JPH06205924A

JPH06205924A - 多純度膜方法

Info

Publication number: JPH06205924A
Application number: JP5271158A
Authority: JP
Inventors: Christian Friedrich Gottzmann; クリスティアン・フリードリヒ・ゴッツマン; Ravi Prasad; ラビ・プラサド; Homer Fay; ホーマー・フェイ
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1992-10-06
Filing date: 1993-10-05
Publication date: 1994-07-26
Also published as: CA2101804A1; EP0596268A1; KR940008735A

Abstract

(57)【要約】【目的】多純度の窒素生成物を生産する膜方法を提供
する。【構成】（ａ）供給ガス流を、少なくとも２つの膜段
階を収容する膜系の第一膜段に通して一層透過性の成分
を選択的に透過させ；（ｂ）第一膜段から一層透過性の成分を含む透過質流を
抜き出して膜系から排出させ；（ｃ）供給ガス流の内の一層透過性に劣る成分を含む残
留質流を第一膜段から続く膜段階に通して精製し；（ｄ）膜系の最終膜段から残留質流を高純度生成物とし
て回収し；（ｅ）膜系の最終膜段から透過質流を抜き出し；（ｆ）最終膜段から透過質流を或は最終膜段に供給ガス
流として通る残留質流の一部を低純度生成物として回収
することを含む方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は窒素及びその他のガスを
生産することに関する。一層特には、本発明は多純度の
窒素生成物を生産する膜方法に関する。

【０００２】

【従来技術】近年になって、透析膜は原料空気から窒素
を生成し、その他の望ましい分離を生じるための極めて
望ましい手段として広く認められるようになった。透析
膜は、固有に作業が簡単なことから、比較的純度の低
い、トン数の少ない窒素を生成するためのオンサイト系
の費用を相当に低減させるのに使用することができる。

【０００３】大きい表面積を有する極めて薄い膜バリヤ
ーを、簡便には中空繊維の形態で支持用基材の表面に付
着させることができる。かかる中空繊維を適当に付着及
び組み立ててバンドルにすることにより、供給ガスが比
較的高い圧力で繊維の外側、すなわちシェル側か或は繊
維の内側、すなわちボアー側のいずれかに沿って流れる
ガス分離作業において用いるための透過モジュールを製
造することができる。供給ガスは、それにより、供給ガ
ス混合物の内の透過し易い成分が選択的に膜を透過して
漸次透過し易い成分が乏しくなり、かつ透過し難い成分
に富むようになる。非透過質はモジュールから「残留質
（ｒｅｔｅｎｔａｔｅ）」流として抜き出され、他方、
膜を選択的に透過するガスは繊維のボアー側か或はシェ
ル側のいずれかに沿って流れ、低圧透過質（ｐｅｒｍｅ
ａｔｅ）流として抜き出される。

【０００４】ほとんどの慣用の中空繊維モジュールは、
例えばＣａｎ．Ｊ．Ｅｎｇ．，５６（１９７８）、１９
７〜２０９頁にＣ．Ｙ．Ｐａｎ及びＨ．Ｗ．Ｈａｂｇｏ
ｏｄが記載するいわゆる「十字流」モデルに従って作動
する。このような十字流運転では、膜の表面における局
部透過質の組成はバルク透過質ガス流と混合しないと考
えられる。このモデルに従えば、透過質の流れ方向は重
要でなく、透過質ガスはモジュールのどちらの端からも
抜き出すことができる。十字流運転において透過質側パ
ージ流を採用することの有利な効果は無いので、このタ
イプの運転についてデザインされるほとんどの膜は三ツ
口膜モジュールを採用する、すなわち供給ガス入口並び
に残留質及び透過質出口を組み入れる。

【０００５】複合或は非対称性中空繊維膜を、薄い膜層
を多孔度の比較的高い基材上に位置させて作製するなら
ば、膜の両側で高度の所望の半径方向の混合を示すパー
ミエーターモジュールを製造することができる。このよ
うな中空繊維膜を規則正しい螺旋形様式で、すべての繊
維が同じ長さを有するように巻くことにより、パーミエ
ーターモジュールは十字流モデルの予想に比べて良好に
作動するのが認められる。このようなパーミエーターモ
ジュールは、透過質流の残留質流に対する方向に応じ
て、「並流」或は「向流」透過モデルに従い、向流流れ
が優れた性能を生じるのが普通である。パージガスをモ
ジュールの透過質側に通すのが膜性能を増進させること
が知られており、パージガスを透過質側に導入すること
を可能にさせるために四ツ口モジュールが使用されてき
た。Ｐｒａｓａｄの米国特許第５，０８４，０７３号
は、パージガスをガス乾燥或はガス精製作業において用
いて、性能の相当の向流度を示すことを開示している。

【０００６】膜分離層用に適した有機ポリマーは、窒素
に比べて酸素透過への選択性が大きいのが普通である。
これより、パーミエーターモジュールでは、透過質は酸
素が冨化されるようになり、残留質は窒素が冨化される
ようになる。分離度は、酸素／窒素の分離係数と呼ばれ
る酸素及び窒素の透過率の比に関係する。ポリマーにつ
いてのＯ₂ ／Ｎ₂ 分離係数は３〜１０の範囲が典型的で
ある。しかし、遺憾ながら、大きな分離係数を有するほ
とんどのポリマーは、また比較的小さい透過度を有す
る。

【０００７】空気から酸素か或は窒素のいずれかを生産
する透過プロセスを考えることができるが、経済的に実
施可能な基準で窒素を生産するプロセスが酸素を生産す
るプロセスに比べて工夫するのが容易であるのが普通で
ある。空気を高い圧力で膜表面に沿って通すにつれて、
酸素は窒素に比べて膜を一層多く透過する傾向にある。
こうして、膜の供給側のガス流は、膜に沿って供給端か
ら排出端に通るにつれて、酸素が少なくなりかつ窒素に
富むようになる。膜の長さを伸ばすことにより、或は供
給流量を減少させることにより、窒素生成物の精製度を
増大させることができ、それで酸素のほとんどを単一段
膜プロセスで取り除いて比較的純な窒素を生成すること
ができる。現時点で入手し得るポリマーを使用して単一
段加工で窒素純度９０〜９７％を経済的に生じることが
できる。高純度を達成するためには、供給空気の窒素成
分を一層多く膜を透過させ、こうして所望の窒素回収を
減少させ、通常プロセスを非経済的にさせる必要があ
る。

【０００８】２段膜加工では、供給空気に比べて窒素に
富む第二段からの透過ガスを、供給ガスを第一膜段に通
す圧縮機に循環させる。第一段へのこの窒素に一層富む
原料は必要とする膜表面積を減少させかつ総括プロセス
の効率を増大させる。２段膜加工を用いて９７〜９９．
５％の窒素を生じることができる。透過段を更に加える
ことにより、更に高い窒素純度を達成することができ
る。３段プロセスでは、第三段透過質を圧縮して第二段
への原料に循環させる。このアプローチは混合損失を減
少させかつ比較的純な、すなわち９９．５＋％の窒素の
生産を可能にする。使用する透過段の数、及び利用する
処理加工スキームは、所望の窒素生成物の要求する純度
及び採用する膜の選択性に依存する。

【０００９】いくつかの実用的商用用途では、生成物流
を一種より多く回収するのが望ましいかもしれない。例
えば、供給空気から回収する窒素のいくつかの終局の使
用者は、低純度及び高純度の両方の窒素生成物流を種々
の量で必要とするかもしれず、或は使用したかったであ
ろう。このような要求を満足させることへの慣用のアプ
ローチは各々の生成物流について別々の加工系を備える
ことである。このアプローチを用いて各々のプロセス系
を別々に最適化することができるが、多純度窒素及びそ
の他のガス生産作業の効率を増大させる本当の必要及び
要求が当分野にある。

【００１０】従って、発明の目的は、窒素を生成する改
良された膜方法を提供するにある。発明のそれ以上の目
的は、窒素或はその他のガスを多純度レベルで生産する
のを増進させる方法を提供するにある。これらやその他
の目的を記憶に留めて、発明を本明細書以降に詳細に記
載し、発明の新規な特徴を特に特許請求の範囲に指摘す
る。

【００１１】発明の要約最も純度の高い生成物を最後の段から残留質として回収
し、純度の一層低い生成物を最後の段から或は膜段の間
の流れから透過質として抜き出す統合された方法を採用
する。多くの用途で複数のパーミエーターモジュールを
平行流れで作動させる。モジュールの列を最適化して種
々の純度の生成物を生成することの効率を高める。別々
の独立のプロセス系に比べて、必要とする膜面積及び動
力は等しいか或は少なく、もしくは膜据付費を相当に低
減させる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】発明の目的は、必要とす
る多純度生成物を各々の記載する生成物についての別々
の透過プロセスに比べて一層効率的かつ経済的に生成す
ることを可能にする統合された透過プロセス実施態様を
用いることにより達成される。第二段残留質を高純度窒
素生成物として回収する統合された２段方法では、第二
段からの透過質を必要ならば圧縮して残留質生成物に比
べて純度の低い第二生成物として回収することができ
る。この方法は、第二段からの透過質を、循環流の不存
在を補うより多く第一段への原料に循環させる、各々の
記載する生成物についての慣用の別々の加工において要
するのに比べて、必要とする膜面積が小さく、使用する
動力が少なく、据付費が相当に安い。別法の実施態様で
は、第二段からの透過質ガスを第一段に通すために原料
圧縮機に循環させ、低純度窒素生成物を系の第一段から
第二段に通る残留質の側流として回収することができ
る。どちらの場合でも、第一段からの透過ガスは簡便に
廃棄に排出させる。所望の低純度生成物が第一段から第
二段に通る流体の組成とほぼ同じである場合、この別法
の実施態様は、第一段から第二段に流れる高圧流から低
純度生成物を側流抜き出しする手段を講じる他は加工変
更を要しないので、特に望ましい。

【００１３】発明を更に添付図面によって説明する。こ
のような加工実施態様を図面の図１及び図２に例示す
る。図１に示す通りに、供給ガスを原料圧縮機２を収容
する管路１で２段膜系の第一段膜モジュール３に通し、
そこから残留ガスを管路４で第二段膜５に通す。第一膜
段膜モジュール３からの透過ガスを通常廃棄流として管
路６により系から抜き出す。第二段膜５からの残留ガス
を、バルブ８を収容する管路７で高純度生成ガスとして
回収する。第二段膜モジュール５からの透過ガスを管路
９で管路７で回収する生成ガスに比べて純度の低い第二
生成物として回収し、かつ必要ならば圧縮機１０で圧縮
することができる。

【００１４】図２の実施態様では、供給ガスを原料圧縮
機１２を収容する管路１１で第一段膜モジュール１３に
通し、そこから残留ガスを管路１４で第二段膜モジュー
ル１５に通す。第一膜段膜モジュール１３からの透過ガ
スを、図１の実施態様の場合のようにして管路１６によ
り系から抜き出す。第二段モジュール１５からの残留ガ
スを、同様にバルブ１８を収容する管路１７で高純度生
成ガスとして回収する。この実施態様では、純度の一層
低い第二生成ガスを、バルブ２０を収容する管路１９
で、第一膜段膜モジュール１３から第二段モジュール１
５に管路１４で通る残留ガスの側流として回収する。こ
の実施態様では、第二段膜モジュール１５からの透過ガ
スを管路２１で第一膜段膜モジュール１３に通すために
管路１１の圧縮機１２の上流に循環させる。

【００１５】段間組成は、２段に割り当てる表面積によ
って決められることは認められるものと思う。この面積
の割り当ては、循環させる流体の最大の利点を得るため
に、第二段透過質がどこでも空気に比べて窒素に富むよ
うに設定するのが普通である。これより、段間を流れる
高圧流体及び低圧流体の組成は関連づけられる。２段に
割り当てる膜面積を、循環させる流体の有利な効果を最
適にするように固定するならば、段間の高圧流体の組成
は固定され、第二生成物について望む純度を有しても或
は有しないでもよい。逆に言えば、膜表面積を、段間の
高圧流体において第二生成物の所望の組成を生じるよう
に割り当てるならば、循環は最適化されないことにな
る。運転圧を変えることにより組成の調整をある程度行
うことができるが、この方式で行なうことができる調整
の範囲は限られる。

【００１６】生成物及び循環組成の関連を断つことを可
能にする発明の実施態様では、３つの膜段を採用しかつ
モジュールの内の少なくともいくつかを外部パージ流を
受け入れるように適応させた四ツ口構造で用いる。一つ
のアプローチでは、高純度生成物を第三段からの残留質
として回収し、低純度生成物を第二段から第三段に流れ
る残留質流の側流として受け入れる。第三段からの透過
ガスを向流透過側パージとして用いるために第二段に循
環させ、第二段から抜き出した透過ガスを第一段への供
給管路の原料圧縮機の上流に循環させる。このアプロー
チの別法では、第一段から第二段に流れる残留質の側流
を低純度窒素生成物として回収することができる。第二
段からの透過ガスを、透過を助成するために第一段の透
過側に通し、第一段からの透過流を廃棄に排出させる。
この例では、第三段透過ガスを第一段への供給管路の原
料圧縮機の上流に循環させるのが望ましい。純度の一層
低い生成物の組成及び流量は、３段の間の膜表面積を割
り振ることによって決めることができることは認められ
るものと思う。３段をこのようにして用いることによ
り、循環流について適した表面積の割り振りは、低純度
窒素生成物の所望の組成及び流量に関係なく別途に設定
することができる。

【００１７】このような３つの膜段実施態様を図面の図
３及び図４に例示する。図３では、供給ガスを原料圧縮
機２３を収容する管路２２で第一段膜モジュール２４に
通し、そこから残留ガスを管路２５で第二段膜モジュー
ル２６に通す。該モジュール２６からの残留ガスを管路
２７で第三段膜モジュール２８に通し、そこから残留ガ
スをバルブ３０を収容する管路２９で高純度生成ガスと
して回収する。第二段膜モジュール２６から第三段膜モ
ジュール２８に管路２７で通る残留ガスの側流をバルブ
３２を収容する管路３１で純度の一層低い第二生成ガス
として回収する。該モジュール２８からの透過ガスを透
過側でパージガスとして用いるために管路３３で第二段
膜モジュール２６に循環させ、該モジュール２６からの
透過ガスを該第一段膜モジュール２４に通すために管路
３４で管路２２の圧縮機２３の上流に循環させる。第一
段膜モジュール２４からの透過ガスを管路３５により系
から排出させる。

【００１８】図４の実施態様では、供給ガスを原料圧縮
機３７を収容する管路３６で第一段膜モジュール３８に
通し、そこから残留ガスを管路３９で第二段膜モジュー
ル４０に通す。該モジュール４０からの残留ガスを管路
４１で第三段膜モジュール４２に通し、そこから残留ガ
スをバルブ４４を収容する管路４３で高純度生成ガスと
して回収する。該第一段膜モジュール３８から該第二段
膜モジュール４０に管路３９で通る残留ガスの側流をバ
ルブ４６を収容する管路４５で純度の一層低い第二ガス
生成物として回収する。第三段膜モジュール４２からの
透過ガスを該第一段膜モジュール３８に通すために管路
４７で管路３６の圧縮機３７の上流に循環させる。第二
段膜モジュール４０からの透過ガスを透過側でパージガ
スとして用いるために管路４８で第一段膜モジュール３
８に循環させる。該膜モジュール３８からの透過ガスを
管路４９で系から排出させる。

【００１９】上述した膜パーミエーターは装置の個々の
片を含んでよいが、当業者ならば、最も小さい生産プラ
ント以外のすべてにおいて、特定の最終生成物用途につ
いて望む量の生成物を生産するのに、直列か或は平行の
いずれかの配置で接続した複数の膜モジュールを必要と
するのが普通であることを認めるものと思う。モジュー
ルを平行に接続する場合、モジュールは異なる方法で接
続させることができる。図面の図５に示す通りに、第一
段は２つの膜モジュールを平行に接続させてなり、第一
段残留質流を合流させる。すなわち、供給ガスを原料圧
縮機５２を収容する管路５１で管路５３に通す。管路５
３は、供給ガスをモジュール５４に通すための管路５３
Ａ、及び供給ガスを平行にモジュール５５に通すための
管路５３Ｂを収容する。膜５４からの透過ガスを管路５
６により廃棄に排出し、膜５５からの透過ガスを管路５
６で廃棄ガスと共に排出するために管路５６Ａにより抜
き出す。膜５５からの残留質を、膜５４から管路５９に
より抜き出す残留質と共に管路５８により第二段膜５７
に通す。膜５４及び５５からの残留質流の側流をバルブ
６１を収容する管路６０で低純度生成物として回収する
ことができる。第二段膜５７からバルブ６３を収容する
管路６２により残留ガスを抜き出すことによって高純度
生成物が得られる。該膜５７からの透過ガスを管路６４
により供給管路５１の原料圧縮機５２の上流に循環させ
る。

【００２０】図５の実施態様に関して上述した二元生成
物プロセスでは、生成物を直列配列で得、低純度生成物
を第一段膜５４及び５５から得、かつ高純度生成物を第
二段膜５７から回収する。別の平行配置では、膜の第一
段の残留産出物を合流させない。すなわち、低純度生成
物を膜５４残留質から前の通りに管路６０を通すことに
よって得る。管路５９におけるバルブ６５を閉止して膜
５４の残留質を管路５８に通らせないようにしかつ膜５
５の残留質を管路６０に通らせないようにすることによ
り、膜５４からの残留質を管路６０で回収し、それと平
行に、膜５５からの残留質を管路５８で第二段膜５７に
通して高純度生成物を管路６２で残留質として回収す
る。平行配置は、バルブ６５をそのようにして用いる代
わりに、膜５４から管路５９を通る残留質と、管路５８
で第二段膜５７に通る膜５５残留質とを合流させること
を設備しないで、単に低純度生成物を膜５４からの残留
質として管路５９により抜き出すことによって簡便に採
用することができる。すなわち、管路５９と管路５８と
の間に接続が存在する必要がなく、かつバルブ６５或は
別の管路６０及びバルブ６１を使用する必要はないが、
生成物流量及びステージカットを調節する際に、管路６
０及びバルブ６１を便宜上保有するのがよい。この後者
の実施態様では、２つの第一段モジュールからの残留質
流は異なる組成を達成してよく、組成の結合を用いな
い。これより、ステージカット、すなわち透過ガス対供
給ガスの比を膜５４で別に調整することができ、高純度
流体及び低純度流体の相対流量は互いに無関係である。

【００２１】第一段残留質流を合流させる例示する図５
の実施態様の第一の記載する運転では、個々のパーミエ
ーターモジュールからの小さな流量及び組成変動は望ま
しいことにならされるが、上述した通りに、組成は必ず
関連づけられかつ例示の実施態様の別法の変法の場合の
ように別の調整を受けない。合流させた第一段残留質の
組成が純度の一層低い生成物について要求する組成に極
めて近い場合、かつ低純度生成物の量が比較的少ない場
合、かかる残留質合流を採用する直列配置が好ましい。
所望の純度の一層低い組成が合流させた第一段残留質の
組成から認め得る程に外れるならば、第一段残留質を合
流させない平行配置が好ましい。

【００２２】第一段残留質を合流させる例示の実施態様
の実施が、二元生成物の統合プロセスを採用し、第一段
が供給ガスに対して平行に作動させるように適応させた
２つ又はそれ以上のかかるユニットの代わりに単一膜パ
ーミエーターユニットだけを含む発明の別の実施態様に
類似することを指摘する。この場合、圧縮した供給ガス
は単一ユニット第一段モジュールに通り、そこから透過
質を廃棄に捨て、残留質は第二段モジュールに通る。第
一段から第二段に通る残留ガスの一部を低純度生成物と
して回収するために分流させる。第二段モジュールから
の透過ガスを望ましくは供給ガスの原料圧縮機の上流に
循環させ、第二段膜から抜き出した残留質を高純度生成
物として回収する。

【００２３】ほとんどの商用用途では、要する全膜表面
積を供するのに多数のパーミエーターモジュールを必要
とする程に、生成物容積は十分に大きい。そのような場
合では、高純度生成物を生成するのにかかるステージン
グを必要とする場合、モジュールの列を平行に接続しか
つ他の平行なモジュールの列に接続する。２つの異なる
純度レベルを有する生成物を生成する望ましい配列を図
面の図６に例示する。例示の目的の流入供給ガス、例え
ば供給空気が管路７１により系に入り、下記に記載する
通りの循環ガスとブレンドした後に、管路７２を通って
圧縮機７３のサクションに通る。生成した圧縮された空
気は、必要ならば冷却した後に、管路７４を通ってマニ
ホールド７５に入り、次いでシリーズの管路７６を通っ
て第一段パーミエーターモジュールの列７７の各々に入
り、そこで高圧供給流７８は中空繊維膜７９に沿って流
れ、供給空気中の酸素の多くは選択的に膜を透過して低
圧通路８０に入りかつ管路８１によりマニホールド８２
に出て管路８３を通って透過質廃棄として排出する。第
一段膜７９からの残留質流を管路８４によりマニホール
ド８５或はマニホールド８６に排出する。マニホールド
８５及びマニホールド８６はバルブ８７により接続して
もよく或は接続しないでもよい。マニホールド８５のガ
スは管路８８及び流量調節バルブ８９を通過し、管路９
０により低純度窒素生成物として出る。マニホールド８
６のガスは管路９１を通って第二段パーミエーターモジ
ュール９２に入る。かかるモジュールは、全ガス流が空
気に比べて窒素に富むようになる他は、第一段モジュー
ルについて記載した通りに作動する。該第二段モジュー
ルからの透過質を管路９３によりマニホールド９４に抜
き出し、次いで管路９５を通し、原料圧縮機７３の上流
の点９６で供給空気とブレンドする。第二段残留質は管
路９７によりマニホールド９８に通り、次いで管路９９
及び流量調節バルブ１００を通過し、管路１０１より高
純度生成物として出る。バルブ８７を開放する場合、総
括プロセスは上記した直列タイプ配列に従って作動す
る。バルブ８７を閉止する場合、プロセスは平行タイプ
配列に従って作動する。このように、同じ加工装置をい
ずれかの作動様式に従って容易に用いることができる。

【００２４】発明の実施が２つの膜段を使用することに
限定されず、所望の性能レベルに応じて、更に段を必要
とする通りに使用することができることは了解されるも
のと思う。純度の異なる三種の生成物を生成する３段法
を図面の図７に例示する。図７に示す通りに、原料圧縮
機１１２を収容する管路１１１の供給ガスはマニホール
ド１１３に通り、各々の第一段膜モジュール１１４に通
り、そこから透過質を管路１１５により廃棄に排出す
る。各々のかかるモジュール１１４は、所望の容積の生
成物が要求する通りに、単一の透過性モジュールか或は
平行に接続した複数のモジュールのいずれかにするのが
よい。例示の実施態様では、上部第一段モジュール１１
４からの残留質を調節バルブ１１７を収容する管路１１
６を通して低純度生成物として回収する。中間の第一段
モジュール１１４からの残留質は管路１１８で第二段膜
モジュール１１９に通り、そこから透過質が取り出され
て管路１２０で管路１１１の原料圧縮機１１２の上流に
通る。該第二段モジュール１１９からの残留質を調節バ
ルブ１２２を収容する管路１２１で中間純度生成物とし
て回収する。

【００２５】下部の第一段モジュール１１４からの残留
質は管路１２３で第二段膜モジュール１２４に通り、そ
こから透過質が取り出されて管路１２５で管路１２０に
通り供給ガス流に循環する。第二段膜モジュール１２４
からの残留質は管路１２６で第三段膜モジュール１２７
に通り、そこから透過ガスを調節バルブ１２９を収容す
る管路１２８で高純度生成物として回収する。第三段膜
１２７からの透過質をガス圧縮機１３１及び調節バルブ
１３２を収容する管路１３０で管路１２３に循環させて
第二段膜モジュール１１４に通し、必要に応じて管路１
１８に循環させて第二段膜モジュール１１９に通す。

【００２６】発明の統合プロセスは、単一の基礎用地に
共通のユーティリティズで位置させることの利点及び経
済性を有する。単一の流入原料圧縮機で十分であること
は重要である。これは、必要とするのが単一の調節系だ
けであり、その上単一の多段圧縮機は２つの別の単一段
ユニットに比べて相当にエネルギー効率的であることか
ら、有利である。加えて、発明の統合プロセスの実施
は、慣用の分離系作業に比べて、要する作業膜表面積が
小さくかつ運転動力も少なくなる場合がいくつかある。
発明を更に発明の実施の例によって説明する。かかる例
は発明及び発明の利点を例示するものと理解され、特許
請求の範囲に記載する通りの発明の範囲を制限するもの
と解釈すべきでない。

【００２７】

【実施例】例１９９％窒素１０，０００ＮＣＦＨ（２８３Ｎｍ³ ／時）
及び９４．６５％窒素４，５１０ＮＣＦＨ（１２８Ｎｍ
³ ／時）を生成することに関する比較例で、分離係数５
及び透過度−厚み比３．１６×１０⁵ バレル／ｃｍ（５
０，２００Ｋｌ／ｃｍ）を有する膜を向流モデルに従う
計算で用いた。膜表面積、全動力及び相対的据付費を、
慣用の２段プロセス及び単一段プロセス、並びに第二段
膜モジュール残留質を高純度の窒素に富む生成物として
回収する統合プロセスを使用して求めた。向流モデルに
従って作動する該第二段膜モジュールからの透過質を低
純度の窒素に富む生成物として回収する。２段プロセス
は第二段残留質を生成物として回収し、第二段透過質を
循環させて供給ガスと共に第一段膜モジュールに通す。
結果を下記の表１に示す：

【００２８】

【表１】

【００２９】例は、発明の統合プロセスが、各々の生成
物について別々のユニットを使用する慣用の加工処理に
比べて、要する膜表面積が小さく、全動力が少なくかつ
相対的据付費が幾分安くなることを示す。発明の性質
は、装置及びユーティリティズの不必要な重複を回避す
ることの利点を更に有する。

【００３０】例２９９％窒素１０，０００ＮＣＦＨ（２８３Ｎｍ³ ／時）
及び９３％窒素４，０００ＮＣＦＨ（１１３Ｎｍ³ ／
時）を生成することを指向する本例では、低純度生成物
を第二段透過ガスからよりもむしろ、モジュール段間の
高圧管路から採取する。例１の膜特性を使用して、結果
を下記の表２に示す：

【００３１】

【表２】

【００３２】本例では、発明の統合プロセスは慣用の性
質に従う分離プロセスの作業に比べて要する膜表面積が
わずかに大きいが、使用する動力が幾分少なくなる。し
かし、その差は極めて小さい。大きくかつ有意な効果は
膜系の据付費である。上に示す通りに、慣用のアプロー
チの分離プロセスは発明の統合プロセスの据付費に比べ
て１６％多く費用がかかる。

【００３３】例３９９％窒素１０，０００ＮＣＦＨ（２８３Ｎｍ³ ／時）
及び９６％窒素５，０００ＮＣＦＨ（１４２Ｎｍ³ ／
時）を生成するために、分離プロセスの慣用のアプロー
チを図２に例示する通りの統合プロセスと、例１の膜特
性を使用しかつ十字流透過モデルに基づいて、比較し
た。結果を下記の表３に示す：

【００３４】

【表３】

【００３５】例２に示す通りに、発明の統合プロセス
は、分離プロセスを慣用のアプローチで用いる際に要す
るのに比べて、要する膜表面積がわずかに大きいが、使
用する動力がわずかに少ないくなる。しかし、分離プロ
セスの据付費は発明の実施に比べて１１％高くなる。単
一段圧縮機を単一段プロセスで、適当には特定のガス流
量のレベルに鑑みて使用した。２段プロセス及び統合プ
ロセスは、一層効率的な２段圧縮機を使用することに基
づいた。この効率の増大は、統合プロセスのエネルギー
効率が優れていることを説明する。

【００３６】種々の変更及び変更態様を特許請求の範囲
に記載する通りの発明の精神から逸脱しないで、発明の
詳細においてなすことができる。例示の例は純度の異な
る二元生成物を生産することに関するが、発明は純度レ
ベルの異なる三種又はそれ以上の生成物を生成するため
に用いることができる。両方の生成物を上記の例２及び
例３の作業における透過段の作業で用いた同じ高い圧力
で生産したが、純度の一層低い生成物が高純度生成物に
ついて要求されるよりも低い圧力で要求される用途がい
くつかある。透過段を、中間段圧縮を加入することによ
る等して種々の圧力で作動させることは発明の範囲内で
ある。これは、すべてのガスを圧縮して高い圧力にする
ことを省き、これより一層経済的な総括加工処理に寄与
することができる。

【００３７】膜材料は、空気を乾燥させて種々の水分レ
ベルの空気を生産する場合のように、空気から酸素を選
択的に透過させる或はガス混合物の内の一種の成分を選
択的に透過させることができる任意の適した材料にする
ことができる。発明の実施において用いるのに適した複
合中空繊維膜は、ポリスルホン或はその他の所望の基材
及びセチルセルロース、セルロースアセテート或はその
他のかかる材料のような適した材料の分離層を用いて簡
便に造られる。また、セルロース、ポリスルホン、等の
ような材料で構成される非対称性膜を用いてもよい。当
分野で入手し得る種々の他の適した材料を発明の実施に
おいて、複合膜の基材或は分離層材料としてか或は非対
称形態で用いる材料としてのいずれかで用いることがで
きることは認められるものと思う。このような材料の中
空繊維は膜分野で良く知られた手順に従って紡糸するこ
とができる。供給ガスを、インサイド−アウトフローの
ために中空繊維のボアーに、或はアウトサイド−インフ
ローのために中空繊維のシェル側のいずれかに通してよ
いことは理解されるものと思う。

【００３８】発明は、二元或は多純度膜生成物の生成方
法を提供することにより膜技術を進歩させる。発明は、
窒素及びその他のガス生成物を生産する際に総括効率を
種々の純度レベルで達成させることを可能にさせること
により、極めて望ましい膜系を用いて産業社会の常に成
長しているガス分離及び精製要求を満足させることの実
施可能性を増進させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の２段二元生成物の実施態様の略プロセス
フローダイヤグラムである。

【図２】発明の別法の２段二元生成物の実施態様の略プ
ロセスフローダイヤグラムである。

【図３】発明の３段二元生成物の実施態様の略プロセス
フローダイヤグラムである。

【図４】発明の３段二元生成物の実施態様の略プロセス
フローダイヤグラムである。

【図５】生成物の直列タイプの回収或は平行タイプの回
収のいずれか用に適応させた発明の３段二元生成物の実
施態様の略プロセスフローダイヤグラムである。

【図６】モジュールの列を平行に接続させて用いる発明
の統合した２段二元生成物の実施態様の略プロセスフロ
ーダイヤグラムである。

【図７】モジュールの複数の列を平行に接続させて用い
る発明の統合した３段三種生成物の実施態様の略プロセ
スフローダイヤグラムである。

【符号の説明】

３第一段膜モジュール５第二段膜モジュール１３第一段膜モジュール１５第二段膜モジュール２４第一段膜モジュール２６第二段膜モジュール２８第三段膜モジュール３８第一段膜モジュール４０第二段膜モジュール４２第三段膜モジュール５４第一段膜モジュール５５第一段膜モジュール５７第二段膜モジュール７７第一段パーミエーターモジュール７８高圧供給流７９中空繊維膜８０低圧通路９２第二段パーミエーターモジュール１１４第一段モジュール１１９第二段膜モジュール１２４第二段膜モジュール１２７第三段膜モジュール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ラビ・プラサドアメリカ合衆国ニューヨーク州イーストアマスト、ヤードリ・レイン12 (72)発明者ホーマー・フェイアメリカ合衆国ニューヨーク州スナイダー、ブラントウッド・ロード347

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）供給ガス流を、少なくとも２つの
膜段階を収容する膜系の第一膜段に通して一層透過性の
成分を選択的に透過させ；（ｂ）第一膜段から一層透過性の成分を含む透過質流を
抜き出して膜系から排出させ；（ｃ）供給ガス流の内の一層透過性に劣る成分を含む残
留質流を第一膜段から続く膜段階に通して精製し；（ｄ）膜系の最終膜段から残留質流を高純度生成物とし
て回収し；（ｅ）膜系の最終膜段から透過質流を抜き出し；（ｆ）最終膜段から透過質流を或は最終膜段に供給ガス
流として通る残留質流の一部を低純度生成物として回収
することを含み、それで供給ガス流から単一の統合され
たプロセスで異なる純度の生成物を効率的に回収する、
生成ガスを１つより多い純度で生成する方法。
【請求項２】透過質流を最終膜段から回収することに
より低純度生成物を得る請求項１の方法。
【請求項３】最終膜段に供給ガス流として通る残留質
流の一部を回収することにより低純度生成物を得る請求
項１の方法。
【請求項４】透過質流を膜系の最終膜段から前の段に
循環させることを含む請求項３の方法。
【請求項５】供給ガス流が供給空気を含み、高純度生
成物及び低純度生成物が窒素に富む流体を含む請求項１
の方法。
【請求項６】前記膜系が３つの膜段階を含む請求項１
の方法。
【請求項７】供給ガス流が供給空気を含み、高純度生
成物及び低純度生成物が窒素に富む流体を含む請求項６
の方法。
【請求項８】最終膜段に通る残留質流の一部を回収す
ることにより低純度生成物を得る請求項６の方法。
【請求項９】（ａ）供給ガス流を、少なくとも２つの
膜段階を収容する膜系に通して一層透過性の成分を選択
的に透過させ；（ｂ）膜系の最終膜段から供給ガス流の内の一層透過性
に劣る成分を含む残留質流を高純度生成物として回収
し；（ｃ）膜系の最終膜段からの透過質流を前の段階に循環
させ；（ｄ）膜系の最終膜階と異なる膜段階からの透過質流を
低純度生成物として回収することを含む、生成ガスを１
つより多い純度で生成する方法。
【請求項１０】前記膜系が３つの膜段階を収容する請
求項９の方法。
【請求項１１】低純度生成物として回収する残留質流
が第二膜段から第三膜段に通る残留質流の一部を含む請
求項１０の方法。
【請求項１２】低純度生成物として回収する残留質流
が第一膜段から第二膜段に通る残留流の一部を含む請求
項１０の方法。
【請求項１３】第三段からの透過質ガスを第二段に通
し、第二段からの透過質ガスを供給ガス流に循環させる
請求項１１の方法。
【請求項１４】前記膜系が２つの膜段階を収容し、第
一段が少なくとも２つの膜モジュールを含み、低純度生
成物として回収する残留質流が該第一段膜モジュールの
内の少なくとも１つからの残留質を含み、該第一段膜モ
ジュールの内の少なくとも１つからの残留質を別に前記
第二段に通す請求項１０の方法。
【請求項１５】第一段が少なくとも３つの膜モジュー
ルを含み、少なくとも１つの膜モジュールからの残留質
流を低純度生成物として回収し；第二段が少なくとも２
つの膜モジュールを含み、該第二膜段膜モジュールから
の残留質流の一部を中間純度生成物として回収し、該第
二膜段膜モジュールからの残留質流の別の一部を第三段
に通し；第三段からの残留質流を高純度生成物として回
収する請求項１０の方法。
【請求項１６】第三段からの透過質を第二段に循環さ
せ、第二段からの透過質を供給ガス流に循環させて第一
段に通す請求項１５の方法。
【請求項１７】第三段からの透過質をパージガスとし
て第二段の透過質側に通し、第二段からの透過質を第一
段に通る供給ガス流に通す請求項１１の方法。
【請求項１８】第三段からの透過質を第一段に通すた
めに供給ガス流に循環させ、第二段からの透過質はパー
ジガスとして第一段の透過質側に通り、第一段からの透
過質ガスを膜系から排出させることを含む請求項１２の
方法。
【請求項１９】前記第一段膜モジュールの内の少なく
とも１つからの残留質を別に低純度生成物として回収
し、該第一段膜モジュールの内の少なくとも１つの他方
からの残留質ガスを別に第二段に通す請求項１４の方
法。
【請求項２０】前記第二段膜モジュールの内の少なく
とも１つからの残留質流を別に中間純度生成物として回
収し、該第二段膜モジュールの内の少なくとも１つの他
方からの残留質流を別に第三段に通す請求項１５の方
法。
【請求項２１】前記第一段が４つの膜モジュールを含
み、第一段膜モジュールの内の２つからの残留質を別に
低純度生成物として回収し、膜モジュールの内の他の２
つからの残留質を別に第二段に通す請求項１９の方法。
【請求項２２】第一段が少なくとも３つの膜モジュー
ルを含み、該第一段膜モジュールの内の１つからの残留
質を別に低純度生成物として回収する請求項２０の方
法。
【請求項２３】第一段が３つの膜モジュールを含み、
該第一段モジュールの内の２つからの残留質を別に第二
段に通す請求項２２の方法。