JPH08198606A - ガスのメンブレン分離のための方法および装置 - Google Patents

ガスのメンブレン分離のための方法および装置

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JPH08198606A
JPH08198606A JP7232796A JP23279695A JPH08198606A JP H08198606 A JPH08198606 A JP H08198606A JP 7232796 A JP7232796 A JP 7232796A JP 23279695 A JP23279695 A JP 23279695A JP H08198606 A JPH08198606 A JP H08198606A
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separator
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gas
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Frederic Fillet
フレデリック・フィレ
Lionel Barry
リオネル・バリー
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 流入気相混合物からガスのメンブレン分離を
行なうための改善された方法を提供する。 【解決手段】 各セパレーター（２，３）が、その浸透
物出口で、流入気相混合物中の浸透性が最大の成分に富
んだ混合物（４，６）を製造し、その残留物出口で、流
入気相混合物の浸透性が最小の成分に富んだ混合物
（５，７）を製造する少なくとも１つのメンブレンセパ
レーターで構成されるアセンブリーを通過させることに
よって、気相混合物（１）からガスを分離する方法であ
る。流入混合物及び残留混合物の少なくとも１つの気相
混合物を、２つの経路を有する交換器（８）の第１の経
路で冷却し、少なくとも１つのセパレーターの浸透物出
口で得られた混合物（６）の交換器の第２の経路への通
過を引き起こし、この混合物が交換器に達する前に、噴
霧水（１０）を導入することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、メンブレンによる
ガスの製造または分離に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、メンブレンによるガス（特に窒
素）の製造は、世界中において著しく発展して、超低温
法による通常の方法を補足している。これは、次の利
点、すなわち、供給の安全性に優れていること、製造コ
ストが低いこと、および問題とされている用途に応じ
て、極めて注目すべき費用で、適切な純度のガスを供給
する可能性があることがあるからである。
【０００３】この原理は、メンブレンの反対側における
部分的差圧の影響下で、浸透側（ｐｅｒｍｅａｔｅ ｓ
ｉｄｅ）で、最も浸透性の成分に富む低圧混合物が得ら
れ、メンブレンの出口（残留（ｒｅｓｉｄｕｅ ｓｉｄ
ｅ）または排斥（ｒｅｊｅｃｔ）側とも呼ばれる）で、
供給圧力（流入混合物の圧力）に近い圧力で浸透性の低
い成分に富む混合物が得られる。
【０００４】したがって、空気から窒素（しばしば「未
精製」と称されることがある）を製造するために、例え
ば、ポリイミドタイプのような、窒素からの酸素分離特
性（選択性）の良好な半浸透性メンブレンを使用し、酸
素に富む混合物が浸透側に得られる。このメンブレン
は、しばしば「窒素」メンブレンと称される。
【０００５】水素またはＣＯの製造に関しては、ある種
の工業からの混合物の回収が頻繁に行なわれており、例
えば、ポリアラミドタイプのような、混合物の他の成分
に対する水素分離特性の良好な半浸透性メンブレンを使
用し、水素に富む混合物が浸透側に、場合によって、炭
化水素またはＣＯに富んだ混合物が残留側に得られる。
このメンブレンは、しばしば「水素」メンブレンと呼ば
れる。
【０００６】得られる成果が、温度、メンブレンへの供
給圧力、または浸透側で取り出すことが望まれる成分の
混合物における含有量等のメンブレンの使用条件に非常
に大きく依存することが明らかである。
【０００７】温度に関しては、メンブレンの操作温度が
上昇すると、メンブレンの浸透性が最大となり、したが
って生産性が増加するが、その選択性（例えば、Ｏ2 ／
Ｎ2）したがって効率が低下することが多いことも知ら
れている。「メンブレンまたはメンブレンモジュールの
温度」という表現は、メンブレンモジュールの外部加熱
システムまたは温度維持（恒温囲い）の時々の補充的介
入によって、通過する流入ガス温度による、メンブレン
またはモジュール内で得られる温度を意味すると理解さ
れることが多い。
【０００８】したがって、場合に応じて、所望の水準の
成果を得るには、流入ガスは、数十度加熱されるか、そ
の他の場合にはこのガスは、周囲温度以下、あるいは０
℃以下にまでも冷却される。
【０００９】空気から窒素を製造する場合には、メンブ
レンの「出力」は、メンブレンの出口（残留）で回収さ
れる、流入混合物中に存在する窒素の割合を表わし、メ
ンブレンのＯ2 ／Ｎ2 選択性は、それ自体でメンブレン
を通る酸素と窒素との浸透の割合（浸透性（ｐｅｒｍｅ
ａｂｉｌｉｔｙ）ともいわれることが多い）を表わす
（選択性＝浸透性（Ｏ2 ）／浸透性（Ｎ2 ））ことが想
起される。同様の理論が、ここにおける「水素」メンブ
レンにも適用されるが、水素に富む浸透混合物を回収す
ることが求められるので、抽出出力に関しては、理論を
逆にする必要がある。
【００１０】メンブレンモジュール内での分離の前に、
流入気相混合物を冷却することは、しばしば、１段のメ
ンブレンにより分離する場合に考察されているが、高純
度のガス（例えば窒素）を製造するために、多段階装置
の場合の２つの分離段階の間においても用いられる（特
に、本出願人によるＥＰＡ５２１，７８４等に開示され
た研究を参照のこと。） そのような冷却操作は、機械的冷却、超低温液体交換、
またはタービン内での膨脹によって通常行なわれてい
る。
【００１１】ＵＳＰ５，３０６，３３１には、メンブレ
ンセパレーター内で分離される流入混合物を冷却するた
めに、液体／ガス二重加熱交換器を用いたより複雑な方
法が提案されている。すなわち、 −第１のカラム内に収容された水の蒸発によって冷却す
るために、セパレーターで製造された露点の低い浸透物
を使用すること、 −流入気相混合物がセパレーターに達する前に、第２の
カラム内でこのガスを冷却するために、そのようにして
冷却された水を使用すること である。
【００１２】この方法は、使用され得る通常の冷却方法
よりも興味ある結果を示すが、その複雑さに関連した疑
いのない欠点を有している。すなわち、２つの充填され
た冷却塔の使用、水の移動（連続的な水の供給を含む）
であり、これは、浸透物から水中へ酸素が溶解するとい
う第１の熱交換における危険性を伴って、この水を循環
するため（汲み上げ）に高いエネルギーを必要とする。
この水は第２の熱交換段階で使用され、流入混合物の過
酸素化を引き起こす。
【００１３】本出願人は、メンブレン分離段階の前にこ
の冷却操作を行なうために、特に有利（その単純さおよ
び経済性のためである）な方法を提供した。この方法に
おいては、非常に乾燥した浸透物中に、メンブレンモジ
ュールから（分離操作が多段階セパレーター内で行なわ
れる場合には、メンブレンモジュールの１つから）水を
導入し、問題の浸透物中のこの水の全てまたは一部の蒸
発を引き起こす（飽和点に対するギャップの存在によ
る）。この吸熱蒸発は、浸透物のエネルギーの一部を
「汲み上げ（ｐｕｍｐｉｎｇ）」て、浸透物の温度の低
下を引き起こす。こうして冷却された浸透物の流れは、
少なくとも２つの経路を有するガス交換器を通過し、そ
れが、冷却される気相混合物（この気相混合物は、多段
または単段階分離において分離される流入混合物、また
は多段装置の後続のセパレーターに達する前の１つの分
離段階からの残留混合物である。）と熱交換する。
【００１４】そのような噴霧水による冷却方法が、コン
プレッサーの出口における圧縮された空気を冷却するた
めに用いられるならば（ＥＰＡ５２４４３５に記載され
ているように）、水の蒸発現象、エネルギー消費、およ
びメンブレン分離の技術の間に、非常に好ましい効果的
な相互作用が示され、水での飽和に達する前に、重要な
操作の利益を有する１またはこれ以上の浸透物が製造さ
れる（特に、多段階分離において）。
【００１５】一方、この方法は、メンブレン分離のこの
分野で用いられていた上述の通常の方法よりも、操作お
よび費用を比較にならないほど低減し、「低温」源であ
る水は、事実上ほとんど費用がかからない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、流入
気相混合物からガスのメンブレン分離を行なうための改
善された方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】各セパレーターの浸透物
出口において、流入気相混合物中の浸透性が最大の成分
に富んだ混合物が製造され、その残留物出口において、
流入気相混合物の浸透性が最小の成分に富んだ混合物が
製造され、上流のセパレーターで製造された残留ガスの
全てまたは一部が、後続のセパレーターに送られる、直
列に配置された１または複数のメンブレンセパレーター
で構成されたアセンブリーを通過させることによって、
流入気相混合物から少なくとも１つのガスをメンブレン
分離する方法は、流入混合物、および上流のセパレータ
ーで製造された残留混合物の少なくとも１つの気相混合
物を、少なくとも２つの経路を有する交換器の第１の経
路を通過させることによって冷却し、少なくとも１つの
セパレーターの浸透物出口で得られた混合物の、交換器
の第２の経路への通過を引き起こし、浸透混合物が前記
交換器に達する前に、この浸透混合物に水の噴霧を行な
うことを特徴とする。
【００１８】前述の説明から明らかとなったように、本
発明の１つの態様によれば、分離操作は１段階の分離で
行なわれ、それゆえ、アセンブリーは、単一のセパレー
ターのみを有する。したがって、流入混合物は、交換器
の経路の１つを通過し、セパレーターで製造された浸透
混合物は、交換器のもう１つの経路を通過する。この浸
透混合物は、交換器に達する前に水が噴霧される。
【００１９】本発明のもう１つの態様によれば、分離操
作は、多段階分離で行なわれ、アセンブリーは、直列に
配置された少なくとも２つのメンブレンセパレーターを
有し、メンブレンセパレーターからの残留混合物の全て
または一部は、それらに直列に配置された後続のセパレ
ーターを通過する。アセンブリーに流入された混合物ま
たは２つのセパレーターの間を移動する残留物の１つ
は、交換器の一方の経路を通過し、交換器の他方の経路
を、少なくとも１つのセパレーターによって製造された
浸透混合物が通過する。この浸透混合物は、交換器に達
する前に噴霧水が導入される。
【００２０】本発明の１つの態様によれば、アセンブリ
ーは２つのメンブレンセパレーターを有し、第１のメン
ブレンセパレーターは第１の操作温度で作動し、第２の
メンブレンセパレーターは、第２の操作温度で作動す
る。第１の操作温度は、第２の操作温度より少なくとも
２０℃、好ましくは少なくとも４０℃高い。
【００２１】場合によっては、交換器内におけるガスの
移動は、向流または並流で行なうことができる。
【００２２】例えば、残留酸素含有物を含む窒素を、流
入混合物である酸素から製造するため、または製油所等
からのある種の工業から流入した気相媒体から水素また
はＣＯを分離するためのいずれの場合も、上述のよう
に、本発明のメンブレン分離プロセスは、所望の目的に
応じて種々の流入混合物に適用することができる。
【００２３】本発明の１つの好ましい態様によれば、交
換器の第２の経路内で循環される浸透物混合物は、底部
から頂部へ垂直に移動する。
【００２４】この場合、交換器の第１の経路内で冷却さ
れるガス（流入混合物または残留混合物）の移動は、好
ましくは向流であり、それゆえ頂部から底部へである。
【００２５】さらに、交換器出口での冷却される気相混
合物の温度に応じて、浸透混合物への水の導入流量を規
制することは、可能であり都合よい。
【００２６】また、本発明は、上述の方法を実施するの
に適切な、ガスのメンブレン分離装置に係り、この装置
は、 ａ）１またはそれ以上の直列に配置されたメンブレンセ
パレーターを有する分離アセンブリーに接続された流入
ガス源； ｂ）少なくとも２つの経路を有する交換器； ｃ）セパレーターの少なくとも１つの浸透物出口を、交
換器の経路の入り口の１つに接続するためのガスライ
ン；および ｄ）このガスラインに噴霧水を導入するための手段 を具備する。
【００２７】本発明の好ましい態様の１つによれば、そ
の入り口がガスラインに接続された交換器の経路は垂直
であり、ガスラインは、経路の低い位置に接続される。
【００２８】本発明によれば、“メンブレンセパレータ
ー”は、半浸透メンブレンまたはメンブレンモジュール
を意味するが、場合によっては、セパレーターに流入す
る混合物よりも抽出が望まれるガスの分離のために優れ
た特性を有し、平行に取り付けられた幾つかの半浸透メ
ンブレンのアセンブリーを意味する。
【００２９】こうして、例えば、空気の流入混合物から
酸素を分離するためには、ポリイミドタイプのメンブレ
ンの特性を使用することができ、製油所からの流入混合
物から水素を分離するためには、ポリアラミドタイプの
メンブレンの特性を使用することができる。
【００３０】本発明において「操作温度（ｏｐｅｒａｔ
ｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）」は、本明細書で上
述した概念を意味する。
【００３１】当業者に明らかなように、上述の全ての場
合において、流入混合物は、第１の分離段階に達する前
に、メンブレン分離、調節のこの分野のための通常の操
作を経て、脱油、濾過、乾燥、または混合物の所望の温
度を与えるなどの操作を行なうことができる。
【００３２】本発明のその他の特徴および利点は、添付
の図面を参照した例示のために与えられた以下の態様の
説明によって明らかになるであろう。しかしながら、以
下の例に限定されるものではない。
【００３３】
【発明の実施の形態】図１に示されるように、流入混合
物１が供給される第１のメンブレンセパレーター２が設
けられている。混合物物がセパレーター２に達する前の
空気コンプレッサー、および調節段階（乾燥、濾過、脱
油、またはガスを所望の温度まで高める等の工程を含
む）は、図示されていない。
【００３４】セパレーター２は、浸透物製造側で気相混
合物４を生じ、残留物側では気相混合物５を生じる。図
示された例においては、気相混合物５は全て第２のセパ
レーター３の入り口に向けられ、この第２のセパレータ
ーの浸透物製造側で気相混合物６を生じ、残留物側では
気相混合物７を生じる。
【００３５】図１には、流入混合物１としての空気か
ら、気相混合物７としての高純度窒素を製造することが
望まれる場合に、本発明の方法を実施するために適切な
装置を示している。図示した例における２つのセパレー
ター２および３は、同一のタイプであり、例えば、ポリ
イミド製である。セパレーター２の操作温度は、第２の
セパレーター３の操作温度よりも実質的に高い。
【００３６】第２のセパレーターの浸透側で得られた気
相混合物６（この場合は、酸素に富んでいる）は、セパ
レーター２の入り口に戻され、好ましくは、交換器８の
経路の１つを通して空気コンプレッサーの上流に戻され
る。
【００３７】浸透物６が交換器に達する前に、噴霧水１
０がこの中に導入される。セパレーター３からの非常に
乾燥した浸透物に導入された水は、その後、完全にまた
は部分的に蒸発し（場合によっては、蒸発は交換器中で
継続する）、浸透物６の冷却をもたらす。それは、交換
器のもう１つの経路内を移動する残留混合物５（窒素に
富んでいる）と、交換器８内で熱交換される。
【００３８】図２は、単一のメンブレンセパレーター１
５を有する場合を示し、このセパレーターには、アセン
ブリー１１（例えば、圧縮および調節のため）からの例
えば空気等の流入混合物１２が、２つの経路を有する交
換器を通った後に達し、交換器の他の経路は水１０の導
入によって冷却された浸透混合物１７を受けとる。冷却
された浸透混合物は、外部に放出される前、または過酸
素化された混合物が必要とされるユーザーステーション
で使用される前に、交換器１３内で冷熱を与える。
【００３９】図３は、本発明の方法を実施するためのも
う１つの単一段階装置を示し、この装置は、垂直輸送の
ための交換器形状を有している。
【００４０】アセンブリー１１からの調節された流入混
合物１２は、交換器１３の第１の経路を通り、交換器の
他の経路は、噴霧水１０の導入により冷却された浸透混
合物１７を受け取る。水の導入は、ライン１７／２１内
で行なわれ、ライン２１は、“ストラージ”またはバッ
ファーと呼ばれる拡大された管１８によって、セパレー
ター１５の浸透物出口を、交換器の第２の経路の入り口
に接続する。
【００４１】このように冷却された浸透混合物は、交換
器の第２の経路に達し、そこで冷熱を与える。その後、
ライン部２０によって離れて、外部に放出、または過酸
化混合物が必要とされるユーザーステーション内で使用
される。
【００４２】上述のように、セパレーター１５からの非
常に乾燥した浸透物に導入された水は、完全にまたは部
分的に蒸発し、場合によっては、蒸発は交換器１３内で
も継続する。
【００４３】図示された態様において、交換器の出口で
得られる流入混合物は、セパレーター１５に達する前
に、加熱をともなう水濾過ユニット（例えば、コアレッ
セントフィルタータイプ）内で予備処理される。この段
階の加熱は、例えば、「暖かい」流入混合物１２との熱
交換によって行ない得ることに注目される。
【００４４】図３は、本発明の好ましい態様を示し、こ
の態様においては、流入混合物１２と浸透混合物１７と
の間の熱交換が、交換器１３内での垂直形状による向流
で行なわれる。浸透混合物１７は、交換器内の底部から
頂部へ輸送される。
【００４５】図３に関して説明した装置では、ポリイミ
ドタイプの５つのモジュールを含むセパレーター１５で
のメンブレン分離（１モジュール当り１３０ｍ2 の分離
表面を与える）に供する前に、約１５１Ｎｍ3 ／ｈの空
気の流れを２３℃まで冷却して、０．５％の残留酸素を
含有する窒素の残留物が、約４４Ｎｍ3 ／ｈの流量で得
られる。
【００４６】ストラージ１８における噴霧水１８の導入
は、空気圧ノズルの作用によって行なわれる（４リット
ル／ｈのオーダーの流量を水の導入を伴う。） この例の異なる段階で得られた混合物の特性は、以下の
とおりである。すなわち、 流入空気１２： −流量：約１５１Ｎｍ3 ／ｈ −温度：約４０℃ −圧力：約１２．２バール（絶対） −相対湿度：１００％ 交換器１３の出口で得られる流入空気： −温度：約１９℃ −圧力：約１２．１バール（絶対） −相対湿度：１００％ 濾過／加熱のためのシステム１９の出口で得られる流入
空気： −温度：約２３℃ −圧力：約１１．９バール（絶対） −相対湿度：＜８０％ 浸透物出口で得られる浸透混合物１７： −流量：約１０８Ｎｍ3 ／ｈ −温度：約２３℃ −圧力：約１．０５バール（絶対） −相対湿度：＜１０％ ストラージ１８の出口における浸透混合物 −温度：約１０℃ −相対湿度：１００％＋水滴 交換器の出口２０における浸透混合物 −温度：約２６．５℃ −圧力：約１バール（絶対） −相対湿度：約５１．５％ この操作の例は、本発明を用いることによって、次のよ
うな事実が得られることを示している。すなわち、流入
空気混合物１２がメンブレン分離に供される前に、この
混合物１２を効果的かつ確実に冷却することができ、温
度制御の目的は、システムの全ての潜在的な可能性によ
って、非常に精度よく達成される。
【００４７】メンブレン分離の分野において通常用いら
れている冷却方法と比較して、本発明の方法は、減圧下
でのカラムまたはその他の汲み上げ手段（上述のＵＳＡ
５，３０６，３３１において使用されているような）等
の複雑な手段を使用することなしに、経済的なバランス
と、操作の簡便さおよび融通性（使用される水の量は非
常に少ない）とを与える。これらは、いずれも望ましい
ものであり、それによって、投資や信頼性の点で特に好
ましい成果が得られる。
【００４８】
【発明の効果】特定の具体例について本発明を説明した
が、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明
の特許請求の範囲の記載から当業者に明らな変更および
修正は可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】流入混合物としての空気から、高純度窒素を得
るための本発明の方法を実施するための２段階装置の模
式図。
【図２】本発明の方法を実施するための単段階装置を示
す模式図。
【図３】垂直輸送のための交換器の形状を有する、本発
明の方法を実施するためのもう１つの単段階操作のより
詳細な図。
【符号の説明】
１…流入混合物，２…第１のメンブレンセパレーター ３…第２のメンブレンセパレーター，４…気相混合物，
５…残留混合物 ６…気相混合物，７…気相混合物，８…交換器，１０…
噴霧水 １１…圧縮・調節アセンブリー，１２…流入混合物，１
３…交換器 １４…気相混合物，１５…メンブレンセパレーター，１
６…気相混合物 １７…浸透混合物，１８…ストラージ，１９…濾過／加
熱システム ２０…ライン，２１…ライン。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 各セパレーターの浸透物出口において、
    流入気相混合物中の浸透性が最大の成分に富んだ混合物
    が製造され、その残留物出口において、流入気相混合物
    の浸透性が最小の成分に富んだ混合物が製造され、上流
    のセパレーターで製造された残留ガスの全てまたは一部
    が、後続のセパレーターに送られる、直列に配置された
    １または複数のメンブレンセパレーターで構成されたア
    センブリーを通過させることによって、流入気相混合物
    から少なくとも１つのガスをメンブレン分離する方法で
    あって、 流入混合物、および上流のセパレーターで製造された残
    留混合物の少なくとも１つの気相混合物を、少なくとも
    ２つの経路を有する交換器の第１の経路を通過させるこ
    とによって冷却し、少なくとも１つのセパレーターの浸
    透物出口で得られた混合物の、交換器の第２の経路への
    通過を引き起こし、浸透混合物が前記交換器に達する前
    に、この浸透混合物に水の噴霧を行なうことを特徴とす
    る分離方法。
  2. 【請求項２】 前記アセンブリーが、直接に配置された
    ２つのメンブレンセパレーターを有し、第１のメンブレ
    ンセパレーターは第１の操作温度で作動し、第２のメン
    ブレンセパレーターは第２の操作温度で作動し、前記第
    １の温度は、第２の温度よりも少なくとも２０℃、好ま
    しくは少なくとも４０℃高い請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記浸透混合物が、交換器の第２の経路
    内で底部から頂部まで垂直に移動する請求項１または２
    に記載の方法。
  4. 【請求項４】 冷却される気相混合物の交換器の第１の
    経路内における移動が、頂部から底部までの向流である
    請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記浸透混合物に導入される水の流量
    が、交換器の第１の経路の出口での、冷却される気相混
    合物の温度にしたがって調節される請求項１ないし５の
    いずれか１項に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記流入混合物が空気である請求項１な
    いし４のいずれか１項に記載の方法。
  7. 【請求項７】 ａ）１またはそれ以上の直列に配置され
    たメンブレンセパレーターを有する分離アセンブリーに
    接続された流入ガス源； ｂ）少なくとも２つの経路を有する交換器； ｃ）セパレーターの少なくとも１つの浸透物出口を、交
    換器の経路の入り口の１つに接続するためのガスライ
    ン；および ｄ）このガスラインに噴霧水を導入するための手段 を具備し、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方
    法を行なうためのガスのメンブレン分離装置。
  8. 【請求項８】 その入り口が前記ガスラインに接続され
    た経路が、垂直であり、ガスラインは経路の低い位置に
    接続されている請求項７に記載の装置。
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