WO2022014469A1 - 分離システム - Google Patents

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WO2022014469A1
WO2022014469A1 PCT/JP2021/025834 JP2021025834W WO2022014469A1 WO 2022014469 A1 WO2022014469 A1 WO 2022014469A1 JP 2021025834 W JP2021025834 W JP 2021025834W WO 2022014469 A1 WO2022014469 A1 WO 2022014469A1
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separation
fluid
discharge port
unit
pressure
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PCT/JP2021/025834
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直人 木下
憲一 野田
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日本碍子株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a separation system.
  • This application claims the priority benefit from the Japanese patent application JP2020-120028 filed on 13 July 2020 and the international patent application PCT / JP2021 / 01219 filed on 12 March 2021. All disclosures of these applications are incorporated herein by reference.
  • distillation method chemical absorption method, physical absorption method, adsorption method, membrane separation method, etc.
  • the membrane separation method has a simple and compact system configuration. It is attracting attention because of its advantages such as easy maintenance and low energy consumption. Separation of the mixed fluid by the membrane separation method has been put into practical use in various applications such as dehydration in the bioethanol purification step, CO 2 removal in the natural gas purification step and the biogas purification step.
  • the difference in pressure division of the fluid component between the supply side and the permeation side of the separation membrane becomes the driving force, and the separation membrane is generally used except when a mixed fluid having an originally high pressure is supplied to the separation membrane.
  • Pressurization on the supply side or depressurization on the transmission side is performed (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6435961 (Reference 1), Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-32330 (Reference 2), Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-236123 (Reference 3). And Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-137847 (Reference 4)).
  • Japanese Patent No. 6553739 discloses a method for ensuring a driving force by flowing a steam sweep gas on the permeation side of the separation membrane.
  • Documents 1 to 5 propose a separation system that supplies a fluid that has passed through a separation membrane module to another separation membrane module.
  • compressors are installed at a plurality of locations to boost the supply fluid, and in one separation membrane module, the supply side is boosted and the permeation side is depressurized at the same time. Methods such as returning are also proposed.
  • the present invention is aimed at a separation system, and an object of the present invention is to improve the separation accuracy in a separation system with a simple configuration capable of suppressing energy consumption.
  • the separation system has a separation membrane, a first separation portion provided with a fluid supply port, a permeation fluid discharge port, and a non-permeable fluid discharge port, and a separation membrane, a fluid supply port, and a permeation fluid.
  • a second separation portion provided with a discharge port and a non-permeable fluid discharge port, an intermediate connection portion connecting the permeation fluid discharge port of the first separation portion and the fluid supply port of the second separation portion, and the above. It is connected to the fluid supply port of the first separation section, and a mixed fluid containing a plurality of types of fluids is connected to a supply pipe through which the fluid flows at a pressure higher than the atmospheric pressure and the permeation fluid discharge port of the second separation section.
  • the intermediate connection portion is not provided with a device for boosting and a device for depressurizing, and the pressure in the intermediate connecting portion is lower than the pressure in the supply pipe and is equal to or higher than the atmospheric pressure.
  • the pressure difference between the fluid supply port and the permeation fluid discharge port in the second separation section is 0.8 times or less the pressure difference in the first separation section.
  • the mixed fluid is a mixed gas containing a plurality of types of gases.
  • the separation system is provided at a predetermined position on the path from the supply pipe to the separation membrane of the second separation section, and heats or keeps the gas flowing through the path to prevent condensation of the gas. It is further provided with an anti-condensation unit.
  • the separation system is further provided with a pretreatment unit provided at a predetermined position between the source of the mixed fluid and the first separation unit to remove at least a part of a predetermined component contained in the mixed fluid. ..
  • the separation membrane of the first separation part and / or the separation membrane of the second separation part contains an inorganic material.
  • the separation membrane of the first separation part and / or the separation membrane of the second separation part is a zeolite membrane.
  • the mixed fluid contains a fluid having a molecular size smaller than the pore diameter of the zeolite constituting the zeolite membrane and a fluid having a molecular size larger than the pore diameter.
  • the zeolite constituting the zeolite membrane is an 8-membered ring zeolite.
  • the separation system is such that the flow rate and / or component composition of the fluid discharged from the permeate fluid discharge port or the non-permeate fluid discharge port of the second separation unit is within a predetermined range.
  • a pressure adjusting unit for adjusting the pressure in the permeated fluid discharge port or the non-permeated fluid discharge port of the separation unit is further provided.
  • the separation system is a portion of the fluid discharged from the impermeable fluid discharge port of the first separation and / or fluid discharged from the impermeable fluid discharge port of the second separation. It is further provided with a return pipe that leads at least a part to the fluid supply port of the first separation part.
  • the separation system further comprises an energy conversion unit that converts the pressure energy of the fluid discharged from the impermeable fluid discharge port of the first separation unit into other energy.
  • the separation system further comprises a drain fluid booster that boosts the fluid discharged from the impermeable fluid drain port of the second separator.
  • the fluid boosted by the discharged fluid boosting section is mixed with the fluid discharged from the impermeable fluid drain port of the first separation section.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a separation system 4 according to an embodiment of the present invention.
  • the separation system 4 is a system that separates a fluid having high permeability to the separation membrane composite 1 described later from a mixed fluid containing a plurality of types of fluids (that is, gas or liquid).
  • the separation in the separation system 4 may be performed, for example, for the purpose of extracting a highly permeable fluid from the mixed fluid, or for the purpose of concentrating a low permeable fluid.
  • the mixed fluid may be a mixed gas containing a plurality of types of gases (including steam), may be a mixed liquid containing a plurality of types of liquids, and may be a gas-liquid two-phase fluid containing both a gas and a liquid. There may be.
  • the mixed fluid may contain a trace amount of solid such as particles.
  • the mixed fluid includes, for example, hydrogen (H 2 ), helium (He), nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), water (H 2 O), water vapor (H 2 O), carbon monoxide (CO), and the like.
  • Carbon dioxide (CO 2 ) nitrogen oxides, ammonia (NH 3 ), sulfur oxides, hydrogen sulfide (H 2 S), sulfur fluoride, mercury (Hg), arsine (AsH 3 ), hydrogen cyanide (HCN), sulfide It contains one or more substances among carbonyl (COS), hydrogen sulfides of C1 to C8, organic acids, alcohols, mercaptans, esters, ethers, ketones and aldehydes.
  • Nitrogen oxides are compounds of nitrogen and oxygen.
  • the above-mentioned nitrogen oxides include, for example, nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ), nitrous oxide (also referred to as nitric oxide) (N 2 O), and dinitrogen trioxide (N 2 O 3). ), Nitric oxide (N 2 O 4 ), Nitric oxide (N 2 O 5 ) and other gases called NO X.
  • Sulfur oxides are compounds of sulfur and oxygen.
  • the above-mentioned sulfur oxide is, for example, a gas called SO X (sox) such as sulfur dioxide (SO 2 ) and sulfur trioxide (SO 3).
  • Sulfur fluoride is a compound of fluorine and sulfur.
  • the hydrocarbons of C1 to C8 are hydrocarbons having 1 or more carbon atoms and 8 or less carbon atoms.
  • the hydrocarbons C3 to C8 may be any of a linear compound, a side chain compound and a cyclic compound.
  • the hydrocarbons of C2 to C8 are saturated hydrocarbons (that is, those in which double bonds and triple bonds are not present in the molecule) and unsaturated hydrocarbons (that is, double bonds and / or triple bonds are molecules). It may be either of those present in it).
  • Hydrocarbons of C1 to C4 are, for example, methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), ethylene (C 2 H 4 ), propane (C 3 H 8 ), propylene (C 3 H 6 ), normal butane.
  • the above-mentioned organic acid is a carboxylic acid, a sulfonic acid or the like.
  • Carboxylic acids include, for example, formic acid (CH 2 O 2 ), acetic acid (C 2 H 4 O 2 ), oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ), acrylic acid (C 3 H 4 O 2 ) or benzoic acid (C 3 H 4 O 2). 6 H 5 COOH) and the like.
  • the sulfonic acid is, for example, ethane sulfonic acid (C 2 H 6 O 3 S) or the like.
  • the organic acid may be a chain compound or a cyclic compound.
  • the above-mentioned alcohols include, for example, methanol (CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH), isopropanol (2-propanol) (CH 3 CH (OH) CH 3 ), ethylene glycol (CH 2 (OH) CH 2). (OH)) or butanol (C 4 H 9 OH) or the like.
  • Mercaptans are organic compounds having hydrogenated sulfur (SH) at the end, and are substances also called thiols or thioalcohols.
  • the above-mentioned mercaptans are, for example, methyl mercaptan (CH 3 SH), ethyl mercaptan (C 2 H 5 SH), 1-propanethiol (C 3 H 7 SH) and the like.
  • ester is, for example, formate ester or acetic acid ester.
  • ether is, for example, dimethyl ether ((CH 3 ) 2 O), methyl ethyl ether (C 2 H 5 OCH 3 ) or diethyl ether ((C 2 H 5 ) 2 O).
  • ketone is, for example, acetone ((CH 3 ) 2 CO), methyl ethyl ketone (C 2 H 5 COCH 3 ) or diethyl ketone ((C 2 H 5 ) 2 CO).
  • aldehydes are, for example, acetaldehyde (CH 3 CHO), propionaldehyde (C 2 H 5 CHO) or butyraldehyde (butyraldehyde) (C 3 H 7 CHO) and the like.
  • the mixed fluid separated by the separation system 4 will be described as being a mixed gas containing a plurality of types of gases.
  • the mixed gas may contain particles, droplets and the like as impurities.
  • the separation system 4 of FIG. 1 includes a first separation unit 41 and a second separation unit 42.
  • the first separation unit 41 has one or more separation membrane modules 2.
  • the second separation unit 42 also has one or more separation membrane modules 2.
  • each separation unit 41, 42 has a plurality of separation membrane modules 2.
  • FIG. 1 a plurality of separation membrane modules 2 included in the separation portions 41 and 42 are surrounded by a broken line rectangle.
  • the separation membrane module 2 will be described in detail.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic structure of one separation membrane module 2. In FIG. 2, parallel diagonal lines in the cross sections of some configurations are omitted.
  • the separation membrane module 2 includes a separation membrane composite 1, two sealing portions 21, a housing 22, and two sealing members 23.
  • the separation membrane composite 1, the sealing portion 21, and the sealing member 23 are housed in the housing 22.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the separation membrane complex 1.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the separation membrane complex 1.
  • the separation membrane complex 1 includes a porous support 11 and a zeolite membrane 12 which is a separation membrane formed on the support 11.
  • the zeolite membrane 12 does not include, at least, a membrane in which zeolite is formed on the surface of the support 11 and in which zeolite particles are simply dispersed in an organic membrane.
  • the zeolite membrane 12 may contain two or more types of zeolite having different structures and compositions. In FIG. 3, the zeolite membrane 12 is drawn with a thick line. In FIG. 4, parallel diagonal lines are provided on the zeolite membrane 12. Further, in FIG. 4, the thickness of the zeolite membrane 12 is drawn thicker than the actual thickness.
  • the separation membrane complex 1 may be provided with a separation membrane other than the zeolite membrane 12.
  • the support 11 is a porous member that can permeate gas and liquid.
  • the support 11 is a monolith type in which a series of columnar bodies integrally molded and provided with a plurality of through holes 111 extending in the longitudinal direction (that is, the left-right direction in FIG. 3). It is a support.
  • the support 11 is substantially columnar.
  • the cross section perpendicular to the longitudinal direction of each through hole 111 ie, cell
  • the diameter of the through hole 111 is larger than the actual diameter, and the number of the through hole 111 is smaller than the actual number.
  • the zeolite membrane 12 is formed on the inner surface of the through hole 111 and covers the inner surface of the through hole 111 over substantially the entire surface.
  • the length of the support 11 (that is, the length in the left-right direction in FIG. 3) is, for example, 10 cm to 200 cm.
  • the outer diameter of the support 11 is, for example, 0.5 cm to 30 cm.
  • the distance between the central axes of the adjacent through holes 111 is, for example, 0.3 mm to 10 mm.
  • the surface roughness (Ra) of the support 11 is, for example, 0.1 ⁇ m to 5.0 ⁇ m, preferably 0.2 ⁇ m to 2.0 ⁇ m.
  • the shape of the support 11 may be, for example, a honeycomb shape, a flat plate shape, a tubular shape, a cylindrical shape, a columnar shape, a polygonal columnar shape, or the like. When the shape of the support 11 is tubular or cylindrical, the thickness of the support 11 is, for example, 0.1 mm to 10 mm.
  • the support 11 is formed of a ceramic sintered body.
  • the ceramic sintered body selected as the material of the support 11 include alumina, silica, mullite, zirconia, titania, yttria, silicon nitride, silicon carbide and the like.
  • the support 11 contains at least one of alumina, silica and mullite.
  • the support 11 may contain an inorganic binder.
  • the inorganic binder at least one of titania, mullite, easily sinterable alumina, silica, glass frit, clay mineral, and easily sinterable cordierite can be used.
  • the average pore diameter of the support 11 is, for example, 0.01 ⁇ m to 70 ⁇ m, preferably 0.05 ⁇ m to 25 ⁇ m.
  • the average pore diameter of the support 11 in the vicinity of the surface on which the zeolite membrane 12 is formed is 0.01 ⁇ m to 1 ⁇ m, preferably 0.05 ⁇ m to 0.5 ⁇ m.
  • the average pore size can be measured by, for example, a mercury porosimeter, a palm porosimeter or a nanopalm porosimeter.
  • D5 is, for example, 0.01 ⁇ m to 50 ⁇ m
  • D50 is, for example, 0.05 ⁇ m to 70 ⁇ m
  • D95 is, for example, 0.1 ⁇ m to 2000 ⁇ m. ..
  • the porosity of the support 11 in the vicinity of the surface on which the zeolite membrane 12 is formed is, for example, 20% to 60%.
  • the support 11 has, for example, a multilayer structure in which a plurality of layers having different average pore diameters are laminated in the thickness direction.
  • the support 11 has a base material 31, an intermediate layer 32, and a surface layer 33.
  • the average pore diameter and sintered particle size of the surface layer 33 including the surface on which the zeolite membrane 12 is formed is larger than the average pore diameter and sintered particle size of the layers other than the surface layer 33 (base material 31 and intermediate layer 32). small.
  • the average pore diameter of the surface layer 33 of the support 11 is, for example, 0.01 ⁇ m to 1 ⁇ m, preferably 0.05 ⁇ m to 0.5 ⁇ m.
  • the above-mentioned materials can be used as the material for each layer.
  • the materials of the plurality of layers forming the multilayer structure may be the same or different.
  • a plurality of intermediate layers 32 having different average pore diameters and the like may be laminated between the base material 31 and the surface layer 33. Further, in the support 11, the surface layer 33 or the intermediate layer 32 may be omitted, or both the surface layer 33 and the intermediate layer 32 may be omitted.
  • the zeolite membrane 12 is a porous membrane having fine pores.
  • the zeolite membrane 12 can be used as a separation membrane that separates a specific substance from a mixed substance in which a plurality of types of substances are mixed by utilizing a molecular sieving action.
  • other substances are less likely to permeate than the specific substance.
  • the permeation amount of the other substance in the zeolite membrane 12 is smaller than the permeation amount of the specific substance.
  • the thickness of the zeolite membrane 12 is, for example, 0.05 ⁇ m to 30 ⁇ m, preferably 0.1 ⁇ m to 20 ⁇ m, and more preferably 0.5 ⁇ m to 10 ⁇ m. Thickening the zeolite membrane 12 improves the separation performance. Thinning the zeolite membrane 12 increases the permeation rate.
  • the surface roughness (Ra) of the zeolite membrane 12 is, for example, 5 ⁇ m or less, preferably 2 ⁇ m or less, more preferably 1 ⁇ m or less, and further preferably 0.5 ⁇ m or less.
  • the pore diameter of the zeolite crystal contained in the zeolite membrane 12 (hereinafter, also simply referred to as “pore diameter of the zeolite membrane 12”) is 0.2 nm or more and 0.8 nm or less, more preferably 0.3 nm or more and It is 0.7 nm or less, more preferably 0.3 nm or more and 0.45 nm or less. If the pore diameter of the zeolite membrane 12 is less than 0.2 nm, the amount of the substance that permeates the zeolite membrane may be small, and if the pore diameter of the zeolite membrane 12 is larger than 0.8 nm, the selection of the substance by the zeolite membrane Sex may be inadequate.
  • the pore diameter of the zeolite membrane 12 is the diameter of the pores in a direction substantially perpendicular to the maximum diameter of the pores of the zeolite crystals constituting the zeolite membrane 12 (that is, the major diameter which is the maximum value of the oxygen atom distance) (that is, the diameter of the pores). Short diameter).
  • the pore diameter of the zeolite membrane 12 is smaller than the average pore diameter on the surface of the support 11 on which the zeolite membrane 12 is arranged.
  • the minor axis of the n-membered ring pores is defined as the pore diameter of the zeolite membrane 12.
  • the minor axis of the n-membered ring pore having the largest minor axis is defined as the pore diameter of the zeolite membrane 12.
  • the n-membered ring is a portion in which the number of oxygen atoms constituting the skeleton forming the pores is n, and each oxygen atom is bonded to a T atom described later to form a cyclic structure.
  • the n-membered ring refers to a ring having a through hole (channel), and does not include a ring having no through hole.
  • the n-membered ring pores are pores formed by the n-membered ring.
  • the maximum number of membered rings of the zeolite contained in the above-mentioned zeolite membrane 12 is preferably 8. That is, it is preferable that the zeolite constituting the zeolite membrane 12 is an 8-membered ring zeolite.
  • the pore diameter of the zeolite membrane is uniquely determined by the skeletal structure of the zeolite, and is described in "Database of Zeolite Structures" [online] of the International Zeolite Society, Internet ⁇ URL: http: // www. iza-structure. It can be obtained from the values disclosed in org / databases />.
  • the type of zeolite constituting the zeolite membrane 12 is not particularly limited, but for example, AEI type, AEN type, AFN type, AFV type, AFX type, BEA type, CHA type, DDR type, ERI type, ETL type, FAU type ( X-type, Y-type), GIS-type, IHW-type, LEV-type, LTA-type, LTJ-type, MEL-type, MFI-type, MOR-type, PAU-type, RHO-type, SOD-type, SAT-type, etc. ..
  • the zeolite is an 8-membered ring zeolite, for example, AEI type, AFN type, AFV type, AFX type, CHA type, DDR type, ERI type, ETL type, GIS type, IHW type, LEV type, LTA type, LTJ. Zeolites of type, RHO type, SAT type and the like may be used.
  • the type of zeolite constituting the zeolite membrane 12 is a DDR type zeolite.
  • the zeolite membrane 12 contains, for example, silicon (Si).
  • the zeolite membrane 12 may contain, for example, any two or more of Si, aluminum (Al) and phosphorus (P).
  • the atom (T atom) located at the center of the oxygen tetrahedron (TO 4 ) constituting the zeolite is only Si, or the zeolite composed of Si and Al, and the T atom is Al.
  • AlPO-type zeolite consisting of P SAPO-type zeolite consisting of Si, Al, and P as T atom
  • MAPSO-type zeolite consisting of magnesium (Mg), Si, Al, and P as T atom, and zinc as T atom.
  • a ZnASPSO-type zeolite composed of (Zn), Si, Al and P can be used.
  • a part of the T atom may be replaced with another element.
  • the Si / Al ratio in the zeolite membrane 12 is, for example, 1 or more and 100,000 or less.
  • the Si / Al ratio is the molar ratio of the Si element to the Al element contained in the zeolite membrane 12.
  • the Si / Al ratio is preferably 5 or more, more preferably 20 or more, still more preferably 100 or more, and the higher the ratio, the more preferable.
  • the Si / Al ratio in the zeolite membrane 12 can be adjusted by adjusting the mixing ratio of the Si source and the Al source in the raw material solution used for producing the zeolite membrane 12.
  • the zeolite membrane 12 may contain an alkali metal.
  • the alkali metal is, for example, sodium (Na) or potassium (K).
  • the CO 2 permeation amount / N 2 permeation amount ratio (permeence ratio) of the zeolite membrane 12 is, for example, 5 or more, preferably 10 or more, more preferably 15 or more, and further preferably 25 or more.
  • the permeence ratio is a case where a single component bomb gas is used as a supply gas, the supply side pressure is 300 kPaG, the permeation side pressure is atmospheric pressure, and the temperature is 25 ° C.
  • the two sealing portions 21 in the separation membrane module 2 are attached to both ends in the longitudinal direction of the support 11 (that is, the left-right direction in FIG. 2), and both ends in the longitudinal direction of the support 11. It is a member that covers and seals a surface and an outer surface in the vicinity of both end surfaces.
  • the sealing portion 21 prevents the inflow and outflow of gas and liquid from the both end faces of the support 11.
  • Each sealing portion 21 is, for example, a plate-shaped or film-shaped member formed of glass or resin. The material and shape of the sealing portion 21 may be changed as appropriate.
  • the sealing portion 21 is provided with a plurality of openings overlapping the plurality of through holes 111 of the support 11, both ends of each through hole 111 of the support 11 in the longitudinal direction are covered with the sealing portion 21. It has not been. Therefore, gas and liquid can flow in and out of the through holes 111 from both ends.
  • the shape of the housing 22 is not particularly limited, but is, for example, a substantially cylindrical tubular member.
  • the housing 22 is made of, for example, stainless steel or carbon steel.
  • the longitudinal direction of the housing 22 is substantially parallel to the longitudinal direction of the separation membrane complex 1.
  • a supply port 221 is provided at one end of the housing 22 in the longitudinal direction (ie, the left end in FIG. 2), and a first discharge port 222 is provided at the other end.
  • a second discharge port 223 is provided on the side surface of the housing 22.
  • the internal space of the housing 22 is a closed space isolated from the space around the housing 22.
  • the two sealing members 23 are arranged over the entire circumference between the outer surface of the separation membrane complex 1 and the inner surface of the housing 22 in the vicinity of both ends in the longitudinal direction of the separation membrane composite 1.
  • Each sealing member 23 is a substantially annular member made of a material that is impermeable to gas and liquid.
  • the seal member 23 is, for example, an O-ring made of a flexible resin.
  • the sealing member 23 is in close contact with the outer surface of the separation membrane complex 1 and the inner surface of the housing 22 over the entire circumference. In the example shown in FIG. 2, the sealing member 23 is in close contact with the outer surface of the sealing portion 21 and indirectly adheres to the outer surface of the separation membrane composite 1 via the sealing portion 21.
  • the space between the sealing member 23 and the outer surface of the separation membrane complex 1 and the space between the sealing member 23 and the inner surface of the housing 22 are sealed, and the passage of gas and liquid is almost or completely impossible. be.
  • a mixed fluid (here, a mixed gas) containing a plurality of types of fluids having different permeability to the zeolite membrane 12 is supplied to the inside of the housing 22 as shown by an arrow 251.
  • the main components of the mixed fluid are CO 2 gas and N 2 gas.
  • the mixed fluid may contain substances other than CO 2 and N 2.
  • the mixed fluid supplied to the housing 22 is introduced into each through hole 111 of the support 11 from the left end in the drawing of the separation membrane complex 1.
  • the highly permeable fluid in the mixed fluid (for example, CO 2 gas, hereinafter referred to as “highly permeable fluid”) is a zeolite membrane 12 provided on the inner surface of each through hole 111, and a zeolite membrane 12 and the like.
  • low permeability fluid in the fluid mixture (e.g., an N 2 gas, hereinafter. Referred to as "low permeability fluid”) is separated from the.
  • the fluid (hereinafter referred to as “permeate fluid”) that has passed through the separation membrane complex 1 and is derived from the outer surface of the support 11 is housing via the second discharge port 223 as shown by the arrow 253. It is discharged from 22.
  • the permeable fluid may include a low permeable fluid that has penetrated the zeolite membrane 12 in addition to the above-mentioned highly permeable fluid.
  • non-permeable fluid the fluid excluding the fluid that has passed through the zeolite membrane 12 and the support 11 (hereinafter, referred to as “non-permeable fluid”) has each through hole 111 of the support 11 from the left side to the right side in the drawing. Pass through.
  • the impermeable fluid is discharged from the housing 22 via the first discharge port 222, as indicated by arrow 252.
  • the pressure of the impermeable fluid discharged from the housing 22 is, for example, substantially the same as the pressure of the fluid introduced into the housing 22 (introduction pressure).
  • the non-permeable fluid may include a highly permeable fluid that has not penetrated the zeolite membrane 12 in addition to the above-mentioned low permeable fluid.
  • each of the separation portions 41 and 42 shown in FIG. 1 may have a plurality of separation membrane modules 2.
  • each separation unit 41, 42 includes M separation membrane modules 2 from the first separation membrane module 2 to the M separation membrane module 2 (M is an integer of 2 or more)
  • M is an integer of 2 or more
  • the (m-1) separation is performed.
  • the first discharge port 222 of the membrane module 2 (m is an integer of 2 or more and M or less) is connected to the supply port 221 of the m separation membrane module 2.
  • the plurality of separation membrane modules 2 are connected in series.
  • first and second separation units 41 and 42 include the same number (M) of separation membrane modules 2, but the number of separation membrane modules 2 of the first separation unit 41 and the second separation unit 42
  • M number of separation membrane modules 2
  • the number of separation membrane modules 2 may be different.
  • the number of separation membrane modules 2 in each of the separation portions 41 and 42 may be 1.
  • the separation membrane module 2 of the first separation unit 41 and the separation membrane module 2 of the second separation unit 42 may be the same, or may have different configurations and shapes.
  • the first and second separation units 41 and 42 may include the separation membrane module 2 having a different structure, shape, and the like.
  • the first separation unit 41 includes a fluid supply port 411, a non-permeable fluid discharge port 412, and a permeation fluid discharge port 413.
  • the first separation membrane module 2 that is, the supply port 221 of the separation membrane module 2 on the most upstream side becomes the fluid supply port 411.
  • the Mth separation membrane module 2, that is, the first discharge port 222 of the most downstream separation membrane module 2 becomes the impermeable fluid discharge port 412.
  • the set of M second discharge ports 223 of the first to M separation membrane modules 2 becomes the permeation fluid discharge port 413.
  • the first separation unit 41 may include only one separation membrane module 2.
  • the supply port 221 and the first discharge port 222 and the second discharge port 223 of the separation membrane module 2 are fluids, respectively. It becomes a supply port 411, a non-permeable fluid discharge port 412, and a permeation fluid discharge port 413.
  • the second separation unit 42 includes a fluid supply port 421, a non-permeable fluid discharge port 422, and a permeation fluid discharge port 423, similarly to the first separation unit 41.
  • the first separation membrane module 2 that is, the supply port 221 of the separation membrane module 2 on the most upstream side becomes the fluid supply port 421.
  • the Mth separation membrane module 2, that is, the first discharge port 222 of the most downstream separation membrane module 2 becomes the impermeable fluid discharge port 422.
  • the set of M second discharge ports 223 of the first to M separation membrane modules 2 becomes the permeation fluid discharge port 423.
  • the second separation section 42 may include only one separation membrane module 2.
  • the supply port 221 and the first discharge port 222 and the second discharge port 223 of the separation membrane module 2 are fluids, respectively. It becomes a supply port 421, a non-permeable fluid discharge port 422, and a permeation fluid discharge port 423.
  • the separation system 4 further includes a supply pipe 43, an intermediate connection portion 44, a first impermeable fluid recovery pipe 45, a second impermeable fluid recovery pipe 46, and a permeation fluid recovery pipe 47.
  • the supply pipe 43 is connected to the fluid supply port 411 of the first separation unit 41.
  • the supply pipe 43 is provided with a supply fluid booster unit 431.
  • the intermediate connection portion 44 is a connection pipe, and connects the permeation fluid discharge port 413 of the first separation portion 41 to the fluid supply port 421 of the second separation portion 42.
  • the first impermeable fluid recovery pipe 45 is connected to the impermeable fluid discharge port 412 of the first separation unit 41.
  • the second impermeable fluid recovery pipe 46 is connected to the impermeable fluid discharge port 422 of the second separation unit 42.
  • the permeation fluid recovery pipe 47 is connected to the permeation fluid discharge port 423 of the second separation unit 42.
  • the permeation fluid recovery pipe 47 is provided with a decompression unit 471.
  • FIG. 5 is a diagram showing pressure at each position of the separation system 4.
  • the vertical axis of FIG. 5 shows the pressure
  • the horizontal axis shows the position in the path from the supply pipe 43 to the permeation fluid recovery pipe 47.
  • the positions of the supply fluid boosting section 431, the first separating section 41, the second separating section 42, and the depressurizing section 471 are designated by the same reference numerals.
  • the solid line L1 in FIG. 5 indicates the pressure at each position of the separation system 4 of FIG.
  • the mixed fluid flows into the supply pipe 43 from an external mixed fluid supply source.
  • the supply fluid boosting unit 431 is, for example, a compressor or the like, and boosts (compresses) the mixed fluid. As shown in FIG. 5, the supply fluid booster section 431 causes the mixed fluid to have a pressure P1 sufficiently higher than the atmospheric pressure P0 (for example, a pressure P1 higher than 200 kPaG).
  • the mixed fluid is supplied to the first separation unit 41 via the fluid supply port 411.
  • the mixed fluid supplied to the first separation unit 41 is referred to as a “supply fluid”.
  • the pressure P1 of the supply fluid (the pressure on the supply side of the first separation unit 41) is, for example, 200 kPaG to 10000 kPaG, preferably 250 kPaG to 7000 kPaG, and more preferably 300 kPaG to 4000 kPaG.
  • the temperature of the feed fluid is, for example, 10 ° C to 250 ° C.
  • a temperature control unit and a pressure control unit that adjust the temperature and pressure of the supply fluid, respectively may be provided in addition to the supply fluid booster unit 431. If the pressure of the mixed fluid flowing into the supply pipe 43 from the source of the mixed fluid is sufficiently higher than the atmospheric pressure P0, the supply fluid boosting unit 431 may be omitted.
  • first impermeable fluid the fluid that has not penetrated through the zeolite membrane 12 of any of the separation membrane modules 2
  • first impermeable fluid is first impermeable through the impermeable fluid discharge port 412. It is discharged to the permeation fluid recovery pipe 45 and recovered.
  • the pressure of the first impermeable fluid pressure on the impermeable side of the first separation unit 41
  • first permeation fluid the fluid that has permeated through the zeolite membrane 12 of any of the separation membrane modules 2
  • the pressure in the intermediate connection portion 44 is substantially atmospheric pressure (actually, a pressure slightly higher than atmospheric pressure P0 or atmospheric pressure P0, for example, 0 to 50 kPaG. , Preferably 0 to 30 kPaG.). That is, the pressure of the first permeation fluid discharged from the permeation fluid discharge port 413 (the pressure on the permeation side of the first separation unit 41) is substantially atmospheric pressure.
  • the intermediate connection portion 44 is not provided with a device for boosting pressure such as a compressor and a device for depressurization such as a vacuum pump. In the example of FIG. 1, the intermediate connection portion 44 as a whole is not provided.
  • the pressure is approximately atmospheric pressure.
  • the first permeated fluid from the first separation unit 41 is supplied to the second separation unit 41 via the fluid supply port 421.
  • the pressure of the first permeated fluid supplied to the second separation unit 41 (the pressure on the supply side of the second separation unit 42) is substantially atmospheric pressure.
  • the decompression unit 471 is, for example, a vacuum pump or the like, and as shown in FIG. 5, decompresses the inside of the permeation fluid discharge port 423 of the second separation unit 42 to a pressure P2 lower than the atmospheric pressure P0. Further, the decompression unit 471 may be decompressed by cooling the permeated fluid or cooling the permeated fluid to liquefy or solidify it.
  • the pressure P2 (permeation side pressure of the second separation portion 42) in the permeation fluid discharge port 423 is, for example, -10 kPaG to -100 kPaG, preferably -15 kPaG to -95 kPaG, and more preferably -20 kPaG to -90 kPaG. be.
  • the fluid that has permeated through the zeolite membrane 12 of any of the separation membrane modules 2 enters the permeation fluid recovery pipe 47 via the permeation fluid discharge port 423. It is discharged.
  • the pressure difference between the fluid supply port 421 and the permeation fluid discharge port 423 in the second separation unit 42 is the pressure difference between the fluid supply port 411 and the permeation fluid discharge port 413 in the first separation unit 41. Less than the pressure difference between.
  • the pressure difference in the second separation unit 42 is 0.8 times or less the pressure difference in the first separation unit 41.
  • the pressure difference in the second separation unit 42 may be 0.6 times or less or 0.5 times or less the pressure difference in the first separation unit 41.
  • the pressure difference in the second separation unit 42 is 0.1 times or more the pressure difference in the first separation unit 41.
  • the pressure of the second permeation fluid that has passed through the decompression unit 471 is substantially the same as, for example, the atmospheric pressure P0.
  • the fluid that has not penetrated through the zeolite membrane 12 of any of the separation membrane modules 2 (hereinafter referred to as “second impermeable fluid”) is the second impermeable fluid via the impermeable fluid discharge port 422. It is discharged to the permeation fluid recovery pipe 46 and recovered.
  • the pressure in the second impermeable fluid recovery pipe 46 (the pressure on the impermeable side of the second separation portion 42) is substantially atmospheric pressure.
  • the pressure in the intermediate connection portion 44 is also substantially atmospheric pressure (that is, the pressure is slightly higher than the atmospheric pressure P0 or the atmospheric pressure P0). In reality, the pressure in all the portions in the intermediate connection portion 44 is lower than the pressure in the supply pipe 43 and becomes equal to or higher than the atmospheric pressure.
  • the separation system 4 of the embodiment has the same configuration as that of FIG. 6A to 6D are diagrams showing the configurations of the separation systems 9a to 9d of Comparative Examples 1 to 4.
  • the separation system 9a of Comparative Example 1 shown in FIG. 6A all the separation membrane modules 2 (see FIG. 2) are connected in series to form one separation unit 91. That is, only the first separation portion 91 is provided, and the second separation portion is not provided.
  • a supply pipe 93 is connected to the fluid supply port 911 of the separation unit 91, and a compressor 931 is provided in the supply pipe 93.
  • a non-permeable fluid recovery pipe 95 is connected to the non-permeable fluid discharge port 912 of the separation unit 91, and a permeation fluid recovery pipe 97 is connected to the permeation fluid discharge port 913.
  • the permeation fluid recovery pipe 97 is not provided with a decompression unit.
  • the return pipe 98 is added to the separation system 9a of Comparative Example 1 shown in FIG. 6A.
  • One end of the return pipe 98 is connected to the permeation fluid recovery pipe 97, and the other end is connected to the upstream side of the compressor 931 in the supply pipe 93.
  • a vacuum pump 971 is added to the separation system 9a of Comparative Example 1 shown in FIG. 6A.
  • the vacuum pump 971 is provided in the permeation fluid recovery pipe 97.
  • the first separation unit 91 and the second separation unit 92 are provided, and the permeation fluid discharge port 913 of the first separation unit 91 and the fluid supply port 921 of the second separation unit 92 are provided. Is connected by the intermediate connection unit 94.
  • a compressor 942 is provided in the intermediate connection portion 94.
  • a supply pipe 93 is connected to the fluid supply port 911 of the first separation unit 91, and a compressor 931 is provided in the supply pipe 93.
  • a first impermeable fluid recovery pipe 95 is connected to the impermeable fluid discharge port 912 of the first separation unit 91, and a second impermeable fluid recovery pipe 96 is connected to the impermeable fluid discharge port 922 of the second separation unit 92. Is connected.
  • a permeation fluid recovery pipe 97 is connected to the permeation fluid discharge port 923 of the second separation unit 92.
  • the separation system 9d of Comparative Example 4 is different from the separation system 4 of Example in that the decompression unit 471 is omitted and the compressor 942 is provided in the intermediate connection unit 94.
  • the same separation membrane module 2 (see FIG. 2) is used in the separation systems 1, 9a to 9d of Examples and Comparative Examples 1 to 4.
  • Each separation membrane module 2 has a separation membrane complex 1 having a diameter of 30 mm and a length of 160 mm.
  • the separation membrane complex 1 is provided with a DDR type zeolite membrane 12.
  • the CO 2 / N 2 permeence ratio of the zeolite membrane 12 is 27.
  • the CO 2 / N 2 permeence ratio is for a case where a single component bomb gas is used as a supply gas, the supply side pressure is 300 kPaG, the permeation side pressure is atmospheric pressure, and the temperature is 25 ° C.
  • the pressure of the supply fluid was set to 800 kPaG.
  • the pressure of the permeation fluid discharge port 413 of the first separation unit 41 was set to 0 kPaG
  • the pressure of the permeation fluid discharge port 423 of the second separation unit 42 was set to ⁇ 100 kPaG.
  • the pressure of the permeation fluid discharge port 913 of the separation unit 91 is set to 0 kPaG
  • the flow rate of the permeation fluid returned by the return pipe 98 is 2.3 Nm 3 / h. did.
  • the pressure of the permeation fluid discharge port 913 of the separation unit 91 was set to ⁇ 100 kPaG.
  • the pressure of the permeation fluid discharge port 913 of the first separation unit 91 is set to 0 kPaG
  • the pressure of the fluid supply port 921 of the second separation unit 92 is set to 200 kPaG
  • the pressure of the permeation fluid of the second separation unit 92 is set to 200 kPaG.
  • the pressure of the discharge port 923 was set to 0 kPaG.
  • the concentration of CO 2 in the permeation fluid recovered by the permeation fluid recovery pipes 47 and 97 was evaluated. This is because it is important to improve the concentration of CO 2 in the permeated fluid in order to expand the applications of the permeated fluid.
  • the separation test was carried out at 25 ° C., and a mixed fluid in which CO 2 was 15% (mol%; the same applies hereinafter) and N 2 was 85% was used as the supply fluid.
  • the mixed fluid was produced by mixing CO 2 bomb gas and N 2 bomb gas.
  • the flow rate of the feed fluid was 30 Nm 3 / h.
  • the number of separation membrane modules 2 used in each separation system 4, 9a to 9d is adjusted so that the CO 2 recovery rate of the permeation fluid recovered by the permeation fluid recovery pipes 47 and 97 is 30%.
  • the test was performed (ie, adjusting the membrane area).
  • the CO 2 recovery rate is a percentage obtained by dividing the CO 2 amount of the permeation fluid in the permeation fluid recovery pipes 47 and 97 by the CO 2 amount of the supply fluid ((CO 2 amount of the permeation fluid / supply fluid). CO 2 amount) x 100).
  • Table 1 shows the results of the separation test.
  • the CO 2 concentration of the permeation fluid in the permeation fluid recovery pipe 97 is 66%, and a sufficient CO 2 concentration is not obtained.
  • the separation system 9b Comparative Example 2 a half of the permeate by returning to the supply pipe 93 in the permeate collection tube 97, although the CO 2 concentration of the permeate was improved slightly (to 70%), sufficient CO 2 concentration Has not been obtained.
  • the separation system 9c of Comparative Example 3 the CO 2 concentration of the permeated fluid was improved to 80% by boosting the supply side of the separation unit 91 and reducing the pressure on the permeation side, but this is not sufficient.
  • the CO 2 concentration of the permeated fluid was improved to 90% by boosting the supply side of the first separation unit 91 and also boosting the supply side of the second separation unit 92.
  • Three compressors 931,942 are required. Since the compressor is expensive, the manufacturing cost of the separation system 9d increases.
  • the CO 2 concentration of the permeated fluid is significantly (96%) by boosting the supply side of the first separation unit 91 and reducing the pressure on the permeation side of the second separation unit 92. It has been improved (up to) and the separation accuracy has been improved. Since the number of expensive compressors (supply fluid boosting unit 431) is one, it is possible to suppress an increase in the manufacturing cost of the separation system 4.
  • the separation system 4 of the embodiment and the separation system 9d of the comparative example 4 are compared, in the separation system 9d of the comparative example 4, it is necessary to boost all the first permeation fluids that have passed through the first separation unit 91. ..
  • the separation system 4 includes a first separation section 41 and a second separation section 42 having a separation membrane (zeolite membrane 12 in the above example).
  • the intermediate connecting portion 44 connects the permeation fluid discharge port 413 of the first separation portion 41 and the fluid supply port 421 of the second separation portion 42.
  • a supply pipe 43 is connected to the fluid supply port 411 of the first separation unit 41, and the mixed fluid is supplied at a pressure higher than the atmospheric pressure.
  • a decompression unit 471 that reduces the pressure in the permeation fluid discharge port 423 to a pressure lower than the atmospheric pressure is connected to the permeation fluid discharge port 423 of the second separation unit 42.
  • the pressure in the intermediate connection portion 44 is lower than the pressure in the supply pipe 43 and becomes equal to or higher than the atmospheric pressure.
  • the separation accuracy can be improved with a simple configuration capable of suppressing energy consumption.
  • the intermediate connection portion 44 is not provided with expensive parts such as a compressor and a vacuum pump, the manufacturing cost of the separation system 4 can be reduced.
  • FIG. 7A is a diagram showing the configuration of the separation system 9e of the other comparative example.
  • FIG. 7B is a diagram showing pressure at each position of the separation system 9e of the other comparative example, and is a diagram corresponding to FIG. 5.
  • the separation system 9e is provided with a compressor 931,942 and a vacuum pump 941,971 on the upstream side and the downstream side of each separation unit 91, 92, and is larger than the separation unit 91, 92.
  • a pressure difference is provided.
  • the separation system 4 is provided with a supply fluid boosting unit 431 on the upstream side of the first separation unit 41 and a decompression unit 471 on the downstream side of the second separation unit 42. The pressure difference generated by the above is shared by the first and second separation portions 41 and 42.
  • the separation system 4 does not simply remove the compressor 942 and the vacuum pump 941 between the first separation unit 91 and the second separation unit 92 in the separation system 9e, but in the separation system 4 and the separation system 9e. , The technical idea is different. Compared with the separation system 9e, the separation system 4 can suppress energy consumption, and can have a simple and compact configuration.
  • the separation system 9e it is premised that a polymer film (organic film) is used as the separation film.
  • the polymer membrane has a lower permeence ratio than the zeolite membrane, and the permeation amount of the permeated fluid is also small. Therefore, in order to improve the separation accuracy and increase the permeation amount of the permeated fluid, compressors and vacuum pumps are provided on the upstream side and the downstream side of each separation part to create a large pressure difference with respect to the separation part. It is necessary to provide it.
  • a separation membrane containing an inorganic material such as a zeolite membrane, a carbon membrane, and a silica membrane is preferably used, and more preferably, the zeolite membrane 12 is used as the separation membrane.
  • the permeence ratio is higher than that of the polymer membrane, and the amount of permeation of the permeating fluid is also large. Therefore, it is possible to easily improve the separation accuracy and increase the permeation amount of the permeated fluid without providing a large pressure difference for each of the separation portions 41 and 42.
  • the separation membrane of the first separation part 41 and / or the separation membrane of the second separation part 42 contains an inorganic material. More preferably, the separation membrane of the first separation portion 41 and / or the separation membrane of the second separation portion 42 is a zeolite membrane 12.
  • a polymer membrane organic membrane
  • the separation membrane not only those using molecular sieves but also accelerated transport membranes may be used. In the separation system 4, it is possible to improve the separation accuracy even when a separation membrane such as a polymer membrane whose separation performance is not high is used.
  • the mixed fluid is a fluid having a molecular size smaller than the pore diameter of the zeolite constituting the zeolite membrane 12 (CO 2 gas in the above example) and a molecule larger than the pore diameter. It preferably contains a fluid of size (N 2 gas in the above example). Thereby, the separation accuracy can be improved more reliably.
  • FIG. 8 is a diagram showing another example of the separation system 4.
  • the separation system 4 of FIG. 8 differs from the separation system 4 of FIG. 1 in that the fluid storage section 441 is provided in the intermediate connection section 44.
  • Other configurations are the same as those of the separation system 4 of FIG. 1, and the same configurations are designated by the same reference numerals (similar to FIGS. 9 to 15 described later).
  • the fluid storage unit 441 is, for example, a buffer tank or the like, and can adjust the flow rate variation of the first permeation fluid and stabilize the performance of the second separation membrane 42.
  • the pressure in the intermediate connection 44 is substantially the same as the atmospheric pressure.
  • the intermediate connection portion 44 may be provided with a fan, a blower, a blower, or the like that is not intended for boosting or depressurizing.
  • the separation performance of the zeolite membrane 12 of the second separation portion 42 may be affected depending on the temperature of the first permeation fluid that rises due to the pressurization by the compressor.
  • the separation system 4 of FIG. 8 does not use a compressor, it is possible to suppress an increase in the manufacturing cost and running cost of the separation system 4.
  • FIG. 9 is a diagram showing another example of the separation system 4.
  • the separation system 4 of FIG. 9 differs from the separation system 4 of FIG. 1 in that a part of the supply pipe 43 and the intermediate connection portion 44 are covered with the heat insulating material 481.
  • a part of the supply pipe 43 and the intermediate connection portion 44 are shown by thick lines, indicating that they are covered with the heat insulating material 481.
  • Other configurations are the same as the separation system 4 of FIG.
  • the heat insulating material 481 is, for example, a fiber-based heat insulating material such as glass wool or a foam-based heat insulating material such as urethane foam, and is a supply fluid (here, a mixed gas) supplied to the first separation unit 41, and the first separation. The temperature drop of the first permeation fluid discharged from the unit 41 is suppressed.
  • the heat insulating material 481 is a condensation prevention unit that prevents condensation of the gas by keeping the gas flowing in the path from the supply pipe 43 to the second separation unit 42 warm. The condensation prevention unit can prevent the permeation performance of the zeolite membrane 12 (particularly, the zeolite membrane 12 of the second separation unit 42) from deteriorating due to the condensation of the gas.
  • the heat insulating material 481 does not necessarily have to cover both the supply pipe 43 and the intermediate connection portion 44, and is predetermined on the path from the supply pipe 43 to the separation membrane of the second separation portion 42 (zeolite membrane 12 in the above example). It suffices if it is provided at a position.
  • the condensation prevention unit may include a heating unit, and in this case as well, the heating unit is provided at a predetermined position on the path from the supply pipe 43 to the separation membrane of the second separation unit 42.
  • the heating portion 481a provided in the intermediate connecting portion 44 is shown by a broken line rectangle.
  • the heating unit 481a may be provided in the supply pipe 43 or may be provided in the first separation unit 41.
  • the condensation prevention unit can prevent the gas from condensing by heating or keeping the gas flowing in the path from the supply pipe 43 to the separation membrane of the second separation unit 42, and the condensation of the gas can be prevented. It is possible to prevent deterioration of the permeation performance of the separation membrane due to the above.
  • FIG. 10 is a diagram showing another example of the separation system 4.
  • the separation system 4 of FIG. 10 differs from the separation system 4 of FIG. 1 in that the pretreatment unit 480 is provided in the supply pipe 43.
  • Other configurations are the same as the separation system 4 of FIG.
  • the pretreatment unit 480 is, for example, a filter, a scrubber, an absorption tower, an adsorption column, a condenser, or the like, and removes at least a part of a predetermined component from the mixed fluid flowing from the source of the mixed fluid toward the first separation unit 41. do.
  • the components to be removed are, for example, components that damage the separation membranes (here, zeolite membrane 12) contained in the separation portions 41 and 42, and components that affect the permeation performance of the separation membranes, such as solid content. It is a minute droplet, a condensed component, a trace amount of gas component, and the like.
  • the component to be removed may be a highly permeable fluid or a low permeable fluid in the first separation membrane portion 41 and / or the second separation membrane portion 42.
  • the pretreatment unit 480 is arranged between the supply fluid boosting unit 431 and the first separation unit 41.
  • the pretreatment unit 480 may be arranged between the supply source of the mixed fluid and the supply fluid booster unit 431, that is, on the upstream side of the supply fluid booster unit 431.
  • the pretreatment unit 480 is provided at a predetermined position between the source of the mixed fluid and the first separation unit 41, and is included in the mixing fluid by the pretreatment unit 480. At least a portion of the predetermined component is removed. Thereby, for example, it is possible to prevent the separation membranes of the separation portions 41 and 42 (particularly, the first separation portion 41) from being damaged or the permeation performance from being deteriorated due to the influence of the component contained in the mixed fluid. ..
  • FIG. 11 is a diagram showing another example of the separation system 4.
  • the separation system 4 of FIG. 11 differs from the separation system 4 of FIG. 1 in that the permeation fluid recovery pipe 47 is provided with the pressure adjusting unit 472 and the fluid analysis unit 473.
  • Other configurations are the same as the separation system 4 of FIG.
  • the fluid analysis unit 473 measures the component composition of the second permeation fluid discharged from the permeation fluid discharge port 423 of the second separation unit 42.
  • the pressure adjusting unit 472 is, for example, a vacuum regulator or the like, and adjusts the pressure in the permeation fluid discharge port 423 of the second separation unit 42.
  • the fluid analysis unit 473 and the pressure adjustment unit 472 are electrically connected to the control unit 40, and the measurement result of the fluid analysis unit 473 is output to the control unit 40.
  • the pressure adjustment unit 472 By controlling the pressure in the permeation fluid discharge port 423 to be lower than the current pressure. Further, when the CO 2 concentration indicated by the measurement result of the fluid analysis unit 473 is higher than the target range, the pressure in the permeation fluid discharge port 423 is made higher than the current pressure by controlling the pressure adjustment unit 472.
  • the fluid analysis unit 473 may be provided in the second impermeable fluid recovery pipe 46. Further, the pressure adjusting unit 472 may be provided in the second impermeable fluid recovery pipe 46, for example, a back pressure valve or the like.
  • a flow rate measuring unit (flow meter) may be provided instead of the fluid analysis unit 473.
  • the flow rate measuring unit measures the flow rate of the second permeated fluid discharged from the permeated fluid discharge port 423 of the second separation unit 42.
  • the control unit 40 for example, when the target range of the flow rate of the second permeation fluid is preset and the flow rate indicated by the measurement result of the flow rate measurement unit is lower than the target range, the pressure adjustment unit 472 is controlled. , Make the pressure in the permeation fluid discharge port 423 lower than the current pressure.
  • the pressure in the permeation fluid discharge port 423 is made higher than the current pressure by controlling the pressure adjusting unit 472.
  • the flow rate measuring unit may be provided in the second impermeable fluid recovery pipe 46. In the separation system 4, both the fluid analysis unit 473 and the flow rate measurement unit may be provided, and the pressure adjustment unit 472 may be controlled based on the CO 2 concentration and the flow rate of the second permeation fluid.
  • the pressure in the permeating fluid discharge port 423 of the second separating unit 42 is adjusted based on the flow rate and / or the component composition of the second permeating fluid or the second non-permeating fluid. .. This makes it easy to keep the flow rate of the fluid discharged from the permeation fluid recovery pipe 47 and / or the concentration of a predetermined component (CO 2 in the above example) in the fluid substantially constant within the target range. It will be possible.
  • FIGS. 12 and 13 are diagrams showing other examples of the separation system 4, respectively.
  • the separation system 4 of FIG. 12 is different from the separation system 4 of FIG. 1 in that a return pipe 482 connecting the first impermeable fluid recovery pipe 45 and the downstream side of the supply fluid boosting unit 431 in the supply pipe 43 is provided. It's different.
  • the separation system 4 of FIG. 13 is different from the separation system 4 of FIG. 1 in that a return pipe 483 connecting the second impermeable fluid recovery pipe 46 and the upstream side of the supply fluid boosting unit 431 in the supply pipe 43 is provided. It's different.
  • Other configurations in FIGS. 12 and 13 are similar to the separation system 4 in FIG.
  • a part of the first impermeable fluid discharged from the impermeable fluid discharge port 412 of the first separation unit 41 is guided to the fluid supply port 411 of the first separation unit 41 by the return pipe 482. Be taken.
  • the concentration of the predetermined component (CO 2 in the above example) can be lowered, and the concentration of the predetermined component in the second permeable fluid can be increased.
  • a part of the second impermeable fluid discharged from the impermeable fluid discharge port 422 of the second separation unit 42 is discharged from the fluid supply port 411 of the first separation unit 41 by the return pipe 483. Guided by.
  • the concentration of the predetermined component (CO 2 in the above example) can be lowered, and the concentration of the predetermined component in the second permeable fluid can be increased.
  • all of the second impermeable fluid may be guided to the fluid supply port 411 of the first separation unit 41 by the return pipe 483. Further, both return pipes 482 and 483 may be provided. As described above, a part of the fluid discharged from the impermeable fluid discharge port 412 of the first separation unit 41 and / or at least one of the fluids discharged from the impermeable fluid discharge port 422 of the second separation unit 42. A return pipe is provided to guide the portion to the fluid supply port 411 of the first separation portion 41. Thereby, the concentration of the predetermined component in the second permeation fluid can be further increased.
  • FIG. 14 is a diagram showing another example of the separation system 4.
  • the separation system 4 of FIG. 14 differs from the separation system 4 of FIG. 1 in that an energy conversion unit 484 is provided in the first impermeable fluid recovery pipe 45.
  • Other configurations are the same as the separation system 4 of FIG.
  • the energy conversion unit 484 is, for example, a turbine or the like, and converts the pressure energy of the first impermeable fluid flowing through the first impermeable fluid recovery pipe 45 into other energy such as electric energy and mechanical energy.
  • the energy obtained by the energy conversion unit 484 may be used in the supply fluid boosting unit 431, the decompression unit 471, and the like.
  • the first non-permeable fluid discharged from the non-permeable fluid discharge port 412 of the first separation unit 41 has substantially the same pressure as the supply fluid boosted by the supply fluid booster unit 431.
  • the energy conversion unit 484 that converts the pressure energy of the first impermeable fluid into other energy, the energy can be efficiently used in the separation system 4.
  • FIG. 15 is a diagram showing another example of the separation system 4.
  • the end of the second impermeable fluid recovery pipe 46 opposite to the impermeable fluid discharge port 422 is connected to the first impermeable fluid recovery pipe 45, and the second impermeable fluid recovery pipe 45 is connected to the second impermeable fluid recovery pipe 45.
  • the discharge fluid booster 485 is provided in the fluid recovery pipe 46.
  • Other configurations are the same as the separation system 4 of FIG.
  • the exhaust fluid boosting unit 485 is, for example, a compressor or the like, and boosts the second impermeable fluid flowing through the second impermeable fluid recovery pipe 46.
  • the second impermeable fluid discharged from the impermeable fluid discharge port 422 of the second separation unit 42 is the first impermeable fluid discharged from the impermeable fluid discharge port 412 of the first separation unit 41.
  • the pressure is lower than. Therefore, by boosting the second impermeable fluid by the exhaust fluid boosting unit 485 and mixing the second impermeable fluid with the first impermeable fluid, a large amount of high-pressure impermeable fluid can be obtained.
  • the CO 2 concentration in the permeation fluid (second permeation fluid) recovered by the permeation fluid recovery pipe 47 becomes high. Therefore, when the biogas containing CH 4 and CO 2 as the main components is used as the supply fluid, the non-permeable fluid recovered by the first impermeable fluid recovery pipe 45 and the second impermeable fluid recovery pipe 46 is CH. 4 The concentration increases. In the separation system 4 of FIG. 15, the pressure was maintained in the storage tank connected to the first impermeable fluid recovery pipe 45 for the first impermeable fluid that passed through the first separation unit 41 and had a high CH 4 concentration.
  • the separation system 4 can be modified in various ways.
  • the separation portions may be arranged in three or more stages.
  • the separation portions other than the first and second separation portions 41 and 42 are arranged, for example, on the upstream side of the supply pipe 43.
  • a plurality of separation membrane modules 2 may be connected in parallel.
  • the set of M supply ports 221 becomes the fluid supply port 411, and the set of M first discharge ports 222 is set.
  • the intermediate connection unit 44 all the first permeation fluid discharged from the permeation fluid discharge port 413 of the first separation unit 41 does not need to be supplied to the fluid supply port 421 of the second separation unit 42, and the separation system 4 Depending on the design of, only a portion of the first permeation fluid may be supplied to the fluid supply port 421. In this case, the first permeation fluid that is not supplied to the fluid supply port 421 may be returned to the upstream side of the supply fluid boosting unit 431 in the supply pipe 43.
  • the pressure in the intermediate connection 44 (that is, the pressure of the first permeation fluid) does not have to be substantially atmospheric pressure, and may be sufficiently higher than the atmospheric pressure as long as it is lower than the pressure of the supply fluid.
  • a part of the fluid supplied to the second separation unit 42 permeates through the zeolite membrane 12 and is guided to the permeation side (permeation fluid discharge port 423) by the decompression operation of the decompression unit 471. It is also possible to construct a separation system of a reference example that guides a part of the fluid supplied to the second separation unit 42 to the transmission side by flowing a sweep gas to the permeation side of the second separation unit 42 instead of the unit 471. It is possible.
  • the maximum number of membered rings of the zeolite forming the zeolite membrane 12 may be other than 8.
  • the zeolite membrane 12 may be formed of various types of zeolites.
  • the separation membrane complex 1 may further include a functional membrane or a protective membrane laminated on the zeolite membrane 12.
  • a functional film or a protective film may be an inorganic film such as a zeolite film, a silica film or a carbon film, or an organic film such as a polyimide film or a silicone film.
  • a substance that easily adsorbs a specific molecule such as CO 2 may be added to the functional membrane or the protective membrane laminated on the zeolite membrane 12.
  • the separation membrane module 2 may be a membrane reactor provided with a catalyst that further promotes a chemical reaction.
  • a separation membrane other than the zeolite membrane 12 (for example, the above-mentioned inorganic membrane or organic membrane) may be formed on the support 11.
  • the separation system 4 may be used for the purpose of concentrating at least one kind of low-permeability fluid.
  • gas (including vapor) separation is performed in the separation system 4, but the supply fluid may be a mixed liquid containing a plurality of types of liquids, and liquid separation or pervaporation may be performed.
  • the separation system of the present invention can be used for separating various substances in various fields.

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Abstract

分離システム（４）は、分離膜を有するとともに、流体供給ポート（４１１）、透過流体排出ポート（４１３）および非透過流体排出ポート（４１２）が設けられた第１分離部（４１）と、分離膜を有するとともに、流体供給ポート（４２１）、透過流体排出ポート（４２３）および非透過流体排出ポート（４２２）が設けられた第２分離部（４２）と、第１分離部の透過流体排出ポートと第２分離部の流体供給ポートとを接続する中間接続部（４４）と、第１分離部の流体供給ポートに接続され、複数種類の流体を含む混合流体が、大気圧よりも高い圧力にて流れる供給管（４３）と、第２分離部の透過流体排出ポートに接続され、透過流体排出ポート内の圧力を大気圧よりも低い圧力に減圧する減圧部（４７１）とを備える。中間接続部に昇圧を目的とした装置および減圧を目的とした装置が設けられず、中間接続部内の圧力が供給管内の圧力よりも低く、かつ、大気圧以上である。

Description

分離システム
　本発明は、分離システムに関する。
［関連出願の参照］
　本願は、２０２０年７月１３日に出願された日本国特許出願ＪＰ２０２０－１２００２８、および、２０２１年３月１２日に出願された国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ２０２１／０１０２１９からの優先権の利益を主張し、これらの出願の全ての開示は、本願に組み込まれる。
　液体、ガス、蒸気などからなる混合流体の分離方法として、蒸留法、化学吸収法、物理吸収法、吸着法、膜分離法などがあり、その中でも膜分離法は、システム構成がシンプルかつコンパクトである、メンテナンスが容易である、消費エネルギーが小さいなどの利点があることから注目されている。膜分離法による混合流体の分離は、バイオエタノール精製工程における脱水、天然ガス精製工程やバイオガス精製工程におけるＣＯ２除去など様々な用途で実用化されている。
　地球温暖化防止に関して２０１５年のＣＯＰ２１で合意されたパリ協定で、産業革命以前に比べて今世紀中の世界の平均気温上昇を２℃より十分低く保つとともに、１．５℃に抑える努力を追求するという目標が掲げられ、この目標を達成するために世界的にＣＣＳ（Carbon dioxide Capture and Storage）やＣＣＵＳ（Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage）に関する活動が活発に行われている。ＣＣＳやＣＣＵＳにおいてＣＯ２の回収工程は非常に重要な工程であり、ＣＣＳやＣＣＵＳの普及にはいかに安価に高純度のＣＯ２を回収できるかが鍵になる。
　近年ではＣＣＳやＣＣＵＳへの利用を目的として、天然ガス精製におけるＣＯ２の分離回収や、火力発電所や工場、自動車などの移動手段における内燃機関の排ガスからのＣＯ２分離回収への分離膜の適用検討などが行われている。
　膜分離法では、分離膜の供給側と透過側の間における流体成分の分圧差がドライビングフォースとなり、元々圧力が高い混合流体を分離膜に供給する場合を除いて、一般的には分離膜の供給側の昇圧、あるいは透過側の減圧などが行われる（例えば、特許第６４３５９６１号公報（文献１）、特開２０２０－３２３３０号公報（文献２）、特開２０１２－２３６１２３号公報（文献３）および特開２００８－１３７８４７号公報（文献４）参照）。なお、特許第６５５３７３９号公報（文献５）では、分離膜の透過側に水蒸気スイープガスを流すことにより、ドライビングフォースを確保する手法が開示されている。
　また、膜分離法を利用する分離システムの分離精度は、基本的には分離膜の材料や構造、分離膜モジュールの構成などにより左右されるため、分離膜および分離膜モジュールの開発が盛んに行われているが、分離システムの構成を工夫することにより分離システムとしての分離精度を最大限に向上させようとする取り組みもなされている。例えば、文献１ないし５では、分離膜モジュールを透過した流体を、さらに他の分離膜モジュールに供給する分離システムが提案されている。文献１ないし５では、複数箇所にコンプレッサーを設置して供給流体を昇圧する、１つの分離膜モジュールにおいて供給側の昇圧と透過側の減圧を同時に行う、分離膜を透過した流体をもう一度供給側に戻すなどの手法も提案されている。
　ところで、上述の分離システムでは、分離精度をある程度向上することが可能であるが、それでも分離精度が不十分であったり、分離システムの構成が複雑になってしまったり、消費エネルギーが著しく大きくなってしまうという問題がある。
　本発明は、分離システムに向けられており、分離システムにおいて、消費エネルギーを抑制可能かつ簡単な構成にて分離精度を向上することを目的としている。
　本発明に係る分離システムは、分離膜を有するとともに、流体供給ポート、透過流体排出ポートおよび非透過流体排出ポートが設けられた第１分離部と、分離膜を有するとともに、流体供給ポート、透過流体排出ポートおよび非透過流体排出ポートが設けられた第２分離部と、前記第１分離部の前記透過流体排出ポートと前記第２分離部の前記流体供給ポートとを接続する中間接続部と、前記第１分離部の前記流体供給ポートに接続され、複数種類の流体を含む混合流体が、大気圧よりも高い圧力にて流れる供給管と、前記第２分離部の前記透過流体排出ポートに接続され、前記透過流体排出ポート内の圧力を大気圧よりも低い圧力に減圧する減圧部とを備える。前記中間接続部に昇圧を目的とした装置および減圧を目的とした装置が設けられておらず、前記中間接続部内の圧力が前記供給管内の圧力よりも低く、かつ、大気圧以上である。
　本発明によれば、分離システムにおいて、消費エネルギーを抑制可能かつ簡単な構成にて分離精度を向上することができる。
　好ましくは、前記第２分離部における前記流体供給ポートと前記透過流体排出ポートとの間の圧力差が、前記第１分離部における前記圧力差の０．８倍以下である。
　好ましくは、前記混合流体が、複数種類の気体を含む混合気体である。
　好ましくは、分離システムは、前記供給管から前記第２分離部の前記分離膜に至る経路上の所定位置に設けられ、前記経路を流れる気体を加熱または保温することにより、前記気体の凝縮を防止する凝縮防止部をさらに備える。
　好ましくは、分離システムは、前記混合流体の供給源と前記第１分離部との間の所定位置に設けられ、前記混合流体に含まれる所定成分の少なくとも一部を除去する前処理部をさらに備える。
　好ましくは、前記第１分離部の前記分離膜および／または前記第２分離部の前記分離膜が、無機材料を含む。
　好ましくは、前記第１分離部の前記分離膜および／または前記第２分離部の前記分離膜が、ゼオライト膜である。
　好ましくは、前記混合流体が、前記ゼオライト膜を構成するゼオライトの細孔径よりも小さい分子サイズの流体と、前記細孔径よりも大きい分子サイズの流体とを含む。
　好ましくは、前記ゼオライト膜を構成するゼオライトが８員環ゼオライトである。
　好ましくは、分離システムは、前記第２分離部の前記透過流体排出ポートまたは前記非透過流体排出ポートから排出される流体の流量および／または成分組成が所定の範囲内となるように、前記第２分離部の前記透過流体排出ポート内または前記非透過流体排出ポート内の圧力を調整する圧力調整部をさらに備える。
　好ましくは、分離システムは、前記第１分離部の前記非透過流体排出ポートから排出される流体の一部、および／または、前記第２分離部の前記非透過流体排出ポートから排出される流体の少なくとも一部を、前記第１分離部の前記流体供給ポートに導く戻り管をさらに備える。
　好ましくは、分離システムは、前記第１分離部の前記非透過流体排出ポートから排出される流体の圧力エネルギーを、他のエネルギーに変換するエネルギー変換部をさらに備える。
　好ましくは、分離システムは、前記第２分離部の前記非透過流体排出ポートから排出される流体を昇圧する排出流体昇圧部をさらに備える。前記排出流体昇圧部により昇圧された流体が、前記第１分離部の前記非透過流体排出ポートから排出される流体と混合される。
　上述の目的および他の目的、特徴、態様および利点は、添付した図面を参照して以下に行うこの発明の詳細な説明により明らかにされる。
分離システムの構成を示す図である。 分離膜モジュールの概略構造を示す図である。 分離膜複合体の断面図である。 分離膜複合体の一部を拡大して示す断面図である。 分離システムの各位置における圧力を示す図である。 比較例の分離システムの構成を示す図である。 比較例の分離システムの構成を示す図である。 比較例の分離システムの構成を示す図である。 比較例の分離システムの構成を示す図である。 他の比較例の分離システムの構成を示す図である。 他の比較例の分離システムの各位置における圧力を示す図である。 分離システムの他の例を示す図である。 分離システムの他の例を示す図である。 分離システムの他の例を示す図である。 分離システムの他の例を示す図である。 分離システムの他の例を示す図である。 分離システムの他の例を示す図である。 分離システムの他の例を示す図である。 分離システムの他の例を示す図である。
　図１は、本発明の一の実施の形態に係る分離システム４の構成を示す図である。分離システム４は、複数種類の流体（すなわち、気体または液体）を含む混合流体から、後述する分離膜複合体１に対する透過性が高い流体を分離させるシステムである。分離システム４における分離は、例えば、透過性が高い流体を混合流体から抽出する目的で行われてもよく、透過性が低い流体を濃縮する目的で行われてもよい。
　混合流体は、複数種類の気体（蒸気を含む）を含む混合気体であってもよく、複数種類の液体を含む混合液であってもよく、気体および液体の双方を含む気液二相流体であってもよい。混合流体には、粒子等の微量な固体が含まれていてもよい。
　混合流体は、例えば、水素（Ｈ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、水（Ｈ２Ｏ）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素酸化物、アンモニア（ＮＨ３）、硫黄酸化物、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、フッ化硫黄、水銀（Ｈｇ）、アルシン（ＡｓＨ３）、シアン化水素（ＨＣＮ）、硫化カルボニル（ＣＯＳ）、Ｃ１～Ｃ８の炭化水素、有機酸、アルコール、メルカプタン類、エステル、エーテル、ケトンおよびアルデヒドのうち、１種類以上の物質を含む。
　窒素酸化物とは、窒素と酸素の化合物である。上述の窒素酸化物は、例えば、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ２）、亜酸化窒素（一酸化二窒素ともいう。）（Ｎ２Ｏ）、三酸化二窒素（Ｎ２Ｏ３）、四酸化二窒素（Ｎ２Ｏ４）、五酸化二窒素（Ｎ２Ｏ５）等のＮＯＸ（ノックス）と呼ばれるガスである。
　硫黄酸化物とは、硫黄と酸素の化合物である。上述の硫黄酸化物は、例えば、二酸化硫黄（ＳＯ２）、三酸化硫黄（ＳＯ３）等のＳＯＸ（ソックス）と呼ばれるガスである。
　フッ化硫黄とは、フッ素と硫黄の化合物である。上述のフッ化硫黄は、例えば、二フッ化二硫黄（Ｆ－Ｓ－Ｓ－Ｆ，Ｓ＝ＳＦ２）、二フッ化硫黄（ＳＦ２）、四フッ化硫黄（ＳＦ４）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）または十フッ化二硫黄（Ｓ２Ｆ１０）等である。
　Ｃ１～Ｃ８の炭化水素とは、炭素が１個以上かつ８個以下の炭化水素である。Ｃ３～Ｃ８の炭化水素は、直鎖化合物、側鎖化合物および環式化合物のうちいずれであってもよい。また、Ｃ２～Ｃ８の炭化水素は、飽和炭化水素（すなわち、２重結合および３重結合が分子中に存在しないもの）、不飽和炭化水素（すなわち、２重結合および／または３重結合が分子中に存在するもの）のどちらであってもよい。Ｃ１～Ｃ４の炭化水素は、例えば、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）、ノルマルブタン（ＣＨ３（ＣＨ２）２ＣＨ３）、イソブタン（ＣＨ（ＣＨ３）３）、１－ブテン（ＣＨ２＝ＣＨＣＨ２ＣＨ３）、２－ブテン（ＣＨ３ＣＨ＝ＣＨＣＨ３）またはイソブテン（ＣＨ２＝Ｃ（ＣＨ３）２）である。
　上述の有機酸は、カルボン酸またはスルホン酸等である。カルボン酸は、例えば、ギ酸（ＣＨ２Ｏ２）、酢酸（Ｃ２Ｈ４Ｏ２）、シュウ酸（Ｃ２Ｈ２Ｏ４）、アクリル酸（Ｃ３Ｈ４Ｏ２）または安息香酸（Ｃ６Ｈ５ＣＯＯＨ）等である。スルホン酸は、例えば、エタンスルホン酸（Ｃ２Ｈ６Ｏ３Ｓ）等である。当該有機酸は、鎖式化合物であってもよく、環式化合物であってもよい。
　上述のアルコールは、例えば、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、イソプロパノール（２－プロパノール）（ＣＨ３ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ３）、エチレングリコール（ＣＨ２（ＯＨ）ＣＨ２（ＯＨ））またはブタノール（Ｃ４Ｈ９ＯＨ）等である。
　メルカプタン類とは、水素化された硫黄（ＳＨ）を末端に持つ有機化合物であり、チオール、または、チオアルコールとも呼ばれる物質である。上述のメルカプタン類は、例えば、メチルメルカプタン（ＣＨ３ＳＨ）、エチルメルカプタン（Ｃ２Ｈ５ＳＨ）または１－プロパンチオール（Ｃ３Ｈ７ＳＨ）等である。
　上述のエステルは、例えば、ギ酸エステルまたは酢酸エステル等である。
　上述のエーテルは、例えば、ジメチルエーテル（（ＣＨ３）２Ｏ）、メチルエチルエーテル（Ｃ２Ｈ５ＯＣＨ３）またはジエチルエーテル（（Ｃ２Ｈ５）２Ｏ）等である。
　上述のケトンは、例えば、アセトン（（ＣＨ３）２ＣＯ）、メチルエチルケトン（Ｃ２Ｈ５ＣＯＣＨ３）またはジエチルケトン（（Ｃ２Ｈ５）２ＣＯ）等である。
　上述のアルデヒドは、例えば、アセトアルデヒド（ＣＨ３ＣＨＯ）、プロピオンアルデヒド（Ｃ２Ｈ５ＣＨＯ）またはブタナール（ブチルアルデヒド）（Ｃ３Ｈ７ＣＨＯ）等である。
　以下の説明では、分離システム４により分離される混合流体は、複数種類の気体を含む混合気体であるものとして説明する。混合気体には、粒子や液滴等が不純物として含まれていてもよい。
　図１の分離システム４は、第１分離部４１と、第２分離部４２とを備える。第１分離部４１は、１個以上の分離膜モジュール２を有する。第２分離部４２も、１個以上の分離膜モジュール２を有する。本実施の形態では、各分離部４１，４２が、複数の分離膜モジュール２を有する。図１では、各分離部４１，４２に含まれる複数の分離膜モジュール２を破線の矩形にて囲んでいる。以下、分離膜モジュール２について詳細に説明する。
　図２は、１つの分離膜モジュール２の概略構造を示す図である。図２では、一部の構成の断面における平行斜線を省略している。分離膜モジュール２は、分離膜複合体１と、２つの封止部２１と、ハウジング２２と、２つのシール部材２３とを備える。分離膜複合体１、封止部２１およびシール部材２３は、ハウジング２２内に収容される。
　図３は、分離膜複合体１の断面図である。図４は、分離膜複合体１の一部を拡大して示す断面図である。分離膜複合体１は、多孔質の支持体１１と、支持体１１上に形成された分離膜であるゼオライト膜１２とを備える。ゼオライト膜１２とは、少なくとも、支持体１１の表面にゼオライトが膜状に形成されたものであって、有機膜中にゼオライト粒子を分散させただけのものは含まない。ゼオライト膜１２は、構造や組成が異なる２種類以上のゼオライトを含んでいてもよい。図３では、ゼオライト膜１２を太線にて描いている。図４では、ゼオライト膜１２に平行斜線を付す。また、図４では、ゼオライト膜１２の厚さを実際よりも厚く描いている。なお、分離膜複合体１では、ゼオライト膜１２以外の分離膜が設けられてもよい。
　支持体１１は、気体および液体を透過可能な多孔質部材である。図３に示す例では、支持体１１は、一体成形された一繋がりの柱状の本体に、長手方向（すなわち、図３中の左右方向）にそれぞれ延びる複数の貫通孔１１１が設けられたモノリス型支持体である。図３に示す例では、支持体１１は略円柱状である。各貫通孔１１１（すなわち、セル）の長手方向に垂直な断面は、例えば略円形である。図３では、貫通孔１１１の径を実際よりも大きく、貫通孔１１１の数を実際よりも少なく描いている。ゼオライト膜１２は、貫通孔１１１の内側面上に形成され、貫通孔１１１の内側面を略全面に亘って被覆する。
　支持体１１の長さ（すなわち、図３中の左右方向の長さ）は、例えば１０ｃｍ～２００ｃｍである。支持体１１の外径は、例えば０．５ｃｍ～３０ｃｍである。隣接する貫通孔１１１の中心軸間の距離は、例えば０．３ｍｍ～１０ｍｍである。支持体１１の表面粗さ（Ｒａ）は、例えば０．１μｍ～５．０μｍであり、好ましくは０．２μｍ～２．０μｍである。なお、支持体１１の形状は、例えば、ハニカム状、平板状、管状、円筒状、円柱状または多角柱状等であってもよい。支持体１１の形状が管状または円筒状である場合、支持体１１の厚さは、例えば０．１ｍｍ～１０ｍｍである。
　支持体１１の材料は、表面にゼオライト膜１２を形成する工程において化学的安定性を有するのであれば、様々な物質（例えば、セラミックまたは金属）が採用可能である。本実施の形態では、支持体１１はセラミック焼結体により形成される。支持体１１の材料として選択されるセラミック焼結体としては、例えば、アルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化ケイ素、炭化ケイ素等が挙げられる。本実施の形態では、支持体１１は、アルミナ、シリカおよびムライトのうち、少なくとも１種類を含む。
　支持体１１は、無機結合材を含んでいてもよい。無機結合材としては、チタニア、ムライト、易焼結性アルミナ、シリカ、ガラスフリット、粘土鉱物、易焼結性コージェライトのうち少なくとも１つを用いることができる。
　支持体１１の平均細孔径は、例えば０．０１μｍ～７０μｍであり、好ましくは０．０５μｍ～２５μｍである。ゼオライト膜１２が形成される表面近傍における支持体１１の平均細孔径は０．０１μｍ～１μｍであり、好ましくは０．０５μｍ～０．５μｍである。平均細孔径は、例えば、水銀ポロシメータ、パームポロシメータまたはナノパームポロシメータにより測定することができる。支持体１１の表面および内部を含めた全体における細孔径の分布について、Ｄ５は例えば０．０１μｍ～５０μｍであり、Ｄ５０は例えば０．０５μｍ～７０μｍであり、Ｄ９５は例えば０．１μｍ～２０００μｍである。ゼオライト膜１２が形成される表面近傍における支持体１１の気孔率は、例えば２０％～６０％である。
　支持体１１は、例えば、平均細孔径が異なる複数の層が厚さ方向に積層された多層構造を有する。図４の例では、支持体１１は、基材３１と、中間層３２と、表面層３３とを有する。ゼオライト膜１２が形成される表面を含む表面層３３における平均細孔径および焼結粒径は、表面層３３以外の層（基材３１および中間層３２）における平均細孔径および焼結粒径よりも小さい。支持体１１の表面層３３の平均細孔径は、例えば０．０１μｍ～１μｍであり、好ましくは０．０５μｍ～０．５μｍである。支持体１１が多層構造を有する場合、各層の材料は上記のものを用いることができる。多層構造を形成する複数の層の材料は、同じであってもよく、異なっていてもよい。支持体１１では、平均細孔径等が互いに異なる複数の中間層３２が、基材３１と表面層３３との間にて積層されてもよい。また、支持体１１では、表面層３３または中間層３２が省略されてもよく、表面層３３および中間層３２の双方が省略されてもよい。
　ゼオライト膜１２は、微細孔を有する多孔膜である。ゼオライト膜１２は、複数種類の物質が混合した混合物質から、分子篩作用を利用して特定の物質を分離する分離膜として利用可能である。ゼオライト膜１２では、当該特定の物質に比べて他の物質が透過しにくい。換言すれば、ゼオライト膜１２の当該他の物質の透過量は、上記特定の物質の透過量に比べて小さい。
　ゼオライト膜１２の厚さは、例えば０．０５μｍ～３０μｍであり、好ましくは０．１μｍ～２０μｍであり、さらに好ましくは０．５μｍ～１０μｍである。ゼオライト膜１２を厚くすると分離性能が向上する。ゼオライト膜１２を薄くすると透過速度が増大する。ゼオライト膜１２の表面粗さ（Ｒａ）は、例えば５μｍ以下であり、好ましくは２μｍ以下であり、より好ましくは１μｍ以下であり、さらに好ましくは０．５μｍ以下である。
　ゼオライト膜１２に含まれるゼオライト結晶の細孔径（以下、単に「ゼオライト膜１２の細孔径」とも呼ぶ。）は、０．２ｎｍ以上かつ０．８ｎｍ以下であり、より好ましくは、０．３ｎｍ以上かつ０．７ｎｍ以下であり、さらに好ましくは、０．３ｎｍ以上かつ０．４５ｎｍ以下である。ゼオライト膜１２の細孔径が０．２ｎｍ未満の場合、ゼオライト膜を透過する物質の量が少なくなる場合があり、ゼオライト膜１２の細孔径が０．８ｎｍよりも大きい場合、ゼオライト膜による物質の選択性が不十分となる場合がある。ゼオライト膜１２の細孔径とは、ゼオライト膜１２を構成するゼオライト結晶の細孔の最大直径（すなわち、酸素原子間距離の最大値である長径）と略垂直な方向における細孔の直径（すなわち、短径）である。ゼオライト膜１２の細孔径は、ゼオライト膜１２が配設される支持体１１の表面における平均細孔径よりも小さい。
　ゼオライト膜１２を構成するゼオライトの最大員環数がｎの場合、ｎ員環細孔の短径をゼオライト膜１２の細孔径とする。また、ゼオライトが、ｎが等しい複数種のｎ員環細孔を有する場合には、最も大きい短径を有するｎ員環細孔の短径をゼオライト膜１２の細孔径とする。なお、ｎ員環とは、細孔を形成する骨格を構成する酸素原子の数がｎ個であって、各酸素原子が後述のＴ原子と結合して環状構造をなす部分のことである。また、ｎ員環とは、貫通孔（チャンネル）を形成しているものをいい、貫通孔を形成していないものは含まない。ｎ員環細孔とは、ｎ員環により形成される細孔である。選択性能向上の観点から、上述のゼオライト膜１２に含まれるゼオライトの最大員環数は、８であることが好ましい。すなわち、ゼオライト膜１２を構成するゼオライトが８員環ゼオライトであることが好ましい。
　ゼオライト膜の細孔径は当該ゼオライトの骨格構造によって一義的に決定され、国際ゼオライト学会の“Ｄａｔａｂａｓｅ　ｏｆ　Ｚｅｏｌｉｔｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”［ｏｎｌｉｎｅ］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｚａ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｏｒｇ／ｄａｔａｂａｓｅｓ／＞に開示されている値から求めることができる。
　ゼオライト膜１２を構成するゼオライトの種類は特に限定されないが、例えば、ＡＥＩ型、ＡＥＮ型、ＡＦＮ型、ＡＦＶ型、ＡＦＸ型、ＢＥＡ型、ＣＨＡ型、ＤＤＲ型、ＥＲＩ型、ＥＴＬ型、ＦＡＵ型（Ｘ型、Ｙ型）、ＧＩＳ型、ＩＨＷ型、ＬＥＶ型、ＬＴＡ型、ＬＴＪ型、ＭＥＬ型、ＭＦＩ型、ＭＯＲ型、ＰＡＵ型、ＲＨＯ型、ＳＯＤ型、ＳＡＴ型等のゼオライトであってもよい。当該ゼオライトが８員環ゼオライトである場合、例えば、ＡＥＩ型、ＡＦＮ型、ＡＦＶ型、ＡＦＸ型、ＣＨＡ型、ＤＤＲ型、ＥＲＩ型、ＥＴＬ型、ＧＩＳ型、ＩＨＷ型、ＬＥＶ型、ＬＴＡ型、ＬＴＪ型、ＲＨＯ型、ＳＡＴ型等のゼオライトであってもよい。本実施の形態では、ゼオライト膜１２を構成するゼオライトの種類は、ＤＤＲ型のゼオライトである。
　ゼオライト膜１２は、例えば、ケイ素（Ｓｉ）を含む。ゼオライト膜１２は、例えば、Ｓｉ、アルミニウム（Ａｌ）およびリン（Ｐ）のうちいずれか２つ以上を含んでいてもよい。ゼオライト膜１２を構成するゼオライトとしては、ゼオライトを構成する酸素四面体（ＴＯ４）の中心に位置する原子（Ｔ原子）がＳｉのみ、もしくは、ＳｉとＡｌとからなるゼオライト、Ｔ原子がＡｌとＰとからなるＡｌＰＯ型のゼオライト、Ｔ原子がＳｉとＡｌとＰとからなるＳＡＰＯ型のゼオライト、Ｔ原子がマグネシウム（Ｍｇ）とＳｉとＡｌとＰとからなるＭＡＰＳＯ型のゼオライト、Ｔ原子が亜鉛（Ｚｎ）とＳｉとＡｌとＰとからなるＺｎＡＰＳＯ型のゼオライト等を用いることができる。Ｔ原子の一部は、他の元素に置換されていてもよい。
　ゼオライト膜１２がＳｉ原子およびＡｌ原子を含む場合、ゼオライト膜１２におけるＳｉ／Ａｌ比は、例えば１以上かつ１０万以下である。Ｓｉ／Ａｌ比は、ゼオライト膜１２に含有されるＡｌ元素に対するＳｉ元素のモル比率である。当該Ｓｉ／Ａｌ比は、好ましくは５以上、より好ましくは２０以上、さらに好ましくは１００以上であり、高ければ高いほど好ましい。ゼオライト膜１２の作製に用いる原料溶液中のＳｉ源とＡｌ源との配合割合等を調整することにより、ゼオライト膜１２におけるＳｉ／Ａｌ比を調整することができる。ゼオライト膜１２は、アルカリ金属を含んでいてもよい。当該アルカリ金属は、例えば、ナトリウム（Ｎａ）またはカリウム（Ｋ）である。
　ゼオライト膜１２のＣＯ２透過量／Ｎ２透過量比（パーミエンス比）は、例えば５以上であり、好ましくは１０以上であり、より好ましくは１５以上であり、さらに好ましくは２５以上である。当該パーミエンス比は、単成分のボンベガスを供給ガスとして使用し、供給側圧力が３００ｋＰａＧ、透過側圧力が大気圧、温度が２５℃である場合のものである。
　図２に示すように、分離膜モジュール２における２つの封止部２１は、支持体１１の長手方向（すなわち、図２中の左右方向）の両端部に取り付けられ、支持体１１の長手方向両端面、および、当該両端面近傍の外側面を被覆して封止する部材である。封止部２１は、支持体１１の当該両端面からの気体および液体の流入および流出を防止する。各封止部２１は、例えば、ガラスまたは樹脂により形成された板状または膜状の部材である。封止部２１の材料および形状は、適宜変更されてよい。なお、封止部２１には、支持体１１の複数の貫通孔１１１と重なる複数の開口が設けられているため、支持体１１の各貫通孔１１１の長手方向両端は、封止部２１により被覆されていない。したがって、当該両端から貫通孔１１１への気体および液体の流入および流出は可能である。
　ハウジング２２の形状は特に限定されないが、例えば、略円筒状の筒状部材である。ハウジング２２は、例えば、ステンレス鋼または炭素鋼により形成される。ハウジング２２の長手方向は、分離膜複合体１の長手方向に略平行である。ハウジング２２の長手方向の一方の端部（すなわち、図２中の左側の端部）には供給ポート２２１が設けられ、他方の端部には第１排出ポート２２２が設けられる。ハウジング２２の側面には、第２排出ポート２２３が設けられる。ハウジング２２の内部空間は、ハウジング２２の周囲の空間から隔離された密閉空間である。
　２つのシール部材２３は、分離膜複合体１の長手方向両端部近傍において、分離膜複合体１の外側面とハウジング２２の内側面との間に、全周に亘って配置される。各シール部材２３は、気体および液体が透過不能な材料により形成された略円環状の部材である。シール部材２３は、例えば、可撓性を有する樹脂により形成されたＯリングである。シール部材２３は、分離膜複合体１の外側面およびハウジング２２の内側面に全周に亘って密着する。図２に示す例では、シール部材２３は、封止部２１の外側面に密着し、封止部２１を介して分離膜複合体１の外側面に間接的に密着する。シール部材２３と分離膜複合体１の外側面との間、および、シール部材２３とハウジング２２の内側面との間は、シールされており、気体および液体の通過はほとんど、または、全く不能である。
　分離膜モジュール２では、ゼオライト膜１２に対する透過性が異なる複数種類の流体を含む混合流体（ここでは、混合気体）が、矢印２５１にて示すように、ハウジング２２の内部に供給される。例えば、混合流体の主成分は、ＣＯ２ガスおよびＮ２ガスである。混合流体には、ＣＯ２およびＮ２以外の物質が含まれていてもよい。ハウジング２２に供給された混合流体は、分離膜複合体１の図中の左端から、支持体１１の各貫通孔１１１内に導入される。混合流体中の透過性が高い流体（例えば、ＣＯ２ガスであり、以下、「高透過性流体」と呼ぶ。）は、各貫通孔１１１の内側面上に設けられたゼオライト膜１２、および、支持体１１を透過して支持体１１の外側面から導出される。これにより、高透過性流体が、混合流体中の透過性が低い流体（例えば、Ｎ２ガスであり、以下、「低透過性流体」と呼ぶ。）から分離される。
　分離膜複合体１を透過して支持体１１の外側面から導出された流体（以下、「透過流体」と呼ぶ。）は、矢印２５３にて示すように、第２排出ポート２２３を介してハウジング２２から排出される。透過流体には、上述の高透過性流体以外に、ゼオライト膜１２を透過した低透過性流体が含まれていてもよい。
　また、混合流体のうち、ゼオライト膜１２および支持体１１を透過した流体を除く流体（以下、「非透過流体」と呼ぶ。）は、支持体１１の各貫通孔１１１を図中の左側から右側へと通過する。非透過流体は、矢印２５２にて示すように、第１排出ポート２２２を介してハウジング２２から排出される。ハウジング２２から排出される非透過流体の圧力は、例えば、ハウジング２２内に導入される流体の圧力（導入圧）と略同じである。非透過流体には、上述の低透過性流体以外に、ゼオライト膜１２を透過しなかった高透過性流体が含まれていてもよい。
　既述のように、図１に示す各分離部４１，４２は、複数の分離膜モジュール２を有してもよい。例えば、各分離部４１，４２が第１分離膜モジュール２から第Ｍ分離膜モジュール２（Ｍは２以上の整数）までのＭ個の分離膜モジュール２を含む場合、第（ｍ－１）分離膜モジュール２（ｍは２以上かつＭ以下の整数）の第１排出ポート２２２が、第ｍ分離膜モジュール２の供給ポート２２１に連結される。これにより、複数の分離膜モジュール２が直列に連結される。後述するように、各分離部４１，４２では、第１分離膜モジュール２に流体が供給され、ゼオライト膜１２を透過しない流体が第１ないし第Ｍ分離膜モジュール２を順に通過する。ここでは、第１および第２分離部４１，４２が同数（Ｍ個）の分離膜モジュール２を含むものとしているが、第１分離部４１の分離膜モジュール２の個数と、第２分離部４２の分離膜モジュール２の個数とが相違してもよい。後述するように、各分離部４１，４２における分離膜モジュール２の個数は、１であってもよい。また、第１分離部４１の分離膜モジュール２と第２分離部４２の分離膜モジュール２は、同じものでもよいし、構成・形状などが異なったものでもよい。第１および第２分離部４１，４２は、構成・形状などが異なった分離膜モジュール２を含んでいてもよい。
　第１分離部４１は、流体供給ポート４１１と、非透過流体排出ポート４１２と、透過流体排出ポート４１３とを備える。第１分離部４１では、第１分離膜モジュール２、すなわち、最も上流側の分離膜モジュール２の供給ポート２２１が、流体供給ポート４１１となる。第Ｍ分離膜モジュール２、すなわち、最も下流側の分離膜モジュール２の第１排出ポート２２２が、非透過流体排出ポート４１２となる。また、第１ないし第Ｍ分離膜モジュール２のＭ個の第２排出ポート２２３の集合が、透過流体排出ポート４１３となる。第１分離部４１には１個の分離膜モジュール２のみが含まれてもよく、この場合、当該分離膜モジュール２の供給ポート２２１、第１排出ポート２２２および第２排出ポート２２３が、それぞれ流体供給ポート４１１、非透過流体排出ポート４１２および透過流体排出ポート４１３となる。
　第２分離部４２は、第１分離部４１と同様に、流体供給ポート４２１と、非透過流体排出ポート４２２と、透過流体排出ポート４２３とを備える。第２分離部４２では、第１分離膜モジュール２、すなわち、最も上流側の分離膜モジュール２の供給ポート２２１が、流体供給ポート４２１となる。第Ｍ分離膜モジュール２、すなわち、最も下流側の分離膜モジュール２の第１排出ポート２２２が、非透過流体排出ポート４２２となる。また、第１ないし第Ｍ分離膜モジュール２のＭ個の第２排出ポート２２３の集合が、透過流体排出ポート４２３となる。第２分離部４２には１個の分離膜モジュール２のみが含まれてもよく、この場合、当該分離膜モジュール２の供給ポート２２１、第１排出ポート２２２および第２排出ポート２２３が、それぞれ流体供給ポート４２１、非透過流体排出ポート４２２および透過流体排出ポート４２３となる。
　分離システム４は、供給管４３と、中間接続部４４と、第１非透過流体回収管４５と、第２非透過流体回収管４６と、透過流体回収管４７とをさらに備える。供給管４３は、第１分離部４１の流体供給ポート４１１に接続される。供給管４３には、供給流体昇圧部４３１が設けられる。中間接続部４４は、接続管であり、第１分離部４１の透過流体排出ポート４１３を、第２分離部４２の流体供給ポート４２１に接続する。第１非透過流体回収管４５は、第１分離部４１の非透過流体排出ポート４１２に接続される。第２非透過流体回収管４６は、第２分離部４２の非透過流体排出ポート４２２に接続される。透過流体回収管４７は、第２分離部４２の透過流体排出ポート４２３に接続される。透過流体回収管４７には、減圧部４７１が設けられる。
　図５は、分離システム４の各位置における圧力を示す図である。図５の縦軸は圧力を示し、横軸は供給管４３から透過流体回収管４７へと至る経路における位置を示す。図５の横軸では、供給流体昇圧部４３１、第１分離部４１、第２分離部４２および減圧部４７１の位置に、同じ符号を付している。図５中の実線Ｌ１が、図１の分離システム４の各位置における圧力を示す。
　図１の分離システム４において、供給管４３には、外部の混合流体の供給源から混合流体が流入する。供給流体昇圧部４３１は、例えばコンプレッサー等であり、混合流体を昇圧（圧縮）する。図５に示すように、供給流体昇圧部４３１により、混合流体は、大気圧Ｐ０よりも十分に高い圧力Ｐ１（例えば、２００ｋＰａＧよりも高い圧力Ｐ１）となる。混合流体は、流体供給ポート４１１を介して第１分離部４１に供給される。以下の説明では、第１分離部４１に供給される混合流体を、「供給流体」という。供給流体の圧力Ｐ１（第１分離部４１の供給側圧力）は、例えば２００ｋＰａＧ～１００００ｋＰａＧであり、好ましくは２５０ｋＰａＧ～７０００ｋＰａＧであり、より好ましくは３００ｋＰａＧ～４０００ｋＰａＧである。供給流体の温度は、例えば、１０℃～２５０℃である。供給管４３において、供給流体の温度および圧力をそれぞれ調節する温度調節部および圧力調節部が、供給流体昇圧部４３１に加えて設けられてもよい。混合流体の供給源から供給管４３に流入する混合流体の圧力が、大気圧Ｐ０よりも十分に高い場合には、供給流体昇圧部４３１が省略されてもよい。
　第１分離部４１では、いずれの分離膜モジュール２のゼオライト膜１２も透過しなかった流体（以下、「第１非透過流体」という。）が、非透過流体排出ポート４１２を介して第１非透過流体回収管４５に排出され、回収される。第１非透過流体の圧力（第１分離部４１の非透過側圧力）は、第１分離部４１に供給される供給流体の圧力Ｐ１と略同じである。第１分離部４１において、いずれかの分離膜モジュール２のゼオライト膜１２を透過した流体（以下、「第１透過流体」という。）は、透過流体排出ポート４１３を介して中間接続部４４に導かれる。後述するように、図１の例では、中間接続部４４内の圧力は、略大気圧（実際には、大気圧Ｐ０または大気圧Ｐ０よりも僅かに高い圧力であり、例えば０～５０ｋＰａＧであり、好ましくは０～３０ｋＰａＧである。）である。すなわち、透過流体排出ポート４１３から排出される第１透過流体の圧力（第１分離部４１の透過側圧力）は、略大気圧である。
　中間接続部４４には、コンプレッサー等の昇圧を目的とした装置、および、真空ポンプ等の減圧を目的とした装置は設けられておらず、図１の例では、中間接続部４４の全体において、圧力が略大気圧となる。第１分離部４１からの第１透過流体は、流体供給ポート４２１を介して第２分離部４１に供給される。第２分離部４１に供給される第１透過流体の圧力（第２分離部４２の供給側圧力）は、略大気圧である。
　減圧部４７１は、例えば真空ポンプ等であり、図５に示すように、第２分離部４２の透過流体排出ポート４２３内を大気圧Ｐ０よりも低い圧力Ｐ２に減圧する。また、減圧部４７１は、透過流体を冷却したり、透過流体を冷却して液化または固化させることで、減圧するものでもよい。透過流体排出ポート４２３内の圧力Ｐ２（第２分離部４２の透過側圧力）は、例えば－１０ｋＰａＧ～－１００ｋＰａＧであり、好ましくは－１５ｋＰａＧ～－９５ｋＰａＧであり、より好ましくは－２０ｋＰａＧ～－９０ｋＰａＧである。
　第２分離部４２において、いずれかの分離膜モジュール２のゼオライト膜１２を透過した流体（以下、「第２透過流体」という。）は、透過流体排出ポート４２３を介して透過流体回収管４７に排出される。図１の分離システム４では、第２分離部４２における流体供給ポート４２１と透過流体排出ポート４２３との間の圧力差は、第１分離部４１における流体供給ポート４１１と透過流体排出ポート４１３との間の圧力差未満である。例えば、第２分離部４２における当該圧力差は、第１分離部４１における当該圧力差の０．８倍以下である。このように、第２分離部４２における当該圧力差が小さい場合でも、ゼオライト膜１２を分離膜として有する第２分離部４２では、第２透過流体における高透過性流体の濃度および第２透過流体の透過量を高くすることが可能である。第２分離部４２における当該圧力差は、第１分離部４１における当該圧力差の０．６倍以下であってもよく、０．５倍以下であってもよい。例えば、第２分離部４２における当該圧力差は、第１分離部４１における当該圧力差の０．１倍以上である。透過流体回収管４７において、減圧部４７１を通過した第２透過流体の圧力は、例えば大気圧Ｐ０と略同じとなる。
　第２分離部４２において、いずれの分離膜モジュール２のゼオライト膜１２も透過しなかった流体（以下、「第２非透過流体」という。）は、非透過流体排出ポート４２２を介して第２非透過流体回収管４６に排出され、回収される。分離システム４では、第２非透過流体回収管４６内の圧力（第２分離部４２の非透過側圧力）は略大気圧である。これにより、中間接続部４４内の圧力も略大気圧（すなわち、大気圧Ｐ０または大気圧Ｐ０よりも僅かに高い圧力）となっている。実際には、中間接続部４４内の全ての部分の圧力が、供給管４３内の圧力よりも低く、かつ、大気圧以上となる。
　次に、実施例および比較例の分離システムにおける分離試験について述べる。実施例の分離システム４は、図１と同様の構成である。図６Ａないし図６Ｄは、比較例１ないし４の分離システム９ａ～９ｄの構成を示す図である。図６Ａに示す比較例１の分離システム９ａでは、全ての分離膜モジュール２（図２参照）が直列に連結されて１つの分離部９１が構成される。すなわち、第１分離部９１のみが設けられ、第２分離部は設けられない。分離部９１の流体供給ポート９１１には、供給管９３が接続され、供給管９３には、コンプレッサー９３１が設けられる。分離部９１の非透過流体排出ポート９１２には、非透過流体回収管９５が接続され、透過流体排出ポート９１３には、透過流体回収管９７が接続される。透過流体回収管９７には、減圧部は設けられない。
　図６Ｂに示す比較例２の分離システム９ｂでは、図６Ａに示す比較例１の分離システム９ａに対して、戻り管９８が追加される。戻り管９８の一端は、透過流体回収管９７に接続され、他端は、供給管９３においてコンプレッサー９３１の上流側に接続される。図６Ｃに示す比較例３の分離システム９ｃでは、図６Ａに示す比較例１の分離システム９ａに対して、真空ポンプ９７１が追加される。真空ポンプ９７１は、透過流体回収管９７に設けられる。
　図６Ｄに示す比較例４の分離システム９ｄでは、第１分離部９１および第２分離部９２が設けられ、第１分離部９１の透過流体排出ポート９１３と第２分離部９２の流体供給ポート９２１とが、中間接続部９４により接続される。中間接続部９４には、コンプレッサー９４２が設けられる。第１分離部９１の流体供給ポート９１１には、供給管９３が接続され、供給管９３には、コンプレッサー９３１が設けられる。第１分離部９１の非透過流体排出ポート９１２には、第１非透過流体回収管９５が接続され、第２分離部９２の非透過流体排出ポート９２２には、第２非透過流体回収管９６が接続される。第２分離部９２の透過流体排出ポート９２３には、透過流体回収管９７が接続される。比較例４の分離システム９ｄは、実施例の分離システム４と比較して、減圧部４７１を省略するとともに、中間接続部９４にコンプレッサー９４２を設ける点で相違する。
　実施例、並びに、比較例１ないし４の分離システム１，９ａ～９ｄでは、同じ分離膜モジュール２（図２参照）が用いられる。各分離膜モジュール２は、直径３０ｍｍ、長さ１６０ｍｍの分離膜複合体１を有する。分離膜複合体１には、ＤＤＲ型のゼオライト膜１２が設けられる。ゼオライト膜１２のＣＯ２／Ｎ２パーミエンス比は、２７である。ＣＯ２／Ｎ２パーミエンス比は、単成分のボンベガスを供給ガスとして使用し、供給側圧力が３００ｋＰａＧ、透過側圧力が大気圧、温度が２５℃である場合のものである。
　実施例、並びに、比較例１ないし４の分離システム４，９ａ～９ｄでは、供給流体の圧力を８００ｋＰａＧとした。実施例の分離システム４では、第１分離部４１の透過流体排出ポート４１３の圧力を０ｋＰａＧとし、第２分離部４２の透過流体排出ポート４２３の圧力を－１００ｋＰａＧとした。比較例１および２の分離システム９ａ，９ｂでは、分離部９１の透過流体排出ポート９１３の圧力を０ｋＰａＧとし、分離システム９ｂでは、戻り管９８により戻す透過流体の流量を２．３Ｎｍ３／ｈとした。比較例３の分離システム９ｃでは、分離部９１の透過流体排出ポート９１３の圧力を－１００ｋＰａＧとした。比較例４の分離システム９ｄでは、第１分離部９１の透過流体排出ポート９１３の圧力を０ｋＰａＧとし、第２分離部９２の流体供給ポート９２１の圧力を２００ｋＰａＧとし、第２分離部９２の透過流体排出ポート９２３の圧力を０ｋＰａＧとした。
　分離試験では、透過流体回収管４７，９７にて回収される透過流体のＣＯ２の濃度を評価した。透過流体の利用用途を広げるには、透過流体のＣＯ２の濃度の向上が重要となるためである。分離試験は、２５℃で行い、ＣＯ２が１５％（ｍｏｌ％である。以下同様。）、Ｎ２が８５％である混合流体を供給流体とした。混合流体は、ＣＯ２のボンベガスと、Ｎ２のボンベガスとを混合して生成した。供給流体の流量は、３０Ｎｍ３／ｈとした。また、透過流体回収管４７，９７にて回収される透過流体のＣＯ２回収率が３０％となるように、各分離システム４，９ａ～９ｄにおいて用いられる分離膜モジュール２の個数を調整して（すなわち、膜面積を調整して）試験を行った。なお、ＣＯ２回収率は、透過流体回収管４７，９７における透過流体のＣＯ２量を、供給流体のＣＯ２量で割って得た百分率である（（透過流体のＣＯ２量／供給流体のＣＯ２量）×１００）。表１は、分離試験の結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　比較例１の分離システム９ａでは、透過流体回収管９７における透過流体のＣＯ２濃度が６６％であり、十分なＣＯ２濃度が得られていない。比較例２の分離システム９ｂでは、透過流体回収管９７において半分の透過流体を供給管９３に戻すことにより、透過流体のＣＯ２濃度が少し（７０％まで）向上したが、十分なＣＯ２濃度は得られていない。比較例３の分離システム９ｃでは、分離部９１の供給側を昇圧し、透過側を減圧することにより、透過流体のＣＯ２濃度が８０％に向上したが、十分ではない。比較例４の分離システム９ｄでは、第１分離部９１の供給側を昇圧し、第２分離部９２の供給側も昇圧することにより、透過流体のＣＯ２濃度が９０％まで向上したが、２個のコンプレッサー９３１，９４２が必要となる。コンプレッサーは高価であるため、分離システム９ｄの製造コストが増大する。
　これに対し、実施例の分離システム４では、第１分離部９１の供給側を昇圧し、第２分離部９２の透過側を減圧することにより、透過流体のＣＯ２濃度を大幅に（９６％まで）向上し、分離精度を高くすることが実現された。高価なコンプレッサー（供給流体昇圧部４３１）の個数は１個であるため、分離システム４の製造コストの増大も抑制することができる。実施例の分離システム４と比較例４の分離システム９ｄとを比較した場合に、比較例４の分離システム９ｄでは、第１分離部９１を透過した全ての第１透過流体を昇圧する必要がある。一方、実施例の分離システム４では、第１分離部４１を透過した第１透過流体のうち、第２分離部４２も透過した第２透過流体のみを減圧するため、比較例４の分離システム９ｄに比べて消費エネルギーを小さくすることが可能となる。
　比較例１の分離システム９ａのように、分離部の供給側を昇圧する場合に、透過側のＣＯ２濃度を９６％にするためには、計算上では、１０００以上のＣＯ２／Ｎ２パーミエンス比を有する分離膜が必要となる。表１では、この場合におけるパーミエンス比等を参考例として示している。これに対し、実施例の分離システム４では、参考例における分離膜よりも、ＣＯ２／Ｎ２パーミエンス比が十分に低い分離膜を用いて、透過流体のＣＯ２濃度を９６％に濃縮することが実現される。
　以上に説明したように、分離システム４は、分離膜（上記の例ではゼオライト膜１２）を有する第１分離部４１および第２分離部４２を備える。中間接続部４４により、第１分離部４１の透過流体排出ポート４１３と第２分離部４２の流体供給ポート４２１とが接続される。第１分離部４１の流体供給ポート４１１には、供給管４３が接続され、混合流体が大気圧よりも高い圧力にて供給される。第２分離部４２の透過流体排出ポート４２３には、当該透過流体排出ポート４２３内の圧力を大気圧よりも低い圧力に減圧する減圧部４７１が接続される。分離システム４では、中間接続部４４内の圧力が供給管４３内の圧力よりも低く、かつ、大気圧以上となる。上記分離システム４では、消費エネルギーを抑制可能かつ簡単な構成にて分離精度を向上することができる。また、中間接続部４４に、コンプレッサーや真空ポンプ等の高価な部品が設けられないため、分離システム４の製造コストも削減することができる。
　ここで、特開２００８－１３７８４７号公報（上記文献４）の図２の分離システムのように、第１分離部９１および第２分離部９２のそれぞれにおいて、供給側にコンプレッサーを設け、透過側に真空ポンプを設ける他の比較例の分離システムを想定する。図７Ａは、当該他の比較例の分離システム９ｅの構成を示す図である。図７Ｂは、当該他の比較例の分離システム９ｅの各位置における圧力を示す図であり、図５に対応する図である。図７Ｂの横軸では、第１分離部９１、第１分離部９１の供給側のコンプレッサー９３１および透過側の真空ポンプ９４１の位置、並びに、第２分離部９２、第２分離部９２の供給側のコンプレッサー９４２および透過側の真空ポンプ９７１の位置に、同じ符号を付している。
　図７Ｂに示すように、分離システム９ｅは、各分離部９１，９２の上流側および下流側に、コンプレッサー９３１，９４２および真空ポンプ９４１，９７１を設けて、当該分離部９１，９２に対して大きな圧力差を設けるものである。これに対し、分離システム４は、図５に示すように、第１分離部４１の上流側に供給流体昇圧部４３１を設け、第２分離部４２の下流側に減圧部４７１を設けて、両者が生じさせる圧力差を、第１および第２分離部４１，４２で分け合うものである。したがって、分離システム４は、分離システム９ｅにおいて、第１分離部９１と第２分離部９２との間のコンプレッサー９４２および真空ポンプ９４１を単に取り除いたものではなく、分離システム４と分離システム９ｅとでは、技術的思想が相違する。分離システム４では、分離システム９ｅと比べて、消費エネルギーを抑制可能であり、簡単かつコンパクトな構成とすることが可能である。
　ところで、分離システム９ｅでは、分離膜としてポリマー膜（有機膜）を用いることが前提となっている。ポリマー膜は、ゼオライト膜に比べてパーミエンス比が低く、透過流体の透過量も小さい。したがって、分離精度の向上、および、透過流体の透過量の増大を両立するには、各分離部の上流側および下流側にコンプレッサーおよび真空ポンプを設けて、当該分離部に対して大きな圧力差を設けることが必要となる。
　一方、分離システム４では、各分離部４１，４２において、好ましくは、ゼオライト膜、炭素膜、シリカ膜等、無機材料を含む分離膜が利用され、より好ましくは、ゼオライト膜１２が分離膜として利用される。このような分離膜では、パーミエンス比がポリマー膜よりも高く、透過流体の透過量も大きい。したがって、各分離部４１，４２に対して大きな圧力差を設けることなく、分離精度の向上、および、透過流体の透過量の増大を両立することが容易に可能となる。
　分離システム４の設計によっては、第１および第２分離部４１，４２において異なる種類の分離膜が設けられてもよい。好ましくは、第１分離部４１の分離膜および／または第２分離部４２の分離膜が、無機材料を含む。より好ましくは、第１分離部４１の分離膜および／または第２分離部４２の分離膜が、ゼオライト膜１２である。透過流体の透過量を大きくする必要がない場合等には、分離システム４において、ポリマー膜（有機膜）が用いられてもよい。分離膜としては、分子篩によるものだけではなく促進輸送膜が用いられてもよい。分離システム４では、ポリマー膜等の分離性能が高くない分離膜を利用する場合でも、分離精度の向上を図ることが可能である。
　ゼオライト膜１２を分離膜として利用する場合、混合流体が、ゼオライト膜１２を構成するゼオライトの細孔径よりも小さい分子サイズの流体（上記の例ではＣＯ２ガス）と、当該細孔径よりも大きい分子サイズの流体（上記の例ではＮ２ガス）とを含むことが好ましい。これにより、分離精度をより確実に向上することができる。
　図８は、分離システム４の他の例を示す図である。図８の分離システム４は、中間接続部４４に流体貯留部４４１が設けられる点で、図１の分離システム４と相違する。他の構成は、図１の分離システム４と同様であり、同じ構成に同じ符号を付す（後述の図９ないし図１５において同様）。
　流体貯留部４４１は、例えば、バッファタンク等であり、第１透過流体の流量ばらつきを調整し、第２分離膜４２の性能を安定化させることができる。図８の分離システム４では、中間接続部４４内の圧力は大気圧と略同じである。また、中間接続部４４には、昇圧や減圧を目的としないファン、送風機またはブロア等が設けられていてもよい。
　ここで、中間接続部４４において、コンプレッサーを設けることにより、第１透過流体の圧力を大きく上昇させることで、第２分離膜４２の性能を安定化させることも考えられる。しかしながら、コンプレッサーは高価であるとともに、消費エネルギーが大きいため、分離システムの製造コストおよびランニングコストが増大してしまう。また、中間接続部４４にコンプレッサーを設ける場合、当該コンプレッサーによる昇圧によって上昇する第１透過流体の温度によっては、第２分離部４２のゼオライト膜１２の分離性能に影響を及ぼす可能性がある。
　これに対し、図８の分離システム４では、コンプレッサーを用いないため、分離システム４の製造コストおよびランニングコストの増大を抑制することができる。
　図９は、分離システム４の他の例を示す図である。図９の分離システム４は、供給管４３の一部および中間接続部４４が断熱材４８１で覆われる点で、図１の分離システム４と相違する。図９では、供給管４３の一部および中間接続部４４を太線で示すことにより、これらが断熱材４８１で覆われていることを示している。他の構成は、図１の分離システム４と同様である。
　断熱材４８１は、例えばグラスウール等の繊維系断熱材や、ウレタンフォーム等の発泡系断熱材であり、第１分離部４１に供給される供給流体（ここでは、混合気体）、および、第１分離部４１から排出される第１透過流体の温度低下を抑制する。断熱材４８１は、供給管４３から第２分離部４２に至る経路を流れる気体を保温することにより、当該気体の凝縮を防止する凝縮防止部である。凝縮防止部により、当該気体の凝縮によるゼオライト膜１２（特に、第２分離部４２のゼオライト膜１２）の透過性能の低下を防止することができる。
　断熱材４８１は、必ずしも供給管４３および中間接続部４４の両方を覆う必要はなく、供給管４３から第２分離部４２の分離膜（上記の例では、ゼオライト膜１２）に至る経路上の所定位置に設けられていればよい。また、上記凝縮防止部は、加熱部を含んでもよく、この場合も、当該加熱部は、供給管４３から第２分離部４２の分離膜に至る経路上の所定位置に設けられる。図９では、中間接続部４４に設けられる加熱部４８１ａを破線の矩形にて示している。加熱部４８１ａは、供給管４３に設けられてもよく、第１分離部４１内に設けられてもよい。また、第２分離部４２内において、分離膜の上流側に設けられてもよい。加熱部４８１ａを設ける場合、断熱材４８１は省略してもよい。以上のように、凝縮防止部が、供給管４３から第２分離部４２の分離膜に至る経路を流れる気体を加熱または保温することにより、気体の凝縮を防止することができ、当該気体の凝縮による分離膜の透過性能の低下を防止することができる。
　図１０は、分離システム４の他の例を示す図である。図１０の分離システム４は、供給管４３に前処理部４８０が設けられる点で、図１の分離システム４と相違する。他の構成は、図１の分離システム４と同様である。
　前処理部４８０は、例えばフィルタ、洗浄塔、吸収塔、吸着塔、凝縮器等であり、混合流体の供給源から第１分離部４１に向かって流れる混合流体から所定成分の少なくとも一部を除去する。除去対象の成分は、例えば、各分離部４１，４２に含まれる分離膜（ここでは、ゼオライト膜１２）にダメージを与える成分や、分離膜における透過性能に影響を与える成分であり、固形分、微小な液滴、凝縮成分、微量な気体成分等である。また、除去対象の成分は、第１分離膜部４１および／または第２分離膜部４２における高透過性流体または低透過性流体であってもよい。図１０の例では、前処理部４８０は、供給流体昇圧部４３１と第１分離部４１との間に配置される。前処理部４８０は、混合流体の供給源と供給流体昇圧部４３１との間、すなわち、供給流体昇圧部４３１の上流側に配置されてもよい。
　以上のように、図１０の分離システム４では、混合流体の供給源と第１分離部４１との間の所定位置に前処理部４８０が設けられ、前処理部４８０により、混合流体に含まれる所定成分の少なくとも一部が除去される。これにより、例えば、混合流体に含まれる当該成分の影響により、分離部４１，４２（特に、第１分離部４１）の分離膜が損傷したり、透過性能が低下することを抑制することができる。
　図１１は、分離システム４の他の例を示す図である。図１１の分離システム４は、透過流体回収管４７に圧力調整部４７２および流体分析部４７３が設けられる点で、図１の分離システム４と相違する。他の構成は、図１の分離システム４と同様である。
　流体分析部４７３は、第２分離部４２の透過流体排出ポート４２３から排出される第２透過流体の成分組成を測定する。圧力調整部４７２は、例えば真空レギュレータ等であり、第２分離部４２の透過流体排出ポート４２３内の圧力を調整する。実際には、流体分析部４７３および圧力調整部４７２は、制御部４０に電気的に接続され、流体分析部４７３の測定結果が制御部４０に出力される。制御部４０では、例えば、第２透過流体のＣＯ２濃度の目標範囲が予め設定されており、流体分析部４７３の測定結果が示すＣＯ２濃度が目標範囲よりも低い場合に、圧力調整部４７２を制御することにより、透過流体排出ポート４２３内の圧力を現在の圧力よりも低くする。また、流体分析部４７３の測定結果が示すＣＯ２濃度が目標範囲よりも高い場合に、圧力調整部４７２を制御することにより、透過流体排出ポート４２３内の圧力を現在の圧力よりも高くする。また、流体分析部４７３は、第２非透過流体回収管４６に設けられていてもよい。また、圧力調整部４７２は、第２非透過流体回収管４６に設けられていてもよく、例えば背圧弁等である。
　図１１の分離システム４では、流体分析部４７３に代えて流量測定部（流量計）が設けられてもよい。流量測定部は、第２分離部４２の透過流体排出ポート４２３から排出される第２透過流体の流量を測定する。制御部４０では、例えば、第２透過流体の流量の目標範囲が予め設定されており、流量測定部の測定結果が示す流量が目標範囲よりも低い場合に、圧力調整部４７２を制御することにより、透過流体排出ポート４２３内の圧力を現在の圧力よりも低くする。また、流量測定部の測定結果が示す流量が目標範囲よりも高い場合に、圧力調整部４７２を制御することにより、透過流体排出ポート４２３内の圧力を現在の圧力よりも高くする。また、流量測定部は、第２非透過流体回収管４６に設けられてもよい。分離システム４では、流体分析部４７３および流量測定部の両方が設けられ、第２透過流体のＣＯ２濃度および流量に基づいて圧力調整部４７２が制御されてもよい。
　以上のように、圧力調整部４７２では、第２透過流体または第２非透過流体の流量および／または成分組成に基づいて、第２分離部４２の透過流体排出ポート４２３内の圧力が調整される。これにより、透過流体回収管４７から排出される流体の流量、および／または、当該流体における所定成分（上記の例ではＣＯ２）の濃度を、目標範囲内にて略一定にすることが容易に可能となる。
　図１２および図１３は、それぞれ分離システム４の他の例を示す図である。図１２の分離システム４は、第１非透過流体回収管４５と、供給管４３における供給流体昇圧部４３１の下流側とを接続する戻り管４８２が設けられる点で、図１の分離システム４と相違する。図１３の分離システム４は、第２非透過流体回収管４６と、供給管４３における供給流体昇圧部４３１の上流側とを接続する戻り管４８３が設けられる点で、図１の分離システム４と相違する。図１２および図１３における他の構成は、図１の分離システム４と同様である。
　図１２の分離システム４では、第１分離部４１の非透過流体排出ポート４１２から排出される第１非透過流体の一部が、戻り管４８２により第１分離部４１の流体供給ポート４１１に導かれる。これにより、第１非透過流体回収管４５から排出される流体において、所定成分（上記の例ではＣＯ２）の濃度を低くし、第２透過流体における所定成分の濃度を高くすることができる。また、図１３の分離システム４では、第２分離部４２の非透過流体排出ポート４２２から排出される第２非透過流体の一部が、戻り管４８３により第１分離部４１の流体供給ポート４１１に導かれる。これにより、第２非透過流体回収管４６から排出される流体において、所定成分（上記の例ではＣＯ２）の濃度を低くし、第２透過流体における所定成分の濃度を高くすることができる。
　図１３の分離システム４では、第２非透過流体の全部が、戻り管４８３により第１分離部４１の流体供給ポート４１１に導かれてもよい。また、両方の戻り管４８２，４８３が設けられてもよい。以上のように、第１分離部４１の非透過流体排出ポート４１２から排出される流体の一部、および／または、第２分離部４２の非透過流体排出ポート４２２から排出される流体の少なくとも一部を、第１分離部４１の流体供給ポート４１１に導く戻り管が設けられる。これにより、第２透過流体における所定成分の濃度をさらに高くすることができる。
　図１４は、分離システム４の他の例を示す図である。図１４の分離システム４は、第１非透過流体回収管４５にエネルギー変換部４８４が設けられる点で、図１の分離システム４と相違する。他の構成は、図１の分離システム４と同様である。
　エネルギー変換部４８４は、例えばタービン等であり、第１非透過流体回収管４５を流れる第１非透過流体の圧力エネルギーを、電気エネルギーや機械エネルギー等の他のエネルギーに変換する。エネルギー変換部４８４により得られたエネルギーは、供給流体昇圧部４３１や減圧部４７１等において利用されてよい。既述のように、第１分離部４１の非透過流体排出ポート４１２から排出される第１非透過流体は、供給流体昇圧部４３１により昇圧された供給流体と略同じ圧力を有する。図１４のように、第１非透過流体の圧力エネルギーを、他のエネルギーに変換するエネルギー変換部４８４を設けることにより、分離システム４においてエネルギーを効率よく利用することが可能となる。
　図１５は、分離システム４の他の例を示す図である。図１５の分離システム４は、第２非透過流体回収管４６の非透過流体排出ポート４２２とは反対側の端部が、第１非透過流体回収管４５に接続されるとともに、第２非透過流体回収管４６に排出流体昇圧部４８５が設けられる点で、図１の分離システム４と相違する。他の構成は、図１の分離システム４と同様である。
　排出流体昇圧部４８５は、例えばコンプレッサー等であり、第２非透過流体回収管４６を流れる第２非透過流体を昇圧する。既述のように、第２分離部４２の非透過流体排出ポート４２２から排出される第２非透過流体は、第１分離部４１の非透過流体排出ポート４１２から排出される第１非透過流体よりも圧力が低い。したがって、排出流体昇圧部４８５により第２非透過流体を昇圧し、当該第２非透過流体を第１非透過流体と混合することにより、高圧の非透過流体を大量に得ることができる。
　例えば、ＣＨ４およびＣＯ２を主成分とするバイオガスの精製では、ＣＯ２を除去してＣＨ４濃度を高くする必要がある。既述のように、分離システム４では、透過流体回収管４７にて回収される透過流体（第２透過流体）におけるＣＯ２濃度が高くなる。したがって、ＣＨ４およびＣＯ２を主成分とするバイオガスを供給流体とする場合に、第１非透過流体回収管４５および第２非透過流体回収管４６にて回収される非透過流体では、ＣＨ４濃度が高くなる。図１５の分離システム４では、第１分離部４１を通過してＣＨ４濃度が高くなった第１非透過流体を、第１非透過流体回収管４５に接続された貯蔵タンクに圧力を維持したまま貯蔵する場合に、第２分離部４２を通過してＣＨ４濃度が高くなった第２非透過流体を昇圧して第１非透過流体に混合することで、第１非透過流体および第２非透過流体を共に貯蔵タンクに貯蔵することが可能となる。
　上記分離システム４では様々な変形が可能である。
　分離システム４では、分離部を三段以上に配置してもよい。この場合、第１および第２分離部４１，４２以外の分離部は、例えば供給管４３の上流側に配置される。
　第１分離部４１において、複数の分離膜モジュール２が並列に接続されてもよい。この場合、並列に接続されるＭ個の分離膜モジュール２（Ｍは２以上の整数）において、Ｍ個の供給ポート２２１の集合が流体供給ポート４１１となり、Ｍ個の第１排出ポート２２２の集合が非透過流体排出ポート４１２となり、Ｍ個の第２排出ポート２２３の集合が透過流体排出ポート４１３となる。第２分離部４２において同様である。
　中間接続部４４では、第１分離部４１の透過流体排出ポート４１３から排出される全ての第１透過流体が、第２分離部４２の流体供給ポート４２１に供給される必要はなく、分離システム４の設計によっては、一部の第１透過流体のみが流体供給ポート４２１に供給されてもよい。この場合に、流体供給ポート４２１に供給されない第１透過流体が供給管４３における供給流体昇圧部４３１の上流側に戻されてもよい。
　中間接続部４４内の圧力（すなわち、第１透過流体の圧力）は、略大気圧である必要はなく、供給流体の圧力よりも低ければ、大気圧よりも十分高い圧力であってもよい。
　上記分離システム４では、減圧部４７１の減圧動作により、第２分離部４２に供給される流体の一部がゼオライト膜１２を透過して透過側（透過流体排出ポート４２３）に導かれるが、減圧部４７１に代えて、第２分離部４２の透過側にスイープガスを流すことにより、第２分離部４２に供給される流体の一部を透過側に導く参考例の分離システムを構築することも可能である。
　ゼオライト膜１２を形成するゼオライトの最大員環数は８以外であってもよい。分離膜複合体１では、上述のように、様々な種類のゼオライトによりゼオライト膜１２が形成されてよい。
　分離膜複合体１は、支持体１１およびゼオライト膜１２に加えて、ゼオライト膜１２上に積層された機能膜や保護膜をさらに備えていてもよい。このような機能膜や保護膜は、ゼオライト膜、シリカ膜または炭素膜等の無機膜であってもよく、ポリイミド膜またはシリコーン膜等の有機膜であってもよい。また、ゼオライト膜１２上に積層された機能膜や保護膜には、ＣＯ２等の特定の分子を吸着しやすい物質が添加されていてもよい。
　第１分離部４１および／または第２分離部４２において、分離膜モジュール２が、さらに化学反応を促進させる触媒を備えたメンブレンリアクターであってもよい。
　分離膜複合体１では、ゼオライト膜１２に代えて、ゼオライト膜１２以外の分離膜（例えば、上述の無機膜または有機膜）が支持体１１上に形成されてもよい。
　上記実施の形態では、１種類の高透過性流体（例えばＣＯ２）を濃縮して第２透過流体として抽出する場合について述べたが、混合流体が３種類以上の成分を含む場合に、２種類以上の高透過性流体が濃縮されて抽出されてもよい。すなわち、分離システム４では、少なくとも１種類の高透過性流体が濃縮されて抽出されてもよい。また、既述のように、分離システム４は、少なくとも１種類の低透過性流体を濃縮する目的で用いられてもよい。
　上記実施の形態では、分離システム４において気体（蒸気を含む）分離が行われるが、供給流体が複数種類の液体を含む混合液とされ、液体分離またはパーベーパレーションが行われてもよい。
　上述の分離システム４では、上記説明にて例示した物質以外の物質が、混合流体から分離されてもよい。
　上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
　発明を詳細に描写して説明したが、既述の説明は例示的であって限定的なものではない。したがって、本発明の範囲を逸脱しない限り、多数の変形や態様が可能であるといえる。
　本発明の分離システムは、様々な分野において、様々な物質の分離に利用可能である。
　４　　分離システム
　１２　　ゼオライト膜
　４１　　第１分離部
　４２　　第２分離部
　４３　　供給管
　４４　　中間接続部
　４１１，４２１　　流体供給ポート
　４１２，４２２　　非透過流体排出ポート
　４１３，４２３　　透過流体排出ポート
　４４１　　流体貯留部
　４７１　　減圧部
　４７２　　圧力調整部
　４８０　　前処理部
　４８１　　断熱材
　４８１ａ　　加熱部
　４８２，４８３　　戻り管
　４８４　　エネルギー変換部
　４８５　　排出流体昇圧部

Claims (13)

  1. 　分離システムであって、
    　分離膜を有するとともに、流体供給ポート、透過流体排出ポートおよび非透過流体排出ポートが設けられた第１分離部と、
    　分離膜を有するとともに、流体供給ポート、透過流体排出ポートおよび非透過流体排出ポートが設けられた第２分離部と、
    　前記第１分離部の前記透過流体排出ポートと前記第２分離部の前記流体供給ポートとを接続する中間接続部と、
    　前記第１分離部の前記流体供給ポートに接続され、複数種類の流体を含む混合流体が、大気圧よりも高い圧力にて流れる供給管と、
    　前記第２分離部の前記透過流体排出ポートに接続され、前記透過流体排出ポート内の圧力を大気圧よりも低い圧力に減圧する減圧部と、
    を備え、
    　前記中間接続部に昇圧を目的とした装置および減圧を目的とした装置が設けられておらず、前記中間接続部内の圧力が前記供給管内の圧力よりも低く、かつ、大気圧以上である。
  2. 　請求項１に記載の分離システムであって、
    　前記第２分離部における前記流体供給ポートと前記透過流体排出ポートとの間の圧力差が、前記第１分離部における前記圧力差の０．８倍以下である。
  3. 　請求項１または２に記載の分離システムであって、
    　前記混合流体が、複数種類の気体を含む混合気体である。
  4. 　請求項３に記載の分離システムであって、
    　前記供給管から前記第２分離部の前記分離膜に至る経路上の所定位置に設けられ、前記経路を流れる気体を加熱または保温することにより、前記気体の凝縮を防止する凝縮防止部をさらに備える。
  5. 　請求項１ないし４のいずれか１つに記載の分離システムであって、
    　前記混合流体の供給源と前記第１分離部との間の所定位置に設けられ、前記混合流体に含まれる所定成分の少なくとも一部を除去する前処理部をさらに備える。
  6. 　請求項１ないし５のいずれか１つに記載の分離システムであって、
    　前記第１分離部の前記分離膜および／または前記第２分離部の前記分離膜が、無機材料を含む。
  7. 　請求項１ないし６のいずれか１つに記載の分離システムであって、
    　前記第１分離部の前記分離膜および／または前記第２分離部の前記分離膜が、ゼオライト膜である。
  8. 　請求項７に記載の分離システムであって、
    　前記混合流体が、前記ゼオライト膜を構成するゼオライトの細孔径よりも小さい分子サイズの流体と、前記細孔径よりも大きい分子サイズの流体とを含む。
  9. 　請求項７または８に記載の分離システムであって、
    　前記ゼオライト膜を構成するゼオライトが８員環ゼオライトである。
  10. 　請求項１ないし９のいずれか１つに記載の分離システムであって、
    　前記第２分離部の前記透過流体排出ポートまたは前記非透過流体排出ポートから排出される流体の流量および／または成分組成が所定の範囲内となるように、前記第２分離部の前記透過流体排出ポート内または前記非透過流体排出ポート内の圧力を調整する圧力調整部をさらに備える。
  11. 　請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の分離システムであって、
    　前記第１分離部の前記非透過流体排出ポートから排出される流体の一部、および／または、前記第２分離部の前記非透過流体排出ポートから排出される流体の少なくとも一部を、前記第１分離部の前記流体供給ポートに導く戻り管をさらに備える。
  12. 　請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の分離システムであって、
    　前記第１分離部の前記非透過流体排出ポートから排出される流体の圧力エネルギーを、他のエネルギーに変換するエネルギー変換部をさらに備える。
  13. 　請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の分離システムであって、
    　前記第２分離部の前記非透過流体排出ポートから排出される流体を昇圧する排出流体昇圧部をさらに備え、
    　前記排出流体昇圧部により昇圧された流体が、前記第１分離部の前記非透過流体排出ポートから排出される流体と混合される。
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