JP5982876B2 - Gas separation system - Google Patents
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Description
本発明は、ガス分離膜を用いて混合ガスから高圧の未透過ガスを濃縮・回収する方法に関する。 The present invention relates to a method for concentrating and recovering a high-pressure unpermeated gas from a mixed gas using a gas separation membrane.
２種類以上のガスを含む混合ガスの分離方法として、選択的透過性を有するガス分離膜に対するガスの透過速度の差を利用した膜分離法がある。膜分離法により、混合ガスは、ガス分離膜を透過しやすい高透過性ガスを高濃度で含む透過ガスと、ガス分離膜を透過しにくい低透過性ガスを高濃度で含む未透過ガスとに分離される。この膜分離法においては、ガス分離膜を挟んで、混合ガスが供給される供給側と、透過ガスが透過してくる透過側との高透過性ガスの分圧差が必要であるため、通常、原料の混合ガスは加圧圧縮してガス分離膜に供給される。 As a method for separating a mixed gas containing two or more kinds of gases, there is a membrane separation method using a difference in gas permeation rate with respect to a gas separation membrane having selective permeability. By the membrane separation method, the mixed gas is made into a permeated gas containing a high concentration of a highly permeable gas that easily permeates the gas separation membrane, and an unpermeated gas containing a low concentration of a low permeable gas that hardly permeates the gas separation membrane. To be separated. In this membrane separation method, it is necessary to have a partial pressure difference between the high permeability gas between the supply side to which the mixed gas is supplied and the permeation side through which the permeated gas permeates, with the gas separation membrane interposed therebetween. The mixed gas of the raw material is pressurized and compressed and supplied to the gas separation membrane.
低透過性ガスを高濃度で含む未透過ガスを高圧状態で使用する用途の場合、ガス分離システムにおいては、分圧差が大きい方が効率がよいと考えられていたため、一般に、原料の混合ガスを必要な高圧状態まで昇圧してからガス分離膜に供給する方法が用いられてきた。 In applications where non-permeated gas containing a high concentration of low-permeability gas is used in a high-pressure state, gas separation systems have been considered to be more efficient when the partial pressure difference is larger. A method has been used in which the pressure is increased to a necessary high pressure state and then supplied to the gas separation membrane.
従来のガス分離システムの構成の一例を図４に示す。このシステムは、ガス分離膜を備えたガス分離装置１１と、混合ガス供給ライン２１、透過ガス用ライン２２および未透過ガス用ライン２３とを備え、各ラインがガス分離装置と連結されている。そして、混合ガス供給ライン２１上に、圧縮手段１４が設けられている。高圧の未透過ガスが必要な場合、このシステムにおいてはガスを昇圧する手段は圧縮手段１４のみであるため、混合ガスを圧縮手段１４により必要な圧力（すなわち、必要とされている未透過ガスの高圧の圧力）まで昇圧してガス分離装置１１に供給する。そして、ガス分離装置により分離された未透過ガスを高圧の状態で未透過ガス用ライン２３から回収し、透過ガスは透過ガス用ライン２２から廃棄する。したがって、この従来のガス分離システムにおいては、分離前の混合ガスを高圧とするため、未透過ガスのみが高圧で必要な場合であっても、廃棄する透過ガス分も一緒に高圧に昇圧するエネルギーが必要であり、消費エネルギーをより抑えるガス分離システムが求められていた。
An example of the configuration of a conventional gas separation system is shown in FIG. This system includes a
特許文献１には、メタンガスと炭酸ガスを主成分とする消化ガスを、必要圧に加圧した状態でゼオライト膜に供給してメタンガスを濃縮し、再昇圧することなくメタン貯蔵装置に貯蔵することができるメタン濃縮方法が記載されている。この方法によると、消化ガスをゼオライト膜で分離する前に昇圧するため、不要な炭酸ガスも高圧に加圧するエネルギーが必要となる。
In
本発明は、ガス分離膜を用いて混合ガスから高圧の未透過ガスを回収するガス分離システムにおいて、消費エネルギーをより抑えることができるシステムを提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the system which can suppress energy consumption more in the gas separation system which collect | recovers high pressure impermeable gas from mixed gas using a gas separation membrane.
本発明は以下の事項に関する。 The present invention relates to the following matters.
１． 混合ガスから、ガス分離膜を透過しにくい低透過性ガスを濃縮するためのガス分離システムであって、
混合ガスを昇圧する第１圧縮手段と、
前記第１圧縮手段により昇圧された混合ガスを、透過ガスと未透過ガスとに分離するガス分離膜と、
前記ガス分離膜により得られた未透過ガスを昇圧する第２圧縮手段と、
を備え、第２圧縮手段の吐出圧力が、第１圧縮手段の吐出圧力より高いことを特徴とする、ガス分離システム。
1. A gas separation system for concentrating a low-permeability gas that is difficult to permeate a gas separation membrane from a mixed gas,
First compression means for increasing the pressure of the mixed gas;
A gas separation membrane that separates the mixed gas pressurized by the first compression means into a permeate gas and a non-permeate gas;
Second compression means for increasing the pressure of the non-permeated gas obtained by the gas separation membrane;
The gas separation system is characterized in that the discharge pressure of the second compression means is higher than the discharge pressure of the first compression means.
２． さらに、前記ガス分離膜より得られた未透過ガスを第２圧縮手段に供給する前に冷却するための冷却手段を備えた、上記１に記載のガス分離システム。 2. Furthermore, the gas separation system of said 1 provided with the cooling means for cooling before supplying the impermeable gas obtained from the said gas separation membrane to a 2nd compression means.
３． 前記ガス分離膜により得られた未透過ガスの大気圧露点が−４０℃以下であることを特徴とする、上記１または２に記載のガス分離システム。 3. 3. The gas separation system according to 1 or 2 above, wherein the atmospheric pressure dew point of the non-permeated gas obtained by the gas separation membrane is −40 ° C. or lower.
４． 前記未透過ガスが排出される未透過ガス用ラインが、第２圧縮手段が設けられた第１分岐と、圧縮手段が設けられていない第２分岐との２つの分岐を有し、
第１分岐に排出された未透過ガスは前記第２圧縮手段により昇圧され、
第２分岐に排出された未透過ガスはガス分離膜から排出された圧力以下の状態で得られることを特徴とする、上記１〜３のいずれかに記載のガス分離システム。
4). The non-permeate gas line from which the non-permeate gas is discharged has two branches, a first branch provided with a second compression means and a second branch provided with no compression means,
The unpermeated gas discharged to the first branch is boosted by the second compression means,
4. The gas separation system according to any one of the
５． 第２圧縮手段の下流側に圧力測定手段を設け、測定した圧力の結果に基づいて、ガス分離膜の透過ガスが透過する側の圧力および／またはガス分離膜により得られる未透過ガスの流量を制御できることを特徴とする、上記１〜４のいずれかに記載のガス分離システム。 5). Pressure measuring means is provided on the downstream side of the second compression means, and based on the measured pressure result, the pressure of the gas separation membrane through which the permeate gas permeates and / or the flow rate of the unpermeated gas obtained by the gas separation membrane is determined. 5. The gas separation system according to any one of 1 to 4 above, which can be controlled.
６． 第２圧縮手段の吐出圧力が、第１圧縮手段の吐出圧力の１．５〜１０倍である、上記１〜５のいずれかに記載のガス分離システム。 6). 6. The gas separation system according to any one of 1 to 5, wherein the discharge pressure of the second compression means is 1.5 to 10 times the discharge pressure of the first compression means.
７． 第１圧縮手段の吐出圧力が０ＭＰａＧより大きく０．７ＭＰａＧ以下である、上記１〜６のいずれかに記載のガス分離システム。 7). 7. The gas separation system according to any one of 1 to 6, wherein the discharge pressure of the first compression means is greater than 0 MPaG and not greater than 0.7 MPaG.
８． 第２圧縮手段の吐出圧力が０．５〜４ＭＰａＧである、上記１〜７のいずれかに記載のガス分離システム。 8). The gas separation system according to any one of 1 to 7 above, wherein the discharge pressure of the second compression means is 0.5 to 4 MPaG.
９． 混合ガスから、ガス分離膜を透過しにくい低透過性ガスを濃縮するためのガス分離システムであって、
混合ガスを、透過ガスと未透過ガスとに分離するガス分離膜と、
前記ガス分離膜により得られた未透過ガスを昇圧する圧縮手段と、
を備えることを特徴とする、ガス分離システム。
9. A gas separation system for concentrating a low-permeability gas that is difficult to permeate a gas separation membrane from a mixed gas,
A gas separation membrane that separates the mixed gas into a permeated gas and a non-permeated gas;
Compression means for increasing the pressure of the unpermeated gas obtained by the gas separation membrane;
A gas separation system comprising:
１０． 前記ガス分離膜の透過ガスが透過する側の圧力が大気圧以下に保持されることを特徴とする、上記１〜９のいずれかに記載のガス分離システム。 10. 10. The gas separation system according to any one of 1 to 9 above, wherein the pressure of the gas separation membrane on the side through which the permeated gas permeates is maintained at atmospheric pressure or lower.
１１． 前記混合ガスが窒素を含む混合ガスであり、前記低透過性ガスが窒素富化ガスである、上記１〜１０のいずれか１項に記載のガス分離システム。 11. 11. The gas separation system according to any one of the above 1 to 10, wherein the mixed gas is a mixed gas containing nitrogen, and the low permeability gas is a nitrogen-enriched gas.
１２． 前記混合ガスが空気であり、前記低透過性ガスが乾燥空気である、上記１〜１１のいずれかに記載のガス分離システム。 12 The gas separation system according to any one of the above 1 to 11, wherein the mixed gas is air and the low-permeability gas is dry air.
１３． 前記混合ガスが炭化水素を含む混合ガスであり、前記低透過性ガスが炭化水素が濃縮されたガスである、上記１〜１２のいずれかに記載のガス分離システム。 13. 13. The gas separation system according to any one of 1 to 12, wherein the mixed gas is a mixed gas containing hydrocarbons, and the low permeability gas is a gas enriched with hydrocarbons.
１４． 混合ガスを第１圧縮手段により昇圧する工程と、
前記第１圧縮手段により昇圧された混合ガスを、ガス分離膜により透過ガスと未透過ガスとに分離する工程と、
ガス分離膜により得られた未透過ガスを第２圧縮手段により昇圧する工程とを含み、
第２圧縮手段の吐出圧力が第１圧縮手段の吐出圧力より高いことを特徴とする、混合ガスから未透過ガスを濃縮・回収する方法。
14 Increasing the pressure of the mixed gas by the first compression means;
Separating the mixed gas pressurized by the first compression means into a permeated gas and an unpermeated gas by a gas separation membrane;
Boosting the unpermeated gas obtained by the gas separation membrane by the second compression means,
A method for concentrating and recovering an unpermeated gas from a mixed gas, wherein the discharge pressure of the second compression means is higher than the discharge pressure of the first compression means.
１５． 混合ガスをガス分離膜により透過ガスと未透過ガスとに分離する工程と、
ガス分離膜により得られた未透過ガスを圧縮手段により昇圧する工程とを含む、混合ガスから未透過ガスを濃縮・回収する方法。
15. Separating the mixed gas into a permeated gas and a non-permeated gas by a gas separation membrane;
A method of concentrating and recovering the non-permeated gas from the mixed gas, comprising a step of increasing the pressure of the non-permeated gas obtained by the gas separation membrane by a compression means.
本発明によると、ガス分離膜を用いて混合ガスから高圧の未透過ガスを回収するガス分離システムにおいて、消費エネルギーを従来より抑えることができる。本発明のガス分離システムにおいては、混合ガスをガス分離膜に供給する前（１段目の昇圧）と、ガス分離を行った後（２段目の昇圧）の２段階で昇圧し、２段目の圧縮手段による吐出圧力が１段目の圧縮手段による吐出圧力より高いことを特徴とする。１段目では実質的にガス分離に必要な圧力までの昇圧に抑え、２段目ではガス分離により得られた未透過ガスのみを必要な高圧力まで昇圧する。したがって、不要な（または高圧であることを必要としない）透過ガス分は、１段目でガス分離に必要な圧力に昇圧されるのみであるため、無駄なエネルギー消費を抑えることができる。 According to the present invention, in a gas separation system that recovers a high-pressure unpermeated gas from a mixed gas by using a gas separation membrane, energy consumption can be suppressed as compared with the related art. In the gas separation system of the present invention, the pressure is increased in two stages, before supplying the mixed gas to the gas separation membrane (first-stage pressure increase) and after gas separation (second-stage pressure increase). The discharge pressure by the eye compression means is higher than the discharge pressure by the first-stage compression means. In the first stage, the pressure is increased to substantially the pressure required for gas separation, and in the second stage, only the unpermeated gas obtained by gas separation is increased to the required high pressure. Accordingly, the unnecessary permeated gas component (or that does not require high pressure) is only boosted to the pressure required for gas separation in the first stage, so that wasteful energy consumption can be suppressed.
本発明のガス分離システムの構成の一例を図１に示す。このガス分離システムは、ガス分離膜を備えたガス分離装置１１と、混合ガス（原料ガス）供給ライン２１、透過ガス用ライン２２および未透過ガス用ライン２３とを備え、各ラインがガス分離装置１１と連結されている。そして、混合ガス供給ライン２１上に第１圧縮手段１２、未透過ガス用ライン２３上に第２圧縮手段１３が、それぞれ設置されている。なお、本明細書においては、圧縮手段のことを圧縮機と記載することもある。
An example of the configuration of the gas separation system of the present invention is shown in FIG. This gas separation system includes a
図１のガス分離システムは、原料である混合ガスから所望の高圧力の未透過ガス（製品ガス）を得るためのシステムである。このシステムにおいては、まず、混合ガス供給口３１から供給された混合ガスが、第１圧縮手段１２により昇圧される。このときの第１圧縮手段１２からのガスの吐出圧力は、目的とする製品ガスの圧力より低くなるようにし、好ましくは実質的にガス分離膜の使用に必要最小限の圧力である。続いて、第１圧縮手段１２により昇圧された混合ガスは、混合ガス供給ライン２１によりガス分離装置１１に供給され、ガス分離装置１１に備えられたガス分離膜により、高濃度の低透過性ガスを含む未透過ガスと、高濃度の高透過性ガスを含む透過ガスとに分離される。ガス分離膜により得られた未透過ガスは、ガス分離装置１１の未透過ガス排出口から未透過ガス用ライン２３に排出され、第２圧縮手段１３に供給されてさらに昇圧される。第２圧縮手段１３により目的の高圧力まで昇圧された未透過ガスは、製品ガスとして回収されるか、またはそのまま使用される。一方、ガス分離膜により製造された透過ガスは、ガス分離装置１１の透過ガス排出口から透過ガス用ライン２２に排出され、そのまま廃棄されてもよいし、必要に応じて回収されてもよい。
The gas separation system of FIG. 1 is a system for obtaining a desired high-pressure unpermeated gas (product gas) from a mixed gas as a raw material. In this system, first, the mixed gas supplied from the mixed
本発明においては、第１圧縮手段と第２圧縮手段の２段階でガスを昇圧し、第２圧縮手段の吐出圧力が第１圧縮手段の吐出圧力より高いことを特徴とする。第１圧縮手段においては、実質的にガス分離に必要な圧力までの昇圧に抑え、第２圧縮手段において、ガス分離後に得られた未透過ガスのみを目的の高圧力まで昇圧する。これにより、廃棄されるか高圧である必要がない透過ガス分の昇圧に必要なエネルギーを抑えることができる。したがって、１段階のみでガスを昇圧するシステム、すなわち、混合ガスをガス分離膜に供給する前においてのみ昇圧するシステムに比べて、システム全体における消費エネルギーを抑えることができる。 In the present invention, the pressure of the gas is increased in two stages of the first compression means and the second compression means, and the discharge pressure of the second compression means is higher than the discharge pressure of the first compression means. In the first compression means, the pressure is increased to substantially the pressure required for gas separation, and in the second compression means, only the unpermeated gas obtained after the gas separation is increased to the target high pressure. As a result, the energy required for boosting the amount of permeate gas that does not need to be discarded or high pressure can be suppressed. Therefore, energy consumption in the entire system can be suppressed as compared with a system that boosts the gas in only one stage, that is, a system that boosts the gas only before supplying the mixed gas to the gas separation membrane.
本発明においては、第２圧縮手段のガスの吐出圧力が、第１圧縮手段の吐出圧力より高ければよいが、例えば、第２圧縮手段の吐出圧力が第１圧縮手段の吐出圧力の１．５〜１０倍であることが好ましい。 In the present invention, the gas discharge pressure of the second compression means may be higher than the discharge pressure of the first compression means. For example, the discharge pressure of the second compression means is 1.5 of the discharge pressure of the first compression means. It is preferable that it is 10 times.
第１圧縮手段の吐出圧力は、特に限定はされないが、例えば、０ＭＰａＧより大きく０．７ＭＰａＧ以下であることが好ましい。第２圧縮手段の吐出圧力は、用途に応じて調整できるが、例えば、０．５〜４ＭＰａＧであることが好ましい。圧縮手段から吐出されるガスの吐出圧力は、例えば、圧縮手段が設置されているライン上に制御弁を設けて調整することができ、圧縮手段が圧力制御機能も有している場合は該機能により調整することもできる。 Although the discharge pressure of a 1st compression means is not specifically limited, For example, it is preferable that it is larger than 0 MPaG and below 0.7 MPaG. Although the discharge pressure of a 2nd compression means can be adjusted according to a use, it is preferable that it is 0.5-4 MPaG, for example. The discharge pressure of the gas discharged from the compression means can be adjusted, for example, by providing a control valve on the line where the compression means is installed, and if the compression means also has a pressure control function, this function Can also be adjusted.
本発明のガス分離システムにおいては、上記未透過ガス用ライン上の第２圧縮手段より上流側（すなわち、未透過ガス用ライン上であって、ガス分離装置の未透過ガス排出口と第２圧縮手段との間）に、冷却手段を設けてもよい。この冷却手段により、ガス分離装置から排出された未透過ガスが第２圧縮手段に供給される前に冷却される。第２圧縮手段に供給する未透過ガスの温度が低いと、第２圧縮手段の所要動力が低下するため好ましい。冷却手段としては、例えば、チューブ式、プレート式、フィンチューブ式、またはプレートフィン式熱交換器を用いることができる。冷媒としては、例えば、冷却水、大気等を使用すればよい。冷却手段により、第２圧縮手段に供給する未透過ガスが、４０℃以下となることが好ましい。 In the gas separation system of the present invention, upstream of the second compression means on the non-permeate gas line (that is, on the non-permeate gas line, the non-permeate gas discharge port of the gas separator and the second compression). A cooling means may be provided between the means). By this cooling means, the unpermeated gas discharged from the gas separation device is cooled before being supplied to the second compression means. It is preferable that the temperature of the non-permeate gas supplied to the second compression means is low because the required power of the second compression means is reduced. As the cooling means, for example, a tube type, a plate type, a fin tube type, or a plate fin type heat exchanger can be used. As the refrigerant, for example, cooling water, air, or the like may be used. The non-permeated gas supplied to the second compression means by the cooling means is preferably 40 ° C. or lower.
本発明のガス分離システムにおいて、ガス分離装置から排出される未透過ガスは、乾燥していることが望ましい。具体的には、１気圧での露点が−４０℃以下であることが好ましい。未透過ガスが乾燥していることにより、第２圧縮手段における圧縮時に水分の凝縮が発生しなく（または発生しにくく）なる点が有利である。また、得られた高圧未透過ガスを利用する場合において、機器の故障などを防止できる点で有利である。 In the gas separation system of the present invention, it is desirable that the non-permeated gas discharged from the gas separation device is dry. Specifically, the dew point at 1 atmosphere is preferably −40 ° C. or lower. Since the impermeable gas is dry, it is advantageous in that condensation of moisture does not occur (or hardly occurs) during compression in the second compression means. Further, when the obtained high-pressure impermeable gas is used, it is advantageous in that failure of equipment can be prevented.
本発明のガス分離システムにおいて、上記未透過ガス用ラインは、第２圧縮手段が設けられた第１分岐と、圧縮手段が設けられていない第２分岐との２つの分岐を有していてもよい。分岐を有したガス分離システムの一例を図２に示す。図２のシステムにおいて、未透過ガス用ライン２３は、第２圧縮手段１３が設けられた第１分岐２４と、圧縮手段が設けられていない第２分岐２５の２つのラインに分岐する。このシステムにより、第１分岐２４に排出された未透過ガスは、第２圧縮手段１３により昇圧されて高圧の未透過ガスとして回収またはそのまま使用される。一方、第２分岐２５に排出された未透過ガスはガス分離膜から排出された圧力以下の状態で得られる。これにより、消費エネルギーを抑えながら、２種類の圧力の未透過ガスを同時に得ることができる。
In the gas separation system of the present invention, the non-permeate gas line may have two branches, a first branch provided with the second compression means and a second branch provided with no compression means. Good. An example of a gas separation system having a branch is shown in FIG. In the system of FIG. 2, the
本発明のガス分離システムにおいて、さらに第２圧縮手段の下流側（第２圧縮手段により昇圧された未透過ガスが得られる側）に圧力測定手段を設けてもよい。圧力測定手段により測定した圧力の結果に基づいて、ガス分離膜の透過ガスが透過する側（透過側）の圧力および／またはガス分離膜により得られる未透過ガスの流量を制御することもできる。圧力測定手段と未透過ガスの流量を制御する制御弁とを有するガス分離システムの一例を図３に示す。図３のガス分離システムにおいて、未透過ガス用ライン２３上には、上流から下流に向けて、制御弁３２、第２圧縮手段１３、圧力測定手段３３が順に設けられている。このシステムにおいては、第２圧縮手段１３で昇圧された未透過ガスの圧力を圧力測定手段３３で測定し、その結果に基づいてガス分離膜により得られた未透過ガスの流量を制御弁３２で調整することができる。
In the gas separation system of the present invention, pressure measuring means may be further provided on the downstream side of the second compression means (the side on which the non-permeated gas boosted by the second compression means is obtained). Based on the result of the pressure measured by the pressure measuring means, the pressure on the side (permeation side) through which the permeated gas permeates the gas separation membrane and / or the flow rate of the non-permeated gas obtained by the gas separation membrane can be controlled. An example of a gas separation system having a pressure measuring means and a control valve for controlling the flow rate of the non-permeated gas is shown in FIG. In the gas separation system of FIG. 3, a
また、上記システムにおいては、透過ガス用ライン上に減圧手段を設けて、ガス分離膜の透過側の圧力を大気圧以下に保持してもよい。ガス分離膜により混合ガスを分離する場合、ガス分離膜の供給側と透過側との圧力差が大きいほど処理量が向上するが、透過側を減圧にすることにより、ガス分離膜に供給するガスの昇圧の程度を低く抑えることができる（供給ガスを昇圧しない場合も含む）。したがって、システム全体のエネルギー消費をより抑えることが可能になる場合がある。なお、実質的に供給ガスの圧力を増加させない場合においても、ブロワー等の送風手段を設けてもよい。 In the above system, pressure reducing means may be provided on the permeate gas line to keep the pressure on the permeate side of the gas separation membrane below atmospheric pressure. When the mixed gas is separated by the gas separation membrane, the larger the pressure difference between the supply side and the permeation side of the gas separation membrane, the better the throughput, but the gas supplied to the gas separation membrane by reducing the pressure on the permeation side Can be kept low (including the case where the supply gas is not boosted). Therefore, it may be possible to further reduce the energy consumption of the entire system. Even when the pressure of the supply gas is not substantially increased, a blower such as a blower may be provided.
ガス分離装置を構成するガス分離膜は、供給される混合ガスや目的ガスの種類に応じて適宜選択できる。ガス分離膜は、特に限定されないが、シリコーン樹脂、ポリブタジエン樹脂などのゴム状ポリマー材料、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリカーボネート、セルロースなどのガラス状ポリマー材料、又は、ゼオライトなどのセラミックス材料によって好適に製造される。また、ガス分離膜は、均質膜、均質層と多孔層とからなる非対称膜、微多孔質膜などいずれであってもよい。容器内の収納形態も、プレートアンドフレーム型、スパイラル型、中空糸型などいずれであっても構わない。尚、本発明においては、均質層の厚さが１０〜２００ｎｍ及び多孔質層の厚さが２０〜２００μｍの非対称構造を持ち内径が３０〜５００μｍ程度の芳香族ポリイミドからなる中空糸ガス分離膜が、特に好適に用いられる。 The gas separation membrane constituting the gas separation device can be appropriately selected according to the type of the supplied mixed gas or target gas. The gas separation membrane is not particularly limited, but is a rubbery polymer material such as silicone resin or polybutadiene resin, a glassy polymer material such as polyimide, polyetherimide, polyamide, polyamideimide, polysulfone, polycarbonate, cellulose, or zeolite. It is preferably manufactured from a ceramic material. The gas separation membrane may be any of a homogeneous membrane, an asymmetric membrane comprising a homogeneous layer and a porous layer, and a microporous membrane. The storage form in the container may be any of a plate-and-frame type, a spiral type, and a hollow fiber type. In the present invention, there is provided a hollow fiber gas separation membrane made of an aromatic polyimide having an asymmetric structure with a homogeneous layer thickness of 10 to 200 nm and a porous layer thickness of 20 to 200 μm and an inner diameter of about 30 to 500 μm. Are particularly preferably used.
本発明において、ガス分離膜は、少なくとも、混合ガス供給口、透過ガス排出口、及び、未透過ガス排出口を備えた容器内に、ガス分離膜の透過側と未透過側とが隔絶するように配置されて、ガス分離膜モジュールを形成していることが好ましい。本発明に用いるガス分離膜モジュールが中空糸膜によって構成される場合には、通常中空糸膜の多数本（例えば、数百本から数十万本）を集束して中空糸束とし、その中空糸束の少なくとも一方の端部をエポキシ樹脂のような硬化性樹脂やポリアミド樹脂のような熱可塑性樹脂などで前記端部において中空糸膜が開口状態となるように固着（樹脂固着部を管板という。）して中空糸分離膜エレメントを構成し、更に、単数個又は複数個の前記中空糸分離膜エレメントを、少なくとも混合ガス供給口、透過ガス排出口、及び、未透過ガス排出口を有する容器内に、中空糸の内側へ通じる空間と中空糸の外側へ通じる空間が隔絶するように装着されて構成されている。容器はステンレスなどの金属材料、プラスチック材料、繊維強化プラスチック材料などの複合材料で製造される。本発明に用いるガス分離装置においては、上記ガス分離膜モジュールが単数本または複数本備えられていてもよい。中空糸束の形態としては、平行配列、交叉配列、織物状、スパイラル状などが挙げられる。また中空糸束は略中心部に芯管を備えていてもよいし、中空糸束の外周部にフィルムが巻き付けられていてもよい。また、中空糸束は、円柱状、平板状、角柱状等の形態としてもよい。また、中空糸束は、ストレートの形態に限らず、Ｕ字状に折り曲げた形態、スパイラル状に巻かれた形態などであってもよい。 In the present invention, the gas separation membrane is separated from the permeation side and the non-permeation side of the gas separation membrane in a container having at least a mixed gas supply port, a permeate gas discharge port, and a non-permeate gas discharge port. It is preferable that the gas separation membrane module is formed. When the gas separation membrane module used in the present invention is constituted by a hollow fiber membrane, usually a number of hollow fiber membranes (for example, hundreds to hundreds of thousands) are converged to form a hollow fiber bundle, and the hollow At least one end of the yarn bundle is fixed with a curable resin such as epoxy resin or a thermoplastic resin such as polyamide resin so that the hollow fiber membrane is open at the end (the resin fixing portion is a tube plate) To form a hollow fiber separation membrane element, and further, the single or plural hollow fiber separation membrane elements have at least a mixed gas supply port, a permeate gas discharge port, and a non-permeate gas discharge port. In the container, the space leading to the inside of the hollow fiber and the space leading to the outside of the hollow fiber are mounted so as to be isolated. The container is made of a composite material such as a metal material such as stainless steel, a plastic material, or a fiber reinforced plastic material. In the gas separation apparatus used in the present invention, one or a plurality of the gas separation membrane modules may be provided. Examples of the form of the hollow fiber bundle include a parallel arrangement, a cross arrangement, a woven form, and a spiral form. Moreover, the hollow fiber bundle may be provided with a core tube at a substantially central portion, or a film may be wound around the outer peripheral portion of the hollow fiber bundle. Further, the hollow fiber bundle may have a cylindrical shape, a flat plate shape, a prismatic shape, or the like. Further, the hollow fiber bundle is not limited to a straight form, and may be a form bent in a U shape, a form wound in a spiral form, or the like.
本発明のガス分離システムを用いて分離する混合ガスは、２種以上のガス混合物であれば特に制限されるものではない。例えば、本発明のガス分離システムは、空気等の窒素を含むガスからの窒素富化ガスの回収、空気からの乾燥空気の製造、炭化水素ガスを含む混合ガスからの炭化水素の濃縮・回収（例えばメタンガスと二酸化炭素ガスを主に含むバイオガスからのメタンガスの分離・回収）等に好適に使用することができる。 The mixed gas separated using the gas separation system of the present invention is not particularly limited as long as it is a mixture of two or more gases. For example, the gas separation system of the present invention can recover nitrogen-enriched gas from nitrogen-containing gas such as air, produce dry air from air, and concentrate and recover hydrocarbons from mixed gas containing hydrocarbon gas ( For example, it can be suitably used for separation and recovery of methane gas from biogas mainly containing methane gas and carbon dioxide gas.
本発明のガス分離システムにより、例えば空気から高圧窒素富化ガスを製造した場合、この高圧窒素富化ガスは、自動車のエアーサスペンション、ガスインジェクション成形機、レーザー切断機等に使用することができる。 For example, when a high-pressure nitrogen-enriched gas is produced from air by the gas separation system of the present invention, this high-pressure nitrogen-enriched gas can be used for an air suspension, a gas injection molding machine, a laser cutting machine, or the like of an automobile.
以下、本発明を実施例に基づき、さらに詳細に説明する。但し、本発明は下記実施例により制限されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the present invention is not limited by the following examples.
＜実施例１＞
図１の構成を有するシステムを用いて、空気を原料の混合ガスとし、窒素濃度が９９モル％（酸素濃度が１モル％）、圧力が２．４ＭＰａＧの高圧窒素富化ガスを得ることを目的とした。原料の混合ガス（空気）を第１圧縮機により昇圧して、ガス分離膜を備えたガス分離装置（宇部興産株式会社製、ＮＭ−７１０）に供給し、ガス分離膜により透過ガス（酸素富化ガス）と未透過ガス（窒素富化ガス）とに分離した。得られた未透過ガスを第２圧縮機により昇圧して目的の高圧窒素富化ガス（製品ガス）を回収した。このシステムにおいて、図１のＡ、Ｂ、Ｃの３つの時点におけるガス（それぞれガスＡ、ガスＢ、ガスＣとする。）のガス流量、圧力、および酸素濃度を、表１で示したとおりになるように設定した。ガスＡは、第１圧縮機に供給する前の混合ガス（空気）である。ガスＢは、ガス分離装置から排出され、第２圧縮機に供給される前の未透過ガス（窒素富化ガス）である。ガスＣは、上記未透過ガス（ガスＢ）が第２圧縮機により昇圧された目的の高圧窒素富化ガス（製品ガス）である。
<Example 1>
An object is to obtain a high-pressure nitrogen-enriched gas having a nitrogen concentration of 99 mol% (oxygen concentration of 1 mol%) and a pressure of 2.4 MPaG using the system having the configuration of FIG. It was. The mixed gas (air) of the raw material is pressurized by the first compressor and supplied to a gas separation device (manufactured by Ube Industries, NM-710) equipped with a gas separation membrane. Gas) and non-permeate gas (nitrogen-enriched gas). The obtained non-permeated gas was pressurized with a second compressor to recover the target high-pressure nitrogen-enriched gas (product gas). In this system, the gas flow rate, pressure, and oxygen concentration of the gas (referred to as gas A, gas B, and gas C, respectively) at three points A, B, and C in FIG. Was set to be. Gas A is a mixed gas (air) before being supplied to the first compressor. Gas B is an unpermeated gas (nitrogen-enriched gas) before being discharged from the gas separator and supplied to the second compressor. The gas C is a target high-pressure nitrogen-enriched gas (product gas) obtained by increasing the pressure of the unpermeated gas (gas B) by the second compressor.
第１圧縮機および第２圧縮機それぞれの所要動力の合計から、製品ガス量１Ｎｍ３あたりに必要な動力を算出した。結果を表１に示す。 From the total required power of each of the first compressor and the second compressor, the power required per product gas amount of 1 Nm 3 was calculated. The results are shown in Table 1.
＜実施例２＞
圧縮機およびガス分離膜の運転条件を表２に示したとおりに変えた以外は、実施例１と同様の方法により高圧窒素富化ガスを製造した。結果を表２に示す。
<Example 2>
A high-pressure nitrogen-enriched gas was produced in the same manner as in Example 1 except that the operating conditions of the compressor and gas separation membrane were changed as shown in Table 2. The results are shown in Table 2.
＜比較例１＞
図４の構成を有するシステムを用いて、空気を原料の混合ガスとし、窒素濃度が９９モル％（酸素濃度が１モル％）、圧力が２．４ＭＰａＧの高圧窒素富化ガスを得ることを目的とした。図４に示したように、比較例１においては、第２圧縮機を有さず、１台の圧縮機のみを有するシステムを用いた。原料の混合ガス（空気）を圧縮機により昇圧してガス分離膜を備えたガス分離装置に供給し、ガス分離膜により透過ガス（酸素富化ガス）と未透過ガス（窒素富化ガス）とに分離し、ガス分離装置により得られた未透過ガスをそのまま目的の製品ガスとした。このシステムにおいて、図４のＡ、Ｂの２つの時点におけるガス（それぞれガスＡ、ガスＢとする。）のガス流量、圧力、および酸素濃度を、表３で示したとおりになるように設定した。ガスＡは、圧縮機に供給する前の原料の混合ガス（空気）である。ガスＢは、ガス分離装置により得られた目的の高圧窒素富化ガス（製品ガス）である。圧縮機の所要動力から、ガス量１Ｎｍ３あたりの昇圧に必要な動力を算出した。結果を表３に示す。
<Comparative Example 1>
An object is to obtain a high-pressure nitrogen-enriched gas having a nitrogen concentration of 99 mol% (oxygen concentration of 1 mol%) and a pressure of 2.4 MPaG using air as a raw material mixed gas using the system having the configuration of FIG. It was. As shown in FIG. 4, in the comparative example 1, the system which does not have a 2nd compressor but has only one compressor was used. The mixed gas (air) of the raw material is pressurized by a compressor and supplied to a gas separation device equipped with a gas separation membrane, and the permeated gas (oxygen-enriched gas) and the unpermeated gas (nitrogen-enriched gas) The non-permeated gas obtained by the gas separation apparatus was directly used as the target product gas. In this system, the gas flow rate, pressure, and oxygen concentration of the gas (referred to as gas A and gas B, respectively) at two time points A and B in FIG. 4 were set as shown in Table 3. . Gas A is a raw material mixed gas (air) before being supplied to the compressor. Gas B is the target high-pressure nitrogen-enriched gas (product gas) obtained by the gas separator. From the required power of the compressor, the power required for pressure increase per gas amount of 1 Nm 3 was calculated. The results are shown in Table 3.
＜実施例３＞
窒素濃度が９５モル％（酸素濃度が５モル％）、圧力が２．４ＭＰａＧの高圧窒素富化ガスを得ることを目的とし、運転条件を表４に示したとおりに変えた以外は、実施例１と同様の方法により高圧窒素富化ガスを製造した。結果を表４に示す。
<Example 3>
Examples except that the operating conditions were changed as shown in Table 4 with the aim of obtaining a high-pressure nitrogen-enriched gas having a nitrogen concentration of 95 mol% (oxygen concentration of 5 mol%) and a pressure of 2.4 MPaG. 1 was used to produce a high-pressure nitrogen-enriched gas. The results are shown in Table 4.
＜実施例４＞
運転条件を表５に示したとおりに変えた以外は、実施例３と同様の方法により高圧窒素富化ガスを製造した。結果を表５に示す。
<Example 4>
A high-pressure nitrogen-enriched gas was produced in the same manner as in Example 3 except that the operating conditions were changed as shown in Table 5. The results are shown in Table 5.
＜比較例２＞
窒素濃度が９５モル％（酸素濃度が５モル％）、圧力が２．４ＭＰａＧの高圧窒素富化ガスを得ることを目的とし、運転条件を表６に示したとおりに変えた以外は、比較例１と同様の方法により高圧窒素富化ガスを製造した。結果を表６に示す。
<Comparative example 2>
Comparative example except that the operating conditions were changed as shown in Table 6 for the purpose of obtaining a high-pressure nitrogen-enriched gas having a nitrogen concentration of 95 mol% (oxygen concentration of 5 mol%) and a pressure of 2.4 MPaG. 1 was used to produce a high-pressure nitrogen-enriched gas. The results are shown in Table 6.
１１ ガス分離装置
１２ 第１圧縮手段
１３ 第２圧縮手段
１４ 圧縮手段
２１ 混合ガス供給ライン
２２ 透過ガス用ライン
２３ 未透過ガス用ライン
２４ 第１分岐
２５ 第２分岐
３１ 混合ガス供給口
３２ 制御弁
３３ 圧力測定手段
DESCRIPTION OF
Claims (13)
混合ガスを昇圧する第１圧縮手段と、
前記第１圧縮手段により昇圧された混合ガスを、透過ガスと未透過ガスとに分離するガス分離膜と、
前記ガス分離膜により得られた未透過ガスのみを昇圧する第２圧縮手段と、
を備え、第１圧縮手段の吐出圧力は、ガス分離膜の使用に必要な圧力であり、製品ガスの圧力より低く、第２圧縮手段の吐出圧力が、第１圧縮手段の吐出圧力より高く、かつ、さらにガス分離を行うことなく、第２圧縮手段から製品ガスとして吐出することを特徴とする、ガス分離システム。 A gas separation system for concentrating a low-permeability gas that is difficult to permeate a gas separation membrane from a mixed gas,
First compression means for increasing the pressure of the mixed gas;
A gas separation membrane that separates the mixed gas pressurized by the first compression means into a permeate gas and a non-permeate gas;
Second compression means for boosting the retentate gas Sunomi obtained by the gas separation membrane,
The discharge pressure of the first compression means is a pressure necessary for using the gas separation membrane, is lower than the pressure of the product gas, the discharge pressure of the second compression means is higher than the discharge pressure of the first compression means, And it discharges as product gas from the 2nd compression means, without performing further gas separation, The gas separation system characterized by the above-mentioned.
第１分岐に排出された未透過ガスは前記第２圧縮手段により昇圧され、
第２分岐に排出された未透過ガスはガス分離膜から排出された圧力以下の状態で得られることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス分離システム。 The non-permeate gas line from which the non-permeate gas is discharged has two branches, a first branch provided with a second compression means and a second branch provided with no compression means,
The unpermeated gas discharged to the first branch is boosted by the second compression means,
The gas separation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the non-permeated gas discharged to the second branch is obtained in a state equal to or lower than the pressure discharged from the gas separation membrane.
前記第１圧縮手段により昇圧された混合ガスを、ガス分離膜により透過ガスと未透過ガスとに分離する工程と、
ガス分離膜により得られた未透過ガスのみを第２圧縮手段により昇圧する工程とを含み、
第１圧縮手段の吐出圧力は、ガス分離膜の使用に必要な圧力であり、製品ガスの圧力より低く、第２圧縮手段の吐出圧力が第１圧縮手段の吐出圧力より高く、かつ、さらにガス分離を行うことなく、第２圧縮手段から製品ガスとして吐出することを特徴とする、混合ガスから未透過ガスを濃縮・回収する方法。 Increasing the pressure of the mixed gas by the first compression means;
Separating the mixed gas pressurized by the first compression means into a permeated gas and an unpermeated gas by a gas separation membrane;
The retentate gas Sunomi obtained by the gas separation membrane and the step of boosting the second compression means,
The discharge pressure of the first compression means is a pressure necessary for using the gas separation membrane, is lower than the pressure of the product gas, the discharge pressure of the second compression means is higher than the discharge pressure of the first compression means, and further gas A method for concentrating and recovering an unpermeated gas from a mixed gas, wherein the product gas is discharged as a product gas from the second compression means without separation.
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