JP2789548B2 - 多段膜制御装置及び方法 - Google Patents

多段膜制御装置及び方法

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JP2789548B2 JP5342295A JP34229593A JP2789548B2 JP 2789548 B2 JP2789548 B2 JP 2789548B2 JP 5342295 A JP5342295 A JP 5342295A JP 34229593 A JP34229593 A JP 34229593A JP 2789548 B2 JP2789548 B2 JP 2789548B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、変動需要条件下で流体
を分離するのに有用な多段膜制御装置及び方法に関する
ものであり、特には変動需要条件下で気体を分離するの
に有用な多段膜制御装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】様々の流体分離プロセスにおいて透過膜
システムの使用が増大しつつある。そうした分離プロセ
スにおいて、流体混合物は、膜を通して流体混合物中の
容易に透過し易い成分を透過せしめるために膜の表面と
接触状態に持ちきたされる。容易に透過し易い成分が透
過物流れとして取り出されるにつれ、流体混合物中の透
過性の悪い成分が非透過物流れとして回収され若しくは
除去される。
【０００３】膜システムの設計及び全体的効率における
重要な因子は、所望の製品量及び製品品質を得るために
必要とされる合計膜表面積並びに膜を横切っての分圧差
である。所望の製品量及び製品品質は、膜の透過性及び
選択性（分離因子）特性をそれぞれ反映する。実際の膜
システムの設計は、膜表面積と分圧差との間での兼ね合
いの最適化を必要とする。つまり、膜を横切っての分圧
差即ち駆動力（ドライビングフォース）が大きくなるほ
ど、所定の流体分離のために必要な膜表面積は小さくて
すむようになる。これは一層高価なポンプ送排給設備の
使用及びポンプ運転コストの増加を必要とするが、反面
膜設備コストを比較的低い水準に維持することを可能な
らしめる。他方、低い駆動力しか使用できないなら、一
層大きな膜面積が必要とされそして全体的なシステム及
び操作の様々の面での相対コストは相応に変更されよ
う。
【０００４】膜システムは通常、全容量・定常状態流れ
条件、即ち設計条件に対して設計されそして最適化され
るが、設計条件は実際上常に完全には使用されない。設
計条件以外の運転条件の下では、それぞれの最適運転条
件の異なった組合せが膜面積対分圧差に関して優先する
ことになる。なぜなら、膜システムを所望する流体分離
用途は代表的に定常流れ条件の下で働かないからであ
る。膜システムからの需要は製品の量及び／或いは品質
に関してしばしば変動する。例えば、空気分離膜システ
ムからの窒素ガスに対する製品需要は、必要とされる窒
素流量及び／或いは純度に関して２４時間の間で大きく
変動しうる。この変動する製品需要が、需要のない若し
くは需要の少ない条件中膜システムが効率的に作動する
よう設計されることを要求する。
【０００５】需要のない若しくは需要の少ない条件中膜
システムを効率的に作動する試みにおいて幾つかの技術
が使用されまた提唱されてきた。米国特許第４，８０
６，１３２号は、需要のない間また需要の少ない条件中
膜システムを効率的に作動するために従来使用されてき
た多数の技術を論議している。これら従来技術は、流体
供給混合物の透過量を増大することにより、利用に供さ
れる膜面積の一部を遮断することによりまたは膜システ
ムを無負荷乃至負荷低減するべくサージタンクを使用す
ることにより非透過物製品流れの流量を減少せしめるこ
とと関与する。しかし、それらの利用可能な膜面積及び
動力の非効率な使用に鑑み、この特許は、膜システムを
効率的に作動するべく需要のない間また需要の少ない条
件中供給流れの流量を低減する方式を最終的に採用して
いる。膜システムへの供給流れの流量は、制御手段を備
える膜システムの入口ラインに位置付けられる供給物圧
縮機の運転を調整することにより制御される。
【０００６】米国特許第４，８５７，０８２号は、その
中で、需要の少ない条件下で膜システムを作動するため
の一つの技術を開示する米国特許第４，３９７，６６２
号について論じている。この技術は、所定の生産水準に
おいて膜モジュールの一部を自動的に遮断することによ
り膜面積を削減することにかかわるものとして示され
る。この結果を達成するために、膜システムは追加弁、
配管、計測装備等を含む複雑な設計を使用することを指
摘されている。この設計は平行な幾つかの小さなモジュ
ール膜ユニットの使用により設備投資を高めることも指
摘されている。従って、米国特許第４，８５７，０８２
号自身の意図は、製品需要或いは供給流れの変化に追従
するように膜を横切っての圧力差を有効に制御するべく
膜ユニットの周囲に位置する一連の弁及び制御ユニット
を使用することである。この方式は透過物気体が所望の
製品であるプロセスに特に適応する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】多段膜システムは、そ
れらが例えば脱酸素ユニットを使用することなく高純度
窒素を製造することができるから、しだいに重要となり
つつある。従って、需要のない間また需要の少ない条件
中多段膜システムを運転するのに有用な制御システム及
びプロセスに対する必要性が現実に存在している。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に従えば、上記の
必要性に答えるべく、後に説明する図２及び図３の具体
例に対応して、 （ａ）直列に接続された少なくとも３つの膜ユニットに
して、該少なくとも３つの膜ユニットの各々が非透過物
側と透過物側とを有する膜を備えそして該膜が流体混合
物の少なくとも一つの流体成分を該非透過物側から該透
過物側へと透過させることができる膜ユニット、 （ｂ）流体混合物を前記少なくとも３つの膜ユニットの
第１膜ユニットの非透過物側に導入するための流体入口
手段、 （ｃ）直列状態にある第２、第３及び／或いは最終膜ユ
ニットの非透過物側から生成物流体を抜き出すための生
成物出口手段、 （ｄ）前記第３及び／或いは最終膜ユニットの透過物側
から前記直列に接続された膜ユニットの少なくとも一つ
の非透過物側へと流体を通すための第１循回導管と、前
記第２膜ユニットの透過物側から，非透過物側と透過物
側とを有する膜を備えそして該膜が流体混合物の少なく
とも一つの流体成分を該非透過物側から該透過物側へと
透過させることができる循回膜ユニットの非透過物側へ
と流体を通しそして後該循回膜ユニットの非透過物側か
ら前記直列に接続された膜ユニットの少なくとも一つの
非透過物側へと流体を通すための第２循回導管とから成
る群から選択される循回導管手段、 （ｅ）前記第１循回導管において若しくは第２循回導管
において流体をポンプ送給若しくは圧縮するための循回
圧縮機或いはポンプ手段、 （ｆ）前記循回圧縮機或いはポンプ手段の作動を制御し
若しくは調整するための制御手段、 （ｇ）前記第１或いは第２循回導管において流体の圧
力、流量及び／或いは純度を検出し若しくは監視するた
めの検出或いは監視手段、及び （ｈ）前記検出或いは監視手段から検出し若しくは監視
した前記第１或いは第２循回導管における流体の圧力、
流量及び／或いは純度に相当するプロセス変数信号を受
取りそして変動する生成物流体需要条件に対処するよう
前記循回圧縮機或いはポンプ手段の容量を変更するべく
該循回圧縮機或いはポンプ手段の作動を調整するために
相当する出力信号を前記制御手段に伝達し、それにより
前記直列に接続された第２、第３及び／或いは最終膜ユ
ニットの透過物側において一定の圧力若しくは実質上一
定の圧力を維持することのできる少なくとも一つのプロ
セス制御システムを備える多段透過膜装置が提供され
る。
【０００９】本発明はまた、多段透過膜流体分離方法と
して、後に説明する図１及び図３の膜システムを使用す
る方法として、 （ａ）流体供給物流れを膜を備える少なくとも一つの第
１膜ユニットに流体供給物のうちの少なくとも一つの流
体成分を透過せしめて第１非透過物流れと透過物流れを
生成するに充分の圧力において導入する段階と、 （ｂ）前記少なくとも一つの第１膜ユニットからの前記
第１非透過物流れを前記少なくとも一つの第１膜ユニッ
トと直列に接続された、膜を有する少なくとも一つの第
２膜ユニットに第２非透過物流れと透過物流れを生成す
るに充分の圧力において通す段階と、 （ｃ）前記少なくとも一つの第２膜ユニットからの第２
透過物流れを、膜を備える少なくとも一つの循回膜ユニ
ットに、循回非透過物流れと透過物流れを生成するに充
分の圧力を提供するように制御手段を有する循回圧縮機
或いはポンプ手段を経由して送給する段階と、 （ｄ）前記循回非透過物流れを前記流体供給物流れ、第
１非透過物流れ及び／或いは第２非透過物流れと合流せ
しめる段階と、 （ｅ）第２透過物流れの圧力、流量及び／或いは純度を
監視しそして／または検出する段階と、 （ｆ）前記第２透過物流れの監視しそして／または検出
した圧力、流量及び／或いは純度に相当するプロセス変
数信号を、前記制御手段に対応する出力信号を送信する
ことのできるプロセス制御装置に伝達して、前記循回圧
縮機或いはポンプ手段の作動を制御する段階と、 （ｇ）生成物の需要の変更乃至低減に応答して前記少な
くとも一つの第１膜ユニットへの流体供給物流れの流量
を変更し若しくは低減する段階と、 （ｈ）前記少なくとも一つの第２膜ユニットの透過物側
において一定の圧力乃至実質上一定の圧力を維持するよ
う、前記循回圧縮機或いはポンプ手段に向けて移動する
第２透過物流れの監視しそして／または検出した圧力、
流量及び／或いは純度に応答して前記制御手段により該
循回圧縮機或いはポンプ手段の容量を調整し若しくは低
減する段階と、 （ｉ）前記第２非透過物流れの予備選択された量を生成
物として回収し若しくは該第２非透過物流れの予備選択
された量を追加膜ユニットに通して更に精製された生成
物を回収する段階とを包含する多段透過膜流体分離方法
をも提供する。本発明はまた、多段透過膜流体分離方法
として、後に説明する図２の膜システムを使用する方法
として、 （ａ）流体供給物流れを、膜を備える少なくとも一つの
第１膜ユニットに流体供給物のうちの少なくとも一つの
流体成分を透過せしめて第１非透過物流れと透過物流れ
を生成するに充分の圧力において導入する段階と、 （ｂ）前記少なくとも一つの第１膜ユニットからの前記
第１非透過物流れを前記第１膜ユニットと直列に接続さ
れた、膜を有する少なくとも一つの第２膜ユニットに第
２非透過物流れと透過物流れを生成するに充分の圧力に
おいて通す段階と、 （ｃ）前記少なくとも一つの第２膜ユニットからの第２
透過物流れを前記第２膜ユニットと直列に接続された、
膜を備える少なくとも一つの第３膜ユニットに送給して
第３非透過物流れと透過物流れを生成する段階と、 （ｄ）第３透過物流れを、制御手段を有する循回圧縮機
或いはポンプ手段を使用して循回して、第２非透過物流
れ、第１非透過物流れ及び／或いは前記流体供給物流れ
と合流せしめる段階と、 （ｅ）第３透過物流れの圧力、流量及び／或いは純度を
監視しそして／または検出する段階と、 （ｆ）前記第３透過物流れの監視しそして／または検出
した圧力、流量及び／或いは純度に相当するプロセス変
数信号を前記制御手段に対応する出力信号を送信するこ
とのできるプロセス制御装置に伝達して、前記循回圧縮
機或いはポンプ手段の作動を制御する段階と、 （ｇ）生成物の需要の変更乃至低減に応答して前記少な
くとも一つの第１膜ユニットへの流体供給物流れの流量
を変更し若しくは低減する段階と、 （ｈ）前記第３膜ユニットの透過物側において一定の圧
力乃至実質上一定の圧力を維持するよう、前記循回圧縮
機或いはポンプ手段に向けて移動する第３透過物流れの
監視しそして／または検出した圧力、流量及び／或いは
純度に応答して前記制御手段により該循回圧縮機或いは
ポンプ手段の容量を調整し若しくは低減する段階と、 （ｉ）前記少なくとも一つの第３膜ユニットからの第３
非透過物流れの予備選択された量を取り出す段階とを包
含する多段透過膜流体分離方法を提供する。
【００１０】本発明多段透過膜システムは、特に、窒
素、乾燥ガス、水素、酸素、アルゴン等を回収するため
の流体分離プロセスにおいて使用しうる。上記特徴を使
用することにより、利用可能な膜面積は、変動する生成
物流体需要条件の下でさえ多段膜システムにおいて完全
に或いはほぼ完全に使用されうる。
【００１１】
【作用】本発明は多段流体分離方法及び装置に関係す
る。本方法及び装置は、需要のない若しくは需要の少な
い条件期間中効率的な態様で流体混合物を分離するた
め、関連する制御手段を備えた少なくとも一つの循回圧
縮機或いはポンプ手段を使用する。少なくとも一つの循
回圧縮機或いはポンプ手段の作動は、膜ユニット乃至モ
ジュールの透過物側における圧力が設定値に維持されう
るように制御される。これは結局、需要のない若しくは
需要の少ない条件期間中膜を横切っての所望の圧力比の
維持並びに動力消費量の所望の減少を可能ならしめる。
関連する制御手段を備えた少なくとも一つの循回圧縮機
或いはポンプ手段の使用はまた、回収された生成物の量
が生成物需要の変化に応じて変化されたときでも、多段
流体分離プロセス及びシステムが生成物を所望の品質
（純度）及び量（生成物流量）において生成することを
可能ならしめる。
【００１２】
【実施例】図１〜３に示されるように、空気のような流
体を分離するための幾つかの好ましい多段膜システムが
存在する。但し、これ以外の形態での多段膜システムを
具現しうることを銘記されたい。図１は、直列に接続さ
れる２つの膜ユニット乃至モジュールを備える多段膜シ
ステム、そして図２及び３は直列に接続される３つの膜
ユニット乃至モジュールを備える多段膜システムを例示
する。各膜ユニット乃至モジュールは、任意の流体混合
物の少なくとも１種の成分が膜を通して非透過物側から
透過物側へと透過することができるように非透過物側と
透過物側を有する膜を有している。
【００１３】実施において、入口管路１が多段膜システ
ムの膜ユニット乃至モジュールに流体混合物を導入する
のに使用される。入口管路１に供給される流体混合物は
最初入口圧縮機或いは入口ポンプ手段２に通され、そこ
から加圧された流体混合物が管路３を通して第１段（ス
テージ）膜ユニット乃至モジュール５に送給される。第
１段膜ユニット乃至モジュール５は、膜により分画され
た非透過物側５ａと透過物側５ｂとを有する。少なくと
も一つの冷却手段が流体混合物が第１段膜ユニット乃至
モジュール５に送給される前に流体混合物から熱を除去
するのに随意的に使用されうる。第１段膜ユニット乃至
モジュール５において、流体混合物の所望されない単数
乃至複数の成分の少なくとも一部は、透過物側５ｂに透
過せしめられそして管路６を通して廃棄される。実質上
供給圧力における予備選択された純度或いは乾燥水準を
有する非透過物側５ａ内の残りの流体混合物は管路７を
通して第２段膜ユニット乃至モジュール８の非透過物側
８ａに流入する。流体混合物中の所望されざる単数乃至
複数の成分は、流体混合物中の僅かの所望の単数乃至複
数成分を伴って第２段膜ユニット乃至モジュール８の透
過物側８ｂに透過せしめられ、最終的に非透過物流体は
所望の純度或いは乾燥水準を達成する。透過物側８ｂに
おける透過流体は循回導管９を通して管路１、３及び７
の少なくとも一つに導かれる。
【００１４】循回導管９内の循回している流体は、循回
圧縮機或いはポンプ手段１１により圧縮されそして冷却
手段（図示なし）において冷却されうる。第２段膜ユニ
ット乃至モジュール８の透過物側８ｂの圧力は循回圧縮
機或いはポンプ手段の吸引圧力と実質上同じである。循
回導管９における加圧された流体は、図１に示されるよ
うに循回導管９に位置する循回膜ユニット乃至モジュー
ル１２を使用することにより特定の純度水準を有する透
過物及び非透過物流体流れを生成するように分離されう
る。図３に示されるように、循回膜ユニット乃至モジュ
ール１２の透過物側１２ｂにおける透過物流れは、廃棄
しても良いし或いは入口管路１もしくは第１段膜ユニッ
ト乃至モジュール５の透過物側に送られる。他方、残り
の非透過物側１２ａの流体は、第２段膜ユニット乃至モ
ジュール８からの非透過物流れの少なくとも一部が弁１
０を有する出口管路１３を通して生成物流れとして回収
されうるよう管路３及び７の少なくとも一方に送給され
る。
【００１５】図２及び３に示されるように、循回膜ユニ
ット乃至モジュール１２の代替として或いはそれに付加
して、第３段膜ユニット乃至モジュール１４が利用され
うる。第３段膜ユニット乃至モジュール１４は第２段膜
ユニット乃至モジュール８の非透過物側と管路１５で接
続されて、第２段膜ユニット乃至モジュール８からの非
透過物流体の少なくとも一部が昇圧されて第３段膜ユニ
ット乃至モジュール１４の非透過物側１４ａに受け取ら
れるようにすることができる。第２段膜ユニット乃至モ
ジュール８から非透過物流れを受け取るに際して、当該
流れは所望の品質（純度）を有する透過物及び非透過物
流れに更に分離される。透過物側１４ｂにおける透過物
流れは循回導管１６を通して管路１、３、７、９及び１
５の少なくとも一つに循回される。導管１６内の循回し
ている流体は循回圧縮機或いはポンプ手段１７により再
圧縮されそして管路の少なくとも一つへその導入前にオ
ンライン冷却手段３１で冷却されうる。随意的に、図３
に示されるように、追加膜ユニット乃至モジュール１８
が導管１６において使用されて、圧縮された循回流体を
それを非透過物側１８ａから透過物側１８ｂへと非透過
物流体生成物が所望の純度を有するまで透過せしめるこ
とにより透過物流れと非透過物流れとに分離する。膜ユ
ニット乃至モジュール１８からの非透過物流体流れは導
管７及び１５の少なくとも一方に循回され、他方膜ユニ
ット乃至モジュール１８からの透過物流体流れは管路
１、３及び９の少なくとも一つにまた第１段膜ユニット
乃至モジュールの透過物側に循回される。膜ユニット乃
至モジュール１４からの透過物流れが、随意的な膜ユニ
ット乃至モジュール１８の使用を伴ってもしくは伴わず
して、上流の管路に戻して循回されるにつれ、非透過物
流れの少なくとも一部は随意的に弁３３を有する出口管
路３２を通して生成物として回収される。膜ユニット乃
至モジュール１４からの非透過物生成物流れを更に精製
しまた乾燥するために追加膜段を使用することが可能で
ある。所望の生成物が、所望の生成物品質及び／或いは
流体混合物入口管路の位置に依存して第２、第３及び／
或いは最終段を含む一つ以上の膜段から回収されうる。
任意の数の入口管路並びに流体生成物出口管路が、所望
の品質を有する所望量の生成物がこれら入口並びに出口
管路の使用から回収されうるかぎり、任意の位置におい
て使用されうることを理解すべきである。
【００１６】上記の膜システムを変動する製品需要或い
は需要の少ない条件の下で作動せしめるために、生成物
の圧力、流量及び／或いは純度を監視しそして／または
検出するための監視及び／或いは検出手段１９が膜シス
テムの出口管路１３或いは３２に置かれる。流量計、ガ
ス分析計及び／或いは圧力センサのような監視及び／或
いは検出手段１９はそれと関連する従来型式の送信器２
０を備えており、入力信号（プロセス変数信号）をプロ
セスコンピュータやアナログコントローラのようなプロ
セス制御システム２１に番号２２により表される適宜の
電気、機械、液圧乃至空圧式接続部を通して送る。即
ち、監視及び／或いは検出手段１９は生成物流量、生成
物圧力及び生成物純度を監視しそして／または検出する
ために使用されそして送信機２０はプロセス変数信号即
ち生成物の流量、圧力及び／或いは純度に比例する信号
をプロセス制御システム２１に送るのに使用される。更
に、番号２３により表される純度設定点信号もまたプロ
セス制御システム２１への入力として使用される。純度
設定点信号は運転の生成物純度要件に依存して変更され
うる。
【００１７】従来型式のプロセスコンピュータシステム
やアナログコントロールシステムのようなプロセス制御
システム２１は、指定された需要条件に対して適正な圧
力及び／或いは流量条件に適宜の循回弁、吸引弁、変速
モータ等の調整により番号２５により表される適宜の機
械的なまた電気的な接続部により圧縮器を絞る（出力を
低減する）のに使用される容量制御装置２４に出力信号
を送るようにプログラム化されるか或いは設定される。
プロセスコンピュータシステムのようなプロセス制御シ
ステムは、プロセス用途における差異や膜性能における
改善等の結果として設定条件が変化するに際して、プロ
セス制御システムは異なった或いは修正されたプロセス
適用の新たな設計条件に合うように容易に再プログラム
化されうる点で高度に融通性がある。
【００１８】当業者は、所望の生成物純度が制御されて
いる膜システムにおいて生成物気体乃至液体を生成して
いる下流運転からの変動入力となる場合が多いことを理
解しよう。生成物流量が削減されるにつれ、生成物純度
は上昇し始め、そしてプロセス制御システムはこの上昇
を検知しそして圧縮器負荷を削減する。しかし、生成物
純度を主たる指標として使用することは、生成物の収集
とその純度の分析に関与する固有の時間の遅れの結果と
して幾つかの場合ある種の不安定要素をもたらす危険が
ある。対照的に、生成物の流量変化或いは生成物の圧力
変化の即時的な監視・検出を達成することは容易であ
る。
【００１９】一般に、入口圧縮器或いはポンプ手段の運
転は、生成物流量、生成物圧力及び／或いは生成物純度
の測定に基づいてまた必要とされる純度設定に基づいて
所望の純度における必要流量を生成するように変更され
うる。
【００２０】しかしながら、上記膜システムの需要量低
減中、システム運転圧力は図４に示されるように低下す
る。システム運転圧力が低下すると、その結果として透
過物流量が減少する。換言すれば、循回圧縮器或いはポ
ンプ手段１１及び／或いは１７に差し向けられる流体が
減少する。もし容積型圧縮器のような循回圧縮器或いは
ポンプ手段が一定の吸入容積において運転されておりそ
して透過物流量が減少すると、圧縮器の入口圧力もまた
低下して少量の流体にもっと大きな容積部を充填せしめ
ることになる。その結果、圧縮器を横切っての圧力比は
上昇しそして一層高い動力消費をもたらしそして生成物
気体の純度は変化を受けることになる。
【００２１】変動製品需要或いは需要低減条件中上記膜
システムの運転を向上するために、循回導管９及び／或
いは１６における透過物流体の圧力、流量及び／或いは
純度水準を監視しそして／または検出するための追加監
視及び／或いは検出手段２６が使用される。監視及び／
或いは検出手段２６は、流量計、ガス分析器及び／或い
は圧力センサでありうる。これら監視及び／或いは検出
手段のうち、圧力センサが最も好ましい。その理由は、
圧力センサが循回導管と関連する膜ユニット乃至モジュ
ールの透過物側における圧力変化の即時的な検出を実現
しうるからである。必要なら、監視及び／或いは検出手
段は、入力信号（プロセス変数信号）をプロセス制御シ
ステム２１に適宜の電気、機械、空圧或いは液圧式信号
送信手段２８を通して送るために従来型式の送信機２７
を持つことができる。需要のない若しくは少ない条件
中、透過物流体の圧力或いは流量が監視・検出される。
監視されそして／または検出された値に基づいて、送信
機は、相当するプロセス変数信号即ち透過物流体の圧力
及び／或いは流量に比例する信号をプロセス制御システ
ム２１に送る。プロセス制御システム２１はまた、プロ
セス変数信号を受取りそして相当する出力信号を適宜の
信号送信手段２９を通して循回圧縮器或いはポンプ手段
１１及び／或いは１７の容量を制御しまた調整するため
の制御手段３０に伝達するべく適応し（プログラム化、
設定等）、変動する生成物流体需要条件にまた循回圧縮
器或いはポンプ手段１１及び／或いは１７の入口に流入
する透過物流体の圧力或いは流量の減少に対処する。制
御手段３０は例えば、循回圧縮器の容量を調整するべく
圧縮器の排斥量或いは圧縮器の速度を制御する。圧縮器
の容量を調整することにより、循回圧縮器と流通状態に
ある膜ユニット乃至モジュールの透過物側は設定圧力に
維持されうる。これは結局、膜を横切っての所望の圧力
比の維持並びに需要のない若しくは少ない条件中の動力
消費の所望の低減を可能ならしめる。
【００２２】（例１） 例示的な空気分離操作において、図２の３段膜分離シス
テムを全需要条件において作動するように設計した。シ
ステムは、約１１．５５ｋｇ／ｃｍ２絶対圧（１６５ｐ
ｓｉａ）の空気供給圧力において作動しそして約３％の
酸素を含む約２８０ｍ３／ｈｒ標準状態（１０，０００
ｎｃｆｈ）の窒素を生成するように最適化した。もしシ
ステムが需要のない若しくは少ない条件期間約６０％の
容量で運転されるなら、設計空気流量の約６８容積％が
必要である。図４に示されるように、利用可能な膜面積
を完全使用しそして所望の純度水準を有する窒素を得る
ためには、約７．７ｋｇ／ｃｍ２絶対圧（１１０ｐｓｉ
ａ）の供給空気圧が必要とされる。図４は特定の空気供
給圧力と特定の空気流量と特定の膜設備設計との間の関
係を例示するが、需要低減中のその関係と結果は他の条
件組にも当てはまる。但し、図４の曲線の形状は異なっ
た条件組の下で幾分変化しよう。
【００２３】（例２） また別の例示具体例において、図２の膜システムを全需
要条件において、約１１．５５ｋｇ／ｃｍ２絶対圧（１
６５ｐｓｉａ）の空気供給圧力において作動しそして所
望の純度を有する約２８０ｍ３／ｈｒ標準状態（１０，
０００ｎｃｆｈ）の高純度窒素を生成するように最適化
した。５５％需要削減において、供給空気流量、高純度
窒素生成物流量及び生成物圧力を減少せしめた。しか
し、膜システム透過物第３段圧力は約１．０５ｋｇ／ｃ
ｍ２絶対圧（１５ｐｓｉａ）に維持した。高純度窒素生
成物の品質は表１に示すように変化しなかった。従っ
て、この循回圧縮器は最小動力で運転することができ
た。利用可能な膜面積も完全に活用した。
【００２４】
【表１】
【００２５】 表１において、左欄の表示は次の内容を示す： Ｙ０＝入口管路１に導入された空気の酸素濃度、 Ｐ０＝入口管路１に導入された空気の圧力、 Ｐ１＝入口圧縮器２で加圧された空気の圧力、 Ｆ６＝出口管路３２における高純度窒素生成物の流量、 Ｐ６＝出口管路３２における高純度窒素生成物の圧力、 Ｙ６＝出口管路３２における高純度窒素生成物の酸素濃度、 Ｆ７＝最終膜段１４の透過物側から流出する透過物流れの流量、及び Ｐ７＝最終膜段１４の透過物側から流出する透過物流れの圧力。
【００２６】図５もまた本発明の利益を例示する。例え
ば、図５は、本発明の使用なしに約６０％の容量で作動
する膜設備は本発明を使用する同じ設備より約１８％多
くの動力を使用することを示す。
【００２７】容量削減に際して達成されるエネルギー節
減量はまた本発明の実施において使用される圧縮設備の
型式にも依存する。使用される圧縮設備の型式に応じて
様々の容量制御手段が斯界で得られることが理解されよ
う。変速モータ、内部循回弁及び吸引弁アンローダーが
本発明に従って圧縮設備を絞るのに使用されうる市販装
置の例である。
【００２８】ここで記載した容量削減方法を広く様々の
流体分離操作において実施することは本発明の範囲内で
ある。そのうち、上述した窒素製造例のための空気分離
が削減条件と遭遇する例である。透過膜システムを流体
混合物から容易に透過しうる成分と透過しない成分とに
分離するのに有効に使用されるこうした操作の例として
は次のものがある。脱硫ユニットからの水素含有排ガス
が、本発明の透過膜操作及び需要低減容量制御方法にお
いて使用のためのまた別の供給流れの例である。アンモ
ニアパージガスからの水素の回収及び二酸化炭素とメタ
ンの分離が、本発明の需要低減容量制御方法を適宜の状
況において応用しうる別の工業流体分離操作の例であ
る。空気分離用途が便宜な大気圧での透過物酸素流れの
放出に関して記載されたが、本発明の様々な他の具体例
においては別の適当なそして好ましい圧力条件が関与し
よう。幾つかの場合、需要低減条件下で得られる供給物
圧力を利用することが望まれ、その場合、膜を横切って
の駆動力の減少は供給ガス圧力を減ずるよりも透過物圧
力を増大することにより達成される。達成される生成物
純度及び／或いは生成物回収量はもちろん与えられた膜
分離操作の全体的要件に依存して幾分変化しよう。
【００２９】本発明の容量低減コントロールは任意所望
の透過膜システムに関して使用されうる。使用される膜
材料は気体その他の流体混合物の透過し易い成分を選択
的に透過することのできる任意の適当な材料であれば良
く、例えばセルロースアセテート、セルロースアセテー
トブチレート等のようなセルロース誘導体、アリールポ
リアミド及びアリールポリイミドを含むポリアミド及び
ポリイミド、ポリスルフォン、ポリスチレン等を挙げる
ことができる。任意所望の形態の透過膜を使用すること
もまた本発明の範囲内であることを銘記すべきである。
かくして、透過膜は多孔質支持体層上に位置づけられる
膜の選択性及び透過性特性を決定する分離層を有する複
合体形態でありうる。比較的高密度の表面が膜の選択性
及び透過性特性を決定しそしてもっと多孔性の領域が支
持体を提供するような非対称型膜もまた使用することが
できる。他の形態の膜、例えば高密度膜もまた特定の用
途に対して有用である。本発明目的には、透過膜は平坦
なシート、中空ファイバー、らせん巻き乃至他の所望の
形態のような任意の所望の形態を取ることができ、中空
ファイバー膜が一般に好ましい。中空ファイバー或いは
他の所望の形態の膜材料は一般に、中空ファイバー束、
ひだ折平坦シート膜組立体、らせん巻きカートリッジを
含む膜モジュールに組み立てられる。膜モジュールは供
給物入口側と透過物出口側を具備し、導管手段が供給物
流れの非透過物部分の取りだしとその透過物部分の取り
出しを別々に行うために設けられる。こうしたシステム
はすべて本発明に従ってすべての作動条件下で据えつけ
膜表面積を完全に利用したまま有効に容量低減されう
る。
【００３０】
【発明の効果】今後需要の期待される多段膜システムに
おいて、膜を完全に有効利用しつつ、膜を横切っての所
望の圧力比の維持並びに需要のない若しくは少ない条件
中の動力消費の所望の低減を可能ならしめる。本発明を
使用する設備は、本発明の使用なしに約６０％の容量で
作動する同じ膜設備より約１８％の動力を節約する。
【００３１】本発明を特定の具体例と関連して説明した
が、本発明は本発明の範囲内での多くの変更例並びに均
等物を包含するものであることを銘記されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】需要のない或いは需要の少ない期間流体を効率
的に分離するために有用な多段膜システム並びにその関
連する制御手段の一例を示す流れ図である。
【図２】需要のない或いは需要の少ない期間流体を効率
的に分離するために有用な多段膜システム並びにその関
連する制御手段の別の例を示す流れ図である。
【図３】需要のない或いは需要の少ない期間流体を効率
的に分離するために有用な多段膜システム並びにその関
連する制御手段のまた別の例を示す流れ図である。
【図４】膜設備設計容量における需要減少にともない供
給空気流量及び圧力がどのように変化するかを例示する
グラフである。
【図５】図２の膜システムにおいてその関連する制御手
段を伴って或いは伴わずに空気を分離するための動力所
要量を例示する。
【符号の説明】
１ 入口管路 ２ 入口圧縮機或いは入口ポンプ手段 ３ 管路 ５ 第１段膜ユニット乃至モジュール ５ａ、５ｂ 非透過物側、透過物側 ８ 第２段膜ユニット乃至モジュール ８ａ、８ｂ 非透過物側、透過物側 ９ 循回導管 １１ 循回圧縮機或いはポンプ手段 １２ 循回膜ユニット乃至モジュール １２ａ、１２ｂ 非透過物側、透過物側 １３、３２ 出口管路 １４ 第３段膜ユニット乃至モジュール １６ 循回導管 １７ 循回圧縮機或いはポンプ手段 １９、２６ 監視及び／或いは検出手段 ２０ 送信器 ２１ プロセス制御システム ２２、２５ 接続部 ３１ 冷却手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−5309（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−72778（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−192530（ＪＰ，Ａ) 米国特許4130403（ＵＳ，Ａ) 米国特許5102432（ＵＳ，Ａ) 米国特許4264338（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B01D 53/22 B01D 61/58

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流体混合物から少なくとも一つの流体成
    分を分離することのできる多段透過膜装置にして、 （ａ）直列に接続された少なくとも３つの膜ユニット
    （５、８、１４）にして、該少なくとも３つの膜ユニッ
    トの各々が非透過物側と透過物側とを有する膜を備えそ
    して該膜が流体混合物の少なくとも一つの流体成分を該
    非透過物側から該透過物側へと透過させることができる
    膜ユニット、 （ｂ）流体混合物を前記少なくとも３つの膜ユニットの
    第１膜ユニットの非透過物側に導入するための流体入口
    手段（１、３）、 （ｃ）直列状態にある第２、第３及び／或いは最終膜ユ
    ニットの非透過物側から生成物流体を抜き出すための生
    成物出口手段（３２）、 （ｄ）前記第３及び／或いは最終膜ユニットの透過物側
    から前記直列に接続された膜ユニットの少なくとも一つ
    の非透過物側へと流体を通すための第１循回導管（１
    ６）と、前記第２膜ユニット（８）の透過物側から非透
    過物側と透過物側とを有する膜を備えそして該膜が流体
    混合物の少なくとも一つの流体成分を該非透過物側から
    該透過物側へと透過させることができる循回膜ユニット
    （１２）の非透過物側へと流体を通しそして後該循回膜
    ユニットの非透過物側から前記直列に接続された膜ユニ
    ットの少なくとも一つの非透過物側へと流体を通すため
    の第２循回導管（９）とから成る群から選択される循回
    導管手段、 （ｅ）前記第１循回導管において若しくは第２循回導管
    において流体をポンプ送給若しくは圧縮するための循回
    圧縮機或いはポンプ手段（１１、１７）、 （ｆ）前記循回圧縮機或いはポンプ手段の作動を制御し
    若しくは調整するための制御手段（３０）、 （ｇ）前記第１或いは第２循回導管において流体の圧
    力、流量及び／或いは純度を検出し若しくは監視するた
    めの検出或いは監視手段（２６）、及び （ｈ）前記検出或いは監視手段（２６）から検出し若し
    くは監視した前記第１或いは第２循回導管における流体
    の圧力、流量及び／或いは純度に相当するプロセス変数
    信号を受取りそして変動する生成物流体需要条件に対処
    するよう前記循回圧縮機或いはポンプ手段の容量を変更
    するべく該循回圧縮機或いはポンプ手段の作動を調整す
    るために相当する出力信号を前記制御手段（３０）に伝
    達し、それにより前記直列に接続された第２、第３及び
    ／或いは最終膜ユニットの透過物側において一定の圧力
    若しくは実質上一定の圧力を維持することのできる少な
    くとも一つのプロセス制御システムを備える多段透過膜
    装置。
  2. 【請求項２】 多段透過膜流体分離方法にして、 （ａ）流体供給物流れを膜を備える少なくとも一つの第
    １膜ユニット（５）に流体供給物のうちの少なくとも一
    つの流体成分を透過せしめて第１非透過物流れと透過物
    流れを生成するに充分の圧力において導入する段階と、 （ｂ）前記少なくとも一つの第１膜ユニットからの前記
    第１非透過物流れを前記少なくとも一つの第１膜ユニッ
    トと直列に接続された、膜を有する少なくとも一つの第
    ２膜ユニット（８）に第２非透過物流れと透過物流れを
    生成するに充分の圧力において通す段階と、 （ｃ）前記少なくとも一つの第２膜ユニット（８）から
    の第２透過物流れを、膜を備える少なくとも一つの循回
    膜ユニット（１２）に、循回非透過物流れと透過物流れ
    を生成するに充分の圧力を提供するように制御手段（３
    ０）を有する循回圧縮機或いはポンプ手段（１１）を経
    由して送給する段階と、 （ｄ）前記循回非透過物流れを前記流体供給物流れ、第
    １非透過物流れ及び／或いは第２非透過物流れと合流せ
    しめる段階と、 （ｅ）第２透過物流れの圧力、流量及び／或いは純度を
    監視しそして／または検出する段階と、 （ｆ）前記第２透過物流れの監視しそして／または検出
    した圧力、流量及び／或いは純度に相当するプロセス変
    数信号を、前記制御手段（３０）に対応する出力信号を
    送信することのできるプロセス制御装置（２１）に伝達
    して、前記循回圧縮機或いはポンプ手段（１１）の作動
    を制御する段階と、 （ｇ）生成物の需要の変更乃至低減に応答して前記少な
    くとも一つの第１膜ユニット（５）への流体供給物流れ
    の流量を変更し若しくは低減する段階と、 （ｈ）前記少なくとも一つの第２膜ユニット（８）の透
    過物側において一定の圧力乃至実質上一定の圧力を維持
    するよう、前記循回圧縮機或いはポンプ手段（１１）に
    向けて移動する第２透過物流れの監視しそして／または
    検出した圧力、流量及び／或いは純度に応答して前記制
    御手段（３０）により該循回圧縮機或いはポンプ手段
    （１１）の容量を調整し若しくは低減する段階と、 （ｉ）前記第２非透過物流れの予備選択された量を生成
    物として回収し若しくは該第２非透過物流れの予備選択
    された量を追加膜ユニット（１４）に通して更に精製さ
    れた生成物を回収する段階とを包含する多段透過膜流体
    分離方法。
  3. 【請求項３】 多段透過膜流体分離方法にして、 （ａ）流体供給物流れを、膜を備える少なくとも一つの
    第１膜ユニット（５）に流体供給物のうちの少なくとも
    一つの流体成分を透過せしめて第１非透過物流れと透過
    物流れを生成するに充分の圧力において導入する段階
    と、 （ｂ）前記少なくとも一つの第１膜ユニットからの前記
    第１非透過物流れを前記第１膜ユニットと直列に接続さ
    れた、膜を有する少なくとも一つの第２膜ユニット
    （８）に第２非透過物流れと透過物流れを生成するに充
    分の圧力において通す段階と、 （ｃ）前記少なくとも一つの第２膜ユニット（８）から
    の第２透過物流れを前記第２膜ユニットと直列に接続さ
    れた、膜を備える少なくとも一つの第３膜ユニット（１
    ４）に送給して第３非透過物流れと透過物流れを生成す
    る段階と、 （ｄ）第３透過物流れを、制御手段（３０）を有する循
    回圧縮機或いはポンプ手段（１７）を使用して循回し
    て、第２非透過物流れ、第１非透過物流れ及び／或いは
    前記流体供給物流れと合流せしめる段階と、 （ｅ）第３透過物流れの圧力、流量及び／或いは純度を
    監視しそして／または検出する段階と、 （ｆ）前記第３透過物流れの監視しそして／または検出
    した圧力、流量及び／或いは純度に相当するプロセス変
    数信号を前記制御手段に対応する出力信号を送信するこ
    とのできるプロセス制御装置（２１）に伝達して、前記
    循回圧縮機或いはポンプ手段（１７）の作動を制御する
    段階と、 （ｇ）生成物の需要の変更乃至低減に応答して前記少な
    くとも一つの第１膜ユニット（５）への流体供給物流れ
    の流量を変更し若しくは低減する段階と、 （ｈ）前記第３膜ユニットの透過物側において一定の圧
    力乃至実質上一定の圧力を維持するよう、前記循回圧縮
    機或いはポンプ手段に向けて移動する第３透過物流れの
    監視しそして／または検出した圧力、流量及び／或いは
    純度に応答して前記制御手段（３０）により該循回圧縮
    機或いはポンプ手段（１７）の容量を調整し若しくは低
    減する段階と、 （ｉ）前記少なくとも一つの第３膜ユニットからの第３
    非透過物流れの予備選択された量を取り出す段階とを包
    含する多段透過膜流体分離方法。
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