書において別々に説明されていなくても）と組み合わせることができる。

個々の図および図面の描画における同一の参照記号は、同一または同様の構成要素、あ
るいは同一のまたは同様の方法において機能する同一のまたは同様の構成要素を意味する
。当該図面の描写は、その後説明されるか否かに関係なく、参照記号を用いない特徴も例
示する。その一方で、本説明に含まれるが図面において可視的でない、または描かれてい
ない特徴も、当業者には、容易に明らかである。

本発明のプロセスは、ガスを分離するためのプロセスであり、
供給ストリーム分離段階（１）と、未透過物分離段階（２）と、
任意選択により、供給ストリーム分離段階（１）の上流に配置されたコンプレッサー（
４）、ならびに／あるいは、供給ストリーム分離段階（１）および／または未透過物分離
段階（２）における少なくとも１つの透過ストリームに配置された、少なくとも１つの真
空装置、好ましくは真空ポンプまたは送風機（１５）（これは、図に示されていない）と
、からなる、本発明の一部である機器において実施され、
この場合、
当該第二透過ストリーム（９）は、供給ストリーム（５）に供給され、
当該供給ストリーム分離段階（１）および当該未透過物分離段階（２）は、膜分離段階
である。

コンプレッサーまたは真空装置が必要かどうかの問題は、原料ガスの供給源の圧力に依
存し得る。その圧力が、十分な駆動力を確保するのに既に十分に高い場合、すなわち、膜
に対する分圧差が十分に高い場合、さらなる駆動力を生じる装置は必要ない。

本発明の位置実施形態において、フラッシングガスストリーム、好ましくは透過側のフ
ラッシングガスストリームは、必要な分圧差を生じるために、単独において、または他の
装置と組み合わせて使用される。

供給ストリーム分離段階（１）は、少なくとも２種の成分を含む供給ストリーム（５）
を、第一透過ストリーム（６）および第一未透過ストリーム（７）へと分離する。当該未
透過物分離段階（２）は、第一未透過ストリーム（７）を第二透過ストリーム（９）およ
び第二未透過ストリーム（８）へと分離する。当該第二透過ストリーム（９）は、供給ス
トリーム（５）に供給される。

本発明のプロセスおよび機器は、第二未透過ストリーム（８）が、最初の生成物として
取り出され得るか、またはさらに処理され得るように構成される。第二未透過ストリーム
（８）を廃棄することも可能だが、それは、第一透過ストリーム（６）が生成物として回
収されるかまたはさらに処理される場合に限る。同様に、第一透過ストリーム（６）は、
第二生成物として取り出され得るか、またはさらに処理され得る。しかしながら、第一透
過ストリーム（６）も廃棄してもよいが、それは、第二未透過ストリーム（８）が、所望
の生成物であり、回収されるかまたはさらに処理される場合に限る。

本発明のプロセスおよび機器は、以下のように特徴付けられる：
第一未透過ストリーム（７）は、未透過物分離段階（２）に導入される前に、供給スト
リーム（５）より高い温度に加熱され、
当該プロセスおよび機器は、下記の測定方法のセクションにおいて定義されるような標
準条件下においてグレード４．８の窒素に対して測定した場合の、未透過物分離段階（２
）において使用された総膜能力が、下記の測定方法のセクションにおいて定義されるよう
な標準条件下においてグレード４．８の窒素に対して測定した場合の、供給ストリーム分
離段階（１）において使用された総膜能力より高くなるように、構成される。

本発明のプロセスおよび機器は、未透過ガスストリームおよび透過ガスストリームを、
比較的高純度において同時に製造することを可能にする。ただし、所望の場合、１つのガ
スストリームのみを高純度において単離する融通性も提供する。国際公開第２０１２／０
００７２７号による三段階プロセスおよび従来の二段階プロセスと比較して、本発明のプ
ロセスおよび機器は、全ての分離段階に対して合計で必要とされる膜能力を減じることを
可能にする。したがって、投資コストおよび特にメンテナンスコストを著しく削減するこ
とができる。

総膜能力において達成された低減が、稼働コストを増加させ得る、２つの膜分離段階の
間における加熱手順のエネルギー消費によってもたらされることは認められるべきである
。
したがって、本発明のプロセスおよび機器は、とりわけ、エネルギー、すなわち、稼働
コストが非常に安価であり投資コストおよびメンテナンスコストが重要な問題であるよう
な、プラント立地のために設計される。

本発明により、当該ガス分離膜は、好ましくは、少なくとも３０、好ましくは少なくと
も３５、より好ましくは少なくとも４０、さらにより好ましくは少なくとも４５、とりわ
け好ましくは少なくとも４５から８０の、成分ＡおよびＢの純粋ガス選択性（＝当該膜を
通るストリームＢに対するストリームＡの比率）を有する。より高い選択性の膜は、分離
がより効率的になり、未透過物分離段階（２）からリサイクルされなければならない透過
物がより少ないという利点を有する。したがって、特に、一段階コンプレッサー（４）の
使用の場合、少ないガスしか２回圧縮する必要がなく、これは、プラントの稼働において
経済的利点を伴う。４５の選択性を有する高い選択性膜モジュールの場合、粗ガスとして
供給ストリーム分離段階（１）に導入されたガスのおよそ３５％しか、２回圧縮する必要
がなく、１０だけの選択性を有する膜モジュールでは、二重圧縮が最大で３００％までで
あることは事実であり得る。３５％および３００％の数字は、等モル量の成分ＡおよびＢ
（＝供給）を有するガス混合物を適用した場合に、段階（２）の未透過ガス中に９８．５
％の成分Ｂが存在し、段階（３）の未透過ストリーム中に９９％の成分Ｂが存在するとい
う、実験に基づいている。好ましくは、当該ガス分離膜は、以下のガス対：二酸化炭素お
よびメタン、水素およびメタン、一酸化炭素およびメタン、ヘリウムおよびメタン、ヘリ
ウムおよび窒素、水素および一酸化炭素、二酸化炭素および炭化水素、窒素および炭化水
素、に対して、上記において定義される純粋ガス選択性を有する。

前に言及したように、本発明のプロセスおよび機器は、第一未透過ストリーム（７）が
、未透過物分離段階（２）に導入される前に、供給ストリーム（５）の温度より高い温度
に加熱されるように構成される。

稼働コストにおける上記において説明した増加を抑制するために、第一未透過ストリー
ム（７）は、未透過物分離段階（２）に導入される前に、供給ストリーム（５）の温度よ
り５℃から５０℃、好ましくは１０℃から３０℃高い温度に加熱されることが好ましい。
供給ストリーム（５）の温度が、供給ストリーム分離段階（１）に導入される前に、１５
℃から４５℃の範囲、好ましくは２０℃から３５℃の範囲であることはさらに好ましい。

稼働コストを節約する代替方法は、第二透過ストリーム（９）においてリサイクルされ
るガス量の制御であろう。したがって、本発明のプロセスおよび機器は、好ましくは、第
二透過ストリーム（９）においてリサイクルされるガスの量が、粗ガスストリーム（１７
）の総体積の４０体積％未満、より好ましくは３０体積％未満となるように構成されるべ
きである。リサイクルされるガスストリームの体積は、例えば、膜分離段階（１）から（
２）におけるそれぞれの膜モジュールの選択によって、または当該システムにおける圧力
によって、またはフローによって制御することができる。

本発明の場合、供給ストリーム分離段階（１）の膜能力より高い、未透過物分離段階（
２）における総膜能力との組み合わせにおいて、当該２つの膜分離段階の間の加熱手順が
適用されることが重要である。これは、全ての分離段階が同一の膜能力を有する国際公開
第２０１２／０００７２７号とは対照的である。当該説明において定義されるような標準
条件下においてグレード４．８の窒素に対して測定した場合の、供給ストリーム分離段階
（１）において使用される膜の総膜能力に対する、当該説明において定義されるような標
準条件下においてグレード４．８の窒素に対して測定した場合の、未透過物分離段階（２
）において使用される膜の総膜能力の比率は、１．０５から１０、特に好ましくは１．１
から８、より好ましくは１．２から７、最も好ましくは１．５から６の範囲であることが
好ましい。

本発明のプロセスで使用される本発明の機器について、それぞれ、ここでより詳細に説
明する。

一例として図１に示される本発明の機器は、２つの膜分離段階の相互連結からなる。各
段階は、１つまたは複数の物理的ガス分離モジュールからなり、これらのモジュールは、
１つの段階内で並列および／または直列に、直接的にまたは間接的に接続される。当該モ
ジュールにおけるガス分離のための駆動力は、それぞれの膜分離段階における、未透過側
と透過側との間に生じる透過ガスの分圧差である。前に言及したように、当該駆動力は、
原料ガスストリーム（１７）が十分な圧力を有する場合、それぞれ、原料ガスストリーム
（１７）自体、供給ストリーム（５）、すなわち、組み合わされた原料ガスストリーム（
１７）、ならびにリサイクルストリーム（９）によって発生させることができる。しかし
ながら、ほとんどの場合、当該分圧差は、供給ストリーム分離段階の上流、すなわち、供
給ストリーム分離段階（１）の供給側、に配置されたコンプレッサー（４）、ならびに／
あるいは供給ストリーム分離段階（１）、および／または未透過物分離段階（２）の少な
くとも１つの透過ストリームに配置された、少なくとも１つ、好ましくは１つまたは２つ
、の真空装置（１５）（図１には示されていない）のどちらかによって生じるであろう。
好ましくは、真空装置（１５）は、未透過物分離段階（２）の透過側における第二透過ス
トリーム（９）に位置される。１つまたは複数の膜分離段階で、パージガスストリーム、
好ましくは透過側パージガスストリームによって分圧差を生じさせるかまたは高めること
は、有利であり得る。

本発明の好ましい構成において、コンプレッサー（４）は、粗ガスストリーム（１７）
あるいは、粗ガスストリーム（１７）と、第二透過ストリーム（９）の全体または一部と
の混合物を、１ｂａｒから１００ｂａｒの範囲の所望の圧力、好ましくは５ｂａｒから８
０ｂａｒの圧力、特に好ましくは１０ｂａｒから７０ｂａｒに加圧する。当該圧縮された
ストリームは、供給ストリーム（５）を表すか、あるいは、コンプレッサー（４）の下流
において、第二透過ストリーム（９）の全体または一部と組み合わされて、供給ストリー
ム（５）を形成する。

本発明の機器またはプロセスの作動開始時における原料ガスストリーム（１７）、また
は供給ストリーム（５）は、供給ストリーム分離段階（１）へと導入され得る。しかしな
がら、本発明のプロセスおよび機器は、原料ガスストリーム（１７）、および／または供
給ストリーム（５）、および／または原料ガスストリーム（１７）と最終供給ストリーム
（５）の間の中間段階におけるストリームが、供給ストリーム分離段階（１）の上流で前
処理を受けるように構成することもできる。好ましい前処理ステップは、精製ステップで
あり得、特に好ましいのは、脱湿ステップまたは脱硫ステップであり得る。供給ストリー
ム分離段階（１）の上流における前処理ステップのいくつかの選択肢は、当技術分野にお
いて既知であり、当業者によって当該プロセスまたは機器に容易に追加することができる
。例えば、韓国登録特許第１０－１３２７３３７号および韓国登録特許第１０－１３２７
３３８号には、そのようなステップが記載されている。したがって、これらの文献は、参
照によりその全体が本明細書に組み入れられる。

供給ストリーム分離段階（１）で、主に第一段階の透過物中へと通過する、より容易に
透過する成分（透過ガスＡ）と、膜によって支配的に保持され、未透過物で濃縮される、
迅速には透過しない成分（未透過ガスＢ）とへの、供給ストリーム（５）のガス混合物の
予備分離が得られる。

本発明によるプロセスまたは機器は、好ましくは、第二透過ストリーム（９）のリサイ
クルの後に、供給ストリーム分離段階（１）の少なくとも１種の透過ガスの濃度が、各場
合において、粗ガスストリーム（１７）における濃度と比較して、供給ストリーム（５）
において、好ましくは少なくとも２体積％、特に好ましくは２体積％から４０体積％、よ
り好ましくは２体積％から３０体積％、最も好ましくは３体積％から２５体積％増加され
るように構成される、という点において注目に値する。当該増加は、粗ガスストリーム（
１７）の成分に依存し得、ならびに透過ガスの低濃度（１０体積％から２０体積％）の場
合に特に高い。好ましくは、透過ガスのうちの１種の濃度における増加は、それぞれ、粗
ガスストリーム（１７）における透過ガスの含有量が２５体積％から７５体積％の間の場
合には、２体積％から４０体積％の間、より好ましくは４体積％から２５体積％の間であ
り、粗ガスストリーム（１７）における透過ガスの含有量が２５体積％から５５体積％の
場合には、９体積％から２５体積％の間である。これは、プロセス全体における未透過ガ
スの収量が増加し、結果として、供給ストリーム分離段階（１）における透過ガスの濃度
が増加した場合に未透過ガスの損失が減少するためである。

精製される供給ストリーム（５）における成分Ａまたは透過ガスＡの５０％の濃度に対
する分離段階での削減は、１０％から６０％の間、好ましくは１５％から５５％の間、よ
り好ましくは１０％から５０％の間である。したがって、本発明の特に好ましい実施形態
において、本発明によるプロセスおよび機器は、供給ストリーム分離段階（１）での供給
ストリーム（５）における透過ガスの含有量が、第二透過ストリーム（９）のリサイクル
の後に、供給ストリーム（５）の体積に対して、４０体積％以上、好ましくは４５体積％
以上であるように構成される。

これは、既に説明されているように、供給ストリーム（５）における透過ガスの濃度が
増加することにより、供給ストリーム分離段階（１）の効率が高まり、それにより、未透
過ガスＢが第一透過ストリーム（６）中を通過する量が減少するという結果を生じる。と
りわけ、メタン含有粗ガスの分離の場合、これは、気候に有害な、メタンの望ましくない
放出を著しく減少させるという便宜をもたらす。

一般的に、供給ストリーム分離段階（１）で、成分Ａまたは透過ガスＡの好ましくは２
０％から１００％、より好ましくは４０％から７０％が、供給ストリーム（５）から透過
物へと移されると言える。

好ましくは、供給ストリーム分離段階（１）は、９０％を超える、より好ましくは９５
％を超える、成分Ａまたは透過ガスＡの含有量を有する透過物を生成する。第一透過スト
リーム（６）において濃縮される透過ガスは、本発明の機器またはプロセスからの生成物
として回収することができる。あるいは、それらはさらに処理することができ、例えば、
さらに精製、または改質、または他のガスと混合、または液化することができる。そのよ
うな技術は当技術分野において周知であり、そのような技術と本発明のプロセスおよび機
器との組み合わせも、本発明の一部である。例えば、韓国登録特許第１０－１３２７３３
７号；韓国登録特許第１０－１３２７３３８号、および特開２００９－２４２７７３号（
Ａ）には、本発明のプロセスと組み合わせることができる、第一透過ストリーム（６）の
さらなる処理のためのプロセスが開示されている。

特に好ましい実施形態において、本発明のプロセスおよび機器は、粗ガスストリーム（
１７）によって当該機器に導入された、供給ストリーム分離段階（１）の未透過成分Ｂの
１０％以下、好ましくは５％以下が、第一透過ストリーム（６）に含まれるように構成さ
れる。

供給ストリーム分離段階（１）の未透過物は、第一未透過ストリーム（７）によって未
透過物分離段階（２）へと供給され、そこで精密精製が行われる。未透過物分離段階（２
）の未透過側に、すなわち、第二未透過ストリーム（８）に、好ましくは背圧調節バルブ
（１３）が存在し、それにより、当該システムにおける主圧力（分離段階（１）および（
２）の作動圧力＝段階（１）および（２）の未透過物圧力）を維持することができ、なら
びに一定に保つことができる。容易には透過しない成分または未透過ガスＢの含有量は、
未透過物分離段階（２）においてさらに増加し、それにより、第二未透過ストリーム（８
）における成分Ｂまたは未透過ガスＢの含有量は、９０％を超え、好ましくは９５％を超
え、より好ましくは９７％を超え得る。したがって、特に好ましい変形例において、本発
明によるプロセスおよび機器は、粗ガスストリーム（１７）によって当該機器中へと導入
された、供給ストリーム分離段階（１）の未透過成分の少なくとも９５％、好ましくは少
なくとも９７％が、第二未透過ストリーム（８）において得られる、という点において注
目に値する。

前に言及したように、第二未透過ストリーム（８）は、さらに処理することができ、例
えば、さらに精製、または改質、または他のガスと混合、または液化することができるこ
とが可能である。そのような技術は当技術分野において周知であり、そのような技術と本
発明のプロセスおよび機器との組み合わせも、本発明の一部である。

原料ガスストリーム（１７）における、５０体積％の成分Ａと、５０体積％の成分Ｂと
からなるガス混合物の場合、未透過物分離段階（２）の段カットは、好ましくは１０％か
ら８０％の間、より好ましくは３０％から７０％の間である。

第二透過ストリーム（９）は、リサイクルされ、供給ストリーム（５）へ供給され、再
処理される。これは、既に上記で説明したように、様々な方法で行うことができ、ならび
に、例えば、コンプレッサー（４）またはさらに多段階コンプレッサー（４）が使用され
るかどうかに依存し得る。一段階コンプレッサー（４）の場合、ストリーム（９）は、好
ましくは、コンプレッサー（４）の吸引側に供給される（図１を参照）。多段階コンプレ
ッサーが使用される場合、ストリーム（９）は、２つの圧縮段階の間のコンプレッサーへ
と導入されることが好ましい。好ましい実施形態において、ストリーム（９）は、総減圧
なしに、コンプレッサー（４）における高圧縮段階へとリサイクルされ、および／または
第二段階の透過物は、コンプレッサー（４）における高圧縮段階へとリサイクルされる。

供給圧力を減圧する場合、未透過物分離段階（２）は、概して、選択性を限定された範
囲で作動されるであろうことから、第二透過ストリーム（９）を、単に、多段階圧力増加
ユニット、すなわち、多段階コンプレッサー（４）でより高い圧力レベルへと減圧するこ
とは賢明であるが、それは、このことが分離結果を明確に悪化させることなく圧縮ユニッ
トの作動コストを減らすためである。したがって、本発明の特に好ましい実施形態では、
多段階コンプレッサー（４）が使用され、ガスストリーム（９）が、２つの圧縮段階の間
においてこのコンプレッサーに供給される。

本発明の機器またはプロセスは、原則として、２成分ガス混合物または多ガス混合物を
分離することができる全ての膜によって実践することができる。使用される膜材料は、好
ましくはポリマーであるが、これらに限定されるわけではない。分離活性膜における有用
なポリマーは、より好ましくは、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアラミド、ポリ
ベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミド、ポ
リスルホン、酢酸セルロースおよび誘導体、ポリフェニレンオキシド、ポリシロキサン、
微多孔性ポリマー、混合マトリックス膜、促進輸送膜、ポリエチレンオキシド、ポリプロ
ピレンオキシド、炭素膜、またはゼオライト、あるいはそれらの混合物である。

特に好ましい膜は、分離活性層のための材料として、または完全膜のための材料として
、モノマーユニットＡおよびＢ：

を含み、この場合、０≦ｘ≦０．５および１≧ｙ≧０．５であり、Ｒは、ラジカルＬ１、
Ｌ２、Ｌ３、およびＬ４：

からなる群より選択される１つまたは複数の、同一のまたは異なるラジカルに対応する。

ｘ＝０、Ｙ＝１、およびＲが、６４ｍｏｌ％のＬ２、１６ｍｏｌ％のＬ３、および２０
ｍｏｌ％のＬ４であるポリマーを使用することが特に好ましい。このポリマーは、Ｐ８４
またはＰ８４タイプ７０の名前でＥｖｏｎｉｋ Ｆｉｂｒｅｓ ＧｍｂＨから入手可能で
ある（ＣＡＳ番号９０４６－５１－９）。特に好ましい別のポリマーは、ｘ＝０．４、ｙ
＝０．６、およびＲが、８０ｍｏｌ％のＬ２および２０ｍｏｌ％のＬ３である組成を有す
るポリマーである。このポリマーは、Ｐ８４ＨＴまたはＰ８４ＨＴ３２５の名前でＥｖｏ
ｎｉｋ Ｆｉｂｒｅｓ ＧｍｂＨから入手可能である（ＣＡＳ番号１３４１１９－４１－
８）。上記のポリイミドの混合物を使用することも、同様に好ましい。

当該好ましいポリイミドで作製された膜は、Ｓｅｐｕｒａｎの名前でＥｖｏｎｉｋ Ｆ
ｉｂｒｅｓ ＧｍｂＨから入手可能である。これらの好ましい膜を製造するプロセスは、
国際公開第２０１１／００９９１９号Ａ１において開示されている。この公開公報におい
て開示される膜は、常に、本発明のプロセスにおいて好ましく使用することができる。純
粋に繰り返しを避けるため、この特許出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組
み入れられる。これらの膜が、非常に良好な分離結果をもたらすことが見出された。

当該膜は、好ましくは、中空糸膜および／または平膜の形態において使用される。当該
膜は、モジュールへと組み立てられ、分離作業で使用される。使用されるモジュールは、
先行技術において既知の全てのガス分離モジュール、例えば、中空糸ガス分離モジュール
、渦巻き型ガス分離モジュール、クッションガス分離モジュール、管束ガス分離モジュー
ルであり得るが、これらに限定されるわけではない。

本発明によるプロセスおよび機器は、多くの用途に対して透過ストリーム（６）および
／または未透過ストリーム（８）の任意の追加の精製を必要とし得ないであろうという、
特定の利点を有する。例えば、バイオガスまたは天然ガスの精製の場合（＝メタンからの
二酸化炭素の除去）、未透過物の精密精製のための圧力スイング吸着またはアミンスクラ
ビングをもはや必要とせず、そのため、それらを天然ガス配管網へと供給することができ
る。それでもなお、上記において言及したように、追加の精製または追加の処理ステップ
を、本発明のプロセスまたは機器の後に後続させてもよい。前に言及したように、ストリ
ーム（６）および（８）のさらなる処理を必要としないという事実は、そのようなステッ
プを本発明の範囲から除外するものではない。

本発明のプロセスおよび機器を使用することにより、バイオガスおよび天然ガスの精製
において、同時に、比較的純粋な未透過ストリーム（８）と比較的純粋な透過ストリーム
（６）とを製造することができる。したがって、メタンの大きな損失なく、および環境に
大きな悪影響を及ぼすことなく、熱併給発電所での燃焼または利用の後に触媒または熱に
よってガスをさらに処理する必要なく、二酸化炭素を大気中に放出することができる。し
たがって、さらなる工場設備における資本支出を必要とせず、それにより、バイオガスお
よび天然ガスのためのより経済的な精製プロセスがもたらされる。

さらなる利点としては、本発明のプロセスおよび機器は、従来の機器およびプロセスよ
りはるかに低いレベルでの機器の複雑さしか必要としないということが考えられる。

特に、２つの膜分離段階の間の加熱手順における本発明の特徴と、供給ストリーム分離
段階（１）に比べて未透過物分離段階（２）における膜能力の増加との組み合わせにより
、先行技術のプロセスと比較して投資および特にメンテナンスコストに関してはるかに優
れるプロセスまたは機器を提供することができる。

本発明によるプロセスまたは機器は、とりわけ、バイオガスまたは天然ガスまたは空気
あるいは以下：二酸化炭素とメタン、水素とメタン、一酸化炭素とメタン、ヘリウムとメ
タン、ヘリウムと窒素、水素と一酸化炭素、１気圧で１１０ケルビン未満の沸点を有する
永久気体と１気圧で１１０ケルビン以上の沸点を有する非永久気体、二酸化炭素と炭化水
素、または窒素と炭化水素、を含む他のガス混合物の分離のために使用することができる
。

図
図１は、本発明による膜モジュールの例示的接続配置を示しており、この場合、数字は
、以下のアイテムを意味する：
１：供給ストリーム分離段階
２：未透過物分離段階
４：一段階または多段階コンプレッサー
５：供給ストリーム
６：第一透過ストリーム
７：第一未透過ストリーム
８：第二未透過ストリーム
９：第二透過ストリーム
１２：加熱器
１７：粗ガスストリーム

測定方法：
膜の選択性
ガス透過率は、ｂａｒｒｅｒ（１０^－１０ｃｍ^３・ｃｍ^－２・ｃｍ・ｓ^－１・ｃｍＨｇ
^－１）という単位で報告される。ガスに対する中空糸膜の透過係数は、ＧＰＵ（Ｇａｓ
Ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ、１０^－６ｃｍ^３・ｃｍ^－２・ｓ^－１・ｃｍＨｇ^－１）
という単位で報告される。

平膜
平膜の選択性を特定するために、純ガスに対する透過率を、圧力上昇法によって測定す
る。１０μｍから７０μｍの間の厚さの平坦なシート状フィルムに、片面から純ガスを適
用した。反対側、すなわち透過側を、試験の開始時に真空にする（およそ１０^－２ｍｂａ
ｒ）。次いで、経時における透過側の圧力上昇を記録する。

ポリマーの透過率は、以下の式：

によって計算することができ、この場合、
Ｐ…透過率。単位：ｂａｒｒｅｒ（１０^１０ｃｍ^３・ｃｍ^－２・ｃｍ・ｓ^－１・ｃｍＨｇ
^－１）
Ｖ_ｄｅａｄ…透過側の体積。単位：ｃｍ^３
ＭＷ_ｇａｓ…ガスのモル質量。単位：ｇ・ｍｏｌ^－１
ｌ…フィルムの厚さ。単位：ｃｍ
ρ…ガスの密度。単位：ｇ・ｃｍ^－３
Ｒ…気体定数。単位：ｃｍ^３・ｃｍＨｇ・Ｋ^－１・ｍｏｌ^－１
Ｔ…温度（室温、約２３℃）。単位：ケルビン
Ａ…フィルムの面積（約１２ｃｍ^２）。単位：ｃｍ^２
Δｐ…供給側と透過側の間の圧力差。単位：ｃｍＨｇ
ｄｐ／ｄｔ…透過側の時間あたりの圧力上昇。単位：ｃｍＨｇ・ｓ^－１
である。

様々なガスのペアに対する本発明による平膜の選択性は、純ガスの選択性である。それ
らは、以下：

のように純ガスの透過率の比率から計算され、この場合、
Ｓ…純ガスの選択性
Ｐ_１…ガス１の透過率
Ｐ_２…ガス２の透過率
である。

中空糸膜
中空糸の透過係数を、体積上昇法を使用して測定する。このために、一定圧力での透過
側における流束（標準温度および標準圧力）を測定する。中空糸の場合、分離層の厚さが
不明であるため、透過係数Ｐ／ｌを測定する必要がある。透過係数は、以下の式：

によって計算され、この場合、
Ｐ／ｌ…ＧＰＵ（Ｇａｓ Ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ、１０^－６ｃｍ^３・ｃｍ^－２
・ｓ^－１・ｃｍＨｇ^－１）での透過係数
Ｑ… ｃｍ^３（ＳＴＰ）／ｓでの透過側のガス流束
Ｒ…ｃｍ^３・ｃｍＨｇ・Ｋ^－１・ｍｏｌ^－１での気体定数
Ｔ…ケルビンでの温度（室温、約２３℃）
Ａ．_… ｃｍ^２での中空糸の膜表面積、すなわち、上記で定義される外部面積（６０ｃｍ
^２から８０ｃｍ^２の間）
Δｐ…ｃｍＨｇでの供給側と透過側の間の圧力差
である。

様々なガスのペアに対する本発明による中空糸膜の選択性は、純ガスの選択性である。
それらは、以下：

のように純ガスの透過係数から計算され、この場合、
Ｓ…純ガスの選択性
Ｐ_１…ガス１の透過係数
Ｐ_２…ガス２の透過係数
である。

以下の実施例は、本発明を詳細に例示し、説明することを意図するものであり、いかな
る方法においてもそれを制限するものではない。

膜能力
計算方法ならびに基準ガスおよび標準条件を以下に説明する。

中空糸膜
中空糸膜（ＨＦＭ）の膜能力を、以下：
能力_{（ＨＦＭ）}＝透過係数_{（ＨＦＭ）}＊表面積_{（ＨＦＭ）}
のように計算し、この場合、透過係数_{（ＨＦＭ）}を以下の標準条件下：
基準ガス：窒素、グレード４．８
温度：選択性を計算するために透過係数測定に対して上記で適用した室温の代わりに、能
力計算では、膜の平均作動温度で透過係数を特定し、この温度は、通常、分離段階の作動
温度である
未透過物圧力：１１ｂａｒａ
透過物圧力：１．１ｂａｒａ
で試験し、ならびに、表面積_{（ＨＦＭ）}は、本開示における定義のセクションで定義され
る外部膜表面積に相関する。

平膜：
平膜（ＦＭ）の膜能力は、以下：
能力_（ＦＭ）＝透過係数_（ＦＭ）＊表面積_（ＦＭ）
のように計算し、この場合、透過率_（ＦＭ）は、以下の標準条件下：
基準ガス：窒素、グレード４．８
温度：選択性を計算するために透過率測定に対して上記で適用した室温の代わりに、能力
計算では、膜の平均作動温度で透過率を特定し、この温度は、通常、分離段階の作動温度
である
未透過物圧力：１１ｂａｒａ
透過物圧力：１．１ｂａｒａ
で試験する。

次いで、当該透過率をＦＭの厚さで割ることによって透過係数を計算する。当該表面積
_（ＦＭ）は、本開示における定義のセクションで定義される外部膜表面積に相関する。

以下に提供される実施例は、より深い理解のために本発明をより詳細に例示することを
意図するものである。それらは、いかなる方法においても本発明の範囲を限定すると解釈
してはならない。

全ての実施例および比較例において、膜能力は、窒素（グレード４．８）に関するもの
であり、上記において説明した標準条件下で測定した。

シミュレーションの概説：
当該シミュレーションは、以下の前提：
・定常状態
・理想気体
・膜モジュールにおける理想的な向流
・粘度効果なし（未透過フローまたは透過フローにおいて圧力損失がない）
・スイープガスなし
・各分離段階内で一定温度。なお、特に記載しない限り、実施例における全ての分離段
階は、同じ温度で作動される。
に基づく。

当該シミュレーションは、以下のように行う：
シミュレーションに必要な方程式を導き出すために、膜（二重点線）によって分離され
る２つのフローチャネルによる以下のスキームを使用した。Ｎ_Ｆｉは、当該膜の高圧側に
おける成分ｉのモルフローである。Ｎ_Ｐｉは、当該膜の低圧側における成分ｉのモルフロ
ーである。このスキームに関して、当該膜に入る供給は、当該膜に入る全てのモル成分フ
ローＮ_Ｆｉ（ｚ＝０）の合計である。結果として、当該膜を出る未透過物フローは、全て
のモル成分フローＮ_Ｆｉ（ｚ＝Ｌ）の合計である。膜を出る透過物フローは、全てのモル
成分フローＮ_Ｐｉ（ｚ＝０）の合計である。透過物出口の反対側で当該膜に入るスイープ
フローはないので、これらのモル成分フローＮ_Ｐｉ（ｚ＝Ｌ）はゼロに設定される。

当該膜を通る成分ｉの局所モルフローは、モル透過係数Ｐ_ｉ、膜面積Ｕｄｚおよび、そ
の局所駆動力の積である。ここで、局所駆動力とは、供給側と透過側の間の分圧の局所的
差である。ｐ_Ｆおよびｐ_Ｐは、供給圧力および透過物圧力である。供給側または透過側に
おける成分ｉの局所モル濃度は、成分ｉの局所モル供給フローまたは未透過フローを全て
の局所モル成分フローの合計で割ることにより導き出すことができる。これにより、以下
の一連の式を導き出すことができる。

上記で説明した境界条件を含めることにより、当該方程式をソフトウェアＡｓｐｅｎ
Ｃｕｓｔｏｍ Ｍｏｄｅｌｅｒ（ＡＣＭ）によって解いたが、ＭＡＴＬＡＢ、ＭａｔｈＣ
ａｄのような他のソフトウェアも使用することができる。

実施例１
ポリイミド膜による、６０対４０の混合比のメタンおよび二酸化炭素の混合物の分離
図１に示した接続配置を使用した。各段階は、Ｅｖｏｎｉｋ Ｆｉｂｒｅｓ ＧｍｂＨ
製の中空ポリイミド繊維（Ｓｅｐｕｒａｎ（登録商標） Ｇｒｅｅｎ ４インチ、１．２
メートル長）からなる中空糸膜モジュールからなった。使用した膜は、メタンに対する二
酸化炭素の５０の純粋ガス選択性を示した。

供給分離段階（１）が１２の膜モジュールからなり、未透過物分離段階（２）が２４の
膜モジュールからなるシミュレーションにより、１０００ｍ^３／ｈのバイオガス品質向上
プロセスが達成された。全ての膜モジュールは、同一の膜面積と、標準条件下においてＮ
_２グレード４．８に対する同一の透過係数とを有する。したがって、未透過物分離段階（
２）の膜の総能力は、供給ストリーム分離段階（１）より２倍高い。

定常状態に達した後、粗ガス（１７）および第二未透過ストリーム（９）を含む供給ス
トリーム（５）は、１３ｂａｒに圧縮され、２５℃に調整され、次いで、供給ストリーム
分離段階（１）へと送られる。その後、供給ストリーム分離段階（１）の未透過ストリー
ム（７）は、加熱器（１２）によって５０℃に加熱され、次いで、未透過物分離段階（２
）へと送られた。未透過物分離段階（２）の未透過側の背圧調整バルブ（１３）を１３ｂ
ａｒに設定し、したがって、膜分離段階（１）および（２）の膜による駆動力を決定した
。

供給分離段階（１）の透過物は、４．４％のメタンおよび９５．７％の二酸化炭素の含
有量を有した。この混合物の４０１ｍ^３／ｈは、オフガスとして供給分離段階（１）を去
った。未透過物分離段階（２）の未透過物は、９７．３％のメタンおよび２．７％の二酸
化炭素の含有量を有した。この混合物の５９８ｍ^３／ｈは、生成ガスとして未透過物分離
段階（２）を去った。未透過物分離段階（２）の透過物は、３０．９％のメタン含有量お
よび６９．１％の二酸化炭素含有量を伴う２８４ｍ^３／ｈの体積流量を有しており、第二
透過ストリーム（９）を経て混合室へとリサイクルされ、コンプレッサー（４）によって
再び圧縮された。

以下の表１は、プロセスパラメータおよび結果を示している。

比較例１
未透過ストリーム（７）が加熱されないことを除いて、実施例１と同様に実施した。以
下の表２は、プロセスパラメータおよび結果を示している。

比較例１は、結果として、実施例１と比べてより低いメタン純度を生じ、このことは、
供給ストリーム分離段階（１）と未透過物分離段階（２）との間の加熱手順が、未透過物
分離段階（２）の未透過ストリームのメタン純度を高めることを示している。

比較例２
未透過ストリーム（７）の代わりに供給ストリーム（５）を５０℃に加熱することを除
いて、実施例１と同様に実施した。以下の表３は、プロセスパラメータおよび結果を示し
ている。

比較例２は、結果として、実施例１と比べてより低いメタン収率を生じ、このことは、
メタン収率に関して、供給ストリーム分離段階（１）と未透過物分離段階（２）との間の
加熱手順が、供給ストリーム分離段階（１）の上流での加熱手順より良好であることを示
している。

比較例３
供給ストリーム分離段階（１）および未透過物分離段階（２）が同じ膜能力を有するこ
とを除いて、実施例１と同様に実施した。以下の表４は、プロセスパラメータおよび結果
を示している。

比較例３は、結果として、実施例１と比べてより低いメタン収率を生じ、このことは、
供給ストリーム分離段階（１）に比べて未透過物分離段階（２）のより高い膜能力が、結
果として、より良好なメタン収率を生じることを示している。さらに、それは、第一透過
ストリーム（６）中の二酸化炭素の純度が低下することを示している。したがって、唯一
生成物としてまたは第二の純粋生成物として第一透過ストリーム（６）を除去することが
所望される場合、リサイクルストリーム（９）に対する当該能力の効果により、未透過物
分離段階（２）における増加したより高い膜能力を有する実施例１は、著しく良好な結果
を提供する。

比較例４
供給ストリーム分離段階（１）の未透過ストリーム（７）を加熱せず、未透過物分離段
階（２）の膜能力を調節することを除いて、実施例１と同様に実施した。

当該未透過物分離段階が３４の膜モジュールからなるまで、シミュレーションを行い、
実施例１と同様のメタン純度および収率を有する、１０００ｍ^３／ｈのバイオガス品質向
上プロセスが達成された。以下の表５は、プロセスパラメータおよび結果を示している。

実施例１および比較例４は、結果として、まったく同じメタンの純度および収率を生じ
た。しかしながら、実施例１は、未透過物分離段階（２）に対して、はるかに少ない膜モ
ジュール（能力）しか必要としていない。

比較例５
レファレンスのために、国際公開第２０１２／００７２７号の図１２による三段階プロ
セスをシミュレートし、その場合、各段階は、同じ膜能力を有した。この比較例において
使用した膜モジュールは、実施例１と同じであった。

比較例５は、以下の点において実施例１と異なった：
１）第一未透過ストリーム（７）を加熱しなかった
２）第一透過ストリーム（６）は第三膜段階へと導入された
３）第三未透過ストリーム（１０）および第二透過ストリーム（９）は、混合室へと一
緒にリサイクルされ、コンプレッサー（４）によって再び圧縮された
４）第三透過ストリーム（１１）は、オフガスとして取り出された

各分離段階が２３の膜モジュールからなるまで、シミュレーションを行い、実施例１の
メタン純度を有する１０００ｍ^３／ｈのバイオガス品質向上プロセスが達成された。以下
の表６は、プロセスパラメータおよび結果を示している。

比較例５は、結果として、実施例１と比較してわずかに高いメタン収率を生じたが、膜
モジュールの総数（膜能力）は、実施例１の膜モジュールの総数（膜能力）のほぼ２倍で
あり、このことは、実施例１が、投資およびメンテナンスコストにおいて非常に有利であ
ることを示している。

実施例２
ポリイミド膜による、６０対４０の混合比のメタンおよび二酸化炭素の混合物の分離
図１に示す接続配置を使用した。各段階は、Ｅｖｏｎｉｋ Ｆｉｂｒｅｓ ＧｍｂＨ製
の中空ポリイミド繊維（Ｓｅｐｕｒａｎ（登録商標）Ｇｒｅｅｎ ４インチ、１．２メー
トル長）からなる中空糸膜モジュールからなった。使用した膜は、メタンに対する二酸化
炭素の４０の純粋ガス選択性を示した。

供給分離段階が１１の膜モジュールからなり、未透過物分離段階が２５の膜モジュール
からなるシミュレーションにより、１０００ｍ^３／ｈのバイオガス品質向上プロセスが達
成された。全ての膜モジュールは、同一の膜面積と、標準条件下においてＮ_２グレード４
．８に対する同一の透過係数とを有する。したがって、未透過物分離段階（２）の膜の総
能力は、供給ストリーム分離段階（１）より２．２７倍高い。

定常状態に達した後、粗ガス（１７）および第二未透過ストリーム（９）を含む供給ス
トリーム（５）は、１３ｂａｒに圧縮され、２５℃に調整され、次いで、供給ストリーム
分離段階（１）へと送られる。その後、供給ストリーム分離段階（１）の未透過ストリー
ム（７）は、加熱器（１２）によって５０℃に加熱され、次いで、未透過物分離段階（２
）へと送られた。未透過物分離段階（２）の未透過側の背圧調整バルブ（１３）を１３ｂ
ａｒに設定し、したがって、膜分離段階（１）および（２）の膜による駆動力を決定した
。

供給分離段階（１）の透過物は、４．８％のメタンおよび９５．２％の二酸化炭素の含
有量を有した。この混合物の４０４ｍ^３／ｈは、オフガスとして供給分離段階（１）を去
った。未透過物分離段階（２）の未透過物は、９７．４％のメタンおよび２．６％の二酸
化炭素の含有量を有した。この混合物の５９６ｍ^３／ｈは、生成ガスとして未透過物分離
段階（２）を去った。未透過物分離段階（２）の透過物は、３１．３％のメタン含有量お
よび６８．７％の二酸化炭素含有量において３５９ｍ^３／ｈの体積流量を有しており、第
二透過ストリーム（９）によって混合室へとリサイクルされ、コンプレッサー（４）によ
って再び圧縮した。

以下の表７は、プロセスパラメータおよび結果を示している。

実施例３
ポリイミド膜による、８０対２０の混合比のメタンおよび窒素の混合物の分離
８０ｍｏｌ％のメタンおよび２０ｍｏｌ％の窒素の天然ガスに対して、メタンに対する
窒素の４の混合ガス選択性および５．８の純粋ガス選択性を有する膜、４４の膜モジュー
ルの供給分離段階（１）、および１００の膜モジュールの未透過物分離段階（２）により
、実施例１と同様にシミュレーション計算を行った。

以下の表８は、プロセスパラメータおよび結果を示している。

比較例６
未透過ストリーム（７）が加熱されないことを除いて、実施例３と同様に実施した。比
較例６は、米国特許第６，５６５，６２６号の実施例１６に対応する。

以下の表９は、プロセスパラメータおよび結果を示している。

比較例６は、結果として、実施例３と比べてより低いメタン純度を生じ、このことは、
供給ストリーム分離段階（１）の未透過物を、未透過物分離段階（２）に供給する前に加
熱する工程が、未透過物分離段階（２）の未透過ストリームのメタン純度を高めることを
示している。

Claims (19)

1. 供給ストリーム分離段階（１）と、未透過物分離段階（２）と、からなり、
   該供給ストリーム分離段階（１）は、少なくとも２種の成分を含む供給ストリームを、第一透過ストリーム（６）および第一未透過ストリーム（７）へと分離し、該未透過物分離段階（２）は、該第一未透過ストリーム（７）を、第二透過ストリーム（９）および第二未透過ストリーム（８）へと分離し、
   該第一透過ストリーム（６）は、生成物として取り出されるか、またはさらに処理されるか、あるいは該第二未透過ストリーム（８）が取り出されるかまたは処理される場合、廃棄することもでき、
   該第二未透過ストリーム（８）は、第一生成物として取り出されるか、またはさらに処理されるか、あるいは該第一透過ストリーム（６）が取り出されるかまたはさらに処理される場合、廃棄することもでき；ならびに、
   該第二透過ストリーム（９）は、該供給ストリームに供給され、
   該供給ストリーム分離段階（１）および該未透過物分離段階（２）は、膜分離段階である、ガスを分離するための機器であって、
   加熱器（１２）が、該供給ストリーム分離段階（１）と該未透過物分離段階（２）との間に配置され、
   該未透過物分離段階（２）において使用される、グレード４．８の窒素を基準ガスとし、未透過物圧力１１ｂａｒ及び透過物圧力１．１ｂａｒの条件下（標準条件下）で測定した場合の膜の表面積と作動温度での膜の透過係数による積として定義される該膜の総膜能力が、グレード４．８の窒素を基準ガスとし、未透過物圧力１１ｂａｒ及び透過物圧力１．１ｂａｒの条件下（標準条件下）で測定した場合の、該供給ストリーム分離段階（１）において使用される該膜の総膜能力より高いことを特徴とする、機器。
2. コンプレッサー（４）が、該供給ストリーム分離段階の上流に配置され、ならびに／あるいは、少なくとも１つの真空装置が該供給ストリーム分離段階（１）および／または該未透過物分離段階（２）における少なくとも１つの透過ストリームに配置されることを特徴とする、請求項１記載の機器。
3. 標準条件下で測定した場合の、前記供給ストリーム分離段階（１）において使用される前記膜の総膜能力に対する、標準条件下で測定した場合の、前記未透過物分離段階（２）において使用される前記膜の総膜能力の比率は、１．０５から１０の範囲であることを特徴とする、請求項１又は２記載の機器。
4. 標準条件下で測定した場合の、前記供給ストリーム分離段階（１）において使用される前記膜の総膜能力に対する、標準条件下で測定した場合の、前記未透過物分離段階（２）において使用される前記膜の総膜能力の比率は、１．１から８の範囲であることを特徴とする、請求項３記載の機器。
5. 標準条件下で測定した場合の、前記供給ストリーム分離段階（１）において使用される前記膜の総膜能力に対する、標準条件下で測定した場合の、前記未透過物分離段階（２）において使用される前記膜の総膜能力の比率は、１．２から７の範囲であることを特徴とする、請求項３記載の機器。
6. 標準条件下で測定した場合の、前記供給ストリーム分離段階（１）において使用される前記膜の総膜能力に対する、標準条件下で測定した場合の、前記未透過物分離段階（２）において使用される前記膜の総膜能力の比率は、１．５から６の範囲であることを特徴とする、請求項３記載の機器。
7. 少なくとも前記供給ストリーム分離段階（１）において、少なくとも３０の純粋ガス選択性を有するガス分離膜が使用されることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項記載の機器。
8. 少なくとも前記供給ストリーム分離段階（１）において、少なくとも３５の純粋ガス選択性を有するガス分離膜が使用されることを特徴とする、請求項７記載の機器。
9. 少なくとも前記供給ストリーム分離段階（１）において、少なくとも４０の純粋ガス選択性を有するガス分離膜が使用されることを特徴とする、請求項７記載の機器。
10. 少なくとも前記供給ストリーム分離段階（１）において、少なくとも４５から８０の純粋ガス選択性を有するガス分離膜が使用されることを特徴とする、請求項７記載の機器。
11. 前記膜の分離活性層のために使用される材料が、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリアラミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾイミダゾール、ポリスルホン、酢酸セルロース、酢酸セルロース誘導体、ポリフェニレンオキシド、ポリシロキサン、マイクロポーラスポリマー、混合性マトリックス膜、促進輸送膜、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、またはポリイミドであることを特徴とする、請求項１～１０のいずれか一項記載の機器。
12. 前記膜の分離活性層のために使用される材料が、下記のモノマーユニットＡおよびＢ：
    

    

    ［式中、０≦ｘ≦０．５および１≧ｙ≧０．５であり、Ｒは、下記の基Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、およびＬ４：
    

    

    
    からなる群より選択される１つまたは複数の、同一のまたは異なる基に対応する］からなるポリイミドであることを特徴とする、請求項１１記載の機器。
13. 多段階コンプレッサーが使用され、
    および／または、
    前記第二透過ストリーム（９）が、２つの圧縮段階の間において該コンプレッサーに導入されることを特徴とする、請求項２～１２のいずれか一項記載の機器。
14. 前記膜が、中空糸膜からなることを特徴とする、請求項１～１３のいずれか一項記載の機器。
15. 前記未透過物分離段階（２）の未透過物圧力は、１ｂａｒから１００ｂａｒに調節されることを特徴とする、請求項１～１４のいずれか一項記載の機器。
16. 前記未透過物分離段階（２）の未透過物圧力は、５ｂａｒから８０ｂａｒに調節されることを特徴とする、請求項１５記載の機器。
17. 前記未透過物分離段階（２）の未透過物圧力は、１０ｂａｒから７０ｂａｒに調節されることを特徴とする、請求項１５記載の機器。
18. 前記未透過物分離段階（２）の未透過物圧力は、前記第二未透過ストリーム（８）における背圧調整バルブによって調節されることを特徴とする、請求項１５～１７のいずれか一項記載の機器。
19. 前記分離のために使用される駆動力は、それぞれの膜分離段階における未透過側と透過側との間の透過ガスに対する分圧差であり、該分圧差が、前記供給ストリームにおけるコンプレッサーによって、ならびに／あるいは前記第二透過ストリームにおける真空装置によって、ならびに／あるいは透過側におけるフラッシングガスストリームによって、発生されることを特徴とする、請求項１～１８のいずれか一項記載の機器。

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