WO2022030267A1 - ガス分離システム及び混合ガスの分離方法 - Google Patents

ガス分離システム及び混合ガスの分離方法 Download PDF

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separation membrane
separation
membrane unit
permeated
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輝一 井原
真哉 西山
賢輔 谷
卓哉 福村
慎 片桐
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日東電工株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a gas separation system and a method for separating a mixed gas.
  • a membrane separation method has been developed as a method for separating carbon dioxide from a mixed gas containing carbon dioxide.
  • the membrane separation method can efficiently separate carbon dioxide while suppressing the operating cost, as compared with the absorption method in which carbon dioxide contained in the mixed gas is absorbed by an absorbent to separate the carbon dioxide.
  • Patent Document 1 includes a supply stream separation step of separating a supply stream by using a membrane separation method, and a transmission separation step of further separating a first transmission stream obtained in the supply stream separation step.
  • the equipment is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a gas separation system including a first gas separation membrane unit that separates a mixed gas and a second gas separation membrane unit that separates an opaque gas discharged from the first gas separation membrane unit. Has been done.
  • an object of the present invention is to provide a gas separation system suitable for reducing the energy required for separating the mixed gas.
  • the present invention A first separation membrane unit that separates a mixed gas containing carbon dioxide and nitrogen into a first permeated gas and a first non-permeated gas.
  • a second separation membrane unit that separates the first permeated gas into a second permeated gas and a second non-permeated gas,
  • a first decompression device that decompresses the permeation side space of the first separation membrane unit, and A second decompression device that decompresses the space on the permeation side of the second separation membrane unit, and Provide a gas separation system equipped with.
  • the present invention By supplying a mixed gas containing carbon dioxide and nitrogen to the first separation membrane unit and reducing the pressure in the permeation side space of the first separation membrane unit, the mixed gas is converted into a first permeation gas and a first non-permeation gas.
  • the first separation step to separate and By supplying the first permeated gas to the second separation membrane unit and reducing the pressure in the permeation side space of the second separation membrane unit, the first permeated gas is separated into a second permeated gas and a second non-permeated gas.
  • the gas separation system 100 of the present embodiment includes a first separation membrane unit 10, a second separation membrane unit 20, a first decompression device 50, and a second decompression device 52.
  • the first separation membrane unit 10 is a membrane separation device that separates a mixed gas containing carbon dioxide and nitrogen by using the first separation membrane.
  • the first separation membrane of the first separation membrane unit 10 can separate the mixed gas into a first permeated gas and a first non-permeated gas.
  • the second separation membrane unit 20 is a membrane separation device that separates the first permeated gas discharged from the first separation membrane unit 10 by using the second separation membrane.
  • the second separation membrane of the second separation membrane unit 20 can separate the first permeated gas into a second permeated gas and a second non-permeated gas.
  • the mixed gas includes, for example, a main component gas and a sub component gas.
  • the main component gas means the gas contained in the mixed gas in the largest weight ratio.
  • the sub-component gas means a gas other than the main component gas among the gases contained in the mixed gas.
  • the mixed gas contains, for example, nitrogen as a main component gas and carbon dioxide as a sub-component gas.
  • Examples of the mixed gas include exhaust gas generated by burning fuel (fossil fuel) such as natural gas (city gas) and propane gas.
  • the mixed gas is not limited to the exhaust gas and may be air.
  • the first separation membrane of the first separation membrane unit 10 can preferentially permeate, for example, an auxiliary component gas contained in a mixed gas, specifically at least one gas contained in the auxiliary component gas. Therefore, the first permeated gas separated by the first separation membrane has a higher content of the subcomponent gas than the mixed gas and a lower content of the main component gas than the mixed gas. On the other hand, the first non-permeated gas has a lower content of the subcomponent gas than the mixed gas and a higher content of the main component gas than the mixed gas.
  • the names of "main component gas" and "secondary component gas" in the first permeated gas are determined based on the content of the mixed gas before separation.
  • the mixed gas is used.
  • the sub-component gas of the above is referred to as a "sub-component gas" of the first permeated gas
  • the main component gas of the mixed gas is referred to as a "main component gas" of the first permeated gas.
  • the second separation membrane of the second separation membrane unit 20 can preferentially permeate, for example, a sub-component gas contained in the first permeation gas, specifically at least one gas contained in the sub-component gas. Therefore, the second permeated gas separated by the second separation membrane has a higher content of the sub-component gas than the first permeated gas and a lower content of the main component gas than the first permeated gas. On the other hand, the second non-permeated gas has a lower content of the sub-component gas than the first permeated gas and a higher content of the main component gas than the first permeated gas.
  • the names of "main component gas” and "secondary component gas” in the second permeated gas and the second non-permeated gas are referred to before being separated by the first separation membrane. Determined based on the content in the mixed gas.
  • the first decompression device 50 can depressurize the permeation side space of the first separation membrane unit 10. In other words, the first decompression device 50 can generate a differential pressure or increase the differential pressure between the supply side space and the transmission side space of the first separation membrane unit 10.
  • a specific example of the first decompression device 50 is a pump.
  • the first decompression device 50 is preferably a vacuum device such as a vacuum pump.
  • the vacuum pump is typically a gas transport type vacuum pump, and examples thereof include a reciprocating type vacuum pump and a rotary type vacuum pump. Examples of the reciprocating vacuum pump include a diaphragm type and a swing piston type vacuum pump.
  • the rotary vacuum pump examples include a liquid sealing pump; an oil rotary pump (rotary pump); a mechanical booster pump; and various dry pumps such as a roots type, a claw type, a screw type, a turbo type, and a scroll type.
  • the pump as the first decompression device 50 may be provided with a variable speed mechanism for changing the rotation speed or the like.
  • a variable speed mechanism is an inverter that drives a pump motor.
  • the first decompression device 50 may be an aggregate of a plurality of pumps. That is, the first decompression device 50 may have a configuration in which the permeation side space of the first separation membrane unit 10 can be depressurized by each of the plurality of pumps. According to this configuration, the pressure in the permeation side space of the first separation membrane unit 10 can be appropriately adjusted by adjusting the number of operating pumps.
  • the second decompression device 52 can depressurize the space on the transmission side of the second separation membrane unit 20. In other words, the second decompression device 52 can generate a differential pressure or increase the differential pressure between the supply side space and the transmission side space of the second separation membrane unit 20.
  • a specific example of the second decompression device 52 is a pump.
  • the second decompression device 52 is preferably a vacuum device such as a vacuum pump. As the vacuum pump, the above-mentioned first decompression device 50 can be used.
  • the pump as the second decompression device 52 may be provided with a variable speed mechanism for changing the rotation speed or the like.
  • An example of a variable speed mechanism is an inverter that drives a pump motor. By controlling the rotation speed of the pump or the like with the variable speed mechanism, the pressure in the permeation side space of the second separation membrane unit 20 can be appropriately adjusted.
  • the second decompression device 52 may be an aggregate of a plurality of pumps. That is, the second decompression device 52 may have a configuration in which the permeation side space of the second separation membrane unit 20 can be depressurized by each of the plurality of pumps. According to this configuration, the pressure in the permeation side space of the second separation membrane unit 20 can be appropriately adjusted by adjusting the number of operating pumps.
  • the gas separation system 100 further includes a mixed gas supply path 30.
  • the mixed gas supply path 30 is connected to the mixed gas inlet (inlet 13a) of the first separation membrane unit 10 and is mixed into the first separation membrane unit 10 from a tank (not shown) or the like storing the mixed gas. It is a route for supplying gas.
  • the mixed gas supply path 30 may be directly connected to the source of the mixed gas, or may be configured to continuously supply the mixed gas from the source to the first separation membrane unit 10.
  • a pressurizing device 54 that pressurizes the supply-side space of the first separation membrane unit 10 may or may not be arranged in the mixed gas supply path 30. Examples of the pressurizing device 54 include a compressor, a blower, and a back pressure valve. The pressurizing device 54 can pressurize the supply-side space of the first separation membrane unit 10, for example, by pressurizing the mixed gas supplied to the first separation membrane unit 10.
  • a gas sensor for measuring the composition of the mixed gas may be arranged in the mixed gas supply path 30.
  • This gas sensor can detect, for example, the content of carbon dioxide in the mixed gas.
  • the gas sensor is preferably arranged near the inlet 13a of the first separation membrane unit 10.
  • the gas separation system 100 further includes a permeated gas supply path 32.
  • the permeation gas supply path 32 is connected to the permeation gas outlet (outlet 14a) of the first separation membrane unit 10 and the permeation gas inlet (inlet 23a) of the second separation membrane unit 20, and is second separated from the first separation membrane unit 10. This is a route for supplying the first permeated gas to the membrane unit 20.
  • a first decompression device 50 is arranged in the permeated gas supply path 32.
  • the permeation gas supply path 32 includes a first portion 32a extending from the first separation membrane unit 10 to the first decompression device 50 and a second portion 32b extending from the first decompression device 50 to the second separation membrane unit 20.
  • the first decompression device 50 can decompress the permeation side space of the first separation membrane unit 10 through the first portion 32a.
  • the first decompression device 50 for example, sucks the first permeated gas that has passed through the first portion 32a and discharges the first permeated gas to the second portion 32b.
  • the first decompression device 50 is configured so as not to discharge the gas that has passed through the first portion 32a to the outside of the gas separation system 100, for example.
  • the first decompression device 50 is connected only to, for example, the first portion 32a and the second portion 32b.
  • the first portion 32a of the permeated gas supply path 32 may be branched and connected to each of the inlets of the plurality of pumps.
  • the second portion 32b of the permeated gas supply path 32 may be branched and connected to each of the outlets of the plurality of pumps.
  • a pressurizing device for boosting the first permeated gas discharged from the first depressurizing device 50 may or may not be arranged in the second portion 32b. According to this pressurizing device, the supply side space of the second separation membrane unit 20 can be pressurized. Pressurizing devices include, for example, compressors, blowers and back pressure valves.
  • a gas sensor for measuring the composition of the first permeated gas may be arranged in the second portion 32b. This gas sensor can detect, for example, the content of carbon dioxide in the first permeated gas. The gas sensor is preferably arranged near the inlet 23a of the second separation membrane unit 20.
  • the permeated gas supply path 32 is not provided with a tank such as a collector for collecting the first permeated gas or an on-off valve for opening and closing the path.
  • a tank such as a collector for collecting the first permeated gas or an on-off valve for opening and closing the path.
  • the collector when the collector is not arranged in the permeated gas supply path 32, the first permeated gas discharged from the first separation membrane unit 10 can be continuously supplied to the second separation membrane unit 20. According to such a configuration, the processing amount of the mixed gas per unit time can be easily increased.
  • the permeated gas supply path 32 may be composed of only the first decompression device 50 and the piping.
  • the gas separation system 100 further includes a first discharge path 34.
  • the first discharge path 34 is connected to the impermeable gas outlet (outlet 13b) of the first separation membrane unit 10 and is a path for discharging the first impermeable gas from the first separation membrane unit 10.
  • the first discharge path 34 is formed with an opening (discharge port 42) for discharging the first impermeable gas from the first discharge path 34.
  • the gas separation system 100 may further include a tank (not shown) for storing the first impermeable gas, and the first discharge path 34 may be connected to the tank.
  • the gas separation system 100 further includes a second discharge path 36 and a tank 60.
  • the second discharge path 36 is connected to the permeation gas outlet (outlet 24a) of the second separation membrane unit 20 and the inlet of the tank 60, and is for sending the second permeation gas from the second separation membrane unit 20 to the tank 60. It is a route.
  • the tank 60 can store the second permeated gas sent from the second separation membrane unit 20.
  • a second decompression device 52 is arranged in the second discharge path 36.
  • the second discharge path 36 has a first portion 36a extending from the second separation membrane unit 20 to the second decompression device 52, and a second portion 36b extending from the second decompression device 52 to the tank 60.
  • the second decompression device 52 can depressurize the permeation side space of the second separation membrane unit 20 through the first portion 36a.
  • the second decompression device 52 sucks, for example, the second permeated gas that has passed through the first portion 36a, and discharges the second permeated gas to the second portion 36b.
  • the second decompression device 52 is configured so as not to discharge the gas that has passed through the first portion 36a to the outside of the gas separation system 100, for example.
  • the second decompression device 52 is connected only to, for example, the first portion 36a and the second portion 36b.
  • the first portion 36a of the second discharge path 36 may be branched and connected to each of the inlets of the plurality of pumps.
  • the second portion 36b of the second discharge path 36 may be branched and connected to each of the outlets of the plurality of pumps.
  • the gas separation system 100 further includes a third discharge path 38.
  • the third discharge path 38 is connected to the impermeable gas outlet (outlet 23b) of the second separation membrane unit 20 and is a path for discharging the second impermeable gas from the second separation membrane unit 20.
  • the third discharge path 38 may join the mixed gas supply path 30 at the merging position 40.
  • the third discharge path 38 is connected to the pressurizing device 54 and joins the mixed gas supply path 30 in the pressurizing device 54.
  • each of the routes of the gas separation system 100 is composed of, for example, metal or resin pipes.
  • the gas separation system 100 may further include a controller (not shown) that controls each member of the gas separation system 100.
  • the controller is, for example, a DSP (Digital Signal Processor) including an A / D conversion circuit, an input / output circuit, an arithmetic circuit, a storage device, and the like.
  • the controller stores a program for properly operating the gas separation system 100.
  • the controller can control the operation of the first decompression device 50 and the second decompression device 52, for example.
  • the controller may receive information from the gas sensor and determine the operating conditions of the decompression devices 50 and 52 based on the information.
  • the controller is a first decompression device 50 so that the permeation side space of the first separation membrane unit 10 is depressurized when the mixed gas is supplied to the first separation membrane unit 10 from the mixed gas supply path 30.
  • the controller controls the first decompression device 50 so as to continue depressurizing the permeation side space of the first separation membrane unit 10 while the mixed gas is being supplied to the first separation membrane unit 10.
  • the controller performs a second decompression so that the permeation side space of the second separation membrane unit 20 is depressurized when the first permeation gas is supplied to the second separation membrane unit 20 from the permeation gas supply path 32. It controls the device 52.
  • the controller controls the second decompression device 52 so as to continue depressurizing the permeation side space of the second separation membrane unit 20 while the first permeation gas is supplied to the second separation membrane unit 20. ..
  • the gas separation system 100 does not have to be provided with a controller. In the gas separation system 100, an operator may control the operation of the decompression devices 50 and 52 by switching the decompression devices 50 and 52 on and off.
  • the gas separation system 100 of this embodiment is, for example, a continuous system.
  • the continuous system means a system capable of continuously processing a mixed gas without closing the path constituting the gas separation system 100 by an on-off valve or the like.
  • the gas separation system 100 treats the mixed gas with the first separation membrane unit 10 and immediately collects the first permeated gas obtained by the first separation membrane unit 10 in a tank or the like. 2 It is possible to process with the separation membrane unit 20.
  • the gas separation system 100 of the present embodiment can be continuously operated.
  • the gas separation system 100 which functions as a continuous system, is suitable for applications in which a mixed gas is continuously supplied, particularly for treatment of exhaust gas.
  • the first decompression device 50 separates the mixed gas into the first permeated gas and the first non-permeated gas while depressurizing the permeation side space of the first separation membrane unit 10. At least one of (II) separating the first permeated gas into the second permeated gas and the second non-permeated gas while depressurizing the permeation side space of the second separation membrane unit 20 by the second decompression device 52. To establish. In the gas separation system 100, it is preferable that both the above requirements (I) and (II) are satisfied.
  • the first separation membrane unit 10 includes a first separation membrane 11 and a tank 12.
  • the tank 12 has a first chamber 13 and a second chamber 14.
  • the space in the first chamber 13 corresponds to the supply side space
  • the space in the second chamber 14 corresponds to the transmission side space.
  • the first separation membrane 11 is arranged inside the tank 12. Inside the tank 12, the first separation membrane 11 separates the first chamber 13 and the second chamber 14.
  • the first separation membrane 11 extends from one of the pair of wall surfaces of the tank 12 to the other.
  • the first room 13 has an entrance 13a and an exit 13b.
  • the second chamber 14 has an outlet 14a.
  • the inlet 13a of the first chamber 13 is an opening for supplying the mixed gas 70 to the first separation membrane unit 10.
  • the outlet 14a of the second chamber 14 is an opening for discharging the first permeated gas 80 obtained by permeating the mixed gas 70 through the first separation membrane unit 10 from the first separation membrane unit 10.
  • the outlet 13b of the first chamber 13 is an opening for discharging the mixed gas 70 (first non-permeated gas 81) that did not permeate the first separation membrane 11 from the first separation membrane unit 10.
  • Each of the inlet 13a, the outlet 13b and the outlet 14a is formed on the wall surface of the tank 12, for example.
  • the first separation membrane 11 can preferentially permeate the auxiliary component gas contained in the mixed gas 70, for example.
  • the first separation membrane 11 capable of preferentially permeating an acid gas contained in the mixed gas 70, particularly carbon dioxide, will be described.
  • the first separation membrane 11 includes, for example, a separation functional layer 1.
  • the first separation membrane 11 may further include a porous support 3 that supports the separation functional layer 1 and an intermediate layer 2 that is arranged between the separation functional layer 1 and the porous support 3. .
  • the intermediate layer 2 is in direct contact with, for example, the separation function layer 1 and the porous support 3.
  • the membrane area of the first separation membrane 11 can be appropriately set according to the conditions for separating the mixed gas 70.
  • the separation function layer 1 is a layer capable of preferentially permeating the acid gas contained in the mixed gas 70.
  • the separating functional layer 1 contains a resin.
  • the resin contained in the separation functional layer 1 include a polyether blockamide resin, a polyamide resin, a polyether resin, a polyimide resin, a cellulose acetate resin, a silicone resin and a fluororesin.
  • the separation functional layer 1 preferably contains a polyether block amide resin.
  • the separation functional layer 1 is preferably substantially made of resin. As used herein, "consisting of substantially” means excluding other components that alter the essential characteristics of the mentioned material, eg, 95% or more, and even 99% or more of the material. It means that it is composed of.
  • the separation functional layer 1 contains an ionic liquid.
  • the separation functional layer 1 has, for example, a double network gel containing an ionic liquid.
  • a double network gel is a gel having two types of network structures that are independent of each other.
  • the double network gel contains, for example, a first network structure mainly composed of an organic material, a second network structure mainly composed of an inorganic material, and an ionic liquid.
  • "mainly composed” means that 50 wt% or more, even 70 wt% or more, is composed of the material.
  • the organic material for forming the first network structure contains, for example, a polymer such as polyacrylamide (particularly, polydialkylacrylamide such as polydimethylacrylamide).
  • the polymer contained in the organic material has a structural unit derived from an acrylamide derivative and may further contain a crosslinked structure.
  • the polymer containing a crosslinked structure can be produced by a known method. For example, first, a prepolymer having a structural unit having an N-hydroxysuccinimide ester group is prepared.
  • the structural unit having an N-hydroxysuccinimide ester group is derived from, for example, N-acrylic oxysuccinimide.
  • the amine-based cross-linking agent is a compound having two or more primary amino groups, for example, ethylene glycol bis (3-aminopropyl) ether.
  • the second network structure may include a network of a plurality of particles.
  • a network of a plurality of particles is formed, for example, by bonding a plurality of particles to each other by hydrogen bonds.
  • the particles included in the second network structure may be particles exemplified as nanoparticles described later.
  • the particles contained in the second network structure are silica particles.
  • specific ionic liquids include, for example, imidazolium, pyridinium, ammonium or phosphonium, and ionic liquids having a substituent having one or more carbon atoms.
  • the substituents having 1 or more carbon atoms include an alkyl group having 1 or more carbon atoms and 20 or less carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 or more carbon atoms and 14 or less carbon atoms, and carbon.
  • Examples thereof include an aryl group having a number of 6 or more and 20 or less, which may be further substituted with a hydroxy group, a cyano group, an amino group, a monovalent ether group or the like (for example, a hydroxyalkyl having 1 or more and 20 or less carbon atoms). Group etc.).
  • alkyl group having 1 or more and 20 or less carbon atoms examples include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an n-butyl group, an n-pentyl group, an n-hexyl group, an n-heptyl group, an n-octyl group and n-.
  • the above-mentioned alkyl group may be substituted with a cycloalkyl group.
  • the number of carbon atoms of the alkyl group substituted with the cycloalkyl group is, for example, 1 or more and 20 or less.
  • Examples of the alkyl group substituted with the cycloalkyl group include a cyclopropylmethyl group, a cyclobutylmethyl group, a cyclohexylmethyl group, a cyclohexylpropyl group and the like, which are further a hydroxy group, a cyano group, an amino group and a monovalent ether. It may be substituted with a group or the like.
  • Examples of the cycloalkyl group having 3 or more and 14 or less carbon atoms include a cyclopropyl group, a cyclobutyl group, a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, a cycloheptyl group, a cyclooctyl group, a cyclododecyl group, a norbornyl group, a bornyl group, an adamantyl group and the like. , These may be further substituted with a hydroxy group, a cyano group, an amino group, a monovalent ether group or the like.
  • aryl group having 6 or more and 20 or less carbon atoms examples include a phenyl group, a toluyl group, a xsilyl group, a mesityl group, an anisyl group, a naphthyl group, a benzyl group and the like, and these further include a hydroxy group, a cyano group, an amino group and one. It may be substituted with a valent ether group or the like.
  • the imidazolium and the compound having a substituent having 1 or more carbon atoms may further have a substituent such as an alkyl group, or may form a salt with a counter anion.
  • Counter anions include alkyl sulphate, tosylate, methanesulfonate, acetate, bis (fluorosulfonyl) imide, bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, thiocyanate, dicyanamide, tricyanomethanide, tetracyanobolate, hexafluorophosphate, tetrafluoro.
  • Examples thereof include borate and halide, and bis (fluorosulfonyl) imide, bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, disyanamide, tricyanomethanide and tetracyanobolate are preferable from the viewpoint of gas separation performance.
  • imidazolium and the ionic liquid having a substituent having one or more carbon atoms include 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (fluorosulfonyl) imide and 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyan.
  • the method for producing the double network gel is not particularly limited, and for example, the method disclosed in E. Kamio et al., Adv. Mater, 29, 1704118 (2017) can be used.
  • the content of the ionic liquid in the double network gel is, for example, 50 wt% or more, preferably 60 wt% or more, more preferably 70 wt% or more, and further preferably 80 wt% or more.
  • the upper limit of the content of the ionic liquid is not particularly limited, and is, for example, 95 wt%.
  • the content of the first network structure mainly composed of an organic material in the double network gel is, for example, 1 wt% or more, preferably 5 wt% or more, and more preferably 10 wt% or more.
  • the upper limit of the content of the first mesh structure is, for example, 15 wt%.
  • the content of the second network structure mainly composed of an inorganic material in the double network gel is, for example, 1 wt% or more from the viewpoint of improving the strength of the double network gel.
  • the upper limit of the content of the second mesh structure is, for example, 5 wt%.
  • the ratio of the total value of the weight of the first network structure and the weight of the second network structure to the weight of the double network gel is, for example, 2 wt% or more, preferably 5 wt% or more, and more preferably 10 wt% or more. .. This ratio is preferably 20 wt% or less.
  • the separation functional layer 1 preferably comprises substantially a double network gel.
  • the thickness of the separation functional layer 1 is, for example, 50 ⁇ m or less, preferably 25 ⁇ m or less, and more preferably 15 ⁇ m or less. Depending on the case, the thickness of the separation function layer 1 may be 10 ⁇ m or less, 5.0 ⁇ m or less, or 2.0 ⁇ m or less. The thickness of the separation functional layer 1 may be 0.05 ⁇ m or more, or 0.1 ⁇ m or more.
  • the intermediate layer 2 may contain, for example, a resin and may further contain nanoparticles dispersed in the resin (matrix).
  • the nanoparticles may be separated from each other in the matrix or may be partially aggregated.
  • the material of the matrix is not particularly limited, and for example, a silicone resin such as polydimethylsiloxane; a fluororesin such as polytetrafluoroethylene; an epoxy resin such as polyethylene oxide; a polyimide resin; a polysulfone resin; polytrimethylsilylpropine and polydiphenylacetylene.
  • Polyacetylene resins such as; polyolefin resins such as polymethylpentene.
  • the matrix preferably contains a silicone resin.
  • the nanoparticles may contain an inorganic material or may contain an organic material.
  • examples of the inorganic material contained in the nanoparticles include silica, titania and alumina.
  • the nanoparticles preferably contain silica.
  • the thickness of the intermediate layer 2 is not particularly limited, and is, for example, less than 50 ⁇ m, preferably 40 ⁇ m or less, and more preferably 30 ⁇ m or less.
  • the lower limit of the thickness of the intermediate layer 2 is not particularly limited, and is, for example, 1 ⁇ m.
  • the intermediate layer 2 is, for example, a layer having a thickness of less than 50 ⁇ m.
  • the porous support 3 supports the separation functional layer 1 via the intermediate layer 2.
  • the porous support 3 include a non-woven fabric; porous polytetrafluoroethylene; aromatic polyamide fiber; porous metal; sintered metal; porous ceramic; porous polyester; porous nylon; activated carbon fiber; latex. Silicone; Silicone rubber; Polyfluoride, vinylidene fluoride, polyurethane, polypropylene, polyethylene, polystyrene, polycarbonate, polysulfone, polyether ether ketone, polyacrylonitrile, polyimide and permeation containing at least one selected from the group consisting of polyphenylene oxide.
  • Sexual (porous) polymers metal foams with open or closed cells; polymer foams with open or closed cells; silica; porous glass; mesh screens and the like.
  • the porous support 3 may be a combination of two or more of these.
  • the porous support 3 has an average pore diameter of, for example, 0.01 to 0.4 ⁇ m.
  • the thickness of the porous support 3 is not particularly limited, and is, for example, 10 ⁇ m or more, preferably 20 ⁇ m or more, and more preferably 50 ⁇ m or more.
  • the thickness of the porous support 3 is, for example, 300 ⁇ m or less, preferably 200 ⁇ m or less, and more preferably 150 ⁇ m or less.
  • the first separation membrane 11 can be produced, for example, by the following method. First, a coating liquid containing the material of the intermediate layer 2 is prepared. Next, a coating liquid containing the material of the intermediate layer 2 is applied onto the porous support 3 to form a coating film.
  • the method of applying the coating liquid is not particularly limited, and for example, a wire bar or the like can be used.
  • the thickness of the formed intermediate layer 2 can be adjusted by adjusting the wire diameter of the wire bar and the concentration of the material of the intermediate layer 2 in the coating liquid.
  • the coating film may be formed by immersing the porous support 3 in the coating liquid.
  • the coating film is dried to form the intermediate layer 2.
  • the coating film can be dried, for example, under heating conditions.
  • the heating temperature of the coating film is, for example, 50 ° C. or higher.
  • the heating time of the coating film is, for example, 1 minute or more, and may be 5 minutes or more.
  • the surface of the intermediate layer 2 can be easily bonded if necessary.
  • surface treatment such as application of an undercoat agent, corona discharge treatment, and plasma treatment may be performed.
  • the coating liquid containing the material of the separation functional layer 1 is adjusted.
  • a coating liquid containing the material of the separation functional layer 1 is applied onto the intermediate layer 2 to obtain a coating film.
  • This coating film is dried to form the separation functional layer 1.
  • the coating method and drying conditions of the coating liquid the methods and conditions described above for the intermediate layer 2 can be used.
  • the coating liquid containing the material of the separation functional layer 1 may be applied by spin coating. As a result, the first separation membrane 11 is obtained.
  • the method for producing the first separation membrane 11 is not limited to the above method.
  • the first separation membrane 11 can also be produced by the following method. For example, a coating liquid containing the material of the separation functional layer 1 is applied onto the transfer film to obtain a coating film. The separation functional layer 1 is formed by drying the coating film. Next, the intermediate layer 2 is formed by applying a coating liquid containing the material of the intermediate layer 2 onto the separation functional layer 1 and drying the coating liquid. The laminate of the intermediate layer 2 and the separation function layer 1 is transferred to the porous support 3. As a result, the first separation membrane 11 is obtained.
  • the permeation rate of the acid gas that permeates the first separation membrane 11 is not particularly limited.
  • the permeation rate T 1 of carbon dioxide permeating through the first separation membrane 11 is, for example, 50 GPUs or more, preferably 100 GPUs or more, more preferably 150 GPUs or more, still more preferably 200 GPUs or more, and particularly. It is preferably 300 GPUs or more.
  • the upper limit of the transmission speed T 1 is not particularly limited, and is, for example, 500 GPU.
  • GPU means 10 -6 ⁇ cm 3 (STP) / (sec ⁇ cm 2 ⁇ cmHg).
  • cm 3 (STP) means the volume of carbon dioxide at 1 atm and 0 ° C.
  • the transmission speed T 1 can be calculated by the following method. First, a mixed gas composed of carbon dioxide and nitrogen is supplied to a space adjacent to one surface of the first separation membrane 11 (for example, the main surface 11a on the separation functional layer side of the first separation membrane 11). As a result, the permeated gas that has passed through the first separation membrane 11 can be obtained in the space adjacent to the other surface of the first separation membrane 11 (for example, the main surface 11b on the porous support side of the first separation membrane 11). Measure the composition of the permeated gas, the weight of the permeated gas, etc. The transmission velocity T 1 can be calculated from the measurement result. In the above operation, the concentration of carbon dioxide in the mixed gas is 50 vol% in the standard state (0 ° C., 101 kPa). The mixed gas supplied to the space adjacent to one surface of the first separation membrane 11 has a temperature of 30 ° C. and a pressure of 0.1 MPa.
  • the permeation rate T 2 of nitrogen permeating through the first separation membrane 11 can also be calculated.
  • the transmission speed T 2 is, for example, 25 GPUs or less, preferably 15 GPUs or less, and more preferably 5 GPUs or less.
  • the lower limit of the transmission speed T 2 is not particularly limited, and is, for example, 1 GPU.
  • the carbon dioxide separation coefficient ⁇ with respect to nitrogen of the first separation membrane 11 is, for example, 15 or more, preferably 20 or more, more preferably 30 or more, still more preferable. Is 40 or more, and particularly preferably 50 or more.
  • the upper limit of the separation coefficient ⁇ is not particularly limited, and is, for example, 100.
  • the second separation membrane unit 20 includes a second separation membrane 21 and a tank 22.
  • the tank 22 has a third chamber 23 and a fourth chamber 24.
  • the space in the third room 23 corresponds to the supply side space, and the space in the fourth room 24 corresponds to the transmission side space.
  • the second separation membrane 21 is arranged inside the tank 22. Inside the tank 22, the second separation membrane 21 separates the third chamber 23 and the fourth chamber 24.
  • the second separation membrane 21 extends from one of the pair of wall surfaces of the tank 22 to the other.
  • the third room 23 has an entrance 23a and an exit 23b.
  • the fourth chamber 24 has an outlet 24a.
  • the inlet 23a of the third chamber 23 is an opening for supplying the first permeation gas 80 to the second separation membrane unit 20.
  • the outlet 24a of the fourth chamber 24 is an opening for discharging the second permeated gas 90 obtained by permeating the first permeated gas 80 through the second separation membrane unit 20 from the second separation membrane unit 20.
  • the outlet 23b of the third chamber 23 is an opening for discharging the first permeated gas 80 (second non-permeated gas 91) that did not permeate the second separation membrane 21 from the second separation membrane unit 20.
  • Each of the inlet 23a, the outlet 23b and the outlet 24a is formed on the wall surface of the tank 22, for example.
  • the second separation membrane 21 can preferentially permeate the auxiliary component gas contained in the first permeation gas 80, for example.
  • the separation membrane exemplified as the first separation membrane 11 can be used as the second separation membrane 21.
  • the membrane area of the second separation membrane 21 can be appropriately set according to the conditions for separating the first permeation gas 80.
  • the second separation membrane 21 may be the same as or different from the first separation membrane 11 except for the membrane area.
  • at least one selected from the group consisting of the first separation membrane 11 and the second separation membrane 21 may contain a polyether blockamide resin or an ionic liquid as the material of the separation functional layer, and the first separation may be contained. It is preferable that both the membrane 11 and the second separation membrane 21 contain a polyether blockamide resin or an ionic liquid as a material for the separation functional layer.
  • the first separation membrane unit 10 and the second separation membrane unit 20 included in the gas separation system 100 are suitable for a flow-type (continuous) membrane separation method. However, these separation membrane units may be used in a batch type membrane separation method.
  • the method for separating the mixed gas 70 includes a first separation step using the first separation membrane unit 10 and a second separation step using the second separation membrane unit 20.
  • the first separation step is carried out, for example, as follows.
  • the mixed gas 70 is supplied to the first chamber 13 (supply side space) of the first separation membrane unit 10 through the mixed gas supply path 30.
  • the mixed gas 70 is supplied to the first chamber 13 at atmospheric pressure (for example, 101 kPa) in the measurement environment without being boosted, for example.
  • the mixed gas 70 may be boosted by the pressurizing device 54 within the range where the pressure does not exceed 700 kPa.
  • the pressure of the mixed gas 70 may be, for example, 101 kPa or more, 150 kPa or more, 200 kPa or more, or 300 kPa or more. It may be 400 kPa or more.
  • the upper limit of the pressure of the mixed gas 70 may be 600 kPa or 500 kPa. In the present specification, unless otherwise specified, "pressure" means absolute pressure.
  • the mixed gas 70 contains carbon dioxide and nitrogen.
  • the mixed gas 70 contains nitrogen as the main component gas and carbon dioxide as the sub-component gas.
  • the gas separation system 100 of the present embodiment can also be used for separating a mixed gas 70 having a composition other than the above.
  • the main component gas may be one type of gas selected from a non-polar gas such as hydrogen and methane and an inert gas such as helium.
  • the main component gas may be one type of gas selected from acid gases such as carbon dioxide.
  • the mixed gas 70 may contain an acid gas other than carbon dioxide or oxygen as a subcomponent gas in place of carbon dioxide or together with carbon dioxide.
  • the mixed gas 70 may contain a non-polar gas such as nitrogen, hydrogen, methane, or oxygen, or an inert gas such as helium as the subcomponent gas.
  • the mixed gas may contain hydrogen as a main component gas and carbon dioxide as a sub-component gas.
  • the mixed gas may contain methane as the main component gas and carbon dioxide as the sub-component gas.
  • the content of the main component gas (for example, nitrogen) in the mixed gas 70 is, for example, 50 wt% or more, preferably 60 wt% or more, more preferably 70 wt% or more, still more preferably 75 wt% or more, and particularly. It is preferably 80 wt% or more, particularly preferably 85 wt% or more, 90 wt% or more, and in some cases, 95 wt% or more, or 99 wt% or more.
  • the upper limit of the content of the main component gas in the mixed gas 70 is not particularly limited, and may be, for example, 99.9 wt%, 99 wt%, or 95 wt%.
  • the content of the subcomponent gas (for example, carbon dioxide) in the mixed gas 70 is, for example, less than 50 wt%, preferably 40 wt% or less, more preferably 30 wt% or less, still more preferably 25 wt% or less. It is particularly preferably 20 wt% or less, particularly preferably 15 wt% or less, 10 wt% or less, and in some cases, 5 wt% or less, or 1 wt% or less.
  • the lower limit of the content of the subcomponent gas in the mixed gas 70 is not particularly limited, and may be, for example, 0.1 wt%, 1 wt%, or 5 wt%.
  • the content of the subcomponent gas, particularly carbon dioxide, in the mixed gas 70 is preferably 5 wt% or more.
  • content rate means a value in a standard state (0 ° C., 101 kPa).
  • the carbon dioxide content C CO2 (wt%) in the mixed gas 70 and the nitrogen content C N2 (wt%) in the mixed gas 70 may satisfy the following relational expression (1).
  • the relational expression (1) When the relational expression (1) is satisfied, the energy required for the gas separation system 100 tends to be greatly reduced.
  • the pressure inside the second chamber 14 (permeation side space) is reduced. Specifically, the inside of the second chamber 14 is decompressed through the outlet 14a using the first decompression device 50.
  • the pressure in the permeation side space is, for example, 70 kPa or less, preferably 50 kPa or less, more preferably 30 kPa or less, still more preferably 10 kPa or less, and particularly preferably 5 kPa or less.
  • the pressure in the permeation side space may be 1 kPa or more, 2 kPa or more, or 5 kPa or more in consideration of the energy (power) required for the operation of the first decompression device 50. ..
  • the differential pressure between the supply side space and the permeation side space of the first separation membrane unit 10 is, for example, 500 kPa or less, preferably 400 kPa or less, more preferably 300 kPa or less, and further, from the viewpoint of reducing the energy consumed by the gas separation system 100.
  • the lower limit of the differential pressure between the supply side space and the transmission side space of the first separation membrane unit 10 is not particularly limited, and is, for example, 10 kPa.
  • the first permeated gas 80 supplied to the second chamber 14 passes through the first portion 32a of the permeated gas supply path 32 and is sucked into, for example, the first decompression device 50.
  • the first decompression device 50 discharges, for example, the sucked first permeation gas 80 to the second portion 32b of the permeation gas supply path 32. Since the first permeated gas 80 is supplied to the second portion 32b, the pressure in the second portion 32b is usually maintained at about atmospheric pressure in the measurement environment.
  • the first permeated gas 80 is supplied to the second separation membrane unit 20 through the second portion 32b.
  • the first separation membrane 11 of the first separation membrane unit 10 preferentially permeates the subcomponent gas contained in the mixed gas 70, for example. Therefore, the first permeated gas 80 obtained by the first separation step has a higher content of the auxiliary component gas than the mixed gas 70.
  • the content of the auxiliary component gas (for example, carbon dioxide) in the first permeated gas 80 obtained by the first separation step is not particularly limited, and is, for example, 30 wt% to 80 wt%.
  • the ratio of the content rate (wt%) of the subcomponent gas in the first permeated gas 80 to the content rate (wt%) of the subcomponent gas in the mixed gas 70 is not particularly limited, and is, for example, 2 to 10.
  • the concentration of the main component gas in the mixed gas 70 gradually increases from the inlet 13a of the first chamber 13 toward the outlet 13b.
  • the content of the main component gas (for example, nitrogen) in the mixed gas 70 (first non-permeated gas 81) treated in the first chamber 13 is, for example, 95 wt% or more, preferably 97 wt% or more, more preferably. It is 98 wt% or more, more preferably 99 wt% or more.
  • the first impermeable gas 81 is discharged to the outside of the first separation membrane unit 10 through the outlet 13b.
  • the first impermeable gas 81 is discharged from the discharge port 42 through the first discharge path 34.
  • the second separation step is carried out, for example, as follows.
  • the first permeated gas 80 is supplied to the third chamber 23 (supply side space) of the second separation membrane unit 20 through the second portion 32b of the permeated gas supply path 32.
  • the first permeated gas 80 is supplied to the third chamber 23 at atmospheric pressure (for example, 101 kPa) in the measurement environment without being boosted, for example.
  • the first permeated gas 80 may be boosted by a pressurizing device arranged in the second portion 32b within a range where the pressure does not exceed 700 kPa.
  • the pressure of the first permeation gas 80 may be, for example, 101 kPa or more, 150 kPa or more, or 200 kPa or more. It may be 300 kPa or more, or 400 kPa or more.
  • the upper limit of the pressure of the first permeated gas 80 may be 600 kPa or 500 kPa.
  • the pressure inside the fourth chamber 24 (permeation side space) is reduced. Specifically, the inside of the fourth chamber 24 is decompressed through the outlet 24a by using the second decompression device 52.
  • the pressure in the permeation side space is, for example, 70 kPa or less, preferably 50 kPa or less, more preferably 30 kPa or less, still more preferably 10 kPa or less, and particularly preferably 5 kPa or less.
  • the pressure in the permeation side space may be 1 kPa or more, 2 kPa or more, or 5 kPa or more in consideration of the energy (power) required for the operation of the second decompression device 52. It may be 10 kPa or more, 15 kPa or more, 20 kPa or more, or 30 kPa or more.
  • the differential pressure between the supply side space and the permeation side space of the second separation membrane unit 20 is, for example, 500 kPa or less, preferably 400 kPa or less, more preferably 300 kPa or less, and further, from the viewpoint of reducing the energy consumed by the gas separation system 100.
  • the lower limit of the differential pressure between the supply side space and the transmission side space of the second separation membrane unit 20 is not particularly limited, and is, for example, 10 kPa.
  • the second permeated gas 90 supplied to the fourth chamber 24 passes through the first portion 36a of the second discharge path 36 and is sucked into, for example, the second decompression device 52.
  • the second decompression device 52 discharges, for example, the sucked second permeation gas 90 into the second portion 36b of the second discharge path 36.
  • the second permeated gas 90 is sent to the tank 60 through the second portion 36b.
  • the second separation membrane 21 of the second separation membrane unit 20 preferentially permeates the subcomponent gas contained in the first permeation gas 80, for example. Therefore, the second permeated gas 90 obtained by the second separation step has a higher content of the auxiliary component gas than the first permeated gas 80.
  • the content of the auxiliary component gas (for example, carbon dioxide) in the second permeated gas 90 obtained by the second separation step is not particularly limited, and is, for example, 80 wt% or more, preferably 85 wt% or more, more preferably. It is 90 wt% or more, more preferably 95 wt% or more.
  • the ratio of the content rate (wt%) of the subcomponent gas in the second permeation gas 90 to the content rate (wt%) of the subcomponent gas in the first permeation gas 80 is not particularly limited, and is, for example, 1.2 to 3. ..
  • the concentration of the main component gas in the first permeated gas 80 gradually increases from the inlet 23a of the third chamber 23 toward the outlet 23b.
  • the content of the main component gas (for example, nitrogen) in the first permeated gas 80 (second non-permeated gas 91) treated in the third chamber 23 is not particularly limited, and is, for example, 60 wt% to 90 wt%.
  • the second impermeable gas 91 is discharged to the outside of the second separation membrane unit 20 through the outlet 23b.
  • the first separation step and the second separation step are continuously performed. That is, it is preferable that the first permeated gas 80 separated in the first separation step is immediately subjected to the second separation step without being collected in a tank or the like.
  • the processing amount of the mixed gas 70 per unit time can be easily increased.
  • the gas supplied to the separation membrane unit contains the sub-component gas.
  • the pressure difference between the supply side space and the permeation side space of the separation membrane unit can be easily increased by reducing the pressure in the permeation side space of the separation membrane unit. Therefore, when the content of the auxiliary component gas in the gas supplied to the separation membrane unit is high, the pressure in the space on the permeation side of the separation membrane unit is set to a certain high level, so that the separation performance by the separation membrane unit is not significantly deteriorated.
  • the energy (power) required for the operation of the decompression device can be reduced.
  • the pressure in the space on the permeation side of the separation membrane unit is preferably adjusted according to the composition of the gas supplied to the separation membrane unit, particularly the content of the subcomponent gas.
  • the pressure in the permeation side space of the first separation membrane unit 10 is displayed as P (kPa).
  • the content of carbon dioxide in the mixed gas 70 is displayed as x (wt%), the following relational expression (A) is satisfied
  • the second separation membrane unit 20 When the pressure in the permeation side space is displayed as P (kPa) and the carbon dioxide content in the first permeation gas 80 is displayed as x (wt%), at least one of satisfying the relational expression (A) is established.
  • FIG. 5 is a graph for explaining the relational expression (A).
  • the horizontal axis shows the carbon dioxide content x in the gas supplied to the separation membrane unit.
  • the vertical axis shows the pressure P in the space on the permeation side of the separation membrane unit.
  • the pressure P (kPa) in the space on the permeation side of the separation membrane unit and the carbon dioxide content x (wt%) in the gas supplied to the separation membrane unit may satisfy the following relational expression (B).
  • P 0.4116e 0.0536x (B)
  • the relational expression (B) shows the relationship between the carbon dioxide content x and the pressure P in the permeation side space, which is suitable for reducing the power of the decompression device without significantly deteriorating the separation performance of the separation membrane unit. It is a formula.
  • the relational expression (B) is, in detail, an approximate curve created based on the result of the simulation.
  • the carbon dioxide content in the first permeated gas 80 is higher than the carbon dioxide content in the mixed gas 70. Therefore, even if the pressure P2 in the permeation side space of the second separation membrane unit 20 in the second separation step is the same as or higher than the pressure P1 in the permeation side space of the first separation membrane unit 10 in the first separation step. good.
  • the pressure P2 is preferably higher than the pressure P1.
  • the pressure P in the permeation side space of the separation membrane unit changes over time according to the change in the composition of the gas supplied to the separation membrane unit, particularly the carbon dioxide content x. It may be changed.
  • the pressure P in the permeation side space By always adjusting the pressure P in the permeation side space to an appropriate value according to the composition of the gas supplied to the separation membrane unit, the power of the decompression device can be effectively reduced. Changes in the composition of the gas supplied to the separation membrane unit can be detected, for example, by a gas sensor arranged near the inlet of the separation membrane unit.
  • the separation method of the present embodiment further includes, for example, a mixing step of mixing the second impermeable gas 91 and the mixed gas 70.
  • the mixing step can be carried out by sending the second impermeable gas 91 to the confluence position 40 of the mixed gas supply path 30 through the third discharge path 38.
  • the second impermeable gas 91 can be reused, and the recovery rate of the main component gas and the sub-component gas tends to be improved.
  • the second permeated gas 90 in which the sub-component gas is concentrated and the first non-permeated gas 81 in which the main component gas is concentrated can be recovered.
  • the recovery rate of the auxiliary component gas (for example, carbon dioxide) by this separation method is not particularly limited, and is, for example, 80% or more, preferably 90% or more.
  • the recovery rate of the main component gas is not particularly limited, and is, for example, 90% or more, preferably 95% or more.
  • the second permeated gas 90 in which carbon dioxide is concentrated can be used for producing, for example, dry ice.
  • the nitrogen-enriched first impermeable gas 81 can be used, for example, in industrial applications.
  • the mixed gas supplied is usually greatly boosted to at least 700 kPa or more.
  • the working pressure is set to at least 7 bar or more in the embodiment of Patent Document 1.
  • the non-permeable gas that does not permeate the separation membrane in the separation membrane unit is also boosted. In this case, the energy consumed to boost the impermeable gas is wasted.
  • the separation step can be performed by depressurizing the permeation side space of the separation membrane units 10 and 20 by each of the decompression devices 50 and 52, it is necessary to greatly pressurize the supply side space. There is no.
  • the gas separation system 100 of the present embodiment is suitable for reducing the energy required for separating the mixed gas 70.
  • the gas separation system 100 remarkably remarks the energy required for separating the mixed gas 70. It tends to be reduced to.
  • the first separation membrane unit 10 may be a spiral type membrane element as shown in FIG.
  • the first separation membrane unit 15 of FIG. 6 includes a central tube 16 and a laminated body 17.
  • the laminate 17 includes the first separation membrane 11.
  • the central canal 16 has a cylindrical shape. On the surface of the central tube 16, a plurality of holes or slits for allowing the first permeated gas 80 to flow into the central tube 16 are formed.
  • the material of the central tube 16 include resins such as acrylonitrile / butadiene / styrene copolymer resin (ABS resin), polyphenylene ether resin (PPE resin), and polysulfon resin (PSF resin); metals such as stainless steel and titanium. Be done.
  • the inner diameter of the central canal 16 is, for example, in the range of 20 to 100 mm.
  • the laminated body 17 further includes a supply-side flow path material 18 and a permeation-side flow path material 19 in addition to the first separation membrane 11.
  • the laminate 17 is wound around the central canal 16.
  • the first separation membrane unit 15 may further include an exterior material (not shown).
  • the supply-side flow path material 18 and the transmission-side flow path material 19 are made of a resin made of, for example, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene sulfide (PPS), or an ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE). Nets, textiles or knitted fabrics can be used.
  • a resin made of, for example, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene sulfide (PPS), or an ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE). Nets, textiles or knitted fabrics can be used.
  • Membrane separation using the first separation membrane unit 15 is performed by, for example, the following method.
  • the space inside the central canal 16 is decompressed.
  • the first permeated gas 80 that has passed through the first separation membrane 11 of the laminated body 17 moves inside the central tube 16.
  • the first permeated gas 80 is discharged to the outside through the central tube 16.
  • the mixed gas 70 (first impermeable gas 81) treated by the first separation membrane unit 15 is discharged to the outside from the other end of the wound laminated body 17.
  • the second separation membrane unit 20 may be a spiral type membrane element having the same configuration as the first separation membrane unit 15.
  • the gas separation system 100 may include a plurality of first separation membrane units 10.
  • the gas separation system 110 of the present embodiment shown in FIG. 7 has two first separation membrane units 10a and 10b.
  • the mixed gas supply path 30 is branched into the first portion 30a and the second portion 30b at the branch position 44.
  • the permeated gas supply path 32 further comprises a third portion 32c.
  • the gas separation system 110 further includes a fourth emission path 35.
  • the structure of the gas separation system 110 of the present embodiment is the same as the structure of the gas separation system 100. Therefore, the same reference numerals may be given to the elements common to the gas separation system 100 and the gas separation system 110 of the present embodiment, and the description thereof may be omitted. That is, the description of each embodiment can be applied to each other as long as there is no technical conflict. Further, the embodiments may be combined with each other as long as they are not technically inconsistent.
  • the branch position 44 in the mixed gas supply path 30 is located, for example, on the downstream side of the merging position 40 (and the pressurizing device 54), that is, between the merging position 40 and the first separation membrane unit 10a.
  • the first portion 30a extends from the branch position 44 to the mixed gas inlet (inlet 13a) of the first separation membrane unit 10a.
  • the mixed gas 70 can be supplied to the first separation membrane unit 10a through the first portion 30a.
  • the second portion 30b extends from the branch position 44 to the mixed gas inlet (inlet 13c) of the first separation membrane unit 10b.
  • the mixed gas 70 can be supplied to the first separation membrane unit 10b through the second portion 30b.
  • the third portion 32c of the permeated gas supply path 32 extends from the permeated gas outlet (outlet 14b) of the first separation membrane unit 10b to the first decompression device 50.
  • the first decompression device 50 can decompress the permeation side space of the first separation membrane unit 10a through the first portion 32a and decompress the permeation side space of the first separation membrane unit 10b through the third portion 32c. ..
  • the first decompression device 50 sucks, for example, the first permeated gas that has passed through the third portion 32c, and discharges the first permeated gas to the second portion 32b.
  • the first decompression device 50 may be shared by the plurality of first separation membrane units 10.
  • the form in which the first decompression device 50 is shared by the plurality of first separation membrane units 10 is suitable for reducing the installation area of the decompression device and securing space. Further, according to this form, a member such as a valve can be omitted, which is advantageous in terms of cost.
  • the gas separation system 110 is also suitable for further reducing the energy required to separate the mixed gas 70.
  • the gas separation system 110 includes a plurality of first decompression devices 50, and each of the plurality of first decompression devices 50 is configured to be able to depressurize the permeation side space of the plurality of first separation membrane units 10. You may.
  • the fourth discharge path 35 is connected to the impermeable gas outlet (outlet 13d) of the first separation membrane unit 10b, and is a path for discharging the first impermeable gas from the first separation membrane unit 10b.
  • the fourth discharge path 35 is formed with an opening (discharge port 46) for discharging the first impermeable gas from the fourth discharge path 35.
  • the gas separation system 110 may further include a tank (not shown) for storing the first impermeable gas, and each of the first discharge path 34 and the fourth discharge path 35 may be connected to the tank.
  • the plurality of first separation membrane units 10 may be the same or different from each other.
  • the membrane area of the separation membrane (first separation membrane 11) for treating the mixed gas 70 can be easily increased.
  • FIG. 8 shows a configuration diagram of a modified gas separation system 120.
  • the gas separation system 120 further includes a third separation membrane unit 25, a third decompression device 56, a fifth discharge path 37, and a sixth discharge path 39.
  • the second discharge path 36 is connected to the permeation gas inlet (inlet 28a) of the third separation membrane unit 25.
  • the structure of the gas separation system 120 is the same as the structure of the gas separation system 100 of FIG.
  • the third separation membrane unit 25 is a membrane separation device that separates the second permeated gas discharged from the second separation membrane unit 20 by using the third separation membrane.
  • the third separation membrane of the third separation membrane unit 25 can further separate the second permeated gas into the third permeated gas and the third non-permeated gas.
  • the third separation membrane of the third separation membrane unit 25 can preferentially permeate, for example, a sub-component gas contained in the second permeation gas, specifically at least one gas contained in the sub-component gas. Therefore, the third permeated gas separated by the third separation membrane has a higher content of the sub-component gas than the second permeated gas and a lower content of the main component gas than the second permeated gas. On the other hand, the third non-permeated gas has a lower content of the sub-component gas than the second permeated gas and a higher content of the main component gas than the second permeated gas.
  • the names of "main component gas” and "secondary component gas” in the third permeated gas and the third non-permeated gas are referred to before being separated by the first separation membrane. Determined based on the content in the mixed gas.
  • the third decompression device 56 can depressurize the space on the transmission side of the third separation membrane unit 25. In other words, the third decompression device 56 can generate a differential pressure or increase the differential pressure between the supply side space and the transmission side space of the third separation membrane unit 25.
  • a specific example of the third decompression device 56 is a pump.
  • the third decompression device 56 is preferably a vacuum device such as a vacuum pump. As the vacuum pump, the above-mentioned first decompression device 50 can be used.
  • the pump as the third decompression device 56 may be provided with a variable speed mechanism for changing the rotation speed or the like.
  • An example of a variable speed mechanism is an inverter that drives a pump motor. By controlling the rotation speed of the pump with the variable speed mechanism, the pressure in the permeation side space of the third separation membrane unit 25 can be appropriately adjusted.
  • the third decompression device 56 may be an aggregate of a plurality of pumps. That is, the third decompression device 56 may have a configuration in which the permeation side space of the third separation membrane unit 25 can be depressurized by each of the plurality of pumps. According to this configuration, the pressure in the permeation side space of the third separation membrane unit 25 can be appropriately adjusted by adjusting the number of operating pumps.
  • the second discharge path 36 is connected to the inlet 28a of the third separation membrane unit 25.
  • the second discharge path 36 functions as a path for supplying the second permeation gas from the second separation membrane unit 20 to the third separation membrane unit 25.
  • a pressurizing device (not shown) for boosting the second permeated gas discharged from the second decompression device 52 may or may not be arranged in the second portion 36b of the second discharge path 36. May be good. According to this pressurizing device, the supply side space of the third separation membrane unit 25 can be pressurized. Pressurizing devices include, for example, compressors, blowers and back pressure valves.
  • a gas sensor for measuring the composition of the second permeated gas may be arranged in the second portion 36b.
  • This gas sensor can detect, for example, the content of carbon dioxide in the second permeated gas.
  • the gas sensor is preferably arranged near the inlet 28a of the third separation membrane unit 25.
  • the second discharge path 36 is not provided with a tank such as a collector for collecting the second permeated gas and an on-off valve for opening and closing the path.
  • the collector when the collector is not arranged in the second discharge path 36, the second permeation gas discharged from the second separation membrane unit 20 can be continuously supplied to the third separation membrane unit 25. According to such a configuration, the processing amount of the mixed gas 70 per unit time can be easily increased.
  • the second discharge path 36 may be composed of only the second decompression device 52 and the piping.
  • the fifth discharge path 37 is connected to the permeation gas outlet (outlet 29a) of the third separation membrane unit 25 and the inlet of the tank 60, and is for sending the third permeation gas from the third separation membrane unit 25 to the tank 60. It is a route.
  • the tank 60 can store the third permeation gas sent from the third separation membrane unit 25.
  • a third decompression device 56 is arranged in the fifth discharge path 37.
  • the fifth discharge path 37 has a first portion 37a extending from the third separation membrane unit 25 to the third decompression device 56, and a second portion 37b extending from the third decompression device 56 to the tank 60.
  • the third decompression device 56 can depressurize the permeation side space of the third separation membrane unit 25 through the first portion 37a.
  • the third decompression device 56 sucks, for example, the third permeated gas that has passed through the first portion 37a, and discharges the third permeated gas to the second portion 37b.
  • the third decompression device 56 is configured so as not to discharge the gas that has passed through the first portion 37a to the outside of the gas separation system 120, for example.
  • the third decompression device 56 is connected only to, for example, the first portion 37a and the second portion 37b.
  • the third decompression device 56 is an aggregate of a plurality of pumps
  • the first portion 37a of the fifth discharge path 37 may be branched and connected to each of the inlets of the plurality of pumps.
  • the second portion 37b of the fifth discharge path 37 may be branched and connected to each of the outlets of the plurality of pumps.
  • the sixth discharge path 39 is connected to the impermeable gas outlet (outlet 28b) of the third separation membrane unit 25, and is a route for discharging the third impermeable gas from the third separation membrane unit 25.
  • the sixth discharge path 39 may merge with the permeated gas supply path 32, specifically, the second portion 32b of the permeated gas supply path 32 at the confluence position 41.
  • the controller can also control the operation of the third decompression device 56, for example.
  • the controller has a third decompression so that the permeation side space of the third separation membrane unit 25 is depressurized when the second permeation gas is supplied from the second discharge path 36 to the third separation membrane unit 25. It controls the device 56. Specifically, the controller controls the third decompression device 56 so as to continue depressurizing the permeation side space of the third separation membrane unit 25 while the second permeation gas is supplied to the third separation membrane unit 25. ..
  • the second permeated gas is separated into the third permeated gas and the third non-permeated gas while the permeation side space of the third separation membrane unit 25 is depressurized by the (III) third decompression device 56. , Is established.
  • the gas separation system 120 of the present embodiment has a configuration in which the third separation membrane unit 25 and the third decompression device 56 are further arranged on the downstream side of the second separation membrane unit 20.
  • a combination of the separation membrane unit and the decompression device may be further arranged on the downstream side of the third separation membrane unit 25.
  • the number of combinations of the separation membrane unit and the decompression device arranged on the downstream side of the third separation membrane unit 25 can be appropriately set depending on the composition of the mixed gas 70 to be separated.
  • the controller controls, for example, the operation of each decompression device arranged on the downstream side of the third separation membrane unit 25.
  • the third separation membrane unit 25 includes a third separation membrane 26 and a tank 27.
  • the tank 27 has a fifth chamber 28 and a sixth chamber 29.
  • the space in the fifth room 28 corresponds to the supply side space
  • the space in the sixth room 29 corresponds to the transmission side space.
  • the third separation membrane 26 is arranged inside the tank 27. Inside the tank 27, the third separation membrane 26 separates the fifth chamber 28 and the sixth chamber 29.
  • the third separation membrane 26 extends from one of the pair of wall surfaces of the tank 27 to the other.
  • the fifth room 28 has an entrance 28a and an exit 28b.
  • the sixth chamber 29 has an outlet 29a.
  • the inlet 28a of the fifth chamber 28 is an opening for supplying the second permeation gas 90 to the third separation membrane unit 25.
  • the outlet 29a of the sixth chamber 29 is an opening for discharging the third permeated gas 95 obtained by allowing the second permeated gas 90 to permeate the third separation membrane unit 25 from the third separation membrane unit 25.
  • the outlet 28b of the fifth chamber 28 is an opening for discharging the second permeated gas 90 (third non-permeated gas 96) that did not permeate the third separation membrane 26 from the third separation membrane unit 25.
  • Each of the inlet 28a, the outlet 28b and the outlet 29a is formed on the wall surface of the tank 27, for example.
  • the third separation membrane 26 can preferentially permeate the auxiliary component gas contained in the second permeation gas 90, for example.
  • the separation membrane exemplified as the first separation membrane 11 can be used.
  • the membrane area of the third separation membrane 26 can be appropriately set according to the conditions for separating the second permeation gas 90.
  • the third separation membrane 26 may be the same as or different from the first separation membrane 11 or the second separation membrane 21 except for the membrane area.
  • at least one selected from the group consisting of the first separation membrane 11, the second separation membrane 21 and the third separation membrane 26 contains a polyether blockamide resin or an ionic liquid as the material of the separation functional layer. It is also preferable that each of the first separation membrane 11, the second separation membrane 21 and the third separation membrane 26 contains a polyether blockamide resin or an ionic liquid as a material for the separation functional layer.
  • the third separation membrane unit 25 is suitable for a distribution type (continuous type) membrane separation method. However, the third separation membrane unit 25 may be used in a batch type membrane separation method. The third separation membrane unit 25 may be the spiral type membrane element described above for the first separation membrane unit 15.
  • the method for separating the mixed gas 70 further includes a third separation step using the third separation membrane unit 25, in addition to the first separation step and the second separation step described above.
  • the third separation step is carried out, for example, as follows.
  • the second permeated gas 90 is supplied to the fifth chamber 28 (supply side space) of the third separation membrane unit 25 through the second portion 36b of the second discharge path 36.
  • the second permeated gas 90 is supplied to the fifth chamber 28 at atmospheric pressure (for example, 101 kPa) in the measurement environment without being boosted, for example.
  • the second permeated gas 90 may be boosted by the pressurizing device arranged in the second portion 36b within the range where the pressure does not exceed 700 kPa.
  • the pressure of the second permeation gas 90 that is, the pressure in the supply-side space of the third separation membrane unit 25 may be, for example, 101 kPa or more, 150 kPa or more, or 200 kPa or more. It may be 300 kPa or more, or 400 kPa or more. The upper limit of the pressure of the second permeated gas 90 may be 600 kPa or 500 kPa.
  • the pressure inside the sixth chamber 29 (permeation side space) is reduced. Specifically, the inside of the sixth chamber 29 is decompressed through the outlet 29a by using the third decompression device 56.
  • the pressure in the permeation side space is, for example, 70 kPa or less, preferably 50 kPa or less, more preferably 30 kPa or less, still more preferably 10 kPa or less, and particularly preferably 5 kPa or less.
  • the pressure in the permeation side space may be 1 kPa or more, 2 kPa or more, or 5 kPa or more in consideration of the energy (power) required for the operation of the third decompression device 56. It may be 10 kPa or more, 15 kPa or more, 20 kPa or more, or 30 kPa or more.
  • the differential pressure between the supply side space and the permeation side space of the third separation membrane unit 25 is, for example, 500 kPa or less, preferably 400 kPa or less, more preferably 300 kPa or less, and further, from the viewpoint of reducing the energy consumed by the gas separation system 120.
  • the lower limit of the differential pressure between the supply side space and the transmission side space of the third separation membrane unit 25 is not particularly limited, and is, for example, 10 kPa.
  • the third permeated gas 95 supplied to the sixth chamber 29 passes through the first portion 37a of the fifth discharge path 37 and is sucked into, for example, the third decompression device 56.
  • the third decompression device 56 discharges, for example, the sucked third permeation gas 95 to the second portion 37b of the fifth discharge path 37.
  • the third permeated gas 95 is sent to the tank 60 through the second portion 37b.
  • the third separation membrane 26 of the third separation membrane unit 25 preferentially permeates the subcomponent gas contained in the second permeation gas 90, for example. Therefore, the third permeated gas 95 obtained by the third separation step has a higher content of the auxiliary component gas than the second permeated gas 90.
  • the content of the auxiliary component gas (for example, carbon dioxide) in the third permeated gas 95 obtained by the third separation step is not particularly limited, and is, for example, 80 wt% or more, preferably 85 wt% or more, more preferably. It is 90 wt% or more, more preferably 95 wt% or more.
  • the ratio of the content rate (wt%) of the subcomponent gas in the third permeation gas 95 to the content rate (wt%) of the subcomponent gas in the second permeation gas 90 is not particularly limited, and is, for example, 1.2 to 3. ..
  • the concentration of the main component gas in the second permeated gas 90 gradually increases from the inlet 28a of the fifth chamber 28 toward the outlet 28b.
  • the content of the main component gas (for example, nitrogen) in the second permeated gas 90 (third non-permeated gas 96) treated in the fifth chamber 28 is not particularly limited, and is, for example, 60 wt% to 90 wt%.
  • the third impermeable gas 96 is discharged to the outside of the third separation membrane unit 25 through the outlet 28b.
  • the first separation step to the third separation step are continuously performed. That is, it is preferable that the second permeated gas 90 separated in the second separation step is immediately subjected to the third separation step without being collected in a tank or the like.
  • the processing amount of the mixed gas 70 per unit time can be easily increased.
  • the pressure in the permeation side space of the third separation membrane unit 25 may be adjusted according to the composition of the second permeation gas 90 supplied to the third separation membrane unit 25, particularly the content of the auxiliary component gas. ..
  • the subcomponent gas is carbon dioxide
  • the pressure in the permeation side space of the third separation membrane unit 25 is displayed as P (kPa) in the third separation step
  • the second When the carbon dioxide content in the permeated gas 90 is displayed as x (wt%), the above-mentioned relational expression (A) may be satisfied or the relational expression (B) may be satisfied.
  • the pressure P3 in the permeation side space of the third separation membrane unit 25 in the third separation step may be the same as or higher than the pressure P2 in the permeation side space of the second separation membrane unit 20 in the second separation step.
  • the pressure P3 is preferably higher than the pressure P2.
  • the pressure P3 in the space on the permeation side of the third separation membrane unit 25 changes over time depending on the composition of the gas supplied to the third separation membrane unit 25, particularly the carbon dioxide content x. May be changed to.
  • the power of the third decompression device 56 can be effectively reduced. ..
  • the change in the composition of the gas supplied to the third separation membrane unit 25 can be detected by, for example, a gas sensor arranged near the inlet 28a of the third separation membrane unit 25.
  • the separation method of the present embodiment further includes, for example, a second mixing step of mixing the third non-permeated gas 96 and the first permeated gas 80.
  • the second mixing step can be carried out by sending the third impermeable gas 96 to the confluence position 41 of the permeated gas supply path 32 through the sixth discharge path 39.
  • the third impermeable gas 96 can be reused, and the recovery rate of the main component gas and the sub-component gas tends to be improved.
  • the third permeated gas 95 in which the sub-component gas is concentrated and the first non-permeated gas 81 in which the main component gas is concentrated can be recovered.
  • the recovery rate of the auxiliary component gas (for example, carbon dioxide) by this separation method is not particularly limited, and is, for example, 80% or more, preferably 90% or more.
  • the recovery rate of the main component gas is not particularly limited, and is, for example, 90% or more, preferably 95% or more.
  • the method for separating the mixed gas 70 of the present embodiment using the gas separation system 120 is suitable for separating the mixed gas 70 having a low content of the auxiliary component gas.
  • the method for separating the mixed gas 70 of the present embodiment is suitable for separating the mixed gas 70 (for example, air) in which the content of the subcomponent gas, particularly carbon dioxide, is 1 wt% or less.
  • polyether block amide (Pebax MH1657 manufactured by Arkema) was added to 98 g of a 70 mass% isopropanol aqueous solution, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 3 hours to prepare a 2 mass% Pebax solution.
  • the prepared solution was developed on a silicone layer and spin coated at a rotation speed of 2000 rpm for 40 seconds.
  • the obtained coating film was dried in an oven at 60 ° C. for 30 minutes to form a separation functional layer. As a result, a separation membrane A was obtained.
  • the separation membrane B was prepared by the same method as that of the separation membrane A, except that the coating liquid containing the double network gel was used instead of the coating liquid containing the polyether block amide.
  • the double network gel contained a first network structure, a second network structure and an ionic liquid.
  • the first network structure had a structural unit derived from dimethylacrylamide and was further composed of a polymer containing a crosslinked structure.
  • the second network structure was composed of silica particles (AEROSIL200 manufactured by Aerosil Co., Ltd.).
  • As the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide (EMI-DCA) was used.
  • the content of the first network structure in the double network gel was 15 wt%, the content of the second network structure was 5 wt%, and the content of the ionic liquid was 80 wt%.
  • Separation membrane by the same method as separation membrane B, except that 1-ethyl-3-methylimidazolium tricyanomethanide (EMI-C (CN) 3 ) was used instead of EMI-DCA as the ionic liquid. C was prepared.
  • EMI-C (CN) 3 1-ethyl-3-methylimidazolium tricyanomethanide
  • the carbon dioxide permeation rate T 1 , the nitrogen permeation rate T 2 , and the carbon dioxide separation coefficient ⁇ (CO 2 / N 2 ) for nitrogen are determined for each of the separation membranes A to C by the following methods. It was measured. First, the separation membrane was set in the metal cell and sealed with an O-ring to prevent leakage. Next, the mixed gas was injected into the metal cell so that the mixed gas came into contact with the main surface of the separation membrane on the separation function layer side. The mixed gas consisted substantially of carbon dioxide and nitrogen. The concentration of carbon dioxide in the mixed gas was 50 vol% in the standard state. The temperature of the mixed gas injected into the metal cell was 30 ° C. The pressure of the mixed gas was 0.1 MPa.
  • the gas flow rate of carbon dioxide contained in the mixed gas supplied to the first separation membrane unit 10 is set to 300 t / year (34.25 kg / hr), the carbon dioxide content is set to 10 wt%, and the mixed gas
  • the temperature was set to 25 ° C. Further, the temperatures of the finally obtained first non-permeated gas and the second permeated gas were set to 25 ° C., and these pressures were set to 101.33 kPa.
  • the carbon dioxide content was set to 95 wt% and the recovery rate was set to 90% (30.82 kg / hr).
  • the heat insulating efficiency of the decompressors 50 and 52 was set to 70%, which is a general value. The results are shown in Tables 2 and 3.
  • the gas separation system 200 includes a first separation membrane unit 210, a second separation membrane unit 220, and a third separation membrane unit 225.
  • the first separation membrane unit 210 and the second separation membrane unit 220 correspond to the first separation membrane unit 10 and the second separation membrane unit 20 of the gas separation system 100 of FIG. 1, respectively.
  • the third separation membrane unit 225 in FIG. 10 is a membrane separation device that separates the first impermeable gas discharged from the first separation membrane unit 210 by using the third separation membrane.
  • the third separation membrane can separate the first impermeable gas into a third impermeable gas and a third impermeable gas.
  • the gas separation system 200 includes a mixed gas supply path 230, a permeated gas supply path 232, a first discharge path 234, a second discharge path 236, a third discharge path 238, a fourth discharge path 237, and a fifth discharge path 239. There is.
  • the mixed gas supply path 230 is a path for supplying the mixed gas to the first separation membrane unit 210.
  • a compressor CP1 and a heat exchanger C1 are arranged in the mixed gas supply path 230.
  • the mixed gas can be boosted by the compressor CP1.
  • the permeated gas supply path 232 is a path for supplying the first permeated gas from the first separation membrane unit 210 to the second separation membrane unit 220.
  • a decompression device is not arranged in the permeated gas supply path 232.
  • the first discharge path 234 is a path for sending the first impermeable gas from the first separation membrane unit 210 to the third separation membrane unit 225.
  • the second discharge path 236 is a path for discharging the second permeated gas from the second separation membrane unit 220.
  • a decompression device CP2 and a heat exchanger C2 are arranged in the second discharge path 236.
  • the third discharge route 238 is a route for discharging the second impermeable gas from the second separation membrane unit 220.
  • the third discharge path 238 joins the mixed gas supply path 230 at the merging position 240, and the second impermeable gas can be sent to the mixed gas supply path 230.
  • the fourth discharge route 237 is a route for discharging the third impermeable gas from the third separation membrane unit 225.
  • the fifth discharge route 239 is a route for discharging the third permeated gas from the third separation membrane unit 225.
  • the fifth discharge path 239 joins the mixed gas supply path 230 at the merging position 240, and the third permeation gas can be sent to the mixed gas supply path 230.
  • the operating conditions of the separation membrane unit, the type of the separation membrane used in the separation membrane unit, the composition of the mixed gas, the composition of the second permeation gas, etc. are determined in advance, and in this case, the gas separation system 200
  • the energy required to separate the mixed gas and the membrane area of the separation membrane were calculated using.
  • the process modeling software Symmetry manufactured by Schlumberger was used for the calculation.
  • the influence was confirmed by changing the ratio of the membrane area of the separation membrane in the first separation membrane unit 210 and the third separation membrane unit 225 and the type of the separation membrane used. The results are shown in Table 4.
  • the operating conditions of the separation membrane unit, the type of the separation membrane used in the separation membrane unit, the composition of the mixed gas, the composition of the first permeation gas, etc. are determined in advance, and in this case, the gas separation system 250
  • the energy required to separate the mixed gas and the membrane area of the separation membrane were calculated using.
  • the process modeling software Symmetry manufactured by Schlumberger was used for the calculation.
  • the type of separation membrane used was changed and the effect was confirmed. The results are shown in Table 5.
  • the conventional gas separation systems 200 and 250 Compared with, the energy required to separate the mixed gas can be reduced.
  • the energy required to separate the mixed gas can be reduced.
  • in the gas separation system of the present embodiment in order to separate the mixed gas by pressurizing the inside of the supply side space of the first separation membrane unit within a range not exceeding 700 kPa. While reducing the required energy, the required membrane area of the separation membrane can also be reduced.
  • the energy required to separate the mixed gas largely depends on the composition of the permeated gas and the composition of the mixed gas, especially the composition of the mixed gas.
  • the present embodiment has a configuration in which the permeation side spaces of the first separation membrane unit and the second separation membrane unit can be depressurized. According to the gas separation system of the embodiment, it can be seen that the energy required for separating the mixed gas can be reduced as compared with the conventional gas separation systems 200 and 210.
  • the gas separation system of the present embodiment is suitable for separating a mixed gas, particularly an exhaust gas containing carbon dioxide and nitrogen.

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Abstract

本発明は、混合ガスを分離するために必要なエネルギーを低減することに適したガス分離システムを提供する。本発明のガス分離システム100は、二酸化炭素及び窒素を含む混合ガス70を第1透過ガス80と第1非透過ガス81とに分離する第1分離膜ユニット10と、第1透過ガス80を第2透過ガス90と第2非透過ガス91とに分離する第2分離膜ユニット20と、第1分離膜ユニット10の透過側空間を減圧する第1減圧装置50と、第2分離膜ユニット20の透過側空間を減圧する第2減圧装置52と、を備える。

Description

ガス分離システム及び混合ガスの分離方法
 本発明は、ガス分離システム及び混合ガスの分離方法に関する。
 工場や発電所などでは、例えば、燃料を燃焼させることによって得られたエネルギーが利用される。通常、燃料を燃焼させると、二酸化炭素及び窒素を含む排出ガスが生じる。環境規制などの観点から、排出ガスからは、二酸化炭素が取り除かれることが望ましい。
 二酸化炭素を含む混合ガスから二酸化炭素を分離する方法として、膜分離法が開発されている。膜分離法は、混合ガスに含まれる二酸化炭素を吸収剤に吸収させて分離する吸収法と比べて、運転コストを抑えながら二酸化炭素を効率的に分離することができる。
 膜分離法では、高い精度で混合ガスを分離するために、複数の分離膜ユニットを組み合わせたガス分離システムが利用されることがある。例えば、特許文献1には、膜分離法を利用して、供給ストリームを分離する供給ストリーム分離段階、及び、供給ストリーム分離段階で得られた第一透過ストリームをさらに分離する透過物分離段階を備えた機器が開示されている。特許文献2には、混合ガスを分離する第1ガス分離膜ユニット、及び、第1ガス分離膜ユニットから排出された未透過ガスを分離する第2ガス分離膜ユニットを備えたガス分離システムが開示されている。
特表2018-511472号公報 特開2013-128868号公報
 従来のガス分離システムでは、混合ガス、特に二酸化炭素及び窒素を含む排出ガス、を分離する場合、エネルギーの消費量が大きい傾向がある。
 そこで本発明は、混合ガスを分離するために必要なエネルギーを低減することに適したガス分離システムを提供することを目的とする。
 本発明者らは、鋭意検討した結果、ガス分離システムに供給される混合ガスを大きく昇圧した場合に、混合ガスを分離するために必要なエネルギーが大きく増加することを新たに見出した。本発明者らは、この知見に基づいて検討を進め、本発明を完成するに至った。
 本発明は、
 二酸化炭素及び窒素を含む混合ガスを第1透過ガスと第1非透過ガスとに分離する第1分離膜ユニットと、
 前記第1透過ガスを第2透過ガスと第2非透過ガスとに分離する第2分離膜ユニットと、
 前記第1分離膜ユニットの透過側空間を減圧する第1減圧装置と、
 前記第2分離膜ユニットの透過側空間を減圧する第2減圧装置と、
を備えた、ガス分離システムを提供する。
 さらに本発明は、
 二酸化炭素及び窒素を含む混合ガスを第1分離膜ユニットに供給し、前記第1分離膜ユニットの透過側空間を減圧することによって、前記混合ガスを第1透過ガスと第1非透過ガスとに分離する第1分離工程と、
 前記第1透過ガスを第2分離膜ユニットに供給し、前記第2分離膜ユニットの透過側空間を減圧することによって、前記第1透過ガスを第2透過ガスと第2非透過ガスとに分離する第2分離工程と、
を含む、混合ガスの分離方法を提供する。
 本発明によれば、混合ガスを分離するために必要なエネルギーを低減することに適したガス分離システムを提供できる。
本発明の一実施形態にかかるガス分離システムの構成図である。 第1分離膜ユニットの一例を示す概略断面図である。 第1分離膜の一例を示す断面図である。 第2分離膜ユニットの一例を示す概略断面図である。 関係式(A)を説明するためのグラフである。 第1分離膜ユニットの別の一例を示す概略断面図である。 ガス分離システムの別の一例を示す構成図である。 ガス分離システムのさらに別の一例を示す構成図である。 第3分離膜ユニットの一例を示す概略断面図である。 従来のガス分離システムの構成図である。 従来のガス分離システムの構成図である。
 以下、本発明の詳細を説明するが、以下の説明は、本発明を特定の実施形態に制限する趣旨ではない。
<ガス分離システム>
 図1に示すように、本実施形態のガス分離システム100は、第1分離膜ユニット10、第2分離膜ユニット20、第1減圧装置50及び第2減圧装置52を備える。第1分離膜ユニット10は、第1分離膜を用いて、二酸化炭素及び窒素を含む混合ガスについて膜分離を行う膜分離装置である。第1分離膜ユニット10が有する第1分離膜は、混合ガスを第1透過ガスと第1非透過ガスとに分離することができる。第2分離膜ユニット20は、第2分離膜を用いて、第1分離膜ユニット10から排出された第1透過ガスについて膜分離を行う膜分離装置である。第2分離膜ユニット20が有する第2分離膜は、第1透過ガスを第2透過ガスと第2非透過ガスとに分離することができる。
 混合ガスは、例えば、主成分ガス及び副成分ガスを含む。主成分ガスは、混合ガスに重量比で最も多く含まれたガスを意味する。副成分ガスは、混合ガスに含まれるガスのうち、主成分ガス以外のガスを意味する。混合ガスは、例えば、主成分ガスとして窒素を含み、かつ副成分ガスとして二酸化炭素を含む。混合ガスの一例としては、天然ガス(都市ガス)、プロパンガスなどの燃料(化石燃料)が燃焼することによって生じた排出ガスが挙げられる。ただし、混合ガスは、排出ガスに限定されず、空気であってもよい。
 第1分離膜ユニット10の第1分離膜は、例えば、混合ガスに含まれる副成分ガス、詳細には副成分ガスに含まれる少なくとも1つのガス、を優先的に透過させることができる。そのため、第1分離膜によって分離された第1透過ガスは、混合ガスよりも副成分ガスの含有率が高く、かつ混合ガスよりも主成分ガスの含有率が低い。一方、第1非透過ガスは、混合ガスよりも副成分ガスの含有率が低く、かつ混合ガスよりも主成分ガスの含有率が高い。なお、本明細書では、説明を容易にするために、第1透過ガスにおける「主成分ガス」及び「副成分ガス」の名称は、分離前の混合ガスでの含有率に基づいて定める。例えば、第1透過ガスにおいて、混合ガスでの副成分ガス(例えば二酸化炭素)の含有率が、混合ガスでの主成分ガス(例えば窒素)の含有率より高い場合であっても、混合ガスでの副成分ガスを第1透過ガスの「副成分ガス」と呼び、かつ混合ガスでの主成分ガスを第1透過ガスの「主成分ガス」と呼ぶ。
 第2分離膜ユニット20の第2分離膜は、例えば、第1透過ガスに含まれる副成分ガス、詳細には副成分ガスに含まれる少なくとも1つのガス、を優先的に透過させることができる。そのため、第2分離膜によって分離された第2透過ガスは、第1透過ガスよりも副成分ガスの含有率が高く、かつ第1透過ガスよりも主成分ガスの含有率が低い。一方、第2非透過ガスは、第1透過ガスよりも副成分ガスの含有率が低く、かつ第1透過ガスよりも主成分ガスの含有率が高い。なお、本明細書では、第1透過ガスと同様に、第2透過ガス及び第2非透過ガスにおける「主成分ガス」及び「副成分ガス」の名称は、第1分離膜で分離する前の混合ガスでの含有率に基づいて定める。
 第1減圧装置50は、第1分離膜ユニット10の透過側空間を減圧することができる。言い換えると、第1減圧装置50によって、第1分離膜ユニット10の供給側空間と透過側空間との間において、差圧を生じさせる、又は、差圧を増加させることができる。第1減圧装置50の具体例は、ポンプである。第1減圧装置50は、真空ポンプなどの真空装置であることが好ましい。真空ポンプは、典型的には気体輸送式の真空ポンプであり、往復運動式の真空ポンプや回転式の真空ポンプなどが挙げられる。往復運動式の真空ポンプとしては、ダイヤフラム型や揺動ピストン型の真空ポンプが挙げられる。回転式の真空ポンプとしては、液封ポンプ;油回転ポンプ(ロータリポンプ);メカニカルブースターポンプ;ルーツ型、クロー型、スクリュー型、ターボ型、スクロール型などの各種ドライポンプなどが挙げられる。第1減圧装置50としてのポンプは、回転数などを変化させるための可変速機構を備えていてもよい。可変速機構の例は、ポンプのモータを駆動するインバータである。可変速機構でポンプの回転数などを制御することによって、第1分離膜ユニット10の透過側空間の圧力を適切に調整することができる。
 第1減圧装置50は、複数のポンプの集合体であってもよい。すなわち、第1減圧装置50は、複数のポンプのそれぞれによって第1分離膜ユニット10の透過側空間を減圧できる構成を有していてもよい。この構成によれば、稼働するポンプの数を調整することによって、第1分離膜ユニット10の透過側空間の圧力を適切に調整することができる。
 第2減圧装置52は、第2分離膜ユニット20の透過側空間を減圧することができる。言い換えると、第2減圧装置52によって、第2分離膜ユニット20の供給側空間と透過側空間との間において、差圧を生じさせる、又は、差圧を増加させることができる。第2減圧装置52の具体例は、ポンプである。第2減圧装置52は、真空ポンプなどの真空装置であることが好ましい。真空ポンプとしては、第1減圧装置50について上述したものを用いることができる。第2減圧装置52としてのポンプは、回転数などを変化させるための可変速機構を備えていてもよい。可変速機構の例は、ポンプのモータを駆動するインバータである。可変速機構でポンプの回転数などを制御することによって、第2分離膜ユニット20の透過側空間の圧力を適切に調整することができる。
 第2減圧装置52は、複数のポンプの集合体であってもよい。すなわち、第2減圧装置52は、複数のポンプのそれぞれによって第2分離膜ユニット20の透過側空間を減圧できる構成を有していてもよい。この構成によれば、稼働するポンプの数を調整することによって、第2分離膜ユニット20の透過側空間の圧力を適切に調整することができる。
 ガス分離システム100は、混合ガス供給経路30をさらに備えている。混合ガス供給経路30は、第1分離膜ユニット10の混合ガス入口(入口13a)に接続されており、混合ガスを貯蔵しているタンク(図示せず)などから第1分離膜ユニット10に混合ガスを供給するための経路である。混合ガス供給経路30は、混合ガスの発生源に直接接続されていてもよく、当該発生源から第1分離膜ユニット10に混合ガスを連続的に供給する構成であってもよい。混合ガス供給経路30には、第1分離膜ユニット10の供給側空間を加圧する加圧装置54が配置されていてもよく、配置されていなくてもよい。加圧装置54としては、例えば、コンプレッサ、ブロワー及び背圧弁が挙げられる。加圧装置54は、例えば、第1分離膜ユニット10に供給される混合ガスを昇圧することによって、第1分離膜ユニット10の供給側空間を加圧することができる。
 混合ガス供給経路30には、混合ガスの組成を測定するためのガスセンサが配置されていてもよい。このガスセンサは、例えば、混合ガスにおける二酸化炭素の含有率を検出することができる。ガスセンサは、第1分離膜ユニット10の入口13a付近に配置されていることが好ましい。ガスセンサを用いて、第1分離膜ユニット10に供給される混合ガスの組成を測定することによって、第1分離膜ユニット10の運転条件、特に第1分離膜ユニット10の透過側空間の減圧度、を適切に設定することができる。
 ガス分離システム100は、透過ガス供給経路32をさらに備えている。透過ガス供給経路32は、第1分離膜ユニット10の透過ガス出口(出口14a)及び第2分離膜ユニット20の透過ガス入口(入口23a)に接続され、第1分離膜ユニット10から第2分離膜ユニット20に第1透過ガスを供給するための経路である。透過ガス供給経路32には、第1減圧装置50が配置されている。
 透過ガス供給経路32は、第1分離膜ユニット10から第1減圧装置50まで延びている第1部分32aと、第1減圧装置50から第2分離膜ユニット20まで延びている第2部分32bとを有する。第1減圧装置50は、第1部分32aを通じて、第1分離膜ユニット10の透過側空間を減圧することができる。第1減圧装置50は、例えば、第1部分32aを通過した第1透過ガスを吸引し、当該第1透過ガスを第2部分32bに排出する。第1減圧装置50は、例えば、第1部分32aを通過したガスをガス分離システム100の外部に排出しないように構成されている。第1減圧装置50は、例えば、第1部分32a及び第2部分32bのみに接続されている。第1減圧装置50が複数のポンプの集合体である場合、透過ガス供給経路32の第1部分32aは、分岐し、複数のポンプの入口のそれぞれに接続されていてもよい。同様に、透過ガス供給経路32の第2部分32bは、分岐し、複数のポンプの出口のそれぞれに接続されていてもよい。
 第2部分32bには、第1減圧装置50から排出された第1透過ガスを昇圧する加圧装置(図示せず)が配置されていてもよく、配置されていなくてもよい。この加圧装置によれば、第2分離膜ユニット20の供給側空間を加圧することができる。加圧装置としては、例えば、コンプレッサ、ブロワー及び背圧弁が挙げられる。第2部分32bには、第1透過ガスの組成を測定するためのガスセンサが配置されていてもよい。このガスセンサは、例えば、第1透過ガスにおける二酸化炭素の含有率を検出することができる。ガスセンサは、第2分離膜ユニット20の入口23a付近に配置されていることが好ましい。ガスセンサを用いて、第2分離膜ユニット20に供給される第1透過ガスの組成を測定することによって、第2分離膜ユニット20の運転条件、特に第2分離膜ユニット20の透過側空間の減圧度、を適切に設定することができる。
 透過ガス供給経路32には、第1透過ガスを捕集する捕集器などのタンクや、経路の開閉を行う開閉弁が配置されていないことが好ましい。特に、透過ガス供給経路32に捕集器が配置されていない場合、第1分離膜ユニット10から排出された第1透過ガスを連続的に第2分離膜ユニット20に供給することができる。このような構成によれば、単位時間当たりの混合ガスの処理量を容易に増加させることができる。一例として、透過ガス供給経路32は、第1減圧装置50及び配管のみから構成されていてもよい。
 ガス分離システム100は、第1排出経路34をさらに備えている。第1排出経路34は、第1分離膜ユニット10の非透過ガス出口(出口13b)に接続されており、第1分離膜ユニット10から第1非透過ガスを排出するための経路である。第1排出経路34には、第1排出経路34から第1非透過ガスを排出するための開口(排出口42)が形成されている。ガス分離システム100が第1非透過ガスを貯蔵するタンク(図示せず)をさらに備えており、第1排出経路34が当該タンクに接続されていてもよい。
 ガス分離システム100は、第2排出経路36及びタンク60をさらに備えている。第2排出経路36は、第2分離膜ユニット20の透過ガス出口(出口24a)及びタンク60の入口に接続されており、第2分離膜ユニット20からタンク60に第2透過ガスを送るための経路である。タンク60は、第2分離膜ユニット20から送られた第2透過ガスを貯蔵することができる。第2排出経路36には、第2減圧装置52が配置されている。
 第2排出経路36は、第2分離膜ユニット20から第2減圧装置52まで延びている第1部分36aと、第2減圧装置52からタンク60まで延びている第2部分36bとを有する。第2減圧装置52は、第1部分36aを通じて、第2分離膜ユニット20の透過側空間を減圧することができる。第2減圧装置52は、例えば、第1部分36aを通過した第2透過ガスを吸引し、当該第2透過ガスを第2部分36bに排出する。第2減圧装置52は、例えば、第1部分36aを通過したガスをガス分離システム100の外部に排出しないように構成されている。第2減圧装置52は、例えば、第1部分36a及び第2部分36bのみに接続されている。第2減圧装置52が複数のポンプの集合体である場合、第2排出経路36の第1部分36aは、分岐し、複数のポンプの入口のそれぞれに接続されていてもよい。同様に、第2排出経路36の第2部分36bは、分岐し、複数のポンプの出口のそれぞれに接続されていてもよい。
 ガス分離システム100は、第3排出経路38をさらに備えている。第3排出経路38は、第2分離膜ユニット20の非透過ガス出口(出口23b)に接続されており、第2分離膜ユニット20から第2非透過ガスを排出するための経路である。第3排出経路38は、合流位置40において混合ガス供給経路30に合流していてもよい。図1において、第3排出経路38は、加圧装置54に接続されており、加圧装置54において混合ガス供給経路30に合流している。第3排出経路38が混合ガス供給経路30に合流していることによって、例えば、第2分離膜ユニット20で分離しきれなかった副成分ガスを含む第2非透過ガスを再利用することができる。
 ガス分離システム100の経路のそれぞれは、特に言及がない限り、例えば、金属製又は樹脂製の配管で構成されている。
 ガス分離システム100は、ガス分離システム100の各部材を制御する制御器(図示せず)をさらに備えていてもよい。制御器は、例えば、A/D変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むDSP(Digital Signal Processor)である。制御器には、ガス分離システム100を適切に運転するためのプログラムが格納されている。詳細には、制御器は、例えば、第1減圧装置50及び第2減圧装置52の動作を制御することができる。制御器は、ガスセンサから情報を受け取り、当該情報に基づいて、減圧装置50及び52の運転条件を決定してもよい。
 一例として、制御器は、混合ガス供給経路30から第1分離膜ユニット10に混合ガスが供給された場合に、第1分離膜ユニット10の透過側空間が減圧されるように第1減圧装置50を制御する。詳細には、制御器は、第1分離膜ユニット10に混合ガスが供給されている間、第1分離膜ユニット10の透過側空間を減圧し続けるように第1減圧装置50を制御する。同様に、制御器は、透過ガス供給経路32から第2分離膜ユニット20に第1透過ガスが供給された場合に、第2分離膜ユニット20の透過側空間が減圧されるように第2減圧装置52を制御する。詳細には、制御器は、第2分離膜ユニット20に第1透過ガスが供給されている間、第2分離膜ユニット20の透過側空間を減圧し続けるように第2減圧装置52を制御する。なお、ガス分離システム100は、制御器を備えていなくてもよい。ガス分離システム100において、作業員が、減圧装置50及び52のオンオフを切り替えることによって、減圧装置50及び52の動作を制御してもよい。
 本実施形態のガス分離システム100は、例えば、連続式システムである。本明細書において、連続式システムとは、開閉弁などによって、ガス分離システム100を構成する経路を閉じることなく、混合ガスを連続的に処理することが可能なシステムを意味する。言い換えると、ガス分離システム100は、混合ガスを第1分離膜ユニット10で処理するとともに、第1分離膜ユニット10で得られた第1透過ガスについて、タンクなどに捕集せずに、直ちに第2分離膜ユニット20で処理することが可能である。このように、本実施形態のガス分離システム100は、連続運転が可能である。連続式システムとして機能するガス分離システム100は、混合ガスが連続的に供給される用途、特に排出ガスの処理、に適している。
 ガス分離システム100では、例えば、(I)第1減圧装置50によって第1分離膜ユニット10の透過側空間を減圧しながら、混合ガスを第1透過ガスと第1非透過ガスとに分離する、及び、(II)第2減圧装置52によって第2分離膜ユニット20の透過側空間を減圧しながら、第1透過ガスを第2透過ガスと第2非透過ガスとに分離する、の少なくとも1つが成立する。ガス分離システム100では、上記の要件(I)及び(II)の両方が成立することが好ましい。
[第1分離膜ユニット]
 図2に示すとおり、第1分離膜ユニット10は、第1分離膜11及びタンク12を備える。タンク12は、第1室13及び第2室14を有する。第1室13内の空間が供給側空間に相当し、第2室14内の空間が透過側空間に相当する。第1分離膜11は、タンク12の内部に配置されている。タンク12の内部において、第1分離膜11は、第1室13と第2室14とを隔てている。第1分離膜11は、タンク12の1対の壁面の一方から他方まで延びている。
 第1室13は、入口13a及び出口13bを有する。第2室14は、出口14aを有する。第1室13の入口13aは、混合ガス70を第1分離膜ユニット10に供給するための開口である。第2室14の出口14aは、混合ガス70が第1分離膜11を透過することによって得られた第1透過ガス80を第1分離膜ユニット10から排出するための開口である。第1室13の出口13bは、第1分離膜11を透過しなかった混合ガス70(第1非透過ガス81)を第1分離膜ユニット10から排出するための開口である。入口13a、出口13b及び出口14aのそれぞれは、例えば、タンク12の壁面に形成されている。
(第1分離膜)
 第1分離膜11は、例えば、混合ガス70に含まれる副成分ガスを優先的に透過させることができる。以下では、一例として、混合ガス70に含まれる酸性ガス、特に二酸化炭素、を優先的に透過させることができる第1分離膜11について説明する。
 図3に示すとおり、第1分離膜11は、例えば、分離機能層1を備えている。第1分離膜11は、分離機能層1を支持する多孔性支持体3、及び、分離機能層1と多孔性支持体3との間に配置されている中間層2をさらに備えていてもよい。中間層2は、例えば、分離機能層1及び多孔性支持体3のそれぞれに直接接している。
 第1分離膜11の膜面積は、混合ガス70を分離するための条件に応じて適宜設定できる。
(分離機能層)
 分離機能層1は、混合ガス70に含まれる酸性ガスを優先的に透過させることができる層である。好ましい一形態では、分離機能層1は、樹脂を含む。分離機能層1に含まれる樹脂としては、例えば、ポリエーテルブロックアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリイミド樹脂、酢酸セルロース樹脂、シリコーン樹脂及びフッ素樹脂が挙げられる。分離機能層1は、好ましくはポリエーテルブロックアミド樹脂を含む。この形態において、分離機能層1は、好ましくは、実質的に樹脂からなる。本明細書において、「実質的に~からなる」は、言及された材料の本質的特徴を変更する他の成分を排除することを意味し、例えば95%以上、さらには99%以上が当該材料により構成されていることを意味する。
 別の好ましい一形態では、分離機能層1は、イオン液体を含む。分離機能層1は、例えば、イオン液体を含むダブルネットワークゲルを有する。ダブルネットワークゲルは、互いに独立した2種類の網目構造を備えるゲルである。ダブルネットワークゲルは、例えば、主として有機材料により構成された第1網目構造、主として無機材料により構成された第2網目構造、及び、イオン液体を含む。本明細書において、「主として構成された」は、50wt%以上、さらには70wt%以上が当該材料により構成されていることを意味する。
 第1網目構造を構成するための有機材料は、例えば、ポリアクリルアミド(特に、ポリジメチルアクリルアミドなどのポリジアルキルアクリルアミド)などの重合体を含む。有機材料に含まれる重合体は、アクリルアミド誘導体に由来する構造単位を有し、さらに架橋構造を含んでいてもよい。架橋構造を含む重合体は、公知の方法によって作製することができる。例えば、まず、N-ヒドロキシスクシンイミドエステル基を有する構造単位を有するプレポリマーを準備する。N-ヒドロキシスクシンイミドエステル基を有する構造単位は、例えば、N-アクリルオキシスクシンイミドに由来する。次に、プレポリマーとアミン系架橋剤とを反応させることによって、架橋構造を含む重合体を得ることができる。アミン系架橋剤は、2つ以上の第一級アミノ基を有する化合物であり、例えばエチレングリコールビス(3-アミノプロピル)エーテルである。
 第2網目構造は、複数の粒子のネットワークを含んでいてもよい。複数の粒子のネットワークは、例えば、複数の粒子が水素結合によって互いに結合することによって形成されている。第2網目構造に含まれる粒子は、後述するナノ粒子として例示する粒子であってもよい。一例として、第2網目構造に含まれる粒子は、シリカ粒子である。
 本実施形態において、具体的なイオン性液体としては、例えば、イミダゾリウム、ピリジニウム、アンモニウム又はホスホニウムと、炭素数1以上の置換基とを有するイオン性液体等が挙げられる。
 イミダゾリウムと炭素数1以上の置換基とを有するイオン性液体において、炭素数1以上の置換基としては、炭素数1以上20以下のアルキル基、炭素数3以上14以下のシクロアルキル基、炭素数6以上20以下のアリール基等が挙げられ、これらは更にヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基、一価のエーテル基等で置換されていてもよい(例えば、炭素数1以上20以下のヒドロキシアルキル基等)。
 炭素数1以上20以下のアルキル基としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、n-ペンチル基、n-ヘキシル基、n-ヘプチル基、n-オクチル基、n-ノニル基、n-デシル基、n-ウンデシル基、n-ドデシル基、n-トリデシル基、n-テトラデシル基、n-ペンタデシル基、n-ヘキサデシル基、n-ヘプタデシル基、n-オクタデシル基、n-ノナデシル基、n-エイコサデシル基、i-プロピル基、sec-ブチル基、i-ブチル基、1-メチルブチル基、1-エチルプロピル基、2-メチルブチル基、i-ペンチル基、ネオペンチル基、1,2-ジメチルプロピル基、1,1-ジメチルプロピル基、t-ペンチル基、2-エチルヘキシル基、1,5-ジメチルヘキシル基等が挙げられ、これらは更にヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基、一価のエーテル基等で置換されていてもよい。
 上述のアルキル基は、シクロアルキル基によって置換されていてもよい。シクロアルキル基によって置換されたアルキル基の炭素数は、例えば、1以上20以下である。シクロアルキル基によって置換されたアルキル基としては、シクロプロピルメチル基、シクロブチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、シクロヘキシルプロピル基等が挙げられ、これらは更にヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基、一価のエーテル基等で置換されていてもよい。
 炭素数3以上14以下のシクロアルキル基としては、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基、シクロオクチル基、シクロドデシル基、ノルボルニル基、ボルニル基、アダマンチル基等が挙げられ、これらは更にヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基、一価のエーテル基等で置換されていてもよい。
 炭素数6以上20以下のアリール基としては、フェニル基、トルイル基、キシリル基、メシチル基、アニシル基、ナフチル基、ベンジル基等が挙げられ、これらは更にヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基、一価のエーテル基等で置換されていてもよい。
 イミダゾリウムおよび炭素数1以上の置換基を有する化合物は、さらに、アルキル基等の置換基を有してもよく、対アニオンと塩を形成してもよい。対アニオンとしては、アルキルスルフェート、トシレート、メタンスルホネート、アセテート、ビス(フルオロスルホニル)イミド、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、チオシアネート、ジシアンアミド、トリシアノメタニド、テトラシアノボレート、ヘキサフルオロホスフェート、テトラフルオロボレート、ハライド等が挙げられ、ガス分離性能の観点から、ビス(フルオロスルホニル)イミド、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ジシアンアミド、トリシアノメタニド、テトラシアノボレートが好ましい。
 イミダゾリウム及び炭素数1以上の置換基を有するイオン性液体としては、具体的には、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(フルオロスルホニル)イミド、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムジシアンアミド、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムブロミド、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムクロライド、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスホネート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムテトラクロロフェレート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムヨーダイド、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウムクロリド、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムトリフルオロ(トリフルオロメチル)ボレート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムトリブロミド、1,3-ジメシチルイミダゾリウムクロライド、1,3-ビス(2,6-ジイソプロピルフェニル)イミダゾリウムクロライド、1,3-ジイソプロピルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1,3-ジ-tert-ブチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1,3-ジシクロヘキシルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1,3-ジシクロヘキシルイミダゾリウムクロライド、1,2-ジメチル-3-プロピルイミダゾリウムヨーダイド、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムクロライド、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムブロミド、1-メチル-3-プロピルイミダゾリウムヨーダイド、1-メチル-3-n-オクチルイミダゾリウムブロミド、1-メチル-3-n-オクチルイミダゾリウムクロライド、1-メチル-3-n-オクチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1-メチル-3-[6-(メチルスルフィニル)ヘキシル]イミダゾリウムp-トルエンスルホネート、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムトリシアノメタニド、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート、1-(2-ヒドロキシエチル)-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド等が挙げられる。
 なかでも、ガス分離性能の観点から、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(フルオロスルホニル)イミド([EMI][FSI])、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムジシアンアミド([EMI][DCA])、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムトリシアノメタニド([EMI][TCM])、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート([EMI][TCB])、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド([C4mim][TF2N])、1-(2-ヒドロキシエチル)-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド([C2OHim][TF2N])が特に好ましい。
 ダブルネットワークゲルを作製する方法は、特に限定されず、例えば、E.Kamio et al.,Adv.Mater,29,1704118(2017)に開示された方法を利用することができる。
 ダブルネットワークゲルにおけるイオン液体の含有率は、例えば50wt%以上であり、好ましくは60wt%以上であり、より好ましくは70wt%以上であり、さらに好ましくは80wt%以上である。イオン液体の含有率が高ければ高いほど、分離機能層1は、混合ガスに含まれる酸性ガスを優先的に透過させることができる。イオン液体の含有率の上限値は、特に限定されず、例えば95wt%である。
 ダブルネットワークゲルにおける主として有機材料により構成された第1網目構造の含有率は、例えば1wt%以上であり、好ましくは5wt%以上であり、より好ましくは10wt%以上である。第1網目構造の含有率の上限値は、例えば15wt%である。ダブルネットワークゲルにおける主として無機材料により構成された第2網目構造の含有率は、ダブルネットワークゲルの強度を向上させる観点から、例えば1wt%以上である。第2網目構造の含有率の上限値は、例えば5wt%である。ダブルネットワークゲルの重量に対する第1網目構造の重量と第2網目構造の重量との合計値の比率は、例えば2wt%以上であり、好ましくは5wt%以上であり、より好ましくは10wt%以上である。この比率は、好ましくは20wt%以下である。この形態において、分離機能層1は、好ましくは、実質的にダブルネットワークゲルからなる。
 分離機能層1の厚さは、例えば50μm以下であり、好ましくは25μm以下であり、より好ましくは15μm以下である。分離機能層1の厚さは、場合によっては、10μm以下であってもよく、5.0μm以下であってもよく、2.0μm以下であってもよい。分離機能層1の厚さは、0.05μm以上であってもよく、0.1μm以上であってもよい。
(中間層)
 中間層2は、例えば、樹脂を含み、樹脂(マトリクス)に分散したナノ粒子をさらに含んでいてもよい。ナノ粒子は、マトリクス内で互いに離間していてもよく、部分的に凝集していてもよい。マトリクスの材料は、特に限定されず、例えば、ポリジメチルシロキサンなどのシリコーン樹脂;ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂;ポリエチレンオキシドなどのエポキシ樹脂;ポリイミド樹脂;ポリスルホン樹脂;ポリトリメチルシリルプロピン、ポリジフェニルアセチレンなどのポリアセチレン樹脂;ポリメチルペンテンなどのポリオレフィン樹脂が挙げられる。マトリクスは、シリコーン樹脂を含むことが好ましい。
 ナノ粒子は、無機材料を含んでいてもよく、有機材料を含んでいてもよい。ナノ粒子に含まれる無機材料としては、例えば、シリカ、チタニア及びアルミナが挙げられる。ナノ粒子は、シリカを含むことが好ましい。
 中間層2の厚さは、特に限定されず、例えば50μm未満であり、好ましくは40μm以下であり、より好ましくは30μm以下である。中間層2の厚さの下限値は、特に限定されず、例えば1μmである。中間層2は、例えば、50μm未満の厚さを有する層である。
(多孔性支持体)
 多孔性支持体3は、中間層2を介して分離機能層1を支持する。多孔性支持体3としては、例えば、不織布;多孔質ポリテトラフルオロエチレン;芳香族ポリアミド繊維;多孔質金属;焼結金属;多孔質セラミック;多孔質ポリエステル;多孔質ナイロン;活性化炭素繊維;ラテックス;シリコーン;シリコーンゴム;ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド及びポリフェニレンオキシドからなる群より選ばれる少なくとも1つを含む透過性(多孔質)ポリマー;連続気泡又は独立気泡を有する金属発泡体;連続気泡又は独立気泡を有するポリマー発泡体;シリカ;多孔質ガラス;メッシュスクリーンなどが挙げられる。多孔性支持体3は、これらのうちの2種以上を組み合わせたものであってもよい。
 多孔性支持体3は、例えば0.01~0.4μmの平均孔径を有する。多孔性支持体3の厚さは、特に限定されず、例えば10μm以上であり、好ましくは20μm以上であり、より好ましくは50μm以上である。多孔性支持体3の厚さは、例えば300μm以下であり、好ましくは200μm以下であり、より好ましくは150μm以下である。
(第1分離膜の製造方法)
 第1分離膜11は、例えば、次の方法によって作製することができる。まず、中間層2の材料を含む塗布液を調製する。次に、多孔性支持体3の上に、中間層2の材料を含む塗布液を塗布し、塗布膜を形成する。塗布液の塗布方法は、特に限定されず、例えばワイヤーバーなどを利用できる。ワイヤーバーのワイヤー線径、塗布液における中間層2の材料の濃度を調整することによって、形成される中間層2の厚さを調整することができる。なお、多孔性支持体3を塗布液に浸漬させることによって塗布膜を形成してもよい。次に、塗布膜を乾燥し、中間層2を形成する。塗布膜の乾燥は、例えば、加熱条件下で行うことができる。塗布膜の加熱温度は、例えば50℃以上である。塗布膜の加熱時間は、例えば1分以上であり、5分以上であってもよい。
 中間層2の表面には必要に応じて易接着処理を施すことができる。易接着処理として、下塗り剤の塗布、コロナ放電処理、プラズマ処理などの表面処理が施されてもよい。
 次に、分離機能層1の材料を含む塗布液を調整する。中間層2の上に分離機能層1の材料を含む塗布液を塗布し、塗布膜を得る。この塗布膜を乾燥し、分離機能層1を形成する。塗布液の塗工方法、及び乾燥条件は、中間層2について上述した方法及び条件を用いることができる。なお、分離機能層1の材料を含む塗布液の塗布は、スピンコートによって行ってもよい。これにより、第1分離膜11が得られる。
 第1分離膜11の作製方法は、上記の方法に限定されない。例えば、次の方法によっても第1分離膜11を作製することができる。例えば、分離機能層1の材料を含む塗布液を転写フィルムの上に塗布して塗布膜を得る。塗布膜を乾燥することによって分離機能層1が形成される。次に、中間層2の材料を含む塗布液を分離機能層1の上に塗工して乾燥することによって、中間層2を形成する。中間層2及び分離機能層1の積層体を多孔性支持体3に転写する。これにより、第1分離膜11が得られる。
(第1分離膜の特性)
 第1分離膜11を透過する酸性ガスの透過速度は、特に限定されない。一例として、第1分離膜11を透過する二酸化炭素の透過速度T1は、例えば50GPU以上であり、好ましくは100GPU以上であり、より好ましくは150GPU以上であり、さらに好ましくは200GPU以上であり、特に好ましくは300GPU以上である。透過速度T1の上限値は、特に限定されず、例えば500GPUである。ただし、GPUは、10-6・cm3(STP)/(sec・cm2・cmHg)を意味する。cm3(STP)は、1気圧、0℃での二酸化炭素の体積を意味する。
 透過速度T1は、次の方法によって算出できる。まず、第1分離膜11の一方の面(例えば第1分離膜11の分離機能層側の主面11a)に隣接する空間に、二酸化炭素及び窒素からなる混合ガスを供給する。これにより、第1分離膜11の他方の面(例えば第1分離膜11の多孔性支持体側の主面11b)に隣接する空間において、第1分離膜11を透過した透過ガスが得られる。透過ガスの組成、透過ガスの重量などを測定する。測定結果から透過速度T1を算出できる。上記の操作において、混合ガスにおける二酸化炭素の濃度は、標準状態(0℃、101kPa)で50vol%である。第1分離膜11の一方の面に隣接する空間に供給される混合ガスは、温度が30℃であり、圧力が0.1MPaである。
 上記の方法によれば、第1分離膜11を透過する窒素の透過速度T2も算出することができる。透過速度T2は、例えば25GPU以下であり、好ましくは15GPU以下であり、より好ましくは5GPU以下である。透過速度T2の下限値は、特に限定されず、例えば1GPUである。
 上記の透過速度T1の測定条件において、第1分離膜11の窒素に対する二酸化炭素の分離係数αは、例えば15以上であり、好ましくは20以上であり、より好ましくは30以上であり、さらに好ましくは40以上であり、特に好ましくは50以上である。分離係数αの上限値は、特に限定されず、例えば100である。分離係数αは、以下の式から算出することができる。ただし、下記式において、XA及びXBは、それぞれ、混合ガスにおける二酸化炭素の体積比率及び窒素の体積比率である。YA及びYBは、それぞれ、第1分離膜11を透過した透過ガスにおける二酸化炭素の体積比率及び窒素の体積比率である。
分離係数α=(YA/YB)/(XA/XB
[第2分離膜ユニット]
 図4に示すとおり、第2分離膜ユニット20は、第2分離膜21及びタンク22を備える。タンク22は、第3室23及び第4室24を有する。第3室23内の空間が供給側空間に相当し、第4室24内の空間が透過側空間に相当する。第2分離膜21は、タンク22の内部に配置されている。タンク22の内部において、第2分離膜21は、第3室23と第4室24とを隔てている。第2分離膜21は、タンク22の1対の壁面の一方から他方まで延びている。
 第3室23は、入口23a及び出口23bを有する。第4室24は、出口24aを有する。第3室23の入口23aは、第1透過ガス80を第2分離膜ユニット20に供給するための開口である。第4室24の出口24aは、第1透過ガス80が第2分離膜21を透過することによって得られた第2透過ガス90を第2分離膜ユニット20から排出するための開口である。第3室23の出口23bは、第2分離膜21を透過しなかった第1透過ガス80(第2非透過ガス91)を第2分離膜ユニット20から排出するための開口である。入口23a、出口23b及び出口24aのそれぞれは、例えば、タンク22の壁面に形成されている。
 第2分離膜21は、例えば、第1透過ガス80に含まれる副成分ガスを優先的に透過させることができる。第2分離膜21としては、第1分離膜11として例示した分離膜を用いることができる。第2分離膜21の膜面積は、第1透過ガス80を分離するための条件に応じて適宜設定できる。
 第2分離膜21は、膜面積を除き、第1分離膜11と同じであってもよく、異なっていてもよい。一例として、第1分離膜11及び第2分離膜21からなる群より選ばれる少なくとも1つは、分離機能層の材料として、ポリエーテルブロックアミド樹脂又はイオン液体を含んでいてもよく、第1分離膜11及び第2分離膜21の両方が、分離機能層の材料として、ポリエーテルブロックアミド樹脂又はイオン液体を含むことが好ましい。
 なお、ガス分離システム100が備える第1分離膜ユニット10及び第2分離膜ユニット20は、流通式(連続式)の膜分離方法に適している。ただし、これらの分離膜ユニットは、バッチ式の膜分離方法に用いられてもよい。
[混合ガスの分離方法]
 本実施形態において、混合ガス70の分離方法は、第1分離膜ユニット10を用いた第1分離工程と、第2分離膜ユニット20を用いた第2分離工程とを含む。
 第1分離工程は、例えば、次のように実施される。まず、混合ガス供給経路30を通じて、混合ガス70を第1分離膜ユニット10の第1室13(供給側空間)に供給する。混合ガス70は、例えば、昇圧されずに、測定環境における大気圧(例えば101kPa)で第1室13に供給される。ただし、混合ガス70は、その圧力が700kPaを超えない範囲で、加圧装置54によって昇圧されてもよい。この程度に混合ガス70を昇圧することによって、混合ガス70を分離するために必要なエネルギーを低減しつつ、混合ガス70の分離に必要な第1分離膜11の膜面積を低減できる傾向がある。混合ガス70の圧力、すなわち第1分離膜ユニット10の供給側空間内の圧力、は、例えば101kPa以上であってもよく、150kPa以上であってもよく、200kPa以上であってもよく、300kPa以上であってもよく、400kPa以上であってもよい。混合ガス70の圧力の上限値は、600kPaであってもよく、500kPaであってもよい。なお、本明細書において、特に言及のない限り、「圧力」は、絶対圧を意味する。
 上述のとおり、混合ガス70は、二酸化炭素及び窒素を含む。典型的には、混合ガス70は、主成分ガスとして窒素を含み、かつ副成分ガスとして二酸化炭素を含む。ただし、本実施形態のガス分離システム100は、上記の組成以外の混合ガス70の分離に用いることもできる。例えば、主成分ガスは、水素、メタンなどの非極性ガスやヘリウムなどの不活性ガスから選ばれる1種のガスであってもよい。場合によっては、主成分ガスは、二酸化炭素などの酸性ガスから選ばれる1種のガスであってもよい。混合ガス70は、副成分ガスとして、二酸化炭素に代えて又は二酸化炭素とともに、二酸化炭素以外の酸性ガスや酸素を含んでいてもよい。二酸化炭素以外の酸性ガスとしては、例えば、硫化水素、硫化カルボニル、硫黄酸化物(SOx)、シアン化水素、窒素酸化物(NOx)などが挙げられる。場合によっては、混合ガス70は、副成分ガスとして、窒素、水素、メタン、酸素などの非極性ガスやヘリウムなどの不活性ガスを含んでいてもよい。一例として、混合ガスは、主成分ガスとして水素を含み、かつ副成分ガスとして二酸化炭素を含んでいてもよい。混合ガスは、主成分ガスとしてメタンを含み、かつ副成分ガスとして二酸化炭素を含んでいてもよい。
 混合ガス70における主成分ガス(例えば窒素)の含有率は、例えば50wt%以上であり、好ましくは60wt%以上であり、より好ましくは70wt%以上であり、さらに好ましくは75wt%以上であり、特に好ましくは80wt%以上であり、とりわけ好ましくは85wt%以上であり、90wt%以上であってもよく、場合によっては、95wt%以上であってもよく、99wt%以上であってもよい。混合ガス70における主成分ガスの含有率の上限値は、特に限定されず、例えば99.9wt%であり、99wt%であってもよく、95wt%であってもよい。混合ガス70における副成分ガス(例えば二酸化炭素)の含有率は、例えば50wt%未満であり、好ましくは40wt%以下であり、より好ましくは30wt%以下であり、さらに好ましくは25wt%以下であり、特に好ましくは20wt%以下であり、とりわけ好ましくは15wt%以下であり、10wt%以下であってもよく、場合によっては、5wt%以下であってもよく、1wt%以下であってもよい。混合ガス70における副成分ガスの含有率の下限値は、特に限定されず、例えば0.1wt%であり、1wt%であってもよく、5wt%であってもよい。混合ガス70における副成分ガス、特に二酸化炭素、の含有率は、5wt%以上であることが好ましい。本明細書では、特に断りのない限り、「含有率」は、標準状態(0℃、101kPa)での値を意味する。
 混合ガス70における二酸化炭素の含有率CCO2(wt%)、及び、混合ガス70における窒素の含有率CN2(wt%)は、下記関係式(1)を満たしていてもよい。関係式(1)が満たされる場合、ガス分離システム100で必要とされるエネルギーを大きく低減できる傾向がある。
 CCO2<CN2/4  (1)
 次に、第1分離膜ユニット10の第1室13に混合ガス70を供給した状態で、第2室14内(透過側空間)を減圧する。詳細には、第1減圧装置50を用いて、出口14aを通じて、第2室14内を減圧する。透過側空間内の圧力は、例えば70kPa以下であり、好ましくは50kPa以下であり、より好ましくは30kPa以下であり、さらに好ましくは10kPa以下であり、特に好ましくは5kPa以下である。透過側空間内の圧力は、第1減圧装置50の運転に必要なエネルギー(動力)を考慮して、1kPa以上であってもよく、2kPa以上であってもよく、5kPa以上であってもよい。
 第2室14内を減圧することによって、供給側空間と透過側空間との間に差圧が生じる、又は、差圧が増加する。これにより、混合ガス70が第1分離膜11によって分離され、第1透過ガス80が第2室14に供給される。混合ガス70の分離が行われている間、第2室14内は、第1減圧装置50によって減圧され続けてもよい。第1分離膜ユニット10の供給側空間と透過側空間との差圧は、ガス分離システム100が消費するエネルギーを低減する観点から、例えば500kPa以下、好ましくは400kPa以下、より好ましくは300kPa以下、さらに好ましくは200kPa以下、特に好ましくは100kPa以下に調整される。第1分離膜ユニット10の供給側空間と透過側空間との差圧の下限値は、特に限定されず、例えば10kPaである。
 第2室14に供給された第1透過ガス80は、透過ガス供給経路32の第1部分32aを通過し、例えば、第1減圧装置50に吸引される。第1減圧装置50は、例えば、吸引した第1透過ガス80を透過ガス供給経路32の第2部分32bに排出する。第1透過ガス80が第2部分32bに供給されるため、第2部分32b内の圧力は、通常、測定環境における大気圧程度に維持される。第1透過ガス80は、第2部分32bを通じて、第2分離膜ユニット20に供給される。
 上述のとおり、第1分離膜ユニット10の第1分離膜11は、例えば、混合ガス70に含まれる副成分ガスを優先的に透過させる。そのため、第1分離工程によって得られた第1透過ガス80は、混合ガス70に比べて副成分ガスの含有率が高い。第1分離工程によって得られた第1透過ガス80における副成分ガス(例えば二酸化炭素)の含有率は、特に限定されず、例えば30wt%~80wt%である。混合ガス70における副成分ガスの含有率(wt%)に対する第1透過ガス80における副成分ガスの含有率(wt%)の比は、特に限定されず、例えば2~10である。
 一方、混合ガス70における主成分ガスの濃度は、第1室13の入口13aから出口13bに向かって徐々に上昇する。第1室13で処理された混合ガス70(第1非透過ガス81)における主成分ガス(例えば窒素)の含有率は、例えば95wt%以上であり、好ましくは97wt%以上であり、より好ましくは98wt%以上であり、さらに好ましくは99wt%以上である。第1非透過ガス81は、出口13bを通じて、第1分離膜ユニット10の外部に排出される。第1非透過ガス81は、第1排出経路34を通じて、排出口42から排出される。
 第2分離工程は、例えば、次のように実施される。まず、透過ガス供給経路32の第2部分32bを通じて、第1透過ガス80を第2分離膜ユニット20の第3室23(供給側空間)に供給する。第1透過ガス80は、例えば、昇圧されずに、測定環境における大気圧(例えば101kPa)で第3室23に供給される。ただし、第1透過ガス80は、その圧力が700kPaを超えない範囲で、第2部分32bに配置された加圧装置によって昇圧されてもよい。第1透過ガス80の圧力、すなわち第2分離膜ユニット20の供給側空間内の圧力、は、例えば101kPa以上であってもよく、150kPa以上であってもよく、200kPa以上であってもよく、300kPa以上であってもよく、400kPa以上であってもよい。第1透過ガス80の圧力の上限値は、600kPaであってもよく、500kPaであってもよい。
 次に、第2分離膜ユニット20の第3室23に第1透過ガス80を供給した状態で、第4室24内(透過側空間)を減圧する。詳細には、第2減圧装置52を用いて、出口24aを通じて、第4室24内を減圧する。透過側空間内の圧力は、例えば70kPa以下であり、好ましくは50kPa以下であり、より好ましくは30kPa以下であり、さらに好ましくは10kPa以下であり、特に好ましくは5kPa以下である。透過側空間内の圧力は、第2減圧装置52の運転に必要なエネルギー(動力)を考慮して、1kPa以上であってもよく、2kPa以上であってもよく、5kPa以上であってもよく、10kPa以上であってもよく、15kPa以上であってもよく、20kPa以上であってもよく、30kPa以上であってもよい。
 第4室24内を減圧することによって、供給側空間と透過側空間との間に差圧が生じる、又は、差圧が増加する。これにより、第1透過ガス80が第2分離膜21によって分離され、第2透過ガス90が第4室24に供給される。第1透過ガス80の分離が行われている間、第4室24内は、第2減圧装置52によって減圧され続けてもよい。第2分離膜ユニット20の供給側空間と透過側空間との差圧は、ガス分離システム100が消費するエネルギーを低減する観点から、例えば500kPa以下、好ましくは400kPa以下、より好ましくは300kPa以下、さらに好ましくは200kPa以下、特に好ましくは100kPa以下に調整される。第2分離膜ユニット20の供給側空間と透過側空間との差圧の下限値は、特に限定されず、例えば10kPaである。
 第4室24に供給された第2透過ガス90は、第2排出経路36の第1部分36aを通過し、例えば、第2減圧装置52に吸引される。第2減圧装置52は、例えば、吸引した第2透過ガス90を第2排出経路36の第2部分36bに排出する。第2透過ガス90は、第2部分36bを通じて、タンク60に送られる。
 上述のとおり、第2分離膜ユニット20の第2分離膜21は、例えば、第1透過ガス80に含まれる副成分ガスを優先的に透過させる。そのため、第2分離工程によって得られた第2透過ガス90は、第1透過ガス80に比べて副成分ガスの含有率が高い。第2分離工程によって得られた第2透過ガス90における副成分ガス(例えば二酸化炭素)の含有率は、特に限定されず、例えば80wt%以上であり、好ましくは85wt%以上であり、より好ましくは90wt%以上であり、さらに好ましくは95wt%以上である。第1透過ガス80における副成分ガスの含有率(wt%)に対する第2透過ガス90における副成分ガスの含有率(wt%)の比は、特に限定されず、例えば1.2~3である。
 一方、第1透過ガス80における主成分ガスの濃度は、第3室23の入口23aから出口23bに向かって徐々に上昇する。第3室23で処理された第1透過ガス80(第2非透過ガス91)における主成分ガス(例えば窒素)の含有率は、特に限定されず、例えば60wt%~90wt%である。第2非透過ガス91は、出口23bを通じて、第2分離膜ユニット20の外部に排出される。
 本実施形態の分離方法において、第1分離工程及び第2分離工程は、連続して行うことが好ましい。すなわち、第1分離工程で分離された第1透過ガス80は、タンクなどに捕集されずに、ただちに第2分離工程に供されることが好ましい。第1分離工程及び第2分離工程を連続して行うことによって、単位時間当たりの混合ガス70の処理量を容易に増加させることができる。
 なお、分離膜ユニット(第1分離膜ユニット10又は第2分離膜ユニット20)の分離膜が副成分ガスを優先的に透過させる形態では、分離膜ユニットに供給されたガスにおける副成分ガスの含有率が高ければ高いほど、分離膜ユニットの透過側空間を減圧することによって、分離膜ユニットの供給側空間と透過側空間における副成分ガスの分圧差を容易に拡大することができる。そのため、分離膜ユニットに供給されたガスにおける副成分ガスの含有率が高い場合、分離膜ユニットの透過側空間の圧力をある程度高く設定することによって、分離膜ユニットによる分離性能を大きく低下させずに、減圧装置(第1減圧装置50又は第2減圧装置52)の運転に必要なエネルギー(動力)を低減することができる。このように、分離膜ユニットの透過側空間の圧力は、分離膜ユニットに供給されるガスの組成、特に副成分ガスの含有率、に応じて調整することが好ましい。
 一例として、本実施形態の分離方法では、副成分ガスが二酸化炭素である場合、(i)第1分離工程において、第1分離膜ユニット10の透過側空間の圧力をP(kPa)と表示し、混合ガス70における二酸化炭素の含有率をx(wt%)と表示したときに、以下の関係式(A)を満たす、及び、(ii)第2分離工程において、第2分離膜ユニット20の透過側空間の圧力をP(kPa)と表示し、第1透過ガス80における二酸化炭素の含有率をx(wt%)と表示したときに、関係式(A)を満たす、の少なくとも1つが成立してもよい。
 0.2e0.0536x≦P≦0.55e0.0536x  (A)
 図5は、関係式(A)を説明するためのグラフである。このグラフにおいて、横軸は、分離膜ユニットに供給されたガスにおける二酸化炭素の含有率xを示している。縦軸は、分離膜ユニットの透過側空間の圧力Pを示している。本発明者らの検討によると、圧力Pを関係式(A)が満たされる範囲に調整することによって、分離膜ユニットの分離性能を大きく低下させずに、減圧装置の動力を低減することができる。詳細には、二酸化炭素の含有率xに基づいて、圧力Pを関係式(A)が満たされる範囲に設定することによって、分離膜ユニットが備える分離膜について、ガスの分離に必要な膜面積を大きく増加させずに、減圧装置の動力を低減できる傾向がある。分離膜ユニットの透過側空間の圧力P(kPa)と、分離膜ユニットに供給されるガスにおける二酸化炭素の含有率x(wt%)は、以下の関係式(B)を満たしていてもよい。
 P=0.4116e0.0536x  (B)
 関係式(B)は、分離膜ユニットの分離性能を大きく低下させずに、減圧装置の動力を低減することに適した、二酸化炭素の含有率xと透過側空間の圧力Pとの関係を示した式である。関係式(B)は、詳細には、シミュレーションの結果に基づいて作成された近似曲線である。
 関係式(A)及び(B)からわかるとおり、二酸化炭素の含有率xが高ければ高いほど、透過側空間の圧力Pを高く設定することができる。通常、第1透過ガス80における二酸化炭素の含有率は、混合ガス70における二酸化炭素の含有率よりも高い。そのため、第2分離工程における第2分離膜ユニット20の透過側空間の圧力P2は、第1分離工程における第1分離膜ユニット10の透過側空間の圧力P1と同じ又は当該圧力P1より高くてもよい。圧力P2は、圧力P1より高いことが好ましい。
 第1分離工程及び第2分離工程において、分離膜ユニットの透過側空間の圧力Pは、分離膜ユニットに供給されるガスの組成、特に二酸化炭素の含有率x、の変化に応じて経時的に変化させてもよい。分離膜ユニットに供給されるガスの組成に応じて、透過側空間の圧力Pを常に適切な値に調整することによって、減圧装置の動力を効果的に低減することができる。分離膜ユニットに供給されるガスの組成の変化は、例えば、分離膜ユニットの入口付近に配置されたガスセンサによって検出することができる。
 本実施形態の分離方法は、例えば、第2非透過ガス91と混合ガス70とを混合する混合工程をさらに含む。混合工程は、第3排出経路38を通じて、第2非透過ガス91を混合ガス供給経路30の合流位置40に送ることによって実施することができる。混合工程によれば、第2非透過ガス91を再利用することができ、主成分ガス及び副成分ガスの回収率を向上できる傾向がある。
 本実施形態の混合ガス70の分離方法によれば、例えば、副成分ガスが濃縮された第2透過ガス90と、主成分ガスが濃縮された第1非透過ガス81とを回収することができる。この分離方法による副成分ガス(例えば二酸化炭素)の回収率は、特に限定されず、例えば80%以上であり、好ましくは90%以上である。主成分ガスの回収率は、特に限定されず、例えば90%以上であり、好ましくは95%以上である。なお、二酸化炭素が濃縮された第2透過ガス90は、例えば、ドライアイスなどの製造に利用することができる。窒素が濃縮された第1非透過ガス81は、例えば、工業用途で利用可能である。
 従来のガス分離システムでは、通常、供給される混合ガスは、少なくとも700kPa以上に大きく昇圧される。このことは、特許文献1の実施例において、作動圧力が少なくとも7bar以上に設定されていることからも明らかである。しかし、混合ガスを昇圧する形態では、分離膜ユニット中の分離膜を透過しない非透過ガスも昇圧される。この場合、非透過ガスを昇圧するために消費されたエネルギーが無駄になる。本実施形態のガス分離システム100では、減圧装置50及び52のそれぞれによって、分離膜ユニット10及び20の透過側空間を減圧して分離工程を行うことができるため、供給側空間を大きく加圧する必要がない。供給側空間の加圧によるエネルギーの無駄を省くことができるため、本実施形態のガス分離システム100は、混合ガス70を分離するために必要なエネルギーを低減することに適している。特に、第1分離膜ユニット10の第1分離膜11が混合ガス70中の副成分ガスを優先的に透過させる場合、ガス分離システム100は、混合ガス70を分離するために必要なエネルギーを顕著に低減できる傾向がある。
[第1分離膜ユニットの変形例]
 ガス分離システム100において、第1分離膜ユニット10は、図6に示すようなスパイラル型の膜エレメントであってもよい。図6の第1分離膜ユニット15は、中心管16及び積層体17を備えている。積層体17が第1分離膜11を含んでいる。
 中心管16は、円筒形状を有している。中心管16の表面には、中心管16の内部に第1透過ガス80を流入させるための複数の孔又はスリットが形成されている。中心管16の材料としては、例えば、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂(ABS樹脂)、ポリフェニレンエーテル樹脂(PPE樹脂)、ポリサルフォン樹脂(PSF樹脂)などの樹脂;ステンレス鋼、チタンなどの金属が挙げられる。中心管16の内径は、例えば20~100mmの範囲にある。
 積層体17は、第1分離膜11の他に、供給側流路材18及び透過側流路材19をさらに含む。積層体17は、中心管16の周囲に巻回されている。第1分離膜ユニット15は、外装材(図示せず)をさらに備えていてもよい。
 供給側流路材18及び透過側流路材19としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)又はエチレン-クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)からなる樹脂製のネット、織物又は編物を用いることができる。
 第1分離膜ユニット15を用いた膜分離は、例えば、次の方法によって行われる。まず、巻回された積層体17の一端に混合ガス70を供給する。中心管16の内部の空間を減圧する。これにより、積層体17の第1分離膜11を透過した第1透過ガス80が中心管16の内部に移動する。第1透過ガス80は、中心管16を通じて外部に排出される。第1分離膜ユニット15で処理された混合ガス70(第1非透過ガス81)は、巻回された積層体17の他端から外部に排出される。
 なお、ガス分離システム100において、第2分離膜ユニット20は、第1分離膜ユニット15と同様の構成を有するスパイラル型の膜エレメントであってもよい。
<ガス分離システムの変形例>
 ガス分離システム100は、複数の第1分離膜ユニット10を備えていてもよい。図7に示される本実施形態のガス分離システム110は、2つの第1分離膜ユニット10a及び10bを有する。ガス分離システム110では、混合ガス供給経路30は、分岐位置44において、第1部分30a及び第2部分30bに分岐している。透過ガス供給経路32は、第3部分32cをさらに有する。ガス分離システム110は、第4排出経路35をさらに備えている。以上を除き、本実施形態のガス分離システム110の構造は、ガス分離システム100の構造と同じである。したがって、ガス分離システム100と本実施形態のガス分離システム110とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。すなわち、各実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、相互に適用されうる。さらに、技術的に矛盾しない限り、各実施形態は、相互に組み合わされてもよい。
 混合ガス供給経路30における分岐位置44は、例えば、合流位置40(及び加圧装置54)よりも下流側、すなわち合流位置40と第1分離膜ユニット10aとの間、に位置する。第1部分30aは、分岐位置44から第1分離膜ユニット10aの混合ガス入口(入口13a)まで延びている。第1部分30aを通じて、第1分離膜ユニット10aに混合ガス70を供給することができる。第2部分30bは、分岐位置44から第1分離膜ユニット10bの混合ガス入口(入口13c)まで延びている。第2部分30bを通じて、第1分離膜ユニット10bに混合ガス70を供給することができる。
 透過ガス供給経路32の第3部分32cは、第1分離膜ユニット10bの透過ガス出口(出口14b)から第1減圧装置50まで延びている。第1減圧装置50は、第1部分32aを通じて、第1分離膜ユニット10aの透過側空間を減圧するとともに、第3部分32cを通じて、第1分離膜ユニット10bの透過側空間を減圧することができる。第1減圧装置50は、例えば、第3部分32cを通過した第1透過ガスを吸引し、当該第1透過ガスを第2部分32bに排出する。このように、ガス分離システム110において、第1減圧装置50が複数の第1分離膜ユニット10に共用されていてもよい。第1減圧装置50が複数の第1分離膜ユニット10に共用されている形態は、減圧装置の設置面積を低減し、スペースを確保することに適している。さらに、この形態によれば、バルブなどの部材を省略することができ、コスト面でも有利である。第1減圧装置50が複数の第1分離膜ユニット10に共用されている場合、ガス分離システム110は、混合ガス70を分離するために必要なエネルギーをさらに低減することにも適している。ただし、ガス分離システム110は、複数の第1減圧装置50を備えるとともに、複数の第1減圧装置50が、それぞれ、複数の第1分離膜ユニット10の透過側空間を減圧できるように構成されていてもよい。
 第4排出経路35は、第1分離膜ユニット10bの非透過ガス出口(出口13d)に接続されており、第1分離膜ユニット10bから第1非透過ガスを排出するための経路である。第4排出経路35には、第4排出経路35から第1非透過ガスを排出するための開口(排出口46)が形成されている。ガス分離システム110が第1非透過ガスを貯蔵するタンク(図示せず)をさらに備えており、第1排出経路34及び第4排出経路35のそれぞれが当該タンクに接続されていてもよい。
 ガス分離システム110において、複数の第1分離膜ユニット10は、互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。ガス分離システム110が複数の第1分離膜ユニット10を有することによって、混合ガス70を処理する分離膜(第1分離膜11)の膜面積を容易に増加させることができる。
<ガス分離システムの別の変形例>
 図8は、変形例のガス分離システム120の構成図を示している。図8に示すように、ガス分離システム120は、第3分離膜ユニット25、第3減圧装置56、第5排出経路37及び第6排出経路39をさらに備えている。第2排出経路36は、第3分離膜ユニット25の透過ガス入口(入口28a)に接続されている。以上を除き、ガス分離システム120の構造は、図1のガス分離システム100の構造と同じである。
 第3分離膜ユニット25は、第3分離膜を用いて、第2分離膜ユニット20から排出された第2透過ガスについて膜分離を行う膜分離装置である。第3分離膜ユニット25が有する第3分離膜は、第2透過ガスを第3透過ガスと第3非透過ガスとにさらに分離することができる。
 第3分離膜ユニット25の第3分離膜は、例えば、第2透過ガスに含まれる副成分ガス、詳細には副成分ガスに含まれる少なくとも1つのガス、を優先的に透過させることができる。そのため、第3分離膜によって分離された第3透過ガスは、第2透過ガスよりも副成分ガスの含有率が高く、かつ第2透過ガスよりも主成分ガスの含有率が低い。一方、第3非透過ガスは、第2透過ガスよりも副成分ガスの含有率が低く、かつ第2透過ガスよりも主成分ガスの含有率が高い。なお、本明細書では、第1透過ガスと同様に、第3透過ガス及び第3非透過ガスにおける「主成分ガス」及び「副成分ガス」の名称は、第1分離膜で分離する前の混合ガスでの含有率に基づいて定める。
 第3減圧装置56は、第3分離膜ユニット25の透過側空間を減圧することができる。言い換えると、第3減圧装置56によって、第3分離膜ユニット25の供給側空間と透過側空間との間において、差圧を生じさせる、又は、差圧を増加させることができる。第3減圧装置56の具体例は、ポンプである。第3減圧装置56は、真空ポンプなどの真空装置であることが好ましい。真空ポンプとしては、第1減圧装置50について上述したものを用いることができる。第3減圧装置56としてのポンプは、回転数などを変化させるための可変速機構を備えていてもよい。可変速機構の例は、ポンプのモータを駆動するインバータである。可変速機構でポンプの回転数などを制御することによって、第3分離膜ユニット25の透過側空間の圧力を適切に調整することができる。
 第3減圧装置56は、複数のポンプの集合体であってもよい。すなわち、第3減圧装置56は、複数のポンプのそれぞれによって第3分離膜ユニット25の透過側空間を減圧できる構成を有していてもよい。この構成によれば、稼働するポンプの数を調整することによって、第3分離膜ユニット25の透過側空間の圧力を適切に調整することができる。
 上述のとおり、第2排出経路36は、第3分離膜ユニット25の入口28aに接続されている。第2排出経路36は、第2分離膜ユニット20から第3分離膜ユニット25に第2透過ガスを供給するための経路として機能する。第2排出経路36の第2部分36bには、第2減圧装置52から排出された第2透過ガスを昇圧する加圧装置(図示せず)が配置されていてもよく、配置されていなくてもよい。この加圧装置によれば、第3分離膜ユニット25の供給側空間を加圧することができる。加圧装置としては、例えば、コンプレッサ、ブロワー及び背圧弁が挙げられる。第2部分36bには、第2透過ガスの組成を測定するためのガスセンサが配置されていてもよい。このガスセンサは、例えば、第2透過ガスにおける二酸化炭素の含有率を検出することができる。ガスセンサは、第3分離膜ユニット25の入口28a付近に配置されていることが好ましい。ガスセンサを用いて、第3分離膜ユニット25に供給される第2透過ガスの組成を測定することによって、第3分離膜ユニット25の運転条件、特に第3分離膜ユニット25の透過側空間の減圧度、を適切に設定することができる。
 第2排出経路36には、第2透過ガスを捕集する捕集器などのタンクや、経路の開閉を行う開閉弁が配置されていないことが好ましい。特に、第2排出経路36に捕集器が配置されていない場合、第2分離膜ユニット20から排出された第2透過ガスを連続的に第3分離膜ユニット25に供給することができる。このような構成によれば、単位時間当たりの混合ガス70の処理量を容易に増加させることができる。一例として、第2排出経路36は、第2減圧装置52及び配管のみから構成されていてもよい。
 第5排出経路37は、第3分離膜ユニット25の透過ガス出口(出口29a)及びタンク60の入口に接続されており、第3分離膜ユニット25からタンク60に第3透過ガスを送るための経路である。タンク60は、第3分離膜ユニット25から送られた第3透過ガスを貯蔵することができる。第5排出経路37には、第3減圧装置56が配置されている。
 第5排出経路37は、第3分離膜ユニット25から第3減圧装置56まで延びている第1部分37aと、第3減圧装置56からタンク60まで延びている第2部分37bとを有する。第3減圧装置56は、第1部分37aを通じて、第3分離膜ユニット25の透過側空間を減圧することができる。第3減圧装置56は、例えば、第1部分37aを通過した第3透過ガスを吸引し、当該第3透過ガスを第2部分37bに排出する。第3減圧装置56は、例えば、第1部分37aを通過したガスをガス分離システム120の外部に排出しないように構成されている。第3減圧装置56は、例えば、第1部分37a及び第2部分37bのみに接続されている。第3減圧装置56が複数のポンプの集合体である場合、第5排出経路37の第1部分37aは、分岐し、複数のポンプの入口のそれぞれに接続されていてもよい。同様に、第5排出経路37の第2部分37bは、分岐し、複数のポンプの出口のそれぞれに接続されていてもよい。
 第6排出経路39は、第3分離膜ユニット25の非透過ガス出口(出口28b)に接続されており、第3分離膜ユニット25から第3非透過ガスを排出するための経路である。第6排出経路39は、合流位置41において透過ガス供給経路32、詳細には透過ガス供給経路32の第2部分32b、に合流していてもよい。第6排出経路39が透過ガス供給経路32に合流していることによって、例えば、第3分離膜ユニット25で分離しきれなかった副成分ガスを含む第3非透過ガスを再利用することができる。
 ガス分離システム120が制御器を備えている場合、制御器は、例えば、第3減圧装置56の動作を制御することもできる。一例として、制御器は、第2排出経路36から第3分離膜ユニット25に第2透過ガスが供給された場合に、第3分離膜ユニット25の透過側空間が減圧されるように第3減圧装置56を制御する。詳細には、制御器は、第3分離膜ユニット25に第2透過ガスが供給されている間、第3分離膜ユニット25の透過側空間を減圧し続けるように第3減圧装置56を制御する。ガス分離システム120では、例えば、(III)第3減圧装置56によって第3分離膜ユニット25の透過側空間を減圧しながら、第2透過ガスを第3透過ガスと第3非透過ガスとに分離する、が成立する。
 本実施形態のガス分離システム120は、第2分離膜ユニット20の下流側に、第3分離膜ユニット25及び第3減圧装置56がさらに配置された構成を有している。ガス分離システム120において、第3分離膜ユニット25の下流側には、分離膜ユニット及び減圧装置の組み合わせがさらに配置されていてもよい。第3分離膜ユニット25の下流側に配置された分離膜ユニット及び減圧装置の組み合わせの数は、分離対象の混合ガス70の組成によって適切に設定することができる。ガス分離システム120が制御器を備えている場合、制御器は、例えば、第3分離膜ユニット25の下流側に配置された各減圧装置の動作を制御する。
[第3分離膜ユニット]
 図9に示すとおり、第3分離膜ユニット25は、第3分離膜26及びタンク27を備える。タンク27は、第5室28及び第6室29を有する。第5室28内の空間が供給側空間に相当し、第6室29内の空間が透過側空間に相当する。第3分離膜26は、タンク27の内部に配置されている。タンク27の内部において、第3分離膜26は、第5室28と第6室29とを隔てている。第3分離膜26は、タンク27の1対の壁面の一方から他方まで延びている。
 第5室28は、入口28a及び出口28bを有する。第6室29は、出口29aを有する。第5室28の入口28aは、第2透過ガス90を第3分離膜ユニット25に供給するための開口である。第6室29の出口29aは、第2透過ガス90が第3分離膜26を透過することによって得られた第3透過ガス95を第3分離膜ユニット25から排出するための開口である。第5室28の出口28bは、第3分離膜26を透過しなかった第2透過ガス90(第3非透過ガス96)を第3分離膜ユニット25から排出するための開口である。入口28a、出口28b及び出口29aのそれぞれは、例えば、タンク27の壁面に形成されている。
 第3分離膜26は、例えば、第2透過ガス90に含まれる副成分ガスを優先的に透過させることができる。第3分離膜26としては、第1分離膜11として例示した分離膜を用いることができる。第3分離膜26の膜面積は、第2透過ガス90を分離するための条件に応じて適宜設定できる。
 第3分離膜26は、膜面積を除き、第1分離膜11又は第2分離膜21と同じであってもよく、異なっていてもよい。一例として、第1分離膜11、第2分離膜21及び第3分離膜26からなる群より選ばれる少なくとも1つは、分離機能層の材料として、ポリエーテルブロックアミド樹脂又はイオン液体を含んでいてもよく、第1分離膜11、第2分離膜21及び第3分離膜26のそれぞれが、分離機能層の材料として、ポリエーテルブロックアミド樹脂又はイオン液体を含むことが好ましい。
 なお、第3分離膜ユニット25は、流通式(連続式)の膜分離方法に適している。ただし、第3分離膜ユニット25は、バッチ式の膜分離方法に用いられてもよい。第3分離膜ユニット25は、第1分離膜ユニット15について上述したスパイラル型の膜エレメントであってもよい。
[混合ガスの分離方法]
 本実施形態において、混合ガス70の分離方法は、上述の第1分離工程及び第2分離工程に加えて、第3分離膜ユニット25を用いた第3分離工程をさらに含む。
 第3分離工程は、例えば、次のように実施される。まず、第2排出経路36の第2部分36bを通じて、第2透過ガス90を第3分離膜ユニット25の第5室28(供給側空間)に供給する。第2透過ガス90は、例えば、昇圧されずに、測定環境における大気圧(例えば101kPa)で第5室28に供給される。ただし、第2透過ガス90は、その圧力が700kPaを超えない範囲で、第2部分36bに配置された加圧装置によって昇圧されてもよい。第2透過ガス90の圧力、すなわち第3分離膜ユニット25の供給側空間内の圧力、は、例えば101kPa以上であってもよく、150kPa以上であってもよく、200kPa以上であってもよく、300kPa以上であってもよく、400kPa以上であってもよい。第2透過ガス90の圧力の上限値は、600kPaであってもよく、500kPaであってもよい。
 次に、第3分離膜ユニット25の第5室28に第2透過ガス90を供給した状態で、第6室29内(透過側空間)を減圧する。詳細には、第3減圧装置56を用いて、出口29aを通じて、第6室29内を減圧する。透過側空間内の圧力は、例えば70kPa以下であり、好ましくは50kPa以下であり、より好ましくは30kPa以下であり、さらに好ましくは10kPa以下であり、特に好ましくは5kPa以下である。透過側空間内の圧力は、第3減圧装置56の運転に必要なエネルギー(動力)を考慮して、1kPa以上であってもよく、2kPa以上であってもよく、5kPa以上であってもよく、10kPa以上であってもよく、15kPa以上であってもよく、20kPa以上であってもよく、30kPa以上であってもよい。
 第6室29内を減圧することによって、供給側空間と透過側空間との間に差圧が生じる、又は、差圧が増加する。これにより、第2透過ガス90が第3分離膜26によって分離され、第3透過ガス95が第6室29に供給される。第2透過ガス90の分離が行われている間、第6室29内は、第3減圧装置56によって減圧され続けてもよい。第3分離膜ユニット25の供給側空間と透過側空間との差圧は、ガス分離システム120が消費するエネルギーを低減する観点から、例えば500kPa以下、好ましくは400kPa以下、より好ましくは300kPa以下、さらに好ましくは200kPa以下、特に好ましくは100kPa以下に調整される。第3分離膜ユニット25の供給側空間と透過側空間との差圧の下限値は、特に限定されず、例えば10kPaである。
 第6室29に供給された第3透過ガス95は、第5排出経路37の第1部分37aを通過し、例えば、第3減圧装置56に吸引される。第3減圧装置56は、例えば、吸引した第3透過ガス95を第5排出経路37の第2部分37bに排出する。第3透過ガス95は、第2部分37bを通じて、タンク60に送られる。
 上述のとおり、第3分離膜ユニット25の第3分離膜26は、例えば、第2透過ガス90に含まれる副成分ガスを優先的に透過させる。そのため、第3分離工程によって得られた第3透過ガス95は、第2透過ガス90に比べて副成分ガスの含有率が高い。第3分離工程によって得られた第3透過ガス95における副成分ガス(例えば二酸化炭素)の含有率は、特に限定されず、例えば80wt%以上であり、好ましくは85wt%以上であり、より好ましくは90wt%以上であり、さらに好ましくは95wt%以上である。第2透過ガス90における副成分ガスの含有率(wt%)に対する第3透過ガス95における副成分ガスの含有率(wt%)の比は、特に限定されず、例えば1.2~3である。
 一方、第2透過ガス90における主成分ガスの濃度は、第5室28の入口28aから出口28bに向かって徐々に上昇する。第5室28で処理された第2透過ガス90(第3非透過ガス96)における主成分ガス(例えば窒素)の含有率は、特に限定されず、例えば60wt%~90wt%である。第3非透過ガス96は、出口28bを通じて、第3分離膜ユニット25の外部に排出される。
 本実施形態の分離方法において、第1分離工程~第3分離工程は、連続して行うことが好ましい。すなわち、第2分離工程で分離された第2透過ガス90は、タンクなどに捕集されずに、ただちに第3分離工程に供されることが好ましい。第1分離工程~第3分離工程を連続して行うことによって、単位時間当たりの混合ガス70の処理量を容易に増加させることができる。
 なお、第3分離膜ユニット25の透過側空間の圧力は、第3分離膜ユニット25に供給される第2透過ガス90の組成、特に副成分ガスの含有率、に応じて調整してもよい。一例として、本実施形態の分離方法では、副成分ガスが二酸化炭素である場合、第3分離工程において、第3分離膜ユニット25の透過側空間の圧力をP(kPa)と表示し、第2透過ガス90における二酸化炭素の含有率をx(wt%)と表示したときに、上述した関係式(A)が満たされていてもよく、関係式(B)が満たされていてもよい。
 第3分離工程における第3分離膜ユニット25の透過側空間の圧力P3は、第2分離工程における第2分離膜ユニット20の透過側空間の圧力P2と同じ又は当該圧力P2より高くてもよい。圧力P3は、圧力P2より高いことが好ましい。
 第3分離工程において、第3分離膜ユニット25の透過側空間の圧力P3は、第3分離膜ユニット25に供給されるガスの組成、特に二酸化炭素の含有率x、の変化に応じて経時的に変化させてもよい。第3分離膜ユニット25に供給されるガスの組成に応じて、透過側空間の圧力P3を常に適切な値に調整することによって、第3減圧装置56の動力を効果的に低減することができる。第3分離膜ユニット25に供給されるガスの組成の変化は、例えば、第3分離膜ユニット25の入口28a付近に配置されたガスセンサによって検出することができる。
 本実施形態の分離方法は、例えば、第3非透過ガス96と第1透過ガス80とを混合する第2混合工程をさらに含む。第2混合工程は、第6排出経路39を通じて、第3非透過ガス96を透過ガス供給経路32の合流位置41に送ることによって実施することができる。第2混合工程によれば、第3非透過ガス96を再利用することができ、主成分ガス及び副成分ガスの回収率を向上できる傾向がある。
 本実施形態の混合ガス70の分離方法によれば、例えば、副成分ガスが濃縮された第3透過ガス95と、主成分ガスが濃縮された第1非透過ガス81とを回収することができる。この分離方法による副成分ガス(例えば二酸化炭素)の回収率は、特に限定されず、例えば80%以上であり、好ましくは90%以上である。主成分ガスの回収率は、特に限定されず、例えば90%以上であり、好ましくは95%以上である。
 ガス分離システム120を用いた本実施形態の混合ガス70の分離方法は、副成分ガスの含有率が低い混合ガス70の分離に適している。詳細には、本実施形態の混合ガス70の分離方法は、副成分ガス、特に二酸化炭素、の含有率が1wt%以下である混合ガス70(例えば、空気)の分離に適している。
 以下に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
(分離膜A)
 まず、シリコーン溶液(モメンティブパフォーマンスマテリアルズ社製YSR3022)10gを140gのノルマルデカン(三協化学社製)で希釈し、2質量%のシリコーン溶液を作製した。作製したシリコーン溶液に限外ろ過膜(日東電工製 NTU-3175M)を5秒浸漬し、40秒液切りを行い、120℃の乾燥機で2分乾燥させる工程を2度行い、限外ろ過膜上に厚さ2μmのシリコーン層(中間層)を形成した。形成したシリコーン層の表面については、テーブル式コロナ処理装置(春日電機製)を用いて1J/cm2の強度で親水化処理を行った。
 次に、ポリエーテルブロックアミド(アルケマ社製のPebax MH1657)2gを70質量%のイソプロパノール水溶液98gに投入し、80℃で3時間攪拌することで、2質量%のPebax溶液を作製した。作製した溶液をシリコーン層の上に展開し、2000rpmの回転数で40秒間スピンコートを行った。次に、得られた塗布膜を60℃のオーブンで30分乾燥させることで分離機能層が形成された。これにより、分離膜Aを得た。
(分離膜B)
 ポリエーテルブロックアミドを含む塗布液に代えて、ダブルネットワークゲルを含む塗布液を用いたことを除いて、分離膜Aと同じ方法によって、分離膜Bを作製した。ダブルネットワークゲルは、第1網目構造、第2網目構造及びイオン液体を含んでいた。第1網目構造は、ジメチルアクリルアミドに由来する構造単位を有し、さらに架橋構造を含む重合体によって構成されていた。第2網目構造は、シリカ粒子(アエロジル社製のAEROSIL200)により構成されていた。イオン液体としては、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムジシアンアミド(EMI-DCA)を用いた。ダブルネットワークゲルにおける第1網目構造の含有率は15wt%であり、第2網目構造の含有率は5wt%であり、イオン液体の含有率は80wt%であった。
(分離膜C)
 イオン液体として、EMI-DCAに代えて、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムトリシアノメタニド(EMI-C(CN)3)を用いたことを除いて、分離膜Bと同じ方法によって分離膜Cを作製した。
[分離膜の特性評価]
 次に、以下の方法によって、分離膜A~Cのそれぞれについて、二酸化炭素の透過速度T1、窒素の透過速度T2、及び、窒素に対する二酸化炭素の分離係数α(CO2/N2)を測定した。まず、分離膜を金属セル中にセットし、リークが発生しないようにOリングでシールした。次に、分離膜の分離機能層側の主面に混合ガスが接触するように、金属セル内に混合ガスを注入した。混合ガスは、実質的に二酸化炭素及び窒素からなっていた。混合ガスにおける二酸化炭素の濃度は、標準状態で50vol%であった。金属セル内に注入された混合ガスの温度は、30℃であった。混合ガスの圧力は、0.1MPaであった。これにより、分離膜の多孔性支持体側の主面から透過ガスが得られた。得られた透過ガスの組成、透過ガスの重量などに基づいて、二酸化炭素の透過速度T1、窒素の透過速度T2及び分離係数αを算出した。結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
(計算例1~19)
 次に、分離膜A~Cを用いて、図1に示すガス分離システムを運転したときのシミュレーションを行った。詳細には、分離膜ユニットの運転条件、分離膜ユニットで用いた分離膜の種類、混合ガスの組成、第2透過ガスの組成などを予め決定して、この場合に、ガス分離システムを用いて混合ガスを分離するために必要なエネルギー及び分離膜の膜面積を計算した。より詳細には、Schlumberger社製のプロセスモデリングソフトSymmetryを用いて、図1における減圧装置50及び52の動力、並びに、分離膜11及び21の膜面積を計算した。
 計算例1~19では、分離膜ユニットの供給側空間の圧力や、用いた分離膜の種類を変更して、その影響を確認した。例えば、計算例1において、分離膜11及び21の性能は、表1に示した分離膜Aの値(透過速度T1:130.3GPU、選択性α:37.2)に設定した。分離膜ユニット10及び20のそれぞれについて、供給されるガスの圧力(供給側空間の圧力)を大気圧(101.33kPa)に設定し、透過側空間の圧力をほとんど真空の値(1kPa)に設定した。第1分離膜ユニット10に供給される混合ガスに含まれる二酸化炭素のガス流量を300t/年(34.25kg/hr)に設定し、二酸化炭素の含有率を10wt%に設定し、混合ガスの温度を25℃に設定した。さらに、最終的に得られた第1非透過ガス及び第2透過ガスの温度を25℃に設定し、これらの圧力を101.33kPaに設定した。第2透過ガスについては、二酸化炭素の含有率を95wt%に設定し、その回収率を90%(30.82kg/hr)に設定した。減圧装置50及び52の断熱効率は、一般的な値である70%に設定した。結果を表2及び3に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
(計算例20~25)
 次に、特許文献1に開示されたガス分離システムを運転したときのシミュレーションを行った。詳細には、図10に示すガス分離システム200を運転して混合ガスを分離することを想定した。
 ガス分離システム200は、第1分離膜ユニット210、第2分離膜ユニット220及び第3分離膜ユニット225を備えている。第1分離膜ユニット210及び第2分離膜ユニット220は、それぞれ、図1のガス分離システム100の第1分離膜ユニット10及び第2分離膜ユニット20に対応している。図10の第3分離膜ユニット225は、第3分離膜を用いて、第1分離膜ユニット210から排出された第1非透過ガスについて膜分離を行う膜分離装置である。第3分離膜は、第1非透過ガスを第3透過ガスと第3非透過ガスとに分離することができる。
 ガス分離システム200は、混合ガス供給経路230、透過ガス供給経路232、第1排出経路234、第2排出経路236、第3排出経路238、第4排出経路237及び第5排出経路239を備えている。混合ガス供給経路230は、第1分離膜ユニット210に混合ガスを供給するための経路である。混合ガス供給経路230には、コンプレッサCP1及び熱交換器C1が配置されている。コンプレッサCP1によって、混合ガスを昇圧することができる。
 透過ガス供給経路232は、第1分離膜ユニット210から第2分離膜ユニット220に第1透過ガスを供給するための経路である。透過ガス供給経路232には、減圧装置が配置されていない。第1排出経路234は、第1分離膜ユニット210から第3分離膜ユニット225に第1非透過ガスを送るための経路である。
 第2排出経路236は、第2分離膜ユニット220から第2透過ガスを排出するための経路である。第2排出経路236には、減圧装置CP2及び熱交換器C2が配置されている。
 第3排出経路238は、第2分離膜ユニット220から第2非透過ガスを排出するための経路である。第3排出経路238は、合流位置240において混合ガス供給経路230に合流しており、第2非透過ガスを混合ガス供給経路230に送ることができる。
 第4排出経路237は、第3分離膜ユニット225から第3非透過ガスを排出するための経路である。第5排出経路239は、第3分離膜ユニット225から第3透過ガスを排出するための経路である。第5排出経路239は、合流位置240において混合ガス供給経路230に合流しており、第3透過ガスを混合ガス供給経路230に送ることができる。
 ガス分離システム200において、分離膜ユニットの運転条件、分離膜ユニットで用いた分離膜の種類、混合ガスの組成、第2透過ガスの組成などを予め決定して、この場合に、ガス分離システム200を用いて混合ガスを分離するために必要なエネルギー及び分離膜の膜面積を計算した。計算には、Schlumberger社製のプロセスモデリングソフトSymmetryを用いた。計算例20~25では、第1分離膜ユニット210及び第3分離膜ユニット225における分離膜の膜面積の比率や、用いた分離膜の種類を変更して、その影響を確認した。結果を表4に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
(計算例26~28)
 次に、特許文献2に開示されたガス分離システムを運転したときのシミュレーションを行った。詳細には、図11に示すガス分離システム250を運転して混合ガスを分離することを想定した。ガス分離システム250は、第2分離膜ユニット220、第2排出経路236及び第3排出経路238を備えていないことを除き、図10のガス分離システム200と同じ構成を有している。
 ガス分離システム250において、分離膜ユニットの運転条件、分離膜ユニットで用いた分離膜の種類、混合ガスの組成、第1透過ガスの組成などを予め決定して、この場合に、ガス分離システム250を用いて混合ガスを分離するために必要なエネルギー及び分離膜の膜面積を計算した。計算には、Schlumberger社製のプロセスモデリングソフトSymmetryを用いた。計算例26~28では、用いた分離膜の種類を変更して、その影響を確認した。結果を表5に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
 表2~5からわかるとおり、第1分離膜ユニット及び第2分離膜ユニットのそれぞれの透過側空間を減圧できる構成を有する本実施形態のガス分離システムによれば、従来のガス分離システム200及び250に比べて、混合ガスを分離するために必要なエネルギーを低減できる。特に、計算例1~10などからわかるとおり、本実施形態のガス分離システムでは、700kPaを超えない範囲で第1分離膜ユニットの供給側空間内を加圧することによって、混合ガスを分離するために必要なエネルギーを低減しつつ、必要な分離膜の膜面積も低減することができる。
(計算例29~39)
 計算例1~19と同様に、図1に示すガス分離システムを運転したときのシミュレーションを行った。計算例29~39では、第2透過ガスの組成や混合ガスの組成を変更して、その影響を確認した。結果を表6に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
(計算例40~45)
 計算例20~25と同様に、図10に示すガス分離システム200を運転したときのシミュレーションを行った。計算例40~45では、第2透過ガスの組成や混合ガスの組成を変更して、その影響を確認した。結果を表7に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
(計算例46~50)
 計算例26~28と同様に、図11に示すガス分離システム250を運転したときのシミュレーションを行った。計算例46~50では、第1透過ガスの組成や混合ガスの組成を変更して、その影響を確認した。結果を表8に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
 ガス分離システムにおいて、混合ガスを分離するために必要なエネルギーは、透過ガスの組成や混合ガスの組成、特に混合ガスの組成、に大きく依存する。表6~8に記載された計算例について、上記のガスの組成が同一の条件で比較すると、第1分離膜ユニット及び第2分離膜ユニットのそれぞれの透過側空間を減圧できる構成を有する本実施形態のガス分離システムによれば、従来のガス分離システム200及び210に比べて、混合ガスを分離するために必要なエネルギーを低減できることがわかる。
(計算例51~58)
 計算例1と同様に、図1に示すガス分離システムを運転したときのシミュレーションを行った。計算例51~58では、計算例1の条件から、第1分離膜ユニット又は第2分離膜ユニットの透過側空間の圧力を変更して、その影響を確認した。結果を表9に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
(計算例59~72)
 計算例33と同様に、計算例59~72について、図1に示すガス分離システムを運転したときのシミュレーションを行った。計算例59~72では、計算例33の条件から、第1分離膜ユニット又は第2分離膜ユニットの透過側空間の圧力を変更して、その影響を確認した。結果を表10及び11に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
 表9~11からわかるとおり、第1分離膜ユニット又は第2分離膜ユニットの透過側空間の圧力を適切に設定することによって、混合ガスを分離するために必要な分離膜の膜面積を大きく増加させずに、必要なエネルギーを低減することができる。この効果は、分離膜ユニットの透過側空間の圧力Pが上述の関係式(A)を満たす計算例で顕著であると言える。
(計算例73~77)
 計算例1と同様に、計算例73について、図1に示すガス分離システムを運転したときのシミュレーションを行った。さらに、計算例74~77では、図8に示すガス分離システムを運転したときのシミュレーションを行った。計算例74~77のシミュレーションは、計算例1などと同様の方法で行った。なお、計算例74~77では、第2透過ガスの組成に代えて、第3透過ガスの組成を予め決定した。計算例73~77では、混合ガスの組成を変更して、その影響を確認した。結果を表12に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
 表12からわかるとおり、本実施形態のガス分離システムによれば、二酸化炭素の含有率が非常に低い混合ガスについても分離を行うことができる。
 本実施形態のガス分離システムは、混合ガス、特に二酸化炭素及び窒素を含む排出ガス、を分離することに適している。
 

Claims (21)

  1.  二酸化炭素及び窒素を含む混合ガスを第1透過ガスと第1非透過ガスとに分離する第1分離膜ユニットと、
     前記第1透過ガスを第2透過ガスと第2非透過ガスとに分離する第2分離膜ユニットと、
     前記第1分離膜ユニットの透過側空間を減圧する第1減圧装置と、
     前記第2分離膜ユニットの透過側空間を減圧する第2減圧装置と、
    を備えた、ガス分離システム。
  2.  連続式システムである、請求項1に記載のガス分離システム。
  3.  (I)前記第1減圧装置によって前記第1分離膜ユニットの前記透過側空間を減圧しながら、前記混合ガスを前記第1透過ガスと前記第1非透過ガスとに分離する、及び、(II)前記第2減圧装置によって前記第2分離膜ユニットの前記透過側空間を減圧しながら、前記第1透過ガスを前記第2透過ガスと前記第2非透過ガスとに分離する、の少なくとも1つが成立する、請求項1又は2に記載のガス分離システム。
  4.  前記混合ガスは、主成分ガス及び副成分ガスを含み、
     前記第1透過ガスは、前記混合ガスよりも前記副成分ガスの含有率が高く、
     前記第1非透過ガスは、前記混合ガスよりも前記副成分ガスの含有率が低い、請求項1~3のいずれか1項に記載のガス分離システム。
  5.  前記第2透過ガスは、前記第1透過ガスよりも前記副成分ガスの含有率が高く、
     前記第2非透過ガスは、前記第1透過ガスよりも前記副成分ガスの含有率が低い、請求項4に記載のガス分離システム。
  6.  前記混合ガスは、前記主成分ガスとして窒素を含み、かつ前記副成分ガスとして二酸化炭素を含む、請求項4又は5に記載のガス分離システム。
  7.  前記混合ガスにおける二酸化炭素の含有率CCO2(wt%)、及び、前記混合ガスにおける窒素の含有率CN2(wt%)が下記関係式(1)を満たす、請求項1~6のいずれか1項に記載のガス分離システム。
     CCO2<CN2/4  (1)
  8.  前記混合ガスにおける二酸化炭素の含有率が5wt%以上である、請求項1~7のいずれか1項に記載のガス分離システム。
  9.  前記第2透過ガスにおける二酸化炭素の含有率が80wt%以上であり、
     前記第1非透過ガスにおける窒素の含有率が95wt%以上である、請求項1~8のいずれか1項に記載のガス分離システム。
  10.  前記第1分離膜ユニット及び前記第2分離膜ユニットに接続され、前記第2分離膜ユニットに前記第1透過ガスを供給するための透過ガス供給経路をさらに備え、
     前記第1減圧装置が前記透過ガス供給経路に配置されている、請求項1~9のいずれか1項に記載のガス分離システム。
  11.  前記透過ガス供給経路には、前記第1透過ガスを捕集する捕集器が配置されていない、請求項10に記載のガス分離システム。
  12.  前記透過ガス供給経路は、前記第1減圧装置及び配管のみから構成されている、請求項10又は11に記載のガス分離システム。
  13.  複数の前記第1分離膜ユニットを備えた、請求項1~12のいずれか1項に記載のガス分離システム。
  14.  前記第1減圧装置が複数の前記第1分離膜ユニットに共用されている、請求項13に記載のガス分離システム。
  15.  前記第1分離膜ユニットに接続され、前記第1分離膜ユニットに前記混合ガスを供給するための混合ガス供給経路と、
     前記第2分離膜ユニットに接続され、前記第2分離膜ユニットから前記第2非透過ガスを排出するための排出経路と、
    をさらに備え、
     前記排出経路は、合流位置において、前記混合ガス供給経路に合流している、請求項1~14のいずれか1項に記載のガス分離システム。
  16.  前記第1分離膜ユニットは、前記混合ガスを分離する第1分離膜を有し、
     前記第2分離膜ユニットは、前記第1透過ガスを分離する第2分離膜を有し、
     前記第1分離膜及び前記第2分離膜からなる群より選ばれる少なくとも1つは、ポリエーテルブロックアミド樹脂又はイオン液体を含む、請求項1~15のいずれか1項に記載のガス分離システム。
  17.  二酸化炭素及び窒素を含む混合ガスを第1分離膜ユニットに供給し、前記第1分離膜ユニットの透過側空間を減圧することによって、前記混合ガスを第1透過ガスと第1非透過ガスとに分離する第1分離工程と、
     前記第1透過ガスを第2分離膜ユニットに供給し、前記第2分離膜ユニットの透過側空間を減圧することによって、前記第1透過ガスを第2透過ガスと第2非透過ガスとに分離する第2分離工程と、
    を含む、混合ガスの分離方法。
  18.  前記第1分離工程において、前記第1分離膜ユニットの供給側空間と前記透過側空間との差圧を400kPa以下に調整する、請求項17に記載の分離方法。
  19.  (i)前記第1分離工程において、前記第1分離膜ユニットの前記透過側空間の圧力をP(kPa)と表示し、前記混合ガスにおける二酸化炭素の含有率をx(wt%)と表示したときに、以下の関係式(A)を満たす、及び、(ii)前記第2分離工程において、前記第2分離膜ユニットの前記透過側空間の圧力をP(kPa)と表示し、前記第1透過ガスにおける二酸化炭素の含有率をx(wt%)と表示したときに、前記関係式(A)を満たす、の少なくとも1つが成立する、請求項17又は18に記載の分離方法。
     0.2e0.0536x≦P≦0.55e0.0536x  (A)
  20.  前記第2分離工程における前記第2分離膜ユニットの前記透過側空間の圧力は、前記第1分離工程における前記第1分離膜ユニットの前記透過側空間の圧力と同じ又は当該圧力より高い、請求項17~19のいずれか1項に記載の分離方法。
  21.  前記混合ガスは、燃料が燃焼することによって生じた排出ガスである、請求項17~20のいずれか1項に記載の分離方法。
     
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023176436A1 (ja) * 2022-03-18 2023-09-21 日東電工株式会社 炭酸水素塩の製造方法、二酸化炭素の製造方法、有機化合物の製造方法、及び炭酸水素塩の製造装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03101807A (ja) * 1989-07-14 1991-04-26 Ag Technol Corp メンブレン式ガス分離装置
JPH03267109A (ja) * 1990-03-15 1991-11-28 Ube Ind Ltd 発電所燃焼排ガス中の炭酸ガスの回収法
JP2013128868A (ja) 2011-12-20 2013-07-04 Ube Industries Ltd ガス分離システム
JP2018511472A (ja) 2014-12-29 2018-04-26 エボニック ファイバース ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングEvonik Fibres GmbH 低メンテナンスコストのガス分離プロセス
JP2020501884A (ja) * 2016-12-14 2020-01-23 メンブレイン テクノロジー アンド リサーチ, インコーポレイテッド 燃焼プロセス燃焼排ガスからのco2およびso2の分離および同時捕獲

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03101807A (ja) * 1989-07-14 1991-04-26 Ag Technol Corp メンブレン式ガス分離装置
JPH03267109A (ja) * 1990-03-15 1991-11-28 Ube Ind Ltd 発電所燃焼排ガス中の炭酸ガスの回収法
JP2013128868A (ja) 2011-12-20 2013-07-04 Ube Industries Ltd ガス分離システム
JP2018511472A (ja) 2014-12-29 2018-04-26 エボニック ファイバース ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングEvonik Fibres GmbH 低メンテナンスコストのガス分離プロセス
JP2020501884A (ja) * 2016-12-14 2020-01-23 メンブレイン テクノロジー アンド リサーチ, インコーポレイテッド 燃焼プロセス燃焼排ガスからのco2およびso2の分離および同時捕獲

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
E. KAMIO ET AL., ADV.MATER, vol. 29, 2017, pages 1704118

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023176436A1 (ja) * 2022-03-18 2023-09-21 日東電工株式会社 炭酸水素塩の製造方法、二酸化炭素の製造方法、有機化合物の製造方法、及び炭酸水素塩の製造装置

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