JP5830989B2 - Mixed gas separator - Google Patents

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Description

本発明は、複数のガス分離膜モジュールを有するガス分離装置において、簡便な方法により、2つの直列に接続されたガス分離膜ユニットを構成でき、かつ、各ガス分離膜ユニットに含まれるガス分離膜モジュールの本数を調整できるガス分離装置に関する。   The present invention provides a gas separation apparatus having a plurality of gas separation membrane modules, and can constitute two gas separation membrane units connected in series by a simple method, and the gas separation membranes included in each gas separation membrane unit The present invention relates to a gas separation device capable of adjusting the number of modules.

混合ガスの分離方法として、高分子膜に対するガスの透過速度の差を利用した膜分離法があり、例えば、ガス分離膜を有するガス分離膜モジュールを用いる方法が知られている。ガス分離膜モジュールは、ガス選択透過性を有するガス分離膜を、ガス供給口、透過ガス排出口、非透過ガス排出口とを備えた容器内に、ガス分離膜のガス供給側とガス透過側の空間が隔絶されるようにして装着したものである。図1は、少なくともガス分離膜に対する透過性が高いガス(高透過ガス)とガス分離膜に対する透過性が低いガス(低透過ガス)を含む混合ガスを、ガス分離膜モジュールで分離する際のガスの流れを示した模式図である。図1(A)はボアフィード型、図1(B)はシェルフィード型のガス分離膜モジュールの模式図である(詳細は後述する)。ガス分離膜モジュールのガス供給口11から供給された混合ガスは、ガス分離膜モジュール内の中空糸膜14に接して流れる間に、高透過ガスを多く含むガス(透過ガス)が中空糸膜14を透過し、高透過ガスをより少なく含む、透過しなかった残りのガス(非透過ガス)とに分離される。透過ガスは透過ガス排出口12から排出され、非透過ガスは非透過ガス排出口13から排出される。ガス分離膜モジュールから排出される非透過ガスと透過ガスは、用途に応じて、一方のみまたは両方回収される。   As a mixed gas separation method, there is a membrane separation method using a difference in gas permeation rate with respect to a polymer membrane. For example, a method using a gas separation membrane module having a gas separation membrane is known. The gas separation membrane module comprises a gas separation membrane having gas permselectivity in a container having a gas supply port, a permeate gas discharge port, and a non-permeate gas discharge port. It is installed so that the space is isolated. FIG. 1 shows a gas when a gas separation membrane module separates a mixed gas containing at least a gas with high permeability to a gas separation membrane (high permeability gas) and a gas with low permeability to a gas separation membrane (low permeability gas). It is the schematic diagram which showed the flow of. FIG. 1A is a schematic view of a bore feed type, and FIG. 1B is a schematic view of a shell feed type gas separation membrane module (details will be described later). While the mixed gas supplied from the gas supply port 11 of the gas separation membrane module flows in contact with the hollow fiber membrane 14 in the gas separation membrane module, a gas containing a high permeation gas (permeation gas) is hollow fiber membrane 14. Is separated into the remaining gas (non-permeate gas) that has not permeated and contains less highly permeable gas. The permeated gas is discharged from the permeated gas outlet 12, and the non-permeated gas is discharged from the non-permeated gas outlet 13. Only one or both of the non-permeate gas and the permeate gas discharged from the gas separation membrane module are recovered depending on the application.

そして、ガスを高濃度、高回収率で回収するため、多段階に分離膜モジュールを備えた装置を用いる方法が知られている(特許文献1、2、3等)。この方法は、例えば、一段目の分離膜モジュールのガス供給口へ原料である混合ガスを供給し、排出された透過ガスまたは非透過ガスを二段目の分離膜モジュールに供給して、高濃度の高透過ガスまたは低透過ガスを回収する方法である。また、処理量を向上させる方法として、分離膜モジュールを複数本並列に接続したユニットとし、このユニットを多段階に直列に接続した方法も知られている(特許文献2等)。   And in order to collect | recover gas with high concentration and a high recovery rate, the method of using the apparatus provided with the separation membrane module in multiple steps is known (patent documents 1, 2, 3, etc.). In this method, for example, a mixed gas as a raw material is supplied to the gas supply port of the first-stage separation membrane module, and the discharged permeated gas or non-permeated gas is supplied to the second-stage separation membrane module to obtain a high concentration. This is a method for recovering a high permeation gas or a low permeation gas. Further, as a method for improving the throughput, there is also known a method in which a plurality of separation membrane modules are connected in parallel, and the units are connected in series in multiple stages (Patent Document 2, etc.).

図2は、二段のユニットで非透過ガスを回収する従来のガス分離装置の一例である。一段目は混合ガス供給路(211)と透過ガス排出路(212)と非透過ガス回収路(213)の3本の流路と、3本のモジュール(221a、221b、221c)とを備え、流路211、212、213は、それぞれモジュール221a、221b、221cに分岐路を介して接続している。二段目は、一段目からの非透過ガスを供給する流路(215)と透過ガス排出路(216)と非透過ガス回収路(217)の3本の流路と、3本のモジュール(221d、221e、221f)とを備え、流路215、216、217は、それぞれモジュール221d、221e、221fに分岐路を介して接続している。さらに、流路213と流路215は流路214を介して連結されている。   FIG. 2 is an example of a conventional gas separation device that collects non-permeate gas in a two-stage unit. The first stage includes a mixed gas supply path (211), a permeate gas discharge path (212), a non-permeate gas recovery path (213), three flow paths, and three modules (221a, 221b, 221c), The flow paths 211, 212, and 213 are connected to the modules 221a, 221b, and 221c through branch paths, respectively. The second stage includes a flow path (215) for supplying the non-permeate gas from the first stage, three flow paths of a permeate gas discharge path (216) and a non-permeate gas recovery path (217), and three modules ( 221d, 221e, 221f), and the flow paths 215, 216, 217 are connected to the modules 221d, 221e, 221f via branch paths, respectively. Furthermore, the flow path 213 and the flow path 215 are connected via the flow path 214.

図2の装置においては、まず、供給口231から供給された混合ガスが、一段目の流路211から分岐路を通ってガス分離膜モジュール221a、221b、221cに供給され、各モジュール内で非透過ガスと透過ガスとに分離される。各モジュールの排出口から排出された非透過ガスは分岐路を通って非透過ガス回収路213に回収される。一方、透過ガスは透過ガス排出路212から排出される。   In the apparatus of FIG. 2, first, the mixed gas supplied from the supply port 231 is supplied from the first stage flow path 211 to the gas separation membrane modules 221a, 221b, and 221c through the branch path, Separated into permeate gas and permeate gas. The non-permeate gas discharged from the discharge port of each module is recovered in the non-permeate gas recovery path 213 through the branch path. On the other hand, the permeate gas is discharged from the permeate gas discharge path 212.

回収された一段目の非透過ガスは、流路214を通って、二段目のガス供給路215からガス分離膜モジュール221d、221e、221fに供給される。そして、これらガス分離膜モジュール内で分離され排出された非透過ガスは、非透過ガス回収路217から回収される。これにより、二段階で分離、濃縮された低透過ガスが得られる。一方、二段目のガス分離膜モジュールから排出された透過ガスは、流路216に供給された後、原料からの回収率を高めるため、流路218を通って、原料供給口へリサイクルされる。   The recovered first-stage non-permeating gas is supplied to the gas separation membrane modules 221d, 221e, and 221f from the second-stage gas supply path 215 through the flow path 214. Then, the non-permeate gas separated and discharged in these gas separation membrane modules is recovered from the non-permeate gas recovery path 217. Thereby, a low permeation gas separated and concentrated in two stages is obtained. On the other hand, the permeated gas discharged from the second-stage gas separation membrane module is supplied to the flow path 216 and then recycled to the raw material supply port through the flow path 218 in order to increase the recovery rate from the raw material. .

バイオガス等の混合ガスの分離においては、原料の組成や量および製品ガスの質や量の需要に応じ、分離膜モジュールを用いて分離・濃縮する際の条件の大幅な変更が求められる場合がある。しかし、図2で示した従来の方法では、分離膜モジュールの本数が固定されているため、条件変更を行う際、原料の供給圧力や温度等を変えることでしか対応できず条件の大幅な変更に追従できなかった。したがって、大幅な条件変更に柔軟に対応できるようガス分離装置の更なる改善が求められていた。   In the separation of mixed gases such as biogas, there may be cases where significant changes in conditions for separation and concentration using separation membrane modules are required depending on the composition and amount of raw materials and the quality and amount of product gas. is there. However, in the conventional method shown in FIG. 2, since the number of separation membrane modules is fixed, when changing the conditions, it can only be dealt with by changing the supply pressure, temperature, etc. of the raw material, and the conditions can be changed significantly. Could not follow. Therefore, further improvement of the gas separation apparatus has been demanded so as to flexibly cope with a large change in conditions.

特開2005−161187号公報JP 2005-161187 A 特開平7−748号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-748 特開2007−254572号公報JP 2007-254572 A

本発明は、上記問題を解決し、条件設定の変更を容易に行うことができるガス分離装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a gas separation device that can solve the above problems and can easily change the condition setting.

本発明は、以下の事項に関する。   The present invention relates to the following matters.

1. 3本以上のガス分離膜モジュールと、
全てのガス分離膜モジュールに接続される供給ガス用流路(流路1)と、
全てのガス分離膜モジュールに接続される非透過ガス用流路(流路3)と、
バルブと、
を備え;
前記バルブは、流路1および流路3上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられており、
流路1上のバルブおよび流路3上のバルブを、同じモジュール間において閉じることにより、原料ガスが供給される第1ガス分離膜ユニットおよびこれと直列に接続された第2ガス分離膜ユニットを構成でき、
各バルブの開閉を選択することにより、第1ガス分離膜ユニットおよび第2ガス分離膜ユニットを構成するそれぞれのガス分離膜モジュールの本数が調整可能であり;
さらに、第1のガス分離膜ユニットから回収された非透過ガスを第2のガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路(流路4)を備える、ガス分離装置。
1. Three or more gas separation membrane modules;
A supply gas flow path (flow path 1) connected to all gas separation membrane modules;
A non-permeate gas channel (channel 3) connected to all gas separation membrane modules;
A valve,
Comprising:
The valve is provided between the branch points connected to the gas separation membrane modules on the flow path 1 and the flow path 3,
By closing the valve on the flow path 1 and the valve on the flow path 3 between the same modules, the first gas separation membrane unit to which the source gas is supplied and the second gas separation membrane unit connected in series therewith are provided. Can be configured,
By selecting opening and closing of each valve, the number of gas separation membrane modules constituting the first gas separation membrane unit and the second gas separation membrane unit can be adjusted;
Furthermore, a gas separation apparatus comprising a gas flow path (flow path 4) for supplying the non-permeated gas recovered from the first gas separation membrane unit to the second gas separation membrane unit.

2. さらに、全てのガス分離膜モジュールに接続される透過ガス用流路(流路2)と、前記流路2上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられたバルブを備える、上記1に記載のガス分離装置。 2. Furthermore, a flow path for the permeated gas (flow path 2) connected to all the gas separation membrane modules and a valve provided between the branch points connected to the gas separation membrane modules on the flow path 2 are provided. 2. The gas separation device according to 1 above.

3. さらに、前記第2のガス分離膜ユニットから排出された透過ガスを、前記第1のガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路(流路5)を備える、上記2に記載のガス分離装置。 3. 3. The gas separation device according to 2 above, further comprising a gas flow path (flow path 5) for supplying the permeated gas discharged from the second gas separation membrane unit to the first gas separation membrane unit. .

4. さらに流路4上にバルブを有する、上記1または2に記載のガス分離装置。 4). 3. The gas separation device according to 1 or 2 above, further comprising a valve on the flow path 4.

5. さらに流路4および流路5上にバルブを有する、上記3に記載のガス分離装置。 5. 4. The gas separation device according to 3 above, further comprising a valve on the flow path 4 and the flow path 5.

6. さらに、前記流路4上に圧縮機を備える、上記1〜5のいずれか1項に記載のガス分離装置。 6). Furthermore, the gas separation apparatus of any one of said 1-5 provided with a compressor on the said flow path 4.

7. さらに、前記流路3が分岐した流路6を有し、該流路6により第2のガス分離膜ユニットから回収された非透過ガスの一部を、第1のガス分離膜ユニットおよび/または第2のガス分離膜ユニット中にパージガスとして供給できる、上記1〜6のいずれか1項に記載のガス分離装置。 7). Furthermore, the flow path 3 has a branched flow path 6, and a part of the non-permeated gas recovered from the second gas separation membrane unit by the flow path 6 is converted into the first gas separation membrane unit and / or 7. The gas separation device according to any one of 1 to 6, which can be supplied as a purge gas into the second gas separation membrane unit.

8. 上記1〜7のいずれか1項に記載のガス分離装置を、前記流路1および流路3上のそれぞれ1つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。 8). 8. A method for separating a mixed gas, wherein the gas separation device according to any one of 1 to 7 is used in a state in which one or more valves on the flow path 1 and the flow path 3 are closed between the same modules.

9. 上記2〜7のいずれか1項に記載のガス分離装置を、前記流路1、流路2、および流路3上のそれぞれ1つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。 9. The gas separation device according to any one of 2 to 7 above, wherein one or more valves on the flow channel 1, the flow channel 2, and the flow channel 3 are used in a closed state between the same modules. Gas separation method.

10. 上記4に記載のガス分離装置を、前記流路1および流路3上のガス分離膜モジュール間にあるバルブを全て開き、かつ、前記流路4上のバルブを閉じた状態で用いる、混合ガスの単段分離方法。 10. 5. A mixed gas in which the gas separation device according to 4 is used with all the valves between the gas separation membrane modules on the flow path 1 and the flow path 3 opened and the valves on the flow path 4 closed. Single-stage separation method.

11. 上記5に記載のガス分離装置を、前記流路1〜3上のガス分離膜モジュール間にあるバルブを全て開き、かつ、前記流路4および前記流路5上のバルブを閉じた状態で用いる、混合ガスの単段分離方法。 11. The gas separation device according to 5 is used in a state where all the valves between the gas separation membrane modules on the flow paths 1 to 3 are opened and the valves on the flow paths 4 and 5 are closed. , Single-stage separation method of mixed gas.

12. 3本以上のガス分離膜モジュールと、
全てのガス分離膜モジュールに接続される供給ガス用流路(流路1)と、
全てのガス分離膜モジュールに接続される透過ガス用流路(流路2)と、
バルブと、
を備え;
前記バルブは、流路1および流路2上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられており、
流路1上のバルブおよび流路2上のバルブを、同じモジュール間において閉じることにより、前記ガス分離装置は第1ガス分離膜ユニットおよび第2ガス分離膜ユニットを構成でき、かつ、
各バルブの開閉を選択することにより、第1ガス分離膜ユニットおよび第2ガス分離膜ユニットを構成するそれぞれのガス分離膜モジュールの本数が調整可能であり;
さらに、第1ガス分離膜ユニットから回収された透過ガスを第2ガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路(流路7)を備える、ガス分離装置。
12 Three or more gas separation membrane modules;
A supply gas flow path (flow path 1) connected to all gas separation membrane modules;
A permeating gas channel (channel 2) connected to all gas separation membrane modules;
A valve,
Comprising:
The valve is provided between the branch points connected to the gas separation membrane modules on the flow channel 1 and the flow channel 2,
By closing the valve on the flow path 1 and the valve on the flow path 2 between the same modules, the gas separation device can constitute a first gas separation membrane unit and a second gas separation membrane unit, and
By selecting opening and closing of each valve, the number of gas separation membrane modules constituting the first gas separation membrane unit and the second gas separation membrane unit can be adjusted;
Furthermore, a gas separation apparatus comprising a gas flow path (flow path 7) for supplying the permeated gas recovered from the first gas separation membrane unit to the second gas separation membrane unit.

13. さらに、全てのガス分離膜モジュールに接続される非透過ガス用流路(流路3)と、前記流路3上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられたバルブを備える、上記12に記載のガス分離装置。 13. Furthermore, a valve provided between a non-permeate gas flow channel (flow channel 3) connected to all gas separation membrane modules and a branch point connected to the gas separation membrane module on the flow channel 3 is provided. 13. The gas separation apparatus as described in 12 above.

14. さらに、第2ガス分離膜ユニットから排出された非透過ガスを第1ガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路(流路8)を備える、上記13に記載のガス分離装置。 14 Furthermore, the gas separation apparatus of said 13 provided with the gas flow path (flow path 8) for supplying the non-permeating gas discharged | emitted from the 2nd gas separation membrane unit to a 1st gas separation membrane unit.

15. 上記12〜14のいずれか1項に記載のガス分離装置を、前記流路1および流路2上のそれぞれ1つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。 15. 15. A method for separating a mixed gas, wherein the gas separation device according to any one of 12 to 14 is used with one or more valves on the flow channel 1 and the flow channel 2 being closed between the same modules.

16. 上記13または14に記載のガス分離装置を、前記流路1、流路2、および流路3上のそれぞれ1つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。 16. 15. A method for separating a mixed gas, wherein the gas separation device according to 13 or 14 is used in a state where one or more valves on the flow channel 1, the flow channel 2, and the flow channel 3 are closed between the same modules.

本発明は、複数のガス分離膜モジュールを有するガス分離装置において、簡便な方法により、2つの直列に接続されたガス分離膜ユニットを構成でき、かつ、各ガス分離膜ユニットに含まれるガス分離膜モジュールの本数を調整できる装置を提供する。これにより、原料ガスの組成や製品ガスの需要に応じて、ガス分離を行う条件設定を大きく変更できる。また、本発明のガス分離装置は、単段でガス分離を行う場合やパージガスを供給する場合にも容易に使用でき、更に柔軟な条件設定が可能である。   The present invention provides a gas separation apparatus having a plurality of gas separation membrane modules, and can constitute two gas separation membrane units connected in series by a simple method, and the gas separation membranes included in each gas separation membrane unit A device capable of adjusting the number of modules is provided. Thereby, the condition setting which performs gas separation can be changed greatly according to the composition of raw material gas and the demand for product gas. In addition, the gas separation apparatus of the present invention can be easily used when performing gas separation in a single stage or when supplying purge gas, and allows more flexible condition setting.

ボアフィード型ガス分離膜モジュール(A)およびシェルフィード型ガス分離膜モジュール(B)の構成の一例を示す。An example of a structure of a bore feed type gas separation membrane module (A) and a shell feed type gas separation membrane module (B) is shown. 従来のガス分離装置の構成の一例を示す。An example of the structure of the conventional gas separation apparatus is shown. 本発明のガス分離装置の一例を示す。An example of the gas separation apparatus of this invention is shown. 本発明のガス分離装置の一例を示す。An example of the gas separation apparatus of this invention is shown. 本発明のガス分離装置の一例を示す。An example of the gas separation apparatus of this invention is shown. 本発明のガス分離装置の一例を示す。An example of the gas separation apparatus of this invention is shown. 本発明のガス分離装置の一例を示す。An example of the gas separation apparatus of this invention is shown. 本発明のガス分離装置の一例を示す。An example of the gas separation apparatus of this invention is shown. 本発明のガス分離装置の一例を示す。An example of the gas separation apparatus of this invention is shown. 本発明のガス分離装置の一例を示す。An example of the gas separation apparatus of this invention is shown. 本発明のガス分離装置の一例を示す。An example of the gas separation apparatus of this invention is shown. 本発明のガス分離装置の一例を示す。An example of the gas separation apparatus of this invention is shown. 実施例のガス分離装置の概略図を示す。The schematic of the gas separation apparatus of an Example is shown.

<ガス分離装置の構造>
以下、本発明のガス分離装置について詳細に説明する。本発明は、ガス分離膜に対する透過性が低い低透過ガスを分離・濃縮する装置、およびガス分離膜に対する透過性が高い高透過ガスを分離・濃縮する装置のいずれにも関する。図3〜図12は、本発明のガス分離装置の構成の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。図3〜図10は、非透過ガス側を2段で回収する態様の例であり、図11、図12は透過ガス側を2段で回収する態様の例である。
<Structure of gas separator>
Hereinafter, the gas separation apparatus of the present invention will be described in detail. The present invention relates to both an apparatus for separating and concentrating a low permeable gas having low permeability to a gas separation membrane and an apparatus for separating and concentrating a highly permeable gas having high permeability to a gas separation membrane. Although FIGS. 3-12 shows the specific example of a structure of the gas separation apparatus of this invention, this invention is not limited to these. 3 to 10 are examples of aspects in which the non-permeate gas side is recovered in two stages, and FIGS. 11 and 12 are examples of aspects in which the permeate gas side is recovered in two stages.

以下の実施態様におけるガス分離膜モジュールは、中空糸膜によって構成されている分離膜モジュールを例に説明する。中空糸膜によって構成されているガス分離膜モジュールとしては、いわゆるボアフィード型とシェルフィード型が知られている。例えば、ボアフィード型のガス分離膜モジュールにおいては、図1(A)に示すように中空糸膜の多数本(例えば、数百本から数十万本)を集束して中空糸束とし、その中空糸束を、少なくともガス供給口(11)、透過ガス排出口(12)、及び非透過ガス排出口(13)を有する容器(15)内に収納し、その中空糸束の両方の端部をエポキシ樹脂のような硬化性樹脂やポリアミド樹脂のような熱可塑性樹脂などで前記端部において中空糸膜が開口状態となるように容器15に固着して管板16aおよび16bを構成し、ガス供給口(11)からガスが供給されて中空糸膜(14)の内側を通って非透過ガス排出口(13)へ通じる空間(ガス非透過側)と、中空糸膜(14)の外側から透過ガス排出口(12)へ通じる空間(ガス透過側)とが隔絶するように構成されている。容器は、例えば、ステンレスなどの金属材料、プラスチック材料、繊維強化プラスチック材料などの複合材料で製造される。シェルフィード型ガス分離膜モジュールにおいては、例えば、図1(B)に示すように、中空糸束の一方の端部に管板が構成されており、ガス供給口(11)からガスが供給され非透過ガス排出口(13)へ通じるガス非透過側の空間が、中空糸膜(14)の外側であり、透過側排出口(12)へ通じるガス透過側の空間が、中空糸膜(14)の内側に構成されている。なお、以下の記載において、ガス分離膜モジュールを単にモジュールと記載することもある。   The gas separation membrane module in the following embodiment will be described by taking a separation membrane module constituted by a hollow fiber membrane as an example. As gas separation membrane modules constituted by hollow fiber membranes, so-called bore feed type and shell feed type are known. For example, in a bore feed type gas separation membrane module, as shown in FIG. 1 (A), a large number of hollow fiber membranes (for example, several hundred to several hundred thousand) are converged to form a hollow fiber bundle. The hollow fiber bundle is accommodated in a container (15) having at least a gas supply port (11), a permeate gas discharge port (12), and a non-permeate gas discharge port (13), and both ends of the hollow fiber bundle. Are fixed to the container 15 with a curable resin such as an epoxy resin or a thermoplastic resin such as a polyamide resin so that the hollow fiber membrane is open at the end portion to form the tube plates 16a and 16b. A space (gas non-permeate side) through which gas is supplied from the supply port (11) and passes through the inside of the hollow fiber membrane (14) to the non-permeate gas discharge port (13), and from the outside of the hollow fiber membrane (14) Space leading to the permeate gas outlet (12) (gas permeation ) And is configured to isolate. A container is manufactured with composite materials, such as metal materials, such as stainless steel, a plastic material, and a fiber reinforced plastic material, for example. In the shell feed type gas separation membrane module, for example, as shown in FIG. 1 (B), a tube plate is formed at one end of the hollow fiber bundle, and gas is supplied from the gas supply port (11). The gas non-permeate side space leading to the non-permeate gas outlet (13) is outside the hollow fiber membrane (14), and the gas permeate side space leading to the permeate side exhaust port (12) is the hollow fiber membrane (14 ) Is configured inside. In the following description, the gas separation membrane module may be simply referred to as a module.

<実施形態1>
図3のガス分離装置は、原料ガス供給口側を上流として、上流から下流へ一方向に並んだ6本のガス分離膜モジュール(341a〜341f)、供給ガス用流路(流路1)(311)、透過ガス用流路(流路2)(312)、非透過ガス用流路(流路3)(313)を備えている。流路1(311)、流路2(312)および流路3(313)は、それぞれ分岐点から分岐した分岐路を有し、この分岐路を介して各流路が6本のモジュールすべてに接続している。以下の説明では、モジュールの配置について、原料供給口に近い方を上流、遠い方を下流とする。すなわち、モジュール341aを最上流のモジュール、モジュール341fを最下流のモジュールとする。
<Embodiment 1>
The gas separation device of FIG. 3 has six gas separation membrane modules (341a to 341f) arranged in one direction from the upstream to the downstream with the source gas supply port side as an upstream, and a supply gas flow channel (flow channel 1) ( 311), a permeate gas channel (channel 2) (312), and a non-permeate gas channel (channel 3) (313). The channel 1 (311), the channel 2 (312), and the channel 3 (313) each have a branch path branched from a branch point, and each flow path is connected to all six modules via the branch path. Connected. In the following description, with respect to the arrangement of the modules, the direction closer to the raw material supply port is the upstream side, and the far side is the downstream side. That is, the module 341a is the most upstream module, and the module 341f is the most downstream module.

図3のガス分離装置の各流路においては、さらに、上記分岐点の間にそれぞれバルブが設けられている。すなわち、流路1上に5つのバルブ(321a〜321e)、流路2上に5つのバルブ(322a〜322e)、流路3上に5つのバルブ(323a〜323e)が設けられている。なお、図3〜図12において、黒塗りのバルブは閉じられていることを表し、白抜きのバルブは開けられていることを表す。   In each flow path of the gas separation device in FIG. 3, a valve is further provided between the branch points. That is, five valves (321a to 321e) are provided on the flow path 1, five valves (322a to 322e) are provided on the flow path 2, and five valves (323a to 323e) are provided on the flow path 3. In FIGS. 3 to 12, a black valve indicates that the valve is closed, and a white valve indicates that the valve is open.

ここで、図3においては、モジュール341bとモジュール341cとの間にある3つのバルブ(黒塗りの321b、322b、323b)が閉じられた場合が例示されている。これにより、流路1〜3はモジュール341bとモジュール341cとの間でそれぞれ分断される。そして、ガス分離装置内には、2本のガス分離膜モジュール(341aと341b)を含む第1のガス分離膜ユニット(301)と、4本のガス分離膜モジュール(341c〜341f)とを含む第2のガス分離膜ユニット(302)が構成される。バルブの開閉の際は、各ユニット間の透過ガスまたは非透過ガスが混合しないように、各流路上のバルブを同じモジュール間において閉じる(例えば、図3において、321b、322b、323bを閉じているように、各流路上の同じアルファベットを含むバルブを閉じる)。なお、以下の記載において、ガス分離膜ユニットを単にユニットと記載することもある。   Here, FIG. 3 illustrates a case where three valves (black 321b, 322b, 323b) between the module 341b and the module 341c are closed. Thereby, the flow paths 1-3 are each divided | segmented between the module 341b and the module 341c. The gas separation device includes a first gas separation membrane unit (301) including two gas separation membrane modules (341a and 341b) and four gas separation membrane modules (341c to 341f). A second gas separation membrane unit (302) is configured. When opening and closing the valves, the valves on each flow path are closed between the same modules so that the permeation gas or non-permeation gas between the units is not mixed (for example, in FIG. 3, 321b, 322b, and 323b are closed). Close the valve containing the same alphabet on each flow path). In the following description, the gas separation membrane unit may be simply referred to as a unit.

さらに、図3のガス分離装置は、流路4(314)と流路5(315)とを備える。流路4(314)は、流路3(313)上の分岐点(381)と、流路1(311)上の分岐点(382)とを連結する。分岐点(381)は、最上流のモジュール341aへの分岐路(333a)に分岐する流路3上の分岐点であり、分岐点(382)は、最下流のモジュール341fへの分岐路(331f)に分岐する流路1上の分岐点である。流路5(315)は、流路2(312)上の分岐点(383)と、流路1(311)上の点(384)とを連結する。分岐点(383)は、最下流のモジュール341fへの分岐路(332f)に分岐する流路2上の分岐点であり、点(384)は、流路1(311)上の原料供給口(351)より下流側で、かつ、最上流のモジュール341aへの分岐路(331a)に分岐する分岐点(371)より上流側に位置する点である。   Further, the gas separation device of FIG. 3 includes a flow path 4 (314) and a flow path 5 (315). The flow path 4 (314) connects the branch point (381) on the flow path 3 (313) and the branch point (382) on the flow path 1 (311). The branch point (381) is a branch point on the flow path 3 that branches to the branch path (333a) to the most upstream module 341a, and the branch point (382) is a branch path (331f to the most downstream module 341f). ) Is a branching point on the flow path 1 that branches off. The flow path 5 (315) connects the branch point (383) on the flow path 2 (312) and the point (384) on the flow path 1 (311). The branch point (383) is a branch point on the flow path 2 that branches to the branch path (332f) to the most downstream module 341f, and the point (384) is a raw material supply port (311) on the flow path 1 (311). 351) is located downstream from the branch point (371) branching to the branch path (331a) to the most upstream module 341a.

原料である混合ガスは、まず、供給口351から圧縮機361により加圧されて流路1(311)に供給され、上記第1ユニット内のモジュール(341aと341b)内の中空糸膜の内部を通過する。モジュール内で、混合ガスは、中空糸膜を透過したガス(透過ガス)と、中空糸膜を透過せずそのまま通過したガス(非透過ガス)とに分離され、非透過ガスは流路3(313)内に回収される。一方、透過ガスは流路2(312)を通って排出口352から排出または回収される。   The mixed gas as the raw material is first pressurized by the compressor 361 from the supply port 351 and supplied to the flow path 1 (311), and the inside of the hollow fiber membrane in the module (341a and 341b) in the first unit. Pass through. In the module, the mixed gas is separated into a gas that has permeated through the hollow fiber membrane (permeate gas) and a gas that has passed through the hollow fiber membrane without passing through it (non-permeate gas). 313). On the other hand, the permeate gas is discharged or collected from the discharge port 352 through the flow path 2 (312).

ここで、モジュール341aを通過するガスの流れについて説明する。供給口351から供給された原料の混合ガスは、流路1(311)上の分岐点(371)からの分岐路を通って、モジュール341aの中空糸膜内部に連通する供給口(372)からモジュール内に供給される。モジュール341a内の中空糸膜内をそのまま通過した非透過ガスは、モジュール341aの排出口(374)から排出され、分岐路を通って流路3(313)内に供給される。一方、透過ガスは、モジュール341aの排出口(373)から排出され、分岐路を通って流路2(312)に供給され、排出口352から排出される。この透過ガスは必要に応じて回収されてもよい。また、第1ユニットを構成するもう1本のモジュール341bにおけるガスの流れもモジュール341aと同様である。   Here, the flow of gas passing through the module 341a will be described. The mixed gas of the raw material supplied from the supply port 351 passes through the branch path from the branch point (371) on the flow path 1 (311) and from the supply port (372) communicating with the inside of the hollow fiber membrane of the module 341a. Supplied in the module. The non-permeating gas that has passed through the hollow fiber membrane in the module 341a as it is is discharged from the discharge port (374) of the module 341a, and is supplied into the flow path 3 (313) through the branch path. On the other hand, the permeated gas is discharged from the discharge port (373) of the module 341a, supplied to the flow path 2 (312) through the branch path, and discharged from the discharge port 352. This permeate gas may be recovered as required. Further, the gas flow in the other module 341b constituting the first unit is the same as that of the module 341a.

第1ユニットから流路3(313)に供給された非透過ガスは、流路4(314)を通って、第2ユニット内の流路1(311)に供給され、流路1の各分岐路から第2ユニット内のモジュール(341c〜341f)に供給される。そして、モジュール(341c〜341f)内の中空糸膜により、非透過ガスと透過ガスに分離され、非透過ガスは、流路3(313)内に供給され、回収口(354)から回収される。一方、透過ガスは、流路2(312)内に供給される。   The non-permeating gas supplied from the first unit to the flow path 3 (313) passes through the flow path 4 (314) and is supplied to the flow path 1 (311) in the second unit. It is supplied from the road to the modules (341c to 341f) in the second unit. Then, the hollow fiber membranes in the modules (341c to 341f) separate the non-permeate gas and the permeate gas, and the non-permeate gas is supplied into the flow path 3 (313) and recovered from the recovery port (354). . On the other hand, the permeating gas is supplied into the flow path 2 (312).

ここで、モジュール341fを通過するガスの流れについて説明する。第1ユニットから回収された非透過ガスは、流路4(314)を通って流路1に供給され、流路1からの分岐路を通ってモジュール341fの供給口(375)からモジュール341f内に供給される。モジュール341f内の中空糸膜内をそのまま通過した非透過ガスは、モジュール341fの排出口(377)から排出され分岐路を通って流路3内に供給され、回収口(354)から回収される。一方、モジュール341fからの透過ガスは排出口376から排出され分岐路を通って流路2(312)に供給される。また、第2ユニットを構成する他のモジュール341c〜341eにおけるガスの流れもモジュール341fと同様である。   Here, the flow of gas passing through the module 341f will be described. The non-permeating gas recovered from the first unit is supplied to the flow path 1 through the flow path 4 (314), passes through the branch path from the flow path 1, and enters the module 341f from the supply port (375) of the module 341f. To be supplied. The non-permeate gas that has passed through the hollow fiber membrane in the module 341f as it is is discharged from the discharge port (377) of the module 341f, supplied to the flow path 3 through the branch path, and recovered from the recovery port (354). . On the other hand, the permeated gas from the module 341f is discharged from the discharge port 376 and supplied to the flow path 2 (312) through the branch path. The gas flow in the other modules 341c to 341e constituting the second unit is the same as that of the module 341f.

モジュール341c〜341fから排出される透過ガスは、上記のように分岐路を通って流路2(312)内に供給され、続いて、流路2(312)に連結した流路5(315)を通って流路1(311)上の点(384)から第1ユニットに供給される(すなわち、リサイクルされる)。このように透過ガスをリサイクルすることにより、原料からのガスの回収率を高めることができる。例えば、メタンガスと炭酸ガスを主成分として含むバイオガスを分離する場合、非透過ガスとして回収される低透過ガスであるメタンガスの回収率を高めるために、第2ユニットから排出された透過ガスを再度第1ユニットへ供給(リサイクル)することが好ましい。   The permeated gas discharged from the modules 341c to 341f is supplied into the flow path 2 (312) through the branch path as described above, and subsequently, the flow path 5 (315) connected to the flow path 2 (312). And is supplied to the first unit from the point (384) on the flow path 1 (311) (that is, recycled). By recycling the permeated gas in this way, the recovery rate of the gas from the raw material can be increased. For example, when separating biogas containing methane gas and carbon dioxide as main components, in order to increase the recovery rate of methane gas, which is a low permeate gas recovered as a non-permeate gas, the permeate gas discharged from the second unit is again used. It is preferable to supply (recycle) the first unit.

このように、本発明のガス分離措置においては、第1ガス分離膜ユニットと、第2ガス分離膜ユニットが直列に接続されているため、原料の混合ガスから2段階のガス分離工程を経て、高濃度の低透過ガスを回収することができる。そして、本発明においては、流路1、2、3の各分岐点の間にバルブを有しているので、設定条件によりバルブの開閉を選択し、第1のユニットと第2のユニットを構成するそれぞれのモジュールの本数を調整することが可能である。図4、図5はバルブの選択を変更して、第1ユニットと第2ユニットを構成するモジュールの本数を調整した一例である。   As described above, in the gas separation measure of the present invention, the first gas separation membrane unit and the second gas separation membrane unit are connected in series, so that the mixed gas of the raw material undergoes a two-stage gas separation step, A high concentration low permeation gas can be recovered. And in this invention, since it has a valve | bulb between each branch point of the flow paths 1, 2, and 3, it selects opening and closing of a valve by setting conditions, and comprises a 1st unit and a 2nd unit It is possible to adjust the number of each module. 4 and 5 show an example in which the number of modules constituting the first unit and the second unit is adjusted by changing the selection of the valves.

図4は、図3と同様のガス分離装置において、閉じるバルブを321c、322cおよび323cに変更したことにより、第1ユニットも第2ユニットも3本のモジュールを含む構成となった場合を示す。このように、本発明によると、開閉するバルブを変更するのみで、各ユニットに含まれるモジュール数を簡便に調整することが可能である。   FIG. 4 shows a case where the first unit and the second unit include three modules by changing the closing valve to 321c, 322c, and 323c in the same gas separation apparatus as FIG. Thus, according to the present invention, it is possible to easily adjust the number of modules included in each unit only by changing the valve to be opened and closed.

図5は、図3と同様のガス分離装置において、6つのバルブ321b、322b、323b、321c、322cおよび323cを閉じたことにより、モジュール341cにはガスが供給されず、第1のユニットは、モジュール2本(341aと341b)を含み、第2のユニットは、モジュール3本(341d、341e、341f)を含む構成となった場合を示す。このように、本発明のガス分離装置は、製品需要に合わせて使用するモジュールの本数を減らすことも可能であり、より広い条件に適合することが可能である。   FIG. 5 shows that in the gas separation apparatus similar to FIG. 3, the gas is not supplied to the module 341c by closing the six valves 321b, 322b, 323b, 321c, 322c and 323c, and the first unit is A case where two modules (341a and 341b) are included and the second unit includes three modules (341d, 341e, 341f) is shown. As described above, the gas separation device of the present invention can reduce the number of modules used in accordance with the product demand, and can be adapted to a wider range of conditions.

<実施形態2>
図6は、図3のガス分離装置の構成要素のうち、流路5を有しないガス分離装置を示す。この場合、第2ユニットから排出された透過ガスがリサイクルされず、排出口353から排出される以外は、上記実施形態1と同様である。また、上記実施形態1と同様、第1ユニットと第2ユニットを構成するモジュールの本数はバルブの開閉の選択のみにより簡便に調整可能である。図6の装置において、第1ユニットおよび第2ユニットからのいずれの透過ガスも回収せずに排出する場合、または、第1ユニットおよび第2ユニットからの透過ガスを併せて回収する場合は、流路2(312)が分断されなくてもよいため、流路2(312)上のバルブ(322a、322b、322c、322d、322e)を閉じなくてもよく、また、これらバルブを設けなくてもよい。全ての透過ガスを回収せずに排出する場合には、流路2(312)を設けなくても良い。
<Embodiment 2>
FIG. 6 shows a gas separation device that does not have the flow path 5 among the components of the gas separation device of FIG. In this case, it is the same as in Embodiment 1 except that the permeated gas discharged from the second unit is not recycled and is discharged from the discharge port 353. As in the first embodiment, the number of modules constituting the first unit and the second unit can be easily adjusted only by selecting whether to open or close the valve. In the apparatus of FIG. 6, when any permeate gas from the first unit and the second unit is discharged without being recovered, or when the permeate gas from the first unit and the second unit is recovered together, Since the path 2 (312) does not have to be divided, the valves (322a, 322b, 322c, 322d, 322e) on the flow path 2 (312) need not be closed, and these valves need not be provided. Good. If all the permeate gas is discharged without being collected, the flow path 2 (312) may not be provided.

<実施形態3>
図7は、図3のガス分離装置の構成要素に加え、さらに流路4上に圧縮機(362)が設けられた装置を示す。これにより、第1のユニットから回収された非透過ガスを、圧縮機により加圧された状態で第2のユニットに供給することができる。実施形態3においても、上記実施形態1と同様に、バルブの開閉の選択により各ユニットを構成するモジュールの本数を簡便に調整できる。また、実施形態2のように、流路5を有しない構成であってもよい。
<Embodiment 3>
FIG. 7 shows an apparatus in which a compressor (362) is provided on the flow path 4 in addition to the components of the gas separation apparatus of FIG. Thereby, the non-permeating gas recovered from the first unit can be supplied to the second unit while being pressurized by the compressor. Also in the third embodiment, as in the first embodiment, the number of modules constituting each unit can be easily adjusted by selecting the opening and closing of the valve. Moreover, the structure which does not have the flow path 5 like Embodiment 2 may be sufficient.

<実施形態4>
図8は、単段でガス分離を行うこともできる装置であり、図3のガス分離装置の構成要素に加え、2つのバルブ(324、325)が設けられている。このバルブ324と325を閉じることにより、流路1、2、3内にはガスが通過するが、流路4および流路5にはガスが通過しない構造となる。バルブ324は流路1と流路4との連結を分断できればよく、流路4上に設けられる。バルブ325は流路2と流路5との連結が分断できればよく、流路5上に設けられる。バルブ324と325を閉じて、他のバルブは開いた状態にすると、2つのユニットは構成されず、全モジュールを用いた単段のガス分離装置とすることができる。このように、本発明のガス分離装置は、バルブの開閉の選択のみで、実施形態1で説明した2段構成の使用に加えて単段での使用も可能である。
<Embodiment 4>
FIG. 8 is a device that can perform gas separation in a single stage, and is provided with two valves (324, 325) in addition to the components of the gas separation device of FIG. By closing the valves 324 and 325, gas passes through the flow paths 1, 2, and 3, but gas does not pass through the flow paths 4 and 5. The valve 324 may be provided on the flow path 4 as long as the connection between the flow path 1 and the flow path 4 can be cut off. The valve 325 is provided on the flow path 5 as long as the connection between the flow path 2 and the flow path 5 can be cut off. When the valves 324 and 325 are closed and the other valves are opened, the two units are not configured, and a single-stage gas separation device using all modules can be obtained. As described above, the gas separation device of the present invention can be used in a single stage in addition to the use of the two-stage configuration described in the first embodiment only by selecting whether to open or close the valve.

<実施形態5>
図9、図10は、第2ユニットから回収された非透過ガス(製品ガス)の一部をパージガスとして使用することができるガス分離装置を示す。図9および図10においては、上記図3の装置の構成要素に加え、さらに流路3(313)の第2ユニット側(第2ユニットの非透過ガス回収口側)が分岐した流路6(316)を有している。流路6は、分岐路を介して各モジュール内の中空糸膜の透過側(外側)に連通するパージガス供給口に接続している。そして、流路6上のモジュールへの分岐点の間にはそれぞれバルブが設けられており(326a〜326e)、さらに、2つのバルブ327と328が設けられている。
<Embodiment 5>
9 and 10 show a gas separation apparatus that can use a part of the non-permeated gas (product gas) recovered from the second unit as a purge gas. 9 and 10, in addition to the components of the apparatus of FIG. 3, a flow path 6 (a second unit side of the flow path 3 (313) (a non-permeate gas recovery port side of the second unit) is branched. 316). The flow path 6 is connected to a purge gas supply port communicating with the permeation side (outside) of the hollow fiber membrane in each module via a branch path. Valves are provided between the branch points to the modules on the flow path 6 (326a to 326e), and two valves 327 and 328 are further provided.

図9に、第2ユニットから回収された非透過ガスの一部を第2ユニットのパージガスとして使用する状態を示す。バルブ326a〜326eのうち、流路1〜3上のバルブと同じモジュール間のバルブ(黒塗りの326b)が閉じられて流路6がモジュール341bと341cの間で分断されている。さらに、バルブ327が開けられ、バルブ328が閉じられている。これにより、第2ユニットから回収された非透過ガスの一部が、第2ユニットを構成する4本のモジュール(341c〜341f)内のガス分離膜の透過側にパージガスとして供給される。   FIG. 9 shows a state in which a part of the non-permeated gas recovered from the second unit is used as the purge gas for the second unit. Among the valves 326a to 326e, the valve between the same modules as the valves on the flow paths 1 to 3 (black 326b) is closed, and the flow path 6 is divided between the modules 341b and 341c. Further, the valve 327 is opened and the valve 328 is closed. Thereby, a part of the non-permeating gas recovered from the second unit is supplied as a purge gas to the permeation side of the gas separation membrane in the four modules (341c to 341f) constituting the second unit.

一方、図10に示す使用状態では、バルブ327と238の開閉が図9の場合と逆で、バルブ327が閉じられ、バルブ328が開けられている。これにより、第2ユニットから回収された非透過ガスの一部が、第1ユニットを構成する2本のモジュール(341aと341b)内のガス分離膜の透過側にパージガスとして供給される。   On the other hand, in the use state shown in FIG. 10, the opening and closing of the valves 327 and 238 is opposite to the case of FIG. 9, and the valve 327 is closed and the valve 328 is opened. Thereby, a part of the non-permeating gas recovered from the second unit is supplied as a purge gas to the permeation side of the gas separation membrane in the two modules (341a and 341b) constituting the first unit.

図9および図10の装置においても、他の実施形態と同様、バルブの開閉を選択することにより、簡便に各ユニットを構成するモジュールの本数を調整できる。   Also in the apparatus of FIG. 9 and FIG. 10, the number of modules constituting each unit can be easily adjusted by selecting the opening and closing of the valve as in the other embodiments.

<実施形態6>
図11は、透過ガスを2段で分離・濃縮する装置である。この装置は、高透過ガスを製品として得る目的に使用することができるが、低透過ガスを製品として得る場合において、低透過ガスの回収率を上げる目的に使用することもできる。図11の装置は、6本のガス分離膜モジュール(341a〜341f)、供給ガス用流路(流路1)(311)、透過ガス用流路(流路2)(312)、非透過ガス用流路(流路3)(313)およびバルブを、図3の装置と同様に備えている。さらに、図11の装置は、図3の装置内の流路4に代えて、流路7(317)を備える。流路7は、流路2(312)上の最上流のモジュール341aへの分岐点と、流路1(311)上の最下流のモジュール341fへの分岐点とを連結する。流路7上には圧縮機(363)が設けられていることが好ましい。
<Embodiment 6>
FIG. 11 shows an apparatus that separates and concentrates permeate gas in two stages. This apparatus can be used for the purpose of obtaining a high permeation gas as a product, but can also be used for the purpose of increasing the recovery rate of the low permeation gas when obtaining a low permeation gas as a product. The apparatus of FIG. 11 includes six gas separation membrane modules (341a to 341f), a supply gas channel (channel 1) (311), a permeate gas channel (channel 2) (312), and a non-permeate gas. The flow path (flow path 3) (313) and valve | bulb are provided similarly to the apparatus of FIG. Furthermore, the apparatus of FIG. 11 includes a flow path 7 (317) instead of the flow path 4 in the apparatus of FIG. The flow path 7 connects the branch point to the most upstream module 341a on the flow path 2 (312) and the branch point to the most downstream module 341f on the flow path 1 (311). A compressor (363) is preferably provided on the flow path 7.

第1ユニット内のモジュール(341a、341b)から排出された透過ガスは、流路2(312)に供給された後、流路7(317)を通って第2ユニット内のモジュール(341c〜341f)の中空糸膜内部に連通する供給口に供給される。第2ユニット内のモジュールから排出された透過ガスは、流路2の排出口(353)から回収される。これにより、2段階で濃縮された高濃度の高透過ガスが得られる。   The permeated gas discharged from the modules (341a, 341b) in the first unit is supplied to the flow path 2 (312), and then passes through the flow path 7 (317) to the modules (341c to 341f) in the second unit. ) In the hollow fiber membrane. The permeated gas discharged from the module in the second unit is recovered from the discharge port (353) of the flow path 2. As a result, a high-concentration, high-permeation gas concentrated in two stages is obtained.

非透過ガスについては、第1ユニットから排出された非透過ガス、第2ユニットから排出された非透過ガスをそれぞれ排出口355、354から別々に回収してもよいし、どちらか一方のみ回収してもよい。また、第1ユニットおよび第2ユニットからの非透過ガスを併せて回収する場合、または、いずれの非透過ガスも回収せずに排出する場合は、流路3上のバルブ(323a〜323e)を閉じなくてもよく、また、これらバルブを設けなくてもよい。全ての非透過ガスを回収せずに排出する場合には、流路3(313)を設けなくてもよい。   As for the non-permeate gas, the non-permeate gas discharged from the first unit and the non-permeate gas discharged from the second unit may be recovered separately from the exhaust ports 355 and 354, respectively, or only one of them may be recovered. May be. Further, when collecting the non-permeating gas from the first unit and the second unit together, or when discharging the non-permeating gas without collecting the non-permeating gas, the valves (323a to 323e) on the flow path 3 are set. It does not have to be closed and these valves need not be provided. If all the non-permeating gas is discharged without being collected, the flow path 3 (313) may not be provided.

図11のガス分離装置においても実施態様1と同様、バルブの開閉の選択のみで、第1ユニットおよび第2ユニットを構成するモジュールの本数を簡便に調整できる。また、実施態様4および5と同様、さらにバルブを設けることにより、単段で使用したり、パージガスを供給したりすることもできる。   In the gas separation device of FIG. 11 as well, as in the first embodiment, the number of modules constituting the first unit and the second unit can be easily adjusted simply by selecting whether to open or close the valve. Further, similarly to Embodiments 4 and 5, by providing a valve, it can be used in a single stage or a purge gas can be supplied.

<実施形態7>
図12は、図11のガス分離装置の構成要素に加えて、流路8(318)を備えた装置である。流路8は、流路3上の最下流のモジュール341fへの分岐点と、流路1上の原料供給口351と最上流のモジュール341aへの分岐点との間に位置する点とを連結する。この装置において、第2ユニット内のモジュール(341c〜341f)から排出された非透過ガスは、流路8(318)を通って流路1内に供給(リサイクル)される。このように、非透過ガスをリサイクルすることにより、原料からの高透過ガスおよび低透過ガスの回収率を高めることができる。
<Embodiment 7>
FIG. 12 is an apparatus provided with a flow path 8 (318) in addition to the components of the gas separation apparatus of FIG. The flow path 8 connects a branch point to the most downstream module 341f on the flow path 3 and a point located between the raw material supply port 351 on the flow path 1 and the branch point to the most upstream module 341a. To do. In this apparatus, the non-permeating gas discharged from the modules (341c to 341f) in the second unit is supplied (recycled) into the flow path 1 through the flow path 8 (318). Thus, by recycling the non-permeating gas, the recovery rate of the high permeating gas and the low permeating gas from the raw material can be increased.

実施形態7においても、実施形態1と同様、第1ユニットと第2ユニットを構成するモジュールの本数はバルブの開閉の選択のみにより簡便に調整可能である。また、流路7上に圧縮機が設けられてもよい。また、実施態様4および5と同様、さらにバルブを設けることにより、単段で使用したり、パージガスを供給したりすることもできる。   Also in the seventh embodiment, as in the first embodiment, the number of modules constituting the first unit and the second unit can be easily adjusted only by selecting whether to open or close the valve. A compressor may be provided on the flow path 7. Further, similarly to Embodiments 4 and 5, by providing a valve, it can be used in a single stage or a purge gas can be supplied.

本発明の装置内のモジュールは、3本以上のモジュールを備えていればよく、特に制限はない。   The module in the apparatus of the present invention is not particularly limited as long as it includes three or more modules.

上記では、ガス分離膜として中空糸膜を用いた場合を説明したが、本発明のガス分離装置内のガス分離膜は、スパイラル型でもよく、平膜などでもよい。中空糸としては、厚みが薄く径が小さい多数本の中空糸が、小型装置でも高膜面積にできて分離効率を高めることができ、経済的でもあり好ましい。前記中空糸は、例えば、膜厚は10〜500μmで外径は50〜2000μmのものが挙げられるが、特に限定はされない。また、ガス分離膜は、均質性でもよく、複合膜や非対称膜などの不均一性でもよく、また微多孔性でも非多孔性でもよい。   Although the case where a hollow fiber membrane is used as the gas separation membrane has been described above, the gas separation membrane in the gas separation apparatus of the present invention may be a spiral type or a flat membrane. As the hollow fiber, a large number of hollow fibers having a small thickness and a small diameter can be used even in a small apparatus, can increase the membrane area, increase the separation efficiency, and are economical and preferable. Examples of the hollow fiber include those having a film thickness of 10 to 500 μm and an outer diameter of 50 to 2000 μm, but are not particularly limited. Further, the gas separation membrane may be homogeneous, may be non-uniform such as a composite membrane or an asymmetric membrane, and may be microporous or nonporous.

ガス分離膜は、例えば、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリカーボネート、シリコーン樹脂、セルロース系ポリマーなどのポリマー材料、ゼオライトなどのセラミックス材料などで形成されたものを挙げることができる。ポリイミドで形成されたガス分離膜としては、例えば、芳香族ポリイミド中空糸分離膜が好ましく、芳香族ポリイミド非対称中空糸分離膜がより好ましい。   Examples of the gas separation membrane include those formed of polyimide, polyetherimide, polyamide, polyamideimide, polysulfone, polycarbonate, silicone resin, a polymer material such as a cellulose-based polymer, or a ceramic material such as zeolite. As a gas separation membrane formed of polyimide, for example, an aromatic polyimide hollow fiber separation membrane is preferable, and an aromatic polyimide asymmetric hollow fiber separation membrane is more preferable.

ガス分離膜モジュールの形態は特に限定はなく通常用いられているものが使用できる。中空糸束の配糸形態としては、平行配列、交叉配列、織物状、スパイラル状などが挙げられる。また中空糸束は略中心部に芯管を備えていてもよく、中空糸束の外周部にフィルムが巻き付けられていてもよい。更に中空糸束の形態は円柱状、平板状、角柱状などでよく、容器内に前記形態のままで、又はU字状に折り曲げたり、スパイラル状に巻き付けて収納してもよい。   The form of the gas separation membrane module is not particularly limited, and those usually used can be used. Examples of the distribution form of the hollow fiber bundle include a parallel arrangement, a cross arrangement, a woven form, and a spiral form. Moreover, the hollow fiber bundle may be provided with a core tube at a substantially central portion, and a film may be wound around the outer peripheral portion of the hollow fiber bundle. Further, the form of the hollow fiber bundle may be a columnar shape, a flat plate shape, a prismatic shape, or the like, and may be stored in the container as it is, bent into a U shape, or wound in a spiral shape.

本発明によると、供給される混合ガスの条件が変動した場合においても、混合ガスに含まれる成分のうち、特定の成分を、高濃度かつ高回収率で分離回収することができる。例えば、メタンガスと炭酸ガスを主成分として含むバイオガスを分離して高濃度メタンガスを高い回収率で回収することができる。また、ヘリウムまたは水素を含むガスから、それぞれヘリウムまたは水素を分離回収することができる。特に、バイオガスは、その発生量が変動することが多いため、本発明の装置を用いると、第一段と第二段を構成するモジュールの本数を調整でき、条件設定が行いやすいため好ましい。   According to the present invention, even when the condition of the supplied mixed gas varies, a specific component among the components contained in the mixed gas can be separated and recovered with a high concentration and a high recovery rate. For example, biogas containing methane gas and carbon dioxide as main components can be separated and high concentration methane gas can be recovered at a high recovery rate. Further, helium or hydrogen can be separated and recovered from a gas containing helium or hydrogen, respectively. In particular, since the generation amount of biogas often fluctuates, it is preferable to use the apparatus of the present invention because the number of modules constituting the first stage and the second stage can be adjusted and the conditions can be easily set.

次に、実施例によって本発明を更に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Next, the present invention will be further described with reference to examples. In addition, this invention is not limited to a following example.

<実施例1>
メタンガス60mol%と炭酸ガス40mol%含むバイオガスを原料とし、図13に示した構成を有するガス分離装置を用いた場合について検討した。該ガス分離装置は、2つのガス分離膜ユニット(1段目と2段目)が直列に接続された構成を有している。本実施例で使用したガス分離膜モジュールは、ガス分離膜の炭酸ガスの透過速度(P’CO2)が26.4×10−5Ncc/cm・s・cmHg、メタンガスの透過速度(P’CH4)が1.7×10−5Ncc/cm・s・cmHgであり、1本あたりのガス分離膜面積が11mである。ガス分離装置において、1段目のガス分離膜ユニットにはモジュールが4本、2段目のガス分離膜ユニットにはモジュールが7本備えられ、原料を170Nm/hの流量で供給した場合について、回収されるメタンガス(非透過ガス)の濃度とメタンガスの回収率を算出した。その結果、回収されるメタンガスの濃度は95.3mol%、メタンガスの回収率は88.7%であった(表1参照)。以下の実施例および参考例では95mol%以上の濃度のメタンガスを得ることを目標とした。
<Example 1>
A case of using a gas separation apparatus having a configuration shown in FIG. 13 using biogas containing 60 mol% of methane gas and 40 mol% of carbon dioxide as a raw material was examined. The gas separation apparatus has a configuration in which two gas separation membrane units (first stage and second stage) are connected in series. The gas separation membrane module used in this example has a carbon separation gas permeation rate (P ′ CO2 ) of 26.4 × 10 −5 Ncc / cm 2 · s · cmHg, a methane gas permeation rate (P ′ CH4 ) is 1.7 × 10 −5 Ncc / cm 2 · s · cmHg, and the gas separation membrane area per one is 11 m 2 . In the gas separation apparatus, the first-stage gas separation membrane unit has four modules and the second-stage gas separation membrane unit has seven modules, and the raw material is supplied at a flow rate of 170 Nm 3 / h. The concentration of recovered methane gas (non-permeate gas) and the recovery rate of methane gas were calculated. As a result, the concentration of recovered methane gas was 95.3 mol%, and the recovery rate of methane gas was 88.7% (see Table 1). In the following examples and reference examples, it was aimed to obtain methane gas having a concentration of 95 mol% or more.

<参考例1>
原料の流量を200Nm/hの流量に増加させた以外は、実施例1と同様の条件でガス分離を行う場合について算出した。結果を表1に示す。原料の流量を増加した場合には、回収されるメタンガスの濃度が低下することが示された。
<Reference Example 1>
Calculation was performed for gas separation under the same conditions as in Example 1 except that the flow rate of the raw material was increased to a flow rate of 200 Nm 3 / h. The results are shown in Table 1. It was shown that when the flow rate of the raw material was increased, the concentration of recovered methane gas decreased.

<実施例2>
分離膜ユニットを構成するモジュールの本数を調整した以外は、参考例1と同様の条件の場合についてメタンガスの濃度と回収率を算出した。算出結果を表1に示す。モジュールの本数を調整した結果、高濃度のメタンガスを得ることができた。
<Example 2>
Except for adjusting the number of modules constituting the separation membrane unit, the concentration of methane gas and the recovery rate were calculated under the same conditions as in Reference Example 1. The calculation results are shown in Table 1. As a result of adjusting the number of modules, a high concentration of methane gas was obtained.

<参考例2>
原料の濃度を150Nm/hの流量に減少させた以外は、実施例1と同様の条件でガス分離を行う場合について算出した。結果を表1に示す。原料の流量を減少した場合には、目標のメタンガス濃度は達成できるものの回収されるメタンガスの収率が低下することが示された。
<Reference Example 2>
Calculation was performed for gas separation under the same conditions as in Example 1 except that the concentration of the raw material was reduced to a flow rate of 150 Nm 3 / h. The results are shown in Table 1. It was shown that when the flow rate of the raw material was decreased, the target methane gas concentration could be achieved, but the yield of recovered methane gas decreased.

<実施例3>
分離膜ユニットを構成するモジュールの本数を調整した以外は、参考例2と同様の条件の場合についてメタンガスの濃度と回収率を算出した。算出結果を表1に示す。モジュールの本数を調整した結果、高いメタンガス濃度を維持しつつ、メタンガスの回収率が向上した。
<Example 3>
Except for adjusting the number of modules constituting the separation membrane unit, the concentration of methane gas and the recovery rate were calculated under the same conditions as in Reference Example 2. The calculation results are shown in Table 1. As a result of adjusting the number of modules, the methane gas recovery rate was improved while maintaining a high methane gas concentration.

Figure 0005830989
Figure 0005830989

本発明によると、複数のガス分離膜モジュールを備えるガス分離装置において、簡便な方法により、2つの直列に接続されたユニットを構成でき、かつ、各ユニットに含まれるモジュールの本数を調整できる装置を提供できる。これにより、原料ガスの組成や供給量に応じて運転条件を柔軟に変更できる。   According to the present invention, in a gas separation apparatus including a plurality of gas separation membrane modules, an apparatus capable of configuring two units connected in series and adjusting the number of modules included in each unit by a simple method. Can be provided. Thereby, an operating condition can be changed flexibly according to a composition and supply amount of source gas.

11 ガス供給口
12 透過ガス排出口
13 非透過ガス排出口
14 中空糸膜
15 容器
16a、16b 管板
211、215 供給ガス用流路
212、216 透過ガス用流路
213、217 非透過ガス用流路
214 流路
221a〜221f ガス分離膜モジュール
301 第1ガス分離膜ユニット
302 第2ガス分離膜ユニット
311 流路1
312 流路2
313 流路3
314 流路4
315 流路5
316 流路6
317 流路7
318 流路8
321a〜321e、322a〜322e、323a〜323e、324〜328 バルブ
331a、332a、333a、331f、332f、333f 分岐路
341a〜341f ガス分離膜モジュール
351 原料ガス供給口
352、353 透過ガス排出口
354 非透過ガス回収口
361、362、363 圧縮機
371 分岐点
372、375 ガス供給口
373、376 透過ガス排出口
374、377 非透過ガス排出口
381〜383 分岐点
384 流路上の点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Gas supply port 12 Permeate gas exhaust port 13 Non-permeate gas exhaust port 14 Hollow fiber membrane 15 Containers 16a and 16b Tube plates 211 and 215 Supply gas channel 212 and 216 Permeate gas channel 213 and 217 Channel 214 Channels 221a to 221f Gas separation membrane module 301 First gas separation membrane unit 302 Second gas separation membrane unit 311 Channel 1
312 Channel 2
313 Channel 3
314 Channel 4
315 channel 5
316 Channel 6
317 channel 7
318 channel 8
321a to 321e, 322a to 322e, 323a to 323e, 324 to 328 Valve 331a, 332a, 333a, 331f, 332f, 333f Branch passage 341a to 341f Gas separation membrane module 351 Raw gas supply port 352, 353 Permeated gas discharge port 354 Non Permeate gas recovery ports 361, 362, 363 Compressor 371 Branch points 372, 375 Gas supply ports 373, 376 Permeate gas exhaust ports 374, 377 Non-permeate gas exhaust ports 381-383 Branch point 384 Points on flow path

Claims (16)

3本以上のガス分離膜モジュールと、
全てのガス分離膜モジュールに接続される供給ガス用流路(流路1)と、
全てのガス分離膜モジュールに接続される非透過ガス用流路(流路3)と、
バルブと、
を備え;
前記バルブは、流路1および流路3上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられており、
流路1上のバルブおよび流路3上のバルブを、同じモジュール間において閉じることにより、原料ガスが供給される第1ガス分離膜ユニットおよびこれと直列に接続された第2ガス分離膜ユニットを構成でき、
各バルブの開閉を選択することにより、第1ガス分離膜ユニットおよび第2ガス分離膜ユニットを構成するそれぞれのガス分離膜モジュールの本数が調整可能であり;
さらに、前記非透過ガス用流路(流路3)の閉じられた前記バルブより上流側の一点と、前記供給ガス用流路(流路1)の閉じられた前記バルブより下流側の一点とを接続し、第1のガス分離膜ユニットから回収された非透過ガスを第2のガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路(流路4)を備える、ガス分離装置。
Three or more gas separation membrane modules;
A supply gas flow path (flow path 1) connected to all gas separation membrane modules;
A non-permeate gas channel (channel 3) connected to all gas separation membrane modules;
A valve,
Comprising:
The valve is provided between the branch points connected to the gas separation membrane modules on the flow path 1 and the flow path 3,
By closing the valve on the flow path 1 and the valve on the flow path 3 between the same modules, the first gas separation membrane unit to which the source gas is supplied and the second gas separation membrane unit connected in series therewith are provided. Can be configured,
By selecting opening and closing of each valve, the number of gas separation membrane modules constituting the first gas separation membrane unit and the second gas separation membrane unit can be adjusted;
Furthermore, a point on the upstream side of the closed valve of the non-permeate gas flow path (flow path 3), and a point on the downstream side of the closed valve of the supply gas flow path (flow path 1), And a gas flow path (flow path 4) for supplying the non-permeated gas recovered from the first gas separation membrane unit to the second gas separation membrane unit.
さらに、全てのガス分離膜モジュールに接続される透過ガス用流路(流路2)と、前記流路2上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられたバルブを備える、請求項1に記載のガス分離装置。   Furthermore, a flow path for the permeated gas (flow path 2) connected to all the gas separation membrane modules and a valve provided between the branch points connected to the gas separation membrane modules on the flow path 2 are provided. The gas separator according to claim 1. さらに、前記第2のガス分離膜ユニットから排出された透過ガスを、前記第1のガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路(流路5)を備える、請求項2に記載のガス分離装置。   Furthermore, the gas separation of Claim 2 provided with the gas flow path (flow path 5) for supplying the permeated gas discharged | emitted from the said 2nd gas separation membrane unit to a said 1st gas separation membrane unit. apparatus. さらに、流路4上にバルブを有する、請求項1または2に記載のガス分離装置。   The gas separation device according to claim 1, further comprising a valve on the flow path 4. さらに、流路4および流路5上にバルブを有する、請求項3に記載のガス分離装置。   The gas separation device according to claim 3, further comprising a valve on the flow path 4 and the flow path 5. さらに、前記流路4上に圧縮機を備える、請求項1〜5のいずれか1項に記載のガス分離装置。   The gas separation device according to claim 1, further comprising a compressor on the flow path 4. さらに、前記流路3が分岐した流路6を有し、該流路6により第2のガス分離膜ユニットから回収された非透過ガスの一部を、第1のガス分離膜ユニットおよび/または第2のガス分離膜ユニット中にパージガスとして供給できる、請求項1〜6のいずれか1項に記載のガス分離装置。   Furthermore, the flow path 3 has a branched flow path 6, and a part of the non-permeated gas recovered from the second gas separation membrane unit by the flow path 6 is converted into the first gas separation membrane unit and / or The gas separation device according to any one of claims 1 to 6, which can be supplied as a purge gas into the second gas separation membrane unit. 請求項1〜7のいずれか1項に記載のガス分離装置を、前記流路1および流路3上のそれぞれ1つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。   A method for separating a mixed gas, wherein the gas separation device according to any one of claims 1 to 7 is used in a state in which one or more valves on the channel 1 and the channel 3 are closed between the same modules. . 請求項2、3、または5のいずれか1項に記載のガス分離装置を、前記流路1、流路2、および流路3上のそれぞれ1つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。 6. The gas separation device according to claim 2, wherein one or more valves on the flow channel 1, the flow channel 2, and the flow channel 3 are closed between the same modules. A method for separating a mixed gas used in 1. 請求項4に記載のガス分離装置を、前記流路1および流路3上のガス分離膜モジュール間にあるバルブを全て開き、かつ、前記流路4上のバルブを閉じた状態で用いる、混合ガスの単段分離方法。   The gas separation device according to claim 4, wherein all the valves between the gas separation membrane modules on the flow path 1 and the flow path 3 are opened and the valves on the flow path 4 are closed. Gas single-stage separation method. 請求項5に記載のガス分離装置を、前記流路1〜3上のガス分離膜モジュール間にあるバルブを全て開き、かつ、前記流路4および前記流路5上のバルブを閉じた状態で用いる、混合ガスの単段分離方法。   6. The gas separation apparatus according to claim 5, wherein all the valves between the gas separation membrane modules on the flow paths 1 to 3 are opened, and the valves on the flow paths 4 and 5 are closed. A single-stage separation method of mixed gas to be used. 3本以上のガス分離膜モジュールと、
全てのガス分離膜モジュールに接続される供給ガス用流路(流路1)と、
全てのガス分離膜モジュールに接続される透過ガス用流路(流路2)と、
バルブと、
を備え;
前記バルブは、流路1および流路2上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられており、
流路1上のバルブおよび流路2上のバルブを、同じモジュール間において閉じることにより、原料ガスが供給される第1ガス分離膜ユニットおよびこれと直列に接続された第2ガス分離膜ユニットを構成でき、かつ、
各バルブの開閉を選択することにより、第1ガス分離膜ユニットおよび第2ガス分離膜ユニットを構成するそれぞれのガス分離膜モジュールの本数が調整可能であり;
さらに、前記透過ガス用流路(流路2)の閉じられた前記バルブより上流側の一点と、前記供給ガス用流路(流路1)の閉じられた前記バルブより下流側の一点とを接続し、第1ガス分離膜ユニットから回収された透過ガスを第2ガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路(流路7)を備える、ガス分離装置。
Three or more gas separation membrane modules;
A supply gas flow path (flow path 1) connected to all gas separation membrane modules;
A permeating gas channel (channel 2) connected to all gas separation membrane modules;
A valve,
Comprising:
The valve is provided between the branch points connected to the gas separation membrane modules on the flow channel 1 and the flow channel 2,
By closing the valve on the flow path 1 and the valve on the flow path 2 between the same modules, the first gas separation membrane unit to which the source gas is supplied and the second gas separation membrane unit connected in series therewith are provided. Can be configured, and
By selecting opening and closing of each valve, the number of gas separation membrane modules constituting the first gas separation membrane unit and the second gas separation membrane unit can be adjusted;
Further, a point upstream of the valve closed in the permeate gas flow path (flow path 2) and a point downstream of the valve closed in the supply gas flow path (flow path 1) A gas separation device comprising a gas flow path (flow path 7) for connecting and supplying the permeate gas recovered from the first gas separation membrane unit to the second gas separation membrane unit.
さらに、全てのガス分離膜モジュールに接続される非透過ガス用流路(流路3)と、前記流路3上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられたバルブを備える、請求項12に記載のガス分離装置。   Furthermore, a valve provided between a non-permeate gas flow channel (flow channel 3) connected to all gas separation membrane modules and a branch point connected to the gas separation membrane module on the flow channel 3 is provided. The gas separator according to claim 12. さらに、第2ガス分離膜ユニットから排出された非透過ガスを第1ガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路(流路8)を備える、請求項13に記載のガス分離装置。   Furthermore, the gas separation apparatus of Claim 13 provided with the gas flow path (flow path 8) for supplying the non-permeating gas discharged | emitted from the 2nd gas separation membrane unit to a 1st gas separation membrane unit. 請求項12〜14のいずれか1項に記載のガス分離装置を、前記流路1および流路2上のそれぞれ1つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。   A method for separating a mixed gas, wherein the gas separation device according to any one of claims 12 to 14 is used in a state where one or more valves on the flow channel 1 and the flow channel 2 are closed between the same modules. . 請求項13または14に記載のガス分離装置を、前記流路1、流路2、および流路3上のそれぞれ1つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。 15. A method for separating a mixed gas, wherein the gas separation device according to claim 13 or 14 is used in a state in which one or more valves on each of the flow path 1, the flow path 2, and the flow path 3 are closed between the same modules. .
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