特許 6472195 ガス製造方法及び製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6472195

(24)【登録日】2019年2月1日

(45)【発行日】2019年2月20日

(54)【発明の名称】ガス製造方法及び製造装置

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/22 20060101AFI20190207BHJP

   C07C 7/144 20060101ALI20190207BHJP

   C07C 9/04 20060101ALI20190207BHJP

   C01B 3/56 20060101ALN20190207BHJP

【ＦＩ】

   B01D53/22

   C07C7/144

   C07C9/04

   !C01B3/56 Z

【請求項の数】5

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2014-186145(P2014-186145)

(22)【出願日】2014年9月12日

(65)【公開番号】特開2016-55276(P2016-55276A)

(43)【公開日】2016年4月21日

【審査請求日】2017年7月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】591036572

【氏名又は名称】レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード

(74)【代理人】

【識別番号】100090398

【弁理士】

【氏名又は名称】大渕 美千栄

(74)【代理人】

【識別番号】100090387

【弁理士】

【氏名又は名称】布施 行夫

(72)【発明者】

【氏名】君岡 大輔

(72)【発明者】

【氏名】山下 直彦

【審査官】 河野 隆一朗

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００９−５２８１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１６１７８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０６１４１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０３３２２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｄ ５３／２２

Ｂ０１Ｄ ６１／００ − ７１／８２

Ｃ０２Ｆ １／４４

Ｃ０１Ｂ ３／００ − ６／３４

Ｃ０７Ｂ ３１／００ − ６１／００

Ｃ０７Ｂ ６３／００ − ６３／０４

Ｃ０７Ｃ １／００ − ４０９／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

選択的透過性を有するガス分離膜に対して、透過性の異なる複数のガス成分を含むガス混合物を原料ガスとして第１流路を通じて供給し、該ガス分離膜によって、第２流路から回収される、前記原料ガスに比較して難透過性ガス成分に富んだ残留ガスと、第３流路から回収される、前記原料ガスに比較して易透過性ガス成分に富んだ透過ガスと、に分離し、前記透過ガス及び前記残留ガスの少なくとも一方を製品ガスとして製造する方法であって、
前記原料ガス中の易透過ガス成分の少なくとも１種のガス成分につき、前記透過ガス中の該成分の純度及び回収率を確保しつつ、前記原料ガス中の該成分の濃度Ｘ１を測定し、前記第２流路（残留ガス）の圧力を調節することにより、
前記測定された濃度Ｘ１に基づいて前記原料ガスの流量と前記残留ガスの流量との比Ｋａ（ここで、Ｋａは、「原料ガスの流量／残留ガスの流量」である。）を変化させる、
ことを特徴とする、ガス製造方法。

【請求項2】

請求項１において、
前記比Ｋａを、
前記濃度Ｘ１が閾値よりも小さい場合には、下記式（１）
Ｋａ＝ａ１＊（Ｘ１）^２＋ｂ１＊Ｘ１＋ｃ１ ・・・（１）
前記濃度Ｘ１が閾値以上である場合には、下記式（２）
Ｋａ＝ｄ１ ・・・（２）
［式（１）、式（２）中、ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１は用いる装置系に依存する定数を表す。］
に従って変化させる、ガス製造方法。

【請求項3】

請求項１又は請求項２において、
前記易透過性ガス成分は、水素である、ガス製造方法。

【請求項4】

複数の成分を含有する原料ガスに対して、選択的透過性を有するガス分離膜によって、
前記原料ガスに比較して、易透過性ガス成分に富んだ透過ガスと難透過性ガス成分に富んだ残留ガスとに分離し、前記透過ガス及び前記残留ガスの少なくとも一方を製品ガスとして製造する、ガス製造装置であって、
前記ガス分離膜と、
前記ガス分離膜に対して、前記原料ガスを供給する第１流路と、
前記ガス分離膜の難透過性ガス成分に富んだ残留ガスを回収する第２流路と、
前記ガス分離膜の易透過性ガス成分に富んだ透過ガスを回収する第３流路と、
前記第１流路に設けられた、前記原料ガスの流量を測定する第１流量測定部と、
制御部と、
を有し、
更に、前記第１流路に設けられた、前記原料ガス中の易透過ガス成分の少なくとも１種のガス成分につき、前記透過ガス中の該成分の純度及び回収率を確保しつつ、前記原料ガス中の該成分の濃度Ｘ１を測定する第１濃度測定部と、
前記第２流路に設けられた、前記残留ガスの流量を測定する第２流量測定部と、
前記第２流路に設けられた第１圧力調整部と、
を有し、
前記制御部は、前記第１濃度測定部によって測定された前記濃度Ｘ１に基づいて、前記第１流量測定部による前記原料ガスの流量及び前記第２流量測定部による前記残留ガスの流量の比Ｋａ（前記原料ガスの流量／前記残留ガスの流量）が、
前記濃度Ｘ１が閾値よりも小さい場合には、下記式（１）
Ｋａ＝ａ１＊（Ｘ１）^２＋ｂ１＊Ｘ１＋ｃ１ ・・・（１）
前記濃度Ｘ１が閾値以上である場合には、下記式（２）
Ｋａ＝ｄ１ ・・・（２）
［式（１）、式（２）中、ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１は用いる装置系に依存する定数を表す。］
を満足するように前記第１圧力調整部により前記第２流路の圧力を制御する、
ことを特徴とする、ガス製造装置。

【請求項5】

請求項４において、
前記易透過性ガス成分は、水素である、ガス製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス分離膜を用いたガス製造方法に関し、具体的には、選択的透過性を有するガス分離膜を用い、複数のガス成分を含む混合ガスから特定のガス成分を分離回収するガス製造方法およびガス製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から半導体製造工場あるいは各種の化学プロセス工場などにおいては、種々の製造工程における原料ガスあるいは処理ガスとして、所定量の純度の高いガスが必要とされている。係るガスは、入手が容易で低コストの原料ガスから、分離等の技術を用いて連続的に製造して使用することが行われている。その幾つかの例として、空気から富化酸素ガス及び富化窒素ガスのいずれかあるいは両方を得る場合、ナフサ分解ガスから水素（Ｈ_２）を分離濃縮する場合、有機物蒸気を含むガス混合物から有機物蒸気を分離回収する場合、並びに、水性ガスからＨ_２を分離する場合などがある。

【0003】

このようなガスの製造工程においては、使用する装置を小型で簡便に構成できることから、選択的透過性を有するガス分離膜に透過性の異なるガス混合物を原料ガスとして供給し、透過ガスと残留ガスに分離し、易透過性ガスに富んだ透過ガスを製品として取り出す方法が採られることが多い。例えば、特許文献１に開示されたガス製造装置は、図３に示すような構成を有している。図３に示すガス製造装置は、ガス分離膜を備えたガス製造装置であって、圧縮機１０２、乾燥器１０８、加熱器１０９、ガス分離膜１０１を備えたガス分離部１０３、残留側圧力調整弁１１０、冷却器１１３、透過側圧力調整弁１１１を備えた構成となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００−３３２２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

図３に示すような従来の構成のガス製造装置を用いる場合、減量操作（原料ガス流量を減量させること及び／又は製品ガス流量を減量させることを以下「減量操作」という。）において、例えば、ガス製造装置は図６に示す構成を用いて制御される。図６に示す構成では、原料ガスの流量を測定し、その測定値に基づいて、ガス分離膜の非透過側の圧力の最適値を算出して、係る計算結果に基づいた制御が行われる。これにより、原料ガスの流量が低下した場合においても製品ガスの純度等の所定の仕様が満たされるように運転が制御される。

【0006】

こうしたガス分離膜を用いたガス製造方法においては、その主要な性能に、製品ガスの純度と回収率があり、上記のような種々の用途においては、製品ガスの純度を一定条件とし回収率が高いことが望まれる。しかしながら、一般に、ガス分離膜の面積と圧力（一次圧力および二次圧力）などを一定として、原料ガスの流量が基準の値から減少した時、透過ガスの割合が増加し、残留ガスの割合は減少する。すなわち、残留ガスにおける透過率の低い成分（難透過性ガス）の回収率は減少し、その割合は増加する。一方、透過ガスにおける透過率の高い成分（易透過性ガス）の回収率は増加するが、その割合は減少する。このとき、特に、透過ガスが製品ガスである場合には製品ガスの純度が低下し、残留ガスが製品ガスである場合には回収率が低下するとの問題が知られている。この特性を避ける幾つかの減量方法が提案されている。

【0007】

典型的には、図２Ａに示す如く、ガス分離膜の最大処理量における値に対し透過ガス圧力を一定として、一次圧力を低下させる方法（方法ａ）、図２Ｂに示す如く、ガス分離膜の最大処理量における値に対し一次圧力を一定として、透過ガスの圧力を上げる方法（方法ｂ）が知られている。なお、このとき一次側圧力としては、図２Ａ、図２Ｂで示した如く、非透過側の圧力を計測する場合と、原料側の圧力を計測する場合がある。

【0008】

より具体的には、原料ガスの流量を、膜Ｓの一次側（非透過側）に設置された流量計ＦＩ−１にて測定し、測定された流量を、予定した原料ガスの流量と比較して、一次側（非透過側）の圧力（圧力調節計ＰＩＣ−１にて測定される。）を設定する。係る膜Ｓの一次側（非透過側）の圧力は、バルブＰＣＶ１の開度を、流量計ＦＩ−１及び圧力調節計ＰＩＣ−１の測定結果に基づいて制御することにより調整される。

【0009】

このような制御の一例として、定格流量（定常状態（設計した流量））においては膜Ｓの入口（一次側）の圧力は、１０１ｂａｒ（ａｂｓ）、残留ガスの流路Ｒ１の圧力は、約１００ｂａｒ（ａｂｓ）、透過ガスの流路Ｔ１の圧力は、２０ｂａｒ（ａｂｓ）であるが、原料ガスの流量が定格流量に比較して５０％である場合においては、膜Ｓの入口（一次側）の圧力は、７１ｂａｒ（ａｂｓ）、残留ガスの流路Ｒ１の圧力は、７０ｂａｒ（ａｂｓ）、透過ガスの流路Ｔ１の圧力は、２０ｂａｒ（ａｂｓ）となる。つまり、透過ガスの流路Ｔ１と残留ガスの流路Ｒ１の圧力差を小さくし、不純物が膜Ｓを透過するドライビングフォースを削減している。

【0010】

なお、単位「ＭＰａＧ」の「Ｇ」は、大気圧をゼロとした場合を意味し、「ＭＰａＧ」は、ゲージ圧を表す。なお、「（ａｂｓ）」は、真空をゼロとした場合を指し、「ｂａｒ（ａｂｓ）」と表記した場合には、絶対圧を表す。

【0011】

このような制御を用いると、原料ガスの流量が変動する場合においても、必要な製品ガスを確保しつつ、かつ、製品ガスの純度と回収率とを保つことが可能となっている。

【0012】

しかしながら、上記装置あるいは方法によっては、原料ガスの流量（Ｎｍ^３／ｈ）を基にした制御を行っているため、いくつかの課題が生じることがあった。

【0013】

原料ガス中の易透過成分（例えば水素）の濃度が、装置が予定している設計条件と大幅に異なる場合、例えば、装置が、原料ガス中の水素の濃度が８５％前後を想定しているとき、原料ガス中の水素の濃度が約７７％〜９２％の範囲で変動する場合において、上述のような制御を行うと、以下のような不具合を生じる可能性がある。

【0014】

（１）原料ガス中の透過成分の濃度が低い場合には、製品ガスにおける透過成分の濃度が低くなり、製品ガスの保証値を下回るという問題が生じる。

【0015】

（２）原料ガス中の透過成分の濃度が高い場合には、製品ガスにおける透過成分の濃度が高くなり過ぎるという問題と、さらにこの場合にはガス分離膜の非透過側で、透過成分以外の不純物（例えばアミン類）の濃縮が生じ、ガス分離膜にダメージを与える可能性がある。

【0016】

また、原料ガス中の難透過成分（例えばメタン）の濃度が、装置が予定している設計条件と大幅に異なる場合、例えば、装置が、原料ガス中のメタンの濃度が５６％前後を想定しているとき、原料ガス中のメタンの濃度が約４８％〜７６％の範囲で変動する場合において、上述のような制御を行うと、以下のような不具合を生じる可能性がある。

【0017】

（３）原料ガス中の難透過成分の濃度が低い場合には、製品ガスにおける難透過成分の濃度が低くなり、製品ガスの保証値を下回るという問題が生じる。

【0018】

（４）原料ガス中の難透過成分の濃度が高い場合には、製品ガスにおける難透過成分の濃度が高くなり過ぎるという問題と、さらにこの場合にはガス分離膜の透過側で、透過成分以外の不純物（例えばアンモニア）の濃縮が生じ、ガス分離膜にダメージを与える可能性がある。

【0019】

したがって、本発明のいくつかの態様に係る目的は、
（Ｉ）易透過ガス（主に水素ガス）が製品の場合
原料ガス中の易透過性ガス成分の濃度の変動が大きくても、製品ガス中の易透過性ガス成分の濃度を所定の値よりも高く保ち、かつ、ガス分離膜の非透過側における不純物の濃縮を抑制する、ガス製造方法及び製造装置を提供することにある。

【0020】

（ＩＩ）難透過性ガス成分（主にメタンガス）が製品の場合
原料ガス中の難透過性ガス成分の濃度の変動が大きくても、製品ガス中の難透過性ガス成分の濃度を所定の値よりも高く保ち、かつ、ガス分離膜の透過側における不純物の濃縮を抑制する、ガス製造方法及び製造装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0021】

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、以下に示すガス分離膜を用いたガス製造方法及びガス製造装置により上記課題の少なくとも一部を解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。すなわち、本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するために為されたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。

【0022】

本発明に係るガス製造方法の一態様は、
選択的透過性を有するガス分離膜に対して、透過性の異なる複数のガス成分を含むガス混合物を原料ガスとして第１流路を通じて供給し、該ガス分離膜によって、第２流路から回収される、前記原料ガスに比較して難透過性ガス成分に富んだ残留ガスと、第３流路から回収される、前記原料ガスに比較して易透過性ガス成分に富んだ透過ガスと、に分離し、前記透過ガス及び前記残留ガスの少なくとも一方を製品ガスとして製造する方法であって、
ａ）前記原料ガス中の易透過ガス成分の少なくとも１種のガス成分の濃度Ｘ１を測定し、前記第２流路（残留ガス）の圧力を調節することにより、
前記測定された濃度Ｘ１に基づいて前記原料ガスの流量と前記残留ガスの流量との比Ｋａ（ここで、Ｋａは、「原料ガスの流量／残留ガスの流量」である。）を変化させる、あるいは、
ｂ）前記原料ガス中の難透過ガス成分の少なくとも１種のガス成分の濃度Ｘ２を測定し、前記第３流路（透過ガス）の圧力を調節することにより、
前記測定された濃度Ｘ２に基づいて前記原料ガスの流量と前記透過ガスの流量との比Ｋｂ（ここで、Ｋｂは、「原料ガスの流量／透過ガスの流量」である。）を変化させる、
ことを特徴とする。

【0023】

また、本発明に係るガス製造方法の一態様は、
選択的透過性を有するガス分離膜に対して、透過性の異なる複数のガス成分を含むガス混合物を原料ガスとして第１流路を通じて供給し、該ガス分離膜によって、第２流路から回収される、前記原料ガスに比較して難透過性ガス成分に富んだ残留ガスと、第３流路から回収される、前記原料ガスに比較して易透過性ガス成分に富んだ透過ガスと、に分離し、前記透過ガス及び前記残留ガスの少なくとも一方を製品ガスとして製造する方法であっ
て、
（Ｉ）易透過性ガス成分が製品の場合
前記原料ガス中の易透過ガス成分の少なくとも１種のガス成分の濃度Ｘ１を測定し、前記測定された濃度Ｘ１に基づいて前記原料ガスの流量と前記残留ガスの流量との比Ｋａ（ここで、Ｋａは、「原料ガスの流量／残留ガスの流量」である。）を変化させることを特徴とする。

【0024】

また、本発明に係るガス製造方法において、
前記比Ｋａを、前記濃度Ｘ１が閾値よりも小さい場合には、下記式（１）
Ｋａ＝ａ１＊（Ｘ１）^２＋ｂ１＊Ｘ１＋ｃ１ ・・・（１）
前記濃度Ｘ１が閾値以上である場合には、下記式（２）
Ｋａ＝ｄ１ ・・・（２）
［式（１）、式（２）中、ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１は用いる装置系に依存する定数を表す。］
に従って変化させてもよい。

【0025】

（ＩＩ）難透過性ガス成分が製品の場合
前記原料ガス中の難透過ガス成分の少なくとも１種のガス成分の濃度Ｘ２を測定し、前記測定された濃度Ｘ２に基づいて前期原料ガスの流量と前記透過ガスの流量との比Ｋｂ（ここで、Ｋｂは、「原料ガスの流量／透過ガスの流量」である。）を変化させることを特徴とする。

【0026】

また、本発明に係るガス製造方法において、
前記比Ｋｂを、前記濃度Ｘ２が閾値よりも小さい場合には、下記式（３）
Ｋｂ＝ａ２＊（Ｘ２）^２＋ｂ２＊Ｘ２＋ｃ２ ・・・（３）
前記濃度Ｘ２が閾値以上である場合には、下記式（４）
Ｋｂ＝ｄ２ ・・・（４）
［式（３）、式（４）中、ａ２、ｂ２、ｃ２、ｄ２は用いる装置系に依存する定数を表す。］
に従って変化させてもよい。

【0027】

ここで、難透過性成分ｉに注目するとマテリアルバランスから、以下の式が導出される。下記式中、Ｘｆｉ、Ｘｒｉ、Ｘｐｉは、それぞれ原料ガス中の難透過成分の濃度、残留ガス中の難透過成分の濃度、製品ガス中の難透過成分の濃度を表し、Ｑｆ、Ｑｒ、Ｑｐは、それぞれ原料ガスの流量、残留ガスの流量、製品ガスの流量を表す。

【0028】

Ｘｆｉ＊Ｑｆ＝Ｘｒｉ＊Ｑｒ＋Ｘｐｉ＊Ｑｐ
Ｘｐｉ＊Ｑｐ＞０なので
Ｘｆｉ＊Ｑｆ＞Ｘｒｉ＊Ｑｒ
そのため、
Ｘｒｉ／Ｘｆｉ＜Ｑｆ／Ｑｒ
（特に、難透過成分ｉの透過率が極端に小さい極限を考えるとＸｐｉは０と考えることができるため、Ｘｐｉ＊Ｑｐは０となり、Ｘｒｉ／Ｘｆｉ＝Ｑｆ／Ｑｒとなる。）
また、ここで、Ｘｒｉ／Ｘｆｉは、難透過成分ｉの濃縮倍率に相当する。つまり流量比Ｋ＝Ｑｆ／Ｑｒをある値以下にすれば、難透過成分の濃縮倍率をそれ以下に保てることとなる。

【0029】

本発明に係るガス製造方法において、
前記閾値は、前記残留ガス中の前記難透過性ガス成分の濃度、又は、前記透過ガス中の前記易透過性ガス成分の濃度によって決定されてもよい。

【0030】

本発明に係るガス製造方法において、
前記易透過性ガス成分は、水素であってもよい。

【0031】

本発明に係るガス製造方法において、
前記難透過性ガス成分は、メタンであってもよい。

【0032】

本発明に係るガス製造装置の一態様は、
複数の成分を含有する原料ガスに対して、選択的透過性を有するガス分離膜によって、前記原料ガスに比較して、易透過性ガス成分に富んだ透過ガスと難透過性ガス成分に富んだ残留ガスとに分離し、前記透過ガス及び前記残留ガスの少なくとも一方を製品ガスとして製造する、ガス製造装置であって、
前記ガス分離膜と、
前記ガス分離膜に対して、前記原料ガスを供給する第１流路と、
前記ガス分離膜の難透過性ガス成分に富んだ残留ガスを回収する第２流路と、
前記ガス分離膜の易透過性ガス成分に富んだ透過ガスを回収する第３流路と、
前記第１流路に設けられた、前記原料ガスの流量を測定する第１流量測定部と、
制御部と、
を有し、
ａ）更に、前記第１流路に設けられた、前記原料ガス中の易透過ガス成分の少なくとも１種のガス成分の濃度Ｘ１を測定する第１濃度測定部と、
前記第２流路に設けられた、前記残留ガスの流量を測定する第２流量測定部と、
前記第２流路に設けられた第１圧力調整部と、
を有し、
前記制御部は、前記第１濃度測定部によって測定された前記濃度Ｘ１に基づいて、前記第１流量測定部による前記原料ガスの流量及び前記第２流量測定部による前記残留ガスの流量の比Ｋａ（前記原料ガスの流量／前記残留ガスの流量）が、
前記濃度Ｘ１が閾値よりも小さい場合には、下記式（１）
Ｋａ＝ａ１＊（Ｘ１）^２＋ｂ１＊Ｘ１＋ｃ１ ・・・（１）
前記濃度Ｘ１が閾値以上である場合には、下記式（２）
Ｋａ＝ｄ１ ・・・（２）
［式（１）、式（２）中、ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１は用いる装置系に依存する定数を表す。］
を満足するように前記第１圧力調整部により前記第２流路の圧力を制御する、
あるいは、
ｂ）更に、前記第１流路に設けられた、前記原料ガス中の難透過ガス成分の少なくとも１種のガス成分の濃度Ｘ２を測定する第２濃度測定部と、
前記第３流路に設けられた、前記透過ガスの流量を測定する第３流量測定部と、
前記第３流路に設けられた第２圧力調整部と、
を有し、
前記制御部は、前記第２濃度測定部によって測定された前記濃度Ｘ２に基づいて、前記第１流量測定部による前記原料ガスの流量及び前記第３流量測定部による前記透過ガスの流量の比Ｋｂ（前記原料ガスの流量／前記透過ガスの流量）が、
前記濃度Ｘ２が閾値よりも小さい場合には、下記式（３）
Ｋｂ＝ａ２＊（Ｘ２）^２＋ｂ２＊Ｘ２＋ｃ２ ・・・（３）
前記濃度Ｘ２が閾値以上である場合には、下記式（４）
Ｋｂ＝ｄ２ ・・・（４）
［式（３）、式（４）中、ａ２、ｂ２、ｃ２、ｄ２は用いる装置系に依存する定数を表す。］
を満足するように前記第２圧力調整部により前記第３流路の圧力を制御する、
ことを特徴とする。

【0033】

また、本発明に係るガス製造装置の一態様は、選択的透過性を有するガス分離膜によって、易透過性ガス成分に富んだ透過ガスと難透過性ガス成分に富んだ残留ガスとに分離し、前記透過ガス及び前記残留ガスの少なくとも一方を製品ガスとして製造する、ガス製造装置であって、
（Ｉ）易透過性ガス成分が製品の場合
前記ガス分離膜と、前記ガス分離膜に対して、透過性の異なる複数のガス成分を含むガス混合物を原料ガスとして供給する第１流路と、前記第１流路に設けられた、前記原料ガス中の易透過ガス成分の少なくとも１種のガス成分の濃度Ｘ１を測定する測定部と、前記ガス分離膜の難透過性ガス成分に富んだ残留ガスを回収する第２流路と、前記ガス分離膜の易透過性ガス成分に富んだ透過ガスを回収する第３流路と、制御部と、を有し、
前記制御部は、前記測定部によって測定された前記濃度Ｘ１に基づいて、前記第１流路の前記原料ガスの流量及び前記第２流路の前記残留ガスの流量の比Ｋａ（前記原料ガスの流量／前記残留ガスの流量）を、
前記濃度Ｘ１が閾値より小さい場合には、下記式（１）
Ｋａ＝ａ１＊（Ｘ１）^２＋ｂ１＊Ｘ１＋ｃ１ ・・・（１）
前記濃度Ｘ１が閾値以上である場合には、下記式（２）
Ｋａ＝ｄ１ ・・・（２）
［式（１）、式（２）中、ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１は用いる装置系に依存する定数を表す。］
に従って変化させる。

【0034】

（ＩＩ）難透過性ガス成分が製品の場合
前記ガス分離膜と、前記ガス分離膜に対して、透過性の異なる複数のガス成分を含むガス混合物を原料ガスとして供給する第１流路と、前記第１流路に設けられた、前記原料ガス中の難透過ガス成分の少なくとも１種のガス成分の濃度Ｘ２を測定する測定部と、前記ガス分離膜の難透過性ガス成分に富んだ残留ガスを回収する第２流路と、前記ガス分離膜の易透過性ガス成分に富んだ透過ガスを回収する第３流路と、制御部と、を有し、
前記制御部は、前記測定部によって測定された前記濃度Ｘ２に基づいて、前記第１流路の前記原料ガスの流量及び前記第３流路の前記透過ガスの流量の比Ｋｂ（前記原料ガスの流量／前記透過ガスの流量）を、
前記濃度Ｘ２が閾値より小さい場合には、下記式（３）
Ｋｂ＝ａ２＊（Ｘ２）^２＋ｂ２＊Ｘ２＋ｃ２ ・・・（３）
前記濃度Ｘ２が閾値以上である場合には、下記式（４）
Ｋｂ＝ｄ２ ・・・（４）
［式（３）、式（４）中、ａ２、ｂ２、ｃ２、ｄ２は用いる装置系に依存する定数を表す。］
に従って変化させる。

【0035】

本発明に係るガス製造装置において、
前記閾値は、前記残留ガス中の前記難透過性ガス成分の濃度、又は、前記透過ガス中の前記易透過性ガス成分の濃度によって決定されてもよい。

【0036】

本発明に係るガス製造装置において、
前記易透過性ガス成分は、水素であってもよい。

【0037】

本発明に係るガス製造装置において、
前記難透過性ガス成分は、メタンであってもよい。

【発明の効果】

【0038】

本発明に係るガス製造方法又は製造装置によれば、
（Ｉ）易透過性ガス成分が製品の場合
原料ガス中の易透過性ガス成分の濃度の変化が大きくても、製品ガス中の易透過性ガス成分の濃度を所定の値よりも高く保ち、かつ、ガス分離膜の非透過側における不純物の濃縮を抑制することができ、ガス分離膜の劣化を抑制することができる。

【0039】

（ＩＩ）難透過性ガス成分が製品の場合
原料ガス中の難透過性ガス成分の濃度の変化が大きくても、製品ガス中の難透過性ガス成分の濃度を所定の値よりも高く保ち、かつ、ガス分離膜の透過側における不純物の濃縮を抑制することができ、ガス分離膜の劣化を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0040】

【図1A】実施形態に係るガス製造装置の一例を示す概略図（易透過性ガスが製品の場合）。

【図1B】実施形態に係るガス製造装置の一例を示す概略図（難透過性ガスが製品の場合）。

【図2A】ガス製造装置の構成の一例を示す概略図（易透過性ガスが製品の場合）。

【図2B】ガス製造装置の構成の一例を示す概略図（難透過性ガスが製品の場合）。

【図3】従来技術に係るガス製造装置の構成例を示す概略図。

【発明を実施するための形態】

【0041】

以下に本発明の幾つかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお以下に説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。

【0042】

１．ガス製造装置
本実施形態に係るガス製造装置１００は、ガス分離膜（ガス分離ユニット１６）と、第１流路２１と、第２流路２２と、第３流路２３と、測定部３０と、第１バルブ４１と、制御部５０と、を有する。ガス製造装置１００は、必要に応じて第２バルブ４２を有してもよい。そして、原料ガスＧ１を、ガス分離膜を透過しやすい易透過性ガス成分に富んだ透過ガスＧ３と、ガス分離膜を透過しにくい難透過性ガス成分に富んだ残留ガスＧ２とに分離し、透過ガスＧ３及び残留ガスＧ２の少なくとも一方を製品ガスとして製造する。図１Ａ及び図１Ｂは、本実施形態に係るガス製造装置１００を模式的に示す概略図である。

【0043】

１．１．原料ガス及び製品ガス
ガス製造装置１００によって処理される原料ガスＧ１は、ガス分離膜に対する透過性が互いに異なる複数のガス成分を含む。原料ガスＧ１はガス混合物である。ガス成分としては、水素、窒素、酸素、二酸化炭素、水、アンモニア、メタン、エタン、プロパン、イソブタン、ノルマルブタン、イソペンタン、ノルマルペンタン、硫化水素、アンモニア、ベンゼン、トルエン、キシレン、アミン類等が挙げられる。また、原料ガスＧ１に含まれるガス成分の数も特に限定されない。

【0044】

原料ガスＧ１は、精製ガスあるいは粗製ガスを精製処理されたガスであってもよい。具体的には、精製空気、精製ナフサ分解ガス、精製改質ガス、精製水性ガス、精製天然ガス、バイオガスなどを例示できる。

【0045】

原料ガスＧ１には、ガス分離膜を透過しやすい易透過性ガス成分及びガス分離膜を透過しにくい難透過性ガス成分が含まれる。易透過性ガス成分及び難透過性ガス成分は、ガス
製造装置１００が採用するガス分離膜に依存して変更することができる。例えば、原料ガスＧ１が、水素及びメタンを含む場合であって、ガス分離膜が、水素分離膜（水素を選択的に透過させやすい膜）である場合には、原料ガスＧ１中の水素が易透過性ガス成分となり、メタンが難透過性ガス成分となる。易透過性ガス成分及び難透過性ガス成分は、それぞれ複数種のガス成分であってもよい。

【0046】

表１及び表２には原料ガスの典型例を示す。

【0047】

【表1】

【0048】

【表2】

【0049】

表１の例１〜例７に示す原料ガスＧ１は、ガス成分として水素の含有量が大きいが、ガス製造装置１００がガス分離ユニット１６として水素分離膜（水素を選択的に透過させやすい膜）を含むものを採用する場合には、透過ガスＧ３として、原料ガスＧ１よりも水素の濃度の高い（純度の高い）ガスが得られる。これらの例では、透過ガスＧ３をガス製造装置１００の製品ガスとすることができる。また、残留ガスＧ２についても、必要に応じて製品ガスとしてもよい。

【0050】

一方、表２の例８〜例１５に示す原料ガスＧ１は、ガス成分としてメタン及び二酸化炭素の含有量が大きいが、二酸化炭素を選択的に透過させやすい膜（ガス分離膜）を採用する場合には、透過ガスＧ３として、原料ガスＧ１よりも二酸化炭素の濃度の高い（純度の高い）ガス、及び、残留ガスＧ２として、原料ガスＧ１よりもメタンの濃度の高い（純度の高い）ガスが得られる。これらの例では、残留ガスＧ２（メタンが富化されたガス）をガス製造装置１００の製品ガスとすることができる。また、透過ガスＧ３（二酸化炭素が富化されたガス）についても製品ガスとしてもよい。

【0051】

したがって、本実施形態のガス製造装置１００は、選択的透過性を有するガス分離膜に対して、透過性の異なる複数のガス成分を含むガス混合物を原料ガスＧ１として供給し、ガス分離膜によって、易透過性ガス成分に富んだ透過ガスと難透過性ガス成分に富んだ残留ガスとに分離し、透過ガスＧ３及び残留ガスＧ２の少なくとも一方を製品ガスとして製造することができる。

【0052】

１．１．ガス分離膜
本実施形態のガス製造装置１００は、ガス分離膜（ガス分離ユニット１６）を有する。ガス分離膜は、ガスの選択的透過性を有する。ガス分離膜を選択的に透過するガス成分としては、特に限定されないが、水素、酸素、二酸化炭素等が挙げられる。また、ガス分離膜が選択的に透過させるガス成分は、複数種であってもよい。

【0053】

ガス分離膜は、原料ガスＧ１あるいは透過ガスＧ３の種類によって、最適な素材や容量（表面積）あるいは形状などが選択される。ガス分離膜の材質としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、シリコーンゴム、ポリスルフォン、酢酸セルロース、ポリイミド、ポリアラミドなどの有機系分離膜のみならず、セラミックス膜などのような無機系の分離膜を挙げることができる。

【0054】

図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、ガス分離膜は、破線を用いて模式的に直線状（シート状）に描かれているが、ガス分離膜の形状や面積は、膜の表裏において空間を隔絶できれば特に限定されない。例えば、ガス分離膜は、管状、じゃばら状等の平面や曲面を含む形状であってもよい。さらにガス分離膜の厚さや積層構造も適宜に設計されることができる。また、ガス分離膜の面積は、ガス製造装置１００に要求される能力に応じて適宜設計されることができる。

【0055】

ガス分離膜は、その特性（易透過性ガス成分又は難透過性ガス成分の種類など）によって適した温度が存在する場合がある。例えば、ガス分離膜が、水素を易透過性ガス成分とする場合には、典型的には７０℃〜１１０℃の温度において分離の効率が高い場合がある。したがって、ガス分離膜の温度を適切に保つ、図示せぬガス分離膜温度調節機構が設けられてもよい。

【0056】

図１Ａ及び図１Ｂは、ガス分離ユニット１６は、ガス分離膜及びその一次側及び二次側がハウジングで覆われて構成された例を模式的に示している。一次側には、原料ガスＧ１をガス分離膜に対して供給する第１流路２１、及び、残留ガスＧ２を排出する第２流路２２が接続されている。また、二次側には、透過ガスＧ３を排出する第３流路２３が接続されている。

【0057】

なお、本明細書では、ガス分離膜の原料ガスＧ１が供給される側を、原料側、ガス分離膜の残留ガスＧ２が生じる側を非透過側、ガス分離膜の透過ガスＧ３が生じる側を、透過側と称する場合がある。また、原料側及び非透過側を、ガス分離膜の一次側ということがあり、透過側をガス分離膜の二次側ということがある。

【0058】

１．３．第１流路、第２流路及び第３流路
本実施形態のガス製造装置１００は、第１流路２１、第２流路２２及び第３流路２３を有する。第１流路２１は、原料ガスＧ１をガス分離ユニット１６に対して供給する流路であり、例えば、鋼管等により形成される。図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、第１流路２１は、原料側の流路であり、ガス分離膜の一次側に接続されている。第２流路２２は、残留ガスＧ２を排出する非透過側の流路であり、例えば、鋼管等により形成される。図示の例では、第２流路２２は、ガス分離膜の一次側に接続されている。第３流路２３は、透過ガスＧ３を排出する流路であり、例えば、鋼管等により形成される。図示の例では、第３流路２３は、透過側の流路であり、ガス分離膜の二次側に接続されている。

【0059】

第１流路２１、第２流路２２及び第３流路２３は、ガス製造装置１００の規模やスループットに応じて適宜の断面積（太さ）を有することができる。また、第１流路２１、第２流路２２及び第３流路２３は、互いに異なる断面積を有してもよい。

【0060】

第１流路２１からガス分離膜（ガス分離ユニット１６）への原料ガスＧ１の典型的な供給条件は、温度は環境温度であり、流量は約１００〜１０００００［Ｎｍ^３／ｈ］である。また第１流路２１における原料ガスＧ１の圧力は、透過ガスＧ３又は残留ガスＧ２（製品ガス）の用途などによって異なるが、１〜１５０［ｂａｒ（ａｂｓ）］程度である。

【0061】

１．４．測定部
ガス製造装置１００は、測定部３０を有する。測定部３０は、各流路を流れるガスの流量、圧力及び組成を測定することができる。また、流量の計測に温度依存性がある場合には、当該温度を測定できるようにしてもよい。

【0062】

図１Ａ及び図１Ｂに例示するガス製造装置１００には、第１流路２１に、測定部３０として、内部を流れる原料ガスＧ１の流量を計測する第１流量計３１（流量測定手段）、及び内部を流れる原料ガスＧ１の中の易透過性ガス成分又は難透過性ガス成分の濃度（純度）を測定する濃度測定器３４（濃度測定手段）が設けられている。また、ガス製造装置１００には、第２流路２２に、測定部３０として、内部を流れる残留ガスＧ２の圧力を測定する圧力測定器３５が設けられている。さらに、ガス製造装置１００には、第３流路２３に、測定部３０として、内部を流れる残留ガスＧ３の流量を計測する第３流量計３３（流量測定手段）、及び、内部を流れる透過ガスＧ３の圧力を計測する圧力測定器３６が設けられている。なお、これら各構成の各流路における配置（ガスの流れに対して上流又は下流等の配置）は、各構成が意図する測定を行うことができる限り、特に限定されない。

【0063】

各流量計（流量測定手段）としては、各流路内のガスの流量を測定できる限り限定されず、公知の流量計を適用することができる。また、各圧力測定器についても、第２流路２２内又は第３流路２３内の圧力を測定できる限り任意に構成することができる。

【0064】

濃度測定手段は、原料ガスＧ１中の易透過性ガス成分または難透過性ガス成分の少なくとも１種のガス成分の濃度Ｘ１又はＸ２を測定する。濃度測定手段によって濃度を測定される易透過性ガス成分又は難透過性ガス成分の数は限定されない。濃度測定手段としては、原料ガスＧ１中の易透過性ガス成分または難透過性ガス成分の濃度を測定できればよく、一例としてガス製造装置１００では濃度測定器３４として、ガスクロマトグラフィーを採用している。なお、濃度測定手段としては、連続的に濃度を計測できる観点から、熱伝導式濃度分析計が好ましく、さらに原料ガス中の水素の濃度を計測する場合には、熱伝導率式水素分析計がより好ましい。

【0065】

ガス製造装置１００が稼働している間、測定部３０によって連続的に測定されることが
好ましいが、ガス製造装置１００の運転の制御に支障がない範囲で間欠的に測定されてもよい。

【0066】

測定部３０によって測定される各種の測定結果は、制御部５０によって取得することができる。本実施形態のガス製造装置１００では、第１流量計３１、濃度測定器３４及び第２流量計３２によって測定された結果が制御部５０によって取得される。制御部５０は、他の測定部３０によって得られた測定結果を取得してもよい。

【0067】

１．５．第１バルブ及び第２バルブ
本実施形態のガス製造装置１００は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、第１バルブ４１を有する。また、本実施形態のガス製造装置１００は、図１Ｂに示すように、第２バルブ４２を有してもよい。第１バルブ４１は、第２流路２２に設けられる。第１バルブ４１は、その開度によって、第２流路２２内を流れる残留ガスＧ２の流量を調節することができる。第１バルブ４１の開度は、圧力測定器３５を介して制御部５０からの信号により制御される。

【0068】

第１バルブ４１の開度が調節されることにより、第２流路２２を流れる残留ガスＧ２の流量に対する第１流路２１を流れる原料ガスＧ１の流量（原料ガスＧ１の流量／残留ガスＧ２の流量）の比Ｋが調節される。

【0069】

第２バルブ４２が設けられる場合は、図１Ｂに示すように、第３流路２３に設けられる。第２バルブ４２は、その開度によって、第３流路２３内を流れる透過ガスＧ３の流量を調節することができる。第２バルブ４２の開度は、適宜設定されるが、制御部５０からの信号により制御されてもよい。

【0070】

第１バルブ４１及び第２バルブ４２は、流路内のガスの流量を調節できる限り任意の態様であり得るが、第１バルブ４１は、制御部５０からの信号によって連続的に開度を調節できる態様であることが好ましい。そのような第１バルブ４１及び第２バルブ４２としては、モーター等によって開度を調節できる態様が挙げられる。

【0071】

１．６．制御部
ガス製造装置１００は、制御部５０を有する。制御部５０は、例えば、電子計算機によって構成される。制御部５０は、少なくとも第１流量計３１、濃度測定器３４及び第２流量計３２によって測定された結果を取得し、
（Ｉ）易透過性ガス成分（主に水素ガス）が製品の場合、
少なくとも第１バルブ４１の開度を調節する信号を送出する。

【0072】

（ＩＩ）難透過性ガス成分（主にメタンガス）が製品の場合、
少なくとも第２バルブ４２の開度を調節する信号を送出する。

【0073】

（Ｉ）易透過性ガス成分（主に水素ガス）が製品の場合
制御部５０は、測定部３０の濃度測定器３４（濃度測定手段）によって測定された、原料ガスＧ１中の易透過性ガス成分の濃度Ｘ１に基づいて、第１流路２１の原料ガスＧ１の流量および第２流路２２の残留ガスＧ２の流量の比Ｋａ（原料ガスＧ１の流量／残留ガスＧ２の流量）が、特定の関係式を満足させるように変化させる（図１Ａ参照）。

【0074】

（ＩＩ）難透過性ガス成分（主にメタンガス）が製品の場合
制御部５０は、測定部３０の濃度測定器３４（濃度測定手段）によって測定された、原料ガスＧ１中の難透過性ガス成分の濃度Ｘ２に基づいて、第１流路２１の原料ガスＧ１の流量および第３流路２３の透過ガスＧ３の流量の比Ｋｂ（原料ガスＧ１の流量／透過ガスＧ
３の流量）が、特定の関係式を満足させるように変化させる（図１Ｂ参照）。

【0075】

（Ｉ）易透過性ガス成分（主に水素ガス）が製品の場合
係る関係式は、濃度Ｘ１が閾値より小さい場合には下記式（１）、
Ｋａ＝ａ１＊（Ｘ１）^２＋ｂ１＊Ｘ１＋ｃ１ ・・・（１）
前記濃度Ｘ１が閾値以上である場合には、下記式（２）
Ｋａ＝ｄ１ ・・・（２）
［式（１）、式（２）中、ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１は用いる装置系に依存する定数を表す。］
である。

【0076】

なお、式（２）中のｄ１はガス分離膜にアミン類等の不純物が濃縮することによるガス分離膜の劣化（被毒）を抑制することのできる最大の流量比（原料ガスＧ１の流量／残留ガスＧ２の流量）であり、ガス製造装置１００の規模や構成によって決まる無次元の値である（以下、ｄ１を限界流量比ということがある。）。また、本明細書の各式において「＊」は、積の演算子を表す。

【0077】

（ＩＩ）難透過性ガス成分（主にメタンガス）が製品の場合
係る関係式は、比Ｋｂを、
前記濃度Ｘ２が閾値よりも小さい場合には、下記式（３）
Ｋｂ＝ａ２＊（Ｘ２）^２＋ｂ２＊Ｘ２＋ｃ２ ・・・（３）
前記濃度Ｘ２が閾値以上である場合には、下記式（４）
Ｋｂ＝ｄ２ ・・・（４）
［式（３）、式（４）中、ａ２、ｂ２、ｃ２、ｄ２は用いる装置系に依存する定数を表す。］
である。

【0078】

なお、式（４）中のｄ２はガス分離膜にアンモニア等の不純物が濃縮することによるガス分離膜の劣化（被毒）を抑制することのできる最大の流量比（原料ガスＧ１の流量／透過ガスＧ３の流量）であり、ガス製造装置１００の規模や構成によって決まる無次元の値である（以下、ｄ２を限界流量比ということがある。）。

【0079】

（Ｉ）易透過性ガス成分（主に水素ガス）が製品の場合
係る関係式（制御式ということがある）は、濃度Ｘ１が閾値より小さい場合に、上記式（１）の如く、濃度Ｘ１の２次式に従って流量比Ｋａを変化させ、閾値以上である場合に流量比Ｋａを限界流量比に固定することを意図している。

【0080】

（ＩＩ）難透過性ガス成分（主にメタンガス）が製品の場合
係る関係式（制御式ということがある）は、濃度Ｘ２が閾値より小さい場合に、上記式（３）の如く、濃度Ｘ２の２次式に従って流量比Ｋｂを変化させ、閾値以上である場合に流量比Ｋｂを限界流量比に固定することを意図している。

【0081】

閾値は、ガス製造装置１００の構成や規模によって決定されるが、製品ガスの保証純度（製品ガス中の易透過性ガス成分又は難透過性ガス成分の濃度）と、原料ガスＧ１中の易透過性ガス成分または難透過性ガス成分の濃度によって適宜に決定される。また、閾値は、残留ガス中の難透過性ガス成分の濃度、又は、透過ガスＧ３中の易透過性ガス成分の濃度によって決定されてもよい。

【0082】

このようにすることで、
（Ｉ）易透過性ガス成分（主に水素ガス）が製品の場合
（ｉ）原料ガスＧ１中の易透過性ガス成分（例えば水素）の濃度Ｘ１が低い場合でも、透過ガスＧ３における易透過性ガス成分の濃度が低くなることを抑制でき、透過ガスＧ３の保証値（所定の易透過性ガス成分の濃度）を下回ることを回避することができる。また、（ｉｉ）原料ガスＧ１中の易透過性ガス成分（例えば水素）の濃度が高い場合でも、ガス分離膜の非透過側（一次側）で、透過性ガス成分以外の不純物（典型的にはアミン類やハイドロカーボン類）の濃縮を抑制することができ、ガス分離膜へのダメージを軽減することができる。

【0083】

（ＩＩ）難透過性ガス成分（主にメタンガス）が製品の場合
（ｉ）原料ガスＧ１中の難透過性ガス成分（例えばメタン）の濃度Ｘ２が低い場合でも、残留ガスＧ２における難透過性ガス成分の濃度が低くなることを抑制でき、残留ガスＧ２の保証値（所定の難透過性ガス成分の濃度）を下回ることを回避することができる。また、（ｉｉ）原料ガスＧ１中の難透過性ガス成分（例えばメタン）の濃度が高い場合でも、ガス分離膜の透過側（二次側）で、透過性ガス成分以外の不純物（典型的にはアンモニア等）の濃縮を抑制することができ、ガス分離膜へのダメージを軽減することができる。

【0084】

１．７．その他の構成
本実施形態のガス製造装置１００は、上記の構成を備えるが、上述の各構成は、複数備えられてもよい。さらに、本実施形態のガス製造装置１００は、他の各種の構成を任意に有することができる。その他の構成としては、圧縮機、乾燥器、加熱器、冷却器、各種の弁、などを挙げることができる。これらの他の構成についても複数設けることができる。

【0085】

また、上述した本実施形態のガス製造装置１００は、ガス分離ユニット１６が１つ設けられた例であるが、ガス製造装置には、ガス分離ユニット１６が複数設けられてもよく、所望の製品ガスが得られるように適宜に配置されることができる。

【0086】

また、閾値を残留ガスＧ２中の難透過性ガス成分の濃度、又は、透過ガスＧ３中の易透過性ガス成分の濃度によって決定する場合には、図示しないが、第２流路２２又は第３流路２３に濃度測定手段を設けて、係る濃度測定手段の測定結果を制御部５０が取得して、これ基づいて閾値を決定してもよい。

【0087】

ガス分離ユニット１６へ原料ガスＧ１を供給する第１流路２１には、加熱手段（加熱器）を設けることができる。ガス分離ユニット１６は、その特性に応じて適切な温度条件が存在する場合がある。例えば、水素を易透過性ガス成分とするガス分離ユニット１６では、約９０℃でガス分離を行うことが有利となる場合がある。このような場合には、原料ガスＧ１の温度を適切な温度まで加熱するために加熱手段（加熱器）を設けることが好ましい。

【0088】

また、ガス分離ユニット１６へ原料ガスＧ１を供給する第１流路２１には、冷却手段（冷却器）を設けてもよい。原料ガスＧ１中に液体のミストが含まれる場合があり、その場合には、ガス分離膜の変質が懸念される。具体的には、原料ガスＧ１中に高沸点成分（蒸気圧の高い物質）が含まれる場合には、常温では液化を起こす可能性があり、この高沸点成分が難透過性ガス成分である場合、残留ガスＧ２中に高沸点成分が濃縮し液化する恐れがある。そのため、冷却手段によって、例えば約４０℃まで原料ガスＧ１を冷却し、凝縮液化成分を分離した後、加熱手段にて加熱することにより、ガス分離ユニット１６での液体のミストの生成を抑制することができる。

【0089】

また、上述した本実施形態のガス製造装置１００は、第１バルブ４１の開度によって流量比Ｋが調節される例であるが、ガス製造装置１００の第１流路２１にも図示せぬバルブが設けられてもよい。このようなバルブが設けられる場合には、流量比Ｋは、第１バルブ
４１及び第１流路２１のバルブの一方又は両者によって調節されることができる。また、係るバルブを第１流路２１に設けた場合には、当該バルブの開度も制御部５０によって制御されることができる。

【0090】

２．ガス製造方法
本実施形態に係るガス製造方法は、選択的透過性を有するガス分離膜に対して、透過性の異なる複数のガス成分を含むガス混合物を原料ガスＧ１として供給し、ガス分離膜によって、易透過性ガス成分に富んだ透過ガスＧ３と難透過性ガス成分に富んだ残留ガスＧ２とに分離し、透過ガスＧ３及び残留ガスＧ２の少なくとも一方を製品ガスとして製造する方法である。

【0091】

本実施形態に係るガス製造方法は、上述のガス製造装置１００によって実施することができる。また、本実施形態に係るガス製造方法は、
（Ｉ）易透過性ガス成分（主に水素ガス）が製品の場合（図１Ａ参照）
原料ガスＧ１中の易透過ガス成分の少なくとも１種のガス成分の濃度Ｘ１を測定し、当該測定された濃度Ｘ１に基づいて原料ガスＧ１の流量と残留ガスＧ２の流量との比Ｋａ（ここで、Ｋａは、「原料ガスＧ１の流量／残留ガスＧ２の流量」である。）を変化させることができる機能を有する限り、他の構成の装置を用いても実施することができる。

【0092】

（ＩＩ）難透過性ガス成分（主にメタンガス）が製品の場合（図１Ｂ参照）
原料ガスＧ１中の難透過ガス成分の少なくとも１種のガス成分の濃度Ｘ２を測定し、当該測定された濃度Ｘ２に基づいて原料ガスＧ１の流量と透過ガスＧ３の流量との比Ｋｂ（ここで、Ｋｂは、「原料ガスＧ１の流量／透過ガスＧ３の流量」である。）を変化させることができる機能を有する限り、他の構成の装置を用いても実施することができる。

【0093】

以下では、本実施形態のガス製造方法を、上述のガス製造装置１００によって実施する場合について説明する。装置構成の説明において、上述のガス製造装置１００と同様の作用・機能を有する構成については、同様の符号を付すことにより、詳細な説明を省略する。

【0094】

（Ｉ）易透過性ガス成分（主に水素ガス）が製品の場合
原料ガスＧ１中の易透過ガス成分の少なくとも１種のガス成分の濃度Ｘ１は、例えば、測定部３０の濃度測定器３４により行われる。また測定された濃度Ｘ１に基づいて原料ガスＧ１の流量と残留ガスＧ２の流量との比Ｋａは、制御部５０によって算出され、制御部５０からの信号に基づいて第１バルブ４１の開度が調節されることによって変化される（図１Ａ参照）。

【0095】

そして、本実施形態のガス製造方法において、流量比Ｋａは、濃度Ｘ１が閾値よりも小さい場合には、下記式（１）
Ｋａ＝ａ１＊（Ｘ１）^２＋ｂ１＊Ｘ１＋ｃ１ ・・・（１）
前記濃度Ｘ１が閾値以上である場合には、下記式（２）
Ｋａ＝ｄ１ ・・・（２）
［式（１）、式（２）中、ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１は用いる装置系に依存する定数を表す。］
となるように変化させることができる。閾値、各種設計条件については、上述のガス製造装置の項で述べたと同様である。

【0096】

このようにすることで、
（ｉ）原料ガスＧ１中の易透過性ガス成分（例えば水素）の濃度Ｘ１が低い場合でも、透過ガスＧ３における易透過性ガス成分の濃度が低くなることを抑制でき、透過ガスＧ３の
保証値（所定の易透過性ガス成分の濃度）を下回ることを回避することができる。また、（ｉｉ）原料ガスＧ１中の易透過性ガス成分（例えば水素）の濃度が高い場合でも、ガス分離膜の非透過側（一次側）で、透過性ガス成分以外の不純物（典型的にはアミン類やハイドロカーボン類）の濃縮を抑制することができ、ガス分離膜へのダメージを軽減することができる。

【0097】

（ＩＩ）難透過性ガス成分（主にメタンガス）が製品の場合
原料ガスＧ１中の難透過ガス成分の少なくとも１種のガス成分の濃度Ｘ２は、例えば、測定部３０の濃度測定器３４により行われる。また測定された濃度Ｘ２に基づいて原料ガスＧ１の流量と透過ガスＧ３の流量との比Ｋｂは、制御部５０によって算出され、制御部５０からの信号に基づいて第２バルブ４２の開度が調節されることによって変化される（図１Ｂ参照）。

【0098】

そして、本実施形態のガス製造方法においても、
流量比Ｋｂを、前記濃度Ｘ２が閾値よりも小さい場合には、下記式（３）
Ｋｂ＝ａ２＊（Ｘ２）^２＋ｂ２＊Ｘ２＋ｃ２ ・・・（３）
前記濃度Ｘ２が閾値以上である場合には、下記式（４）
Ｋｂ＝ｄ２ ・・・（４）
［式（３）、式（４）中、ａ２、ｂ２、ｃ２、ｄ２は用いる装置系に依存する定数を表す。］
となるように変化させることができる。閾値、各種設計条件については、上述のガス製造装置の項で述べたと同様である。

【0099】

このようにすることで、
（ｉ）原料ガスＧ１中の難透過性ガス成分（例えばメタン）の濃度Ｘ２が低い場合でも、残留ガスＧ２における難透過性ガス成分の濃度が低くなることを抑制でき、残留ガスＧ２の保証値（所定の難透過性ガス成分の濃度）を下回ることを回避することができる。また、（ｉｉ）原料ガスＧ１中の難透過性ガス成分（例えばメタン）の濃度が高い場合でも、ガス分離膜の透過側（二次側）で、透過性ガス成分以外の不純物（典型的にはアンモニア等）の濃縮を抑制することができ、ガス分離膜へのダメージを軽減することができる。

【0100】

３．実施例
以下に実施例を示し、本発明をさらに説明するが、本発明は以下の例によってなんら限定されるものではない。以下の実施例は、計算機実験によるシミュレーションである。各実施例で用いた装置系は、図１Ａに示す構成を要部として備えている。また各実施例では、モニターとして、ガス分離ユニット１６の二次側に生じる透過ガスＧ３を排出する第３流路２３、及び、ガス分離ユニット１６の一次側の残留ガスＧ２を排出する第２流路２２に、それぞれ図示しない濃度測定器（濃度測定手段）（ＡＩ）を備えている。

【0101】

また、実施例では、ガス分離ユニット１６の一次側に原料ガスＧ１を供給する第１流路２１に設置されている第１流量計３１（ＦＩ−１）により、原料ガスＧ１の流量を測定し、ガス分離ユニット１６の一次側に原料ガスＧ１を供給する第１流路２１に設置されている濃度測定器３４（濃度測定手段）（ＡＩ）により原料ガスＧ１中の易透過性ガス成分の濃度Ｘ１を測定した。同様に、実施例では、ガス分離ユニット１６の二次側から透過ガスＧ３を排出する第３流路２３に設置されている第３流量計３３（ＦＩ−３）により、透過ガスＧ３の流量を測定し、第３流路２３に設置されている図示せぬ濃度測定器（濃度測定手段）（ＡＩ）により透過ガスＧ３中の易透過性ガス成分の濃度を測定した。さらに、同様に、実施例では、ガス分離ユニット１６の一次側の残留ガスＧ２を排出する第２流路２２に設置されている第２流量計３２（ＦＩ−２）により、残留ガスＧ２の流量を測定し、第２流路２２に設置されている図示せぬ濃度測定器（濃度測定手段）（ＡＩ）により残留
ガスＧ２中の易透過性ガス成分の濃度を測定した。

【0102】

本実施例においても、少なくとも一種の原料ガスＧ１から、易透過性ガス成分又は難透過性ガス成分が富化した透過ガスＧ３又は残留ガスＧ２を製品ガスとして生成することを扱う。そのため、製品ガスの要求仕様条件の与え方には様々なケースがある。

【0103】

さらに、本実施例では、操作温度や材質などの違いによる特性の異なる複数のガス分離モジュールを組合せて使用する場合も含むため、様々なケースがある。これら様々なケースに応じて、制御方法の変形が必要であることは自明であり、これらの変形は全て本発明に含まれるとともに、本発明を限定するものでないことを注記しておく。

【0104】

以下の実施例では、典型的な場合として、ガス製造装置の運転中に、原料ガスＧ１中の水素の濃度（純度）が変動した場合において、製品ガス中の水素の回収率、流量比及び製品ガス中の水素の濃度（純度）がどの様に変化するか、並びに、ガス製造装置の運転中に、原料ガスＧ１中のメタンの濃度（純度）が変動した場合において、製品ガス中のメタンの回収率、流量比及び製品ガス中のメタンの濃度（純度）がどの様に変化するか、を中心に調べた。

【0105】

３．１．実施例１
以下、実施例１について、解析条件、解析結果、及びまとめの順に記載する。

【0106】

（１）解析条件
（１−１）原料ガスの組成は表１に例示したものを用いた。

【0107】

（１−２）解析に用いたガス分離膜は、素材をポリアラミド系膜とした。

【0108】

（１−３）原料ガスのガス分離膜の入口における温度は、９０℃とした。

【0109】

（１−４）原料ガスの１次圧力の初期設定値は、１００ｂａｒ（ａｂｓ）とし、原料ガスの流量は、２００００Ｎｍ^３／ｈ（５０％流量）〜４００００Ｎｍ^３／ｈ（１００％流量）とした。

【0110】

（１−５）定格時の透過ガスの圧力は、２０ｂａｒ（ａｂｓ）とした。なお、製品水素ガス濃度は、９８ｍｏｌ％以上とし、水素回収率は８８％以上を基準とした。

【0111】

（２）解析結果
本プロセスにおいて、原料ガス中の易透過性成分の少なくとも１種のガス成分の濃度Ｘ１を測定し、測定された濃度Ｘ１に基づいて原料ガスの流量と残留ガスの流量との比Ｋａを変化させる方法を適用した。

【0112】

具体的には、原料ガス中水素濃度が７７．０ｍｏｌ％、８７．０ｍｏｌ％と９２．０ｍｏｌ％のものを用い、かつ前記濃度Ｘ１が閾値Ｘ１＝８７．８５％よりも小さい場合には、下記制御式
Ｋａ＝ａ１＊（Ｘ１）^２＋ｂ１＊Ｘ１＋ｃ１
（ａ１：０．０２５４、ｂ１：−３．７４９５、ｃ１：１４１．３７）
濃度Ｘ１が閾値Ｘ１＝８７．８５％より大きい場合には下記制御式
Ｋａ＝ｄ１
（ｄ１：８．０）
を用いてシミュレーションを行った。

【0113】

シミュレーション結果を下記表３〜表５に示した。

【0114】

【表3】

【0115】

【表4】

【0116】

【表5】

【0117】

上記シミュレーションの結果、以下の内容が確認できた。
・製品ガス中の水素の濃度、及び水素の回収率が、基準値を満たしていること
・原料ガス中の水素の濃度が閾値以上の場合、最大流量比を一定として運用できること

【0118】

（３）まとめ
上記実施例１の結果をみると、流量比による制御式は、以下のような効果を有していることが判明した。

【0119】

１） 原料ガス中の水素の濃度が低い場合（７７ｍｏｌ％）においては、製品ガス中の水素の濃度が基準値を下回ることがないように、ガス分離膜の非透過側の圧力を抑えて、製品ガス中の水素の濃度が高くなるように作用すること。

【0120】

２） 原料ガス中の水素の濃度が閾値以上（９２ｍｏｌ％）の場合、ガス分離膜の非透過側での不純物（各例におけるモノエタノールアミン）の濃縮による劣化を防ぐために、ガス分離膜の非透過側の圧力抑えて、最大流量比を超えないように作用すること。

【0121】

３） 原料ガス中の水素の濃度が比較的高い（８７ｍｏｌ％）場合、製品ガス中の水素の濃度の基準値を保ちながら、ガス分離膜の非透過側の圧力を高めて、回収率を最大限に得られるように作用すること。

【0122】

以上のように、本実施例の方式は優れた制御式であることが判明した。

【0123】

３．２．実施例２
（１）解析条件
（１−１）原料ガスの組成は表２に例示したものを用いた。

【0124】

（１−２）解析に用いたガス分離膜は、素材をポリイミド系膜とした。

【0125】

（１−３）原料ガスのガス分離膜入口温度は、２５℃とした。

【0126】

（１−４）原料ガスの１次圧力の初期設定値は１１ｂａｒ（ａｂｓ）とし、定格時（最大処理時）の原料ガスあるいは製品ガス（実施例１でも同様の訂正お願いします）の流量は、１００Ｎｍ^３／ｈとした。

【0127】

（１−５）定格時の非透過ガスの圧力は、１０．２４ｂａｒ（ａｂｓ）とした。なお、製品メタンガス濃度は９０．５ｍｏｌ％以上とし、メタン回収率は７５％以上を基準と捉えた。また、透過ガス中の易透過性ガス成分以外の不純物の濃縮によるガス分離膜の変質等を防ぐために、限界流量比ｄ２を３．０と設定した。

【0128】

より具体的には、例えばガス分離膜のアンモニアに対する耐性の基準を５ｐｐｍ以下とする。表６の注記に示したように、原料ガス中にアンモニアが１ｐｐｍ含まれている場合、濃縮比５が限界となる。実施例２では、濃縮比の最大値５ｐｐｍに対して、安全率を見て３．０と設定した。

【0129】

（２）解析結果
本プロセスにおいて、原料ガス中の難透過性ガス成分の少なくとも１種のガス成分の濃度Ｘ２を測定し、透過ガス流路の圧力を調節することにより、測定された濃度Ｘ２に基づいて原料ガスの流量と透過ガスの流量との比Ｋｂを変化させる方法を適用した。

【0130】

具体的には、原料ガス流量が１００Ｎｍ^３／ｈ（１００％流量）の場合に、前記濃度Ｘ１が閾値Ｘ２＝７４％よりも小さい場合には、下記式
Ｋｂ＝ａ２＊（Ｘ２）^２＋ｂ２＊Ｘ２＋ｃ２
（ａ２：０．０００６８、ｂ２：−０．１１９６４、ｃ２：６．６３）
濃度Ｘ１が閾値Ｘ２＝７４％より大きい場合に下記式
Ｋｂ＝ｄ２
（ｄ２：１．５）
を用いた。

【0131】

上記制御式を用いた場合のシミュレーション結果を下記表６に示した。

【0132】

【表6】

【0133】

シミュレーションの結果、全ての領域において、製品ガス中のメタン濃度及びメタン回収率が、基準値を上回ることを確認できた。流量比に関しても、全ての領域において、限界流量比以下で運用されていることが確認できた。

【0134】

（２）まとめ
上記実施例２の結果を見ると、流量比による制御式は、以下のような効果を有していることが判明した。

【0135】

１） 原料ガス中メタン濃度が低い場合、流量比を引き上げることで、製品ガス中メタン濃度が基準値を下回らないように制御することが可能であること。

【0136】

２） 原料ガス中メタン濃度が高い場合、限界流量比で一定に保つことで、分離膜の透過側で原料ガス中に含まれる不純物（今回であればアンモニア）が濃縮し、分離膜が劣化することを防止するように制御することが可能であること。

【0137】

３） 原料ガス中メタン濃度が中程度の場合、製品ガス中メタン濃度が基準値を下回らないように監視しつつ、流量比を引き下げることで、回収率が最大値となるように制御することが可能であること。

【0138】

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

【符号の説明】

【0139】

１６…ガス分離ユニット、２１…第１流路、２２…第２流路、２３…第３流路、３０…測定部、３１…第１流量計、３２…第２流量計、３３…第３流量計、３４…濃度測定器、３
５，３６…圧力測定器、４１…第１バルブ、４２…第２バルブ、５０…制御部、Ｇ１…原料ガス、Ｇ２…残留ガス、Ｇ３…透過ガス

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3】