JP6699296B2 - 不活性ガス供給が可能なガス分離膜装置及び富化ガスの製造方法 - Google Patents

不活性ガス供給が可能なガス分離膜装置及び富化ガスの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、不活性ガスを加熱して供給することが可能なガス分離膜装置及びそれを運転して富化ガスを製造する方法に関する。
2種類以上のガスを含む混合ガスの分離方法として、選択的透過性を有するガス分離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る。膜分離法により、混合ガスは、ガス分離膜を透過しやすい高透過性ガスの濃度が向上した透過ガスと、ガス分離膜を透過しにくい低透過性ガスの濃度が向上した未透過ガスとに分離される。この膜分離法においては、ガス分離膜を挟んで、混合ガスが供給される供給側と、透過ガスが透過してくる透過側との高透過性ガスの分圧差が必要であるため、特許文献1に示されるように、原料の混合ガスが加圧圧縮してガス分離膜に供給される例がある。また一般にガス分離膜を透過するガスの透過速度は、ガス分離膜の温度が上昇することにより増加するため、特許文献2に示されるようにガス分離膜を高温で運転する例がある。
特開2006−112488号公報 特開2013−094726号公報
原料となる混合ガスとして、有機物を含む2種類以上のガスからなる混合ガスから特定の成分を濃縮する場合には、原料の混合ガス中に水、オイルなどの不純物が含まれることが多い。これらの不純物を含む混合ガスを圧縮した場合に、不純物が凝縮する場合がある。また、ガス分離膜モジュールを高温で運転する場合には、運転開始時又は運転停止時等に常温下に晒されたガス分離膜モジュールに原料混合ガスを供給した場合に、上記不純物や原料混合ガス中の高沸点成分が凝縮する場合がある。一般にガス分離膜は種々のガスを透過させる機能は有するものの、凝縮した液体成分はガス分離膜を透過しにくく、ガス分離膜の表面や内部に蓄積し、ガス分離膜が本来有する透過性を低下させることがある。
またガス分離膜モジュールの内部が運転開始前に大気に接する状況に置かれている場合には、運転する温度及び混合ガスに含まれる成分によっては、ガス分離膜ユニットの運転開始時に、モジュール内に存在していた酸素と混合ガス中の成分の反応を防止することが安全性等の観点から求められる。
本発明の目的は、有機物を含むガスを濃縮する場合に、ガス分離膜の透過性の低下を効果的に防止し、安全な運転開始も可能なガス分離膜装置及びそれを用いた富化ガスの製造方法を提供することにある。
本発明は、少なくともガス分離膜モジュールとヒーターとによって構成させるガス分離膜装置において、運転開始時又は運転停止時にガス分離膜モジュールに不活性ガスを供給することで前記の課題を解決したものである。
すなわち、本発明は、ガス分離膜モジュールと、該ガス分離膜モジュールに接続された混合ガスの導入配管とを有するガス分離膜装置であって、
前記ガス分離膜装置は、前記導入配管に加熱手段を備え、該導入配管における該加熱手段より上流側に、不活性ガス供給配管が接続されている、ガス分離膜装置を提供するものである。
また本発明は、ガス分離膜モジュールと、該ガス分離膜モジュールに接続された混合ガスの導入配管とを有するガス分離膜装置を用いて、有機物を含む混合ガスから特定のガスを濃縮富化する富化ガスの製造方法において、
前記ガス分離膜装置の始動時に、前記導入配管に配された加熱手段に不活性ガスを供給し、該加熱手段により加熱された該不活性ガスを、該導入配管を通じて前記ガス分離膜モジュールに供給して該ガス分離膜モジュールを所定温度に昇温し、その後、
前記加熱手段で加熱した前記混合ガスを、前記導入配管を通じて前記ガス分離膜モジュールに供給する、富化ガスの製造方法を提供するものである。
本発明によれば、ガス分離膜モジュールの性能を低下させることなく、また安全にガス分離膜装置の運転を開始することができる。
図1は、本発明のガス分離膜装置の一実施形態の構成を示す概略図である。 図2は、本発明のガス分離膜装置を構成するガス分離膜モジュールの一例の構造を示す模式図である。 図3は、本発明のガス分離膜装置の別の実施形態の構成を示す概略図である。 図4は、本発明のガス分離膜装置の更に別の実施形態の構成を示す概略図である。 図5は、本発明のガス分離膜装置の更に別の実施形態の構成を示す概略図である。
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。
本発明のガス分離膜装置に用いられる選択的透過性のガス分離膜は、ガス分離膜の形状としては、平板状、スパイラル状、管状、中空糸状などいずれの形状をとることもできる。なお、ガス分離膜の形状としては、厚みが薄く径が小さい中空糸膜が、単位容積当たりに充填できる膜面積を大きくできるため、装置が小型化でき高膜面積になるので分離効率がよく経済的であるので好適である。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。前記中空糸膜の膜厚は10〜500μmで外径は50〜2000μmのものを好適に挙げることができる。更に、本発明で用いるガス分離膜は、供給される原料混合ガスや目的とする製品ガスの種類に応じて適宜選択できる。ガス分離膜としては、当該技術分野においてこれまで用いられているものと同様のものを特に制限なく用いることができる。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(高分子材料)、ポリマー材料を炭化又は部分炭素化した材料、ゼオライトなどのセラミックス材料などで形成されるガス分離膜を好適に挙げることができる。特に、高分子材料からなるガス分離膜、とりわけ非対称ポリイミドガス分離膜は、ガス分離性能が高いのみならず、耐熱性、耐久性、耐溶剤性などの特性が優れているので好ましいものである。
本発明のガス分離膜装置は、単数個又は複数個のガス分離膜モジュールを備える。本発明に用いるガス分離膜モジュールが中空糸膜によって構成される場合には、通常前記中空糸膜の多数本(例えば、数百本から数十万本)を集束して中空糸束とし、その中空糸束の少なくとも一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等のホットメルト型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固着して中空糸分離膜エレメントを構成し、更に、単数個又は複数個の前記中空糸エレメントを、少なくとも原料混合ガス供給口、透過ガス排出口、及び、非透過ガス排出口を有する容器内に、中空糸の内側へ通じる空間と中空糸の外側へ通じる空間が隔絶するように装着されて構成されている。容器は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。
本発明のガス分離膜装置に用いられる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でよい。中空糸束の配糸形態は、平行配列でも交叉配列でも織物状でもスパイラル状などでも構わない。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構わない。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、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されていてもよい。
まず、図1に基づき、本発明のガス分離膜装置及びこれを用いて原料混合ガスを分離する本発明の混合ガスの分離方法を説明する。図1に示すガス分離膜装置10は、ガス分離膜ユニット11を備えている。ガス分離膜ユニット11としては、例えば、図2に示すとおり、中空糸膜等からなり、ガス選択透過性を有するガス分離膜30をケーシング31内に収容してなるモジュール40を用いることができる。図1に示す本実施形態のガス分離膜ユニット11は、例えば、図2に示すガス分離膜モジュール40を一本用いたものであるか、或いは、このモジュール40を複数本並列してなるものである。モジュール40におけるケーシング31は、対向する二面が開口して開口部32を形成している。この開口部32は、ガス分離膜30をケーシング31内に挿入するためのものであり、ガス分離膜30の開口部ではない点に留意すべきである。ガス分離膜30は、この開口部32を通じてケーシング31内に収容される。ガス分離膜30が中空糸膜束からなる場合、該ガス分離膜30はその収容状態において、ケーシング31の各開口部32の付近において中空糸膜の各端部が開口するように、ケーシング31内に収容される。
ガス分離膜30がケーシング31内に収容された状態においては、中空糸膜の延びる方向であるY方向の両端部の位置において、ガス分離膜30が管板33,34によってケーシング31の内壁に固定されている。ケーシング31の各開口部32は、蓋体35,36によって閉塞されている。蓋体35にはガス入口37が設けられている。一方、蓋体36には非透過ガス排出口38が設けられている。分離対象となる混合ガスは、蓋体35のガス入口37からモジュール内に導入される。導入されたガスのうち、ガス分離膜30を透過したガスは、ケーシング31に設けられた透過ガス排出口39からモジュール外に排出される。一方、ガス分離膜30を透過しなかった非透過ガスは、蓋体36の非透過ガス排出口38からモジュール外に排出される。また、場合によっては、ケーシング31にパージガスの供給口(図示せず)を設けてもよい。なお、図2に記載の構成では、高透過性ガスを、中空糸膜を内側から外側に透過させるように構成されているが、図2に示す例から、非透過ガス排出口、透過ガス排出口、ガス入口の位置を変更することにより、高透過性ガスを中空糸膜の外側から内側に透過させる構成としてもよい。また図2の分離膜モジュールを例に説明したが、当然ながら、本発明は他の構成の分離膜モジュールにも応用可能であり、例えば、シェルフィード型のモジュールにも応用できる。
図1に戻ると、ガス分離膜ユニット11のガス入口11aには、原料である混合ガス源(図示せず)からの混合ガスをガス分離膜ユニット11へ供給するための混合ガス導入配管16が連結されている。混合ガス導入配管16のガス分離膜ユニット11に向かう途中には、加熱手段17が介在配置されている。加熱手段17はガス分離膜モジュールへ供給するガスを加熱する目的で設置されている。加熱手段17は、例えば、温度センサーとヒーターとそれらを制御する制御装置からなる。
本実施形態では、混合ガス導入配管16に、圧縮手段19が設けられている。圧縮手段19は、混合ガス源から供給された混合ガスを加圧する目的で設置されている。
このように圧縮手段19を配置していることが、ガス分離膜ユニット11の運転時に、混合ガスが供給される供給側と、透過ガスが透過してくる透過側との高透過性ガスの分圧差を容易に得られる観点から好ましい。
圧縮手段19は、加熱手段17よりも上流側に設けられていることが、加熱手段17における加熱による悪影響を圧縮手段19に与えることを防止できる点や圧縮手段19から混入するオイル等の不純物を凝縮させずにガス分離膜ユニット11に供給できる点から好ましい。圧縮手段19としては、当該技術分野においてこれまで用いられてきた圧縮手段と同様のものを用いることができ、例えばコンプレッサ(圧縮機)を用いることができる。図1に示す例では、圧縮手段19は、混合ガス導入配管16における不活性ガス供給配管18の接続箇所よりも下流側に配置されている。このようにすると、不活性ガス供給配管18から混合ガス導入配管16に供給された不活性ガスが分離膜モジュールの運転圧よりも低い圧力であっても混合ガスのみならず不活性ガスも加圧された状態でガス分離膜ユニット11に供給できるため、好ましい。
更に、ガス分離膜ユニット11は、それを構成するガス分離膜モジュール40の非透過ガス排出口38と連通する非透過ガス排出口11b及びガス分離膜モジュール40の透過ガス排出口39と連通する透過ガス排出口11cをそれぞれ有する。ガス分離膜装置10はガス分離膜ユニット11の非透過ガス排出口11b及び透過ガス排出口11cにそれぞれ接続する非透過ガス排出配管12、及び透過ガス排出配管13とを有する。
本実施形態のガス分離膜装置10は、混合ガス導入配管16の加熱手段17より上流側に不活性ガス供給配管18が接続されている。不活性ガス供給配管18においては、不図示の端部より不活性ガスが導入されて配管18内を通じて導入配管16内に供給されるようになされている。これによりガス分離膜装置10では、導入配管16を通じて不活性ガスがガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給される。この不活性ガスは、窒素、二酸化炭素、アルゴン、ヘリウムなど特に問わないが、容易かつ安価に入手可能な窒素又は窒素富化空気が好ましい。不活性ガスが窒素もしくは窒素富化空気の場合には、この窒素もしくは窒素富化空気としては、ボンベガス、PSA装置によって生成したガス、分離膜法によって生成したガス、深冷分離によって生成したガス、燃焼廃ガスなどが挙げられる。特に不活性ガスとしては、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)とは別に設けられたガス分離膜を用いて、空気に酸素除去処理及び乾燥処理を施すことにより得られた窒素富化空気を用いることが好ましい。この場合、ガス分離膜の種類の選定や原料空気の圧力の設定等により、ガス分離膜における窒素、酸素及び水分の透過速度を調整することで、原料である空気をガス分離膜に供給して得られる非透過ガスとして、該空気よりも水分量の低い窒素富化空気を得ることができる。非透過ガスとして原料である空気よりも水分量の低い窒素富化空気ガスが得られるガス分離膜の例としては、例えば、ポリイミド、ポリスルホン、ポリカーボネートなどのガラス状高分子、シリコーンゴムなどのゴム状高分子が挙げられ、ポリイミドがガス分離性能が高いのみならず、耐熱性、耐久性、耐溶剤性などの特性の観点から好ましい。窒素富化空気とは、通常の空気(例えば、窒素78容量%、酸素21容量%)から酸素含量を低減させ、窒素含量を高めた空気をいい、酸素を実質的に含まないことが好ましい。具体的には、窒素富化空気における酸素含有量は15容量%以下であることが好ましく、10容量%以下であることがより好ましく、5容量%以下であることが特に好ましい。また、窒素富化空気における窒素の含有量は、85容量%以上であることが好ましく、90容量%以上であることがより好ましく、95容量%以上であることが特に好ましい。窒素富化空気における窒素の含有量は99容量%以下であると、窒素富化空気の入手容易性の観点から好ましい。
更に、本発明で用いる不活性ガスは、乾燥していることが好ましい。本発明において、乾燥しているとは、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)の運転温度において、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)の運転圧力に加圧した状態で凝集成分が実質的に発生しないことを意味する。ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)の運転温度としては後述する温度が挙げられる。またガス分離膜モジュールの運転圧力としては0.2MPaG以上20MPaG以下が好ましく、0.5MPaG以上10MPaG以下がより好ましい。また例えば、前記導入配管18から導入配管16に供給される不活性ガスは前記の運転圧力下における加圧露点が25℃以下となるような水分含量を有することが好ましく、前記の加圧露点は10℃以下であることがより好ましく、0℃以下であることが特に好ましい。不活性ガス中の水分含量の測定には、例えば露点計を用いることができる。
本実施形態の富化ガスの製造方法は図1に記載のガス分離膜装置10を用いて、以下のように行われる。
ガス分離膜装置10の始動時に、まず、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に不活性ガス供給配管18から導入配管16に不活性ガスを供給する。導入配管16内に導入された不活性ガスはこの配管16における加熱手段17を経由することによって加熱手段17に昇温される。そして不活性ガスは、その昇温された状態で、導入配管16内を通ってガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給され、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)、具体的にはユニット11のガス分離膜を昇温させる。ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)が所定温度まで昇温された後、不活性ガスの供給を停止する。ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給される不活性ガスの圧力は大気圧以上、特に0.1MPaG以上であることが、凝縮性成分の付着を防止する観点から好ましく、20MPaG以下、特に10MPaG以下であることが分離膜への負荷を軽減する観点等から好ましい。不活性ガスは、モジュール40において、ガス入口37から導入される。引き続いて、混合ガス導入配管16を経由して混合ガスを加熱手段17に導入する。そして加熱手段17で加熱した混合ガスをガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給する。これにより、ガスの分離による富化ガスの製造を開始する。
不活性ガスは加熱手段17によって想定される膜モジュールの運転温度と同じであっても異なっていてもよいが、好ましくは運転温度以上、運転温度+5℃以上、より好ましくは+10℃以上に昇温された後にガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給されることが、不活性ガスによる凝縮防止の観点から好ましい。この温度は、200℃以下であることが、ガス分離膜の性能低下をより効果的に防止する観点から好ましい。
この温度は、加熱手段17に備え付けられた測定装置及び温度制御装置により測定及び制御される。
不活性ガスの供給を停止する時点のガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)における温度(上記の所定温度)は、加熱手段17において加熱された不活性ガスの温度と同じであってもよく異なっていてもよいが、予定される膜モジュールの運転温度以上であることが好ましい。この観点から、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)における前記の所定温度としては、想定される膜モジュールの運転温度+5℃以上、より好ましくは+10℃以上である。またこの所定温度は、200℃以下であることが、上記と同様の観点から好ましい。上記の範囲の温度にガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)が昇温された時点では、通常、ユニット11におけるガス分離膜全体が不活性ガス雰囲気下に置かれる。
ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)の温度が所定温度まで昇温されたことは、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)のガス分離膜の温度を測定することにより確認することが好ましい。その場合、例えば、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に接続された非透過ガス排出配管12や透過ガス排出配管13内のガス温度を測定して所定温度であれば昇温されたと確認する。また、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)への不活性ガスの供給停止と混合ガスの供給開始とは連続的に行われることが好ましく、不活性ガスの供給停止から混合ガスの供給開始までの間隔が5分以下であることが好ましく、1分以下であることがより好ましい。あるいは不活性ガスを供給したまま混合ガスを供給開始し、徐々に不活性ガスの供給量を減らし最終的に停止させる方法でも良い。
ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)の運転温度は、不活性ガスの供給を停止する時点であるガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)における前記の所定温度と同一であってもよく、異なっていてもよい。本発明の効果を得やすいという観点からガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)の運転温度は、その圧力下における混合ガスの加圧露点よりも5℃以上、好ましくは10℃以上高いことが好ましい。ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)の運転温度は、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に接続された非透過ガス排出配管12や透過ガス排出配管13内のガス温度を測定することで測定することができる。具体的な運転温度の下限の例としては、例えば常温(25℃)以上が挙げられる。膜ユニット11(膜モジュール40)の運転温度は、上記と同様の観点から200℃以下であることが好ましい。なお、ここでいうガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)の運転温度とは、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に対し混合ガスを供給している間のガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)の温度をいう。
更に、上記と同様の観点から、混合ガスは、加熱手段17により膜モジュールの運転圧力下における混合ガスの加圧露点よりも5℃以上、好ましくは10℃以上に昇温された後にガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給されることが更に好ましい。ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給される際の混合ガスの温度は、上記と同様の観点から200℃以下であることが好ましい。
使用した不活性ガスの総量中、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)のガス分離膜を透過する不活性ガスの量と非透過である不活性ガスの量は特に限定されない。
以上のガス分離膜ユニット及び富化ガスの製造方法によれば、混合ガスがガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給開始される前に予め加熱された不活性ガスをユニット11(ガス分離膜モジュール40)に容易に供給でき、これにより昇温され且つ不活性ガス雰囲気下となったモジュール11に混合ガスを加熱した状態で容易に供給できる。このようなガス分離膜ユニット及び本発明の製造方法によれば、凝縮した不純物や高沸点成分の除去及び新たな凝縮の防止ないし安全性の向上が、安価且つ容易に実現できる。
本発明の富化ガスの製造方法は図1に記載のガス分離膜装置10を用いて、以下のように行ってもよい。
ガス分離膜装置10の始動時に、まず、混合ガス導入配管16に混合ガスを供給するとともに、不活性ガス供給配管18に不活性ガスを供給し、この2つの配管の接続点において、混合ガスと不活性ガスとを合流させる。合流は、例えば導入配管16及び供給配管18をそれぞれ経由した混合ガス及び不活性ガスをガス分離膜モジュール11側に略同時に供給することで可能である。このようにすることで、この接続点よりも導入配管16における下流側に位置する加熱手段17において混合ガス及び不活性ガスの合流体が供給され、不活性ガスは、混合ガスとの合流体として加熱手段17に加熱される。そして加熱手段17によって昇温された状態の合流体を、導入配管16内を通じてガス分離膜モジュール11に供給し、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)内の分離膜の温度を昇温させる。ガス分離膜の温度が所定温度まで昇温された後、不活性ガスの供給を停止する。不活性ガスを含まない混合ガスをガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給することにより、ガスの分離を開始する。
以上のように、混合ガス導入配管16からの混合ガスと不活性ガス供給配管18からの不活性ガスとの合流体を加熱し、上記のように、混合ガスをガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給する前に、予め加熱した合流体をガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給する場合も、不活性ガスのみを予めガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給する上記の場合と同様の効果を得ることができる。この場合、加熱手段17において加熱された合流体の温度及び圧力の好ましい範囲としては、加熱手段17において加熱された不活性ガスの温度及び圧力の好ましい範囲として上記で挙げた範囲と同様の範囲を挙げることができる。
ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給される混合ガスと不活性ガスの合流体における両者の容量比は、本製造方法において一定であっても異なっていてもよい。例えば、両者の容量比は連続的又は非連続的に変更されてもよい。その場合、合流体における混合ガスと不活性ガスの容量比は、この合流体をガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給開始する時点において、合流体の供給の終了時点に比べて、不活性ガスの割合が高く、混合ガスの割合が低いように変更されていることが好ましい。
合流体をガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給開始する時点における合流体中の不活性ガスの割合は、50容量%以上であることが好ましく、70容量%以上であることがより好ましい。この時点における合流体中の不活性ガスの割合は、高ければ高いほど好ましいが、70容量%程度であれば、それ以上不活性ガスの量を増加させても、本発明の効果にそれほど変わりない。なお不活性ガスが窒素富化空気等のように微量の酸素を含む場合、ここでいう合流体中の不活性ガスの割合は、この酸素を含まない量をいう。
また、図1に示す本実施形態のガス分離膜装置10による富化ガスの製造(混合ガスの分離)においては、ガス分離膜装置10(ガス分離膜ユニット11)の運転開始時の不活性ガスの供給に加えて、或いは、替えて、ガス分離膜装置10(ガス分離膜ユニット11)の運転停止時に不活性ガスの供給を行ってもよい。具体的には、ガス分離膜モジュールへの混合ガスの供給を停止した後に、ガス分離膜の温度が高い状態のままで、不活性ガスをガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)へ供給することにより、運転停止時に不活性ガスの供給を行う。この場合に、加熱手段17による不活性ガスの加熱を行っても行わなくてもよい。不活性ガスを加熱する場合における加熱した不活性ガスの好ましい温度及び圧力としては、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)始動時における加熱した不活性ガスの好ましい温度及び圧力として上述した範囲を挙げることができる。またこの場合に、圧縮手段19による不活性ガスの圧縮は行ってもよく、行わなくてもよいが、行うことが凝縮性成分の付着を防止する観点から好ましい。
原料の混合ガスに可燃性ガスや毒性ガスが含まれる場合、運転停止時に不活性ガスを供給することで、ガス分離膜ユニットの点検や修理等が安全に実施できる。
本実施形態のガス分離膜装置10を用いて分離する混合ガスは、2種以上のガス混合物であれば特に制限されるものではない。混合ガスとして、凝集性のガス、可燃性のガスを含む場合に特に好適に使用することができる。本実施形態のガス分離膜装置は、例えば、メタンガスと二酸化炭素ガスを主に含むバイオガスから、低透過性ガスであるメタンガスを分離回収する方法に好適に使用することができる。また本実施形態のガス分離膜装置10は、それ単独、或いは、これの複数の組み合わせ、或いは、これと、他のいずれのガス分離膜ユニットとの組み合わせにより、富化ガスを製造するためのガス分離膜装置又はガス分離膜システムとして用いることが可能である。
続いて、図3及び図4に基づいて、本発明の別の実施形態について説明する。これらの実施形態についての説明は、上述した図1に基づく実施形態と異なる点のみ説明し、同様の点については同じ符号を付して説明を省略する。
図3に示すガス分離膜装置10Aのように、圧縮手段19は、混合ガス導入配管16における不活性ガス供給配管18の接続部位よりも上流側に設けられていてもよい。このようにした場合、不活性ガスは、圧縮手段19による加圧力を直接受けない。しかしながら、装置10Aにおいても、不活性ガスはボンベやガス発生器や工場配管から直接又は不活性ガス供給配管18を介して混合ガス導入配管16に導入される場合は圧力を有している。混合ガスの成分によっては不活性ガスのガス分離膜を透過する必要はなく、また必要な場合であっても、ガス分離膜の構成が不活性ガスを透過しやすいものであったり、透過側に減圧手段を配置することなどにより、圧縮手段により不活性ガスを加圧せずとも、不活性ガスがある程度ガス分離膜を透過する場合もある。このような場合、図3に示す形態を採用することに問題ない。不活性ガスがガス分離膜ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)の運転圧と同等以上の圧力を有する場合は、圧縮手段19と加熱手段17の間に接続する方が好ましい。
このようなガス分離膜装置10Aを用いても、ガス分離膜装置10について説明した上記の効果と同様の効果を得ることができることは明らかである。
また図4に示すガス分離膜装置10Bでは、導入配管16において圧縮手段19の下流側であって加熱手段17の上流側に冷却手段21が配されている点、及び、導入配管16において更に、気液分離フィルター22が冷却手段21に直接接続するか又は冷却手段21の下流側であって加熱手段17の上流側に配されている点で、図1に示すガス分離膜装置10と、異なっている。
このように構成することにより、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)の運転時において、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)の始動時又は停止時に不活性ガス、或いは混合ガスと不活性ガスとの合流体は導入配管16を通じて冷却手段21に送られ冷却手段21に冷却される。これにより不活性ガス又は合流体中の不純物又は高沸点成分は凝集(液化)されて気液分離フィルター22において凝集液として除去される。冷却手段21としては、公知の物を特に制限なく用いることができる。このように不純物及び高沸点成分が除去された不活性ガス又は合流体は、加熱手段17を経由してこの加熱手段で加熱された後に、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に導入される。これにより、凝縮成分が除去された乾燥状態で不活性ガス又は混合ガスと不活性ガスとの合流体がガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給されるので、ガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)における凝縮成分の蓄積が一層効果的に防止され、これによりガス分離膜の透過性をより一層容易に維持することができる。また混合ガスをガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給してガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)を運転する際も、図4に示すユニットにおいて、混合ガスを冷却手段21、並びに気液分離フィルター22、加熱手段17を経由させることで、混合ガスを凝集成分が除去された状態でガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に供給でき、本発明の効果をより高めることができる。
また、図4における装置10Bは、図5における装置10Cのように改変してもよい。この装置10Cにおいては、圧縮手段19の下流側に熱交換手段23が配置されている。そして導入配管16は、熱交換手段23の上流側に位置する第1の部位16aと、熱交換手段23から始まり熱交換手段23に帰るループ状の第2の部位16bと、熱交換手段23からガス分離膜ユニット11(ガス分離膜モジュール40)に至る第3の部位16cとを有している。そして、ループ状の第2の部位16bに、冷却手段21と、気液分離フィルター22とがこの順で配置されている。更に、加熱手段17が第3の部位16cにおける熱交換手段23とガス分離膜ユニット11の間の位置に配置されている。
このように構成すると、圧縮手段による断熱圧縮により温度が上昇した不活性ガスが熱交換手段23に導入されて冷却され、次いで冷却手段21によって更に冷却される。これにより不活性ガス中又は合流体中の不純物又は高沸点成分が液化して気液分離フィルター22において凝集液として除去される。このように不純物及び高沸点成分が除去された不活性ガス又は合流体は、次いで熱交換手段23において、加熱されて、次いで、加熱手段17により更に加熱される。熱交換手段23としては、公知の物を制限なく用いることができる。またこのように構成することにより、熱交換手段23で熱の回収を行うことができるため、冷却手段21、加熱手段17の負荷を軽減することができる。
以下、本発明を上記各実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に何ら限定されない。例えば、上記で説明した一の実施形態に記載された構成と、他の実施形態として記載された構成との組み合わせが本発明に含まれることはいうまでもない。
また各実施形態のガス分離膜ユニット11の透過側に減圧手段を設けることで混合ガス流に分離膜を通過する動力を付与してもよい。そのような減圧手段としては公知の真空ポンプ等を用いることができる。しかしながら、そのような減圧手段は設けないことが、不活性ガスによる凝縮成分の除去作用を高いものとする点から好ましい。
10、10A、10B、10C ガス分離膜装置
11 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 非透過ガス排出配管
13 透過ガス排出配管
16 混合ガス導入配管
17 加熱手段
18 不活性ガス供給配管
19 圧縮手段
21 冷却手段
22 気液分離フィルター
23 熱交換手段
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 (11)

  1. ガス分離膜モジュールと、該ガス分離膜モジュールに接続された混合ガスの導入配管とを有するガス分離膜装置であって、
    前記ガス分離膜装置は、前記導入配管に加熱手段を備えており、且つ該導入配管における該加熱手段より上流側に、不活性ガス供給配管が接続されており、
    前記混合ガスが有機物を含み、
    前記不活性ガス供給配管から前記導入配管に供給されて前記加熱手段により加熱された不活性ガスが前記ガス分離膜モジュールに導入された後に、前記混合ガスが前記ガス分離膜モジュールに導入されるように使用される、ガス分離膜装置。
  2. 前記導入配管における前記加熱手段より上流側に、圧縮手段を備えている、請求項1に記載のガス分離膜装置。
  3. 前記不活性ガス供給配管により前記導入配管に供給される不活性ガスが、窒素又は窒素富化空気である、請求項1又は2に記載のガス分離膜装置。
  4. 前記不活性ガス供給配管から前記導入配管に供給される不活性ガスが、前記ガス分離膜モジュールとは別に設けられたガス分離膜を用いて、空気に乾燥処理及び酸素除去処理を施すことにより得られた窒素富化空気である、請求項1から3のいずれか1項に記載のガス分離膜装置。
  5. 前記ガス分離膜モジュールに備えられたガス分離膜が高分子からなるものである、請求項1から4のいずれか1項に記載のガス分離膜装置。
  6. 200℃以下の運転温度で運転される請求項1から5に記載のいずれか1項に記載のガス分離膜装置。
  7. ガス分離膜モジュールと、該ガス分離膜モジュールに接続された混合ガスの導入配管とを有するガス分離膜装置を用いて、有機物を含む混合ガスから特定のガスを濃縮富化する富化ガスの製造方法において、
    前記ガス分離膜装置の始動時に、前記導入配管に配された加熱手段に不活性ガスを供給し、該加熱手段により加熱された該不活性ガスを、該導入配管を通じて前記ガス分離膜モジュールに供給して該ガス分離膜モジュールを所定温度に昇温し、その後、
    前記加熱手段で加熱した前記混合ガスを、前記導入配管を通じて前記ガス分離膜モジュールに供給する、富化ガスの製造方法。
  8. 前記ガス分離膜モジュールの運転温度が、0.2MPaG以上20MPaG以下である該ガス分離膜モジュールの運転圧力における前記混合ガスの加圧露点よりも5℃以上高い温度である、請求項に記載の富化ガスの製造方法。
  9. 前記不活性ガスを前記ガス分離膜モジュールの運転温度に対して5℃以上高い温度に昇温して該ガス分離膜モジュールに供給する、請求項又はに記載の富化ガスの製造方法。
  10. 前記不活性ガスは、0.2MPaG以上20MPaG以下である前記ガス分離膜モジュールの運転圧力における加圧露点が25℃以下である、請求項からのいずれか1項に記載の富化ガスの製造方法。
  11. 前記ガス分離膜装置の始動時に、前記不活性ガスと前記混合ガスとの合流体を前記加熱手段に供給し、加熱した該合流体を、前記導入配管を通じて前記ガス分離膜モジュールに供給して該ガス分離膜モジュールを所定温度に昇温する、請求項から10のいずれか1項に記載の富化ガスの製造方法。
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