JP6511912B2 - ガス分離システム及び富化ガスの製造方法 - Google Patents
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- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Description
目的とする低透過性ガスを高純度かつ高回収率で回収するために、このガス分離膜ユニットを多段階に備えたガス分離システムを用いる方法が知られている。透過速度の高い膜を用いた場合には、ガスの分離選択性が低いため、ガス分離システムにおけるガスの循環量が増える。従ってこの場合、純度及び回収率を維持するために、ガス圧縮の動力が大きくなる。逆に、ガス分離選択性が高い膜を用いた場合には、ガス圧縮の動力が小さくて済むが、高透過性ガスの透過速度が低いため、膜面積を大きくする必要がある。
互いに異なる2種のガスを少なくとも含む原料混合ガスをガス分離膜ユニットに供給し、原料混合ガスに含まれるガスのうちの少なくとも一種を濃縮富化するガス分離システムであって、
前記ガス分離膜ユニットが、第1ガス分離膜ユニット、第2ガス分離膜ユニット及び第3ガス分離膜ユニットを備え、
各ガス分離膜ユニットは、ガス入口、透過ガス排出口及び非透過ガス排出口を少なくとも備え、
第1ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口と、第2ガス分離膜ユニットのガス入口とを第1非透過ガス排出ラインによって連結し、
第1ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口と、第3ガス分離膜ユニットのガス入口とを透過ガス排出ラインによって連結し、
第2ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口に接続する第2非透過ガス排出ラインを設け、該第2非透過ガス排出ラインは、該非透過ガス排出口から排出された非透過ガスが流通する流通路と、該非透過ガス排出口から排出され該流通路を流通した非透過ガスを排出するライン排出口とを有しており、
第1ガス分離膜ユニットのガス入口に、原料混合ガス供給ラインを連結するとともに、該原料混合ガス供給ラインの途中に第1圧縮手段を介在配置し、
前記透過ガス排出ラインの途中に第2圧縮手段を介在配置し、
第2ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口と、前記原料混合ガス供給ラインにおける第1圧縮手段の吸込側の位置とを、透過ガス帰還ラインによって連結し、更に
第3ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口と、第2ガス分離膜ユニットの第2非透過ガス排出ラインにおける前記の流通路とを、非透過ガス合流ラインによって連結し、
第2非透過ガス排出ラインのライン排出口及び第3ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口の少なくとも一方から、濃縮富化されたガスを取り出すようにした、ガス分離システムを提供することにより前記の課題を解決したものである。
ガス分離システムとして、第1ガス分離膜ユニット、第2ガス分離膜ユニット及び第3ガス分離膜ユニットを有し、各ガス分離膜ユニットに、ガス入口、透過ガス排出口及び非透過ガス排出口を設け、第1ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口と、第2ガス分離膜ユニットのガス入口とを非透過ガス排出ラインによって連結し、第1ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口と、第3ガス分離膜ユニットのガス入口とを透過ガス排出ラインによって連結し、第2ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口に接続する第2非透過ガス排出ラインを設け、該第2非透過ガス排出ラインは、該非透過ガス排出口から排出された非透過ガスが流通する流通路と、該非透過ガス排出口から排出され該流通路を流通した非透過ガスを排出するライン排出口とを有しており、第1ガス分離膜ユニットのガス入口に、原料混合ガス供給ラインを連結するとともに、該原料混合ガス供給ラインの途中に第1圧縮手段を介在配置し、前記透過ガス排出ラインの途中に第2圧縮手段を介在配置し、第2ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口と、前記原料混合ガス供給ラインにおける第1圧縮手段の吸込側の位置とを、透過ガス帰還ラインによって連結し、更に第3ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口と、第2ガス分離膜ユニットの第2非透過ガス排出ラインにおける前記の流通路とを、非透過ガス合流ラインによって連結したガス分離システムを用い、
原料混合ガスを、原料混合ガス供給ラインを通じて第1ガス分離膜ユニットに供給し、第2非透過ガス排出ラインのライン排出口及び第3ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口の少なくとも一方から、濃縮富化されたガスを取り出す、富化ガスの製造方法を提供することにより前記の課題を解決したものである。
一方、運転時に第2ガス分離膜ユニット12のガスの透過速度が第3ガス分離膜ユニット13よりも高くなるようになされている場合、運転時における第1ガス分離膜ユニット11のガス透過速度が第3ガス分離膜ユニット13よりも高い、例えば第2ガス分離膜ユニット12と同等又はそれ以上であることが、第1ガス分離膜ユニット11の膜面積を低減できる観点から好ましい。
このことに基づき、各ユニットの運転温度を異ならせて、第2ガス分離膜ユニット12のガスの透過速度を第3ガス分離膜ユニット13よりも高く、第3ガス分離膜ユニット13のガス分離選択性を、第2ガス分離膜ユニット12よりも高くしてもよい。具体的には、第2分離膜ユニット12の運転温度を第3ガス分離膜ユニット13よりも高温とすることが好ましい。このように第2ガス分離膜ユニット12及び第3ガス分離膜ユニット13とで同じガス分離膜を用いた場合でも、各ユニットの運転温度を変えることで、異なる分離膜を用いた場合と同様の効果を発現させることが可能である。また各ユニットの運転温度を異ならせ、且つ、第2ガス分離膜ユニット12及び第3ガス分離膜ユニット13として用いる膜の種類を異ならせることにより、ユニット間のガス分離選択性及び/又はガス透過速度を異ならせてもよい。第2ガス分離膜ユニット12の運転温度を第3ガス分離膜ユニット13よりも高温とする場合、第2ガス分離膜ユニット12と第3ガス分離膜ユニット13の運転温度の差は5℃以上であることが好ましく、20℃以上であることがより好ましく、40℃以上であることが特に好ましい。
なお、ガス分離膜については、同じ材質のガス分離膜であっても、その運転温度を相対的に低く設定した場合には運転温度を高く設定した場合に比べ、ガス透過速度が低くかつガス分離選択性が高くなることが、一般的に知られている。
したがって、同じガス分離膜を用いた場合でも、各ユニットの運転温度を変える(例えば、第3分離膜ユニットを相対的に低温で運転する)ことで、異なる分離膜を用いた場合と同様の効果を発現させることが可能である。
))]は、1.2以上であることが好ましく、1.5以上であることが好ましく、2以上
であることが特に好ましい。また同様の観点から、運転時における第2ガス分離膜ユニット12のガス透過速度(高透過ガスAの透過速度)P’A(2)の、第3ガス分離膜ユニ
ット13のガス透過速度(高透過ガスAの透過速度)P’A(3)に対する比[P’A(2
)/P’A(3)]は、1.0以上であることが好ましく、1.1以上であることが好ましく、1.2以上であることが特に好ましい。運転時のガス透過速度及びガス分離選択性の比を上記の下限以上のものとするためには、システムの運転温度や分離膜の材質、表面処理条件、熱処理等の条件を調整すればよい。
また、仮に、第1ガス分離膜ユニット11のガス分離選択性(P’A/P’B(1))を第3ガス分離膜ユニット13より低くする場合、[(P’A/P’B(3))/(P’A/P’B(1))]としては、[(P’A/P’B(3))/(P’A/P’B(2))として上記で挙げた比と同様の比が挙げられる。また仮に、第1ガス分離膜ユニット11のガス透過速度(P’A(1))を第3ガス分離膜ユニット13よりも高くする場合、[P’A(1)/P’A(3)]の比としては、[P’A(2)/P’A(3)]の比として上記で挙げた比と同様の比が挙げられる。
図1に示すガス分離システム10を用いて、二酸化炭素及びメタンを含む混合ガスの分離を行った。同システム10における第1及び第2圧縮手段21,22としては圧縮機を用いた。混合ガスの圧力、流量及び組成は、以下の表1に示すとおりであった。第1ないし第3ガス分離膜ユニット11,12,13を構成するモジュールとして、異なる組成を有するポリイミド中空糸膜から構成されるガス分離膜をケース内に収容するモジュールであって以下の表2に示す諸元を有するガス分離膜モジュールA及びBを用いた。表2におけるガス分離膜モジュールA及びBのP’CO2及びP’CH4並びにP’CO2/P’CH4は、運転温度50℃における数値である。また表2におけるガス分離膜モジュールA’のP’CO2及びP’CH4並びにP’CO2/P’CH4の値は、ガス分離膜モジュールAの運転温度100℃における数値である。表2から明らかなとおり、ガス分離膜モジュールAの方が、ガス分離膜モジュールBよりも、ガス分離選択性が高い。ガス透過速度に関しては、ガス分離膜モジュールBの方が、ガス分離膜モジュールAよりも高い。またガス分離膜モジュールAを100℃で運転した場合(A’)、50℃で運転した場合(A)に比べて、ガス透過速度が高く、ガス分離選択性が低い。
図3に示すガス分離システム100を用いた以外は実施例1と同様にして混合ガスを分離した。そして、各比較例において、メタンの純度が95mol%及びメタンの回収率が99%となるときのモジュール本数及び膜面積並びに圧縮機動力を求めた。その結果を表1に示す。図3に示すガス分離システム100は、特許文献1に記載の技術に相当するものである。
11 第1ガス分離膜ユニット
11a ガス入口
11b 非透過ガス排出口
11c 透過ガス排出口
12 第2ガス分離膜ユニット
12a ガス入口
12b 非透過ガス排出口
12c 透過ガス排出口
13 第3ガス分離膜ユニット
13a ガス入口
13b 非透過ガス排出口
13c 透過ガス排出口
14 第1非透過ガス排出ライン
15 透過ガス排出ライン
16 原料混合ガス供給ライン
17 透過ガス帰還ライン
26 非透過ガス合流ライン
19 第2非透過ガス排出ライン
19a 接続部
19b ライン排出口
19c 流通路
21 第1圧縮手段
22 第2圧縮手段
30 ガス分離膜
31 ケーシング
32 開口部
33,34 管板
35,36 蓋体
37 ガス入口
38 非透過ガス排出口
39 透過ガス排出口
40 ガス分離膜モジュール
Claims (8)
- 互いに異なる2種のガスであるガスA及びガスBを少なくとも含む原料混合ガスをガス分離膜ユニットに供給し、原料混合ガスに含まれるガスのうちの少なくとも一種を濃縮富化するガス分離システムであって、
前記ガス分離膜ユニットが、第1ガス分離膜ユニット、第2ガス分離膜ユニット及び第3ガス分離膜ユニットを備え、
前記ガスAは、第1ガス分離膜ユニット、第2ガス分離膜ユニット及び第3ガス分離膜ユニットのいずれに対しても、ガスBよりも透過速度が大きく、
各ガス分離膜ユニットは、ガス入口、透過ガス排出口及び非透過ガス排出口を少なくとも備え、
第1ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口と、第2ガス分離膜ユニットのガス入口とを第1非透過ガス排出ラインによって連結し、
第1ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口と、第3ガス分離膜ユニットのガス入口とを透過ガス排出ラインによって連結し、
第2ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口に接続する第2非透過ガス排出ラインを設け、該第2非透過ガス排出ラインは、該非透過ガス排出口から排出された非透過ガスが流通する流通路と、該非透過ガス排出口から排出され該流通路を流通した非透過ガスを排出するライン排出口とを有しており、
第1ガス分離膜ユニットのガス入口に、原料混合ガス供給ラインを連結するとともに、該原料混合ガス供給ラインの途中に第1圧縮手段を介在配置し、
前記透過ガス排出ラインの途中に第2圧縮手段を介在配置し、
第2ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口と、前記原料混合ガス供給ラインにおける第1圧縮手段の吸込側の位置とを、透過ガス帰還ラインによって連結し、更に
第3ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口と、第2ガス分離膜ユニットの第2非透過ガス排出ラインにおける前記の流通路とを、非透過ガス合流ラインによって連結し、
第2非透過ガス排出ラインのライン排出口及び第3ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口の少なくとも一方から、濃縮富化されたガスを取り出すようにした、ガス分離システム。 - 少なくとも運転時において、第2ガス分離膜ユニットのガスAの透過速度が、第3ガス分離膜ユニットのガス透過速度より高くなり且つ第3ガス分離膜ユニットのガス分離選択性が、第2ガス分離膜ユニットのガス分離選択性より高くなるようになされている、請求項1に記載のガス分離システム。
- 第2ガス分離膜ユニットの運転温度を第3ガス分離膜ユニットに比して高温にすることで、第2ガス分離膜ユニットのガスAの透過速度が第3ガス分離膜ユニットよりも高くなり且つ第3ガス分離膜ユニットのガス分離選択性が第2ガス分離膜ユニットよりも高くなるようにした、請求項2に記載のガス分離システム。
- 第2ガス分離膜ユニットと第3ガス分離膜ユニットとで、使用するガス分離膜の種類を異ならせることにより、第2ガス分離膜ユニットのガスAの透過速度が第3ガス分離膜ユニットよりも高くなり且つ第3ガス分離膜ユニットのガス分離選択性が第2ガス分離膜ユニットよりも高くなるようにした、請求項2に記載のガス分離システム。
- 互いに異なる2種のガスであるガスA及びガスBを少なくとも含む原料混合ガスをガス分離システムに供給し、該ガス分離システムを運転することによって、該原料混合ガスに含まれるガスのうちの少なくとも一種が濃縮富化された富化ガスを製造する富化ガスの製造方法であって、
ガス分離システムとして、第1ガス分離膜ユニット、第2ガス分離膜ユニット及び第3ガス分離膜ユニットを有し、各ガス分離膜ユニットに、ガス入口、透過ガス排出口及び非透過ガス排出口を設け、
前記ガスAは、第1ガス分離膜ユニット、第2ガス分離膜ユニット及び第3ガス分離膜ユニットのいずれに対しても、ガスBよりも透過速度が大きく、
第1ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口と、第2ガス分離膜ユニットのガス入口とを非透過ガス排出ラインによって連結し、第1ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口と、第3ガス分離膜ユニットのガス入口とを透過ガス排出ラインによって連結し、第2ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口に接続する第2非透過ガス排出ラインを設け、該第2非透過ガス排出ラインは、該非透過ガス排出口から排出された非透過ガスが流通する流通路と、該非透過ガス排出口から排出され該流通路を流通した非透過ガスを排出するライン排出口とを有しており、第1ガス分離膜ユニットのガス入口に、原料混合ガス供給ラインを連結するとともに、該原料混合ガス供給ラインの途中に第1圧縮手段を介在配置し、前記透過ガス排出ラインの途中に第2圧縮手段を介在配置し、第2ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口と、前記原料混合ガス供給ラインにおける第1圧縮手段の吸込側の位置とを、透過ガス帰還ラインによって連結し、更に第3ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口と、第2ガス分離膜ユニットの第2非透過ガス排出ラインにおける前記の流通路とを、非透過ガス合流ラインによって連結したガス分離システムを用い、
原料混合ガスを、原料混合ガス供給ラインを通じて第1ガス分離膜ユニットに供給し、第2非透過ガス排出ラインのライン排出口及び第3ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口の少なくとも一方から、濃縮富化されたガスを取り出す、富化ガスの製造方法。 - 第2ガス分離膜ユニットのガスAの透過速度を第3ガス分離膜ユニットよりも高くし且つ第3ガス分離膜ユニットのガス分離選択性を第2ガス分離膜ユニットよりも高くする条件で、ガス分離システムを運転する、請求項5に記載の富化ガスの製造方法。
- 第2ガス分離膜ユニットの運転温度を第3ガス分離膜ユニットに比して高温にすることで、第2ガス分離膜ユニットのガスAの透過速度を第3ガス分離膜ユニットよりも高くし且つ第3ガス分離膜ユニットのガス分離選択性を第2ガス分離膜ユニットよりも高くした、請求項6に記載の富化ガスの製造方法。
- 第2ガス分離膜ユニットと第3ガス分離膜ユニットとで、使用するガス分離膜の種類を異ならせることにより、第2ガス分離膜ユニットのガスAの透過速度を第3ガス分離膜ユニットよりも高くし且つ第3ガス分離膜ユニットのガス分離選択性を第2ガス分離膜ユニットよりも高くした、請求項6に記載の富化ガスの製造方法。
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