特許 7218392 非透過ガスの高回収のための膜プロセスおよびシステム

(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】

(24)【登録日】2023-01-27

(45)【発行日】2023-02-06

(54)【発明の名称】非透過ガスの高回収のための膜プロセスおよびシステム

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/22 20060101AFI20230130BHJP

【ＦＩ】

B01D53/22

【請求項の数】 13

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021051755

(22)【出願日】2021-03-25

(65)【公開番号】P2021159913

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2021-04-13

(31)【優先権主張番号】16/834,270

(32)【優先日】2020-03-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】591035368

【氏名又は名称】エア プロダクツ アンド ケミカルズ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＡＩＲ ＰＲＯＤＵＣＴＳ ＡＮＤ ＣＨＥＭＩＣＡＬＳ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100195213

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 健治

(74)【代理人】

【識別番号】100173107

【弁理士】

【氏名又は名称】胡田 尚則

(74)【代理人】

【識別番号】100202441

【弁理士】

【氏名又は名称】岩田 純

(72)【発明者】

【氏名】ドナルド イー．ヘンリー

【審査官】高橋 成典

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－３３１２１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】仏国特許出願公開第０２９６７３５９（ＦＲ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－１５９５４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－１３５１１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平９－１０３６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国登録特許第１０－１４２０７６７（ＫＲ，Ｂ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／００５５３８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０２７５７７７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００３／０１３１７２６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０１Ｄ ５３／２２

６１／００ － ７１／８２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の膜分離段階を使用して生の供給ガス流を分離するための方法であって、
加圧された供給ガス流を第１の非透過物流および第１の透過物流に分離することと、
前記第１の透過物流を圧縮して圧縮された第１の透過物流を形成することと、
前記圧縮された第１の透過物流を第２の非透過物流および第２の透過物流に分離することと、
前記第２の透過物流を圧縮せずに、前記第２の透過物流を第３の非透過物流および第３の透過物流に分離することと、
前記第３の非透過物流を生の供給ガス流と組み合わせて、組み合わせられた供給流を形成することと、
前記組み合わせられた供給流を圧縮して、圧縮された組み合わせられた供給流を形成することと、
前記第２の非透過物流を、前記圧縮された組み合わせられた供給流と組み合わせて、前記加圧された供給ガス流を形成することと、を含む、方法。

【請求項2】

前記第１の非透過物流を生成物ガス流として引き出すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第３の透過物流を廃棄ガス流として引き出すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記第１の非透過物流の圧力を制御することと、
前記第３の非透過物流の圧力を制御することと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記第１の非透過物流を第４の非透過物流および第４の透過物流に分離することと、
前記第３の非透過物流を前記生の供給ガス流と組み合わせる前に、前記第４の透過物流を前記第３の非透過物流と組み合わせて、前記組み合わせられた供給流を形成することと、
前記第４の非透過物流を生成物ガス流として引き出すことと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記第１の透過物流および前記第３の透過物流のうちの少なくとも１つに負圧を加えることをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

生の供給ガス流を分離するための多段階膜システムであって、
加圧された生の供給ガス流を受容するための第１の供給ポート、第１の非透過物流を排出するための第１の非透過物出口、および第１の透過物流を排出するための第１の透過物出口を有する第１の膜段階と、
前記第１の透過物流を受容するために前記第１の透過物出口に動作可能に接続された段階間圧縮機入口、および圧縮された第１の透過物流を排出するための段階間圧縮機出口を有する段階間圧縮機と、
前記圧縮された第１の透過物流を受容するために前記段階間圧縮機出口に動作可能に接続された第２の供給ポート、第２の透過物流を排出するための第２の透過物出口、および第２の非透過物流を排出するための第２の非透過物出口を有する第２の膜段階と、
圧縮せずに前記第２の透過物流を受容するために前記第２の透過物出口に動作可能に接続された第３の供給ポート、第３の透過物流を排出するための第３の透過物出口、および第３の非透過物流を排出するための第３の非透過物出口を有する第３の膜段階と、
生の供給ガス流を受容するための生の供給ガス入口、前記第３の非透過物流を受容するために前記第３の非透過物出口に動作可能に接続された第１のリサイクル入口、および前記生の供給ガス流と前記第３の透過物流との混合物からなる組み合わせられた供給流を排出するための第１の混合物出口を有する第１の混合接合部と、
前記組み合わせられた供給流を受容するために前記第１の混合物出口に動作可能に接続された供給圧縮機入口、および圧縮された組み合わせられた供給流を排出するための供給圧縮機出口を有する供給圧縮機と、
前記圧縮された組み合わせられた供給流を受容するために前記供給圧縮機出口に動作可能に接続された組み合わせられた供給入口、前記第２の非透過物流を受容するために前記第２の非透過物出口に動作可能に接続された第２のリサイクル入口、および前記第１の供給ポートに動作可能に接続されて、前記圧縮された組み合わせられた供給流と前記第２の非透過物流との混合物からなる前記加圧された生の供給ガス流を前記第１の膜段階に送り込むために第２の混合物出口を有する第２の混合接合部と、を備える、多段階膜システム。

【請求項8】

前記第１の非透過物流を受容するために前記第１の非透過物出口に動作可能に接続された第４の供給ポート、第４の透過物流を排出するための第４の透過物出口ポート、および第４の非透過物流を排出するための第４の非透過物出口を有する第４の膜段階をさらに備え、
前記第４の透過物流は、前記第３の非透過物流が前記第１の混合接合部に受容される前に、前記第３の非透過物流と組み合わせられる、請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

前記第１の透過物出口に負圧を加えるための第１の透過物真空ポンプをさらに備える、請求項７に記載のシステム。

【請求項10】

前記第３の透過物出口に負圧を加えるための第３の透過物真空ポンプをさらに備える、請求項７に記載のシステム。

【請求項11】

前記第１の膜段階、前記第２の膜段階、および前記第３の膜段階がそれぞれ、同じ透過性および選択性の膜を有する、請求項７に記載のシステム。

【請求項12】

前記第１の膜段階、前記第２の膜段階、および前記第３の膜段階のうちの１つが、他の２つの段階とは異なる透過性および選択性の膜を有する、請求項７に記載のシステム。

【請求項13】

前記第１の膜段階、前記第２の膜段階、および前記第３の膜段階の各々が、他の段階の各々とは異なる透過性および選択性の膜を有する、請求項７に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、バイオガスからのメタン回収のための多段階膜プロセスおよびシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

ＡＩＣｈＥ Ｊｏｕｒｎａｌ（ｖｏｌ４２，１９９６，ｐ２１４１）におけるＡｇｒａｗａｌおよびＸｕによる「Ｇａｓ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｃａｓｃａｄｅｓ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ」に記載されているような多段階カスケード設計が、当技術分野で２０年以上知られている。しかしながら、これらの設計は、あらゆる透過物流が後続の膜段階に供給される前に圧縮されなければならないことを教示する。さらに、以前のカスケード設計では、透過物流を再圧縮しなかった場合、それを低圧掃引ガスとして後続の膜段階の透過物側に供給し、高圧供給ガスとしては供給しなかった。

【0003】

図５（ＵＳ２０１９／０２２４６１７）に例示されるような、１つの先行技術の多段階膜システムでは、第１の膜段階は、供給流（加えてリサイクル流）を分離して、第１の透過物流と第１の非透過物流とを生成し、第２の膜段階は、第１の非透過物流を分離して、第２の非透過物流（バイオメタン生成物）と、供給流に戻ってリサイクルされる第２の透過物流とを生成し、圧縮機は、第１の透過物流を圧縮し、次いで、この第１の透過物流は、第３の膜段階において分離されて、システムを出る第３の透過物流と、加圧された供給流に戻ってリサイクルされる第３の非透過物流とが生成される。

【0004】

図６（ＥＰ２５８８２１７）に示すように、別の先行技術の多段階膜システムでは、３段階膜システムは、再圧縮なしで動作する。

【発明の概要】

【0005】

本発明の実施形態では、大気圧におけるかまたはそれに近い、組み合わせられた生の供給ガスと、低圧リサイクル流（すなわち、第３の非透過物流）と、第１の膜段階を出る透過物流とのみが圧縮され、第２の膜段階を出て第３の膜段階に供給される前に、透過物流は圧縮されない。加えて、透過物流はいずれも掃引ガスとして使用されない。

【0006】

態様１。複数の膜分離段階を使用して生の供給ガス流を分離するための方法であって、加圧された供給ガス流を第１の非透過物流および第１の透過物流に分離することと、第１の透過物流を圧縮して圧縮された第１の透過物流を形成することと、圧縮された第１の透過物流を第２の非透過物流および第２の透過物流に分離することと、第２の透過物流を第３の非透過物流および第３の透過物流に分離することと、第３の非透過物流を生の供給ガス流と組み合わせて、組み合わせられた供給流を形成することと、組み合わせられた供給流を圧縮して、圧縮された組み合わせられた供給流を形成することと、第２の非透過物流を、圧縮された組み合わせられた供給流と組み合わせて、加圧された供給ガス流を形成することと、を含む方法。

【0007】

態様２。第１の非透過物流を生成物ガス流として引き出すことをさらに含む、態様１に記載の方法。

【0008】

態様３。第３の透過物流を廃棄ガス流として引き出すことをさらに含む、態様１または態様２に記載の方法。

【0009】

態様４。第１の非透過物流の圧力を制御することと、第３の非透過物流の圧力を制御することと、をさらに含む、態様１～３のいずれか１項に記載の方法。

【0010】

態様５。第１の非透過物流を第４の非透過物流および第４の透過物流に分離することと、第３の非透過物流を生の供給ガス流と組み合わせる前に、第４の透過物流を第３の非透過物流と組み合わせて、組み合わせられた供給流を形成することと、第４の非透過物流を生成物ガス流として引き出すことと、をさらに含む、態様１～４１のいずれか１項に記載の方法。

【0011】

態様６。第１の透過物流および第３の透過物流のうちの少なくとも１つに負圧を加えることをさらに含む、態様１～５のいずれか１つに記載の方法。

【0012】

態様７。生の供給ガス流を分離するための多段階膜システムであって、加圧された生の供給ガス流を受容するための第１の供給ポート、第１の非透過物流を排出するための第１の非透過物出口、および第１の透過物流を排出するための第１の透過物出口を有する第１の膜段階と、第１の透過物流を受容するために第１の透過物出口に動作可能に接続された段階間圧縮機入口、および圧縮された第１の透過物流を排出するための段階間圧縮機出口を有する段階間圧縮機と、圧縮された第１の透過物流を受容するために段階間圧縮機出口に動作可能に接続された第２の供給ポート、第２の透過物流を排出するための第２の透過物出口、および第２の非透過物流を排出するための第２の非透過物出口を有する第２の膜段階と、第２の透過物流を受容するために第２の透過物出口に動作可能に接続された第３の供給ポート、第３の透過物流を排出するための第３の透過物出口、および第３の非透過物流を排出するための第３の非透過物出口を有する第３の膜段階と、生の供給ガス流を受容するための生の供給ガス入口、第３の非透過物流を受容するために第３の非透過物出口に動作可能に接続された第１のリサイクル入口、および生の供給ガス流と第３の透過物流との混合物からなる組み合わせられた供給流を排出するための第１の混合物出口を有する第１の混合接合部と、組み合わせられた供給流を受容するために第１の混合物出口に動作可能に接続された供給圧縮機入口、および圧縮された組み合わせられた供給流を排出するための供給圧縮機出口を有する供給圧縮機と、圧縮された組み合わせられた供給流を受容するために供給圧縮機出口に動作可能に接続された組み合わせられた供給入口、第２の非透過物流を受容するために第２の非透過物出口に動作可能に接続された第２のリサイクル入口、および第１の供給ポートに動作可能に接続されて、圧縮された組み合わせられた供給流と第２の非透過物流との混合物からなる加圧された生の供給ガス流を第１の膜段階に送り込むために第２の混合物出口を有する第２の混合接合部と、を備える、多段階膜システム。

【0013】

態様８。第１の非透過物流を受容するために第１の非透過物出口に動作可能に接続された第４の供給ポート、第４の透過物流を排出するための第４の透過物出口ポート、および第４の非透過物流を排出するための第４の非透過物出口を有する第４の膜段階をさらに備え、第４の透過物流は、第３の非透過物流が第１の混合接合部に受容される前に、第３の非透過物流と組み合わせられる、態様７に記載のシステム。

【0014】

態様９。第１の透過物出口に負圧を加えるための第１の透過物真空ポンプをさらに備える、態様７または態様８に記載のシステム。

【0015】

態様１０。第３の透過物出口に負圧を加えるための第３の透過物真空ポンプをさらに備える、態様７～９のいずれか１項に記載のシステム。

【0016】

態様１１。第１の膜段階、第２の膜段階、および第３の膜段階がそれぞれ、同じ透過性および選択性の膜を有する、態様７～１０のいずれか１項に記載のシステム。

【0017】

態様１２。第１の膜段階、第２の膜段階、および第３の膜段階のうちの１つが、他の２つの段階とは異なる透過性および選択性の膜を有する、態様７～１１のいずれか１つに記載のシステム。

【0018】

態様１３。第１の膜段階、第２の膜段階、および第３の膜段階の各々が、他の段階の各々とは異なる透過性および選択性の膜を有する、態様７～１２のいずれか１項に記載のシステム。

【0019】

本明細書に開示するシステムの様々な態様は、単独で、または互いに組み合わせて使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】２つの圧縮機を使用する３段階膜システムおよびプロセスの実施形態のプロセスフロー図である。

【図2】２つの圧縮機を使用する４段階膜システムおよびプロセスの別の実施形態のプロセスフロー図である。

【図3】先行技術の３段階膜構成の圧縮機電力を本発明の３段階実施形態と比較するグラフである。

【図4】先行技術の３段階膜構成の膜面積を本発明の３段階実施形態と比較するグラフである。

【図5】２つの圧縮機を使用する先行技術の３段階膜システムおよびプロセスのプロセスフロー図である。

【図6】再圧縮なしの先行技術の３段階膜システムおよびプロセスのプロセスフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

図１は、２つの圧縮機を含む３段階膜バイオガスアップグレードシステム１０の実施形態を示す。バイオガスのアップグレードまたは分離のために使用すると、これは、少なくとも９９．５％のメタン回収率を達成することができる。バイオガスは、典型的には、酸素（Ｏ２）および窒素（Ｎ２）などの他の微量成分を時には伴って、主成分として二酸化炭素（ＣＯ２）およびメタン（ＣＨ４）を含む。本システムにおいて使用される膜は、ＣＨ４よりもＣＯ２に対して選択的であり、これは、ＣＨ４が比較的低い速度で膜を通過する低速透過ガスである一方で、ＣＯ２が比較的高い速度で膜を優先的に通過する高速透過ガスと見なされることを意味する。本明細書における略記として、高速透過ガスおよび低速透過ガスは、それぞれ、高速ガスおよび低速ガスと呼ばれることがある。膜を通るガス透過性は溶液拡散輸送機構によって制御され、透過速度は、ポリマー中の分子サイズ（拡散率）および分子溶解度の関数であり、原動力に比例する。ガス分離の原動力は、膜の高圧側と低圧側との分圧差である。ガス混合物の各ガス状成分のガス透過性は典型的には異なり、各ガス状成分の分圧は、ガス混合物中のその相対濃度ならびにガス混合物の総圧力に明らかに比例するであろう。

【0022】

膜は、ＭｏｎｓａｎｔｏがそのＰＲＩＳＭ（登録商標）膜を水素精製のために製品化した１９８０年代以来、ガス分離プロセスにおいて使用されてきた。その後、膜は、限定しないが、天然ガス甘味料、窒素生成、および脱水など、様々な用途における使用が見出されてきた。最近では、膜は、アミンスクラビングや水洗いなどの伝統的な技術の代わりに、バイオガスアップグレードの成長分野において使用されてきた。膜は、フットプリントの低減、可動部品がないこと、追加の処理を必要とする消耗品または副産物がないことなど、既存の分離技術よりも多くの利点を提供する。

【0023】

図１の実施形態では、高速ガスと低速ガス（例えば、ＣＯ２およびＣＨ４を含有するバイオガス）との混合物を含有する生の供給ガス流３０をシステム１０に供給する。第１のリサイクルされた流れ４８（以下に論じられるように、第３の非透過物流４８とも呼ばれる）を生の供給ガス流３０内に混合して、組み合わせられた供給流３２を形成する。組み合わせられた供給流３２は、供給圧縮機１２内でより高い圧力に圧縮されて、圧縮された組み合わせられた供給流３４をもたらす。第２のリサイクルされた流れ４４（以下に論じられるように、第２の非透過物流４４とも呼ばれる）を、圧縮された組み合わせられた供給流３４内に混合して、加圧された供給ガス流３６を形成する。

【0024】

低速透過ガスと高速透過ガスとの混合物を含有する加圧された供給ガス流３６は、低速ガスよりも高速ガスに対して選択的であるガス分離膜を有する第１の膜段階２０に送り込まれる。制御バルブ１６（または制限オリフィスなどの圧力を維持することができる他のデバイス）は、第１の膜段階２０にわたって適切な圧力を維持するために使用される。バイオガスの場合、ＣＯ２は、ＣＨ４よりもはるかに速く透過する。主に高速ガスと微量の低速ガスを含むガスは、膜を透過し、第１の透過物流４０として第１の膜段階２０を出る一方で、膜を透過できない、主に低速ガスと微量の低速ガスを含むガスは、第１の非透過物流３８として除去され、引き出される。本明細書の説明では、残留物および非透過物という用語を同義的に使用することがある。

【0025】

第１の非透過物流３８は、高濃度の低速ガスおよび非常に低濃度の高速ガスを有する、低速ガスの最終生成物流として引き出すことができる。第１の透過物流４０を、第１の段階の透過物圧縮機１４（段階間圧縮機とも呼ばれる）内で再圧縮し、圧縮された第１の透過物流４２、すなわち、若干の量の低速透過ガスとの高速透過ガスの加圧された混合物を生成し、この混合物を第２の膜段階２２に供給する。

【0026】

第２の膜段階２２では、主に高速ガスと微量の低速ガスを含むガスは、膜を透過し、第２の透過物流４６として第２の膜段階２２を出る一方で、膜を透過できない、主に低速ガス＋微量の高速ガスを含むガスは、第２の非透過物流４４として除去され、引き出される。第２の非透過物流４４は、膜を透過できなかったため、加圧されたままであり、圧縮機１４による再圧縮から恩恵を受ける。第２の非透過物流４４は、供給圧縮機１２の下流の圧縮された組み合わせられた供給流３４内に戻ってリサイクルされる。

【0027】

第２の透過物流４６は、いかなる再圧縮もせずに第３の膜段階２４に供給される。第３の膜段階２４では、主に高速ガスと微量の低速ガスを含むガスは、膜を透過し、第３の透過物流５０として第３の膜段階２４を出る一方で、主に低速ガス＋微量の高速ガスを含むガスは、膜を透過できず、第３の非透過物流４８として除去され、引き出される。第３の非透過物流４８は、供給圧縮機１２の上流の生の供給ガス流３０内に戻ってリサイクルされる。制御バルブ１８を使用して、第３の膜段階２４にわたって適切な圧力を維持する。第３の透過物流５０は、高速ガスに富む流れであり、バイオガスの場合、主にＣＯ２であり、用途に応じてさらに通気または処理することができる。

【0028】

任意選択で、真空ポンプ（図示せず）は、第１の透過物流４０および／または第３の透過物流５０に接続されて、第１の段階または第３の段階の膜にわたる差圧をそれぞれ増加させることができ、それにより、膜段階の分離性能を改善する。

【0029】

任意選択で、高速ガスの透過性を増加させ、したがって必要とされる膜面積を減少させるために、プロセスヒーターを膜段階のいずれか１つの上流で使用することができる。しかし、この利点は、膜段階の分離性能を低下させる、低速ガスの透過性のより大きい増加によって相殺される。

【0030】

システム１０において、各膜段階２０、２２、および２４は、１つ以上の膜を含んでもよく、複数の膜は直列および／または並列に配置される。各膜は、平らなシートまたは中空繊維の形態であってもよく、膜のモジュールは、螺旋巻きの平らなシートまたは中空繊維の束のいずれかであってもよい。各膜段階２０、２２、および２４は、同じ膜を使用する必要はない。例えば、いくつかの実施形態では、３つの段階のすべてが同じ透過性および選択性の膜を使用する。他の実施形態では、各段階の膜透過性および選択性は、他の段階のものとは異なってもよい。さらに他の実施形態では、２つの段階は、同じ透過性および選択性の膜を使用してもよく、残りの段階は、異なる透過性および選択性の膜を使用してもよい。各膜は、当技術分野で知られている、もしくは所望の分離に適していると将来判断される多数のポリマーから選択された単一のポリマーで作製されてもよく、または各膜は、複数のポリマーから作製された複合膜であってもよい。膜を作製するために使用されるポリマーの例は、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリエチレン、ポリプロピレン、酢酸セルロース、ポリイミド（マトリミド５２１８もしくはＰ－８４など）、ポリアミド、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレンオキシド、ポリジメチルシロキサン、コポリマー、ブロックコポリマー、またはポリマーブレンドを含むが、これらに限定されない。

【0031】

驚くべきことに、システム１０における２つの圧縮機１２および１４の使用は、例えば、図６の先行技術の構成にあるような、追加の圧縮なしの主供給ガス圧縮機を有するより伝統的な３段階構成よりも著しく低い圧縮コストで低速ガスの高回収率を推進する。加えて、システム１０の構成は、しばしば膜面積要件を低くすることにつながり、それによってシステムの資本コストを低減する。

【0032】

図２は、少なくとも９９．５％のメタン回収率を得るために２つの圧縮機を含む多段階膜バイオガスアップグレードシステム１００の別の実施形態を示す。システム１０に関して上述した要素に加えて、システム１００は、第１の膜段階２０によって除去された第１の非透過物流３８をさらに処理するために第４の膜段階２６を追加する。

【0033】

第１の非透過物流３８は第４の膜段階２６に供給される。第４の膜段階２６では、主に高速ガスと微量の低速ガスを含むガスは、膜を透過し、第４の透過物流５４として第４の膜段階２６を出る一方で、主に低速ガスとごく少量の高速ガスを含むガスは、膜を透過できず、第４の非透過物流５２として除去され、引き出される。第４の透過物流５４は、第３の非透過物流４８と組み合わせられて、組み合わせられたリサイクル流５８が形成され、このリサイクル流５８は、供給圧縮機の上流の生の供給ガス流３０に戻ってリサイクルされる。制御バルブ５６を使用して、第４の膜段階２６にわたって適切な圧力を維持する。第４の非透過物流５２は、低速ガスに富む流れであり、バイオガスの場合、主にＣＨ４であり、最終精製生成物としてシステム１００を出る。

【0034】

システム１０とシステム１００の両方において、任意の所与の供給ガス組成物、流量要件、ならびに純度および／または回収率などの生成物要件について、各段階の膜面積は、動作圧力、温度、および膜の種類（すなわち、膜透過性および選択性）を含むが、これらに限定されない変数から計算される。これらのパラメータは、３段階または４段階の間の膜面積の最適分布、各それぞれのリサイクル流の流量および組成、ならびに圧縮機電力に対するリサイクル流の直接的影響を見つけるために、Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓなどの計算シミュレーションプログラムに入力される。

【0035】

本明細書に記載のシステム１０および１００は、以下を含むが、これらに限定されない、いくつかのガス対のうちのいずれか１つを供給流３０内で分離するために使用できる：ＣＯ２／ＣＨ４、Ｈ２／ＣＯ、Ｈ２／ＣＯ２、ＣＯ２／Ｎ２、Ｏ２／Ｎ２、Ｈｅ／ＣＨ４、Ｈ２／ＣＨ４、およびＨ２／Ｎ２。

【0036】

図３および図４のグラフ、ならびに以下の表は、現在開示されているシステム１０の性能を、図５（システムＡ）および図６（システムＢ）に示される２つの先行技術システムと比較する。以下の条件を使用してシミュレーションを行った：６０モル％ＣＨ４、４０モル％ＣＯ２を含有する１０００ＮＭＨ（１時間当たりのノルマル立方メートル）のバイオガスの生の供給流、第１および第２段階膜の１４ｂａｒｇ動作圧力、２０℃の膜動作温度、９８モル％ＣＨ４を含有する生成物ガス、膜ＣＯ２／ＣＨ４選択性３０。グラフが示すように、よりわずかなＣＨ４回収（すなわち、ベント流内のより高いＣＨ４含有量）で、３段階カスケードおよび２つの圧縮機を有する本システム１０は、システムＡおよびシステムＢと同様に性能を発揮する。しかしながら、ＣＨ４回収が増加し、ベント流内のＣＨ４が減少するにつれて、本システム１０は、システムＡ（単一圧縮機）またはシステムＢ（２つの圧縮機）のいずれかよりも著しく少ない圧縮機電力を必要とする。本システムはまた、システムＡの単一圧縮機設計よりもわずかに少ない膜面積を必要とする。

【表1】

条件：６０％ＣＨ４、４０％ＣＯ２の１０００ＮＭＨの生のバイオガス、１４ｂａｒｇ、２０Ｃ、生成物ガス９８％ＣＨ４、総ＣＨ４回収率９９．９７％、膜ＣＯ２／ＣＨ４選択性３０。

【0037】

３つの膜および単一圧縮機を有する図６の構成を使用してプロセスシミュレーションを行って、６０モル％のＣＨ４および４０モル％のＣＯ２を含有し、１０００ＮＭＨで流れる供給流３０を使用して、９８モル％のＣＨ４を含有し、９９．９８％の全体ＣＨ４回収率の生成物流を生成した。約９９．５％を超える、非常に高いＣＨ４回収率を達成するためには、５００％を超えるリサイクル率が必要であり、リサイクル率は、リサイクル流体積（７および８とラベル付けされた流れの組み合わせ）と、供給流体積（１とラベル付けされた流れ）との比率として定義される。この大きいリサイクル率は、非常に大きい圧縮機を必要とし、動作するために過度に高い圧縮機電力を必要とする。

【0038】

比較のために、カスケードになった３つの膜段階２０、２２、および２４、供給圧縮機１２、および第１の段階の透過物圧縮機１４を有するシステム１０の構成を使用してシミュレーションを実行した。シミュレーションでは、膜モジュールは、ＣＯ２／ＣＨ４選択性が３０である中空繊維膜を含有した。

【0039】

６０％ＣＨ４および４０％ＣＯ２を含有する１０００ＮＭＨの生のバイオガス流３０の供給がシステムに提供される。流れ３０は、１０１．６４ＮＭＨの流量を有し、かつ９６．５％のＣＯ２を含有する第３の非透過物流４８と組み合わせられて、組み合わせられたフィード流３２が形成される。組み合わせられた流れ３２は１４ｂａｒｇに圧縮される。結果として生じる圧縮された組み合わせられた供給流３４を、８４２．８ＮＭＨで８１．１％のＣＯ２を含有する第２の非透過物流４４と組み合わせて、約１４ｂａｒｇおよび２０℃において３９．３％ＣＨ４および６０．７％ＣＯ２を含有する１９４４．４ＮＭＨの加圧された供給ガス流３６を作成する。圧縮された組み合わせられた供給流３６を第１の膜段階２０に供給して、第１の非透過物流３８および第１の透過物流４０を生成する。

【0040】

第１の膜段階２０は、システム１０内の全膜面積の７８．５％を含有する。第１の非透過物流３８圧力の圧力は、制御バルブ１６によって調節され、制御バルブ１６は、第１の膜段階２０に対して１４ｂａｒｇの供給圧力を達成するように設定される。第１の非透過物流３８は、６１１．９ＮＭＨのモル流量を有し、９８％のＣＨ４を含有し、生成物ガスとして引き出された。第１の透過物流４０は、１３３２．５ＮＭＨのモル流量を有し、第１の透過物圧縮機１４に入った。

【0041】

圧縮された第１の透過物流４２を第２の膜段階２２に供給して、第２の非透過物流４８および第２の透過物流４６を生成する。第２の膜段階２２は、全システム膜面積の６．８％を含有する。

【0042】

第２の透過物流４６は、全システム膜面積の１４．７％を含有する第３の膜段階２４に供給される。第３の段階の非透過物流４８上の制御バルブ１８は、その流れ上の圧力、ならびに第３の段階の供給流４６の圧力を調節する。制御バルブ１８は、差圧が第２の膜段階２２にわたって維持されるように圧力が十分に低いが、第３の段階の膜２４にわたって差圧を維持するのに十分に高いように設定される。最適圧力は、最適化ルーチンを使用してコスト関数を最小限に抑えることによって決定することができ、これにより、その流れを、供給圧縮機１２を離れる供給ガス流３４と組み合わせることが可能になる。上記のように、第３の段階の非透過物流４８の体積は１０１．６ＮＭＨであり、リサイクルされると、この体積は、供給圧縮機１２によって圧縮されるガスの体積のわずか１０％の増加を表す。第３の段階の透過物流５０は、３８７．９ＮＭＨで引き出され、わずか０．０５モル％のＣＨ４を含有する。全体的にこのシステムは、推定０．２８６ｋＷ／ＮＭＨの生のバイオガスのみを使用しながら、９９．９７％のＣＨ４回収率を達成する。

【0043】

本明細書に記載されるシステム１０および１００は、図６の単一圧縮機３段階システムよりも予期しない改善を表す。図６のシステムを改造して、より多いリサイクル流を受け入れ、より高い選択性を持つ膜を使用し、および／またはより高い選択性を達成するためにより低い温度で動作することによって、９９．５％を超える回収率にすることができたとしても、それらの各々は、本明細書に記載のシステムと比較して欠点を有する。具体的には、リサイクル流が多いほど、より多くの圧縮機電力を必要とし、プロセスの経済性を低下させる。より高い選択性を有する膜は現在入手可能でない。そして、選択性を低下させるためにより低い温度で動作させることは、冷凍エネルギーコストを増加させ、膜面積を増加させる。

【0044】

本明細書に記載されるシステム１０および１００はまた、図５の２圧縮機３段階システムよりも予期しない改善を表す。図５のシステムを改造して、９８％を超えるＣＨ４回収率にすることができても、その高い回収率を達成するために、透過物（第２の）段階の供給流量対透過物流量比（「段階削減」として知られる）の比率が低減され、それにより、透過物段階膜面積が低減される。ＣＨ４の回収率が約９９％を超えると、透過物段階膜面積が非常に小さくなり、設計および／または動作が実行不可能になる。また、透過物段階非透過物流対供給段階透過物リサイクル流の比率が増加し、それにより、段階間圧縮機電力消費量が増加する。

【0045】

本発明の範囲は、本発明のいくつかの態様の例示として意図されている例において開示される特定の態様または実施形態によって限定されるものではなく、機能的に同等であるいかなる実施形態も本発明の範囲内にある。本明細書に示され、説明されたものに加えて、本発明の様々な修正が、当業者には明らかになり、添付の特許請求の範囲内に入ることが意図されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】