JP2016187770A

JP2016187770A - Gas separation system and method for producing enriched gas

Info

Publication number: JP2016187770A
Application number: JP2015068224A
Authority: JP
Inventors: 叙彦福田; Nobuhiko Fukuda; 智英中村; Tomohide Nakamura
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2016-11-04
Anticipated expiration: 2035-03-30
Also published as: JP6511912B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas separation system which enables reduction of a membrane area of a gas separation membrane unit.SOLUTION: A gas separation system 10 includes: first to third gas separation membrane units 11, 12, 13. A line 14 connects a non-permeable gas discharge port of the first unit 11 to a gas inlet of the second unit 12. A line 19 is connected to a non-permeable gas discharge port of the second unit 12. A line 15 connects a permeable gas discharge port of the first unit 11 to a gas inlet of the third unit 13. A material mixing gas supply line 16 is connected to a gas inlet of the first unit 11, and first compression means 21 is disposed in the middle of the material mixing gas supply line 16. Second compression means 22 is disposed in the middle of the line 15. A line 17 connects a permeable gas discharge port of the second unit 12 to a suction side position of the first compression means 21 in the material mixing gas supply line 16. A non-permeable gas joint line 26 connects a non-permeable gas discharge port of the third unit 13 to the line 19 of the second gas separation membrane unit 12.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、複数のガス分離膜ユニットを用いて混合ガスを分離するガス分離システム及び該ガス分離システムを用いた富化ガスの製造方法に関する。 The present invention relates to a gas separation system that separates a mixed gas using a plurality of gas separation membrane units, and a method for producing an enriched gas using the gas separation system.

異なる２種類以上のガスを含む混合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、透過ガス又は非透過ガスを回収することにより、目的ガスである高純度の高透過性ガス又は高純度の低透過性ガスを得ることができる。混合ガスに含まれる各ガスの膜に対する単位膜面積・単位時間・単位分圧差あたりの透過体積である透過速度は、Ｐ’（単位は、×１０^−５ｃｍ^３（ＳＴＰ）／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）で表すことができる。また、膜のガス分離選択性は、高透過性ガスの透過速度と低透過性ガスの透過速度との比、（高透過性ガスの透過速度／低透過性ガスの透過速度）、で表すことができる。 As a method for separating a mixed gas containing two or more different gases into each gas, a membrane separation method using a difference in gas permeation rate with respect to the membrane is known. In this method, a high-purity high-permeability gas or a high-purity low-permeability gas that is the target gas can be obtained by collecting the permeation gas or the non-permeation gas. The permeation speed, which is the permeation volume per unit membrane area, unit time, and unit partial pressure difference with respect to the membrane of each gas contained in the mixed gas, is P ′ (unit: × 10 ⁻⁵ cm ³ (STP) / cm ² · sec). • cmHg). The gas separation selectivity of the membrane is expressed by the ratio of the permeation rate of the high permeable gas and the permeation rate of the low permeable gas, (permeation rate of the high permeable gas / permeation rate of the low permeable gas). Can do.

一般にガス分離膜は、ガス分離選択性の高い膜はガス（特に高透過性ガス）の透過速度が低く、反対にガス（特に高透過性ガス）の透過速度が高い膜はガス分離選択性が低い。したがって、一段のガス分離膜を用いて混合ガスから低透過性ガスを回収する場合、回収するガスの純度が一定のときには、ガス分離選択性が高い膜を用いた場合、回収率は高くなる。しかし、ガスの透過速度が低いため、膜面積を大きくするか、又は運転圧力を高くする必要がある。一方、ガスの透過速度が高い膜は、膜面積を大きくしたり、運転圧力を高くする必要はないが、ガス分離選択性が低いため、回収率が低くなる。 In general, a gas separation membrane has a high gas separation selectivity, a gas (especially highly permeable gas) has a low permeation rate, and a gas (especially highly permeable gas) permeation rate has a high gas separation selectivity. Low. Therefore, when a low-permeability gas is recovered from a mixed gas using a single-stage gas separation membrane, when the purity of the recovered gas is constant, a recovery rate is high when a membrane with high gas separation selectivity is used. However, since the gas permeation rate is low, it is necessary to increase the membrane area or increase the operating pressure. On the other hand, a membrane having a high gas permeation rate does not need to have a large membrane area or high operating pressure, but has a low gas separation selectivity, resulting in a low recovery rate.

一般に、ガス分離膜は、ガス選択透過性を有するガス分離膜を、少なくともガス入口、透過ガス排出口、非透過ガス排出口が備えられている容器内に収容してなるガス分離膜モジュールとして使用されている。ガス分離膜は、そのガス供給側とガス透過側の空間が隔離されるように、容器内に装着されている。ガス分離システムにおいては、所要の膜面積とするために、一般に複数のガス分離膜モジュールを並列に組み合わせたガス分離膜ユニットとして使用される。ガス分離膜ユニットを構成する複数のガス分離膜モジュールは、ガス入口、非透過ガス排出口、透過ガス排出口を共用するため、ガス分離膜ユニットは、実質的に膜面積が大きいガス分離膜モジュールとして作用する。
目的とする低透過性ガスを高純度かつ高回収率で回収するために、このガス分離膜ユニットを多段階に備えたガス分離システムを用いる方法が知られている。透過速度の高い膜を用いた場合には、ガスの分離選択性が低いため、ガス分離システムにおけるガスの循環量が増える。従ってこの場合、純度及び回収率を維持するために、ガス圧縮の動力が大きくなる。逆に、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、高透過性ガスの透過速度が低いため、膜面積を大きくする必要がある。 In general, a gas separation membrane is used as a gas separation membrane module in which a gas separation membrane having gas selective permeability is accommodated in a container having at least a gas inlet, a permeated gas outlet, and a non-permeate gas outlet. Has been. The gas separation membrane is mounted in the container so that the space between the gas supply side and the gas permeation side is isolated. In order to obtain a required membrane area, a gas separation system is generally used as a gas separation membrane unit in which a plurality of gas separation membrane modules are combined in parallel. Since a plurality of gas separation membrane modules constituting a gas separation membrane unit share a gas inlet, a non-permeate gas outlet, and a permeate gas outlet, the gas separation membrane module has a substantially large membrane area. Acts as
In order to recover a target low-permeability gas with high purity and high recovery rate, a method using a gas separation system provided with this gas separation membrane unit in multiple stages is known. When a membrane having a high permeation rate is used, gas separation selectivity is low, so that the amount of gas circulation in the gas separation system increases. Therefore, in this case, the power of gas compression is increased in order to maintain the purity and the recovery rate. On the other hand, when a membrane with high gas separation selectivity is used, the power of gas compression is small, but since the permeation rate of the highly permeable gas is low, it is necessary to increase the membrane area.

多段階のガス分離膜ユニットに関し、例えば特許文献１には、３つのガス分離膜ユニットを備えたガス分離法が提案されている。特許文献１に記載のガス分離法においては、分離の対象となる混合ガスを、圧縮機を介して第１ガス分離膜ユニットに供給する。そして、第１ガス分離膜ユニットから排出された非透過ガスを第２ガス分離膜ユニットに供給するとともに、第１ガス分離膜ユニットから排出された透過ガスを第３ガス分離膜ユニットに供給している。更に第２ガス分離膜ユニットから排出された透過ガス、及び第３ガス分離膜ユニットから排出された非透過ガスを、圧縮機の吸込側の位置に帰還させている。 Regarding a multistage gas separation membrane unit, for example, Patent Document 1 proposes a gas separation method including three gas separation membrane units. In the gas separation method described in Patent Document 1, a mixed gas to be separated is supplied to a first gas separation membrane unit via a compressor. Then, the non-permeated gas discharged from the first gas separation membrane unit is supplied to the second gas separation membrane unit, and the permeable gas discharged from the first gas separation membrane unit is supplied to the third gas separation membrane unit. Yes. Further, the permeate gas discharged from the second gas separation membrane unit and the non-permeate gas discharged from the third gas separation membrane unit are returned to the suction side position of the compressor.

特開２０１３−５３４８６３号公報JP 2013-534863 A

しかし特許文献１に記載の技術においては、第２圧縮手段がないため、第３ガス分離膜ユニットを相対的に低い圧力で運転することに起因して、所定純度のガスを得るためには、第３ガス分離膜ユニットにおける膜面積を大きく、例えば膜モジュール本数を多くする必要がある。また、リサイクルにおいても、第３ガス分離膜ユニットから排出される非透過ガスを、それが如何なる圧力になろうと圧縮機の吸込側に戻さざるを得ず、所要圧縮動力が大きくなってしまう。その上、システム全体の膜面積が大きく、例えば膜モジュール本数も多くなってしまう。 However, in the technique described in Patent Document 1, since there is no second compression means, in order to obtain a gas with a predetermined purity due to operation of the third gas separation membrane unit at a relatively low pressure, It is necessary to increase the membrane area in the third gas separation membrane unit, for example, to increase the number of membrane modules. Also in recycling, the non-permeated gas discharged from the third gas separation membrane unit must be returned to the suction side of the compressor no matter what the pressure is, and the required compression power increases. In addition, the membrane area of the entire system is large, for example, the number of membrane modules increases.

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システムを提供することにある。 Therefore, the subject of this invention is providing the gas separation system which can eliminate the fault which the prior art mentioned above has.

前記の課題を解決すべく本発明者は鋭意検討した結果、３つのガス分離膜ユニットを備えたガス分離装置において、第１ガス分離膜ユニットから排出された透過ガスを第３ガス分離膜ユニットに供給するときに、該透過ガスを圧縮することで、第３ガス分離膜ユニットを相対的に高い圧力で運転でき、システム全体の所要圧縮動力を低減させることができ、またシステム全体の膜面積、例えば膜モジュール本数も低減させ得ることを知見した。 As a result of intensive studies by the present inventor to solve the above-mentioned problems, in the gas separation apparatus having three gas separation membrane units, the permeated gas discharged from the first gas separation membrane unit is transferred to the third gas separation membrane unit. When supplying, by compressing the permeate gas, the third gas separation membrane unit can be operated at a relatively high pressure, the required compression power of the entire system can be reduced, and the membrane area of the entire system, For example, it has been found that the number of membrane modules can be reduced.

本発明は前記の知見に基づきなされたものであり、
互いに異なる２種のガスを少なくとも含む原料混合ガスをガス分離膜ユニットに供給し、原料混合ガスに含まれるガスのうちの少なくとも一種を濃縮富化するガス分離システムであって、
前記ガス分離膜ユニットが、第１ガス分離膜ユニット、第２ガス分離膜ユニット及び第３ガス分離膜ユニットを備え、
各ガス分離膜ユニットは、ガス入口、透過ガス排出口及び非透過ガス排出口を少なくとも備え、
第１ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口と、第２ガス分離膜ユニットのガス入口とを第１非透過ガス排出ラインによって連結し、
第１ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口と、第３ガス分離膜ユニットのガス入口とを透過ガス排出ラインによって連結し、
第２ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口に接続する第２非透過ガス排出ラインを設け、該第２非透過ガス排出ラインは、該非透過ガス排出口から排出された非透過ガスが流通する流通路と、該非透過ガス排出口から排出され該流通路を流通した非透過ガスを排出するライン排出口とを有しており、
第１ガス分離膜ユニットのガス入口に、原料混合ガス供給ラインを連結するとともに、該原料混合ガス供給ラインの途中に第１圧縮手段を介在配置し、
前記透過ガス排出ラインの途中に第２圧縮手段を介在配置し、
第２ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口と、前記原料混合ガス供給ラインにおける第１圧縮手段の吸込側の位置とを、透過ガス帰還ラインによって連結し、更に
第３ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口と、第２ガス分離膜ユニットの第２非透過ガス排出ラインにおける前記の流通路とを、非透過ガス合流ラインによって連結し、
第２非透過ガス排出ラインのライン排出口及び第３ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口の少なくとも一方から、濃縮富化されたガスを取り出すようにした、ガス分離システムを提供することにより前記の課題を解決したものである。 The present invention has been made based on the above findings,
A gas separation system for supplying a raw material mixed gas containing at least two different gases to a gas separation membrane unit and enriching and enriching at least one of the gases contained in the raw material mixed gas,
The gas separation membrane unit includes a first gas separation membrane unit, a second gas separation membrane unit, and a third gas separation membrane unit,
Each gas separation membrane unit includes at least a gas inlet, a permeate gas outlet and a non-permeate gas outlet,
A non-permeate gas outlet of the first gas separation membrane unit and a gas inlet of the second gas separation membrane unit are connected by a first non-permeate gas discharge line;
The permeate gas discharge port of the first gas separation membrane unit and the gas inlet of the third gas separation membrane unit are connected by a permeate gas discharge line,
A second non-permeate gas discharge line connected to the non-permeate gas discharge port of the second gas separation membrane unit is provided, and the non-permeate gas discharged from the non-permeate gas discharge port flows through the second non-permeate gas discharge line. A flow path and a line discharge port for discharging the non-permeate gas discharged from the non-permeate gas discharge port and flowing through the flow path;
The raw material mixed gas supply line is connected to the gas inlet of the first gas separation membrane unit, and the first compression means is disposed in the middle of the raw material mixed gas supply line,
A second compression means is disposed in the middle of the permeate gas discharge line;
A permeate gas discharge port of the second gas separation membrane unit and a position on the suction side of the first compression means in the raw material mixed gas supply line are connected by a permeate gas feedback line, and further the non-permeation of the third gas separation membrane unit. A gas discharge port and the flow passage in the second non-permeate gas discharge line of the second gas separation membrane unit are connected by a non-permeate gas merge line;
By providing a gas separation system, wherein the enriched gas is taken out from at least one of the line outlet of the second non-permeate gas outlet line and the permeate outlet of the third gas separation membrane unit. It solves the problem.

また本発明は、互いに異なる２種のガスを少なくとも含む原料混合ガスをガス分離システムに供給し、該ガス分離システムを運転することによって、該原料混合ガスに含まれるガスのうちの少なくとも一種が濃縮富化された富化ガスを製造する富化ガスの製造方法であって、
ガス分離システムとして、第１ガス分離膜ユニット、第２ガス分離膜ユニット及び第３ガス分離膜ユニットを有し、各ガス分離膜ユニットに、ガス入口、透過ガス排出口及び非透過ガス排出口を設け、第１ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口と、第２ガス分離膜ユニットのガス入口とを非透過ガス排出ラインによって連結し、第１ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口と、第３ガス分離膜ユニットのガス入口とを透過ガス排出ラインによって連結し、第２ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口に接続する第２非透過ガス排出ラインを設け、該第２非透過ガス排出ラインは、該非透過ガス排出口から排出された非透過ガスが流通する流通路と、該非透過ガス排出口から排出され該流通路を流通した非透過ガスを排出するライン排出口とを有しており、第１ガス分離膜ユニットのガス入口に、原料混合ガス供給ラインを連結するとともに、該原料混合ガス供給ラインの途中に第１圧縮手段を介在配置し、前記透過ガス排出ラインの途中に第２圧縮手段を介在配置し、第２ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口と、前記原料混合ガス供給ラインにおける第１圧縮手段の吸込側の位置とを、透過ガス帰還ラインによって連結し、更に第３ガス分離膜ユニットの非透過ガス排出口と、第２ガス分離膜ユニットの第２非透過ガス排出ラインにおける前記の流通路とを、非透過ガス合流ラインによって連結したガス分離システムを用い、
原料混合ガスを、原料混合ガス供給ラインを通じて第１ガス分離膜ユニットに供給し、第２非透過ガス排出ラインのライン排出口及び第３ガス分離膜ユニットの透過ガス排出口の少なくとも一方から、濃縮富化されたガスを取り出す、富化ガスの製造方法を提供することにより前記の課題を解決したものである。 The present invention also provides a raw material mixed gas containing at least two kinds of different gases to a gas separation system and operates the gas separation system so that at least one of the gases contained in the raw material mixed gas is concentrated. A method for producing an enriched gas for producing an enriched enriched gas, comprising:
The gas separation system includes a first gas separation membrane unit, a second gas separation membrane unit, and a third gas separation membrane unit. Each gas separation membrane unit has a gas inlet, a permeated gas outlet, and a non-permeated gas outlet. A non-permeate gas discharge port of the first gas separation membrane unit and a gas inlet of the second gas separation membrane unit are connected by a non-permeate gas discharge line; A gas inlet of the three gas separation membrane unit is connected by a permeate gas discharge line, and a second non-permeate gas discharge line connected to the non-permeate gas discharge port of the second gas separation membrane unit is provided. The line includes a flow passage through which the non-permeate gas discharged from the non-permeate gas discharge port and a line discharge port through which the non-permeate gas discharged from the non-permeate gas discharge port and circulated through the flow passage are discharged. In addition, a raw material mixed gas supply line is connected to the gas inlet of the first gas separation membrane unit, and a first compression means is interposed in the middle of the raw material mixed gas supply line, and in the middle of the permeated gas discharge line. Interposing the second compression means, connecting the permeate gas discharge port of the second gas separation membrane unit and the suction side position of the first compression means in the raw material mixed gas supply line by a permeate gas feedback line, Furthermore, a gas separation system is used in which the non-permeate gas discharge port of the third gas separation membrane unit and the flow passage in the second non-permeate gas discharge line of the second gas separation membrane unit are connected by a non-permeate gas merge line. ,
The raw material mixed gas is supplied to the first gas separation membrane unit through the raw material mixed gas supply line, and concentrated from at least one of the line discharge port of the second non-permeate gas discharge line and the permeate gas discharge port of the third gas separation membrane unit. The above-described problems are solved by providing a method for producing an enriched gas, in which the enriched gas is taken out.

本発明によれば、システム全体の膜面積、例えば膜モジュール本数を低減させることができる。また、第３ガス分離膜ユニットから排出された非透過ガスは相対的に高い圧力を持つので、リサイクルにおいて、このガスを、第１圧縮手段を介して相対的に高い圧力を持った、第２ガス分離膜ユニットの第２非透過ガス排出ラインに合流させることにより、システム全体の所要圧縮動力を低減させることもできる。特に、運転時に第２ガス分離膜ユニット１２のガスの透過速度が第３ガス分離膜ユニット１３よりも高く、第３ガス分離膜ユニット１３のガス分離選択性が、第２ガス分離膜ユニット１２よりも高くなるようになされていることで、ガス回収率を高いレベルに維持しつつ、第２ガス分離膜ユニットの膜面積、例えば膜モジュール本数を更に減少させることができる。 According to the present invention, the membrane area of the entire system, for example, the number of membrane modules can be reduced. In addition, since the non-permeate gas discharged from the third gas separation membrane unit has a relatively high pressure, the second gas having a relatively high pressure through the first compression means is used in the second recycling. The required compression power of the entire system can be reduced by joining the second non-permeate gas discharge line of the gas separation membrane unit. In particular, the gas permeation rate of the second gas separation membrane unit 12 is higher than that of the third gas separation membrane unit 13 during operation, and the gas separation selectivity of the third gas separation membrane unit 13 is higher than that of the second gas separation membrane unit 12. As a result, the membrane area of the second gas separation membrane unit, for example, the number of membrane modules can be further reduced while maintaining the gas recovery rate at a high level.

図１は、本発明のガス分離システムの構成を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the gas separation system of the present invention. 図２は、本発明のガス分離システムに用いられるガス分離膜ユニットを構成するモジュールの一例の構造を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of an example of a module constituting a gas separation membrane unit used in the gas separation system of the present invention. 図３は、比較例で用いたガス分離システムの構成を示す概略図であり、特許文献１に記載の技術に相当するものである。FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the gas separation system used in the comparative example, and corresponds to the technique described in Patent Document 1.

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。まず、図１及び図２に基づき、本発明の好ましい実施形態であるガス分離システム１０及びこれを用いて富化ガスを製造する本発明の好ましい実施態様について説明する。図１に示すように、本実施形態のガス分離システム１０は、３つのガス分離膜ユニットである第１ガス分離膜ユニット１１、第２ガス分離膜ユニット１２、及び第３ガス分離膜ユニット１３を備えている。各ガスユニット１１，１２，１３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４０を用いることができる。本実施形態の各ガス分離膜ユニット１１，１２，１３は、図２に示すガス分離膜モジュール４０を一本用いたものであるか、或いは、このモジュール４０を複数本並列してなるものである。モジュール４０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。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. First, based on FIG.1 and FIG.2, the gas separation system 10 which is preferable embodiment of this invention and the preferable embodiment of this invention which manufactures enriched gas using this are demonstrated. As shown in FIG. 1, the gas separation system 10 of the present embodiment includes a first gas separation membrane unit 11, a second gas separation membrane unit 12, and a third gas separation membrane unit 13, which are three gas separation membrane units. I have. As each gas unit 11, 12, 13, for example, as shown in FIG. 2, a module 40 made of a hollow fiber membrane or the like and containing a gas separation membrane 30 having gas selective permeability in a casing 31 is used. Can do. Each gas separation membrane unit 11, 12, 13 of this embodiment uses one gas separation membrane module 40 shown in FIG. 2, or a plurality of modules 40 are arranged in parallel. . The casing 31 in the module 40 is formed with an opening 32 by opening two opposing surfaces. It should be noted that the opening 32 is for inserting the gas separation membrane 30 into the casing 31 and is not an opening of the gas separation membrane 30. The gas separation membrane 30 is accommodated in the casing 31 through the opening 32. When the gas separation membrane 30 is composed of a bundle of hollow fiber membranes, the gas separation membrane 30 is accommodated in the casing 31 so that each end of the hollow fiber membrane is opened in the vicinity of each opening 32 of the casing 31 in the accommodated state. Is housed in.

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。分離対象となる混合ガスは、蓋体３５のガス入口３７からモジュール内（すなわちユニット内）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からモジュール外（すなわちユニット外）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（すなわちユニット外）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。以上、図２の分離膜モジュールを例に挙げて説明したが、当然ながら、本発明は他の構成の分離膜モジュールにも応用可能であり、例えば、シェルフィード型のモジュールやスパイラル型モジュールにも応用できる。 In a state where the gas separation membrane 30 is accommodated in the casing 31, the gas separation membrane 30 is fixed to the inner wall of the casing 31 by the tube plates 33 and 34 at the positions of both ends in the Y direction, which is the direction in which the hollow fiber membrane extends. Has been. Each opening 32 of the casing 31 is closed by lids 35 and 36. A gas inlet 37 is provided in the lid 35. On the other hand, the cover 36 is provided with a non-permeate gas discharge port 38. The mixed gas to be separated is introduced into the module (that is, inside the unit) from the gas inlet 37 of the lid 35. Of the introduced gas, the gas that has permeated the gas separation membrane 30 is discharged from the permeated gas discharge port 39 provided in the casing 31 to the outside of the module (that is, outside the unit). On the other hand, the non-permeating gas that has not permeated the gas separation membrane 30 is discharged from the non-permeating gas discharge port 38 of the lid 36 to the outside of the module (that is, outside the unit). In some cases, the casing 31 may be provided with a purge gas supply port (not shown). As described above, the separation membrane module of FIG. 2 has been described as an example. However, it should be understood that the present invention can be applied to separation membrane modules having other configurations, for example, a shell-feed type module and a spiral type module. Can be applied.

図１に戻ると、同図に示すとおり、第１ガス分離膜ユニット１１と、第２ガス分離膜ユニット１２とが直列に接続されている。具体的には、第１ガス分離膜ユニット１１と、第２ガス分離膜ユニット１２とは、第１ガス分離膜ユニット１１の非透過ガス排出口１１ｂと、第２ガス分離膜ユニット１２のガス入口１２ａとを第１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。 Returning to FIG. 1, as shown in the figure, the first gas separation membrane unit 11 and the second gas separation membrane unit 12 are connected in series. Specifically, the first gas separation membrane unit 11 and the second gas separation membrane unit 12 are a non-permeate gas discharge port 11 b of the first gas separation membrane unit 11 and a gas inlet of the second gas separation membrane unit 12. 12 a is connected by a first non-permeate gas discharge line 14.

また図１に示すとおり、第１ガス分離膜ユニット１１と、第３ガス分離膜ユニット１３とが直列に接続されている。具体的には、第１ガス分離膜ユニット１１と、第３ガス分離膜ユニット１３とは、第１ガス分離膜ユニット１１の透過ガス排出口１１ｃと、第３ガス分離膜ユニット１３のガス入口１３ａとを透過ガス排出ライン１５によって連結することで接続されている。 Moreover, as shown in FIG. 1, the 1st gas separation membrane unit 11 and the 3rd gas separation membrane unit 13 are connected in series. Specifically, the first gas separation membrane unit 11 and the third gas separation membrane unit 13 are a permeated gas discharge port 11 c of the first gas separation membrane unit 11 and a gas inlet 13 a of the third gas separation membrane unit 13. Are connected by a permeate gas discharge line 15.

第１ガス分離膜ユニット１１のガス入口１１ａには、原料である混合ガス源（図示せず）からの原料混合ガスを第１ガス分離膜ユニット１１へ供給するための原料混合ガス供給ライン１６が連結されている。原料混合ガス供給ライン１６の途中には、第１圧縮手段２１が介在配置されている。第１圧縮手段２１は、混合ガス源から供給された混合ガスを加圧する目的で設置されている。また、第２ガス分離膜ユニット１２から排出された透過ガスを、第１ガス分離膜ユニット１１に帰還させるときに、該透過ガスを加圧する目的で設置されている。 The gas inlet 11 a of the first gas separation membrane unit 11 has a raw material mixed gas supply line 16 for supplying a raw material mixed gas from a mixed gas source (not shown) as a raw material to the first gas separation membrane unit 11. It is connected. A first compression means 21 is interposed in the middle of the raw material mixed gas supply line 16. The 1st compression means 21 is installed in order to pressurize the mixed gas supplied from the mixed gas source. Further, it is installed for the purpose of pressurizing the permeated gas when returning the permeated gas discharged from the second gas separation membrane unit 12 to the first gas separation membrane unit 11.

更に第２ガス分離膜ユニット１２の非透過ガス排出口１２ｂに接続する第２非透過ガス排出ライン１９が設けられている。第２非透過ガス排出ライン１９は第２ガス分離膜ユニット１２の非透過ガス排出口１２ｂから排出された非透過ガスが流通する流通路１９ｃと、非透過ガス排出口１２ｂから排出された流通路１９ｃを流通した非透過ガスが排出されるライン排出口１９ｂとを有する。つまり、第２非透過ガス排出ライン１９において、流通路１９ｃは、非透過ガス排出口１２ｂとの接続部１９ａと、ライン排出口１９ｂとの間に存在する。図１に示す例では、第２非透過ガス排出ライン１９はその一端部に接続部１９ａを有し、他端部にライン排出口１９ｂを有している。 Further, a second non-permeate gas discharge line 19 connected to the non-permeate gas discharge port 12b of the second gas separation membrane unit 12 is provided. The second non-permeate gas discharge line 19 includes a flow passage 19c through which the non-permeate gas discharged from the non-permeate gas discharge port 12b of the second gas separation membrane unit 12 and a flow passage discharged from the non-permeate gas discharge port 12b. And a line discharge port 19b through which the non-permeate gas flowing through 19c is discharged. That is, in the second non-permeate gas discharge line 19, the flow passage 19c exists between the connection part 19a with the non-permeate gas discharge port 12b and the line discharge port 19b. In the example shown in FIG. 1, the second non-permeate gas discharge line 19 has a connection portion 19 a at one end and a line discharge port 19 b at the other end.

本実施形態のガス分離システム１０は、第１圧縮手段２１に加えて、第２圧縮手段２２も備えている。この第２圧縮手段２２は、上述した透過ガス排出ライン１５の途中に介在配置されている。第２圧縮手段２２は、第１ガス分離膜ユニット１１の透過ガス排出口１１ｃから排出された透過ガスを加圧して、第３ガス分離膜ユニット１３に供給する目的で設置されている。 The gas separation system 10 of this embodiment also includes a second compression unit 22 in addition to the first compression unit 21. The second compression means 22 is disposed in the middle of the permeated gas discharge line 15 described above. The second compression means 22 is installed for the purpose of pressurizing the permeated gas discharged from the permeated gas discharge port 11 c of the first gas separation membrane unit 11 and supplying it to the third gas separation membrane unit 13.

第２ガス分離膜ユニット１２においては、その透過ガス排出口１２ｃが、透過ガス帰還ライン１７によって、原料混合ガス供給ライン１６における第１圧縮手段２１の吸込側の位置と連結している。一方、第３ガス分離膜ユニット１３においては、その非透過ガス排出口１３ｂが、非透過ガス合流ライン２６によって、第２ガス分離膜ユニット１２の第２非透過ガス排出ライン１９における流通路１９ｃ、つまり上記の接続部１９aとライン排出口１９ｂとの間の位置と連結している。 In the second gas separation membrane unit 12, the permeate gas discharge port 12 c is connected to the suction side position of the first compression means 21 in the raw material mixed gas supply line 16 by the permeate gas feedback line 17. On the other hand, in the third gas separation membrane unit 13, the non-permeate gas discharge port 13 b is connected to the flow passage 19 c in the second non-permeate gas discharge line 19 of the second gas separation membrane unit 12 by the non-permeate gas merge line 26. That is, it connects with the position between said connection part 19a and the line discharge port 19b.

以上の構成を有する本実施形態のガス分離システム１０の動作について説明する。分離対象となる原料混合ガスは、混合ガス源（図示せず）から原料混合ガス供給ライン１６を通じて第１ガス分離膜ユニット１１に供給される。供給に先立ち、混合ガスは、第１圧縮手段２１によって加圧され、その圧力が上昇する。第１圧縮手段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手段と同様のものを用いることができる。例えばコンプレッサ（圧縮機）を用いることができる。 Operation | movement of the gas separation system 10 of this embodiment which has the above structure is demonstrated. The raw material mixed gas to be separated is supplied to the first gas separation membrane unit 11 through a raw material mixed gas supply line 16 from a mixed gas source (not shown). Prior to the supply, the mixed gas is pressurized by the first compression means 21, and the pressure rises. As the 1st compression means 21, the thing similar to the means used until now in the said technical field can be used. For example, a compressor (compressor) can be used.

混合ガスは、分離対象となる異なる２種類のガスであるガスＡ及びガスＢを少なくとも含むものである。ガスＡ及びガスＢの種類に特に制限はない。第１圧縮手段２１によって加圧された状態の混合ガスが第１ガス分離膜ユニット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。以下の説明では、便宜的にガスＡを、ガス分離膜に対する透過速度の大きいガス、つまり高透過性ガスとし、ガスＢを、ガス分離膜に対する透過速度の小さいガス、つまり低透過性ガスとする。第１ガス分離膜ユニット１１から排出された非透過ガスは、原料である混合ガスに比べてガスＢが濃縮されたものである。非透過ガスは、第１ガス分離膜ユニット１１の非透過ガス排出口１１ｂから排出され、第１非透過ガス排出ライン１４を通じて第２ガス分離膜ユニット１２に供給される。一方、第１ガス分離膜ユニット１１からの透過ガスは、原料である混合ガスに比べてガスＡが濃縮されたものである。透過ガスは、第１ガス分離膜ユニット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を通じて第３ガス分離膜ユニット１３に供給される。 The mixed gas contains at least gas A and gas B, which are two different types of gases to be separated. There are no particular restrictions on the types of gas A and gas B. When the mixed gas pressurized by the first compression means 21 is supplied to the first gas separation membrane unit 11, it is a gas that has permeated the gas separation membrane due to a difference in permeation speed with respect to the gas separation membrane. The gas is separated into a permeate gas and a non-permeate gas that has not permeated the gas separation membrane. In the following description, for convenience, the gas A is a gas having a high permeation rate with respect to the gas separation membrane, that is, a highly permeable gas, and the gas B is a gas having a low permeation rate with respect to the gas separation membrane, that is, a low permeable gas. . The non-permeating gas discharged from the first gas separation membrane unit 11 is a gas B enriched as compared with a mixed gas as a raw material. The non-permeable gas is discharged from the non-permeable gas discharge port 11 b of the first gas separation membrane unit 11 and is supplied to the second gas separation membrane unit 12 through the first non-permeable gas discharge line 14. On the other hand, the permeate gas from the first gas separation membrane unit 11 is one in which the gas A is concentrated compared to the mixed gas that is the raw material. The permeated gas is discharged from the permeated gas discharge port 11 c of the first gas separation membrane unit 11 and supplied to the third gas separation membrane unit 13 through the permeated gas discharge line 15.

第１ガス分離膜ユニット１１の透過ガス排出口１１ｃから排出された透過ガスは、第３ガス分離膜ユニット１３に導入されるのに先立ち、第２圧縮手段２２によって加圧され、その圧力が上昇する。そして透過ガスは、加圧された状態で、第３ガス分離膜ユニット１３に導入される。これによって第３ガス分離膜ユニット１３を、相対的に高い圧力で運転することができる。このことに起因して、第３ガス分離膜ユニット１３における膜面積、例えばモジュール本数を低減させることができるという有利な効果が奏される。例えば図２に示すような中空糸膜モジュールを並列に複数組み合わせて第３ガス分離膜ユニット１３を構成する場合には、膜モジュールの本数を低減させることができる。 Prior to being introduced into the third gas separation membrane unit 13, the permeated gas discharged from the permeate gas outlet 11 c of the first gas separation membrane unit 11 is pressurized by the second compression means 22, and the pressure rises. To do. The permeating gas is introduced into the third gas separation membrane unit 13 in a pressurized state. Thereby, the third gas separation membrane unit 13 can be operated at a relatively high pressure. Due to this, there is an advantageous effect that the membrane area in the third gas separation membrane unit 13, for example, the number of modules can be reduced. For example, when the third gas separation membrane unit 13 is configured by combining a plurality of hollow fiber membrane modules as shown in FIG. 2 in parallel, the number of membrane modules can be reduced.

第３ガス分離膜ユニット１３に導入されたガス（このガスは、ガスＡが富化されている。）は、同ユニット１３によって透過ガスと非透過ガスとに分離される。透過ガスは、第３ガス分離膜ユニット１３に導入されたガスに比べて、ガスＡが更に濃縮富化されており、同ユニット１３の透過ガス排出口１３ｃから取り出される。一方、非透過ガスは、第３ガス分離膜ユニット１３の非透過ガス排出口１３ｂから排出され、該排出口１３ｂに接続されている非透過ガス合流ライン２６を経由して、第２ガス分離膜ユニット１２の第２非透過ガス排出ライン１９における流通路１９ｃに合流される。この非透過ガスは、先に述べた第２圧縮手段２２による加圧に起因して高い圧力を有するものである。この不透過ガスを、第１圧縮手段２１を介して高圧になったガスの流路に該当する、第２ガス分離膜ユニット１２の第２非透過ガス排出ライン１９に合流させることで、この不透過ガスを第１圧縮手段２１の吸込側に帰還させる場合に比較して、第１圧縮手段２１におけるガスの吸込量を低減させることができる。したがって、第１圧縮手段２１と第２圧縮手段２２とを併用した場合には、第２圧縮手段２２を使用しない場合に比べて、第１圧縮手段２１の所要圧縮動力を低減させることができるという有利な効果が奏される。具体的には、第１圧縮手段２１及び第２圧縮手段２２の合算の所要圧縮動力を、第１圧縮手段２１のみを使用した場合の所要圧縮動力に比べて低減させることができる。その上、第２圧縮手段２２を使用することで、第１ガス分離膜ユニット１１及び第２ガス分離膜ユニット１２における膜面積を低減させることができるという有利な効果も奏される。詳細には、第２圧縮手段２２を使用しない場合には、第１ガス分離膜ユニット１１からの透過ガスを、大気圧よりも高い圧力で回収せざるを得ず、第１ガス分離膜ユニット１１における効率が低下する。また第１ガス分離膜ユニット１１からの透過ガスの圧力が大気圧よりも高いとは言え、大気圧よりも多少高いレベルの圧力しかないので、第３ガス分離膜ユニット１３における効率も下がってしまう。したがって、第２圧縮手段２２を使用しない場合には、第３ガス分離膜ユニット１３の膜面積だけでなく、第１ガス分離膜ユニット１１及び／又は第２ガス分離膜ユニット１２の膜面積も増加させなければならない。これに対して、第２圧縮手段２２を使用すれば、そのような不都合が生じないので、上述のとおり、第１ガス分離膜ユニット１１及び／又は第２ガス分離膜ユニット１２における膜面積を低減させることができる。 The gas introduced into the third gas separation membrane unit 13 (this gas is enriched with the gas A) is separated into a permeable gas and a non-permeable gas by the unit 13. The permeated gas is further enriched with the gas A compared to the gas introduced into the third gas separation membrane unit 13 and is taken out from the permeated gas discharge port 13 c of the unit 13. On the other hand, the non-permeate gas is discharged from the non-permeate gas discharge port 13b of the third gas separation membrane unit 13, and passes through the non-permeate gas merging line 26 connected to the discharge port 13b. The unit 12 joins the flow passage 19 c in the second non-permeate gas discharge line 19. This non-permeating gas has a high pressure due to the pressurization by the second compression means 22 described above. This impervious gas is joined to the second non-permeate gas discharge line 19 of the second gas separation membrane unit 12 corresponding to the flow path of the gas that has become high pressure via the first compression means 21. Compared with the case where the permeated gas is returned to the suction side of the first compression means 21, the amount of gas suction in the first compression means 21 can be reduced. Therefore, when the 1st compression means 21 and the 2nd compression means 22 are used together, the required compression power of the 1st compression means 21 can be reduced compared with the case where the 2nd compression means 22 is not used. An advantageous effect is produced. Specifically, the required compression power of the sum of the first compression means 21 and the second compression means 22 can be reduced as compared with the required compression power when only the first compression means 21 is used. In addition, the use of the second compression means 22 has an advantageous effect that the membrane area in the first gas separation membrane unit 11 and the second gas separation membrane unit 12 can be reduced. Specifically, when the second compression means 22 is not used, the permeated gas from the first gas separation membrane unit 11 must be recovered at a pressure higher than atmospheric pressure, and the first gas separation membrane unit 11 The efficiency of the is reduced. In addition, although the pressure of the permeate gas from the first gas separation membrane unit 11 is higher than the atmospheric pressure, the pressure in the third gas separation membrane unit 13 is also reduced because the pressure is slightly higher than the atmospheric pressure. . Therefore, when the second compression means 22 is not used, not only the membrane area of the third gas separation membrane unit 13 but also the membrane area of the first gas separation membrane unit 11 and / or the second gas separation membrane unit 12 is increased. I have to let it. On the other hand, if the second compression means 22 is used, such inconvenience does not occur. Therefore, as described above, the membrane area in the first gas separation membrane unit 11 and / or the second gas separation membrane unit 12 is reduced. Can be made.

一方、第１ガス分離膜ユニット１１の非透過ガス排出口１１ｂから排出された非透過ガスは、第２ガス分離膜ユニット１２に導入される。第２ガス分離膜ユニット１２に導入されたガスは、同ユニット１２によって透過ガスと非透過ガスとに分離される。非透過ガスは、第２ガス分離膜ユニット１２に導入されたガスに比べて、ガスＢが更に濃縮富化されており同ユニット１２の非透過ガス排出口１２ｂから第２非透過ガス排出ライン１９を介して取り出される。第２ガス分離膜ユニット１２の非透過ガス排出口１２ｂから第２非透過ガス排出ライン１９に排出された非透過ガスは、第２非透過ガス排出ライン１９において、第３ガス分離膜ユニット１３から排出された高圧の非透過性ガスと合流した後に、第２非透過ガス排出ライン１９のライン排出口１９ｂから取り出される。一方、透過ガスは、第２ガス分離膜ユニット１２の透過ガス排出口１２ｃから排出され、該排出口１２ｃに接続されている透過ガス帰還ライン１７を経由して、原料混合ガス供給ライン１６における第１圧縮手段２１の吸込側に帰還される。帰還された透過ガスは、原料である混合ガスと混合された後に、第１圧縮手段２１によって加圧される。 On the other hand, the non-permeable gas discharged from the non-permeable gas discharge port 11 b of the first gas separation membrane unit 11 is introduced into the second gas separation membrane unit 12. The gas introduced into the second gas separation membrane unit 12 is separated into a permeable gas and a non-permeable gas by the unit 12. Compared with the gas introduced into the second gas separation membrane unit 12, the non-permeated gas is further enriched with the gas B, and the second non-permeate gas discharge line 19 from the non-permeate gas discharge port 12 b of the unit 12. Is taken out through. The non-permeate gas discharged from the non-permeate gas discharge port 12 b of the second gas separation membrane unit 12 to the second non-permeate gas discharge line 19 is transferred from the third gas separation membrane unit 13 in the second non-permeate gas discharge line 19. After joining the discharged high-pressure non-permeable gas, it is taken out from the line outlet 19 b of the second non-permeable gas discharge line 19. On the other hand, the permeate gas is discharged from the permeate gas discharge port 12c of the second gas separation membrane unit 12, and passes through the permeate gas return line 17 connected to the discharge port 12c. 1 Returned to the suction side of the compression means 21. The returned permeated gas is mixed with the mixed gas as the raw material and then pressurized by the first compression means 21.

以上のとおり、本実施形態のガス分離システム１０によれば、目的とする製品ガスの純度及び回収率を同じに仮定すると、従来の技術、例えば特許文献１に記載の１つの圧縮手段を採用した技術に比べて、圧縮手段の所要圧縮動力を低減させることが可能になる。また、ガス分離システムの総膜面積、例えばモジュール本数を、特許文献１に記載の技術よりも低減させることが可能になる。 As described above, according to the gas separation system 10 of the present embodiment, assuming that the target product gas has the same purity and recovery rate, a conventional technique, for example, one compression means described in Patent Document 1 is employed. Compared to the technology, it is possible to reduce the required compression power of the compression means. In addition, the total membrane area of the gas separation system, for example, the number of modules can be reduced as compared with the technique described in Patent Document 1.

運転時において、本実施形態のガス分離システムで使用する各ガス分離膜ユニット１１，１２，１３における分離対象とするガスに対するガス透過速度及び／又はガス分離選択性は、同じとしてもよく、異なるようにしてもよい。例えば各ガス分離膜ユニット１１，１２，１３としてガス透過速度及び／又はガス分離選択性が同じものを用いてもよくあるいは異なるものを用いてもよい。例えば各ガス分離膜ユニット１１，１２，１３として同じものを用いることができる。 During operation, the gas permeation rate and / or gas separation selectivity for the gas to be separated in each gas separation membrane unit 11, 12, 13 used in the gas separation system of this embodiment may be the same or different. It may be. For example, the gas separation membrane units 11, 12, and 13 may be the same or different in gas permeation rate and / or gas separation selectivity. For example, the same gas separation membrane units 11, 12, 13 can be used.

運転時における第３ガス分離膜ユニット１３のガス分離選択性が第２ガス分離膜ユニット１２と異なる場合、第２ガス分離膜ユニット１２より高くても低くてもよい。運転時における第３ガス分離膜ユニット１３のガス透過速度の第２ガス分離膜ユニット１２との関係も同様である。しかし、少なくとも運転時に第２ガス分離膜ユニット１２のガスの透過速度が第３ガス分離膜ユニット１３よりも高く、第３ガス分離膜ユニット１３のガス分離選択性が、第２ガス分離膜ユニット１２よりも高くなるようになされていることが、目的とするガスの純度及び回収率の低減を防止しながら第２ガス分離膜ユニット１２の膜面積を低減させてシステムの総膜面積を更に低減させることができる観点から好ましい。本明細書中で、単に「運転時」という場合、特定の運転条件に限定されるものでなく、例えば、後述するように各ユニット１１〜１３を異なる温度で運転する場合だけでなく、各ユニット１１〜１３を同温で運転する場合を当然に含む。 When the gas separation selectivity of the third gas separation membrane unit 13 during operation is different from that of the second gas separation membrane unit 12, it may be higher or lower than that of the second gas separation membrane unit 12. The relationship between the gas permeation rate of the third gas separation membrane unit 13 and the second gas separation membrane unit 12 during operation is also the same. However, at least during operation, the gas permeation rate of the second gas separation membrane unit 12 is higher than that of the third gas separation membrane unit 13, and the gas separation selectivity of the third gas separation membrane unit 13 is higher than that of the second gas separation membrane unit 12. Is made higher than that, while reducing the membrane area of the second gas separation membrane unit 12 while preventing reduction in the purity and recovery rate of the target gas, further reducing the total membrane area of the system From the viewpoint of being able to do so. In the present specification, the term “during operation” is not limited to specific operating conditions. For example, the units 11 to 13 are not only operated at different temperatures as will be described later, but also the units. Naturally, the case where 11 to 13 are operated at the same temperature is included.

ここで言うガス透過速度とは、混合ガスに含まれるガスＡ及びガスＢのうち、第２ガス分離膜ユニット１２において透過速度を高めておきたいガスであるガスＡ（高透過性ガス）についてのものである。運転時における第１ガス分離膜ユニット１１のガス分離選択性は、第２ガス分離膜ユニット１２と同じであっても異なっていてもよく、異なる場合、第２ガス分離膜ユニット１２より高くても低くてもよい。また運転時における第１ガス分離膜ユニット１１のガス分離選択性は、第３ガス分離膜ユニット１３と同じであっても異なっていてもよく、異なる場合、第３ガス分離膜ユニット１３よりも高くても低くてもよい。運転時における第１ガス分離膜ユニット１１のガス透過速度の第２ガス分離膜ユニット１２及び第３ガス分離膜ユニット１３との関係も同様である。しかし、後述する実施例２及び３との比較から明らかな通り、運転時に第３ガス分離膜ユニット１３のガス分離選択性が、第２ガス分離膜ユニット１２よりも高くなるようになされている場合、運転時における第１ガス分離膜ユニット１１のガス分離選択性が第２ガス分離膜ユニット１２よりも高い、例えば第３ガス分離膜ユニット１３と同等又はそれ以上であることが、目的とするガスの回収率を一層高いレベルに維持しやすい観点から好ましい。
一方、運転時に第２ガス分離膜ユニット１２のガスの透過速度が第３ガス分離膜ユニット１３よりも高くなるようになされている場合、運転時における第１ガス分離膜ユニット１１のガス透過速度が第３ガス分離膜ユニット１３よりも高い、例えば第２ガス分離膜ユニット１２と同等又はそれ以上であることが、第１ガス分離膜ユニット１１の膜面積を低減できる観点から好ましい。 The gas permeation rate here refers to gas A (highly permeable gas) that is a gas whose gas permeation rate is to be increased in the second gas separation membrane unit 12 among the gas A and gas B contained in the mixed gas. Is. The gas separation selectivity of the first gas separation membrane unit 11 during operation may be the same as or different from that of the second gas separation membrane unit 12, and in this case, it may be higher than that of the second gas separation membrane unit 12. It may be low. In addition, the gas separation selectivity of the first gas separation membrane unit 11 during operation may be the same as or different from that of the third gas separation membrane unit 13, and in this case, it is higher than that of the third gas separation membrane unit 13. Or low. The relationship between the second gas separation membrane unit 12 and the third gas separation membrane unit 13 in the gas permeation rate of the first gas separation membrane unit 11 during operation is also the same. However, as is apparent from comparison with Examples 2 and 3 described later, the gas separation selectivity of the third gas separation membrane unit 13 is higher than that of the second gas separation membrane unit 12 during operation. The target gas is that the gas separation selectivity of the first gas separation membrane unit 11 during operation is higher than that of the second gas separation membrane unit 12, for example, equivalent to or higher than that of the third gas separation membrane unit 13. This is preferable from the viewpoint of easily maintaining the recovery rate at a higher level.
On the other hand, when the gas permeation rate of the second gas separation membrane unit 12 is higher than that of the third gas separation membrane unit 13 during operation, the gas permeation rate of the first gas separation membrane unit 11 during operation is From the viewpoint of reducing the membrane area of the first gas separation membrane unit 11, it is preferably higher than the third gas separation membrane unit 13, for example, equivalent to or higher than the second gas separation membrane unit 12.

運転時においてユニット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、ユニット間で膜の種類を異ならせる方法が挙げられる。ユニット間で膜の種類を異ならせるには、ユニット間で（１）異なる化学組成を有する分離膜を用いる（２）同一の化学組成を有する分離膜であるが、製膜の条件、熱処理の温度といった製造条件が異なる分離膜を用いる（３）同一の化学組成および製造条件の分離膜であるが、コーティングその他の表面処理の条件が異なる分離膜を用いる等を行えばよい。 Examples of a method for making the gas permeation rate and / or gas separation selectivity different between units during operation include a method for making the type of membrane different between units. In order to make the types of membranes different between the units, (1) use separation membranes having different chemical compositions between units (2) separation membranes having the same chemical composition, but the conditions for film formation, the temperature of heat treatment (3) Separation membranes having the same chemical composition and production conditions may be used, but separation membranes having different coating and other surface treatment conditions may be used.

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かつガス分離選択性が高くなることが、一般的に知られている。
このことに基づき、各ユニットの運転温度を異ならせて、第２ガス分離膜ユニット１２のガスの透過速度を第３ガス分離膜ユニット１３よりも高く、第３ガス分離膜ユニット１３のガス分離選択性を、第２ガス分離膜ユニット１２よりも高くしてもよい。具体的には、第２分離膜ユニット１２の運転温度を第３ガス分離膜ユニット１３よりも高温とすることが好ましい。このように第２ガス分離膜ユニット１２及び第３ガス分離膜ユニット１３とで同じガス分離膜を用いた場合でも、各ユニットの運転温度を変えることで、異なる分離膜を用いた場合と同様の効果を発現させることが可能である。また各ユニットの運転温度を異ならせ、且つ、第２ガス分離膜ユニット１２及び第３ガス分離膜ユニット１３として用いる膜の種類を異ならせることにより、ユニット間のガス分離選択性及び／又はガス透過速度を異ならせてもよい。第２ガス分離膜ユニット１２の運転温度を第３ガス分離膜ユニット１３よりも高温とする場合、第２ガス分離膜ユニット１２と第３ガス分離膜ユニット１３の運転温度の差は５℃以上であることが好ましく、２０℃以上であることがより好ましく、４０℃以上であることが特に好ましい。 Even when the same gas separation membrane is used, when the operating temperature is set relatively low, the gas permeation rate is lower and the gas separation is lower than when the operating temperature is set relatively high. It is generally known that selectivity is increased.
Based on this, the operating temperature of each unit is made different so that the gas permeation rate of the second gas separation membrane unit 12 is higher than that of the third gas separation membrane unit 13, and the gas separation selection of the third gas separation membrane unit 13 is selected. The property may be higher than that of the second gas separation membrane unit 12. Specifically, the operating temperature of the second separation membrane unit 12 is preferably higher than that of the third gas separation membrane unit 13. As described above, even when the same gas separation membrane is used in the second gas separation membrane unit 12 and the third gas separation membrane unit 13, by changing the operation temperature of each unit, it is the same as in the case of using different separation membranes. An effect can be expressed. Further, by making the operating temperature of each unit different and also making the types of membranes used as the second gas separation membrane unit 12 and the third gas separation membrane unit 13 different, gas separation selectivity and / or gas permeation between the units is obtained. You may vary the speed. When the operating temperature of the second gas separation membrane unit 12 is higher than that of the third gas separation membrane unit 13, the difference in operating temperature between the second gas separation membrane unit 12 and the third gas separation membrane unit 13 is 5 ° C. or more. Preferably, it is 20 ° C. or higher, and particularly preferably 40 ° C. or higher.

また第１ガス分離膜ユニットの運転温度は、第２ガス分離膜ユニットと同じであってもよく異なっていてもよく、異なる場合、第２ガス分離膜ユニットより高くても低くてもよい。また第１ガス分離膜ユニットの運転温度は、第３ガス分離膜ユニットと同じであってもよく異なっていてもよく、異なる場合、第３ガス分離膜ユニットより高くても低くてもよい。仮に、第２ガス分離膜ユニット１２の運転温度を第１ガス分離膜ユニット１１よりも高温とする場合、両ユニットの運転温度の差の範囲としては、第２ガス分離膜ユニット１２と第３ガス分離膜ユニット１３の運転温度の差として上記で挙げた範囲と同様の範囲のものが挙げられる。また仮に、第１ガス分離膜ユニット１１の運転温度を第３ガス分離膜ユニット１３よりも高温とする場合、両者の運転温度の差の範囲としては、第２ガス分離膜ユニット１２と第３ガス分離膜ユニット１３の運転温度の差として上記で挙げた範囲と同様の範囲のものが挙げられる。 In addition, the operating temperature of the first gas separation membrane unit may be the same as or different from that of the second gas separation membrane unit, and if different, may be higher or lower than the second gas separation membrane unit. Further, the operating temperature of the first gas separation membrane unit may be the same as or different from that of the third gas separation membrane unit, and if different, may be higher or lower than that of the third gas separation membrane unit. If the operating temperature of the second gas separation membrane unit 12 is set to be higher than that of the first gas separation membrane unit 11, the difference between the operating temperatures of both units is the second gas separation membrane unit 12 and the third gas. Examples of the difference in operating temperature of the separation membrane unit 13 include those in the same range as described above. Also, if the operating temperature of the first gas separation membrane unit 11 is higher than that of the third gas separation membrane unit 13, the difference between the operating temperatures of the second gas separation membrane unit 12 and the third gas is as follows. Examples of the difference in operating temperature of the separation membrane unit 13 include those in the same range as described above.

一般に、混合ガス中に含まれるガスＡは、各ガス分離膜ユニット１１，１２，１３のいずれに対しても、ガスＢよりも相対的に高透過性である。一方、混合ガス中に含まれるガスＢは、各ガス分離膜ユニット１１，１２，１３のいずれに対しても、ガスＡよりも相対的に低い透過性である。特に上述した通り、本発明では第３ガス分離膜ユニット１３の非透過性ガスを第２ガス分離膜ユニット１２の第２非透過ガス排出ライン１９に合流させることで第１ガス分離膜ユニット１１の膜面積を効果的に低減できるところ、第２ガス分離膜ユニット１２として、そのガス透過速度が第３ガス分離膜ユニット１３のガス透過速度よりも高いものを用いた場合、第２ガス分離膜ユニット１２の膜面積も低減できる。したがって、この場合、本発明は、ガス分離システムの総膜面積を一層効果的に低減することが可能である。ガス分離システムの総膜面積を更に低減させるには、第２ガス分離膜ユニット１２として、そのガス透過速度が、第３ガス分離膜ユニット１３のガス透過速度よりも高く、且つ第１ガス分離膜ユニット１１のガス透過速度よりも高いものを用いることが特に有利である。
なお、ガス分離膜については、同じ材質のガス分離膜であっても、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高く設定した場合に比べ、ガス透過速度が低くかつガス分離選択性が高くなることが、一般的に知られている。
したがって、同じガス分離膜を用いた場合でも、各ユニットの運転温度を変える（例えば、第３分離膜ユニットを相対的に低温で運転する）ことで、異なる分離膜を用いた場合と同様の効果を発現させることが可能である。 In general, the gas A contained in the mixed gas is relatively more permeable than the gas B with respect to any of the gas separation membrane units 11, 12, and 13. On the other hand, the gas B contained in the mixed gas has a relatively lower permeability than the gas A with respect to any of the gas separation membrane units 11, 12, and 13. In particular, as described above, in the present invention, the non-permeable gas of the third gas separation membrane unit 13 is joined to the second non-permeable gas discharge line 19 of the second gas separation membrane unit 12 so that the first gas separation membrane unit 11 When the membrane area can be effectively reduced, when the second gas separation membrane unit 12 having a gas transmission rate higher than the gas transmission rate of the third gas separation membrane unit 13 is used, the second gas separation membrane unit The film area of 12 can also be reduced. Therefore, in this case, the present invention can more effectively reduce the total membrane area of the gas separation system. In order to further reduce the total membrane area of the gas separation system, the second gas separation membrane unit 12 has a gas permeation rate higher than that of the third gas separation membrane unit 13 and the first gas separation membrane. It is particularly advantageous to use one that is higher than the gas transmission rate of the unit 11.
Regarding gas separation membranes, even if they are made of the same material, the gas permeation rate is lower and the gas separation rate is lower when the operating temperature is set lower than when the operating temperature is set higher. It is generally known that selectivity is increased.
Therefore, even when the same gas separation membrane is used, the same effect as when different separation membranes are used by changing the operation temperature of each unit (for example, operating the third separation membrane unit at a relatively low temperature). Can be expressed.

前記のガス透過速度は、混合ガスに含まれる各ガスの膜に対する単位膜面積・単位時間・単位分圧差あたりの透過体積のことであり、Ｐ’（単位は、×１０^−５ｃｍ^３（ＳＴＰ）／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）で表される。また、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）の比で表すことができる。 The gas permeation rate is the permeation volume per unit membrane area, unit time, and unit partial pressure difference with respect to the membrane of each gas contained in the mixed gas, and is P ′ (unit: × 10 ⁻⁵ cm ³ (STP ) / Cm ² · sec · cmHg). The gas separation selectivity of the membrane can be expressed by a ratio of (permeation rate of high permeable gas / permeation rate of low permeable gas).

膜面積の低減等の効果を高める観点から、運転時における第２ガス分離膜ユニット１２のガス分離選択性（Ｐ’_A／Ｐ’_B（２））に対する、第３ガス分離膜ユニット１３のガス分離選択性（Ｐ’_A／Ｐ’_B（３））の比[（Ｐ’_A／Ｐ’_B（３））／（Ｐ’_A／Ｐ’_B（２））]は、１．２以上であることが好ましく、１．５以上であることが好ましく、２以上であることが特に好ましい。また同様の観点から、運転時における第２ガス分離膜ユニット１２のガス透過速度（高透過ガスＡの透過速度）Ｐ’_A（２）の、第３ガス分離膜ユニット１３のガス透過速度（高透過ガスＡの透過速度）Ｐ’_A（３）に対する比[Ｐ’_A（２）／Ｐ’_A（３）]は、１．０以上であることが好ましく、１．１以上であることが好ましく、１．２以上であることが特に好ましい。運転時のガス透過速度及びガス分離選択性の比を上記の上限以上のものとするためには、システムの運転温度や分離膜の材質、表面処理条件、熱処理等の条件を調整すればよい。 From the viewpoint of enhancing the effect of reducing the membrane area, etc., the gas of the third gas separation membrane unit 13 with respect to the gas separation selectivity (P ′ _A / P ′ _B (2)) of the second gas separation membrane unit 12 during operation. The ratio of separation selectivity (P ′ _A / P ′ _B (3)) [(P ′ _A / P ′ _B (3)) / (P ′ _A / P ′ _B (2))] is 1.2 or more. Is preferably 1.5 or more, particularly preferably 2 or more. From the same point of view, the gas permeation rate (high permeation rate of the high permeation gas A) P ′ _A (2) of the second gas separation membrane unit 12 during operation is the gas permeation rate (high) of the third gas separation membrane unit 13. The ratio [P ′ _A (2) / P ′ _A (3)] to the permeation rate of the permeating gas A) P ′ _A (3) is preferably 1.0 or more, and more preferably 1.1 or more. Preferably, it is 1.2 or more. In order to make the ratio of gas permeation rate and gas separation selectivity during operation to be higher than the above upper limit, the operating temperature of the system, the material of the separation membrane, surface treatment conditions, heat treatment, etc. may be adjusted.

仮に、第１ガス分離膜ユニット１１のガス分離選択性（Ｐ’_A／Ｐ’_B（１））を第２ガス分離膜ユニット１２より高くする場合、[（Ｐ’_A／Ｐ’_B（１））／（Ｐ’_A／Ｐ’_B（２））]としては、[（Ｐ’_A／Ｐ’_B（３））／（Ｐ’_A／Ｐ’_B（２））として上記で挙げた比と同様の比が挙げられる。また仮に、第１ガス分離膜ユニット１１のガス透過速度（Ｐ’_A（１））を第２ガス分離膜ユニット１２よりも低くする場合、[Ｐ’_A（２）／Ｐ’_A（１）]としては、[Ｐ’_A（２）／Ｐ’_A（３）]として上記で挙げた比と同様の比が挙げられる。
また、仮に、第１ガス分離膜ユニット１１のガス分離選択性（Ｐ’_A／Ｐ’_B（１））を第３ガス分離膜ユニット１３より低くする場合、[（Ｐ’_A／Ｐ’_B（３））／（Ｐ’_A／Ｐ’_B（１））]としては、[（Ｐ’_A／Ｐ’_B（３））／（Ｐ’_A／Ｐ’_B（２））として上記で挙げた比と同様の比が挙げられる。また仮に、第１ガス分離膜ユニット１１のガス透過速度（Ｐ’_A（１））を第３ガス分離膜ユニット１３よりも高くする場合、[Ｐ’_A（１）／Ｐ’_A（３）]の比としては、[Ｐ’_A（２）／Ｐ’_A（３）]の比として上記で挙げた比と同様の比が挙げられる。 If the gas separation selectivity (P ′ _A / P ′ _B (1)) of the first gas separation membrane unit 11 is higher than that of the second gas separation membrane unit 12, [(P ′ _A / P ′ _B (1 )) / (P ′ _A / P ′ _B (2))] is listed above as [(P ′ _A / P ′ _B (3)) / (P ′ _A / P ′ _B (2))] A ratio similar to the ratio can be mentioned. If the gas permeation rate (P ′ _A (1)) of the first gas separation membrane unit 11 is lower than that of the second gas separation membrane unit 12, [P ′ _A (2) / P ′ _A (1) ] Includes a ratio similar to the above-mentioned ratio as [P ′ _A (2) / P ′ _A (3)].
If the gas separation selectivity (P ′ _A / P ′ _B (1)) of the first gas separation membrane unit 11 is lower than that of the third gas separation membrane unit 13, [(P ′ _A / P ′ _B (3)) / (P ′ _A / P ′ _B (1))], [(P ′ _A / P ′ _B (3)) / (P ′ _A / P ′ _B (2)) The same ratios as mentioned can be mentioned. If the gas permeation rate (P ′ _A (1)) of the first gas separation membrane unit 11 is higher than that of the third gas separation membrane unit 13, [P ′ _A (1) / P ′ _A (3) As the ratio of [P ′ _A (2) / P ′ _A (3)], the same ratio as mentioned above can be used.

各ガス分離膜ユニット１１，１２，１３におけるガス分離膜は、供給される混合ガスや目的とする製品ガスの種類に応じて適宜選択できる。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を特に制限なく用いることができる。例えばシリコーン樹脂、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、及びゼオライトなどのセラミックス材料が挙げられる。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。ガス分離膜のケーシング内への収納形態も、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よい。特に好適に用いられるガス分離膜は、均質層の厚さが１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、多孔質層の厚さが２０μｍ以上２００μｍ以下の非対称構造を持ち、内径が３０μｍ以上５００μｍ以下程度である芳香族ポリイミドの中空糸ガス分離膜である。 The gas separation membrane in each of the gas separation membrane units 11, 12, and 13 can be appropriately selected according to the type of the mixed gas to be supplied and the target product gas. As the gas separation membrane, those similar to those used so far in the technical field can be used without particular limitation. Examples thereof include rubbery polymer materials such as silicone resins and polybutadiene resins, glassy polymer materials such as polyimide, polyetherimide, polyamide, polyamideimide, polysulfone, polycarbonate, and cellulose, and ceramic materials such as zeolite. The gas separation membrane may be any of a homogeneous membrane, an asymmetric membrane comprising a homogeneous layer and a porous layer, a microporous membrane, and the like. The storage form of the gas separation membrane in the casing may be any of plate-and-frame type, spiral type, hollow fiber type and the like. A gas separation membrane that is particularly preferably used has an asymmetric structure in which the thickness of the homogeneous layer is 10 nm to 200 nm, the thickness of the porous layer is 20 μm to 200 μm, and the inner diameter is about 30 μm to 500 μm. It is a hollow fiber gas separation membrane of a group polyimide.

１つのガス分離膜ユニット内に備えられているガス分離膜モジュールは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本以上のガス分離膜モジュールが備えられているときは、これらがユニット内で並列に接続されていることが好ましい。各ガス分離膜ユニットがガス分離膜モジュールを複数本備えている場合、該ガス分離膜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。 One gas separation membrane module may be provided in one gas separation membrane unit, or a plurality of gas separation membrane modules may be provided. When two or more gas separation membrane modules are provided in one gas separation membrane unit, it is preferable that these are connected in parallel in the unit. When each gas separation membrane unit includes a plurality of gas separation membrane modules, the membrane area in the unit can be easily adjusted by changing the number of the gas separation membrane modules.

本実施形態のガス分離システム１０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。本実施形態のガス分離システムは、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、低透過性ガスであるメタンガスを分離回収する方法に好適に使用することができる。メタンガスは、低透過性ガスであるガスＢに該当し、二酸化炭素ガスは、高透過性ガスであるガスＡに該当する。この場合、分離回収されたメタンガスを都市ガスラインへ供給するときなどにおいては、第２ガス分離膜ユニット１２の非透過ガス排出口１２ｂに、圧縮手段としてのガス圧縮機を設けてメタンガスを高圧にしてもよい。 The mixed gas separated using the gas separation system 10 of the present embodiment is not particularly limited as long as it is a mixture of two or more gases. The gas separation system of this embodiment can be used suitably for the method of isolate | separating and collect | recovering the methane gas which is a low-permeability gas from the biogas which mainly contains methane gas and carbon dioxide gas, for example. Methane gas corresponds to gas B, which is a low permeability gas, and carbon dioxide gas corresponds to gas A, which is a high permeability gas. In this case, when supplying the separated and recovered methane gas to the city gas line, a gas compressor as a compression means is provided at the non-permeate gas discharge port 12b of the second gas separation membrane unit 12 to increase the pressure of the methane gas. May be.

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。例えば前記実施形態においては、各ガス分離膜ユニットの一例として、中空糸膜を有するガス分離膜ユニットを用いたが、これに代えて他の形態のガス分離膜ユニットを用いてもよい。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the preferable embodiment, this invention is not restrict | limited to the said embodiment. For example, in the above-described embodiment, a gas separation membrane unit having a hollow fiber membrane is used as an example of each gas separation membrane unit. However, other types of gas separation membrane units may be used instead.

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。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to such examples.

〔実施例１ないし４〕
図１に示すガス分離システム１０を用いて、二酸化炭素及びメタンを含む混合ガスの分離を行った。同システム１０における第１及び第２圧縮手段２１，２２としては圧縮機を用いた。混合ガスの圧力、流量及び組成は、以下の表１に示すとおりであった。第１ないし第３ガス分離膜ユニット１１，１２，１３を構成するモジュールとして、異なる組成を有する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するモジュールであって以下の表２に示す諸元を有するガス分離膜モジュールＡ及びＢを用いた。表２におけるガス分離膜モジュールＡ及びＢのＰ’_CO2及びＰ’_CH4並びにＰ’_CO2／Ｐ’_CH4は、運転温度５０℃における数値である。また表２におけるガス分離膜モジュールＡ’のＰ’_CO2及びＰ’_CH4並びにＰ’_CO2／Ｐ’_CH4の値は、ガス分離膜モジュールＡの運転温度１００℃における数値である。表２から明らかなとおり、ガス分離膜モジュールＡの方が、ガス分離膜モジュールＢよりも、ガス分離選択性が高い。ガス透過速度に関しては、ガス分離膜モジュールＢの方が、ガス分離膜モジュールＡよりも高い。またガス分離膜モジュールＡを１００℃で運転した場合（Ａ’）、５０℃で運転した場合（Ａ）に比べて、ガス透過速度が高く、ガス分離選択性が低い。 [Examples 1 to 4]
The mixed gas containing carbon dioxide and methane was separated using the gas separation system 10 shown in FIG. Compressors were used as the first and second compression means 21 and 22 in the system 10. The pressure, flow rate, and composition of the mixed gas were as shown in Table 1 below. As a module constituting the first to third gas separation membrane units 11, 12, and 13, a module that accommodates gas separation membranes composed of polyimide hollow fiber membranes having different compositions in a case, and is shown in Table 2 below. Gas separation membrane modules A and B having the specifications shown were used. In Table 2, P ′ _{CO 2} and P ′ _{CH 4 and} P ′ _{CO 2} / P ′ _{CH 4} of the gas separation membrane modules A and B are values at an operating temperature of 50 ° C. Further, the values of P ′ _{CO 2} and P ′ _{CH 4 and} P ′ _{CO 2} / P ′ _{CH 4} of the gas separation membrane module A ′ in Table 2 are values at the operating temperature of the gas separation membrane module A of 100 ° C. As is clear from Table 2, the gas separation membrane module A has higher gas separation selectivity than the gas separation membrane module B. Regarding the gas permeation rate, the gas separation membrane module B is higher than the gas separation membrane module A. Further, when the gas separation membrane module A is operated at 100 ° C. (A ′), the gas permeation rate is higher and the gas separation selectivity is lower than when the gas separation membrane module A is operated at 50 ° C. (A).

第１ないし第３ガス分離膜ユニット１１，１２，１３として、表１に示すとおり、ガス分離膜モジュール（ガス分離膜モジュールＡ又はＢ）を、複数本並列に接続して用いた。また、各ガス分離膜ユニット１１，１２，１３の運転温度及び運転圧力を同表に示す値に設定した。この条件下に、混合ガスの分離を行った。そして、各実施例において、メタンの純度が９５ｍｏｌ％及びメタンの回収率が９９％となるときのモジュール本数及び膜面積並びに圧縮機動力を求めた。その結果を表１に示す。但し、実施例３については、総膜面積及び圧縮機動力を上げても、回収率は９７．１％となったため、回収率９７．１％のときの最低のモジュール本数及び総膜面積並びに圧縮機動力を求めた。その結果を表１に示す。 As the first to third gas separation membrane units 11, 12, and 13, as shown in Table 1, a plurality of gas separation membrane modules (gas separation membrane modules A or B) were connected in parallel. Further, the operating temperature and operating pressure of each gas separation membrane unit 11, 12, 13 were set to the values shown in the same table. Under this condition, the mixed gas was separated. In each example, the number of modules, membrane area, and compressor power when the purity of methane was 95 mol% and the recovery rate of methane was 99% were determined. The results are shown in Table 1. However, in Example 3, even when the total membrane area and compressor power were increased, the recovery rate was 97.1%. Therefore, the minimum number of modules, the total membrane area, and the compression when the recovery rate was 97.1%. I asked for mobility. The results are shown in Table 1.

〔比較例１ないし３〕
図３に示すガス分離システム１００を用いた以外は実施例１と同様にして混合ガスを分離した。そして、各比較例において、メタンの純度が９５ｍｏｌ％及びメタンの回収率が９９％となるときのモジュール本数及び膜面積並びに圧縮機動力を求めた。その結果を表１に示す。図３に示すガス分離システム１００は、特許文献１に記載の技術に相当するものである。 [Comparative Examples 1 to 3]
The mixed gas was separated in the same manner as in Example 1 except that the gas separation system 100 shown in FIG. 3 was used. In each comparative example, the number of modules, the membrane area, and the compressor power when the purity of methane was 95 mol% and the recovery rate of methane was 99% were determined. The results are shown in Table 1. The gas separation system 100 shown in FIG. 3 corresponds to the technique described in Patent Document 1.

表１に示す結果から明らかなとおり、各実施例のガス分離システムは、比較例１ないし３に比べて、ガス分離システムの総膜面積を低減させることができ、しかも第１圧縮手段２１の所要圧縮動力およびシステムの総圧縮動力を低減させることができることが判る。特に実施例１と実施例２、３及び４との対比から明らかなとおり、運転時において第２ガス分離膜ユニット１２のガス透過速度を第３ガス分離膜ユニット１３に比べて高くし、第３ガス分離膜ユニット１３の分離選択性を第２ガス分離膜ユニット１２より高くした実施例２、３及び４では、第２及び第３ガス分離膜ユニット１２，１３における運転時のガス透過速度及びガス分離選択性を同じにした実施例１に比べて、総膜面積を一層低減しつつメタンの回収率も９７．１％以上と一定程度高く維持できることが判る。 As is clear from the results shown in Table 1, the gas separation system of each example can reduce the total membrane area of the gas separation system as compared with Comparative Examples 1 to 3, and the first compression means 21 is required. It can be seen that the compression power and the total compression power of the system can be reduced. In particular, as apparent from the comparison between Example 1 and Examples 2, 3 and 4, the gas permeation rate of the second gas separation membrane unit 12 during operation is higher than that of the third gas separation membrane unit 13, and the third In Examples 2, 3 and 4 in which the separation selectivity of the gas separation membrane unit 13 is higher than that of the second gas separation membrane unit 12, the gas permeation rate and the gas during operation in the second and third gas separation membrane units 12 and 13 are used. It can be seen that the methane recovery rate can be maintained at a certain level as high as 97.1% or more while further reducing the total membrane area as compared with Example 1 having the same separation selectivity.

１０ガス分離システム
１１第１ガス分離膜ユニット
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ガス分離膜ユニット
１２ａガス入口
１２ｂ非透過ガス排出口
１２ｃ透過ガス排出口
１３第３ガス分離膜ユニット
１３ａガス入口
１３ｂ非透過ガス排出口
１３ｃ透過ガス排出口
１４第１非透過ガス排出ライン
１５透過ガス排出ライン
１６原料混合ガス供給ライン
１７透過ガス帰還ライン
２６非透過ガス合流ライン
１９第２非透過ガス排出ライン
１９ａ接続部
１９ｂライン排出口
１９ｃ流通路
２１第１圧縮手段
２２第２圧縮手段
３０ガス分離膜
３１ケーシング
３２開口部
３３，３４管板
３５，３６蓋体
３７ガス入口
３８非透過ガス排出口
３９透過ガス排出口
４０ガス分離膜モジュール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gas separation system 11 1st gas separation membrane unit 11a Gas inlet 11b Non-permeate gas discharge port 11c Permeate gas discharge port 12 Second gas separation membrane unit 12a Gas inlet 12b Non-permeate gas discharge port 12c Permeate gas discharge port 13 Third gas Separation membrane unit 13a Gas inlet 13b Non-permeate gas outlet 13c Permeate gas outlet 14 First non-permeate gas outlet line 15 Permeate gas outlet line 16 Raw material mixed gas supply line 17 Permeate gas return line 26 Non-permeate gas confluence line 19 Non-permeate gas discharge line 19a Connection portion 19b Line discharge port 19c Flow path 21 First compression means 22 Second compression means 30 Gas separation membrane 31 Casing 32 Openings 33, 34 Tube plate 35, 36 Lid 37 Gas inlet 38 Non-permeation Gas outlet 39 Permeated gas outlet 40 Gas separation membrane module

Claims

A gas separation system for supplying a raw material mixed gas containing at least two different gases to a gas separation membrane unit and enriching and enriching at least one of the gases contained in the raw material mixed gas,
The gas separation membrane unit includes a first gas separation membrane unit, a second gas separation membrane unit, and a third gas separation membrane unit,
Each gas separation membrane unit includes at least a gas inlet, a permeate gas outlet and a non-permeate gas outlet,
A non-permeate gas outlet of the first gas separation membrane unit and a gas inlet of the second gas separation membrane unit are connected by a first non-permeate gas discharge line;
The permeate gas discharge port of the first gas separation membrane unit and the gas inlet of the third gas separation membrane unit are connected by a permeate gas discharge line,
A second non-permeate gas discharge line connected to the non-permeate gas discharge port of the second gas separation membrane unit is provided, and the non-permeate gas discharged from the non-permeate gas discharge port flows through the second non-permeate gas discharge line. A flow path and a line discharge port for discharging the non-permeate gas discharged from the non-permeate gas discharge port and flowing through the flow path;
The raw material mixed gas supply line is connected to the gas inlet of the first gas separation membrane unit, and the first compression means is disposed in the middle of the raw material mixed gas supply line,
A second compression means is disposed in the middle of the permeate gas discharge line;
A permeate gas discharge port of the second gas separation membrane unit and a position on the suction side of the first compression means in the raw material mixed gas supply line are connected by a permeate gas feedback line, and further the non-permeation of the third gas separation membrane unit. A gas discharge port and the flow passage in the second non-permeate gas discharge line of the second gas separation membrane unit are connected by a non-permeate gas merge line;
A gas separation system in which concentrated and enriched gas is taken out from at least one of a line outlet of the second non-permeate gas outlet line and a permeate outlet of the third gas separation membrane unit.

At least during operation, the gas permeation rate of the second gas separation membrane unit is higher than the gas permeation rate of the third gas separation membrane unit, and the gas separation selectivity of the third gas separation membrane unit is the second gas separation membrane unit. The gas separation system according to claim 1, wherein the gas separation system is higher than the gas separation selectivity.

By making the operating temperature of the second gas separation membrane unit higher than that of the third gas separation membrane unit, the gas permeation rate of the second gas separation membrane unit becomes higher than that of the third gas separation membrane unit and The gas separation system according to claim 2, wherein the gas separation selectivity of the three gas separation membrane unit is higher than that of the second gas separation membrane unit.

By making the second gas separation membrane unit and the third gas separation membrane unit different in the type of gas separation membrane to be used, the gas permeation rate of the second gas separation membrane unit is higher than that of the third gas separation membrane unit. The gas separation system according to claim 2, wherein the gas separation selectivity of the third gas separation membrane unit is higher than that of the second gas separation membrane unit.

By supplying a raw material mixed gas containing at least two different gases to the gas separation system and operating the gas separation system, at least one of the gases contained in the raw material mixed gas is enriched and enriched. A method for producing an enriched gas for producing a chemical gas, comprising:
The gas separation system includes a first gas separation membrane unit, a second gas separation membrane unit, and a third gas separation membrane unit. Each gas separation membrane unit has a gas inlet, a permeated gas outlet, and a non-permeated gas outlet. A non-permeate gas discharge port of the first gas separation membrane unit and a gas inlet of the second gas separation membrane unit are connected by a non-permeate gas discharge line; A gas inlet of the three gas separation membrane unit is connected by a permeate gas discharge line, and a second non-permeate gas discharge line connected to the non-permeate gas discharge port of the second gas separation membrane unit is provided. The line includes a flow passage through which the non-permeate gas discharged from the non-permeate gas discharge port and a line discharge port through which the non-permeate gas discharged from the non-permeate gas discharge port and circulated through the flow passage are discharged. In addition, a raw material mixed gas supply line is connected to the gas inlet of the first gas separation membrane unit, and a first compression means is interposed in the middle of the raw material mixed gas supply line, and in the middle of the permeated gas discharge line. Interposing the second compression means, connecting the permeate gas discharge port of the second gas separation membrane unit and the suction side position of the first compression means in the raw material mixed gas supply line by a permeate gas feedback line, Furthermore, a gas separation system is used in which the non-permeate gas discharge port of the third gas separation membrane unit and the flow passage in the second non-permeate gas discharge line of the second gas separation membrane unit are connected by a non-permeate gas merge line. ,
The raw material mixed gas is supplied to the first gas separation membrane unit through the raw material mixed gas supply line, and concentrated from at least one of the line discharge port of the second non-permeate gas discharge line and the permeate gas discharge port of the third gas separation membrane unit. A method for producing an enriched gas, wherein the enriched gas is taken out.

Gas separation under the condition that the gas permeation rate of the second gas separation membrane unit is higher than that of the third gas separation membrane unit and the gas separation selectivity of the third gas separation membrane unit is higher than that of the second gas separation membrane unit. The method for producing an enriched gas according to claim 5, wherein the system is operated.

By making the operating temperature of the second gas separation membrane unit higher than that of the third gas separation membrane unit, the gas permeation rate of the second gas separation membrane unit is made higher than that of the third gas separation membrane unit and The method for producing an enriched gas according to claim 6, wherein the gas separation selectivity of the three gas separation membrane unit is higher than that of the second gas separation membrane unit.

As the second gas separation membrane unit and the third gas separation membrane unit, the second gas separation membrane unit has a gas permeation rate higher than that of the third gas separation membrane unit, and the gas separation selectivity of the third gas separation membrane unit is the first. The method for producing an enriched gas according to claim 6, wherein a unit higher than the two-gas separation membrane unit is used.