JPS62282616A - ガス分離方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 工発明の詳細な説明 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。

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
はかなシの程度にまで反対側に維持する差圧に依存し、
一層透過性の成分の膜の通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、勇ｌ　　４　　Ｈｆ＃ｉ　　山状の胎女−当
賭４与町り一　島　円　〒　杏　ヌ、印゛畠オ費等によ
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
ルを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ｉ（ｐｅｒｍ・ａｔ・）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＆′透析膜系が提案され
てきた。すなわち、ヌル（Ｎｕｌｅ）　　の米国特許４
．２６４．３５８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、そのような糸でさえ当
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
ケードで追加の換段階を用いれは運転費、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増した。よ
って、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
ることがヌルによって言われ九。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
用に採用されなかった。

換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
、或は循墳段の膜に通す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段族に通す。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１１９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糸から除かれる唯一の廃
ガスになシ、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〇 循Ｒ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ＲＲ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ｔｉｔ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ヲ認めよう。このために、
循卓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、膜及び圧縮費の均分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ｉｔ同上させることができ、
及びＩｌｌ有効に用いてヌルの多段アプローチの使用に
よ）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った。本発明で
目的とし及び当分野で知られている通）の高純度製品は
、代表的〜約９９９十モル％を有する製品ガスから成る
。

すなわち、ヌルの３段糸はかかる高純度力スの生産に適
応されず、及び高純度レベルを達成するのに追加の膜段
階金用いることは、上述した通シにかかる段の追加に祭
止的費用が伴なうことから、実行できない。よって、ガ
ス分層プロセスについて、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っている。

よって、発明の目的は透析膜の〜Ｓ便性を利用する改良
されたガス分触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、発明の新規な特徴金特に特許請求の範
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着（ＰＩ
９Ａ）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。ＰＳ人廃菓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Ｐ８Ａ廃棄流を回収率を高めるために追加
の膜段階に通し、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夛の透析膜を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
って達成する。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。

非透過質ガスを望ましい程に高い圧力レベルで回収する
。

Ｐ８Ａ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。吸着は通常原末
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
ガスに関しぞ不純物を除去した後に床を高い吸着圧に再
加圧して追加量の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、加ニジーケンスｔＰｓＡ
系の各床において循環ペーシスで行なう。このようなＰ
ＳＡ加工はワグナ−（Ｗａｇｎ＠ｒ）等の米国特許４４
３０．４１８号及びフデラー（Ｆｕｄ＠ｒｅｒ）　　等
の米国特許３，９８６，８４９号に開示されておシ、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。

該サイクルは通常設層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シ出した後に床を再
加圧して吸着圧にする。

透析膜をＰＳ人系と共に使用することは、従来、高圧、
例えば約６００　ｐｍｌｇ（４ｚＫｐ／ｃＩＲ”ｏ）　
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（Ｄｏｓｈ
ｌ）の米国特許４．５９１３．９２６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Ｐａ
Ａ糸に通して最終的にＭ製している。ＰＥＡ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（Ｃ
０−ｆ＠＠ｄ　）　　ガスとしてＰＳＡ系に、立ち代っ
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
の供給端から取シ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２８人部分
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金膜−
Ｐ３Ａ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管全てＰＥＡ糸に
通すかどうかを意味することｔｇ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Ｐ８ＡＭ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。

−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に送シ初期透析膜分離に望
まれる高い圧力に圧縮する。ｌ＋：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層系４に送る。供給ガス流の内
の非透過貴ガス、すなわち透析′ｌ！２’に通過しない
第２成分に富み、第１成分の減少したガスを、供給ガス
流を該層系４に通した本質的に高い圧力レベルで層系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
貴ガスは発明の全体系から取シ出される唯一の必然的な
廃棄ｉｉｉ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貴ガスヲ構成
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
望の生成物によっ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画数することは、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／又はノξ−ジ
廃棄流を２８人糸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。かかる脱着工は通常大気圧で
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
室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、層系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って所望
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成分の追加Ｍｋｔｌ−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糸９に通す
。当業者ならばｍｈ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糸９０床内に該第２成分の不
純物防漏を形成させ、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った床の供給
端で始まる領域の前縁である。この不純物前端は、追加
証の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。ｖ製品ガスは本質的に透
過質ガスを管路８よ、９ＰＳＡ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−及び７デラー
等の特軒のように１より多い吸着剤床を有する糸で行な
う代表的なＰＳＡ加工操作において、立ち代って供給ガ
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〕出
す。この工程は通常吸着工程と呼はれ、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）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Ｌ″″斂鋪シ訃又−Ａ開ハ領鋤；Ｌ−も亀ハア
　慎田ハ１）Ｑム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
の目的で送フ、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、ｐｓ人糸の各
床を立ち代って向流降圧して一層低い脱着上にし及び／
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ｗｔ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。書生流はＰＳＡ系９から管路１１
で抜き出し及び圧′ｍ機手段１２で該低い脱着上から−
ＫＩ高い圧力に再圧縮し、そこから管路１３で＠環させ
て管路１１を通る追加祉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、供得ガス流の
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
い圧力損失で製糸４を操作することが可能になシ、それ
により該脱果４で達成するバルク分離操作を増巡させる
。次いで、圧縮機手段７を用いて脱果４から比較的低い
圧力で１収する透過質ガスを書加圧してＰＳＡＳ２Ｏ２
作の丸めに象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ｆ＆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Ｎ’に有効に利用して利
点を有することが認められよう。

このような脱果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、ヌルリ完全（ｗｈｏ　１１Ｆ）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
縮機を修理或は取シ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
糸を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捌々の釣合と
共に望み得ることが認められよう。本明細書及び特許精
求の４１ｇ囲に記載する通シ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。

製糸４からの透過質ガスは管路６で圧縮機手段７に通シ
、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
レベルにすると言っ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？：高くして運転
することを望む実ｔＨＡ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、脱果４か
らの透−！Ａ）ＪＲ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Ｐ８Ａ糸９に通す。ＰＥＡ
糸９からの向流降圧及び／又はパージ工程流出物を循環
させて脱果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？　
ｆｒ　１７％　−３−１八らのｔ寸１寸卆のｒ　Ｉｓ　
ｆｒ　Ｗ　事の、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
高くなシ、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脱果４から前よりも一層＾い透過
質ガス圧レベルで俵き出し、透過質ガス圧は本質的にＰ
ＳＡ系１０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、幾分低い勾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って補われることが
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ＦＡ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ｔ−認めよう。

第１図に示す通シの発明の方法のそれ以上の実用的変法
では、脱果４からの第１段透過室ガスを圧縮機手段７で
圧縮した後に必要に応じて第２段原糸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段膜糸１５からの非透過質ガスを第１段原糸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、脱果４全横切る非常に大きい差圧及び膜系１５
を横切る一濁小さい差圧を用い、それにより該糸１５か
らの透過質ガスがＰＳＡ糸９で用いることを望む問い圧
力レベルにあるようにして行なうことが便利である。こ
のようにして運転ずれば、該第２段脱果１５とＰＳＡ系
９との間に更にイン−ライン、中間段の圧＆ｆ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系の上置で高い分ｐｊｉ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、管路１
１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１３で循環させて脱果４に通す追加量
の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とのように管路
１３で循環させるそれらの実ｍ態様において、糸からの
管路１１における該再生流の一部を管路１６でａＸ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Ｅ、ｆＷした後に管路１７でＰＳ
Ａ系９にＩＪ＆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）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層操作に
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ｔ　ｔｙ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設膜系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卓させて第１段
膜糸に合流させるが、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ＰＥＡ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ＰａＡ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ＥＥ
縮して所望の高い圧力にし及び管路２３で第１段脱果２
４に通し、鉄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
を糸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、鉄系から高純度製品ガスを過切な高い吸
着圧しにルで管路３０より抜き出するＰＳＡ廃棄流を該
ＰＳＡ系２９から管路５１より追加の圧縮機手段３２に
通して代表的にはＰ８Ａ系の低い脱着圧レベルから操作
全体の中の選択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
りも筒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。再生流を構成する今圧縮循環ガ
スを次いで管路５１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段脱果３４に管
路３３で通す。

第２段透過室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、該低い圧力は占過質ガスを第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段透過室を管路３５で循環させて管路２６の該第１
段憑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Ｐ３人糸２９の吸層剤床に通して更に
第１成分を高純度製品ガスと１アロ１１１Ｖ　ｆス−ゼ
ブ洩へ伽の頻繁つ膚ムＬ−實１．惨第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
いて初期段層２４に通す追加量の供給ガス流に合流させ
、及び／又は管路３７に流路変更して該層２４から管路
２５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／又は制限に応じて他々の加工代
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糸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ＰＥＡ系
２９に望まれる高い吸着圧レベルにあって圧縮機手段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殴殺３４からの透過質ガスを圧縮機手段２
７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を簡便に管路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
段透過室ガスに合流させる。該ＰＥＡ流出物循環流を処
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５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志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シの第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
ＥＪ膜段階の使用と別に或は−緒に使用し得ることを紹
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Ｍ系４４に通し、該膜４４から透過質ガスを管路
４５よりＰＳ人系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ＰａＡ系４６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殴殺
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段脱果５１に
通す。該第２段層系５１は、代表的には第１段膜よりも
高い差圧で運転する。立ち代って、非透過質ガスを該層
４４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１−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。該層５
１からの透過質ガスを管路５３よ）抜き出し及１Ｃ閏仙
捏に塔内ｅＪ）−２品１プ而τ梼す２−とハト＾にして
再ＥＥ縮した第２段透過室ガスを管路５５に通して管路
４５よりＰＥＡ系４６に通る第１殴殺４４からの透過質
ガスに合流させてもよい。第３段脱果ｔ−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殴殺５１から管路５３で該循環管路に通る該透過質ガ
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循環させて該第３段或は循環層系で
更に分離するのが望ましいことｔ−ｇ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’１ＰｓＡ
糸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
る各楓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、
成る種のガス分離、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、２８人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
得られるガスであっ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っ
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っている。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％の水素全含
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、本発明に従って望まし
い回収￥で高純度生成物ヲ裂造するのに有利に用いうる
混合物である〇より高い、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、大量分版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、」常約９８〜９９．
９＋モル％、場合に二っては９９．９９十モル％までの
純度を有する製品である。もつとも不発明の高純度製品
及びノルマル純度製品は他のカス′＃ｆＩ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っ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０１１成分或いは
不純物が存在したシ、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シ、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。従っ
て、約ＺＯ〜１０５　Ｋｐ／ａｍ”（ゲージ圧、以下同
じ）の圧力が一般であシ、場合によりこの範囲外のこと
もちシうる。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７．０〜２ｔ１Ｘｐ／ｚ”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４２にｐ／ｃ
ｒ？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
比較的肩圧（例えば一般に約４２２Ｋｐ　／　ａｔｒ”
以上及び約１４１　Ｋｐ／ｚ”Ｇまで又はそれ以上）で
選択透過て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ｍ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冨化透
過質を分離器から減少した圧゛カニ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ったガス
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シ、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呼匍１−ハ瀉・高１−　Ｍ　
＋上毒九−宿一ν！石−一辷シ７中空線ｍｔ−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ずる。

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シ、分
離器の一端の出口手段へと送られ、一方弁透過ガスはそ
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Ｐ８Ａシステムを用いることは応用に応じて必要なこ
とがらシ、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
る並流減圧ガスハ、所望によ）、均圧化の目的でシステ
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↓うに、１つの床から放出された並流降圧ガスは、
他の床の掃気ガス（／シーブガス）として有利に使用で
き、一般には均圧化及び掃気の両方に使用される。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
に並流降圧管用いているが、車床または多床方式でこの
ような並流降圧を用いないで吸着−説層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Ｍｅ　Ｃｏｍｂａ　　の
米国特許第３７３８０８７号に記載されておシ、これは
特に突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
おシ、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、また大小ちがった
寸法の吸着床を用いても良い。透析膜分離器は所望によ
り追加の融通性金得るために異った寸法のものを用いて
も良い。ワグナ−や７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ュラーシーブのような任意の
吸着剤を本発明のＰ８Ａシステムに用いることができる
。このようなｇ＆層剤は水素その低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シ適
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
て変わシうるものであシ、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Ｐｉ９Ａサイクル、ＰＳ
ＡＳクシステム中色出＾顧　Ｉ右ハ１−＾４Ｓ÷ｈ櫨■
も廿＋−＋＆Ｊ誹れる。しかし、一般には、ＰＳＡシス
テムＩＥ圧で運転すると使用がかさむので、約４２．２
ＫＦ／ｆｆｉ”より低い圧力で運転するのが良い。ＰＳ
Ａ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シ、特に膜分離器からの減圧された
透過ガスをＰ８Ａ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
０〜５５．２ＫＩ／Ｃ１ｌ　よ）好ましくは約１４　Ｋ
ｐ　／　ｃａｒ”の吸着圧力が一般に好都合であシまた
好ましい。同様に、膜分離システムの運転圧力は約４２
．２　Ｋｙを越え、１４１にｙ／ａｎ”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
っ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。この差圧はこの分離段に望ま
れる分離度と、望まれる総合回収率とに関係し、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
の練産づ；低い現、羊座（本動力）け潰湛力゛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５６２
に９／ｃｘ？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υ、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ＰＳ人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、ａ８に２／α８の圧力下に回収され、５９ｓＫ
ｐ／ｃ１１に再加圧された上、第２段の腹骨な器に通さ
れ、そこから透過ガスは純度９５％のレベル、２１１〜
／口１の圧力下に／ルマル純度水素ガス製品として回収
された０非透過ガスは約５６．２ＫＰ／３”の圧力で圧
縮供給ガスに循環させ九。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８．８Ｋｐ／ｃｒｙ”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２　ｔ　Ｉ　Ｋ９／コ
１の高い方の吸着圧力にした。ＰＥＡ分離器から回収さ
れた製品ガスは９９０十％の水素を含有し、圧力は２　
ｔ　１Ｋｐ／備翼でおった。高純度水素製品の製造に関
連したＦＥ、１コストは、第１のシステムより少し高く
なった。これはＰＳＡ排出ガスを約α７Ｋｐ／ｃＲ’Ｊ
λら約５＆２匂／ｉ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王
カレベルを変えて池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、本発明はガス九の粗分離に滲遇膜を有利
に利用し、所望の高純度の達成にはＰＳ人分離ヲ有利に
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
その膜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Ｍ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殴殺系をＰＳＡ系と統合し、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。 手続補正書 昭和６２年４　月２２日 特許雇官黒田明雄殿

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）第１成分及び第２成分を含有する供給ガス流
   を、前記第１成分を透過して第１成分富化・第２成分減
   少透過ガスを低圧で与えることができ、同時に高圧で第
   ２成分富化・第１成分減少非透過ガスを与えることがで
   きる滲透膜に、ほぼ前記の高圧で接触させ、 （ｂ）前記非透過ガスを前記膜より抜き出し、（ｃ）前
   記透過ガスを、前記第２成分の追加量を高い吸着圧力で
   選択吸着しうる圧力振動吸着システムの吸着床の供給端
   に供給し、未吸着の精製された第１成分を該吸着床の製
   品出口端から高純度ガスとして引き出し、 （ｄ）前記吸着床をより低い脱着圧力に向流減圧及び／
   又は掃気することにより前記吸着床を脱着し、第１、第
   ２成分を含有する再生流を前記吸着床の供給端に戻し、 （ｅ）前記再生流の少なくとも１部を供給ガス流へ再循
   環して合体することを特徴とする、第１成分を高い純度
   及び所望の回収率で分離し、第２成分を所望の高い圧力
   で回収するガス分離方法。