JP7468822B1 - ガス分離システム及びメタン富化ガスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献2には、メタン及び二酸化炭素を含む混合ガスから低透過性ガスであるメタンを回収するための二段のガス分離膜システムが記載されている。
また特許文献1に記載の発明は、易透過ガスの分離を目的としており、原料ガス流量が低下した場合の高透過性ガスの純度の低下に関するものであり、低透過性ガスの純度及び回収率を両立させることを考慮したものではない。
〔1〕
少なくとも二酸化炭素とメタンを含む原料混合ガスをガス分離膜ユニットに供給し、該原料混合ガスに含まれるメタンを濃縮富化するガス分離システムであって、
前記ガス分離システムが、第1ガス分離膜ユニット及び第2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圧縮手段を介在配置し、
第1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圧縮手段の吸込側の位置とを、第1透過ガスリサイクルラインによって連結し、更に前記第1透過ガスリサイクルラインは、第1ガス分離膜ユニットから排出される透過ガスをガス分離システム外に少なくとも一部排出するための透過ガス排出ラインを備え、
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圧縮手段の吸込側の位置とを、第2透過ガスリサイクル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から濃縮富化されたメタンを取り出す、ガス分離システム。
〔2〕
第1ガス分離膜ユニットの運転温度と第2ガス分離膜ユニットの運転温度とが異なる、〔1〕に記載のガス分離システム。
〔3〕
第2ガス分離膜ユニットの運転温度が、第1ガス分離膜ユニットの運転温度より高い、〔2〕に記載のガス分離システム。
〔4〕
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連結する非透過ガス排出ラインの途中に加熱手段を介在配置する、〔3〕に記載のガス分離システム。
〔5〕
第1ガス分離膜ユニットのガス分離選択性と第2ガス分離膜ユニットのガス分離選択性とが異なる、〔1〕に記載のガス分離システム。
〔6〕
第2ガス分離膜ユニットのガス分離選択性が、第1ガス分離膜ユニットのガス分離選択性より低い、〔5〕に記載のガス分離システム。
〔7〕
第1ガス分離膜ユニットの透過ガス流量F1中の第1透過ガスリサイクルラインによって第1ガス分離膜ユニットに循環されるリサイクル流量F4の割合が、0.5%以上60%以下である、〔1〕~〔7〕の何れか1項に記載のガス分離システム。
〔8〕
少なくとも二酸化炭素とメタンを含む原料混合ガスをガス分離システムに供給してメタンが富化されたメタン富化ガスを製造する方法であって、
前記ガス分離システムが、第1ガス分離膜ユニット及び第2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圧縮手段を介在配置し、
第1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圧縮手段の吸込側の位置とを、第1透過ガスリサイクルラインによって連結し、更に前記第1透過ガスリサイクルラインは、第1ガス分離膜ユニットから排出される透過ガスをガス分離システム外に少なくとも一部排出するための透過ガス排出ラインを備え、
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圧縮手段の吸込側の位置とを、第2透過ガスリサイクル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から濃縮富化されたメタンを取り出す、メタン富化ガスの製造方法。
まず、図1に基づき、本発明の第1実施形態であるガス分離システム10を説明する。図1に示すガス分離システム10は、第1ガス分離膜ユニット11及び第2ガス分離膜ユニット12を備えている。各ガス分離膜ユニット11及び12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及び12は、例えば、図2に示すガス分離膜モジュール40を1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。
一方、第1ガス分離膜ユニット11から排出された第1透過ガスは、原料である混合ガスに比べて二酸化炭素が濃縮されたものである。第1透過ガスは、一部が第1ガス分離膜ユニット11の第1透過ガス排出口11cから排出され、第1透過ガスリサイクルライン16を経由して、原料混合ガス供給ライン13における圧縮手段21の吸込側に帰還される。また、該第1透過ガスの一部は第1透過ガス排出ライン18を通じてシステム外に取り出される。
一方、第2透過ガスは、第2ガス分離膜ユニット12の第2透過ガス排出口12cから排出され、該排出口12cに接続されている第2透過ガスリサイクルライン17を経由して、原料混合ガス供給ライン13における圧縮手段21の吸込側に帰還される。
また、膜面積を低減する点から、第1ガス分離膜ユニット11における透過ガス流量F1中の第2透過ガスリサイクルラインによるリサイクル流量F4の割合(F4/F1)は、60%以下であることが好ましく、より好ましくは40%以下であり、さらに好ましくは30%以下である。回収率と膜面積とのバランスの点からは0.5%以上60%以下が好ましく、5%以上40%以下がより好ましく、10%以上30%以下が更に一層好ましく、20%以上30%以下が最も好ましい。
本発明において、第1ガス分離膜ユニットのガス分離選択性は第2ガス分離膜ユニットのガス分離選択性と同じであってもよく、異なっていてもよいが、第2ガス分離膜ユニットのガス分離選択性を第1ガス分離膜ユニットのガス分離選択性より低くすることで、第2ガス分離膜ユニットで使用するガス分離膜モジュールの本数を低減することができる。
実施例において用いたガス分離膜モジュールの40℃でのガス分離特性を表1に示す。このガス分離膜モジュールは、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したものである。ガス分離膜モジュールAは、ガス分離膜モジュールBよりガス分離選択性が高くガス透過速度が小さいガス分離膜により構成されている。
表1中のP’CO2及びP’CH4の単位は、×10-5cm3(STP)/cm2・sec・cmHgである。
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い、製品ガスとしてメタンを得た。第1ガス分離膜ユニット11及び第2ガス分離膜ユニット12はいずれもガス分離膜モジュールAで構成した。同システム10における圧縮手段21としては圧縮機を用いた。原料混合ガスは35℃であり、圧縮手段による圧縮により加熱された後、不図示の冷却装置にて冷却されて各ガス分離膜ユニットに供給された。原料混合ガスの流量(システムに流入する流量)及び組成、各ユニットに流入する流量及び各排出口から排出される流量並びに第1透過ガスリサイクルラインの流量(F4)は、以下の表2に示すとおりであった。
第2ガス分離膜ユニット12の運転温度を以下の表2に示すとおりに変更した以外は実施例1と同様にして製品ガスを得た。なお、第2ガス分離膜ユニット12の50℃のガス分離選択性は、第2ガス分離膜ユニット12の40℃のガス分離選択性の0.86倍である。
第2ガス分離膜ユニット12をガス分離膜モジュールBで構成した以外は実施例1と同様にして製品ガスを得た。
第2ガス分離膜ユニット12をガス分離膜モジュールBで構成し、運転温度を以下の表2に示すとおりに変更した以外は実施例1と同様にして製品ガスを得た。
図1のシステムにおいて、第1透過ガスリサイクルライン16を有さず、第一透過ガスは全量がシステム外に排出される点以外、図1と同様の比較例のシステムを用いた。この比較例のシステムは特許文献2に相当する。その点以外は実施例1~4とそれぞれ同様にして製品ガスを得た。
第1透過ガスリサイクルラインの流量(F4)を表2に示す値に設定した。その点以外は実施例1と同様にして製品ガスを得た。
第2ガス分離膜ユニット12をガス分離膜モジュールBで構成し、第1透過ガスリサイクルラインの流量(F4)を表2に示す値に設定した。その点以外は実施例1と同様にして製品ガスを得た。
また実施例1、3と実施例2、4との比較から、第2ガス分離膜ユニットの運転温度を第1ガス分離膜ユニットの運転温度より高くすることで、回収するメタンの純度及び回収率を維持したまま第2ガス分離膜ユニットで使用するガス分離膜モジュールの本数を低減できることが判る。さらに実施例1、2と実施例3、4との比較から、第2ガス分離膜ユニットのガス分離膜のガス分離選択性を第1ガス分離膜ユニットのガス分離膜のガス分離選択性より低くすることで、回収するメタンの純度及び回収率を維持したまま第2ガス分離膜ユニットで使用するガス分離膜モジュールの本数を低減することができることが判る。
更に、実施例1と、実施例5~8との比較、実施例3と実施例9~12との比較から、本発明では、第1ガス分離膜ユニットの透過ガス流量F1中の第1透過ガスリサイクルラインによるリサイクル量F4の割合を所定範囲に調整することで、膜面積の増加の程度を一定以下としながら、回収率を効果的に向上させることができることが判る。
Claims (8)
- 少なくとも二酸化炭素とメタンを含む原料混合ガスをガス分離膜ユニットに供給し、該原料混合ガスに含まれるメタンを濃縮富化するガス分離システムであって、
前記ガス分離システムが、第1ガス分離膜ユニット及び第2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、原料混合ガスは、CH 4 を30mol%以上含み、且つCO 2 を3~70mol%含み、
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圧縮手段を介在配置し、
第1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圧縮手段の吸込側の位置とを、第1透過ガスリサイクルラインによって連結し、更に前記第1透過ガスリサイクルラインは、第1ガス分離膜ユニットから排出される透過ガスをガス分離システム外に少なくとも一部排出するための透過ガス排出ラインを備え、
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圧縮手段の吸込側の位置とを、第2透過ガスリサイクル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から濃縮富化されたメタンを取り出し、
第1ガス分離膜ユニットの透過ガス流量F1中の第1透過ガスリサイクルラインによって第1ガス分離膜ユニットに循環されるリサイクル流量F4の割合が、0.5%以上60%以下である、ガス分離システム。 - 第1ガス分離膜ユニットの運転温度と第2ガス分離膜ユニットの運転温度とが異なる、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が、第1ガス分離膜ユニットの運転温度より高い、請求項2に記載のガス分離システム。
- 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連結する非透過ガス排出ラインの途中に加熱手段を介在配置する、請求項3に記載のガス分離システム。
- 第1ガス分離膜ユニットのガス分離選択性と第2ガス分離膜ユニットのガス分離選択性とが異なる、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ガス分離選択性が、第1ガス分離膜ユニットのガス分離選択性より低い、請求項5に記載のガス分離システム。
- 第1ガス分離膜ユニットの透過ガス流量F1中の第1透過ガスリサイクルラインによって第1ガス分離膜ユニットに循環されるリサイクル流量F4の割合が、0.5%以上60%以下である、請求項1又は2に記載のガス分離システム。
- 少なくとも二酸化炭素とメタンを含む原料混合ガスをガス分離システムに供給してメタンが富化されたメタン富化ガスを製造する方法であって、
前記ガス分離システムが、第1ガス分離膜ユニット及び第2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、原料混合ガスは、CH 4 を30mol%以上含み、且つCO 2 を3~70mol%含み、
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圧縮手段を介在配置し、
第1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圧縮手段の吸込側の位置とを、第1透過ガスリサイクルラインによって連結し、更に前記第1透過ガスリサイクルラインは、第1ガス分離膜ユニットから排出される透過ガスをガス分離システム外に少なくとも一部排出するための透過ガス排出ラインを備え、
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圧縮手段の吸込側の位置とを、第2透過ガスリサイクル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から濃縮富化されたメタンを取り出し、
第1ガス分離膜ユニットの透過ガス流量F1中の第1透過ガスリサイクルラインによって第1ガス分離膜ユニットに循環されるリサイクル流量F4の割合が、0.5%以上60%以下である、メタン富化ガスの製造方法。
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