JPH0550327B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はガス分離に関する。より詳細には、本
発明はかかるガス分離操作において高純度製品の
回収率を高めることに関する。

従来の技術 ガス混合物の内の１成分を選択的に透過させる
ことができる透析膜は、ガス分離を行なう簡便
な、おそらく極めて望ましい手段と考えられてき
た。このような膜の使用はかなりの程度にまで反
射側に維持する差圧に依存し、一層透過性の成分
の膜の透過は膜による差圧を増大するにつれて増
進される。しかし、かかる差圧は実際の運転上の
問題、例えば膜自体の強度、当該分離に適用でき
る圧縮費等により制限される。このような要因に
より、透析膜の使用に伴なう純度及び製品回収率
は比較的に高い品質のガス流の改善に限られる傾
向にある。

一段膜系では当分野で望まれるノルマルの製品
純度レベルに達成することができないガス分離操
作について、第１段膜からの透過質（permeate）
を追加の膜段階に通して所望の製品ガスの純度を
向上させることにより製品ガスの濃度を改良する
２段透析膜系が提案されてきた。すなわち、ヌル
（Null）の米国特許4264338号は中間段（インタ
ーステージ）に圧縮機を有する２段膜系を示す
が、そのような系でさえ当分野で通常望まれるノ
ルマルの純度製品を与えることができないことを
示す。ヌルはまた言わゆるガス分離カスケードで
追加の膜段階を用いれば運転費、圧縮機、膜及び
関連する設備費をひどく増大することも指摘し
た。よつて、多くの場合、ノルマル純度の製品ガ
スを達成するのに必要とする費用は経済的可能性
の点を越えて増大することがヌルによつて言われ
た。その結果、膜のアプローチに関連して簡便や
その他の利点が認められているにもかかわらず、
透析膜は多くの実際の商用ガス分離運転用に採用
されなかつた。

膜の実用的用途に関係するこのような制限を解
消しようとして、ヌルはシリーズで用い、中間段
に圧縮機のある２つの膜の第２からの非透過質ガ
スを高い圧力で第３段、或は循環段の膜に通す３
段膜系を提案した。この段から回収した透過質を
第１段の透過質とブレンドした後にインライン、
中間段圧縮機で再圧縮し、該圧縮ガスを第２段膜
に通す。このアプローチでは、高い圧力で利用し
得る第３段膜からの非透過質ガスを第１段膜に循
環させるために追加量の供給ガス混合物にブレン
ドする。該第１段膜からの非透過質ガスは系から
除かれる唯一の廃ガスになり、所望のノルマル純
度の製品ガスは第２段膜から低い圧力で回収され
る透過質ガスから成る。

循環膜段階を採用するヌルのアプローチをいく
つかの具体例で用いて実際の商業運転において従
来ガス分離に透析膜を用いて得ることのできない
ノルマル純度のガス、すなわち水素或はヘリウム
精製の場合約95〜97％の純度を生産することがで
きる。循環膜は、透過圧及びその他の要因が循環
膜により該第１段自体で達成するよりも一層有効
に第２段膜から循環させるガス混合物の所望の透
過質部分の分離を可能にさせるものである場合に
のみこの点で価値があることを認めよう。このた
めに、循環膜を横切る一層大きな駆動力を必要と
する。すなわち、ガス分離に透析膜を用いる他の
アプローチの場合のように、膜及び圧縮費の均合
が必らずこのアプローチに含まれる。

膜を簡便に用いて低級ガス流を向上させること
ができ、及び膜を有効に用いてヌルの多段アプロ
ーチの使用により上述したノルマル純度の製品を
生産することができるが、膜は高純度の製品を望
ましい程に高い回収率レベルで分離させるのに有
効に用いられなかつた。本発明で目的とし及び当
分野で知られている通りの高純度製品は、代表的
には、水素或はヘリウム精製の場合、純度約98〜
約99.9⁺モル％を有する製品ガスから成る。すな
わち、ヌルの３段系はかかる高純度ガスの生産に
適応されず、及び高純度レベルを達成するのに追
加の膜段階を用いることは、上述した通りにかか
る段の追加に禁止的費用が伴なうことから、実行
できない。よつて、ガス分離プロセスについて、
透析膜の簡便性を利用し、他方、高純度製品ガス
を所望の回収率レベルで生産する要求が当分野に
依然残つている。

よつて、発明の目的は透析膜の簡便性を利用す
る改良されたガス分離方法を提供するにある。

発明の別の目的は透析膜を用いるが、また高純
度製品ガスを所望の回収レベルで回収することの
できるガス分離方法を提供するにある。

これらや他の目的を心に留めて、発明を本明細
書中以降で詳細に説明し、発明の新規な特徴を特
に特許請求の範囲に指摘する。

問題を解決するための手段 発明は透析膜或は膜段階を初期のバルクガス分
離に用い、膜からの透過質ガスを圧力スイング吸
着（PSA）系に通して高純度製品ガスを分離及
び回収するものである。PSA廃棄ガスを圧縮し
及び供給ガスとブレンドして該膜に通し、それか
ら非透過質ガスを高い圧力で抜き出す。処理加工
の変法において、該非透過質ガス及び／又は該
PSA廃棄流を回収率を高めるために更に膜段階
に通し、各々の場合にPSA系から製品ガスを高
純度で回収することができる。

発明の詳細な説明 発明の目的は上述した通りの透析膜を１段又は
それ以上でPSA系と共に所望の製品ガスを高純
度で有利に回収するように適応させた統合プロセ
スで利用することによつて達成する。該透析膜及
びPSA系の有利な特徴を共に発明の実施におい
て利用して高純度ガスの所望の回収率を高める。
非透過膜ガスを望ましい程に高い圧力レベルで回
収する。

PSAプロセスはそれ自体それ程容易には吸着
し得ないガス成分と不純物或はその反対と考えら
れる一層容易に吸着し得る第２成分との供給ガス
混合物中に含まれるそれ程容易には吸着し得ない
ガス成分を分離精製するよく知られた手段である
のはもち論である。吸着は通常該床において高い
方の吸着圧で行なわれ、その後一層選択的に吸着
し得る第２成分を一層低い脱着圧に降圧して脱着
させる。床をまた該一層低い圧力においてパージ
して該第２成分を床から脱着及び除去し、すなわ
ち所望の製品ガスに関して不純物を除去した後に
床を高い吸着圧に再加圧して供給ガス混合物から
該第２成分を選択吸着させる。このようにして、
加工シーケンスをPSA系の各床において循環ベ
ーシスで行なう。このようなPSA加工はワグナ
ー（Wagner）等の米国特許3430418号及びフデ
ラー（Fuderer）等の米国特許3986849号に開示
されており、同米国特許には、多床系の使用に基
づくサイクルが詳細に記載されている。該サイク
ルは通常吸着工程を完了した際に言わゆる並流降
圧工程において各床の製品端から空隙ガスを開放
し、開放したガスを代表的には均圧化及びパージ
ガス付与の目的に用いることに基づく。その後で
床を向流に降圧及び／又はパージしてガス混合物
の内の一層選択的に吸着された成分を吸着剤から
脱着させ及び該ガスを床の供給端から取り出した
後に床を再加圧して吸着圧にする。

透析膜をPSA系と共に使用することは、従来、
高圧、例えば約600psig（42Kg／cm²Ｇ）を越えて利
用することができ及び不純物を高濃度で含有する
供給ガス流から製品ガス、例えば水素を分離回収
することに関して開示された。すなわち、ドシ
（Doshi）の米国特許4398926号は該供給ガス流を
透析膜に通して高圧供給ガス流からの不純物のバ
ルク分離を行ない、製品に富む透過質ガスを低い
圧力でPSA系に通して最終的に精製している。
PSA系における製品回収率を増大させるために、
透析膜からの非透過質ガスの一部を降圧して透過
質の圧力レベル、すなわち吸着圧レベルにし、及
び該圧力レベルにおいて共供給（co−feed）ガス
としてPSA系に、立ち代つて系内の各吸着剤床
に通した後にその床において並流降圧を開始し、
次いで一層低い脱着圧に降圧して床の供給端から
取り出される廃ガス流中の不純物を脱着し開放す
る。当業者であれば、ドシプロセスのPSA部分
の向流降圧及び／又はパージ工程の間に床の供給
端から開放される不純物はドシの特許に記載され
ている全膜−PSAガス分離操作について廃棄除
去流を構成し、唯一の該除去は膜段階からの非透
過質ガスを全てPSA系に通すかどうかを意味す
ることを認めよう。しかし、発明の実施において
用いる透析膜の１つ又はそれ以上からの非透過質
ガスの一部の通過をドシ特許に開示されている方
法でPSA系に通すことができるが、ドシプロセ
スと対照的に発明の実施において系から抜き出さ
れる非透過質ガスはプロセスについて唯一の必然
的副産物或は不純物ガス除去手段を構成すること
が認められることに注意すべきである。

図中第１図を参照すれば、分離すべき供給ガス
流を管路１で必要ならば原料圧縮機２に送り初期
透析膜分離に望まれる高い圧力に圧縮する。圧縮
した供給ガスを管路３で初期供給ガス混合物の内
の第１成分を選択的に透過することのできる透析
膜系４に送る。供給ガス流の内の非透過質部分、
すなわち透析膜を通過しない第２成分に富み、第
１成分の減少したガスを、供給ガス流を該膜系４
に通した本質的に高い圧力レベルで膜系４から管
路５により抜き出す。管路５におけるこの非透過
質ガスは発明の全体系から取り出される唯一の必
然的な廃棄流を構成することがわかるものと思
う。管路５の流れは廃棄流と考えられるかもしれ
ないが、第２成分に富み、第１成分の減少した非
透過質ガスを構成するこの流れはそれ自体実施す
る特定のガス分離及び所望の生成物によつて望ま
しい生成物流になり得ることは理解されよう。加
えて、非透過質流を本質的に供給ガス流の高い圧
力レベルで回収することは、それ自体動力発生の
目的に関して望ましい。対照的に、ドシプロセス
の脱着した不純物を含有する向流降圧及び／又は
パージ廃棄流をPSA系の吸着剤床から通常ずつ
と低い圧力レベルにおいて、すなわち使用する比
較的低い脱着圧レベルにおいて取り出される。か
かる脱着圧は通常大気圧であるか或はそれに近く
なろう。

供給ガス流の第１成分に富み、第２成分の減少
した透過質部分を低い圧力で得、及び本質的にそ
の圧力レベルにおいて管路６で所望の場合にイン
ライン、中間段の圧縮機手段７に通して該透過質
ガスの圧力を圧力スイング吸着プロセスの運転に
望まれる所望の高い吸着圧レベルに増大させる。
該圧力スイング吸着プロセスでは、膜系４におけ
るバルク分離から生じた透過質ガスに最終精製を
行なつて所望の高純度製品とする。圧縮した透過
質ガスを圧縮機７から管路８で該第２成分を選択
吸着して所望の高純度製品等にすることができる
PSA系９に通す。当業者ならば認識する通りに、
該第２成分の選択吸着は吸着工程を受けるPSA
系９の床内に該第２成分の不純物前端を形成さ
せ、該前端は本質的に選択吸着される該第２成分
で吸着剤が飽和されるようになつた床の供給端で
始まる領域の前縁である。この不純物前端は、透
過質ガスを床の供給端に通すにつれて床の中を床
の製品端の方向に進む。非吸着の精製された第１
成分ガスを床の製品端から及びPSA系から管路
１０により高純度製品ガスとして抜き出す。該製
品ガスは本質的に透過質ガスを管路８よりPSA
系９に通す吸着圧レベルで得られることを認めよ
う。

発明の実施において及び上述したワグナー及び
フデラー等の特許のように１より多い吸着剤床を
有する系で行なう代表的なPSA加工操作におい
て、立ち代つて供給ガスを代表的には所望の高い
吸着圧の各吸着剤床に通して一層容易に吸着し得
る成分、すなわちこの場合第２成分を選択吸着さ
せ、及びそれ程容易には吸着し得ない成分、すな
わち精製すべき第１成分を床の製品端から取り出
す。この工程は通常吸着工程と呼ばれ、この工程
に１又はそれ以上の並流降圧工程を続け、吸着工
程の終りに床内に存在する空隙ガスを床の製品端
から開放させる。それにより床を並流降圧して吸
着圧レベルから一層低い中間圧レベルにする。一
層容易に吸着し得る第２成分の追加選択吸着によ
り該工程の間に吸着前端を更に床の製品端の方向
に移動させる。発明の実施において、慣用の
PSA実施の場合のように、並流降圧の間に床の
製品端から開放される空隙ガスを、任意の特定用
途に用いる特定のPSA系及びサイクルにより、
代表的には直接或は間接に初めに一層低い圧力の
別の床に均圧化の目的で送り、及び／又は脱着す
る或は脱着した別の床にパージガス付与の目的で
通す。

このような吸着及び並流降圧工程の後に、
PSA系の各床を立ち代つて向流降圧して一層低
い脱着圧にし及び／又はパージして床の供給端か
ら慣用のPSA実施において及び上述したドシプ
ロセスにおいて精製する製品ガスから除かれる不
純物を含む廃棄流を構成するものを脱着開放させ
る。しかし、発明の実施において、向流降圧及
び／又はパージガス流出物は第１及び第２成分を
含み、再生流を含有する。再生流はPSA系９か
ら管路１１で抜き出し及び圧縮機手段１２で該低
い脱着圧から一層高い圧力に再圧縮し、そこから
管路１３で循環させて管路１１を通る追加量の供
給ガス流と一緒にし、高い透過圧に圧縮して該透
析膜系４に通す。

発明の第１図の実施態様の実施において、供給
ガス流の第１成分の所望の分離を、通常の製品純
度レベルが発明の実施において得ることのできる
ものと同様の所望の回収率レベルで得られるヌル
の特許のアプローチを含む完全膜アプローチの実
際の商業的実施態様で達成し得ない高純度レベル
で達成する。

発明の第１図の実施態様においてイン−ライン
の中間段圧縮機手段７の使用により透析膜を横切
る有利な程に高い圧力損失で膜系４を操作するこ
とが可能になり、それにより該膜系４で達成する
バルク分離操作を増進させる。次いで、圧縮機手
段７を用いて膜系４から比較的低い圧力で回収す
る透過質ガスを再加圧してPSA系９の操作のた
めに望まれる一層高い吸着圧にする。実施におい
て、このような実施態様は所望の製品ガス、すな
わち該供給ガス流の第１成分の回収率を高める役
割をする有利な初期バルクガス分離に透析膜を有
効に利用して利点を有することが認められよう。
このような膜系４の有効な使用に伴なう必然的な
妥協（トレード−オフ）は圧縮機手段７の使用に
伴なう所要動力である。かかるイン−ライン、中
間段圧縮機の使用に加えて、ヌルの完全
（wholly）膜アプローチのように、必らず全系の
信頼性に影響する追加の運転要因を生ずる。すな
わち、圧縮機手段７の故障或は欠陥は圧縮機を修
理或は取り換えるために運転管路を遮断すること
を必要とする。このように第１図の実施態様は透
析膜系をPSA系と共に用いて高純度製品を望ま
しい製品回収率レベルで生産するのを容易にする
極めて望ましいプロセスを提供するが、いくつか
のガス分離操作について、このような高純度、高
回収率の操作は圧縮機及びその他の運転費、得ら
れる製品回収率レベルの種々の釣合と共に望み得
ることが認められよう。本明細書及び特許請求の
範囲に記載する通りの発明は望ましい加工上の融
通性を有し、種々の実際の運転事情の必要及び要
求に適応させるように変更することが可能であ
る。これについては、第１図に例示した実施態様
の種々の変更態様に関しての以下の検討から立証
する。

膜系４からの透過質ガスは管路６で圧縮機手段
７に通り、所望の場合に該ガスの圧力を増大して
透過質ガスを分離装置手段４から抜き出す圧力レ
ベルよりも高い吸着圧レベルにすると言つたこと
に留意されよう。上記から、このような事情は特
定のガス分離操作に用いる膜の分離効率を高める
ために透析膜による差圧を高くして運転すること
を望む実施態様において容易に起き得ることを認
めよう。特定の分離操作において所望の回収率レ
ベルができたら、該イン−ライン、中間段の圧縮
機手段７を使用しないで統合膜−PSA系を運転
することは発明の範囲内である。このような加工
変法では、膜系４からの透過質ガスを管路６から
管路１４に流路変更し、中間圧縮しないで直接
PSA系９に通す。PSA系９からの向流降圧及
び／又はパージ工程流出物を循環させて膜系４に
再導入することは製品回収率を向上させる役割を
果すが、該回収率は通常上で検討したような圧縮
機手段７を用いる実施態様と同じ程度には高めら
れない、というのは膜はそのような変更の、中間
段圧縮の無い運転で所望の製品を等しく回収する
傾向にないからである。この作用の理由は通常該
変更第１図運転で得られる透過質ガス圧が一層高
くなり、その結果透析膜を横切る駆動力の低下が
生ずるに在ることがわかる。すなわち、変更実施
態様では透過質ガスを代表的には膜系４から前よ
り一層高い透過質ガス圧レベルで抜き出し、透過
質ガス圧は本質的にPSA系９の操作に望まれる
高い吸着圧レベルになる。この加工変更態様で
は、幾分低い製品回収率が得られるが、これは付
随する該イン−ライン、中間段圧縮機手段９及び
それに伴なう費用の排除によつて捕われることが
わかる。当業者であれば、実際のガス分離操作は
達成すべき分離、分離させる成分の性質、該操作
に関連する回収率及び費用の要因、使用すべき透
析膜材料及び系の性質、所望の特定のPSA系等
を含む関連のある要因の全てにより、該第１図の
別法の内の一方或は他方のいずれが好ましいかに
関係することを認めよう。

第１図に示す通りの発明の方法のそれ以上の実
用的変法では、膜系４からの第１段透過質ガスを
圧縮機手段７で圧縮した後に必要に応じて第２段
膜系１５に通し、そこで更に分離した後に統合膜
−PSA操作の初期の膜分離部分から透過質を
PSA系に通して最終的に精製し及び高純度製品
を有利に回収し得ることはわかると思う。該第２
段膜系１５からの非透過質ガスを第１段膜系４に
供給ガスとして循環させる。この加工変法では、
初期ガス分離を、膜系４を横切る非常に大きい差
圧及び膜系１５を横切る一層小さい差圧を用い、
それにより該系１５からの透過質ガスがPSA系
９で用いることを望む高い圧力レベルにあるよう
にして行なうことが便利である。このようにして
運転すれば、該第２段膜系１５とPSA系９との
間に更にイン−ライン、中間段の圧縮機を用いる
必要性を回避する。このように、この加工変法で
は第２段膜を加えてPSA系の上流で高い分離を
行なうことにより透析膜の便利性及び使用効果を
有効に利用することができる。該第１図の実施態
様においては、管路１１の再生流の全て或は少な
くとも一部を圧縮機手段１２に循環させ、管路１
３で循環させて膜系４に通す供給ガスと一緒にさ
せることは発明の範囲内であることに注意すべき
である。該再生流の一部のみ、すなわち必ずしも
該再生流の全部ではないものをこのように管路１
３で循環させるそれらの実施態様において、系か
らの管路１１における該再生流の一部を管路１６
で廃棄物或は他の使用に通すこと、及び／又は該
再生流の一部を該圧縮手段１２で部分再圧縮した
後に管路１７でPSA系９に吸着圧レベルの或は
適当な一層低い圧力レベルの供給或は置換ガスと
して送り戻すことは発明の範囲内である。当業者
であれば、管路１３，１６及び／又は１７で循環
させる該再生流の部分は各ガス分離操作に関係す
る特定の要件及び操作条件により場合毎に変わる
ことを認めよう。しかし、代表的には、該再生流
の一部を管路１３で循環させて第１段膜系４に通
る供給ガスに合流させることは全再生流の重要な
部分になる。当業者であれば、また、以下で検討
する第２図及び第３図の実施態様のように発明の
他の適用可能な実施態様において再生流の少なく
とも一部を同様に循環させて第１段膜系に合流さ
せるが、該流の一部を第１図の実施態様のように
同様に廃棄流として抜き出すか或はPSA系に循
環させ得ることを認めよう。便宜上、かかる代替
は発明の第２図及び第３図の実施態様に関して更
に開示或は例示しない。

第２図は発明の別の実施態様を例示するもの
で、第２段膜手段をPSA系から初期段のバルク
分離膜系への循環管路中に採用する。この実施態
様では、所望の場合に、管路２１における供給ガ
ス流を初めに圧縮機２２で圧縮して所望の高い圧
力にし及び管路２３で第１段膜系２４に通し、該
系から非透過質ガスを管路２５より本質的に該高
い圧力レベルで抜き出す。低い圧力の透過質ガス
を系２４から管路２６で抜き出し及びイン−ライ
ンの中間段圧縮機手段２７で再圧縮した後に管路
２８でPSA系２９に通し、該系から高純度製品
ガスを適切な高い吸着圧レベルで管路３０より抜
き出す。向流降圧及び／又はパージガス排出物を
構成するPSA廃棄流を該PSA系２９から管路３
１より追加の圧縮機手段３２に通して代表的には
PSA系の低い脱着圧レベルから操作全体の中の
洗濯的透過部分について用いる適当な圧力レベル
にまで再加圧する。通常、管路３１の該循環ガス
を再圧縮して供給ガス流を膜段階２４に接触させ
る圧力よりも高い圧力或は該圧力と本質的に同じ
圧力にすることは発明の範囲内である。再生流を
構成する再圧縮循環ガスを次いで管路３１の循環
流中に存在する追加量の第１成分を選択透過させ
ることができる第２段膜系３４に管路３３で通
す。第２段透過質ガスをこのようにして該膜段階
３４において低い圧力レベルで得、該低い圧力は
透過質ガスを第１段膜２４から管路２６で抜き出
す圧力よりも高いか或は該圧力と本質的に同じで
ある。第２段透過質を管路３５で循環させて管路
２６の該第１段透過質に合流させるか或は使用す
る圧力レベルに応じて別途循環させてPSA系２
９の吸着剤床に通して更に第１成分を高純度製品
ガスとして回収する。ガス混合物の該第２成分に
富んだ第２段非透過質ガスを簡便に管路３６で循
環させて管路２３で高い圧力において初期段膜２
４に通す追加量の供給ガス流に合流させ、及び／
又は管路３７に流路変更して該膜２４から管路２
５で抜き出し、本質的に透析膜の非透過質或は供
給側で適用し得る圧力の第２成分に富んだ非透過
質ガスに合流させる。

第２図の実施態様はまた任意所定のガス分離操
作に関して適用可能な要件及び／又は制限に応じ
て種々の加工代替に関して適応し得ることに注意
すべきである。すなわち、第１図の実施態様のよ
うに、管路２６の透過質ガスを管路３８より直接
PSA系２９に通すように進路を変え、こうして
管路２６に存在する透過質ガスがPSA系２９に
望まれる高い吸着圧レベルにあつて圧縮機手段２
７で再圧縮する必要がないそれらの用途において
圧縮機手段２７をバイパスしてもよい。このよう
な加工変法において、第２段膜３４からの透過質
ガスを圧縮機手段２７におけるそれ以上の再圧縮
が不要になるような圧力レベルで簡便に回収する
ことを認めよう。このような場合、第２段膜から
の透過質ガスに簡便に管路３５から流路を変更し
て管路３９に通して該管路３８において第１段透
過質ガスに合流させる。該PSA流出物環境流を
処理するために第２段膜を使用することは製品回
収率を増大させる追加の実用的手段を、再び製品
回収率、設備、運転費の望ましい妥協を含む加工
変法と共に付与し、発明を高純度製品を生産する
全ガス分離運転に関する種々の要件に関して最適
にさせる。

図中第３図に例示する発明の別の実施態様は追
加の膜段階を加入させて上述した第１段膜から抜
き出した非透過質ガスから更にガス分離し及び所
望の製品を回収する。この実施態様に関連して説
明する通りの第２段膜は、発明の第２図の実施態
様に関して説明したPSA流出物循環膜段階の使
用と別に或は一緒に使用し得ることを認めよう。
第３図の実施態様において、供給ガスを管路４１
で必要なら圧縮機手段４２に及び管路４３に通し
て高い圧力で第１段膜系４４に通し、該系４４か
ら透過質ガスを管路４５よりPSA系４６に通す。
例示しないが、管路４５の該透過質ガスもまた所
望なら特定の用途の膜及びPSAガス分離操作に
ついて用いる圧力レベルに応じてイン−ライン、
中間段圧縮機で再圧縮してもよい。該PSA系４
６からの向流降圧及び／又はパージ流出物を管路
４７で圧縮機手段４８に通して代表的にはPSA
系の低い脱着圧から再加圧した後に管路４９で循
環させて管路４１を通す追加量の供給ガス流に合
流させ、圧縮機４２及び管路４３に通して第１段
膜４４に接触させる。非透過質ガスを本質的に該
高い圧力で該第１段膜４４から管路５０により第
２段膜系５１に通す。該第２段膜系５１は、代表
的には第１段膜よりも高い差圧で運転する。立ち
代つて、非透過質ガスを該膜５１から高い圧力で
管路５２より取り出し、該非透過質ガスは全膜−
PSA系から供給ガス流の中の透過性に劣る第２
成分の唯一の必然的な抜き出しから成る。該膜５
１からの透過質ガスを管路５３より抜き出し及び
圧縮機手段５４に通して再圧縮する。このように
して再圧縮した第２段透過質ガスを管路５５に通
して管路４５よりPSA系４６に通る第１段膜４
４からの透過質ガスに合流させてもよい。第３段
膜系をPSA系から第１段膜への循環管路中に用
いる実施態様において、第２段膜５１から管路５
３で該循環管路に通る該通過質ガスを、PSA循
環流をその低い脱着圧レベルから簡便に部分再加
圧した後に環境させて該第３段或は循環膜系で更
に分離するのが望ましいことを認めよう。発明の
他の実施態様の場合のように、所望の製品ガスを
PSA系４６から高純度製品として回収し、所望
の製品回収率レベルで管路５６より得る。発明の
第３図の実施態様及び付随する加工変法はそれ以
上の運転の融通性を与え、有利には所望のガス分
離操作を該操作に関連し得る特定の要件、要求、
制限に適合し得る方法で適応させる。

本発明の方法は、実際の工業プロセスにおいて
経験される各種供給ガス流の分離に色々な態様で
実施することができる。上に検討したことから、
膜単独のシステムは、或る種のガス分離、特に精
油オフガスまたはプラントパージ流出流などの比
較的高品位のガス流を、より高純度（すなわち上
記したような水素或いはヘリウム精製について約
95〜97モル％の範囲の純度を有するノルマル純度
レベル）にまで精製する必要がある場合に便利か
つ有利である。同様に、PSA単独のシステムは
ノルマル純度ガスまたはそれに近いガスを精製し
て高純度製品とするのに有利に使用しうる。さら
に、上記ドシ特許の膜−PSAアプローチは高圧
で得られるガスであつてシステムからの向流降圧
及び／又はパージ流出部の放出が許容されるよう
な供給ガス流から高純度生成物ガスを得るのに使
用されると有利である。本発明は、供給ガス流が
相対的に不純な物質を含む場合でも、技術面及び
工業面から十分に可能な方法によつて所望の回収
率で高純度生成ガスの回収を可能とする点で、従
来技術に比して大きな改良となつている。水素−
メタン精製オフガス混合物は本発明の方法で処理
するのに適した型のガス混合物である。40モル％
の水素を含有する水素−メタン混合物または水素
−炭化水素混合物（メタンを主体とするもの）
は、本発明に従つて望ましい回収率で高純度生成
物を製造するのに有利に用いうる混合物である。
より高い、例えば90％までの高い水素含有率も経
験しうる。ヘリウム−窒素オフガス混合物は本発
明の方法で分離すべき供給ガス流の他の例であ
る。これら及び他の各種用途、例えば空気から酸
素富化ガスを製造する場合のような空気分離プロ
セスにおいて、本発明は、大量分離のための透析
膜の有利さと高純度製品を容易に製造するPSA
システムの能力とを組合せ、他方ではシステム全
体から製品が失なわれる不都合を防止する。上記
のように、本発明が水素またはヘリウム精製に用
いられる場合の高純度製品は、通常約98〜99.9⁺
モル％、場合によつて99.99⁺モル％までの純度を
有する製品である。もつとも本発明の高純度製品
及びノルマル純度製品は他のガス精製については
より低い純度を有することができる。約90〜95％
の製品回収率は本発明の方法によつて容易に達成
しうるもので、この回収率は本発明が意図した範
囲に属する。当業者には、供給ガス混合物の第１
及び第２成分が特定の成分（例えば水素と窒素）
のみに限定されないことが明らかであろう。それ
どころか、各種の副次成分或いは不純物が存在し
たり、或いは製品ガスが望ましいまたは支障のな
い量で他成分や不純物を含有したり、或いは系内
の１以上の膜から引出された非透過質廃棄流また
は副次生成流が単一ガス以上のガスを含むような
ガスの処理が必要な場合がある。

本発明の方法に使用するのに適した供給ガス流
は、オフガスの場合のように広範囲な運転圧力で
得られる。従つて、約7.0〜105Kg／cm²（ゲージ
圧、以下同じ）の圧力が一般であり、場合により
この範囲外のこともありうる。本発明の例示され
た実施例では、供給ガス流は初期の膜分離に進む
前に圧縮されるものとする。供給ガスが約7.0〜
21.1Kg／cm²で得られるなら、膜システムを有利に
運転するには例えば約42Kg／cm²にこのガスを圧縮
することが望まれる。他の例では、供給ガスが膜
分離に必要な、或いは望ましい圧力以上で得られ
る場合があるが、このようなガスは所定圧力で初
期の膜分離を行わせる前に予め減圧することがで
きる。

本発明の方法で用いるのに適した透析膜は市販
されている。かかるガス分離システムは水素その
他の所望ガスを比較的高圧（例えば一般約42Kg／
cm²以上及び約141Kg／cm²Ｇまで又はそれ以上）で
選択透過させることができるガス透析膜を含んで
いる。入口手段は供給ガスを所望圧力で分離器の
供給物入口部に導入するのに用いられ、出口手段
は所望の製品富化透過質を分離器から減少した圧
力下に引出すために用いられる。また、他の出口
手段が膜を透過しなかつたガス流部分を別個に引
出すために用いられる。この圧力はほぼ供給ガス
圧に等しい。市販の膜は通常スパイラルに巻いた
形か中空繊維の形をした酢酸セルロース、トリ酢
酸セルロース、ポリスルホン等の適宜の材料であ
り、分離器構造物内に収納される。かかる繊維は
小さくまとめた束の形に集められて所望ガス製品
の流通に適した大きい膜接触面積を与える。中空
繊維を用いた場合には、分離器の供給物入口部分
と非透過ガス出口手段は中空繊維の外側で分離器
内部において連通関係となる。又、透過ガス出口
手段は中空繊維の内部と連通する。実用的な例で
は、非透過ガス出口手段と透過ガス出口手段とは
分離器の反対端（両端）に配置され、供給物入口
手段は透過ガス出口手段の近くに配置される。操
作において、加圧された供給ガスは分離器に流入
し、水素等の所望ガス製品は選択的に中空繊維壁
を透過する。製品富化透過ガスは繊維内の孔を減
圧されて通り、分離器の一端の出口手段へと送ら
れ、一方非透過ガスはその出口手段へと流れる。

少なくとも１つの、典型的には２つ以上の吸着
床を有するPSAシステムを用いることは応用に
応じて必要なことがあり、本発明に含まれる。従
来のシステムでは一般に３〜12個、或いはそれ以
上の吸着床が用いられる。多床システムでは、１
つの床の製品出口端から放出される並流減圧ガス
は、所望により、均圧下の目的でシステム内の他
の１つ以上の床へ送ることができる。各床は高い
吸着圧から低い脱着圧まで減圧されるので、２ま
たは３段の均圧化工程が行われるのが一般的であ
る。上に述べたように、１つの床から放出された
並流降圧ガスは、他の床の排気ガス（パージガ
ス）として有利に使用でき、一般には均圧化及び
掃気に両方に使用される。多床方式に関係してい
る運転サイクルはこのようにその一部に並流降圧
を用いているが、単床または多床方式でこのよう
な並流降圧も用いないで吸着−脱着PSA法を実
行することも本発明の範囲内である。また、床が
その中間圧力から高い圧力へ再加圧される間に製
品ガスが回収されるような、いわゆる増圧吸着工
程を用いることも本発明の範囲に属する。この方
法はMc Combsの米国特許第3738087号に記載さ
れており、これは特に空気分離に適用しうる。典
型例では、増圧吸着工程の次に並流降圧工程が実
施されるが、既述の定圧吸着は行われない。

さらに、システムの運転サイクルの全工程を通
じて重畳した順序で供給ガスを少なくとも２つの
吸着床へ送給するようにPSAシステムを修正す
ることも広く行われており、これも本発明が意図
したところである。同様に、吸着床として同じ寸
法のものを用いるPSAシステムも多床方式では
広く用いられているし、また大小ちがつた寸法の
吸着床を用いても良い。透析膜分離器は所望によ
り追加の融通性を得るために異つた寸法のものを
用いても良い。ワグナーやフデラー特許に示され
ているような適宜のゼオライト系モレキユラーシ
ーブのような任意の吸着剤を本発明のPSAシス
テムに用いることができる。このような吸着剤は
水素その他高純度で回収すべき所望の製品ガスか
ら不純物を選択的に吸着できる限り適当であると
考えて良い。

上に述べたことから、運転圧力は各々の応用目
的に応じて変わりうるものであり、種々の因子、
例えば分離すべき供給ガス、望まれる純度及び回
収率、使用される透析膜の材料、PSAシステム
に用いられる吸着剤、全体のシステムの諸因子、
用いられるPSAサイクル、PSAシステム中の吸
着床の数、膜分離器の寸法や構造などに支配され
る。しかし、一般には、PSAシステムを高圧で
運転すると費用がかさむので、約42.2Kg／cm²より
低い圧力で運転するのが良い。PSAシステムで
は高い圧力を使用するのはかまわないが、低圧の
方が有利であり、特に膜分離器からの減圧された
透過ガスをPSAシステムの高い方の吸着圧と調
和させるには低圧の方が有利である。本発明の目
的には、約7.0〜35.2Kg／cm²、より好ましくは約
14Kg／cm²の吸着圧力が一般に好都合でありまた好
ましい。同様に、膜分離システムの運転圧力は約
42.2Kgを越え、141Kg／cm²まで又はそれ以上が一
般的である。既述のように、本発明の膜分離シス
テムへの供給ガスの圧力、減圧された透過ガス圧
力、従つてそれらの膜をはさんだ差圧は、所望の
ガス分離度を与えるように決定しうる。この差圧
はこの分解段に望まれる分離度と、望まれる総合
回路率とに関係し、典型的には回収率と圧縮に要
する費用とのバランスの結果として定まる。個々
の膜分離段階の操作において、供給ガスの純度が
低い程、差圧（駆動力）は透過ガスの所望される
純度に応じて高くなる。

本発明の利点を示すための比較例を次に示す。
精油オフガス（水素50％及びメタン50％）を56.2
Kg／cm²に圧縮し、それを２種の水素回収用システ
ムに供給した。第１のシステムはイン−ライン、
中間段の圧縮機を有する２個の直列に接続された
膜分離器より成るものであり、第２のシステムは
これら膜分離器のうち、２番目のものをPSA分
離器に置き換えたものである。第１のシステムで
は、高い圧力で回収される非透過ガスを圧縮供給
ガスに合流させた。第２のシステムではPSA分
離器からの向流減圧及び／又は掃気ガス流出物を
低い脱着圧力から再圧縮した上で同様に圧縮供給
ガスに合流させた。第１のシステム、すなわち２
段膜分離システムでは、水素富化透過ガスは第１
段で水素80％のレベル、8.8Kg／cm²の圧力下に回
収され、59.8Kg／cm²に再加圧された上、第２段の
膜分離器に通され、そこから透過ガスは純度95％
のレベル、21.1Kg／cm²の圧力下にノルマル純度水
素ガス製品として回収された。非透過ガスは約
56.2Kg／cm²の圧力で圧縮供給ガスに循環させた。
これに対して本発明の上記第２のシステム、すな
わち膜分離−PSA法では、２段膜分離システム
と同じ膜分離器を前段に用いて上記と同じ圧力
8.8Kg／cm²で水素80％の回収率で水素富化透過ガ
スを得、次いでこれを21.1Kg／cm²の高い方の吸着
圧力にした。PSA分離器から回収された製品ガ
スは99.0⁺％の水素を含有し、圧力は21.1Kg／cm²
であつた。高純度水素製品の製造に関連した圧縮
コストは、第１のシステムより少し高くなつた。
これはPSA排出ガスを約0.7Kg／cm²から約56.2
Kg／cm²に再加圧して初段の膜分離器の供給ガスへ
戻すためである。上に述べたように、膜を横切る
駆動力は膜分離前の圧縮の程度や回収される透過
物の圧力レベルを変えて種々の初期粗分離の度合
いを調整しうる。これらの因子やPSA分離にお
ける圧力などを場合に応じて変えて回収率及び高
純度製品ガスの製造に関連した圧縮コストを最適
化することができる。

以上のように、本発明はガス流の粗分離に滲透
膜を有利に利用し、所望の高純度の達成には
PSA分離を有利に利用するものである。この高
度に有用な統一システムにおいては、所望の製品
回収率が維持できると共に、圧縮その他分離に関
係したコストと製品回収率は所定の応用に関する
必要性及び条件を反映してバランスさせることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は集積透析膜及び圧力スイング吸着系を
用いた発明のガス分離方法の具体例を示す略図で
ある。第２図は高純度ガス製品を回収するPSA
系を２段透析膜系と組合わせて用いる発明の別の
具体例の略図である。第３図は別の２段膜系を
PSA系と結合し、それから高純度製品ガスを高
い回収レベルで得る発明のガス分離方法の具体例
の略図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) 第１成分を選択的に透過することができ
   る透析膜に供給ガス流を高い圧力で接触させ、
   それにより該供給流の第１成分に富み第２成分
   の減少した透過質部分を低い圧力で得及び該供
   給流の第２成分に富み第１成分の減少した非透
   過質部分を本質的に該高い圧力で得； (b) 該非透過質ガスを透析膜から抜き出し； (c) 第２成分を高い吸着圧で選択吸着することが
   できる圧力スイング吸着系における吸着剤床の
   供給端に該透過質ガスを通し、非吸着の精製さ
   れた第１成分ガスを高純度ガスとして床の製品
   端から抜き出し； (d) 床を向流降圧して一層低い脱着圧にし及び／
   又は該床をパージして第１及び第２成分含有再
   生流を床の供給端から脱着及び開放させ； (e) 該再生流の少なくとも一部を循環させて供給
   ガス流に合流させ、それにより第１成分の分離
   を高純度及び望ましい回収率レベルで達成し、
   該第２成分が望ましい程に高い圧力レベルで入
   手し得る ことを含むガスの高分離方法。 ２ 本質的に全ての前記再生流を低い脱着圧から
   再圧縮し及び循環させて前記ガス流に合流させる
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記再生流の第２部分を全プロセスから放出
   し循環流として用いないことを含む特許請求の範
   囲第１項記載の方法。 ４ 前記再生流の一部を前記圧力スイング吸着系
   における吸着剤床に循環させることを含む特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ５ 前記再生流の一部を低い脱着圧から再圧縮し
   及び循環させて前記供給ガス流に合流させ、該再
   生流の第２部分をプロセスから放出し、該再生流
   第３部分を適当なレベルに再圧縮した後に前記圧
   力スイング吸着系における吸着剤床に循環させて
   戻す特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６ 前記供給ガス流が前記第１成分としての水素
   と前記第２成分としてのメタンとの混合物を含
   み、該水素を純度98％〜99.0⁺％で回収する特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ７ 前記水素純度が99.99⁺％である特許請求の範
   囲第６項記載の方法。 ８ 前記透過質ガスを、前記圧力スイング吸着系
   のための高い吸着圧レベルを構成する本質的に前
   記低い圧力レベルで前記床の供給端に通す特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ９ 透過質ガスの前記低い圧力レベルが前記圧力
   スイング吸着系のための高い吸着圧レベルよりも
   低く、及び該透過質ガスを該低い圧力レベルから
   該高い吸着圧レベルに再加圧した後に透過質ガス
   を該圧力スイング吸着系に通すことを含む特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 １０ 前記供給ガス流が前記第１成分としての水
   素と前記第２成分としてのメタンとの混合物を含
   む特許請求の範囲第９項記載の方法。 １１ 循環させて供給ガスに合流させる再生流の
   前記一部を該再生流中に存在する前記第１成分の
   残留量を選択的に透過することができる第２段透
   析膜に通し、それにより第２段透過質ガスを得る
   ことを含み、及び第１段膜を構成し、該供給ガス
   流を接触させた透析膜からの透過質に該第２段透
   過質ガスを合流させて前記吸着剤床の供給端に通
   し、前記第２成分に富んだ第２段非透過質ガスを
   循環させて供給ガス流に合流させることを含む特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 １２ 前記混合第１及び第２段透過質ガスをイン
   −ライン、中間段圧縮しないで圧力スイング吸着
   系に通す特許請求の範囲第１１項記載の方法。 １３ 前記混合第１及び第２段透過質ガスを低い
   圧力から前記高い吸着圧に再圧縮した後に前記圧
   力スイング吸着系に通す特許請求の範囲第１１項
   記載の方法。 １４ 前記混合物の水素含量が40〜90％の範囲で
   ある特許請求の範囲第１０項記載の方法。 １５ 第１段透析膜を構成する前記透析膜からの
   前記非透過質ガスを該ガス中に存在する該第１成
   分の残留量を選択的に透過することができる第２
   段透析膜に通し、非透過質ガスを該第２段透析膜
   から抜き出し、該第２段透過質ガスを第１段透過
   質ガスに合流させて吸着剤床の供給端に通して前
   記第１成分の回収率を高めることを含む特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 １６ 前記第２段透過質ガスを再圧縮した後に第
   １段透過質ガスに合流させることを含む特許請求
   の範囲第１５項記載の方法。 １７ 前記第１段透析膜からの非透過質ガスを該
   ガス中に存在する該第１成分の残留量を選択的に
   透過することができる第３段膜に通し、非透過質
   ガスを該第３段透析膜から抜き出し、該第３段透
   過質ガスを循環させ、第１段及び第２段透過質ガ
   スに合流させて吸着剤床の供給端に通して前記第
   １成分の回収率を高めることを含む特許請求の範
   囲第１１項記載の方法。 １８ 前記第３段透過質ガスを再圧縮した後に第
   １段及び第２段透過質ガスに合流させることを含
   む特許請求の範囲第１７項記載の方法。 １９ 第１、第２及び第３段透過質ガスを圧力ス
   イング吸着系の高い吸着圧レベルに再圧縮した後
   に該透過質ガスを該圧力スイング吸着系に通すこ
   とを含む特許請求の範囲第１８項記載の方法。 ２０ 空〓ガスを床の前記製品端から開放し、そ
   れにより該床を該高い吸着圧レベルから並流降圧
   した後に該床を一層低い脱着圧レベルに向流降圧
   することを含む特許請求の範囲第１項記載の方
   法。 ２１ 前記開放された空〓ガスを前記圧力スイン
   グ吸着系おける他の床の均圧化及び／又はパージ
   のために用いる特許請求の範囲第２０項記載の方
   法。 ２２ 本質的に全ての前記再生流を低い脱着圧か
   ら再圧縮し及び循環させて前記ガス流に合流させ
   る特許請求の範囲第１１項記載の方法。 ２３ 前記再生流の一部を全プロセスから放出し
   循環流として用いないことを含む特許請求の範囲
   第１１項記載の方法。 ２４ 前記再生流の一部を前記圧力スイング吸着
   系における吸着剤床に循環させることを含む特許
   請求の範囲第１１項記載の方法。 ２５ 本質的に全ての前記再生流を低い脱着圧か
   ら再圧縮し及び循環させて前記ガス流に合流させ
   る特許請求の範囲第１５項記載の方法。 ２６ 前記再生流の一部を全プロセスから放出し
   循環流として用いないことを含む特許請求の範囲
   第１５項記載の方法。 ２７ 前記再生流の一部を前記圧力スイング吸着
   系における吸着剤床に循環させることを含む特許
   請求の範囲第１５項記載の方法。 ２８ 工程ｃの前記透過質ガスを、前記第一成分
   を選択的に透過することができる第２透析膜に通
   し、第２段透析膜からの該透過性ガスを吸着剤床
   の前記供給端に通す特許請求の範囲第１項記載の
   方法。 ２９ 初期透析膜からの透過性ガスを再圧縮した
   後に前記第２段透析膜に通すことを含む特許請求
   の範囲第２８項記載の方法。 ３０ 前記第２段透析膜からの非透過質ガスを初
   期透析膜に供給ガスとして循環させることを含む
   特許請求の範囲第２９項記載の方法。