特開 2024-170996 ガス分離システムとその制御方法

(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】P2024170996

(43)【公開日】2024-12-11

(54)【発明の名称】ガス分離システムとその制御方法

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/22 20060101AFI20241204BHJP

【ＦＩ】

B01D53/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023087815

(22)【出願日】2023-05-29

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】石田 直行

(72)【発明者】

【氏名】飯塚 秀宏

(72)【発明者】

【氏名】矢敷 達朗

(72)【発明者】

【氏名】渡部 亜由美

(72)【発明者】

【氏名】河原 洋平

(72)【発明者】

【氏名】金 恩敬

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 良平

【テーマコード（参考）】

4D006

【Ｆターム（参考）】

4D006GA41

4D006KE02Q

4D006KE03Q

4D006KE04Q

4D006KE08P

4D006KE08Q

4D006KE09P

4D006KE09Q

4D006KE11P

4D006KE12P

4D006KE22Q

4D006MC03

4D006MC05

4D006MC09

4D006PA10

4D006PB18

4D006PB66

4D006PB68

(57)【要約】

【課題】ガスグリッドの特定ガス濃度がユーザの指定する濃度を挟んで変動する場合にも容易な操作でユーザの指定する濃度に制御が可能となるガス分離システムを提供する。
【解決手段】分離膜３０によって分離した非透過ガスと透過ガスを再混合し特定ガス濃度を一定に制御するガス分離システム１であって、非透過ガス配管１３と透過ガス配管１６に流量調整弁２３，２４を備え、圧力調整弁２２を備えた非透過ガス配管１３から分岐された非透過ガス戻し配管１４と圧力調整弁２５を備えた透過ガス配管１６から分岐された透過ガス戻し配管１８のいずれかまたは両方を備えている。制御装置５１は、供給ガスの特定ガス濃度と非透過側及び透過側圧力によりあらかじめ用意した制御マップに基づいて流量調整弁２３，２４及び圧力調整弁２２，２５を制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

分離膜モジュールから排出された非透過ガスと透過ガスを再混合し特定ガス濃度を一定に制御するガス分離システムであって、
前記分離膜モジュールから前記非透過ガスを取り出す、第１流量調整弁を有する非透過ガス配管と、
前記分離膜モジュールから前記透過ガスを取り出す、第２流量調整弁を有する透過ガス配管と、を備え、
前記非透過ガス配管と前記透過ガス配管は、前記第１流量調整弁及び前記第２流量調整弁の下流側で取出し配管に接続され、
さらに、前記非透過ガス配管と前記透過ガス配管については、
前記非透過ガス側の構成として、前記第１流量調整弁の上流側で前記非透過ガス配管から分岐され、第１圧力調整弁を有する非透過ガス戻し配管と、
前記透過ガス側の構成として、前記第２流量調整弁の上流側で前記透過ガス配管から分岐され、第２圧力調整弁を有する透過ガス戻し配管と、のうちいずれか又は両方を備えている
ことを特徴とするガス分離システム。

【請求項2】

請求項１に記載のガス分離システムにおいて、
前記分離膜モジュールにガスを供給する供給ガス配管から分岐され前記分離膜モジュールの透過側に接続した供給ガス分岐配管を備え、
前記供給ガス分岐配管に流量調整弁を有する
ことを特徴とするガス分離システム。

【請求項3】

請求項１に記載のガス分離システムにおいて、
供給ガスの特定のガス濃度を測定する特定ガス濃度計と、前記分離膜モジュールの非透過側の圧力を測定する第１圧力計と、透過側の圧力を測定する第２圧力計と、前記分離膜モジュールにガスを供給する供給ガス配管に流量調整弁とを備え、
前記特定ガス濃度計、前記第１圧力計及び前記第２圧力計の測定値と、前記供給ガス配管の流量調整弁の開度の情報とに基づき、前記第１流量調整弁、前記第２流量調整弁、前記第１圧力調整弁又は／及び前記第２圧力調整弁の圧力調整弁の開度を指定する信号を送信する制御装置を備えている
ことを特徴とするガス分離システム。

【請求項4】

請求項２に記載のガス分離システムにおいて、
供給ガスの特定のガス濃度を測定する特定ガス濃度計と、前記分離膜モジュールの非透過側の圧力を測定する第１圧力計と、透過側の圧力を測定する第２圧力計と、前記分離膜モジュールにガスを供給する供給ガス配管に流量調整弁とを備え、
前記特定ガス濃度計、前記第１圧力計及び前記第２圧力計の測定値と、前記供給ガス配管の流量調整弁の開度の情報とに基づき、前記第１流量調整弁、前記第２流量調整弁、前記第１圧力調整弁又は／及び前記第２圧力調整弁の圧力調整弁の開度と、前記供給ガス分岐配管に備えた流量調整弁の開度とを指定する信号を送信する制御装置を備えている
ことを特徴とするガス分離システム。

【請求項5】

請求項４に記載のガス分離システムにおいて、
前記制御装置は、前記供給ガス分岐配管に備えた流量調整弁の開度を固定して、その他の圧力調整弁及び流量調整弁の開度を制御する
ことを特徴とするガス分離システム。

【請求項6】

請求項３乃至５のいずれか１項に記載のガス分離システムにおいて、
前記制御装置は、前記特定ガス濃度計、前記第１圧力計及び第２圧力計の測定値と、前記供給ガス配管の流量調整弁の開度の情報とから流量調整弁及び圧力調整弁の開度を算出する制御マップを備えている
ことを特徴とするガス分離システム。

【請求項7】

請求項４に記載のガス分離システムにおいて、
前記制御装置は、供給ガスの特定ガス濃度が目標の取出しガスの特定ガス濃度よりも低い場合に、供給ガスの特定ガス濃度が上昇したときに前記供給ガス分岐配管に備えた流量調整弁の開度を小さくし、特定ガスの濃度が低下したときは開度を大きくし、供給ガスの特定ガス濃度が目標の取出しガスの特定ガス濃度以上の場合に、前記供給ガス分岐配管に備えた流量調整弁の開度をゼロにする
ことを特徴とするガス分離システム。

【請求項8】

請求項６に記載のガス分離システムにおいて、
前記制御装置は、前記特定ガス濃度計と前記分離膜モジュールの入口までの距離と制御装置により算出した供給ガス流速から、前記特定ガス濃度計を通過した供給ガスが前記分離膜モジュールの入口に到達する時間を算出し、前記算出した時間だけ流量調整弁及び圧力調整弁の制御を遅らせる
ことを特徴とするガス分離システム。

【請求項9】

分離膜モジュールから排出された非透過ガスと透過ガスを再混合し特定ガス濃度を一定に制御するガス分離システムの制御方法であって、
前記ガス分離システムは、
前記分離膜モジュールから前記非透過ガスを取り出す、第１流量調整弁を有する非透過ガス配管と、
前記分離膜モジュールから前記透過ガスを取り出す、第２流量調整弁を有する透過ガス配管と、を備え、
前記非透過ガス配管と前記透過ガス配管は、前記第１流量調整弁及び前記第２流量調整弁の下流側で取出し配管に接続され、
さらに、前記非透過ガス配管と前記透過ガス配管については、
前記非透過ガス側の構成として、前記第１流量調整弁の上流側で前記非透過ガス配管から分岐され、第１圧力調整弁を有する非透過ガス戻し配管と、
前記透過ガス側の構成として、前記第２流量調整弁の上流側で前記透過ガス配管から分岐され、第２圧力調整弁を有する透過ガス戻し配管と、のうちいずれか又は両方を備え、
さらに、供給ガスの特定のガス濃度を測定する特定ガス濃度計と、前記分離膜モジュールの非透過側の圧力を測定する第１圧力計と、透過側の圧力を測定する第２圧力計と、前記分離膜モジュールにガスを供給する供給ガス配管に流量調整弁と、制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記特定ガス濃度計、前記第１圧力計及び前記第２圧力計の測定値と、前記供給ガス配管の流量調整弁の開度の情報とに基づき、前記第１流量調整弁と、前記第２流量調整弁と、前記第１圧力調整弁又は／及び第２圧力調整弁の圧力調整弁の開度とを指定する信号を送信する
ことを特徴とする制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス分離システムとその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

複数の混合ガスから特定のガスを分離する方法として、ガスを選択的に透過する分離膜を利用する方法がある。例えば、セラミック膜に代表される分子径の差により分離する分子ふるい膜や膜へのガスの溶解性の差を利用した高分子膜等がある。これらの分離膜では、透過させたい特定ガス以外も一定量透過する。分離膜を透過させる前を非透過側、透過させた後を透過側と呼ぶ。分離膜のガス透過量は、非透過側のガス分圧と透過側のガス分圧の差に膜面積を乗じたものに比例する。高分子素材は比較的加工が容易であり、中空糸状やシート状にしたものを容器に封入したモジュールが実用化されている。分離膜を用いて特定ガスを必要な濃度に制御する方法が特許文献１に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５１１１８２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では、透過ガスにバイパスした原料ガスを混ぜて透過ガスの純度を一定に維持しつつ回収率を高めている。透過ガスの純度が変化する要因として、分離膜モジュールに供給される原料ガス流量が挙げられている。例えば、原料ガス流量が減少すると、分離膜モジュール出口付近で難透過性ガスの分圧が上昇して難透過性ガスの透過量が増え、透過ガスの純度が低下する。この場合、バイパスする純度の低い原料ガスの流量を低下させて透過ガスの純度を一定以上に維持する。

【0005】

既存ガスグリッドに特定ガスとして水素を混合させて輸送する場合、ユーザにより必要とする水素濃度は様々であり、利用状況によりガスグリッド内の水素濃度が変動する。例えば、水素濃度２０％を必要とするユーザには、ガスグリッドの水素濃度が２０％よりも小さければ特許文献１の構成で水素濃度２０％に制御できるが、ガスグリッドの水素濃度が２０％を超えると、分離膜を透過するガスの水素濃度は２０％以上となり、バイパスガスの水素濃度も２０％を超えているので、特許文献１の構成で透過ガス配管の水素濃度を２０％に制御することはできない。

【0006】

特許文献１の構成において非透過ガス配管の水素濃度を２０％に制御して製品ガスとして取り出すことは可能であるが、非透過ガス配管を製品ガス配管に接続して、非透過ガス配管及び透過ガス配管に弁を取り付ける必要がある。ガスグリッドの水素濃度が２０％を挟んで変動した場合、２０％以下では透過ガス配管のガスを取出し、２０％を超えると非透過ガス配管のガスを取り出すことになり、各配管の弁を不連続に切り替える必要がある。配管の切り替え時にユーザに供給するガスの水素濃度が大きく変動する可能性がある。このため、ガスグリッドの特定ガス濃度がユーザの指定する濃度を挟んで変動する場合にも容易な操作できることが望まれていた。

【0007】

本発明の目的は、ガスグリッドの特定ガス濃度がユーザの指定する濃度を挟んで変動する場合にも容易な操作でユーザの指定する濃度に制御が可能となるガス分離システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記課題を解決するため、本発明のガス分離システムは、分離膜モジュールから排出された非透過ガスと透過ガスを再混合し特定ガス濃度を一定に制御するガス分離システムであって、前記分離膜モジュールから前記非透過ガスを取り出す、第１流量調整弁を有する非透過ガス配管と、前記分離膜モジュールから前記透過ガスを取り出す、第２流量調整弁を有する透過ガス配管と、を備え、前記非透過ガス配管と前記透過ガス配管は、前記第１流量調整弁及び前記第２流量調整弁の下流側で取出し配管に接続され、前記非透過ガス配管は前記第１流量調整弁の上流側で分岐され、第１圧力調整弁を有する非透過ガス戻し配管と、前記透過ガス配管は前記第２流量調整弁の上流側で分岐され、第２圧力調整弁を有する透過ガス戻し配管とのうちいずれか又は両方を備えていることを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、ガスグリッドの特定ガス濃度がユーザの指定する濃度を挟んで変動する場合にも容易な操作でユーザの指定する濃度に制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１の実施の形態に係るガス分離システムを示す概略図である。

【図2】ガス分離システムの供給ガス水素濃度に対する各弁の開度の例を示した図である。

【図3】第２の実施の形態に係るガス分離システムのうち、供給ガス水素濃度の変動幅の上限が取出しガス水素濃度の許容変動幅上限よりも低い場合の概略図である。

【図4】第２の実施の形態に係るガス分離システムのうち、供給ガス水素濃度の変動幅の下限が取出しガス水素濃度の許容変動幅下限よりも高い場合の概略図である。

【図5】第３の実施の形態に係るガス分離システムを示す概略図である。

【図6】供給ガス水素濃度に対する水素回収率の第１の実施の形態と第３の実施の形態の比較を示した図である。

【図7】供給ガス水素濃度に対する水素回収率の第１の実施の形態と第３の実施の形態と第４の実施の形態の比較を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本実施の形態は、既存のメタンを主成分とする天然ガス等のガスグリッドを用いて天然ガスとは異なる特定ガスを天然ガスと混ぜて輸送する場合に、特定ガス利用者が利用場所において必要とする特定ガス濃度に制御するシステム及びガス生産設備や化学プラント等において特定ガス濃度を制御するシステムとその制御方法に関する。

【0012】

以下、本発明のガス分離システムの実施の形態について図面を用いて説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態に係るガス分離システム１を示す概略図である。第１の実施の形態について図１を用いて説明する。本実施の形態では、水素とメタンを混合させた供給ガスを対象に、供給ガスの水素濃度がある値を挟んで変動しても、取出しガスの水素濃度を例えば２０％（vol％）一定に制御するガス分離システムとその制御方法について説明する。

【0013】

ガス分離システム１は、供給ガスの水素濃度が２０％を挟んで変動しても非透過ガス配管１３及び透過ガス配管１６の弁開度を不連続に変化させずに取出しガスの水素濃度を２０％一定に制御ために、分離膜モジュール１０で分離した非透過ガスと透過ガスを適量で再混合させるシステムとしている。

【0014】

ガスグリッドの母管（図示せず）から分岐した供給ガス配管１１からガス分離システム１（水素分離システム）に混合ガスを供給する。供給ガス配管１１には供給ガス流量を調整する流量調整弁２０を備えている。ガス分離システム１には分離膜モジュール１０を設置している。分離膜モジュール１０内は分離膜３０を境に非透過側３１と透過側３２に分けられる。本実施の形態では、水素分離膜として高分子膜を用いる。なお、セラミック系や炭素系の水素分離膜を用いてもよい。各ガスの透過量は、各ガスの透過速度と非透過側３１と透過側３２の各ガスの分圧差に分離膜の膜面積を掛け合わせた量となる。これらの分離膜３０では、水素の透過速度がメタンの透過速度よりも大きく、水素の方が分離膜を透過しやすいため、透過側３２の水素濃度は供給ガスの水素濃度よりも高くなる一方で、水素がメタンよりもより多く透過した残りのガスである非透過ガスの水素濃度は供給ガスの水素濃度よりも低くなる。

【0015】

本実施の形態の構成は、分離膜モジュール１０の非透過側３１に接続し非透過ガスを排出する非透過ガス配管１３と透過側３２に接続し透過ガスを排出する透過ガス配管１６を配置する。非透過ガス配管１３は、非透過ガスを母管に戻す非透過ガス戻し配管１４と取出しガス配管１９に接続する非透過ガス供給配管１５に分岐する。同様に、透過ガス配管１６は、取出しガス配管１９に接続する透過ガス供給配管１７と透過ガスを母管に戻す透過ガス戻し配管１８に分岐する。

【0016】

非透過ガス戻し配管１４と透過ガス戻し配管１８には分離膜モジュールの１０の非透過側３１と透過側３２の圧力を調整する圧力調整弁２２（第１圧力調整弁）と圧力調整弁２５（第２圧力調整弁）をそれぞれ備えている。非透過ガス供給配管１５と透過ガス供給配管１７には取出しガス配管１９に供給するガス流量を調整する流量調整弁２３（第１流量調整弁）と流量調整弁２４（第２流量調整弁）をそれぞれ備えている。

【0017】

分離膜システムの状態は、供給ガス配管１１に設置した水素濃度計Ｃ１（第１水素濃度計）、非透過ガス配管１３に設置した圧力計Ｐ１（第１圧力計）、透過ガス配管１６に設置した備えた圧力計Ｐ２（第２圧力計）、取出しガス配管１９に設置した水素濃度計Ｃ２（第２水素濃度計）で監視する。

【0018】

ガス分離システム１に供給する混合ガスの水素濃度が５％から４０％の間で変化する場合に取出しガスの水素濃度を２０％に制御する方法について説明する。

【0019】

発明者らの解析結果の一例を表１に示す。

【表1】

【0020】

ガス流量は供給ガス流量に対する割合で示している。非透過側圧力０．８ＭＰａＧ、透過側圧力０．１ＭＰａＧの条件で供給ガス水素濃度５％に対し、透過ガスの水素濃度は２１．９％、流量は供給ガスの５％となる。非透過ガスの水素濃度は４．１％である。取出しガスをなるべく多くするため、圧力調整弁２５は完全に閉じ、流量調整弁２４から透過ガスの全量を取出しガス配管１９に送る。取出しガスの水素濃度を２０％にするため、流量調整弁２３の開度を調整して供給ガスの０．６％の流量の非透過ガスを取出しガス配管１９に送る。残りの非透過ガスは非透過ガス戻し配管１４を通して母管に戻す。圧力調整弁２２の後流の圧力が母管よりも低い場合には圧縮機４２を起動して昇圧して母管に戻す。非透過ガスの圧力調整弁２２の開度を調整して非透過側３１の圧力を調整する。この条件では、供給ガス中の水素量に対する取出しガス中の水素量で定義する水素回収率は２２．４％となる。

【0021】

供給ガス水素濃度が１０％に上昇した場合の制御について説明する。供給ガスの水素濃度以外の条件は変更しないとする。非透過側３１の水素分圧が上昇するため、分離膜３０を透過する水素量が増加し透過側水素濃度が４３．１％に上昇する。透過ガス流量も供給ガスの６．８％に増加する。圧力調整弁２５は閉じたままで、流量調整弁２４を少し開いて透過側３２の圧力を維持しながら流量が増えた透過ガスの全量を取出しガス配管１９に送る。取出しガスの水素濃度を２０％にするため、流量調整弁２３の開度を大きくして供給ガスの１２．７％の流量の非透過ガスを取出しガス配管１９に送る。取出しガス配管１９に送る非透過ガス量が増えることで母管に戻す非透過ガス流量が減少することから非透過側３１の圧力を維持するため圧力調整弁２２の開度は小さくする。この条件では、水素回収率は３９．１％となる。

【0022】

供給ガス水素濃度が２０％に上昇した場合の制御について説明する。供給ガスの水素濃度が２０％なので、分離膜モジュール１０で分離した非透過ガスと透過ガスの全量を混合させれば取り出しガスの水素濃度は２０％となる。このとき、非透過側の圧力調整弁２２と透過側の圧力調整弁２５は完全に閉じて母管に戻すガス流量をゼロとする。非透過側の流量調整弁２３と透過側の流量調整弁２４で流量と圧力を調整する。母管に戻すガスがないので水素回収率は１００％となる。

【0023】

供給ガス水素濃度が４０％に上昇した場合の制御について説明する。透過ガスの水素濃度は８９．９％で流量は供給ガスの３７．２％となる。非透過ガスの水素濃度は１０．４％である。供給ガス水素濃度が取り出しガス水素濃度よりも高い条件では、非透過ガスは全量を使用し、混合させる透過ガス流量を調整する。非透過側の圧力調整弁２２は全閉として非透過ガスの全量を取出しガス配管１９に送り、流量調整弁２３で非透過側の圧力を調整する。取出しガスの水素濃度を２０％にするため、流量調整弁２４を調整して供給ガスの８．５％の流量の透過ガスを取出しガス配管１９に送る。残りの透過ガスは透過ガス戻し配管１８を通して母管に戻す。圧力調整弁２５の後流の圧力が母管よりも低い場合には圧縮機４１を起動して昇圧して母管に戻す。圧力調整弁２５の開度を調整して透過側３２の圧力を調整する。この条件では、水素回収率は３５．７％となる。

【0024】

図２は、ガス分離システム１の供給ガス水素濃度に対する各弁の開度の例を示した図である。供給ガス水素濃度が２０％前後で変動する場合の弁操作について図２を用いて説明する。図２は、供給ガス水素濃度に対して各弁の開度を模式的に表したものである。各弁を線種で分けて示しており、各線の番号は図１の各弁の番号に対応している。圧力調整弁２２（第１圧力調整弁）は実線、流量調整弁２３（第１流量調整弁）は細かい破線、流量調整弁２４（第２流量調整弁）は荒い破線、圧力調整弁２５（第２圧力調整弁）は一点鎖線である。

【0025】

供給ガス水素濃度が２０％では、圧力調整弁２２，２５を全閉としている。供給ガス水素濃度が２０％を超えて上昇する場合は、圧力調整弁２２は全閉のままで、圧力調整弁２５を開いて開度を大きくしていくとともに流量調整弁２４の開度は小さくしていく。供給ガス水素濃度の上昇に伴い、分離膜３０を透過するガス量が増えて非透過ガス流量が減少するので、流量調整弁２３の開度を小さくして透過側圧力を一定に制御する。

【0026】

供給ガス水素濃度が２０％に向けて低下するときは、圧力調整弁２５の開度を小さくするとともに、流量調整弁２４の開度は大きくしていく。分離膜３０を透過するガス量が減少して非透過ガス流量が増加するので流量調整弁２３の開度は大きくしていく。

【0027】

供給ガス水素濃度がさらに低下して２０％よりも低くなると、圧力調整弁２５は全閉とする。供給ガス水素濃度の低下により分離膜３０を透過するガス量が減少するため、流量調整弁２４は供給ガス水素濃度２０％時の開度から小さくしていく。透過ガスの水素濃度、流量が減少することから、取出しガス水素濃度を２０％に調整する非透過ガス流量も少なくてよく流量調整弁２３の開度は小さくしていく。分離膜モジュール１０の非透過側３１から排出される非透過ガス流量が増加し、取出しガス配管１９に送る非透過ガス流量は減少するため、母管に戻す非透過ガスの流量を増加させて非透過側圧力を一定に制御するために圧力調整弁２２の開度は大きくしていく。

【0028】

なお、圧力調整弁２２，２５や流量調整弁２３，２４は全閉から弁体を操作して流体が流れ始めるまで遊び代があるため、弁を開く制御信号に対して遊び代の分だけ時間遅れが発生し、取出しガスの水素濃度の変動幅が大きくなる可能性がある。この時間遅れをなくすため、供給ガス水素濃度２０％以上の条件において圧力調整弁２２を全閉とせずに少し開けて微量の非透過ガスを流し、供給ガス水素濃度が２０％以下の条件において圧力調整弁２５を全閉とせずに少し開けて微量の透過ガスを流してもよい。この場合、水素回収率は若干低下するが、圧力調整弁２２と２５を全閉から操作する際の時間遅れを解消し、取出しガスの水素濃度の変動幅を抑制することができる。

【0029】

このように、供給ガスの水素濃度が取出しガスの設定水素濃度を挟んで変動した場合でも圧力調整弁２２，２５や流量調整弁２３，２４の開度を連続的に変化させて取出しガスの水素濃度を制御することができる。

【0030】

（制御システム）
次に本実施の形態での制御システムについて説明する。本実施の形態のガス分離システム１は、供給ガスの水素濃度計Ｃ１、非透過側３１の圧力計Ｐ１、透過側３２の圧力計Ｐ２からシステムの状態量と流量調整弁２０の開度状態を受信し、状態量から取出しガスの水素濃度を一定にする弁開度を演算して制御信号を生成する制御装置５１を有する。さらに、制御装置５１からの制御信号を流量調整弁２０，２３，２４、圧力調整弁２２，２５に送る制御信号送信装置５２を有する。制御装置５１に信号を送るラインを一点鎖線で、制御信号送信装置５２から流量調整弁２０，２３，２４、圧力調整弁２２，２５に信号を送るラインを破線で示している。

【0031】

各ガスの透過速度と分離膜３０を介した非透過側３１と透過側３２の各ガスの分圧差と分離膜３０の膜面積を掛け合わせれば分離膜を透過する各ガスの流量が計算できる。ただし、分離膜モジュール１０の場合、モジュール入口から出口に向かって、ガスの透過速度の違いによりガス成分比が変化し各ガスの分圧も変化するため、モジュール内の各ガスの分圧変化を考慮した解析により透過量を求める。分離膜モジュール１０への供給ガス流量が多いとモジュール出入口間の分圧差の変化が小さく、供給ガス流量が少ないモジュール出入口間の分圧差の変化が大きくなる。以上から、非透過ガスと透過ガスの流量と水素濃度を求めるには、供給ガス流量と水素濃度、分離膜モジュール１０の非透過側と透過側の圧力が分かればよく、本実施の形態では、水素濃度計Ｃ１と圧力計Ｐ１，Ｐ２でシステムの状態量を測定して、その信号を制御装置に送信している。供給ガス流量は、水素濃度計Ｃ１と圧力計Ｐ１の状態量から求めたガス密度と流量調整弁２０の開度から計算により求めることができるため、流量調整弁２０の開度を示す信号を制御装置５１に送信し、制御装置５１で供給ガス流量を算出する。なお、流量調整弁２０の開度の情報は、供給ガス配管１１に流量計を有している場合は、流量計測による流量の情報で代替えできる。

【0032】

水素濃度計Ｃ１と圧力計Ｐ１，Ｐ２の測定値と流量調整弁２０の開度から算出した供給ガス流量を用いて分離膜モジュール１０の非透過ガスと透過ガスの流量と水素濃度をあらかじめ解析で算出して制御マップを作成しておき、制御装置５１では水素濃度、圧力、供給ガス流量を制御マップに照合して圧力調整弁２２，２５と流量調整弁２３，２４の開度を決定し、その信号を、制御信号送信装置５２を経由して各調整弁に開度信号を送信して開度を変更する。

【0033】

水素濃度計Ｃ１と分離膜モジュール１０の入口までの距離があるため、水素濃度計Ｃ１で水素濃度の変化を検知しても、検知したガスが分離膜モジュール１０に到達するまでには時間遅れがある。制御装置５１ではこの時間遅れを考慮した制御マップを導入して、各弁の開度を変えるタイミングも調整する。例えば、分離膜モジュール１０の入口から１００ｍ手前の水素濃度計Ｃ１で供給ガスの水素濃度が５％から１０％に上昇したのを検知したとき、供給ガス配管１１内のガス流速が例えば１０ｍ／ｓであれば、水素濃度が変化した供給ガスが分離膜モジュール１０の入口に到達するのは検知してから１０秒後となる。

【0034】

水素濃度が高くなったときに取出しガスの水素濃度を２０％に維持するためには、圧力調整弁２２の開度は小さくして取出しガス配管１９に送る水素濃度の低い非透過ガス流量を増やし、流量調整弁２３，２４の開度は大きくする。時間遅れを考慮せずに弁開度を変更すると、取出しガス配管１９に送る水素濃度の低い非透過ガスの流量が増えることから取出しガスの水素濃度が２０％から低下する。この低下した状態が１０秒間続くこととなる。このため、制御装置５１は、時間遅れを考慮して、水素濃度計Ｃ１で水素濃度の変化を検知してから１０秒後に変化するように、制御マップに基づいた圧力調整弁２２、流量調整弁２３，２４の開度を指定する信号を１０秒後に送る。取出しガスの水素濃度の変動幅を抑制するため、制御装置５１では、水素濃度計Ｃ１と分離膜モジュール１０の距離とガス流速に基づく時間遅れを考慮して制御信号を生成する。

【0035】

本実施形態によれば、弁操作を連続的に行うことができユーザが指定する取出しガスの特定ガス濃度の制御が容易となる。

【0036】

＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態の構成では、供給ガスの水素濃度が５％から４０％まで変化しても取出しガスの水素濃度２０％を一定に制御できるが、供給ガスの水素濃度の変動幅が小さい場合、取出しガスの水素濃度の許容変動幅を考慮してガス分離システム１の構成を簡略化できる。

【0037】

図３は、第２の実施の形態に係るガス分離システム１Ａのうち、供給ガス水素濃度の変動幅の上限が取出しガス水素濃度の許容変動幅上限よりも低い場合の概略図である。例えば、取出しガスの水素濃度２０％に対して許容変動幅が１８％～２２％とする。供給ガス水素濃度が２２％を超えないことが分かっている場合は、図３に示すように、図１の透過ガス戻し配管１８と圧力調整弁２５を削除することができる。供給ガス水素濃度が２０％以下では第１の実施の形態と同じ制御を行い、水素濃度が２０％～２２％の範囲では非透過ガスと透過ガスの全量を再混合させる。この場合、取出しガスの水素濃度は供給ガスの水素濃度と一致し、許容変動幅以内となる。

【0038】

図４は、第２の実施の形態に係るガス分離システム１Ｂのうち、供給ガス水素濃度の変動幅の下限が取出しガス水素濃度の許容変動幅下限よりも高い場合の概略図である。図３とは反対に、供給ガス水素濃度が１８％を下回らないことが分かっている場合は、図４に示すように、図１の非透過ガス戻し配管１４と圧力調整弁２２を削除することができる。供給ガス水素濃度が２０％以上では第１の実施の形態と同じ制御を行い、水素濃度が１８％～２０％の範囲では非透過ガスと透過ガスの全量を再混合させる。この場合、取出しガスの水素濃度は供給ガスの水素濃度と一致し、許容変動幅以内となる。

【0039】

＜第３の実施の形態＞
図５は、第３の実施の形態に係るガス分離システム１Ｃを示す概略図である。
第３の実施の形態を、図５を用いて説明する。第３の実施の形態が第１の実施の形態と異なるのは、供給ガス配管１１から分岐させた供給ガス分岐配管１２を設け、分離膜モジュール１０の透過側３２に供給ガスの一部を希釈ガスとして供給していることである。供給ガス分岐配管１２には希釈ガス流量を調整する流量調整弁２１を設けている。

【0040】

非透過側３１と透過側３２のガス分圧差が大きいと分離膜３０を透過するガス流量が増加するため、分離膜３０を透過して水素濃度が高くなった透過側３２に水素濃度の低い希釈ガスを供給して分離膜モジュール１０内の透過側３２の水素濃度を下げることで非透過側３１と透過側３２の水素ガス分圧差を拡大して分離膜３０を透過する水素量を増やし水素回収率を向上させることができる。

【0041】

流量調整弁２１を開けて希釈ガスを分離膜３０の透過側３２に供給する場合の制御方法について説明する。発明者らの解析結果の一例を表２に示す。
図６は、供給ガス水素濃度に対する水素回収率の第１の実施の形態と第３の実施の形態の比較を示した図である。

【0042】

【表2】

【0043】

供給ガス水素濃度５％時に供給ガス分岐配管１２から希釈ガスを混ぜて透過側３２において水素濃度を２０％にする。流量調整弁２１の開度を調整して供給ガス分岐配管１２に供給ガスの約１２％の流量を流すと透過側３２の水素濃度が２０％となり、流量は供給ガスの約１９％となる。トータルの透過ガス流量から希釈ガス流量を差し引くと、分離膜３０を透過したガス流量は２％増加する。これは、透過側３２の水素濃度が低下したため、非透過側３１と透過側３２の水素分圧差が拡大したことで水素の透過量が増えたことによるものである。非透過ガスの水素濃度は１．６％である。非透過ガスは非透過ガス戻し配管１４からすべて母管に戻す。この条件では、水素回収率は７４．４％となり、希釈ガスを用いない第１の実施の形態と比較して大幅に向上する。

【0044】

供給ガス水素濃度が１０％に上昇した場合の制御について説明する。本実施の形態では、操作弁数を増加させないために流量調整弁２１の開度を変更しない。この条件では、透過側水素濃度が３５．９％に上昇する。透過ガス流量も供給ガスの２２．２％に増加する。圧力調整弁２５は閉じたままで、流量調整弁２４を少し開いて透過側３２の圧力を維持しながら流量が増えた透過ガスの全量を取出しガス配管１９に送る。取出しガスの水素濃度を２０％にするため供給ガスの２０％の流量の非透過ガスを取出しガス配管１９に送る。取出しガス配管１９に送る非透過ガス流量が増えるため流量調整弁２３の開度を大きくし、母管に戻す非透過ガス流量が減少することから非透過側３１の圧力を維持するため圧力調整弁２２の開度は小さくする。この条件では、水素回収率は８４．９％となり、希釈ガスを用いない第１の実施の形態と比較して大幅に向上する。

【0045】

供給ガス水素濃度が２０％に上昇した場合の制御について説明する。供給ガスの水素濃度が２０％なので、分離膜モジュール１０で分離した非透過ガスと透過ガスの全量を混合させれば取出しガスの水素濃度は２０％となる。このとき、非透過側の圧力調整弁２２と透過側の圧力調整弁２５は完全に閉じ、非透過側の流量調整弁２３と透過側の流量調整弁２４で流量と圧力を調整する。母管に戻すガスがないので水素回収率は１００％となる。

【0046】

供給ガス水素濃度が４０％に上昇した場合の制御について説明する。透過ガスの水素濃度は７６．８％で流量は供給ガスの４６．１％となる。非透過ガスの水素濃度は８．５％である。供給ガス水素濃度が取り出しガス水素濃度よりも高い条件では、非透過ガスは全量を使用し、混合させる透過ガス流量を調整する。非透過側の圧力調整弁２２は全閉として非透過ガスの全量を取出しガス配管１９に送り、流量調整弁２３で非透過側の圧力を調整する。取出しガスの水素濃度を２０％にするため供給ガスの１０．９％の流量の透過ガスを取出しガス配管１９に送る。残りの透過ガスは透過ガス戻し配管１８を通して母管に戻す。圧力調整弁２５の開度を調整して透過側３２の圧力を調整する。この条件では、水素回収率は３２．４％となる。この条件では透過ガスを母管に戻しているため、希釈ガスにより透過ガス量が多くなっていることから水素回収率は第１の実施の形態と比較して約３％低下する。供給ガスの水素濃度が低下する場合は、前述した弁操作の逆の手順で取出しガスの水素濃度を制御する。

【0047】

供給ガス水素濃度が２０％前後で変動する場合の弁操作は、流量調整弁２１が加わっているが開度を固定しており、他の弁の操作方法は第１の実施の形態と同じである。

【0048】

このように、供給ガスの水素濃度が取出しガスの設定水素濃度を挟んで変動した場合でも圧力調整弁や流量調整弁の開度を連続的に変化させて取出しガスの水素濃度を制御することができ、供給ガスの一部を分離膜モジュールの透過側に供給することで、供給ガスの水素濃度が取出しガスの設定水素濃度よりも低い条件で水素回収率を向上させることができる。また、流量調整弁２１の開度は固定しているため、制御する弁の数は第１の実施の形態と同じであり、制御が第１の実施の形態と比較して複雑になることはない。

【0049】

＜第４の実施の形態＞
第３の実施の形態では、供給ガス分岐配管１２の流量調整弁２１の開度を一定にしたが、本実施の形態では供給ガス水素濃度が５～２０％の間では開度を調整し、供給ガス水素濃度が２０％以上では全閉とする制御を行う。

【0050】

具体的には、供給ガス水素濃度５％時に供給ガス分岐配管１２から希釈ガスを混ぜて透過側３２において水素濃度を２０％にする流量を流すために調整した流量調整弁２１の開度を最大として、供給ガス水素濃度が２０％に近づくほど流量調整弁２１の開度を小さくしていき、供給ガス水素濃度が２０％になったときに全閉となるように連続的に開度を調整する。

【0051】

供給ガス水素濃度が２０％よりも低い条件では、第３の実施の形態と比較して希釈ガス流量が減少するため、水素回収率がやや低下するものの希釈ガスを供給しない第１の実施の形態と比較すると水素回収率は高くなる。

【0052】

また、供給ガス水素濃度が２０％以上の条件では、流量調整弁２１を全閉とすることから、第１の実施の形態と同じ構成となり、供給ガス水素濃度２０％以上では水素回収率は第１の実施の形態と同じになる。

【0053】

図７は、供給ガス水素濃度に対する水素回収率の第１の実施の形態と第３の実施の形態と第４の実施の形態の比較を示した図である。図７には、供給ガス水素濃度と回収率の関係を解析して、第１の実施の形態及び第３の実施の形態と比較したものを示す。供給ガス水素濃度が２０％よりも低い条件で第１の実施の形態よりも水素回収率を向上し、供給ガス水素濃度が２０％以上では第３の実施の形態よりも水素回収率を向上でき第１の実施の形態と同じ水素回収率にできる。

【0054】

本実施形態によれば、弁操作を連続的に行うことができユーザが指定する取出しガスの特定ガス濃度の制御が容易となる。また、製品ガスとして回収したいガスの回収率を高めることによりシステムの低コスト化が図れる。

【0055】

本実施形態のガス分離システム及びその制御方法は、次の特徴を有する。
（１）分離膜モジュール１０から排出された非透過ガスと透過ガスを再混合し特定ガス濃度を一定に制御するガス分離システム１であって、分離膜モジュール１０から非透過ガスを取り出す、第１流量調整弁（流量調整弁２３）を有する非透過ガス配管１３と、分離膜モジュール１０から透過ガスを取り出す、第２流量調整弁（流量調整弁２４）を有する透過ガス配管１６と、を備え、非透過ガス配管１３と透過ガス配管１６は、第１流量調整弁（流量調整弁２３）及び第２流量調整弁（流量調整弁２４）の下流側で取出しガス配管１９に接続され、さらに、非透過ガス配管１３と透過ガス配管１６については、非透過ガス側の構成として、第１流量調整弁の上流側で非透過ガス配管１３から分岐され、第１圧力調整弁（圧力調整弁２２）を有する非透過ガス戻し配管１４と、透過ガス側の構成として、第２流量調整弁の上流側で透過ガス配管１６から分岐され、第２圧力調整弁（圧力調整弁２５）を有する透過ガス戻し配管１８と、のうちいずれか又は両方を備えていることを特徴とする（図１、図３、図４参照）。これによれば、ガスグリッドの特定ガス濃度がユーザの指定する濃度を挟んで変動する場合にも容易な操作でユーザの指定する濃度に制御が可能となるガス分離システムを提供できる。

【0056】

すなわち、分離膜３０によって分離した非透過ガスと透過ガスを再混合し特定ガス濃度を一定に制御するガス分離システム１であって、非透過ガス配管１３と透過ガス配管１６に流量調整弁２３，２４を備え、圧力調整弁２２を備えた非透過ガス配管１３から分岐された非透過ガス戻し配管１４と圧力調整弁２５を備えた透過ガス配管１６から分岐された透過ガス戻し配管１８のいずれかまたは両方を備えている。

【0057】

（２）前記（１）のガス分離システム１において、分離膜モジュール１０にガスを供給する供給ガス配管１１から分岐され分離膜モジュール１０の透過側３２に接続した供給ガス分岐配管１２を備え、供給ガス分岐配管１２に流量調整弁２１を有する。

【0058】

（３）前記（１）のガス分離システム１において、供給ガスの特定のガス濃度を測定する特定ガス濃度計（例えば、水素濃度計Ｃ１）と、分離膜モジュール１０の非透過側の圧力を測定する第１圧力計（圧力計Ｐ１）と、透過側の圧力を測定する第２圧力計（圧力計Ｐ２）と、分離膜モジュール１０にガスを供給する供給ガス配管１１に流量調整弁２０とを備え、特定ガス濃度計、第１圧力計及び前記第２圧力計の測定値と、供給ガス配管１１の流量調整弁２０の開度の情報とに基づき、第１流量調整弁、第２流量調整弁、第１圧力調整弁又は／及び第２圧力調整弁の圧力調整弁の開度を指定する信号を送信する制御装置５１を備えている。なお、流量調整弁２０の開度の情報は、供給ガス配管１１に流量計を有している場合は、流量計測による流量の情報で代替えできる。

【0059】

（４）前記（２）のガス分離システムにおいて、供給ガスの特定のガス濃度を測定する特定ガス濃度計（例えば、水素濃度計Ｃ１）と、分離膜モジュール１０の非透過側の圧力を測定する第１圧力計と、透過側の圧力を測定する第２圧力計と、分離膜モジュール１０にガスを供給する供給ガス配管１１に流量調整弁２０とを備え、特定ガス濃度計、第１圧力計及び第２圧力計の測定値と、供給ガス配管１１の流量調整弁２０の開度の情報とに基づき、第１流量調整弁、第２流量調整弁、第１圧力調整弁又は／及び第２圧力調整弁の圧力調整弁の開度と、供給ガス分岐配管１２に備えた流量調整弁２１の開度と、を指定する信号を送信する制御装置５１を備えている（図５参照）。

【0060】

（５）前記（４）のガス分離システムにおいて、制御装置５１は、供給ガス分岐配管１２に備えた流量調整弁２１の開度を固定して、その他の圧力調整弁及び流量調整弁の開度を制御する。

【0061】

（６）前記（３）乃至５のいずれかのガス分離システムにおいて、制御装置５１は、特定ガス濃度計、第１圧力計（圧力計Ｐ１）及び第２圧力計（圧力計Ｐ２）の測定値と、供給ガス配管１１の流量調整弁２０の開度の情報とから流量調整弁２３，２４及び圧力調整弁２２，２５の開度を算出する制御マップを備えている。すなわち、制御装置５１は、供給ガスの特定ガス濃度と非透過側及び透過側圧力によりあらかじめ用意した制御マップに基づいて流量調整弁２３，２４及び圧力調整弁２２，２５を制御することができる。

【0062】

（７）前記（４）のガス分離システムにおいて、制御装置５１は、供給ガスの特定ガス濃度が目標の取出しガスの特定ガス濃度よりも低い場合に、供給ガスの特定ガス濃度が上昇したときに供給ガス分岐配管１２に備えた流量調整弁２１の開度を小さくし、特定ガスの濃度が低下したときは開度を大きくし、供給ガスの特定ガス濃度が目標の取出しガスの特定ガス濃度以上の場合に、前記供給ガス分岐配管に備えた流量調整弁の開度をゼロにする。

【0063】

（８）前記（６）のガス分離システムにおいて、前記制御装置５１は、特定ガス濃度計と分離膜モジュール１０の入口までの距離と制御装置により算出した供給ガス流速から、特定ガス濃度計を通過した供給ガスが前記分離膜モジュールの入口に到達する時間を算出し、前記算出した時間だけ流量調整弁２３，２４及び圧力調整弁２２，２５の制御を遅らせる。

【0064】

（９）分離膜モジュール１０から排出された非透過ガスと透過ガスを再混合し特定ガス濃度を一定に制御するガス分離システムの制御方法であって、ガス分離システム１は、分離膜モジュール１０から非透過ガスを取り出す、第１流量調整弁（流量調整弁２３）を有する非透過ガス配管１３と、分離膜モジュール１０から透過ガスを取り出す、第２流量調整弁（流量調整弁２４）を有する透過ガス配管１６と、を備え、非透過ガス配管１３と透過ガス配管１６は、第１流量調整弁及び２流量調整弁の下流側で取出し配管（取出しガス配管１９）に接続され、さらに、非透過ガス配管１３と透過ガス配管１６については、非透過ガス側の構成として、第１流量調整弁の上流側で非透過ガス配管１３から分岐され、第１圧力調整弁（圧力調整弁２２）)を有する非透過ガス戻し配管１４と、透過ガス側の構成として、第２流量調整弁の上流側で透過ガス配管１６から分岐され、第２圧力調整弁（圧力調整弁２５）を有する透過ガス戻し配管１８と、のうちいずれかまたは両方を備え、さらに、供給ガスの特定のガス濃度を測定する特定ガス濃度計（例えば、水素濃度計Ｃ１）と、分離膜モジュールの非透過側の圧力を測定する第１圧力計（圧力計Ｐ１）と、透過側の圧力を測定する第２圧力計（圧力計Ｐ２）と、分離膜モジュール１０にガスを供給する供給ガス配管１１に流量調整弁２０と、制御装置５１と、を備え、制御装置５１は、特定ガス濃度計、第１圧力計及び第２圧力計の測定値と、供給ガス配管１１の流量調整弁２０の開度の情報とに基づき、第１流量調整弁と、第２流量調整弁と、前記第１圧力調整弁又は／及び第２圧力調整弁の圧力調整弁の開度とを指定する信号を送信する。

【符号の説明】

【0065】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ ガス分離システム（水素分離システム）
１０ 分離膜モジュール
１１ 供給ガス配管
１２ 供給ガス分岐配管
１３ 非透過ガス配管
１４ 非透過ガス戻し配管
１５ 非透過ガス供給配管
１６ 透過ガス配管
１７ 透過ガス供給配管
１８ 透過ガス戻し配管
１９ 取出しガス配管（取出し配管）
２０，２１ 流量調整弁
２３ 流量調整弁（第１流量調整弁）
２４ 流量調整弁（第２流量調整弁）
２２ 圧力調整弁（第１圧力調整弁）
２５ 圧力調整弁（第２圧力調整弁）
３０ 分離膜
３１ 非透過側
３２ 透過側
４１，４２ 圧縮機
５１ 制御装置
５２ 制御信号送信装置
Ｃ１ 水素濃度計（特定ガス濃度計、第１水素濃度計）
Ｃ２ 水素濃度計（特定ガス濃度計、第２水素濃度計）
Ｐ１ 圧力計（第１圧力計）
Ｐ２ 圧力計（第２圧力計）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】