JP2646321B2

JP2646321B2 - 膜酸素方法及び系

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Publication number: JP2646321B2
Application number: JP4317952A
Authority: JP
Inventors: ラビ・プラサド
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1991-11-05
Filing date: 1992-11-04
Publication date: 1997-08-27
Anticipated expiration: 2012-08-27
Also published as: MX9206344A; EP0547355B1; AR248122A1; KR930009641A; BR9204274A; CN1072105A; CN1032518C; TW225510B; DE69211823D1; EP0547355A1; JPH05221608A; DE69211823T2; CA2082114A1; US5185014A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】発明は膜ガス分離に関する。一層
特には、発明は空気から酸素、或は酸素冨化空気を生産
するために膜を使用することに関する。

【０００２】

【従来技術】酸素ガスは産業全体にわたって広く使用さ
れている有用な商品である。酸素を生産する慣用の手段
は空気を極低温蒸留することによるものである。極低温
蒸留は、大規模生産するためには、極めて効率的であり
かつ高純度酸素生成物を生成する。しかし、容積が小さ
い用途について、特に高純度酸素ガス或は液を使用点に
分配する費用が高くなる場合、種々の「オン−サイト」
酸素生産系が極めて望ましくかつ極低温蒸留よりも好ま
しくなり得る。近年になり、圧力スイング吸着（ＰＳ
Ａ）プロセス及び系がこのような用途の要求を満たすた
めに開発された。すなわち、オン−サイトＰＳＡ系は、
比較的大容積の酸素生成物を生成するために、及び望ま
しいことに小容積の用途用に縮小して小さい寸法にする
ことができる。例えば、病院及びホームケアー用途につ
いて、気腫、等を病む個人のために酸素を生成して供給
する場合のように、酸素を生成するのに極めて小さいＰ
ＳＡ系が用いられる。

【０００３】他の用途が種々にあり、特に燃焼プロセス
を向上させるための用途では、低純度酸素が、或は酸素
冨化空気でさえ、総括評価基準で満足すべきものであ
り、或は好ましくさえある。このような確認された用途
について、かかる低純度酸素或は酸素冨化空気は、極低
温蒸留系で生産された高純度酸素を周囲空気で希釈して
供するのが普通である。

【０００４】このような経験の結果、技術は種々の度合
いの純度レベルを有しかつ容積の広く異なる装置で入手
し得る酸素ガスについて相当数の実際の及び潜在的用途
を認めるようになった。かかる認識に照らして、技術
は、最近になって、空気から酸素及び窒素を生産するた
めに膜透過技術を用いることにかなりの関心を生じるよ
うになった。膜透過プロセスは、供給空気を膜系に通じ
るために圧縮するのに要する他に機械的装置を稼動させ
る必要が存在しないことを含め、固有に簡単なことか
ら、魅力のあるものである。商業用途について実用的な
酸素透過速度を達成するためには、透析膜は非常に薄
く、大きな表面積を保有しなければならず、ピンホール
や膜により得ることができるガス分離の選択性を悪くす
るその他の欠陥が存在してはならない。これらの要求
は、非対称及び複合タイプの中空繊維膜を開発すること
により、かなりの程度に満足されるようになった。中空
繊維を膜束に適当に配置して組み立てることにより、高
圧供給空気を繊維のシェル側か或はボア側のいずれかに
沿って通じるのに適した膜モジュールを製造することが
可能である。供給空気は、膜モジュールの一方の側を通
るにつれて透過性の高い成分が漸次少なくなり、かつ漸
次透過性の低い成分に富むようになり、終局的に非透過
質或は「残留質（ｒｅｔｅｎｔａｔｅ）」流として抜き
出される。透過質ガス、すなわち膜の薄い分離領域を通
過したガスは繊維の反対側、ボア側か或はシェル側のい
ずれかに沿って流れて別途膜モジュールから抜き出され
る。

【０００５】膜透過モジュールの作業特性を説明するた
めに種々の数学的モデルが展開されて来ており、例えば
Ｃ．Ｙ．Ｐａｎ及びＨ．Ｗ．ＨａｂｇｏｏｄがＣａｎ．
Ｊ．Ｃｈｅｍ．，Ｅｎｇ．５６（１９７８），１９７〜
２０５頁に示す通りである。ほとんどの中空繊維膜モジ
ュールは、膜のスキン或は分離層部分の低い側の局部透
過質の組成がバルク透過質ガス流と混ざらないと考えら
れる「十字流（ｃｒｏｓｓｆｌｏｗ）」モデルに従って
作動するのが認められる。このモデルに従えば、透過質
流れの方向は重要でなく、透過質流はモジュールのどち
らの端からも抜き出すことができる。透過質パージ流を
このような情況下で用いることに有利な効果は見られな
いので、ほとんどのパーミエーターはパージガスを添加
するための設備を持たないスルー−ポート装置としてデ
ザインされる。使用する３つの口は供給ガス流入、残留
質流出及び透過質流出に相当する。

【０００６】膜材料の薄い分離層を多孔度の比較的高い
支持体に被覆した複合中空繊維膜を形成するならば、膜
の透過質側及び非透過質側の両方で半径方向混合を高度
に示すパーミエーターを製造することが可能である。こ
のような複合中空繊維膜を、すべての繊維が同じ長さに
なるように規則正しい螺旋様式で巻くことにより、膜モ
ジュールを十字流モデルによって予測されるよりも有利
に機能するように作製することができる。このような場
合では、モジュールは、残留質ガスの流れに対する透過
質ガスの流れの方向に応じて、望ましい「並流」或は
「向流」透過モデルに従う傾向にある。ほとんどの場合
において、向流パターンは実用的商業運転について最良
の結果を生じる。望ましい向流モジュールを４つの口を
有するように建造し、それで低圧パージガス流をモジュ
ールの透過質側に導入することができるようにする。

【０００７】複合膜の分離層を形成する際に用いるのに
適した有機ポリマーは窒素よりも酸素を一層透過し得る
のが普通である。これより、かかる分離層材料は、空気
分離の目的で膜モジュールにおいてそのようにして用い
る場合に、透過質を供給空気の内の一層容易に透過し得
る成分としての酸素に富むようにさせ、残留質は窒素に
富むようになる。達成される空気分離度は、分離層材料
についての酸素及び窒素の透過係数の比、すなわち分離
ファクターに関係する。空気分離用に商業的に実施し得
るポリマー材料の典型的な分離ファクターは通常３〜１
０の範囲である。当分野で知られている通りに、高い選
択性、すなわち高い分離ファクターを有するほとんどの
ポリマーは、また比較的低い生産性或は透過特性を有す
る傾向にある。

【０００８】膜透過プロセスが空気分離用途について酸
素か或は窒素のいずれかを生産するために考えられてき
たが、酸素を生産するよりも窒素を生産するための経済
的に魅力のあるプロセスを工夫するのがずっと容易であ
る。空気を高い圧力で膜表面に沿って通すにつれて、窒
素よりも酸素の方が一層多く膜を透過する傾向にある。
こうして、供給空気流は、膜に沿って原料流入口から残
留質流出口に通るにつれて、酸素が少なくなり、窒素に
富むようになる。流通路の長さを増大することにより、
或は供給空気流量を減少することにより、達成される窒
素生成物精製度を増大させることができる。このように
して、酸素のほとんどを単一工程プロセスで取り除いて
比較的純な窒素生成物を生産することができる。透過質
はそれにより酸素が冨化するが、供給空気中の窒素の一
部もまた膜を透過するので、透過質ガスの純度は必ず限
られる。その上、所定の流量について、膜繊維を長くす
る程、酸素と共に透過する窒素は多くなり、かつ得られ
る透過質ガスの酸素純度は低くなる。最も高い酸素純度
は、いわゆるステージカットが極めて小さい場合に達成
され、それでほぼ純な空気が膜の残留質側に沿って出
る。しかしながら、極めて小さいステージカットにおけ
る作業は極めて非効率である。その結果、酸素生産する
ための実用的な単一段膜プロセスは、生成することがで
きる酸素純度レベルに関してひどく限られる。

【０００９】複数の膜段階を用いることにより酸素を一
層高い純度レベルで生産するための透析膜空気分離プロ
セスが工夫されてきた。酸素純度を増大させるこのよう
な膜プロセスの内の一つはカスケードプロセスを用いる
ことによるものである。このアプローチでは、酸素で冨
化された初期膜段からの透過質を再圧縮して第二膜段に
通し、それにより透過質を更に酸素で冨化させる。所望
の場合、第二段からの透過質を更に段に通し、終局的に
高純度酸素生成物を回収するに至ることができる。しか
し、かかるカスケードプロセスは、後の段で使用する前
に再圧縮することを要する。これは、複数の圧縮機を同
期に調節して使用することを必要とする。

【００１０】酸素純度を増大させる別のアプローチは２
つの膜パーミエーターを直列に使用し、第二段の透過質
ガスを第一膜段の供給端に循環させることによるもので
ある。第一段から透過質として回収される生成物ガスの
酸素濃度は系の総括ステージカットを調整することによ
って調節することができる。このアプローチは、第二段
からの透過質の循環速度を十分に大きくすれば、比較的
高い純度の酸素を生成することができる。大きい循環速
度で、循環流は空気に比べて酸素に富む。この循環流に
流入する供給空気をブレンドし、その酸素濃度を増大さ
せ、こうして第一段膜パーミエーターから回収される透
過質の酸素濃度を上げる。２つの膜を直列に使用するこ
の循環プロセスでは、第一段からの高圧残留質は第二段
用供給ガスとして働く。第二段からの透過質は、ステー
ジカットに応じて酸素リッチになることができ、この流
れに供給空気をブレンドして第一段への供給投入量を形
成する。循環流の酸素濃度は２１％、すなわち空気より
高い。第一段透過質を生成物ガスとして回収する。

【００１１】この循環プロセスの作業特性は膜の分離フ
ァクター、採用する原料／透過質圧力比、２つの段の相
対膜表面積及び総括ステージカットに依存する。得るこ
とができる最大酸素純度は、固定した分離ファクター及
び圧力比条件において、第二段に配分する膜面積を多く
するにつれて、実質的に増大することが認められた。酸
素濃度はステージカットにより変わり、０〜空気中の酸
素濃度に相当する２１％の範囲のステージカットにおい
てピークに達する。ピークの近辺で、ステージカット
は、生成物酸素濃度を大きく変えないで、認め得る程に
変えることができる。このように、このプロセスについ
て、広い範囲の可能な作業条件がある。実際、表面積の
約７０％より多くを第二段に配分するならば、プロセス
は単一段理論限界、例えば分離ファクター６において酸
素約５０容積％を越える生成物酸素濃度を生じることが
できる。

【００１２】２段循環プロセスは、利点があるにもかか
わらず、主に供給点において異なる組成のガス流がブレ
ンドすることにより、効率上の欠点がある。このブレン
ディングは総括プロセス効率を低下させるエントロピー
を生じる。このように、当分野には、改良された、一層
効率的な膜酸素プロセス及び系についての要望が依然あ
る。発明の目的は改良された膜ガス分離方法及び系を提
供するにある。発明の別の目的は空気から酸素、或は酸
素冨化空気を生産するための改良された膜方法及び系を
提供するにある。発明のそれ以上の目的は一層効率的な
膜酸素生産方法及び系を提供するにある。これらやその
他の目的を心に止めて。発明を本明細書以降に詳細に記
載し、発明の新規な特徴を特に特許請求の範囲に記載す
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】２つの別の膜パーミエー
ターを直列に使用し、第二段からの透過質ガスを追加量
の供給空気と組み合わせ、圧縮した後に、第一段膜パー
ミエーターへの供給ガスとして用いることにより、供給
空気から酸素を生産する。発明の目的は、供給空気の全
部或は一部を用いて２段膜酸素生成物系の第二段の透過
質側を向流にパージすることによって、達成される。パ
ージ流は第二段膜を通る酸素分圧駆動力を増大させ、こ
うして第二段を透過する酸素の量を増大させる。その結
果、第一段への原料の酸素冨化の増大が達成され、故に
酸素生成物ガスにおける酸素濃度の増大が達成される。
第二段の残留質排出端における局部透過質ガスについて
供給空気と本質的に同じ組成を達成することによって、
従来の２段循環プロセスに固有の混合損失を排除するこ
とができる。その結果、発明の方法及び系は一層効率的
になり、従来のアプローチで達成されるのに比べて酸素
純度レベルの増大及び圧縮所要動力の減少を達成するこ
とが可能である。

【００１４】発明を以下添付図面を参照しながら詳細に
説明する。図面の図１を参照すると、２段膜系を用い、
第一段膜モジュール１を管路３によって第二段膜モジュ
ール２に接続し、それで膜モジュール１からの高圧透過
質ガスは膜モジュール２への供給ガスとして働く。両方
の膜段はそれぞれ中空繊維膜、すなわち膜４及び５の束
を含み、膜４及び５は各々の膜モジュールの容積を有効
に分割して２つの領域、すなわち高圧領域６及び７並び
に低圧領域８及び９にする。第二段膜モジュール２は、
それの作動が向流透過モデルに従う傾向になるように設
計して作製する。透過を支配する膜５の表面における空
気成分濃度は、これより膜２のその部分でのバルクガス
空間における濃度に近くなる。このような情況下で、発
明に従って供給空気パージを用いることが最大の利点を
有することになる。第一段膜モジュール１も同様にして
挙動するのが望ましいが、必須ではない。

【００１５】系への供給空気の一部或は全部を管路１０
により第二段膜モジュール２の低圧パージ側９に導入
し、そこで導入した空気はこの第二段における透過質ガ
ス用パージ流として働く。膜モジュール２に導入しない
供給空気の部分は管路１１により供給空気圧縮機１２の
上流側に通して圧縮しかつ管路１３で膜モジュール１の
高圧領域６に通す。これは、膜５の透過質側の圧力損失
を最小にするようにするのが望ましい。向流モデルに従
い、高圧容積７及び低圧容積９の両方で膜５の長さに沿
って組成勾配が確立されることになる。膜モジュール２
から管路１４により排出される高圧残留質は、通常の作
業条件下で窒素に富むことになる。膜モジュール２から
の低圧透過質は、空気に比べて酸素で冨化されることに
なる。この第二段透過質を循環流として管路１５を通
し、必要に応じて管路１１で供給空気の一部をブレンド
し、供給端圧縮機１２の吸込口に通して所望の圧力レベ
ルに圧縮する。

【００１６】供給ガスを管路１３から第一段膜モジュー
ルに通す際に、また、管路３に入る残留質ガスの酸素が
供給空気に比べて減少するような組成勾配が高圧空間６
においても確立される。低圧空間８において同様に確立
される組成勾配は、酸素濃度が、生成物酸素が管路１６
により抜き出される膜モジュール１の透過質端におい
て、最高になるようなものである。膜モジュール１は向
流モデルに従うのが好ましいが、これは必須ではなく、
十字流挙動が許容し得る。また、膜モジュール１は、中
でパージガスを用いないのが典型的であるので、３ッ口
パーミエーターにすることができ、膜モジュール２は、
系への供給空気の全部或は一部を中でパージガスとして
用いることにより、当然４ッ口パーミエーターになるこ
とに留意すべきである。ブロワー／圧縮機手段１７を必
要に応じて用いて供給空気を低圧空間９に所望の透過質
側圧力で供給することができる。供給空気の全部をこの
ようにして第二段膜モジュール２へのパージガスとして
用いかつ理想的には第二段を通る圧力損失が無い場合、
発明の実施において膜段の外側でガス流のブレンディン
グが無いことに留意すべきである。

【００１７】発明の改良された原料を循環させる２段
系及び上に挙げた従来の２段循環系の能力を、両方の場
合で向流モデルに従って第二段の透過モジュールを基準
にして比較した。結果の差異は、このように加工上の差
異に起因し、膜モジュールのデザインの差異によらな
い。生成物流中の酸素の濃度を、膜分離ファクターの固
定値について並びに高及び低圧の固定値について、総括
ステージカットの関数として計算した。第一段に配置し
た全膜面積のフラクション（残りは第二段に配分した）
をかかる測定におけるパラメーターとして用いた。

【００１８】生成物酸素濃度を所定のステージカットで
求めることに加えて、「面積ファクター」及び「圧縮機
ファクター」を各々の作業点について求めた。「ステー
ジカット」とは透過質流量対供給流量の比である。供給
空気の全部が膜を透過するとすれば、すなわちステージ
カット１００％であり、ガス分離は達成されない。透過
質ガスにおける最も高い濃度の酸素は、ステージカット
が極めて小さい場合に得られるのは明らかである。「面
積ファクター」とは、生成物流中固定流量の「純に等し
い（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｕｒｅ）」酸素を生じる
のに要する全膜面積であり、「純に等しい」酸素とは、
供給空気をブレンドした際に生成物を生じるのに要する
純酸素の量である。「圧縮機ファクター」とは、圧縮し
なければならないガスの流量対純に等しい酸素の流量の
比である。いわゆる「コストファクター」とは、ほぼ膜
プロセスを作動させる相対的費用を表わす面積ファクタ
ーと圧縮機ファクターとの線状的な組合わせである。こ
れらのファクターはすべてできるだけ小さいのが望まし
いことは明らかであるが、表面積及び圧縮機ファクター
は反対方向に変わり得るので、最も満足すべき作業は、
コストファクターを最少にすることによって達成され
る。

【００１９】図面の図２は、第一段膜と第二段膜との
間のいくつかの異なる表面積の配分、すなわち第一段に
おいて全面積の１００、７０、５０及び３０％につい
て、生成物酸素純度をステージカットに対してプロット
したものである。分離ファクター６を、原料／透過質の
圧力比１１と共に採用した。上に挙げた従来の２段系及
び発明の原料を循環させる（ＦＲ）系について結果を示
す。図２に示す曲線は異なる表面積分配においてグルー
プにした対で現われ、最下曲線は循環させない単一段系
を表わす。見て分かる通りに、各々の対の上部の曲線は
ＦＲ系を表わし、各々の対の下部の曲線は従来の２段系
を表わす。図２に示す通りに、発明のＦＲ系は単一段系
で生成されるのに比べて純度が相当に高い酸素生成物を
生成する。加えて、ＦＲ系で得られる酸素純度は、従来
の２段系の酸素純度に比べて、ステージカット約２％〜
約３０％の広い範囲にわたり、特にステージカット約５
％〜約２５％の範囲で高い。

【００２０】上に挙げた面積分配の各々について及び単
一段系について、上記した同じ分離ファクター及び圧力
比条件において、面積ファクターを求めかつ生成物酸素
純度に対してプロットした場合、２段系についての面積
ファクターが単一段系の場合に比べて任意の所定の酸素
生成物純度レベルにおいて大きいことが認められた。面
積ファクターは、全膜表面積の内で第二段に配分するの
が多くなるにつれて、実質的に増大するのが認められ
た。このことは、２段系において、第二段は酸素生成段
で無く、循環段であるので、予想される。任意の所定の
面積分配について、また、面積分配は、従来の２段系に
ついて発明のＦＲ２段系についてと事実上同じであるこ
とが認められた。これより、任意の所定の酸素生成物純
度レベルにおいて、該２段系について、本質的に同じ面
積ファクターが関係する。この理由で、面積ファクター
対酸素生成物純度のプロットを本明細書中に入れなかっ
た。しかし、面積ファクターが２つの系について同じで
あるということは、従来の２段循環系と比較して、発明
のＦＲ２段系を使用することにより、面積ファクターの
不利が伴わない点で、意味がある。しかし、図２のプロ
ットに関して前述した通りに、ＦＲ系は所望の生成物に
おいて一層高い最大酸素濃度を生じることができる。

【００２１】図２に示す通りに、全表面積の内の充分な
部分を第二段膜に配分するならば、同じ酸素濃度を一層
小さいステージカット或は一層大きいステージカットに
おいて得ることができる。面積ファクターは濃度に従
う、すなわち各々の２段系について、酸素濃度の増大と
共に同じようにして減少するので、従来の２段循環系か
或は発明のＦＲ２段系のいずれかについて、面積ファク
ター単独基準で、利点は無い。

【００２２】図３は、従来の２段循環系及び上述した発
明のＦＲ２段系について第一段７０％／第二段３０％；
第一段５０％／第二段５０％；及び第一段３０％／第二
段７０％においてグループにした対について、単一段系
に関して上述した同じ分離ファクター及び圧力比条件に
おいて、圧縮機ファクターを生成物酸素純度に対してプ
ロットしたものを例示する。このプロットから、酸素純
度が４６％より低い場合の他、単一段系は２段系に比べ
て大きい圧縮機ファクターを有することが認められるも
のと思う。その上、約５０％を越える酸素純度では、発
明のＦＲ２段系は従来の２段系に比べて小さい圧縮機フ
ァクターを示し、或は所定の圧縮機ファクターにおいて
一層高いレベルの酸素純度を達成する。このように、発
明の系及び方法は、従来の２段系に比べて少ない所要動
力で所望の酸素純度レベルを達成することを可能にす
る。

【００２３】膜技術では、生成物純度及び回収率の増大
は、膜表面積を一層多い量で用いることにより得られる
のが普通である。２段系の表面積要求量は単一段系に比
べて大きくなるが、発明のＦＲ２段系は従来の２段循環
系と比べて面積の不利を伴わなかったことを先に示し
た。それにもかかわらず、発明の系は従来の２段系に比
べて望ましいことに少ない所要動力で所定の純度レベル
を達成することができる。従って、２段系は、最も低い
生成物酸素濃度、すなわち約４６％より低い酸素純度の
他のすべてについて、単一段系よりも優れていることが
認められるものと思う。加えて、発明のＦＲ２段系は従
来の２段循環系によって生成されるのに比べて、両方の
系が２段への同じ表面積配分を有する場合に同じステー
ジカットにおいて、高い生成物酸素濃度を生じることが
できる。その上、発明のＦＲ２段系は従来の２段循環系
に比べて、同様の生成物酸素濃度について所要動力の減
少を示す。このような圧縮ファクターの減少は、等価表
面積要求量と一緒になって望ましいことに総原価の減少
に相応し、かつ発明の系が従来の２段循環系に比べて一
層エネルギー効率的であることを立証する。

【００２４】種々の変更を本明細書中上述した通りの発
明の細部において特許請求の範囲から逸脱しないでなし
得ることは認められるものと思う。すなわち、発明の系
及び方法を用いて供給空気から酸素或は酸素冨化空気生
成物を酸素純度約４０容積％〜約９０容積％まで、好ま
しくは約６０〜約８５％の濃度で生成することができ
る。段の間の表面積分配は通常上述した範囲内、すなわ
ち第一段において約７０〜約３０％であるのが好ましい
が、この範囲外の表面積分配もまた採用し得ることは理
解されるものと思う。第一段／第二段表面積分配は約１
０％／９０％〜約９０％／１０％の範囲になる。第一段
膜表面積は系の全膜表面積の約２５〜約５０％にするの
が通常好ましい。

【００２５】上述した通りに、透過質における最も高い
酸素濃度は、ステージカットが小さい場合に得られる。
よって、所定の用途の総括性能要求に応じて、発明のＦ
Ｒ２段系について総括ステージカット約０．５％〜約３
０％、好ましくは約５％〜約２５％を採用することが発
明の範囲内である。発明は、供給空気からの酸素の所望
の選択透過を達成するのに適した任意の膜組成及び構造
を用いて実施することができる。すなわち、膜はよく知
られた非対称、複合或は等方性形態にすることができ、
エチルセルロース、セルロースアセテート及びポリスル
ホンが適した膜材料の具体例である。中空繊維膜が好ま
しいが、膜は、そのように望むならば、フラットシート
のような他の形態にすることができる。中空繊維膜を使
用する場合、かかる中空繊維を螺旋構造で配置するのが
望ましい。

【００２６】発明の実施において用いる原料及び透過質
圧力レベルは、所定の用途の要求に応じて広い範囲にわ
たって変えることができる。原料／透過質圧力比は約２
／１〜約２０／１の範囲にするのが代表的であり、約３
／１〜約１２／１の範囲にするのが好ましい。供給空気
の全部を第二段膜の透過質側に通すのが発明の種々の実
施態様において望ましく、かつパーミエーターの外側で
別のガス流をブレンドする必要性を回避するが、上述し
た通りに、供給空気の一部を第二段膜に通し、かつ残り
の供給空気を直接第一段原料圧縮機に通すことは発明の
範囲内である。すなわち、第二段膜の透過質側に通す供
給空気の量は、採用する総括系及びそれの所望の性能要
求に応じて、系への全供給空気の約１０％〜ほとんどす
べて或は１００％の範囲にすることができ、かかる量は
約５０％〜ほとんどすべて或は１００％にするのが好ま
しい。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の２段膜方法及び系の略フローダイヤグラ
ムである。

【図２】種々の表面積配分についての酸素純度対ステー
ジカットのプロットである。

【図３】単一段及び種々の２段系についての生成物酸素
純度に対してプロットした圧縮機ファクターのプロット
である。

【符号の説明】

１第一段膜モジュール２第二段膜モジュール４膜５膜６高圧領域７高圧領域８低圧領域９低圧領域

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）空気から酸素を選択透過すること
ができる２段膜系；（ｂ）供給ガスを所望の供結圧力で
膜系の第一段に導入するための導管；（ｃ）第一段の透
過質側から酸素を生成物ガスとして回収するための導
管；（ｄ）第一段からの残留質ガスを膜系の第二段に通
じるための導管；（ｅ）残留質ガスを膜系の第二段の排
出端から排出させるための導管；（ｆ）膜系への供給空
気の全部或は一部を第二段の排出端に通じて第二段の透
過質側にその中を通る残留質ガスの通過に対して向流に
パージガスとして通じるための導管；（ｇ）第二段の透
過質側からのパージ及び透過質ガスを第一段の供給端に
供給ガスとして通じるための導管を含み、それで供給空
気を膜系の第二段用パージガスとして用いることが第二
段を透過する酸素の量を増大させ、それにより第一段へ
の原料の酸素冨化及び総括系のエネルギー効率を高め
る、空気から酸素を生産するための膜系。
【請求項２】供給空気用導管手段が、供給空気の１０
％或はほとんどすべてを膜系の第二段に通じるように適
応された請求項１の膜系。
【請求項３】供給空気用導管手段が、供給空気のすべ
てを第二段に通じるように適応された請求項２の膜系。
【請求項４】膜系の第一段の膜表面積が系の全膜表面
積の１０〜９０％である請求項１の膜系。
【請求項５】第一段膜表面積が系の全膜表面積の２５
〜５０％である請求項４の膜系。
【請求項６】（ａ）供給空気の全部或は一部を２段膜
系の第二段の排出端に透過質側におけるパージガスとし
て導入し；（ｂ）第二段の透過質側の反対端から取り出
されたパージガス及び透過質ガスを２段膜系の第一段の
供給端に供給ガスとして通じ；（ｃ）供給ガスを膜系の
第一段の供給側に通し；（ｄ）第一段の透過質側から酸
素生成物ガスを回収し；（ｅ）第一段からの残留質ガス
を膜系の第二段に導入して第二段の透過質側におけるパ
ージガス及び透過質ガスの流れに対して向流パターンで
中を通し、第一段透過質流れ対膜系への供給空気流れの
流量比を０．５〜３０％の範囲にし；及び（ｆ）第二段
の透過質側の排出端から残留質ガスを排出させることを
含み、それで供給空気を膜系の第二段用パージガスとし
て用いることが第二段を透過する酸素の量を増大させ、
それにより第一段への原料の酸素冨化及び総括空気分離
方法のエネルギー効率を高める、空気から酸素を生産す
る膜方法。
【請求項７】供給空気のすべてを膜系の第二段に通じ
る請求項６の方法。
【請求項８】供給空気の１０％或はほとんどすべてを
膜系の第二段に通じる請求項６の方法。
【請求項９】第一段階透過質流れ対膜系への供給空気
流れ流量比を５〜２５％にする請求項６の方法。
【請求項１０】系の全膜表面積の１０〜９０％が第一
段にある請求項６の方法。