JP6400017B2 - 膜を備えたガス分離装置のガス組成の制御 - Google Patents
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Description
その際、
前記供給物流分離段階(1)は、少なくとも2種の成分からなる供給物流(5)を、第1の透過物流(6)と第1の残留物流(7)とに分離し、
前記残留物分離段階(2)は、第1の残留物流(7)を、第2の透過物流(9a+9b)と第2の残留物流(8)とに分離し、その際、(9a)は、制御装置(18)前でかつ前記残留物分離段階(2)の後の部分流を表し、及び(9b)は、前記制御装置(18)の後の部分流を表し、かつ前記部分流(9b)は前記供給物流(5)に返送され、第2の残留物流(8)は生成物として取り出されるか又は更に加工され、
前記透過物分離段階(3)は、第1の透過物流(6)を、第3の残留物流(10a+10b)と第3の透過物流(11)とに分離し、その際、(10a)は、制御装置(19)の前でかつ前記透過物分離段階(3)の後の部分流を表し、及び(10b)は、前記制御装置(19)の後の部分流を表し、かつ前記部分流(10b)は前記供給物流(5)に返送され、第3の透過物流(11)は生成物として取り出すか又は更に加工するか又は廃棄する、
ガスの分離装置に関する。
− 第2の透過物流(9a+9b)は、残留物分離段階(2)の透過物圧力を増大又は低減でき、かつ第1の残留物流(7)中の1つ又は複数の測定装置(20a)及び/又は第2の残留物流(8)中の1つ又は複数の測定装置(20b)の測定値に基づいて制御される少なくとも1つの透過物制御装置(18)を有し、
及び/又は
− 第3の残留物流(10a+10b)は、透過物分離段階(3)の残留物圧力を増大又は低減でき、かつ第1の透過物流(6)中の1つ又は複数の測定装置(21a)及び/又は第3の透過物流(11)中の1つ又は複数の測定装置(21b)の測定値に基づいて制御される少なくとも1つの残留物制御装置(19)を有する、
ことを特徴とする。
i. 第2の残留物流(8)の透過しにくい成分Bの濃度(場合によりこれについて相関するパラメータによっても算出される)が予め設定された基準値より低く低下し、そのため第2の透過物流(9a)の圧力を、透過物制御装置(18)によって、上述のパラメータ、特に所望の濃度が再び基準範囲内になるまで下げる、
ii. 第2の残留物流(8)の透過しにくい成分Bの濃度(場合によりこれについて相関するパラメータによっても算出される)が予め設定された基準値より高く上昇し、そのため第2の透過物流(9a)の圧力を、透過物制御装置(18)によって、上述のパラメータ、特に所望の濃度が再び基準範囲内になるまで上げる、
iii. 第3の透過物流(11)の透過しにくい成分Bの濃度(場合によりこれについて相関するパラメータによっても算出される)が予め設定された基準値より低く低下し、そのため第3の残留物流(10a)の圧力を、残留物制御装置(19)によって、上述のパラメータ、特に所望の濃度が再び基準範囲内になるまで上げる、
iv. 第3の透過物流(11)の透過しにくい成分Bの濃度(場合によりこれについて相関するパラメータによっても算出される)が予め設定された基準値より高く上昇し、そのため第3の残留物流(10a)の圧力を、残留物制御装置(19)によって、上述のパラメータ、特に所望の濃度が再び基準範囲内になるまで下げる
の1つ又は複数により、本発明による装置の制御を行う方法である。
最初に、第3の透過物流(11)及び第2の残留物流(8)中の緩慢に透過する成分Bの基準濃度を定める。引き続き、例えば粗製ガス流(17)の組成を変化させ、測定装置(20a)及び(21a)によって、目標パラメータの変化、この校正例の場合には、第1の残留物流(7)及び第1の透過物流(8)の体積流量の変化を決定する。並行して、測定装置(20b)及び(21b)によって、例えばガスセンサを用いて、第3の透過物流(11)及び第2の残留物流(8)の組成の変化を決定する。更に、残留物分離段階(2)の透過物圧力及び透過物分離段階(3)の残留物圧力を測定する。制御装置(18)と(19)によって、それぞれ上述の透過物圧力と残留物圧力を、第3の透過物流(11)及び第2の残留物流(8)中の成分Bが基準濃度に再び到達するまで変化させることができる。ここで、第1の残留物流(7)の測定された体積流量を残留物分離段階(2)の透過物圧力に対して、及び第1の透過物流(6)の測定された体積流量を透過物分離段階(3)の残留物圧力に対してプロットすることができる。図2には、例示的に、残留物流(8)中の透過しにくい成分Bの濃度を一定に保つために、残留物分離段階(2)の透過物中の圧力をどのように調節しなければならないのかを見ることができる。粗製ガス流の全体の組成がここでは曲線の平行推移を生じることを述べることができる。これは、3つの異なる粗製ガス組成(成分B 45%、55%及び65%)について第1の残留ガス流(7)の体積流量に依存する残留物分離段階(2)の必要な透過物圧力の曲線推移を示している図2中でも見ることができる。見たとおり、各粗製ガス組成に対して1つの別個の独自の曲線が生じる。
v. 第1の残留物流(7)の体積流量(場合によりこれについて相関するパラメータによっても算出される)が予め設定された基準値より高く上昇し、そのため第2の透過物流(9a)の圧力を、透過物制御装置(18)によって、校正曲線に従って必要な圧力が達成されるまで及び第2の残留物流(8)の所望の特性、好ましくは第2の残留物流(8)の組成が再び基準範囲内になるまで下げる、
vi. 第1の残留物流(7)の体積流量(場合によりこれについて相関するパラメータによっても算出される)が予め設定された基準値より低く低下し、そのため第2の透過物流(9a)の圧力を、透過物制御装置(18)によって、校正曲線に従って必要な圧力が達成されるまで及び第2の残留物流(8)の所望の特性、好ましくは第2の残留物流(8)の組成が再び基準範囲内になるまで上げる、
vii. 第1の透過物流(6)の体積流量(場合によりこれについて相関するパラメータによっても算出される)が予め設定された基準値より高く上昇し、そのため第3の残留物流(10a)の圧力を、残留物制御装置(19)によって、校正曲線に従って必要な圧力が達成されるまで及び第3の透過物流(11)の所望の特性、好ましくは第3の透過物流(11)の組成が再び基準範囲内になるまで上げる、
viii. 第1の透過物流(6)の体積流量(場合によりこれについて相関するパラメータによっても算出される)が予め設定された基準値より低く低下し、そのため第3の残留物流(10a)の圧力を、残留物制御装置(19)によって、校正曲線に従って必要な圧力が達成されるまで及び第3の透過物流(11)の所望の特性、好ましくは第3の透過物流(11)の組成が再び基準範囲内になるまで下げる
の1つ又は複数により行う方法である。
図1に基づいた3段階の接続を用いる膜分離装置で試験を行った。
− 粗製ガス組成 メタン 54%、CO2 46%(=バイオガス装置からのバイオガス)
− Sepuran Greenの2”試験モジュール(1段階当たりそれぞれ1モジュール)3個の使用
− システム中の主圧(=残留物段階(2)の圧力)は17bara
− 空気圧 950mbara
− 透過物分離段階(3)の透過物圧力は1000mbara。
この試験の目的は、供給物流(5)中の供給量又はコンプレッサ回転数が変化した場合でも、残留物分離段階(2)の透過物圧力の変更によって残留物流(8)中の生成物品質を一定に保持し、かつ透過物分離段階(3)の残留物圧力の変更によって透過物流(11)中のオフガス品質を一定に保持することを可能にする校正線を見つけることであった。
第3の残留物流(10)中の制御装置(19)を用いた透過物分離段階(3)の残留物圧力の変更により、装置中のオフガス(第3の透過物流(11))中のメタン濃度の変化を達成しかつ校正曲線を得ることができるかどうかを調査すべきである。オフガス濃度の測定の際に変化が生じる場合には、この校正関係を用いてオフガス中のメタン含有率を適合させることができる。
第2の透過物流(9a)中の制御装置(18)を用いた残留物分離段階(2)の透過物圧力の変更により、装置の生成物ガス(=第2の残留物流(8))中のメタン濃度の変更を達成することができる。生成物ガス濃度の測定の際に変化が生じる場合には、この校正関係を用いて生成物ガス中のメタン含有率を適合させることができる。
図1: 測定装置(20a)及び(20b)、(21a)及び(21b)、(22)及び(23)並びに制御装置(18)及び(19)を備えた例示的な本発明による接続。粗製ガス流(17)中の制御装置並びに調整装置及びデータ処理装置は図示されていない。しかしながら明細書の全体の関係から、配置及び利用は明らかである。図1では、流(9b)及び(10b)をコンプレッサの吸引側に返送する本発明による配置が示されている。上記説明で述べた配置とは別の配置、例えば、流(9b)又は(10b)の一方または両方をコンプレッサ(4)の高められた圧縮段階中への返送の配置又は測定装置(22)及び(23)がない配置、又は測定装置(20a)及び(20b)及び/又は(21a)及び(21b)の一部だけを有する配置は、当業者にとって、図1のバリエーションとして容易に導き出され、従って個別に示していない。図1は、単に本発明の説明のために用いるもので、本発明の保護範囲を制限するものではない。
2 残留物分離段階
3 透過物分離段階
4 一段階又は多段階のコンプレッサ
5 供給物流
6 第1の透過物流
7 第1の残留物流
8 第2の残留物流
9 第2の透過物流(制御装置18と残留物分離段階2との間の部分流9aと、制御装置18の下流の部分流9bとからなる)
10 第3の残留物流(制御装置19と透過物分離段階3との間の部分流10aと、制御装置19の下流の部分流10bとからなる)
11 第3の透過物流
12 第1の残留物流7中の任意の減圧弁(図中には示されていない)
13 第2の残留物流8中の任意の減圧弁(図中には示されていない)
14 第3の残留物流10中の任意の減圧弁(図中には示されていない)
15 真空ポンプ(図中には示されていない)
16 混合室(図中には示されていない)
17 粗製ガス流
18 第2の透過物流中の透過物制御装置(明細書中では単に制御装置18とも記載)
19 第3の残留物流中の残留物制御装置(明細書中では単に制御装置19とも記載)
20a 第1の残留物流の分析のための第1の残留物測定装置(明細書中では単に測定装置20aとも記載)
20b 第2の残留物流の分析のための第2の残留物測定装置(明細書中では単に測定装置20bとも記載)
21a 第1の透過物流の分析のための第1の透過物測定装置(明細書中では単に測定装置21aとも記載)
21b 第3の透過物流の分析のための第2の透過物測定装置(明細書中では単に測定装置21bとも記載)
22 第2の透過物流の分析のための第3の透過物測定装置(明細書中では単に測定装置22とも記載)
23 第3の残留物流の分析のための第3の残留物測定装置(明細書中では単に測定装置23とも記載)
24 コンプレッサの調整装置(図中には示されていない)
25 粗製ガス流(17)の制御のための粗製ガス制御装置(図中には示されていない)
Claims (15)
- 膜分離段階として、少なくとも供給物流分離段階(1)と、残留物分離段階(2)と、透過物分離段階(3)とを有し、並びに前記供給物流分離段階(1)の供給物側に配置された少なくとも1つのコンプレッサ(4)及び/又は供給物流分離段階(1)の後方に配置された少なくとも1つの真空ポンプを有するガス分離装置であって、
前記供給流分離段階(1)は、少なくとも2種の成分からなる供給ガス流(5)を、第1の透過物流(6)と第1の残留物流(7)とに分離し、
前記残留物分離段階(2)は、第1の残留物流(7)を、第2の透過物流(9a+9b)と第2の残留物流(8)とに分離し、(9a)は、透過物制御装置(18)の前方でかつ残留物分離段階(2)の後方の部分流を表し、(9b)は、前記透過物制御装置(18)の後方の部分流を表し、かつ前記部分流(9b)は前記供給ガス流(5)に供給され、第2の残留物流(8)は生成物として取り出され、
前記透過物分離段階(3)は、第1の透過物流(6)を、第3の残留物流(10a+10b)と第3の透過物流(11)とに分離し、(10a)は、残留物制御装置(19)の前方でかつ前記透過物分離段階(3)の後方の部分流を表し、(10b)は、前記残留物制御装置(19)の後方の部分流を表し、かつ前記部分流(10b)は前記供給ガス流(5)に供給され、第3の透過物流(11)は生成物として取り出されるか又は廃棄され、前記コンプレッサ(4)に粗製ガス流(17)と前記部分流(9b)と前記部分流(10b)とが供給される、又は前記供給ガス流(5)に粗製ガス流(17)と前記部分流(9b)と前記部分流(10b)とが供給される、ガス分離装置において、
− 第2の透過物流(9a+9b)は、残留物分離段階(2)の透過物圧力を増大又は低減でき、かつ第1の残留物流(7)中の1つ又は複数の、前記第1の残留物流(7)の組成又は体積流量又は圧力の測定装置(20a)及び/又は第2の残留物流(8)中の1つ又は複数の、前記第2の残留物流(8)の組成の測定装置(20b)の測定値に基づいて制御される少なくとも1つの透過物制御装置(18)を有し、
及び/又は
− 第3の残留物流(10a+10b)は、透過物分離段階(3)の残留物圧力を増大又は低減でき、かつ第1の透過物流(6)中の1つ又は複数の、前記第1の透過物流(6)の組成又は体積流量又は圧力の測定装置(21a)及び/又は第3の透過物流(11)中の1つ又は複数の、前記第3の透過物流(11)の組成の測定装置(21b)の測定値に基づいて制御される少なくとも1つの残留物制御装置(19)を有する
ことを特徴とする、ガス分離装置。 - 第1の透過物流(6)に再圧縮を行わない
及び/又は
少なくとも供給物流分離段階(1)中で、少なくとも30の混合ガス選択率CO2/CH4を有するガス分離膜モジュールを使用する、
及び/又は
前記膜分離段階(1)〜(3)の少なくとも1つが、1つより多くのガス分離膜モジュールを有し、これらのガス分離膜モジュールは並列接続及び/又は直列接続されている、
及び/又は
前記1つ又はそれ以上のガス分離膜モジュールは中空糸膜及び/又は平膜からなる、
及び/又は
前記装置は、第2の透過物流(9b)及び第3の残留物流(10b)中に返送されるガス体積は合計で、前記粗製ガス流(17)の体積の60体積%未満であるように構成されている、
及び/又は
前記装置は、供給物流分離段階(1)の少なくとも1種の透過ガスの濃度を、第2の透過物流(9b)及び第3の残留物流(10b)の供給ガス流(5)中への返送により、粗製ガス流(17)中の濃度と比較してそれぞれ、高めるように構成されている
ことを特徴とする、請求項1に記載の装置。 - 第2の透過物流(9b)及び第3の残留物流(10b)を前記コンプレッサ(4)の吸引側に供給する、
及び/又は
多段階のコンプレッサ(4)を使用し、第2の透過物流(9b)及び/又は第3の残留物流(10b)を、前記コンプレッサ(4)中の2つの圧縮段階の間に導入する、
及び/又は
前記装置中の前記コンプレッサ(4)は、前記供給物流分離段階(1)中の圧力勾配を生じさせるように配置されている
ことを特徴とする、請求項1又は2に記載の装置。 - 前記装置は調整装置(24)を有し、前記調整装置(24)は、前記粗製ガス流(17)の圧力が上昇する場合には前記コンプレッサ(4)の回転数を上昇させ、前記粗製ガス流(17)の圧力が低下する場合には前記コンプレッサ(4)の回転数を低下させることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項に記載の装置。
- 第1の残留物流(7)中で及び/又は第1の透過物流(6)中で、測定装置(20a)及び/又は(21a)として流量計を使用する、
又は
第2の残留物流(8)中で及び/又は第3の透過物流(11)中で、それぞれのガス混合物の組成を決定するために、オンライン又はオフライン測定装置(20b)及び/又は(21b)を使用する
ことを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項に記載の装置。 - 膜の分離活性層のための材料として、非晶質又は部分結晶質のポリマーである、ポリイミド、ポリアミド、ポリスルホン、酢酸セルロース及び誘導体、ポリフェニレンオキシド、ポリシロキサン、内在的なミクロ孔を有するポリマー、混合マトリックス膜、促進輸送膜、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド又はこれらの混合物を使用する、
ことを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項に記載の装置。 - 前記粗製ガス流(17)によって前記装置内へ導入される、供給物流分離段階(1)の残留物成分の少なくとも95%が、第2の残留物流(8)を介して搬出される、
及び/又は
前記粗製ガス流(17)によって前記装置内へ導入される、供給物流分離段階(1)の残留物成分の最大5%が、第3の透過物流(11)を介して搬出される、
ことを特徴とする、請求項1から7までのいずれか1項に記載の装置。 - i. 前記第2の残留物流(8)の透過しにくい成分Bの濃度が予め設定された基準値より低く低下した場合は、前記透過物制御装置(18)によって、前記成分Bの濃度が基準範囲内になるまで前記第2の透過物流(9a)の圧力を下げる、
ii. 前記第2の残留物流(8)の透過しにくい成分Bの濃度が予め設定された基準値より高く上昇した場合は、前記透過物制御装置(18)によって、前記成分Bの濃度が基準範囲内になるまで前記第2の透過物流(9a)の圧力を上げる、
及び/又は
iii.前記第3の透過物流(11)の透過しにくい成分Bの濃度が予め設定された基準値より低く低下した場合は、前記残留物制御装置(19)によって、前記成分Bの濃度が基準範囲内になるまで前記第3の残留物流(10a)の圧力を上げる、
iv.前記第3の透過物流(11)の透過しにくい成分Bの濃度が予め設定された基準値より高く上昇した場合は、前記残留物制御装置(19)によって、前記成分Bの濃度が基準範囲内になるまで前記第3の残留物流(10a)の圧力を下げる
ことを特徴とする、請求項1から8までのいずれか1項に記載のガス分離装置を制御する方法。 - 前記濃度の測定をオンライン及び/又はオフラインで行うことを特徴とする、請求項9記載の方法。
- v.前記第1の残留物流(7)の体積流量が基準値より高く上昇した場合は、前記透過物制御装置(18)によって、校正曲線に従って前記第2の残留物流(8)の組成を基準範囲内にするのに必要な圧力が達成されるまで前記第2の透過物流(9a)の圧力を低下させる、
vi.前記第1の残留物流(7)の体積流量が基準値より低く低下した場合は、前記透過物制御装置(18)によって、校正曲線に従って前記第2の残留物流(8)の組成を基準範囲内にするのに必要な圧力が達成されるまで前記第2の透過物流(9a)の圧力を上昇させる、
及び/又は、
vii.前記第1の透過物流(6)の体積流量が基準値より高く上昇した場合は、前記残留物制御装置(19)によって、校正曲線に従って前記第3の透過物流(11)の組成を基準範囲内にするのに必要な圧力が達成されるまで前記第3の残留物流(10a)の圧力を上昇させる、
viii.前記第1の透過物流(6)の体積流量が基準値より低く低下した場合は、前記残留物制御装置(19)によって、校正曲線に従って前記第3の透過物流(11)の組成を基準範囲内にするのに必要な圧力が達成されるまで前記第3の残留物流(10a)の圧力を低下させる
ことを特徴とする、請求項1から8までのいずれか1項に記載のガス分離装置を制御する方法。 - 供給物流分離段階(1)を介した圧力低下を1〜30barに調節し、
及び/又は
供給物流分離段階(1)及び残留物分離段階(2)を介した圧力低下を1〜100barに調節する
ことを特徴とする、請求項9から11までのいずれか1項に記載の方法。 - 前記第2の透過物流(9b)及び/又は第3の残留物流(10b)から返送されるガスの量の変化を、前記粗製ガス流(17)の供給量の調節によって補う、
又は
前記コンプレッサ(4)の吐出量を変更し、それによって生じる、第2の残留物流(8)中の前記透過しにくい成分Bの濃度の変化に対して、前記方法選択肢i又はiiによって対抗する、
及び/又は
それによって生じる、第3の透過物流(11)中の透過しにくい成分Bの濃度の変化に対して、前記方法選択肢iii又はivによって対抗する、
及び/又は
それによって生じる、第1の残留物流(7)の流量の変化に対して、前記方法選択肢v又はviによって対抗する、
及び/又は
それによって生じる、第1の透過物流(6)の流量の変化に対して、前記方法選択肢vii又はviiiによって対抗する
ことを特徴とする、請求項9から12までのいずれか1項に記載の方法。 - 請求項9から13までのいずれか1項に記載の方法において、
前記方法を、バイオガス装置の運転の範囲内で実施し、かつ、発酵容器及び/又は中間貯蔵容器中の充填レベルを変化させるか又は一定に保持するために、前記バイオガス装置の充填レベル及び/又は中間貯蔵容器の充填レベルに応じて、前記コンプレッサの回転数及びそれによる前記コンプレッサ(4)の吐出量を制御する、
又は
前記供給ガス流(5)のガス混合物として、主に二酸化炭素及びメタンからなるがこれらだけではない混合物、又は主に水素及びメタンからなるがこれらだけではない混合物、又は主に一酸化炭素及び水素からなるがこれらだけではない混合物、又は粗製バイオガス又は粗製天然ガスを使用する、
請求項9から13までのいずれか1項に記載の方法。 - 請求項1から8までのいずれか1項に記載の装置を有するバイオガス装置。
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