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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022185263
(43)【公開日】2022-12-14
(54)【発明の名称】ガス分離装置
(51)【国際特許分類】
B01D 53/22 20060101AFI20221207BHJP
B01D 61/58 20060101ALI20221207BHJP
C01B 21/04 20060101ALI20221207BHJP
【ＦＩ】
B01D53/22
B01D61/58
C01B21/04 N
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021092814
(22)【出願日】2021-06-02
(71)【出願人】
【識別番号】000000206
【氏名又は名称】ＵＢＥ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002170
【氏名又は名称】弁理士法人翔和国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】中村 智英
(72)【発明者】
【氏名】印出 洋樹
【テーマコード（参考）】
4D006
【Ｆターム（参考）】
4D006GA41
4D006HA02
4D006HA03
4D006HA18
4D006JA03A
4D006JA25A
4D006JA27A
4D006JA51Z
4D006JA52Z
4D006JA71
4D006KA12
4D006KA15
4D006KA52
4D006KA54
4D006KA57
4D006KE07R
4D006KE14R
4D006KE30Q
4D006MA01
4D006MA34
4D006MB03
4D006MB04
4D006MB15
4D006MC03
4D006MC05
4D006MC11
4D006MC49
4D006MC54
4D006MC58
4D006MC59
4D006MC62
4D006MC65
4D006PA04
4D006PB17
4D006PB62
4D006PB63
4D006PC71
(57)【要約】
【課題】消費動力を抑えた上で、処理能力及び分離効率が向上した空気分離を実施すること。
【解決手段】ガス分離装置１０は、第１圧縮機２１と、第１分離膜ユニット１１と、第２分離膜ユニット１２とで構成される。第１分離膜ユニット１１におけるガス分離膜の酸素透過性が、第２分離膜ユニット１２におけるガス分離膜の酸素透過性よりも高い。第２分離膜ユニット１２におけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比が、第１分離膜ユニット１１におけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比よりも高い。第１分離膜ユニット１１と第２分離膜ユニット１２との間に、第１非透過ガスを昇圧して第２供給ガスとするための第２圧縮機２２を備えることが好適である。
【選択図】図１
【解決手段】ガス分離装置１０は、第１圧縮機２１と、第１分離膜ユニット１１と、第２分離膜ユニット１２とで構成される。第１分離膜ユニット１１におけるガス分離膜の酸素透過性が、第２分離膜ユニット１２におけるガス分離膜の酸素透過性よりも高い。第２分離膜ユニット１２におけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比が、第１分離膜ユニット１１におけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比よりも高い。第１分離膜ユニット１１と第２分離膜ユニット１２との間に、第１非透過ガスを昇圧して第２供給ガスとするための第２圧縮機２２を備えることが好適である。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
原料空気を吸い込み原料空気を所定圧に圧縮することができる圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮した前記原料空気を第１供給ガスとして取り込み、酸素が濃縮された第１透過ガスと窒素が濃縮された第１非透過ガスとに分離することができる第１分離膜ユニットと、
前記第１非透過ガスの全量を、第２供給ガスとして取り込み、酸素が濃縮された第２透過ガスと窒素が濃縮された第２非透過ガスとに分離することができる第２分離膜ユニットと、
で構成され
前記第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性が、前記第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性よりも高く、
かつ
前記第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比が、前記第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比よりも高い、
ガス分離装置。
前記圧縮機により圧縮した前記原料空気を第１供給ガスとして取り込み、酸素が濃縮された第１透過ガスと窒素が濃縮された第１非透過ガスとに分離することができる第１分離膜ユニットと、
前記第１非透過ガスの全量を、第２供給ガスとして取り込み、酸素が濃縮された第２透過ガスと窒素が濃縮された第２非透過ガスとに分離することができる第２分離膜ユニットと、
で構成され
前記第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性が、前記第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性よりも高く、
かつ
前記第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比が、前記第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比よりも高い、
ガス分離装置。
【請求項2】
前記第１分離膜ユニットと前記第２分離膜ユニットとの間に、前記第１非透過ガスを昇圧して前記第２供給ガスとするための圧縮機を備える、請求項１に記載のガス分離装置。
【請求項3】
前記第１供給ガスの圧力が０．１～３ＭＰａＧであり、前記第２供給ガスの圧力が、０．５～５ＭＰａＧである、請求項２に記載のガス分離装置。
【請求項4】
前記第１非透過ガスの酸素濃度が５～１８ｍｏｌ％であり、前記第２非透過ガスの酸素濃度が０．１～５ｍｏｌ％である、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス分離装置。
【請求項5】
前記第１分離膜ユニットと前記第２分離膜ユニットとの間に、前記第２供給ガスの冷却装置を備える、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のガス分離装置。
【請求項6】
圧縮した原料空気を第１供給ガスとして第１分離膜ユニットに取り込み、酸素が濃縮された第１透過ガスと窒素が濃縮された第１非透過ガスとに分離し、
前記第１非透過ガスの全量を、第２供給ガスとして第２分離膜ユニットに取り込み、酸素が濃縮された第２透過ガスと窒素が濃縮された第２非透過ガスとに分離するガス分離方法であって、
前記第１分離膜ユニットとして、該第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性が、前記第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性よりも高いものを用い、
前記第２分離膜ユニットとして、該第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比が、前記第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比よりも高いものを用いる、ガス分離方法。
前記第１非透過ガスの全量を、第２供給ガスとして第２分離膜ユニットに取り込み、酸素が濃縮された第２透過ガスと窒素が濃縮された第２非透過ガスとに分離するガス分離方法であって、
前記第１分離膜ユニットとして、該第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性が、前記第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性よりも高いものを用い、
前記第２分離膜ユニットとして、該第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比が、前記第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比よりも高いものを用いる、ガス分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、空気から酸素と窒素を分離するために用いられるガス分離装置及びガス分離方法に関する。
【背景技術】
【0002】
異なる２種類以上のガスを含む原料ガスを各ガスに分離する方法として、膜に対するガスの透過速度の差を利用した膜分離法が知られている。この方法では、２種以上のガスを含む原料ガスをガス分離膜に供給し、高透過性ガスが富化された透過ガスと低透過性ガスが富化された非透過ガスとに分離する。一般にガス分離膜は、ガス入口、透過ガス排出口、非透過ガス排出口を備えた容器内に収容され、分離膜モジュールの形態で使用される。容器内においてガス分離膜は、ガス供給側とガス透過側の空間が隔離されるように装着されている。ガス分離装置においては、所要の膜面積とするために、一般に複数の分離膜モジュールは、これを複数に並列に組み合わせて使用される。
【0003】
目的とするガスを高純度かつ高回収率で回収することを目的として、ガス分離膜ユニットを多段階に備えたガス分離装置が種々知られている。例えば特許文献１には、空気から窒素を分離する方法として、ガス分離膜ユニットを直列に２段接続し、第１ガス分離膜ユニットの非透過ガスである窒素富化ガスを、第２ガス分離膜ユニットに供給して、窒素が更に富化された非透過ガスを得る方法が記載されている。第１ガス分離膜ユニットに用いられるガス分離膜、及び第２ガス分離膜ユニットに用いられるガス分離膜としては、同種のものが用いられている。
【0004】
特許文献２には、ガス分離膜ユニットを直列に２段接続したガス分離方法において、原料ガスの一部をガス分離膜ユニットに供給し、低透過性ガスを系外に排出するとともに、透過ガスを原料ガスと混合して、該透過ガスを製品ガスとして回収する方法が記載されている。
特許文献３には、圧縮空気から窒素ガスを分離する複数のガス分離装置を直列に配して圧縮空気を複数のガス分離装置へ順に供給する窒素ガス分離方法において、圧縮空気の高湿度による劣化を最初のガス分離装置で発生させることによって、他のガス分離装置で安定した窒素ガスを得るようにしている。つまりこの方法では、最初のガス分離装置を湿気のフィルター代わりに利用している。
特許文献４には、２段以上のガス分離膜ユニットを使用し、２段目以降の透過ガスを直前段のガス分離膜ユニットの供給ガスにリサイクルすることからなる、空気からの窒素の分離方法が記載されている。
特許文献３には、圧縮空気から窒素ガスを分離する複数のガス分離装置を直列に配して圧縮空気を複数のガス分離装置へ順に供給する窒素ガス分離方法において、圧縮空気の高湿度による劣化を最初のガス分離装置で発生させることによって、他のガス分離装置で安定した窒素ガスを得るようにしている。つまりこの方法では、最初のガス分離装置を湿気のフィルター代わりに利用している。
特許文献４には、２段以上のガス分離膜ユニットを使用し、２段目以降の透過ガスを直前段のガス分離膜ユニットの供給ガスにリサイクルすることからなる、空気からの窒素の分離方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平２－１９４８０９号公報
【特許文献2】特開２００１－６２２４０号公報
【特許文献3】特開２００１－８９１１２号公報
【特許文献4】特開２０１１－１８４２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上述した各文献に記載の方法を含めた従来のガス分離方法において、透過速度の高い膜を用いた場合には、ガス分離選択性が低いため、システム全体としてのガス処理量が増えるのでガス圧縮の動力が大きくなる。一方、ガス分離選択性が高い膜を用いた場合には、ガス圧縮の動力が小さくて済むが、透過速度が低いため、膜面積を大きくする必要がある。このように、消費動力を抑えた上で、処理能力及び分離性能を向上させることは二律背反の関係にある。
したがって本発明の課題は、前述した従来技術が有する欠点を解消し得るガス分離装置及びガス分離方法を提供することにある。
したがって本発明の課題は、前述した従来技術が有する欠点を解消し得るガス分離装置及びガス分離方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、原料空気を吸い込み原料空気を所定圧に圧縮することができる圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮した前記原料空気を第１供給ガスとして取り込み、酸素が濃縮された第１透過ガスと窒素が濃縮された第１非透過ガスとに分離することができる第１分離膜ユニットと、
前記第１非透過ガスの全量を、第２供給ガスとして取り込み、酸素が濃縮された第２透過ガスと窒素が濃縮された第２非透過ガスとに分離することができる第２分離膜ユニットと、
で構成され
前記第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性が、前記第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性よりも高く、
かつ
前記第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比が、前記第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比よりも高い、
ガス分離装置を提供するものである。
前記圧縮機により圧縮した前記原料空気を第１供給ガスとして取り込み、酸素が濃縮された第１透過ガスと窒素が濃縮された第１非透過ガスとに分離することができる第１分離膜ユニットと、
前記第１非透過ガスの全量を、第２供給ガスとして取り込み、酸素が濃縮された第２透過ガスと窒素が濃縮された第２非透過ガスとに分離することができる第２分離膜ユニットと、
で構成され
前記第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性が、前記第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性よりも高く、
かつ
前記第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比が、前記第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比よりも高い、
ガス分離装置を提供するものである。
【0008】
本発明は、圧縮した原料空気を第１供給ガスとして第１分離膜ユニットに取り込み、酸素が濃縮された第１透過ガスと窒素が濃縮された第１非透過ガスとに分離し、
前記第１非透過ガスの全量を、第２供給ガスとして第２分離膜ユニットに取り込み、酸素が濃縮された第２透過ガスと窒素が濃縮された第２非透過ガスとに分離するガス分離方法であって、
前記第１分離膜ユニットとして、該第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性が、前記第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性よりも高いものを用い、
前記第２分離膜ユニットとして、該第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比が、前記第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比よりも高いものを用いる、ガス分離方法を提供するものである。
前記第１非透過ガスの全量を、第２供給ガスとして第２分離膜ユニットに取り込み、酸素が濃縮された第２透過ガスと窒素が濃縮された第２非透過ガスとに分離するガス分離方法であって、
前記第１分離膜ユニットとして、該第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性が、前記第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性よりも高いものを用い、
前記第２分離膜ユニットとして、該第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比が、前記第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比よりも高いものを用いる、ガス分離方法を提供するものである。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、消費動力を抑えた上で、処理能力及び分離効率が向上した空気分離を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。
図１に示す実施形態のガス分離装置１０は、２つのガス分離膜ユニットである第１分離膜ユニット１１及び第２分離膜ユニット１２を備えている。
図１に示す実施形態のガス分離装置１０は、２つのガス分離膜ユニットである第１分離膜ユニット１１及び第２分離膜ユニット１２を備えている。
【0012】
各分離膜ユニット１１，１２としては、例えば、図２に示すとおり、中空糸膜等からなり、ガス選択透過性を有するガス分離膜３０をケーシング３１内に収容してなるモジュールを用いることができる。モジュールにおけるケーシング３１は、対向する二面が開口して開口部３２を形成している。この開口部３２は、ガス分離膜３０をケーシング３１内に挿入するためのものであり、ガス分離膜３０の開口部ではない点に留意すべきである。ガス分離膜３０は、この開口部３２を通じてケーシング３１内に収容される。ガス分離膜３０が中空糸膜束からなる場合、該ガス分離膜３０はその収容状態において、ケーシング３１の各開口部３２の付近において中空糸膜の各端部が開口するように、ケーシング３１内に収容される。
【0013】
ガス分離膜３０がケーシング３１内に収容された状態においては、中空糸膜の延びる方向であるＹ方向の両端部の位置において、ガス分離膜３０が管板３３，３４によってケーシング３１の内壁に固定されている。ケーシング３１の各開口部３２は、蓋体３５，３６によって閉塞されている。蓋体３５にはガス入口３７が設けられている。一方、蓋体３６には非透過ガス排出口３８が設けられている。分離対象となる原料ガスは、蓋体３５のガス入口３７からモジュール内に導入される。導入されたガスのうち、ガス分離膜３０を透過したガスは、ケーシング３１に設けられた透過ガス排出口３９からユニット外に排出される。一方、ガス分離膜３０を透過しなかった非透過ガスは、蓋体３６の非透過ガス排出口３８からモジュール外に排出される。また、場合によっては、ケーシング３１にパージガスの供給口（図示せず）を設けてもよい。
【0014】
なお、各分離膜ユニット１１，１２として、図２に示すもの以外に、中空糸膜束の配糸形態が、交叉配列のもの、織物状のもの、スパイラル状のものなどを用いることができる。また、中空糸膜束の形態は円柱状、平板状、角柱状などの形態でもよい。これらの形態の中空糸膜束を、ケーシング内にその形態のままで、又はＵ字状に折り曲げたり、スパイラル状に巻き付けたりして収納してもよい。
【0015】
図１に戻ると、同図に示すとおり、第１分離膜ユニット１１と、第２分離膜ユニット１２とは直列に接続されている。具体的には、第１分離膜ユニット１１と、第２分離膜ユニット１２とは、第１分離膜ユニット１１の非透過ガス排出口１１ｂと、第２分離膜ユニット１２のガス入口１２ａとを非透過ガス排出ライン１４によって連結することで接続されている。
【0016】
第１分離膜ユニット１１のガス入口１１ａには、原料ガスである空気を第１分離膜ユニット１１へ供給するための原料ガス供給ライン１６が連結されている。原料ガス供給ライン１６の途中には、第１圧縮機２１が介在配置されている。第１圧縮機２１は、原料ガスを加圧する目的で設置されている。
【0017】
第２分離膜ユニット１２においては、ガス入口１２ａを通じて、第１分離膜ユニット１１から排出された非透過ガスが供給されるようになっている。この非透過ガスは、第２分離膜ユニット１２によって分離されて、透過ガスが透過ガス排出口１２ｃから排出されるようになっている。一方、非透過ガスは非透過ガス排出口１２ｂから排出されるようになっている。
【0018】
以上の構成を有する本実施形態のガス分離装置１０の動作について説明する。分離対象となる原料ガス（以下「第１供給ガス」ともいう。）、すなわち空気は、原料ガス供給ライン１６を通じて第１分離膜ユニット１１に供給される。供給に先立ち、第１供給ガスは、第１圧縮機２１によって加圧され、その圧力が上昇する。したがって第１分離膜ユニット１１は、第１供給ガスとしての圧縮空気を取り込むことになる。
第１圧縮機２１としては、当該技術分野においてこれまで用いられてきたものと同様のものを用いることができる。第１圧縮機２１としては、原料ガスを吸い込んで所定圧に圧縮できるものであれば、その種類に特に制限はない。
第１圧縮機２１としては、当該技術分野においてこれまで用いられてきたものと同様のものを用いることができる。第１圧縮機２１としては、原料ガスを吸い込んで所定圧に圧縮できるものであれば、その種類に特に制限はない。
【0019】
第１分離膜ユニット１１に供給される第１供給ガスの圧力は、０．１ＭＰａＧ以上３．０ＭＰａＧ以下に設定することが、第１分離膜ユニット１１及び第２分離膜ユニット１２における処理能力の向上の観点から好ましい。この利点を一層顕著なものとする観点から、第１分離膜ユニット１１に供給される第１供給ガスの圧力は、０．３ＭＰａＧ以上２．５ＭＰａＧ以下に設定することが一層好ましい。
【0020】
第１供給ガスは、分離対象となる異なる２種類のガスである窒素及び酸素を含んでいる。本発明の分離装置及び分離方法による回収の対象となるガスは窒素富化ガスである。窒素富化ガスは例えば、レーザー切断機や乾燥機の使用時に併用されたり、油井への注入に利用されたり、はんだ付け時や樹脂成形時に併用されたり、タイヤに窒素を充填する目的で使用されたり、防爆の目的で使用されたりする。
【0021】
第１圧縮機２１によって加圧された状態の第１供給ガスが第１分離膜ユニット１１に供給されると、ガス分離膜に対する透過速度の相違に起因して、ガス分離膜を透過したガスである透過ガスと、ガス分離膜を透過しなかったガスである非透過ガスとに分離される。本実施形態の第１分離膜ユニット１１に用いられているガス分離膜は、酸素の透過速度Ｐ'Ｏ２が、窒素の透過速度Ｐ'Ｎ２よりも高いので、酸素が透過ガスであり、窒素が非透過ガスである。したがって、第１分離膜ユニット１１から排出された第１非透過ガスは、第１供給ガスに比べて窒素が濃縮されたものである。
【0022】
第１非透過ガスは、第１分離膜ユニット１１の非透過ガス排出口１１ｂから排出され、非透過ガス排出ライン１４を通じて第２分離膜ユニット１２に供給される。したがって、以下の説明では、第１非透過ガスのことを「第２供給ガス」ともいう。
一方、第１分離膜ユニット１１のガス分離膜を透過した第１透過ガスは、原料ガスに比べて酸素が濃縮されたものである。第１透過ガスは、第１分離膜ユニット１１の透過ガス排出口１１ｃから排出され、透過ガス排出ライン１５を通じて排出される。
一方、第１分離膜ユニット１１のガス分離膜を透過した第１透過ガスは、原料ガスに比べて酸素が濃縮されたものである。第１透過ガスは、第１分離膜ユニット１１の透過ガス排出口１１ｃから排出され、透過ガス排出ライン１５を通じて排出される。
【0023】
第１分離膜ユニット１１の非透過ガス排出口１１ｂから排出された第１非透過ガス、すなわち第２供給ガスは、その全量を、第２分離膜ユニット１２に取り込んでもよいが、他の用途に使用するためにその一部を抜き出すこともできる。
【0024】
第２分離膜ユニット１２に導入された第２供給ガスは、同ユニット１２によって第２透過ガスと第２非透過ガスとに分離される。第２分離膜ユニット１２に用いられているガス分離膜は、第１分離膜ユニット１１に用いられているガス分離膜より、酸素の透過速度Ｐ'Ｏ２が、窒素の透過速度Ｐ'Ｎ２よりも高いので、第２非透過ガスは、第２分離膜ユニット１２に導入された第１非透過ガスに比べて、窒素が更に濃縮富化されたものとなる。第２非透過ガスは、第２分離膜ユニット１２の非透過ガス排出口１２ｂから取り出される。一方、第２透過ガスは、第２分離膜ユニット１２の透過ガス排出口１２ｃから排出される。第２透過ガスは、第２分離膜ユニット１２に導入された第１非透過ガスに比べて、酸素が更に濃縮富化されている。第２透過ガスの一部又は全部を、原料ガス供給ライン１６に供給してもよい。
【0025】
本実施形態においては、第１分離膜ユニット１１におけるガス分離膜と、第２分離膜ユニット１２におけるガス分離膜とは、（ｉ）酸素透過性に相違がありかつ（ii）酸素と窒素の透過比に相違がある。以下、これら（ｉ）及び（ii）について詳述する。なお以下の説明においては、簡便のために、第１分離膜ユニット１１におけるガス分離膜のことを「第１分離膜」といい、第２分離膜ユニット１２におけるガス分離膜のことを「第２分離膜」という。
【0026】
第１分離膜と第２分離膜とでは、酸素透過性に相違がある。詳細には、第１ガス分離膜の酸素透過性は、第２分離膜の酸素透過性よりも高い。酸素透過性の高低は、酸素についてのガス透過速度を尺度として評価できる。ガス透過速度Ｐ’は、単位膜面積・単位時間・単位分圧差あたりのガスの透過体積のことであり、単位は、〔×１０－５ｃｍ３（ＳＴＰ）／（ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）〕で表される。すなわち、第１分離膜における酸素の透過速度は、第２分離膜における酸素の透過速度よりも大きい。
【0027】
第１分離膜と第２分離膜との酸素の透過速度の大小関係が上述のとおりであれば、酸素の透過速度の値そのものは特に制限されない。
【0028】
第１分離膜と第２分離膜とでは、酸素と窒素の透過比に相違がある。詳細には、第２ガス分離膜の酸素と窒素との透過比は、第１ガス分離膜の酸素と窒素との透過比よりも高い。この透過比の高低は、膜のガス分離選択性を尺度として評価できる。膜のガス分離選択性は〔高透過性ガスの透過速度／低透過性ガスの透過速度〕の比、つまり、〔酸素の透過速度／窒素の透過速度〕の比で表すことができる。
【0029】
第１分離膜と第２分離膜とのガス分離選択性の大小関係は上述のとおりであり、運転時の温度において第１分離膜のガス分離選択性Ｓ１の値そのものは、３．５以上であることが、省エネルギーの観点から好ましい。この利点を一層顕著なものとする観点から、第１分離膜のガス分離選択性Ｓ１の値は、４．５以上であることが更に好ましく、５．５以上であることが一層好ましい。
【0030】
一方、運転時の温度において第２分離膜のガス分離選択性Ｓ２の値そのものは、第１分離膜のガス分離選択性Ｓ１の値よりも大きいことを条件として、４．５以上であることが、省エネルギーの観点から好ましい。この利点を一層顕著なものとする観点から、第２分離膜のガス分離選択性Ｓ２の値は、５．５以上であることが更に好ましく、６．５以上であることが一層好ましい。
【0031】
後述する実施例と比較例との対比から明らかなとおり、酸素透過性が高いガス分離膜のみを用いて空気から窒素と酸素とを分離する場合、処理能力は高くなるが、分離効率に劣り、圧縮動力の低減が要望される場合には不向きなものになる。一方、窒素と酸素との分離性能が高いガス分離膜を用いて空気から窒素と酸素とを分離する場合、分離効率は向上し、圧縮動力は低減するが、処理能力の向上が要望される場合には不向きなものになる。
このこととは対照的に、本実施形態によれば、第１段目の分離膜ユニットに用いられるガス分離膜として、第２段目の分離膜ユニットに用いられるガス分離膜よりも、酸素透過性が高いものを用いること、及び第２段目の分離膜ユニットに用いられるガス分離膜として、第１段目の分離膜ユニットに用いられるガス分離膜よりもガス分離選択性の高いものを用いることで、圧縮動力を抑えた上で、処理能力及び分離効率が向上した空気分離が可能となる。
このこととは対照的に、本実施形態によれば、第１段目の分離膜ユニットに用いられるガス分離膜として、第２段目の分離膜ユニットに用いられるガス分離膜よりも、酸素透過性が高いものを用いること、及び第２段目の分離膜ユニットに用いられるガス分離膜として、第１段目の分離膜ユニットに用いられるガス分離膜よりもガス分離選択性の高いものを用いることで、圧縮動力を抑えた上で、処理能力及び分離効率が向上した空気分離が可能となる。
【0032】
ガス分離膜のガス透過速度及びガス分離選択性は、それぞれ、運転時の各分離膜ユニット１１，１２における温度条件において、上述の条件を満たしていればよい。
【0033】
運転時において分離膜ユニット１１，１２間でガス透過速度及び／又はガス分離選択性を異ならせる方法としては、使用するガス分離膜の種類を、第１分離膜ユニット１１と第２分離膜ユニット１２とで異ならせる方法が挙げられる。分離膜ユニット１１，１２間でガス分離膜の種類を異ならせるには、例えば分離膜ユニット１１，１２間で（１）異なる化学組成を有するガス分離膜を用いる、（２）同一の化学組成を有するガス分離膜であるが、製膜の条件、熱処理の温度といった製造条件が異なるガス分離膜を用いる、及び（３）同一の化学組成及び製造条件のガス分離膜であるが、コーティングその他の表面処理の条件が異なるガス分離膜を用いる等の手段を採用すればよい。
【0034】
なお、同一のガス分離膜を用いた場合であっても、その運転温度を相対的に低く設定した場合には運転温度を相対的に高く設定した場合に比べ、ガス透過速度が低くなることが、一般的に知られている。このことに基づき、各分離膜ユニット１１，１２の運転温度を異ならせて、２つの分離膜ユニット１１，１２間のガス透過速度を調整して、上述した関係を満たすようにしてもよい。
【0035】
分離膜ユニット１２のガス透過速度及びガス分離選択性を調整するために、ガス分離装置１０は、第１分離膜ユニット１１と第２分離膜ユニット１２との間に、第２供給ガスの冷却装置（図示せず）を備えてもよい。
【0036】
図３には、本発明の別の実施形態が示されている。同図に示す実施形態のガス分離装置１０は、第１分離膜ユニット１１と第２分離膜ユニット１２との間に、第２圧縮機２２を備えている。第２圧縮機２２は、第１分離膜ユニット１１から排出された第１非透過ガスを昇圧して第２供給ガスとするために用いられる。第２圧縮機２２によって第２供給ガスを昇圧することで、第１圧縮機２１による第１供給ガスの昇圧の程度を低くすることができる。その結果、第２非透過ガスの単位体積当たりの圧縮動力を、第２圧縮機２２を用いない場合に比べて低くできるという利点がある。
【0037】
以上の利点を一層顕著なものとする観点から、第２分離膜ユニット１２に供給される第２供給ガスの圧力は、０．５ＭＰａＧ以上５．０ＭＰａＧ以下に設定することが好ましく、０．７ＭＰａＧ以上３．０ＭＰａＧ以下に設定することが一層好ましい。
【0038】
本実施形態においては、第１圧縮機２１に加えて、第２圧縮機２２が用いられること、第１分離膜ユニット１１におけるガス分離膜の酸素透過性が高いこと、及び２分離膜ユニット１２におけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比が、第１分離膜ユニット１１におけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比よりも高いことから、第１分離膜ユニット１１に供給される第１供給ガスの圧力を高く設定しないことが好ましい。例えば、第１分離膜ユニット１１に供給される第１供給ガスの圧力を、第２分離膜ユニット１２に供給される第２供給ガスの圧力よりも低く設定することが好ましい。これによって、ガス分離装置１０の全体の消費動力を抑えることが可能となる。
以上の観点から、第１分離膜ユニット１１に供給される第１供給ガスの圧力は、第２分離膜ユニット１２に供給される第２供給ガスの圧力よりも低いことを条件として、０．１ＭＰａＧ以上３ＭＰａＧ以下に設定することが好ましく、０．３ＭＰａＧ以上２．５ＭＰａＧ以下に設定することが一層好ましい。
以上の観点から、第１分離膜ユニット１１に供給される第１供給ガスの圧力は、第２分離膜ユニット１２に供給される第２供給ガスの圧力よりも低いことを条件として、０．１ＭＰａＧ以上３ＭＰａＧ以下に設定することが好ましく、０．３ＭＰａＧ以上２．５ＭＰａＧ以下に設定することが一層好ましい。
【0039】
本実施形態のガス分離装置１０が冷却装置を備える場合、該冷却装置を第２圧縮機２２よりも上流側に設置してもよく、あるいは第２圧縮機２２よりも下流側に設置してもよい。第２分離膜ユニット１２の運転温度を調整するのが容易となるため、第２圧縮機２２よりも下流側に冷却装置を設置することが好ましい。
【0040】
【0041】
以上の各実施形態のガス分離装置１０では、第１分離膜ユニット１１から排出される第１非透過ガスの酸素濃度が５ｍｏｌ％以上１８ｍｏｌ％以下となるように、酸素と窒素とが分離されることが、窒素が富化された第１非透過ガスを効率的に得る観点から好ましい。この利点を一層顕著なものとする観点から、第１分離膜ユニット１１から排出される第１非透過ガスの酸素濃度が１０ｍｏｌ％以上１５ｍｏｌ％以下となるように、酸素と窒素とが分離されることが一層好ましい。
【0042】
一方、第２分離膜ユニット１２から排出される第２非透過ガスの酸素濃度が０．１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下となるように、酸素と窒素とが分離されることが、窒素が一層富化された第２非透過ガスを効率的に得る観点から好ましい。この利点を一層顕著なものとする観点から、第２分離膜ユニット１２から排出される第２非透過ガスの酸素濃度が０．５ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下となるように、酸素と窒素とが分離されることが一層好ましい。
【0043】
以上の各実施形態のガス分離装置１０において用いられるガス分離膜としては、当該技術分野においてこれまで用いられているものと同様のものが挙げられる。例えばポリイミド、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、シリコーン樹脂、セルロース系ポリマーなどの高分子材料、高分子材料を炭化又は部分炭素化した材料、ゼオライトなどのセラミックス材料などで形成されるガス分離膜を好適に挙げることができる。特に、高分子材料からなるガス分離膜、とりわけ非対称ポリイミドガス分離膜は、ガス分離性能が高いのみならず、耐熱性、耐久性及び耐溶剤性などの特性が優れているので好ましいものである。
【0044】
１つのガス分離膜ユニット内に備えられているモジュールは１本であってもよく、あるいは複数本であってもよい。１つのガス分離膜ユニット内に２本以上のモジュールが備えられているときは、複数本のモジュールがユニット内で並列に接続されていることが好ましい。各分離膜ユニット１１，１２がモジュールを複数本備えている場合、該モジュールの本数を変更することでユニット内の膜面積を容易に調整することができる。
【0045】
以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は前記実施形態に制限されない。例えば図３に示す実施形態においては、非透過ガス排出ライン１４に第２圧縮機２２を介在配置させていたが、これに代えて又はこれに加えて、第２分離膜ユニット１２の透過側空間を真空ポンプ等によって大気圧以下に減圧して、圧縮動力を更に低減させてもよい。
【実施例0046】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。
【0047】
〔実施例１Ａ及び実施例２Ａ〕
図１に示すガス分離装置１０を用いて、空気からの窒素と酸素との分離を行った。第１及び第２分離膜ユニット１１，１２を構成するモジュールとして、運転温度におけるＰ'Ｏ２が９．７×１０－５ｃｍ３（ＳＴＰ）／（ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）であり、ガス分離選択性Ｐ'Ｏ２／Ｐ'Ｎ２が５．８であるガス分離膜を用いたモジュールＡ（第１分離膜ユニット１１）、及びＰ'Ｏ２が２．７×１０－５ｃｍ３（ＳＴＰ）／（ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）であり、ガス分離選択性Ｐ'Ｏ２／Ｐ'Ｎ２が６．９であるガス分離膜を用いたモジュールＢ（第２分離膜ユニット１２）の２種類のモジュールを用いた。これらのモジュールは、ポリイミド中空糸膜から構成されるガス分離膜をケース内に収容したものであり、圧縮空気を原料ガスとして用い、窒素富化空気を得る場合に、下記の表１に記載のとおりの応答を示すものであった。なお同表に示す値は、同サイズの１本のモジュールについてのものである。
図１に示すガス分離装置１０を用いて、空気からの窒素と酸素との分離を行った。第１及び第２分離膜ユニット１１，１２を構成するモジュールとして、運転温度におけるＰ'Ｏ２が９．７×１０－５ｃｍ３（ＳＴＰ）／（ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）であり、ガス分離選択性Ｐ'Ｏ２／Ｐ'Ｎ２が５．８であるガス分離膜を用いたモジュールＡ（第１分離膜ユニット１１）、及びＰ'Ｏ２が２．７×１０－５ｃｍ３（ＳＴＰ）／（ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）であり、ガス分離選択性Ｐ'Ｏ２／Ｐ'Ｎ２が６．９であるガス分離膜を用いたモジュールＢ（第２分離膜ユニット１２）の２種類のモジュールを用いた。これらのモジュールは、ポリイミド中空糸膜から構成されるガス分離膜をケース内に収容したものであり、圧縮空気を原料ガスとして用い、窒素富化空気を得る場合に、下記の表１に記載のとおりの応答を示すものであった。なお同表に示す値は、同サイズの１本のモジュールについてのものである。
【0048】
【表1】
【0049】
第１分離膜ユニット１１（１段目）を構成するモジュールの本数、及び第２分離膜ユニット１２（２段目）を構成するモジュールの本数を、以下の表２に示すとおりに設定した。なおモジュールを複数本用いる場合は並列に接続した。また、第２非透過ガスに含まれる酸素の濃度が５ｍｏｌ％となるように、同表に示す条件でガス分離装置１０を運転した。
【0050】
〔比較例１Ａ〕
第１分離膜ユニット１１のみを用い、非透過ガスに含まれる酸素の濃度が５ｍｏｌ％となるように、表２に示す条件でガス分離装置１０を運転した。それ以外は実施例１Ａと同様にしてガス分離を行った。
第１分離膜ユニット１１のみを用い、非透過ガスに含まれる酸素の濃度が５ｍｏｌ％となるように、表２に示す条件でガス分離装置１０を運転した。それ以外は実施例１Ａと同様にしてガス分離を行った。
【0051】
〔比較例２Ａ〕
第２分離膜ユニット１２のみを用い、非透過ガスに含まれる酸素の濃度が５ｍｏｌ％となるように、表２に示す条件でガス分離装置１０を運転した。それ以外は実施例１Ａと同様にしてガス分離を行った。
第２分離膜ユニット１２のみを用い、非透過ガスに含まれる酸素の濃度が５ｍｏｌ％となるように、表２に示す条件でガス分離装置１０を運転した。それ以外は実施例１Ａと同様にしてガス分離を行った。
【0052】
【表2】
【0053】
〔実施例１Ｂ及び実施例２Ｂ〕
第１分離膜ユニット１１を構成するモジュールの本数、及び第２分離膜ユニット１２を構成するモジュールの本数を、以下の表３に示すとおりに設定した。また、第２非透過ガスに含まれる酸素の濃度が１ｍｏｌ％となるように、同表に示す条件でガス分離装置１０を運転した。それ以外は実施例１Ａと同様にしてガス分離を行った。
第１分離膜ユニット１１を構成するモジュールの本数、及び第２分離膜ユニット１２を構成するモジュールの本数を、以下の表３に示すとおりに設定した。また、第２非透過ガスに含まれる酸素の濃度が１ｍｏｌ％となるように、同表に示す条件でガス分離装置１０を運転した。それ以外は実施例１Ａと同様にしてガス分離を行った。
【0054】
〔比較例１Ｂ〕
第１分離膜ユニット１１のみを用い、非透過ガスに含まれる酸素の濃度が１ｍｏｌ％となるように、表３に示す条件でガス分離装置１０を運転した。それ以外は実施例１Ａと同様にしてガス分離を行った。
第１分離膜ユニット１１のみを用い、非透過ガスに含まれる酸素の濃度が１ｍｏｌ％となるように、表３に示す条件でガス分離装置１０を運転した。それ以外は実施例１Ａと同様にしてガス分離を行った。
【0055】
〔比較例２Ｂ〕
第２分離膜ユニット１２のみを用い、非透過ガスに含まれる酸素の濃度が１ｍｏｌ％となるように、表３に示す条件でガス分離装置１０を運転した。それ以外は実施例１Ａと同様にしてガス分離を行った。
第２分離膜ユニット１２のみを用い、非透過ガスに含まれる酸素の濃度が１ｍｏｌ％となるように、表３に示す条件でガス分離装置１０を運転した。それ以外は実施例１Ａと同様にしてガス分離を行った。
【0056】
【表3】
【0057】
〔実施例３Ａ及び実施例４Ａ〕
図３に示すガス分離装置１０を用いて、空気からの窒素と酸素との分離を行った。第１分離膜ユニット１１を構成するモジュールの本数、及び第２分離膜ユニット１２を構成するモジュールの本数を、以下の表４に示すとおりに設定した。また、第２非透過ガスに含まれる酸素の濃度が５ｍｏｌ％となるように、同表に示す条件でガス分離装置１０を運転した。なお表４には、比較を容易にする目的で、上掲した比較例１Ａ及び比較例２Ａの結果も併記した。
図３に示すガス分離装置１０を用いて、空気からの窒素と酸素との分離を行った。第１分離膜ユニット１１を構成するモジュールの本数、及び第２分離膜ユニット１２を構成するモジュールの本数を、以下の表４に示すとおりに設定した。また、第２非透過ガスに含まれる酸素の濃度が５ｍｏｌ％となるように、同表に示す条件でガス分離装置１０を運転した。なお表４には、比較を容易にする目的で、上掲した比較例１Ａ及び比較例２Ａの結果も併記した。
【0058】
【表4】
【0059】
〔実施例３Ｂ及び実施例４Ｂ〕
図３に示すガス分離装置１０を用いて、空気からの窒素と酸素との分離を行った。第１分離膜ユニット１１を構成するモジュールの本数、及び第２分離膜ユニット１２を構成するモジュールの本数を、以下の表５に示すとおりに設定した。また、第２非透過ガスに含まれる酸素の濃度が１ｍｏｌ％となるように、同表に示す条件でガス分離装置１０を運転した。なお表５には、比較を容易にする目的で、上掲した比較例１Ｂ及び比較例２Ｂの結果も併記した。
図３に示すガス分離装置１０を用いて、空気からの窒素と酸素との分離を行った。第１分離膜ユニット１１を構成するモジュールの本数、及び第２分離膜ユニット１２を構成するモジュールの本数を、以下の表５に示すとおりに設定した。また、第２非透過ガスに含まれる酸素の濃度が１ｍｏｌ％となるように、同表に示す条件でガス分離装置１０を運転した。なお表５には、比較を容易にする目的で、上掲した比較例１Ｂ及び比較例２Ｂの結果も併記した。
【0060】
【表5】
【0061】
〔評価〕
実施例及び比較例における、第２非透過ガスの量とモジュールの本数との関係、及び第２非透過ガスの量と圧縮動力との関係を、以下に示す表６に纏めた。
実施例及び比較例における、第２非透過ガスの量とモジュールの本数との関係、及び第２非透過ガスの量と圧縮動力との関係を、以下に示す表６に纏めた。
【0062】
【表6】
【0063】
以上の各表に示す結果から、以下のことが分かる。
図１に示すガス分離装置を用いた実施例１Ａ及び実施例２Ａと、比較例１Ａ及び比較例２Ａとの対比から、実施例１Ａ及び実施例２Ａにおけるガス量当たりのモジュールの本数は、比較例１Ａ及び比較例２Ａの中間の値であることが分かる。また、実施例１Ａ及び実施例２Ａにおけるガス量当たりの動力も、比較例１Ａ及び比較例２Ａの中間の値であることが分かる。したがって、図１に示すガス分離装置によれば、使用するモジュールの選択といった簡易な方法で、ガス分離条件の選択肢が増えることが分かる。
実施例１Ｂ及び実施例２Ｂと、比較例１Ｂ及び比較例２Ｂとの対比からも、同様の結論が導かれる。
図１に示すガス分離装置を用いた実施例１Ａ及び実施例２Ａと、比較例１Ａ及び比較例２Ａとの対比から、実施例１Ａ及び実施例２Ａにおけるガス量当たりのモジュールの本数は、比較例１Ａ及び比較例２Ａの中間の値であることが分かる。また、実施例１Ａ及び実施例２Ａにおけるガス量当たりの動力も、比較例１Ａ及び比較例２Ａの中間の値であることが分かる。したがって、図１に示すガス分離装置によれば、使用するモジュールの選択といった簡易な方法で、ガス分離条件の選択肢が増えることが分かる。
実施例１Ｂ及び実施例２Ｂと、比較例１Ｂ及び比較例２Ｂとの対比からも、同様の結論が導かれる。
【0064】
図３に示すガス分離装置を用いた実施例３Ａ及び実施例４Ａと、比較例１Ａ及び比較例２Ａとの対比から、実施例３Ａ及び実施例４Ａにおけるガス量当たりのモジュールの本数は、比較例２Ａよりも改善されていることが分かる。また、実施例３Ａ及び実施例４Ａにおけるガス量当たりの動力も、比較例２Ａよりも改善されていることが分かる。
実施例３Ｂ及び実施例４Ｂと、比較例２Ｂとの対比からも、同様の結論が導かれる。
実施例３Ｂ及び実施例４Ｂと、比較例２Ｂとの対比からも、同様の結論が導かれる。
【符号の説明】
【0065】
１０ ガス分離装置
１１ 第１分離膜ユニット
１１ａ ガス入口
１１ｂ 非透過ガス排出口
１１ｃ 透過ガス排出口
１２ 第２分離膜ユニット
１２ａ ガス入口
１２ｂ 非透過ガス排出口
１２ｃ 透過ガス排出口
１４ 非透過ガス排出ライン
１５ 透過ガス排出ライン
１６ 原料ガス供給ライン
２１ 第１圧縮機
２２ 第２圧縮機
１１ 第１分離膜ユニット
１１ａ ガス入口
１１ｂ 非透過ガス排出口
１１ｃ 透過ガス排出口
１２ 第２分離膜ユニット
１２ａ ガス入口
１２ｂ 非透過ガス排出口
１２ｃ 透過ガス排出口
１４ 非透過ガス排出ライン
１５ 透過ガス排出ライン
１６ 原料ガス供給ライン
２１ 第１圧縮機
２２ 第２圧縮機
【図1】
【図2】
【図3】