JP7031214B2 - Helium-enriched gas production method and gas separation system - Google Patents

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本発明は、ヘリウム富化ガスの製造方法及びヘリウム富化ガスを製造するガス分離システムに関する。 The present invention relates to a method for producing a helium-enriched gas and a gas separation system for producing a helium-enriched gas.

ヘリウムを含む原料ガスを各ガスに分離する方法として、膜に対するガスの透過速度の差を利用した膜分離法が知られている。この方法では通常、透過ガスを回収することにより、目的ガスである高純度のヘリウム富化ガスを得ることができる。原料ガスに含まれるヘリウムの膜に対する単位膜面積・単位時間・単位分圧差あたりの透過体積である透過速度は、P'He(単位は、×10-5cm(STP)/cm・sec・cmHg)で表すことができる。 As a method for separating the raw material gas containing helium into each gas, a membrane separation method using the difference in the permeation rate of the gas with respect to the membrane is known. In this method, usually, by recovering the permeated gas, a high-purity helium-enriched gas, which is a target gas, can be obtained. The permeation rate, which is the permeation volume per unit membrane area, unit time, and unit pressure difference with respect to the helium membrane contained in the raw material gas, is P'He (unit is × 10-5 cm 3 (STP) / cm 2 · sec. -Can be expressed in cmHg).

一般に、ガス分離膜は、ガス選択透過性を有するガス分離膜を、少なくともガス入口、透過ガス排出口、非透過ガス排出口が備えられている容器内に収容してなるガス分離膜モジュールとして使用されている。ガス分離膜は、そのガス供給側とガス透過側の空間が隔離されるように、容器内に装着されている。ガス分離システムにおいては、所要の膜面積とするために、一般に複数のガス分離膜モジュールを並列に組み合わせたガス分離膜ユニットとして使用される。ガス分離膜ユニットを構成する複数のガス分離膜モジュールは、ガス入口、非透過ガス排出口、透過ガス排出口を共用するため、ガス分離膜ユニットは、実質的に膜面積が大きいガス分離膜モジュールとして作用する。 Generally, the gas separation membrane is used as a gas separation membrane module in which a gas separation membrane having gas selective permeability is housed in a container provided with at least a gas inlet, a permeation gas discharge port, and a non-permeation gas discharge port. Has been done. The gas separation membrane is installed in the container so that the space on the gas supply side and the gas permeation side is separated. In a gas separation system, it is generally used as a gas separation membrane unit in which a plurality of gas separation membrane modules are combined in parallel in order to obtain a required membrane area. Since the plurality of gas separation membrane modules constituting the gas separation membrane unit share the gas inlet, the impermeable gas discharge port, and the permeation gas discharge port, the gas separation membrane unit is a gas separation membrane module having a substantially large membrane area. Acts as.

従来、ヘリウム精製にガス分離膜を用いる手法が取り入れられている。ガス分離膜によるヘリウム精製としては、例えば、図3のように、1段のガス分離膜ユニットに原料ガスを供給して透過ガスをヘリウム富化ガスとして取り出す方法が挙げられる。またガス分離膜ユニットを2段連結して設け、一段目の透過ガスを二段目に供給して、二段目の透過ガスをヘリウム富化ガスとして取り出す方法や(特許文献1の図4)、一段のガス分離膜ユニットを用い、一段目の非透過ガスを一段目に帰還させながら透過ガスを取り出す方法(特許文献1の図5)等が挙げられる。
また、特許文献2に記載のように、不純物として少なくとも酸素を含むヘリウムガスを密閉容器から連続的に抜き出し、ガス分離膜を透過させることによってヘリウムガスを精製し、前記密閉容器に循環回収させるヘリウムガスの回収精製方法において、前記ガス分離膜における非透過ガス中に含まれる酸素濃度が一定となるように非透過ガス流量を制御するヘリウムガスの回収精製方法も提案されている。
Conventionally, a method using a gas separation membrane for helium purification has been adopted. Examples of the helium purification by the gas separation membrane include a method of supplying a raw material gas to a one-stage gas separation membrane unit and taking out a permeated gas as a helium-enriched gas, as shown in FIG. Further, a method in which a gas separation membrane unit is provided by connecting two stages, the permeated gas of the first stage is supplied to the second stage, and the permeated gas of the second stage is taken out as a helium-enriched gas (FIG. 4 of Patent Document 1). , A method of taking out the permeated gas while returning the non-permeated gas of the first stage to the first stage by using the gas separation membrane unit of the first stage (FIG. 5 of Patent Document 1) and the like can be mentioned.
Further, as described in Patent Document 2, helium gas containing at least oxygen as an impurity is continuously extracted from the closed container and permeated through a gas separation membrane to purify the helium gas and circulated and recovered in the closed container. In the gas recovery and purification method, a helium gas recovery and purification method in which the flow rate of the non-permeated gas is controlled so that the oxygen concentration contained in the non-permeated gas in the gas separation membrane is constant has also been proposed.

特表2004-518522号公報Japanese Patent Publication No. 2004-518522 特開2003-212523号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-212523

図3のガス分離システム100では、製品ガス中のヘリウム純度を高めようとすると、透過ガス流量に対する非透過ガス流量を増やさざるを得ず、これにより回収率が犠牲になる。また一方、回収率を高めようとすると、ヘリウム純度の向上に限界がある、といった課題があった。
また、特許文献1の図4の2段階のガス分離は、1段に比べて設備コストが大きいという課題がある。更に、特許文献1の図5のように、ヘリウムの回収率及び純度を高めようとすると、低温処理による不純分の除去処理が必要となり、設備コストが大きいという課題があった。
更に、特許文献2に記載のように、密閉容器を用いて循環回収させる方法は、回収までに時間がかかる点や特殊な密閉容器を必要する点等で処理コストが大きいという課題があった。
In the gas separation system 100 of FIG. 3, when trying to increase the purity of helium in the product gas, the flow rate of the non-permeated gas has to be increased with respect to the flow rate of the permeated gas, which sacrifices the recovery rate. On the other hand, there is a problem that there is a limit to the improvement of helium purity when trying to increase the recovery rate.
Further, the two-step gas separation of FIG. 4 of Patent Document 1 has a problem that the equipment cost is higher than that of the one-step gas separation. Further, as shown in FIG. 5 of Patent Document 1, in order to increase the recovery rate and purity of helium, it is necessary to remove the impure component by low temperature treatment, and there is a problem that the equipment cost is high.
Further, as described in Patent Document 2, the method of circulating and collecting using a closed container has a problem that the processing cost is high in that it takes a long time to collect and a special closed container is required.

したがって本発明の課題は、前述した従来技術が有する欠点を解消し得るガス分離システムを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a gas separation system that can eliminate the drawbacks of the above-mentioned prior art.

本発明は、一つのガス分離膜ユニットにヘリウムを含む原料ガスを供給するヘリウム富化ガスの製造方法であって、
前記ガス分離膜ユニットは、前記原料ガスが供給されるガス入口と、透過ガス排出口と、非透過ガス排出口と、を少なくとも備え、
前記透過ガス排出口から排出された透過ガスの一部を帰還させて前記原料ガスに合流させるとともに、透過ガスの残分をヘリウム富化ガスとして取り出す、ヘリウム富化ガスの製造方法を提供するものである。
The present invention is a method for producing a helium-enriched gas that supplies a raw material gas containing helium to one gas separation membrane unit.
The gas separation membrane unit includes at least a gas inlet to which the raw material gas is supplied, a permeated gas discharge port, and a non-permeated gas discharge port.
Provided is a method for producing a helium-enriched gas, in which a part of the permeated gas discharged from the permeated gas discharge port is returned and merged with the raw material gas, and the residue of the permeated gas is taken out as a helium-enriched gas. Is.

また本発明は、一つのガス分離膜ユニットからなるガス分離システムであって、
前記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、
前記ガス分離膜ユニットのガス入口に、ヘリウムを含む原料ガスの供給ラインを連結し、
前記ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口及び非透過ガス排出口にそれぞれ透過ガス排出ライン及び非透過ガス排出ラインを連結しており、
透過ガス排出ラインと原料ガスの供給ラインとを連結して、透過ガス排出ガスの一部を原料供給ガスに合流させる帰還ラインを有し、透過ガス排出ガスの残りを、ヘリウム富化ガスとして取り出すようになされている、ガス分離システムを提供するものである。
Further, the present invention is a gas separation system including one gas separation membrane unit.
The gas separation membrane unit includes at least a gas inlet, a permeated gas discharge port, and a non-permeated gas discharge port.
A supply line for a raw material gas containing helium is connected to the gas inlet of the gas separation membrane unit.
A permeated gas discharge line and a non-permeated gas discharge line are connected to the permeated gas discharge port and the non-permeated gas discharge port of the gas separation membrane unit, respectively.
It has a feedback line that connects the permeated gas exhaust line and the raw material gas supply line to join a part of the permeated gas exhaust gas to the raw material supply gas, and takes out the rest of the permeated gas exhaust gas as helium-enriched gas. It provides a gas separation system.

本発明によれば従来のガス分離システム及びヘリウム富化ガスの製造方法に比べて設備等のコストを低減し、簡便にヘリウム富化ガスの高回収率及び高純度を達成できる、ヘリウム富化ガスの製造方法及びガス分離システムが提供される。 According to the present invention, the cost of equipment and the like can be reduced as compared with the conventional gas separation system and the method for producing a helium-enriched gas, and a high recovery rate and a high purity of the helium-enriched gas can be easily achieved. Manufacturing method and gas separation system are provided.

図1は、本発明の一の実施形態であるヘリウム分離用ガス分離システムの構成を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic view showing the configuration of a gas separation system for helium separation according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明のガス分離システムに用いられるガス分離膜ユニットを構成するモジュールの一例の構造を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of an example of a module constituting the gas separation membrane unit used in the gas separation system of the present invention. 図3は、従来のヘリウム分離用ガス分離システムの構成を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic view showing the configuration of a conventional gas separation system for helium separation.

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。まず、図1及び図2に基づき、本発明の好ましい実施形態であるガス分離システム10及びこれを用いてヘリウム富化ガスを製造する方法についての本発明の好ましい実施態様について説明する。図1に示すように、本実施形態のガス分離システム10は、1つのガス分離膜ユニット11からなる。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。本実施形態におけるガス分離膜ユニット11におけるガス分離膜は、ヘリウムの透過速度P'He(cm(STP)/cm・sec・cmHg)がOの透過速度P'O2(cm(STP)/cm・sec・cmHg)及びNの透過速度P'N2(cm(STP)/cm・sec・cmHg)よりも高いものである。また、本実施形態におけるガス分離膜ユニット11におけるガス分離膜は、ヘリウムの透過速度P'He(cm(STP)/cm・sec・cmHg)がCOの透過速度P'CO2(cm(STP)/cm・sec・cmHg)及びアルゴンの透過速度P'Ar(cm(STP)/cm・sec・cmHg)よりも高いものであることが好ましい。 Hereinafter, the present invention will be described based on the preferred embodiment thereof with reference to the drawings. First, based on FIGS. 1 and 2, a preferred embodiment of the present invention will be described with respect to a gas separation system 10 which is a preferred embodiment of the present invention and a method for producing a helium-enriched gas using the gas separation system 10. As shown in FIG. 1, the gas separation system 10 of the present embodiment includes one gas separation membrane unit 11. As the gas separation membrane unit 11, for example, as shown in FIG. 2, a module 40 made of a hollow fiber membrane or the like and having a gas separation membrane 30 having gas selective permeability is housed in a casing 31 can be used. In the gas separation membrane unit 11 of the present embodiment, the permeation rate of helium P'He (cm 3 (STP) / cm 2 · sec · cmHg) is O 2 and the permeation rate P'O 2 (cm 3 (cm 3). It is higher than the permeation rate P'N 2 (cm 3 (STP) / cm 2 · sec · cmHg) of STP) / cm 2 · sec · cmHg) and N 2 . Further, in the gas separation membrane of the gas separation membrane unit 11 in the present embodiment, the permeation rate of helium P'He (cm 3 (STP) / cm 2 · sec · cmHg) is CO 2 permeation rate P'CO 2 (cm). It is preferably higher than 3 (STP) / cm2 · sec · cmHg) and the permeation rate of argon P'Ar (cm 3 (STP) / cm2 · sec · cmHg).

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が多数本の中空糸膜が長手方向を一致するように束ねてなる中空糸膜束から構成される場合、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。 The gas separation membrane unit 11 of the present embodiment uses, for example, one gas separation membrane module 40 shown in FIG. 2, or a plurality of these modules 40 are arranged in parallel. The casing 31 in the module 40 has two facing surfaces open to form an opening 32. It should be noted that the opening 32 is for inserting the gas separation membrane 30 into the casing 31, not the opening of the gas separation membrane 30. The gas separation membrane 30 is housed in the casing 31 through the opening 32. When the gas separation membrane 30 is composed of a hollow fiber membrane bundle in which a large number of hollow fiber membranes are bundled so as to coincide in the longitudinal direction, the gas separation membrane 30 is in the accommodation state, and each opening 32 of the casing 31 is provided. It is housed in the casing 31 so that each end of the hollow fiber membrane opens in the vicinity of.

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である原料ガスは、蓋体35のガス入口37からモジュール内(すなわちユニット内)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(すなわちユニット外)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(すなわちユニット外)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。以上、図2の分離膜モジュールを例に挙げて説明したが、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やスパイラル型モジュールにも応用できる。 When the gas separation membrane 30 is housed in the casing 31, the gas separation membrane 30 is fixed to the inner wall of the casing 31 by the tube plates 33 and 34 at the positions of both ends in the Y direction, which is the extending direction of the hollow fiber membrane. Has been done. Each opening 32 of the casing 31 is closed by the lids 35 and 36. The lid 35 is provided with a gas inlet 37. On the other hand, the lid 36 is provided with a non-permeable gas discharge port 38. The raw material gas, which is the mixed gas to be separated, is introduced into the module (that is, the unit) from the gas inlet 37 of the lid 35. Of the introduced gas, the gas that has permeated through the gas separation membrane 30 is discharged to the outside of the module (that is, outside the unit) from the permeation gas discharge port 39 provided in the casing 31. On the other hand, the impermeable gas that has not permeated through the gas separation membrane 30 is discharged to the outside of the module (that is, outside the unit) from the impermeable gas discharge port 38 of the lid 36. Further, in some cases, the casing 31 may be provided with a purge gas supply port (not shown). Although the separation membrane module of FIG. 2 has been described above as an example, the present invention can be applied to a separation membrane module having other configurations, for example, a shell feed type module or a spiral type module. It can be applied.

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)からの原料ガスをガス分離膜ユニット11へ供給するための原料ガス供給ライン16が連結されている。一方、ガス分離膜ユニット11の非透過ガス排出口11cには、ガス分離膜ユニット11の非透過ガスをシステム10外へ排出するための非透過ガス排出ライン18が連結されている。またガス分離膜ユニット11の透過ガス排出口11bには、透過ガス排出ライン19が連結されている。非透過ガス排出ライン18は、ガス分離膜ユニットのガス分離膜12に対する供給側の圧力を調整するための背圧調整器であるバルブ22を有している。 Returning to FIG. 1, at the gas inlet 11a of the gas separation membrane unit 11, a raw material gas supply line 16 for supplying a raw material gas from a mixed gas source (not shown) as a raw material to the gas separation membrane unit 11 is provided. It is connected. On the other hand, the impermeable gas discharge line 18 for discharging the impermeable gas of the gas separation membrane unit 11 to the outside of the system 10 is connected to the impermeable gas discharge port 11c of the gas separation membrane unit 11. Further, a permeation gas discharge line 19 is connected to the permeation gas discharge port 11b of the gas separation membrane unit 11. The impermeable gas discharge line 18 has a valve 22 which is a back pressure regulator for adjusting the pressure on the supply side with respect to the gas separation membrane 12 of the gas separation membrane unit.

透過ガス排出ライン19は、原料ガス供給ライン16に連結する帰還ライン14と、システム10外に透過ガスを取り出す取り出し用ライン15とに分岐している。この分岐箇所には、バルブ13が設けられている。バルブ13は、透過ガス排出ライン19から、帰還ライン14と、取り出し用ライン15とにそれぞれ流出する透過ガス流量を調整可能に構成されている。本実施形態のシステム10は、このように構成することにより、透過ガス排出口から排出された透過ガスの一部を原料ガス供給ライン16に合流させ、残りを製品ガスであるヘリウム富化ガスとして取り出し可能に構成されている。バルブ13は、自動及び手動のいずれで制御されるものであってもよい。例えば、製品ガスとして取り出すヘリウム富化ガス中のヘリウム濃度を検出する不図示の検出装置を設け、この検出装置の検出結果に基づいて、帰還ライン14における流量及び取り出し用ライン15における流量をそれぞれ増減させるように構成してもよい。 The permeated gas discharge line 19 is branched into a feedback line 14 connected to the raw material gas supply line 16 and a take-out line 15 for taking out the permeated gas to the outside of the system 10. A valve 13 is provided at this branching point. The valve 13 is configured to be able to adjust the flow rate of the permeated gas flowing out from the permeated gas discharge line 19 to the return line 14 and the take-out line 15, respectively. By configuring the system 10 in this embodiment, a part of the permeated gas discharged from the permeated gas discharge port is merged with the raw material gas supply line 16, and the rest is used as a helium-enriched gas which is a product gas. It is configured to be removable. The valve 13 may be controlled either automatically or manually. For example, a detection device (not shown) for detecting the helium concentration in the helium-enriched gas taken out as a product gas is provided, and the flow rate in the feedback line 14 and the flow rate in the take-out line 15 are increased or decreased based on the detection result of this detection device. It may be configured to cause.

本実施形態において、原料ガス供給ライン16と透過ガス排出ライン19とは、帰還ライン14により直接連結されている。たとえば、特許文献2に記載されているような、ガスを貯留するための密閉容器は帰還ライン14上に設けられていない。 In the present embodiment, the raw material gas supply line 16 and the permeation gas discharge line 19 are directly connected by the feedback line 14. For example, a closed container for storing gas as described in Patent Document 2 is not provided on the return line 14.

圧縮手段21が原料ガス供給ライン16の途中に介在配置されている。圧縮手段21は、原料ガスを加圧して、ガス分離膜ユニット11に供給する目的で設置されている。帰還ライン14は、原料ガス供給ライン16における圧縮手段21の吸込側に連結される。 The compression means 21 is interposed and arranged in the middle of the raw material gas supply line 16. The compression means 21 is installed for the purpose of pressurizing the raw material gas and supplying it to the gas separation membrane unit 11. The feedback line 14 is connected to the suction side of the compression means 21 in the raw material gas supply line 16.

原料ガスとしては、ヘリウムに加えて、空気を含有するものが挙げられる。更に具体的には、原料ガスとしては、ヘリウムに加えて二酸化酸素、酸素、窒素及びアルゴンから選ばれる少なくとも一種を含有するものが挙げられ、ヘリウムに加えて、二酸化酸素、酸素及び窒素を含有するものが一般的であり、ヘリウムに加えて二酸化酸素、酸素、窒素及びアルゴンを含有するものが好ましい。帰還ラインからの合流ガスと混合する前の原料ガスにおけるヘリウム濃度は、例えば80mol%以上であることが本実施形態のシステムにより取り出されるヘリウム富化ガスの純度を高いものとする点で好ましく、85mol%以上であることが更に好ましく、89mol%以上であることが特に好ましい。 Examples of the raw material gas include those containing air in addition to helium. More specifically, examples of the raw material gas include those containing at least one selected from oxygen dioxide, oxygen, nitrogen and argon in addition to helium, and containing oxygen dioxide, oxygen and nitrogen in addition to helium. Those containing oxygen dioxide, oxygen, nitrogen and argon in addition to helium are generally used, and those containing oxygen dioxide, oxygen, nitrogen and argon are preferable. The helium concentration in the raw material gas before mixing with the merging gas from the feedback line is preferably 80 mol% or more, for example, in terms of increasing the purity of the helium-enriched gas taken out by the system of the present embodiment, and 85 mol. It is more preferably% or more, and particularly preferably 89 mol% or more.

上記の本実施形態のシステム10によれば、原料ガスは原料ガス供給ライン16において、帰還ライン14を通じて透過ガスと合流することにより、ヘリウムが富化される。更に、このヘリウムが富化された原料ガス(以下、帰還された透過ガスとの合流後の原料ガスを「合流後の混合ガス」ともいう)がガス分離膜ユニット11に供給されて透過ガス排出口11bから透過ガスとして排出されることで更にヘリウムが富化される。このようにして、本実施形態において取り出されるヘリウム富化ガスは、製品ガスとして高純度なものとなる。本発明者は、ヘリウム精製の場合には、本実施形態のシステムにより、容易にヘリウムの高回収率と高純度を達成できることを見出した。好ましくは、本実施形態は、一定の膜面積を用いる場合においても、透過ガスの帰還量をそれほど大きくせずに、つまり圧縮動力をそれほど大きくせずに、容易にヘリウムの高回収率と高純度を達成できる。 According to the system 10 of the present embodiment described above, the raw material gas is enriched with helium by merging with the permeated gas through the return line 14 in the raw material gas supply line 16. Further, the helium-enriched raw material gas (hereinafter, the raw material gas after merging with the returned permeated gas is also referred to as “mixed gas after merging”) is supplied to the gas separation membrane unit 11 to discharge the permeated gas. Helium is further enriched by being discharged as a permeated gas from the outlet 11b. In this way, the helium-enriched gas extracted in the present embodiment has high purity as a product gas. The present inventor has found that in the case of helium purification, the system of the present embodiment can easily achieve high recovery rate and high purity of helium. Preferably, the present embodiment easily has a high recovery rate and high purity of helium without increasing the feedback amount of the permeated gas so much, that is, without increasing the compression power so much, even when a certain membrane area is used. Can be achieved.

本実施形態の特徴の一つに、透過ガス排出口11bから排出された透過ガスの一部をそのまま、システム10外に製品であるヘリウム富化ガスとして取り出す点にある。取り出し用ライン15から取り出されたヘリウム富化ガスは、そのまま製品ガスとすることができる。もちろん、取り出し用ライン15から取り出されたヘリウム富化ガスを更なる精製にかけてもよい。その場合の精製手段としては、吸着法、深冷分離が挙げられる。ヘリウム富化ガスの更なる精製は、ガス分離膜ユニットによるものを除くことが、コストの観点から好ましい。 One of the features of this embodiment is that a part of the permeated gas discharged from the permeated gas discharge port 11b is taken out of the system 10 as it is as a helium-enriched gas as a product. The helium-enriched gas taken out from the take-out line 15 can be used as a product gas as it is. Of course, the helium-enriched gas taken out from the take-out line 15 may be further refined. Examples of the purification means in that case include an adsorption method and deep cold separation. Further purification of the helium-enriched gas is preferably excluded from the viewpoint of cost.

取り出し用ライン15から取り出されるヘリウム富化ガスのヘリウム濃度は、例えば95mol%以上であることが好ましく、98mol%以上であることが更に好ましく、99mol%以上であることが特に好ましい。 The helium concentration of the helium-enriched gas taken out from the take-out line 15 is, for example, preferably 95 mol% or more, more preferably 98 mol% or more, and particularly preferably 99 mol% or more.

更に、本実施形態において、ヘリウム回収率は80%以上であることが好ましく、85%以上であることがより好ましく、90%以上であることが特に好ましい。ヘリウム回収率は、時間当たりに供給される原料ガス中のヘリウム量に対する、時間当たりに取り出し用ライン15から取り出されるヘリウム富化ガス中のヘリウム量の割合である。 Further, in the present embodiment, the helium recovery rate is preferably 80% or more, more preferably 85% or more, and particularly preferably 90% or more. The helium recovery rate is the ratio of the amount of helium in the helium-enriched gas taken out from the take-out line 15 per hour to the amount of helium in the raw material gas supplied per hour.

また、透過ガス排出口11bから排出される透過ガス流量中、帰還ライン14により原料ガス供給ライン16に合流する割合(還流率)は60%以上であることが、ヘリウムの高純度及び高回収率の達成しやすさから好ましく、70%以上であることがより好ましい。 Further, in the flow rate of the permeated gas discharged from the permeated gas discharge port 11b, the ratio (recirculation rate) of joining the raw material gas supply line 16 by the return line 14 is 60% or more, that is, the high purity and high recovery rate of helium. It is preferable from the viewpoint of ease of achievement, and more preferably 70% or more.

また、原料ガス供給ライン16に供給される原料ガスと、それと合流する透過ガスの流量は、原料ガス供給ライン16に供給される合流後の混合ガスの流量に対して、合流する透過ガスの流量が50%以上80%以下であることが、高純度及び高回収率の達成しやすさ、及び一定の膜面積において圧縮動力を低減できる点で好ましく、30%以上70%以下であることがより好ましい。 Further, the flow rate of the raw material gas supplied to the raw material gas supply line 16 and the permeated gas merging with the raw material gas is the flow rate of the permeated gas merging with respect to the flow rate of the mixed gas after merging supplied to the raw material gas supply line 16. Is preferably 50% or more and 80% or less in terms of achieving high purity and high recovery rate and being able to reduce compression power in a certain film area, and more preferably 30% or more and 70% or less. preferable.

上記の純度及び回収率を、一定の膜面積により低い圧縮動力で実現しやすい点から、ガス分離膜ユニットのガス分離選択性P' He / P' N2は、30以上300以下であることが好ましく、100以上200以下であることがより好ましい。同様の観点から、ガス分離膜ユニットのガス分離選択性P' He / P' O2は、3以上30以下であることが好ましく、5以上20以下であることがより好ましい。同様の観点から、ガス分離膜ユニットのガス分離選択性P' He / P' CO2は、2以上20以下であることが好ましく、3以上10以下であることがより好ましい。同様の観点から、ガス分離膜ユニットのガス分離選択性P' He / P' Arは、20以上150以下であることが好ましく、30以上100以下であることがより好ましい。ここでいうガス分離選択性は25℃における値である。 The gas separation selectivity P'He / P'N 2 of the gas separation membrane unit should be 30 or more and 300 or less from the viewpoint that the above purity and recovery rate can be easily realized with a constant film area and low compression power. It is preferably 100 or more and 200 or less, more preferably. From the same viewpoint, the gas separation selectivity P'He / P'O 2 of the gas separation membrane unit is preferably 3 or more and 30 or less, and more preferably 5 or more and 20 or less. From the same viewpoint, the gas separation selectivity P'He / P'CO 2 of the gas separation membrane unit is preferably 2 or more and 20 or less, and more preferably 3 or more and 10 or less. From the same viewpoint, the gas separation selectivity P'He / P'Ar of the gas separation membrane unit is preferably 20 or more and 150 or less, and more preferably 30 or more and 100 or less. The gas separation selectivity referred to here is a value at 25 ° C.

ガス分離膜ユニット11におけるガス分離膜は、供給される原料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。例えば高分子材料としては、シリコーン樹脂、ポリブタジエン樹脂などのゴム状ポリマー材料、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、セルロースなどのガラス状ポリマー材料等が挙げられるほか、ゼオライトなどのセラミックス材料が挙げられる。ガス分離膜は高分子膜であることが好ましい。またガス分離膜は、均質膜、均質層と多孔層とからなる非対称膜、微多孔質膜などいずれであってもよい。ガス分離膜のケーシング内への収納形態も、プレートアンドフレーム型、スパイラル型、中空糸型などいずれであってもよい。特に好適に用いられるガス分離膜は、均質層の厚さが10nm以上200nm以下であり、多孔質層の厚さが20μm以上200μm以下の非対称構造を持ち、内径が30μm以上500μm以下程度である芳香族ポリイミドの中空糸ガス分離膜である。 The gas separation membrane in the gas separation membrane unit 11 can be appropriately selected according to the type of the supplied raw material gas and the target product gas. As the gas separation membrane, the same ones used so far in the art can be used without particular limitation. For example, examples of the polymer material include rubber-like polymer materials such as silicone resin and polybutadiene resin, and glass-like polymer materials such as polyimide, polyetherimide, polyamide, polyamideimide, polysulfone, polycarbonate and cellulose, as well as zeolite and the like. Examples include ceramics materials. The gas separation membrane is preferably a polymer membrane. The gas separation membrane may be a homogeneous membrane, an asymmetric membrane composed of a homogeneous layer and a porous layer, a microporous membrane, or the like. The form of storing the gas separation membrane in the casing may be any of a plate and frame type, a spiral type, a hollow fiber type and the like. Particularly preferably, the gas separation membrane has an asymmetric structure in which the thickness of the homogeneous layer is 10 nm or more and 200 nm or less, the thickness of the porous layer is 20 μm or more and 200 μm or less, and the inner diameter is 30 μm or more and 500 μm or less. It is a hollow fiber gas separation membrane of group polyimide.

原料ガス供給ライン16は、ガス分離膜ユニット11に原料ガスを供給する前段階として、ヘリウムの更なる精製手段を有していてもよい。例えば、そのような手段としては、クーラーなどによる水分凝縮や、有機質等の不純物を除去するためのフィルター等が挙げられる。そのような精製手段は、原料ガス供給ライン16における帰還ガス14の連結箇所の上流及び下流のいずれであってもよいが、上流に置く方が好ましい。システム10は、ガス分離膜ユニット11の上流にガス分離膜ユニット11以外のガス分離膜ユニットを有しないことが、システムのコスト低減のため好ましい。 The raw material gas supply line 16 may have a further purification means for helium as a preliminary step for supplying the raw material gas to the gas separation membrane unit 11. For example, such means include water condensation by a cooler or the like, a filter for removing impurities such as organic substances, and the like. Such purification means may be upstream or downstream of the connection point of the return gas 14 in the raw material gas supply line 16, but it is preferable to place it upstream. It is preferable that the system 10 does not have a gas separation membrane unit other than the gas separation membrane unit 11 upstream of the gas separation membrane unit 11 in order to reduce the cost of the system.

更に、エネルギー効率等の点から、一般に、中空糸膜からなるガス分離膜ユニット11に送り込むガスの圧力は0.3MPaG~1.4MPaGであることが好ましく、0.7MPaG~1.0MPaGであることがより好ましい。
また運転時のガス分離膜モジュールの温度は、0~150℃、5~80℃の範囲であることが、運転効率や安定した運転のために好ましい。
Further, from the viewpoint of energy efficiency and the like, generally, the pressure of the gas sent to the gas separation membrane unit 11 made of a hollow fiber membrane is preferably 0.3 MPaG to 1.4 MPaG, and is 0.7 MPaG to 1.0 MPaG. Is more preferable.
Further, the temperature of the gas separation membrane module during operation is preferably in the range of 0 to 150 ° C. and 5 to 80 ° C. for operation efficiency and stable operation.

以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は前記実施形態に制限されない。例えば前記実施形態においては、バルブによって、透過ガスを、帰還ラインと取り出し用ラインに分岐させていたが、バルブの代わりに、任意の分岐手段、例えば オリフィスを用いていてもよい。 Although the present invention has been described above based on the preferred embodiment thereof, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the permeated gas is branched into a feedback line and a take-out line by a valve, but an arbitrary branching means, for example, an orifice may be used instead of the valve.

また、上記各実施形態では各ガス分離膜ユニットの一例として、中空糸膜を有するガス分離膜ユニットを用いたが、これに代えて他の形態のガス分離膜ユニットを用いてもよい。 Further, in each of the above embodiments, a gas separation membrane unit having a hollow fiber membrane is used as an example of each gas separation membrane unit, but a gas separation membrane unit of another form may be used instead.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the scope of the invention is not limited to such examples.

〔実施例1〕
図1に示すガス分離システム10を用いて、ヘリウムを含む混合ガスである原料ガスの分離を行った。同システム10における第1圧縮手段21としては圧縮機を用いた。原料ガスは、組成が表1に示すものを用いた。ガス分離膜ユニット11を構成するモジュールとして、上述した非対称構造を有し、上記範囲の内径を有するポリイミド中空糸膜から構成され、P'Heが23×10-5(cm(STP)/cm・sec・cmHg)、P'CO2が6.6×10-5(cm(STP)/cm・sec・cmHg)、P' O2が2.5×10-5(cm(STP)/cm・sec・cmHg)、P' N2が0.33×10-5(cm(STP)/cm・sec・cmHg)、P' Arが0.64×10-5(cm(STP)/cm・sec・cmHg)であるガス分離膜をケース内に収容するガス分離膜モジュールを用いた。これらの各透過速度は運転温度25℃における数値である(以下同様)。
[Example 1]
Using the gas separation system 10 shown in FIG. 1, the raw material gas, which is a mixed gas containing helium, was separated. A compressor was used as the first compression means 21 in the system 10. As the raw material gas, the one having the composition shown in Table 1 was used. As a module constituting the gas separation membrane unit 11, it is composed of a polyimide hollow fiber membrane having the above-mentioned asymmetric structure and an inner diameter in the above range, and has a P'He of 23 × 10.-5(Cm3(STP) / cm2・ Sec ・ cmHg), P'CO2Is 6.6 × 10-5(Cm3(STP) / cm2・ Sc ・ cmHg), P'O2Is 2.5 x 10-5(Cm3(STP) / cm2・ Se · cmHg), P' N2Is 0.33 × 10-5(Cm3(STP) / cm2・ Se · cmHg), P' Ar is 0.64 × 10-5(Cm3(STP) / cm2A gas separation membrane module containing a gas separation membrane of sec · cmHg) in a case was used. Each of these permeation rates is a numerical value at an operating temperature of 25 ° C. (same below).

ガス分離膜ユニット11を構成するガス分離膜モジュールの本数を1本に設定し、ガス分離膜ユニット11の運転温度を25℃に設定した。原料ガスを、流量20Nm/h、温度25℃、圧力0MPaGの状態で帰還ガスと合流させ、合流後の混合ガスを圧縮手段21を介して圧力0.8MPaGの状態でガス分離膜ユニット11に供給させて、表1の条件にてガス分離システム10を運転し、透過ガス中、原料ガスに合流しない残分を製品ガスとして取り出したところ、表1に示すように、製品ガスのヘリウム純度は99.35mol%、ヘリウム回収率は96.6%であった。 The number of gas separation membrane modules constituting the gas separation membrane unit 11 was set to one, and the operating temperature of the gas separation membrane unit 11 was set to 25 ° C. The raw material gas is merged with the feedback gas at a flow rate of 20 Nm 3 / h, a temperature of 25 ° C., and a pressure of 0 MPaG. When the gas separation system 10 was operated under the conditions shown in Table 1 and the residue that did not merge with the raw material gas was taken out as the product gas in the permeated gas, the helium purity of the product gas was as shown in Table 1. The helium recovery rate was 99.6% and 99.35 mol%.

Figure 0007031214000001
Figure 0007031214000001

〔比較例1〕
図3に示すガス分離システム100を用いた。ガス分離膜ユニット111を構成するモジュールとして、実施例1で用いたものと同じガス分離膜モジュールを用いた。ガス分離膜ユニット111を構成するガス分離膜モジュールの本数を1本に設定した。ガス分離膜ユニット111の運転温度を25℃に設定した。原料ガスは、実施例1と同様のもの(組成が表2に示すもの)を用いた。原料ガスは、流量20Nm/h、温度25℃、圧力0.8MPaGの状態でガス分離膜ユニット111に供給させ、表2の条件にてガス分離システム100を運転し、透過ガスを製品ガスとして取り出したところ、表2に示すように、製品ガスのヘリウム純度は94.24mol%、ヘリウム回収率は99.99%であった。
[Comparative Example 1]
The gas separation system 100 shown in FIG. 3 was used. As the module constituting the gas separation membrane unit 111, the same gas separation membrane module as that used in Example 1 was used. The number of gas separation membrane modules constituting the gas separation membrane unit 111 was set to one. The operating temperature of the gas separation membrane unit 111 was set to 25 ° C. As the raw material gas, the same one as in Example 1 (the composition is shown in Table 2) was used. The raw material gas is supplied to the gas separation membrane unit 111 at a flow rate of 20 Nm 3 / h, a temperature of 25 ° C., and a pressure of 0.8 MPaG, and the gas separation system 100 is operated under the conditions shown in Table 2, and the permeated gas is used as the product gas. When taken out, as shown in Table 2, the helium purity of the product gas was 94.24 mol%, and the helium recovery rate was 99.99%.

Figure 0007031214000002
Figure 0007031214000002

〔比較例2〕
ガス分離膜ユニット111として、比較例1で用いたガス分離膜モジュールと同じ構造・内径・ガス選択性を有し、且つ比較例1で用いたガス分離膜モジュールに対して膜面積が43%であるポリイミド中空糸膜からなるガス分離膜モジュールを用いた。この点以外は比較例1と同様にした。原料ガスは、流量20Nm/h、温度25℃、圧力0.8MPaGの状態でガス分離膜ユニット111に供給させ、表3の条件にてガス分離システム100を運転し、透過ガスを製品ガスとして取り出したところ、表3に示すように、製品ガスのヘリウム純度は99.12mol%、ヘリウム回収率は78.2%であった。
[Comparative Example 2]
The gas separation membrane unit 111 has the same structure, inner diameter, and gas selectivity as the gas separation membrane module used in Comparative Example 1, and has a membrane area of 43% of that of the gas separation membrane module used in Comparative Example 1. A gas separation membrane module made of a certain polyimide hollow fiber membrane was used. Except for this point, the same as in Comparative Example 1. The raw material gas is supplied to the gas separation membrane unit 111 at a flow rate of 20 Nm 3 / h, a temperature of 25 ° C., and a pressure of 0.8 MPaG, and the gas separation system 100 is operated under the conditions shown in Table 3, and the permeated gas is used as the product gas. When taken out, as shown in Table 3, the helium purity of the product gas was 99.12 mol%, and the helium recovery rate was 78.2%.

Figure 0007031214000003
Figure 0007031214000003

上記の通り、本発明によれば、高いヘリウム純度と回収率を1段のガス分離システムにて実現できることが判る。一方、透過ガスを原料ガスに帰還させない場合、高い回収率を得るためには比較例1の通り、高いヘリウム純度が得られず、高い純度を得ようとして、非透過ガス量を増やそうとすると、比較例2の通り、回収率が大幅に低下してしまうことが判る。 As described above, according to the present invention, it can be seen that high helium purity and recovery rate can be realized by a one-stage gas separation system. On the other hand, when the permeated gas is not returned to the raw material gas, high helium purity cannot be obtained in order to obtain a high recovery rate, and when an attempt is made to increase the amount of non-permeated gas in order to obtain high purity, As shown in Comparative Example 2, it can be seen that the recovery rate is significantly reduced.

10,100 ガス分離システム
11,111 ガス分離膜ユニット
12,112 ガス分離膜
11a、111a ガス入口
11b、111b 透過ガス排出口
11c、111c 非透過ガス排出口
14 帰還ライン
16,116 原料ガス供給ライン
18,118 非透過ガス排出ライン
19,119 透過ガス排出ライン
40 ガス分離膜モジュール
21,121 圧縮手段
22、122 背圧調整器
10,100 Gas Separation System 11,111 Gas Separation Membrane Unit 12,112 Gas Separation Membrane 11a, 111a Gas Inlet 11b, 111b Permeation Gas Discharge Port 11c, 111c Non-Permeation Gas Discharge Port 14 Return Line 16,116 Raw Material Gas Supply Line 18 , 118 Non-permeated gas discharge line 19,119 Permeated gas discharge line 40 Gas separation membrane module 21,121 Compression means 22, 122 Back pressure regulator

Claims (7)

一つのガス分離膜ユニットにヘリウムを含む原料ガスを供給するヘリウム富化ガスの製造方法であって、
前記ガス分離膜ユニットは、前記原料ガスが供給されるガス入口と、透過ガス排出口と、非透過ガス排出口と、を少なくとも備え、
前記透過ガス排出口から排出された透過ガスの一部を帰還させて前記原料ガスに合流させるとともに、透過ガスの残分をヘリウム富化ガスとして取り出し、
前記ガス分離膜ユニットのガス分離膜がポリイミドからなり、
前記原料ガスは、ヘリウムガス以外に、二酸化炭素又はアルゴンを含み、
前記原料ガスに合流する前記透過ガスの流量が、前記原料ガスと合流後の混合ガスの流量に対して合流する透過ガスの流量が50%以上80%以下である、ヘリウム富化ガスの製造方法。
A method for producing a helium-enriched gas that supplies a raw material gas containing helium to one gas separation membrane unit.
The gas separation membrane unit includes at least a gas inlet to which the raw material gas is supplied, a permeated gas discharge port, and a non-permeated gas discharge port.
A part of the permeated gas discharged from the permeated gas discharge port is returned and merged with the raw material gas, and the residue of the permeated gas is taken out as a helium-enriched gas.
The gas separation membrane of the gas separation membrane unit is made of polyimide.
The raw material gas contains carbon dioxide or argon in addition to helium gas.
A method for producing a helium-enriched gas, wherein the flow rate of the permeated gas merging with the raw material gas is 50% or more and 80% or less with respect to the flow rate of the mixed gas after merging with the raw material gas. ..
前記原料ガスに含まれるヘリウムガス以外の成分が、二酸化炭素及びアルゴンを含む、請求項1に記載のヘリウム富化ガスの製造方法。 The method for producing a helium-enriched gas according to claim 1 , wherein the components other than the helium gas contained in the raw material gas include carbon dioxide and argon . 前記原料ガスに含まれるヘリウムガス以外の成分が、酸素及び窒素を含む、請求項1又は2に記載のヘリウム富化ガスの製造方法。 The method for producing a helium-enriched gas according to claim 1 or 2, wherein the components other than the helium gas contained in the raw material gas contain oxygen and nitrogen. 原料ガス中のヘリウム濃度が8mol%以上である、請求項1~3の何れか1項に記載のヘリウム富化ガスの製造方法。 The method for producing a helium-enriched gas according to any one of claims 1 to 3 , wherein the helium concentration in the raw material gas is 85 mol% or more. 透過ガス排出口から排出される透過ガス流量中、原料ガスに合流する割合は60%以上である、請求項1~4の何れか1項に記載のヘリウム富化ガスの製造方法。 The method for producing a helium-enriched gas according to any one of claims 1 to 4 , wherein the ratio of merging with the raw material gas in the flow rate of the permeated gas discharged from the permeated gas discharge port is 60% or more . ガス分離膜ユニットのガス分離膜のガス分離選択性P' He / P' N2が30以上200以下であり、P' He / P' O2は、3以上30以下であり、P' He / P' CO2は、2以上20以下であり、P' He / P' Arは、20以上150以下である請求項1~5の何れか1項に記載のヘリウム富化ガスの製造方法。 The gas separation selectivity of the gas separation membrane of the gas separation membrane unit P'He / P'N 2 is 30 or more and 200 or less, P'He / P'O2 is 3 or more and 30 or less, and P'He / The method for producing a helium-enriched gas according to any one of claims 1 to 5, wherein P'CO2 is 2 or more and 20 or less, and P'He / P'Ar is 20 or more and 150 or less . 一つのガス分離膜ユニットからなるガス分離システムであって、
前記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、
前記ガス分離膜ユニットのガス入口に、ヘリウムを含む原料ガスの供給ラインを連結し、
前記ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口及び非透過ガス排出口にそれぞれ透過ガス排出ライン及び非透過ガス排出ラインを連結しており、
透過ガス排出ラインと原料ガスの供給ラインとを連結して、透過ガス排出ガスの一部を原料供給ガスに合流させる帰還ラインを有し、透過ガス排出ガスの残りを、ヘリウム富化ガスとして取り出すようになされており、
前記ガス分離膜ユニットのガス分離膜がポリイミドからなり、
前記原料ガスは、ヘリウムガス以外に、二酸化炭素又はアルゴンを含み、
前記原料ガスに合流する前記透過ガスの流量は、前記原料ガスと合流後の混合ガスの流量に対して、合流する透過ガスの流量が50%以上80%以下であるようになされている、ガス分離システム。
A gas separation system consisting of one gas separation membrane unit,
The gas separation membrane unit includes at least a gas inlet, a permeated gas discharge port, and a non-permeated gas discharge port.
A supply line for a raw material gas containing helium is connected to the gas inlet of the gas separation membrane unit.
A permeated gas discharge line and a non-permeated gas discharge line are connected to the permeated gas discharge port and the non-permeated gas discharge port of the gas separation membrane unit, respectively.
It has a feedback line that connects the permeated gas exhaust line and the raw material gas supply line to join a part of the permeated gas exhaust gas to the raw material supply gas, and takes out the rest of the permeated gas exhaust gas as helium-enriched gas. It is done like this
The gas separation membrane of the gas separation membrane unit is made of polyimide.
The raw material gas contains carbon dioxide or argon in addition to helium gas.
The flow rate of the permeated gas merging with the raw material gas is such that the flow rate of the permeated gas merging with the raw material gas is 50% or more and 80% or less with respect to the flow rate of the mixed gas after merging. Separation system.
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