JP7580598B2 - 混合ガス分離方法および混合ガス分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、混合ガス分離方法および混合ガス分離装置に関する。
［関連出願の参照］
本願は、２０２１年６月３日に出願された日本国特許出願ＪＰ２０２１－０９３５７６からの優先権の利益を主張し、当該出願の全ての開示は、本願に組み込まれる。

現在、ゼオライト膜等の分離膜による特定の分子の分離や吸着等について、様々な研究や開発が行われている。

例えば、国際公開第２０１７／１５０７３７号公報（文献１）では、混合ガスを分離膜モジュールに供給し、混合ガスから二酸化炭素を分離する際に、分離膜近傍の混合ガスを十分に混合して効率良く二酸化炭素を分離するために、混合ガスを高い線速度（乱流状態）で分離膜モジュールに供給する技術が提案されている。

また、特許第４７１１４２５号公報（文献２）では、内燃機関からの排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、軽油等の燃料中に含まれる炭化水素から、分離膜によりｎ－パラフィン等の高還元力成分を分離させて、高還元力成分を窒素酸化物浄化用触媒に供給する技術が提案されている。当該排ガス浄化装置では、上記分離膜を加熱することにより、高還元力成分の効率良い分離が図られている。

ところで、混合ガスから透過性が高いガス（すなわち、高透過性ガス）を分離する分離膜は、高透過性ガスの透過量を増大させるために、混合ガスが供給される一次側のガス圧力（すなわち、供給側圧力）と、高透過性ガスが透過した二次側のガス圧力（すなわち、透過側圧力）との差が大きい高差圧条件下で使用されることが多い。

高差圧条件下で分離膜が使用される場合、分離膜を透過するガスが減圧により降温し、分離膜内におけるガスの拡散性が低下して透過速度が低下するおそれがある。また、分離膜の透過時に降温したガスが凝縮して分離膜の細孔を閉塞することにより、透過速度が低下するおそれもある。一方、分離膜におけるガスの凝縮を防止するために混合ガスを加熱して高温にすると、高透過性ガスの分離膜表面への吸着特性が低下し、透過速度が低下するおそれがある。

本発明は、混合ガス分離方法に向けられており、透過ガスの透過速度の低下を抑制することを目的としている。

本発明の好ましい一の形態に係る混合ガス分離方法は、ａ）分離膜を準備する工程と、ｂ）複数種類のガスを含む混合ガスを前記分離膜に供給し、前記混合ガス中の透過性が高いガスを、前記分離膜を透過させることにより前記混合ガスから分離する工程と、を備える。前記ｂ）工程において、前記分離膜の一次側のガス圧力である供給側圧力と前記分離膜の二次側のガス圧力である透過側圧力との差をΔＰとし、ジュールトムソン係数をＡとした場合、前記混合ガスのＮｕ数を２以上かつ１０以下とすることにより、前記分離膜の一次側のガス温度である供給側温度と前記分離膜の二次側のガス温度である透過側温度との差ΔＴを、Ａ・ΔＰの９０％未満とする。

上記混合ガス分離方法によれば、透過ガスの透過速度の低下を抑制することができる。

好ましくは、前記ｂ）工程において、前記供給側圧力と前記透過側圧力との差ΔＰは３．０ＭＰａ以上である。

好ましくは、前記混合ガスのＮｕ数をＮｕとし、前記混合ガスの線速度（ｍ／ｓｅｃ）をＵとして、Ｕに対するＮｕのプロットの傾きは１以上かつ５以下である。

好ましくは、前記ｂ）工程において、前記分離膜を透過側から加熱する。

好ましくは、前記ｂ）工程において、前記分離膜の前記透過側の空間を、前記透過側の空間よりも温度が低い周囲の雰囲気から断熱する。

好ましくは、前記供給側温度と前記透過側温度との差ΔＴは、Ａ・ΔＰの６０％未満である。

好ましくは、前記分離膜は筒状であり、前記分離膜の相当直径は、２ｍｍ以上かつ５ｍｍ以下である。

好ましくは、前記分離膜は、内側に前記混合ガスが供給される円筒状であり、前記相当直径は、前記分離膜の内径である。

好ましくは、前記分離膜はゼオライト膜である。

より好ましくは、前記分離膜を構成するゼオライトの最大員環数は８以下である。

好ましくは、前記分離膜を透過する透過ガスは凝縮性ガスを含む。

好ましくは、前記混合ガスは、水素、ヘリウム、窒素、酸素、水、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素酸化物、アンモニア、硫黄酸化物、硫化水素、フッ化硫黄、水銀、アルシン、シアン化水素、硫化カルボニル、Ｃ１～Ｃ８の炭化水素、有機酸、アルコール、メルカプタン類、エステル、エーテル、ケトンおよびアルデヒドのうち、１種類以上の物質を含む。

本発明は、混合ガス分離装置にも向けられている。本発明の好ましい一の形態に係る混合ガス分離装置は、分離膜と、複数種類のガスを含む混合ガスを前記分離膜に供給する供給部と、を備える。前記分離膜は、前記混合ガス中の透過性が高いガスを透過させることにより前記混合ガスから分離する。前記分離膜の一次側のガス圧力である供給側圧力と前記分離膜の二次側のガス圧力である透過側圧力との差をΔＰとし、ジュールトムソン係数をＡとした場合、前記混合ガスのＮｕ数を２以上かつ１０以下とすることにより、前記分離膜の一次側のガス温度である供給側温度と前記分離膜の二次側のガス温度である透過側温度との差ΔＴを、Ａ・ΔＰの９０％未満とする。

上述の目的および他の目的、特徴、態様および利点は、添付した図面を参照して以下に行うこの発明の詳細な説明により明らかにされる。

一の実施の形態に係る分離膜複合体の断面図である。 分離膜複合体の一部を拡大して示す断面図である。 分離装置を示す図である。 混合ガスの分離の流れを示す図である。 分離装置を示す図である。 分離装置を示す図である。

図１は、本発明の一の実施の形態に係る分離膜複合体１の断面図である。図２は、分離膜複合体１の一部を拡大して示す断面図である。分離膜複合体１は、支持体１１と、分離膜１２とを備える。図１では、分離膜１２を太線にて描いている。図２では、分離膜１２に平行斜線を付し、分離膜１２の厚さを実際よりも厚く描いている。

支持体１１はガスおよび液体を透過可能な多孔質部材である。図１に示す例では、支持体１１は、一体成形された一繋がりの略柱状の部材である。支持体１１には、長手方向にそれぞれ延びる複数の貫通孔１１１が設けられる。すなわち、支持体１１は、いわゆるモノリス型の部材である。支持体１１の外形は、例えば略円柱状である。各貫通孔１１１（すなわち、セル）の長手方向に垂直な断面は、例えば略円形である。図１では、貫通孔１１１の径を実際よりも大きく、貫通孔１１１の数を実際よりも少なく描いている。

支持体１１の長さ（すなわち、図１中の左右方向の長さ）は、例えば１０ｃｍ～２００ｃｍである。支持体１１の外径は、例えば０．５ｃｍ～３０ｃｍである。隣接する貫通孔１１１の中心軸間の距離は、例えば０．３ｍｍ～１０ｍｍである。支持体１１の表面粗さ（Ｒａ）は、例えば０．１μｍ～５．０μｍであり、好ましくは０．２μｍ～２．０μｍである。なお、支持体１１の形状は、例えば、ハニカム状、平板状、管状、円筒状、円柱状または多角柱状等であってもよい。支持体１１の形状が管状または円筒状である場合、支持体１１の厚さは、例えば０．１ｍｍ～１０ｍｍである。

支持体１１の材料は、表面に分離膜１２を形成する工程において化学的安定性を有するものであれば、様々な物質（例えば、セラミックまたは金属）が採用可能である。本実施の形態では、支持体１１はセラミック焼結体により形成される。支持体１１の材料として選択されるセラミック焼結体としては、例えば、アルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化ケイ素、炭化ケイ素等が挙げられる。本実施の形態では、支持体１１は、アルミナ、シリカおよびムライトのうち、少なくとも１種類を含む。

支持体１１は、無機結合材を含んでいてもよい。無機結合材としては、チタニア、ムライト、易焼結性アルミナ、シリカ、ガラスフリット、粘土鉱物、易焼結性コージェライトのうち少なくとも１つを用いることができる。

支持体１１の平均細孔径は、例えば０．０１μｍ～７０μｍであり、好ましくは０．０５μｍ～２５μｍである。分離膜１２が形成される表面近傍における支持体１１の平均細孔径は０．０１μｍ～１μｍであり、好ましくは０．０５μｍ～０．５μｍである。平均細孔径は、例えば、水銀ポロシメータ、パームポロメータまたはナノパームポロメータにより測定することができる。支持体１１の表面および内部を含めた全体における細孔径の分布について、Ｄ５は例えば０．０１μｍ～５０μｍであり、Ｄ５０は例えば０．０５μｍ～７０μｍであり、Ｄ９５は例えば０．１μｍ～２０００μｍである。分離膜１２が形成される表面近傍における支持体１１の気孔率は、例えば２０％～６０％である。

支持体１１は、例えば、平均細孔径が異なる複数の層が厚さ方向に積層された多層構造を有する。分離膜１２が形成される表面を含む表面層における平均細孔径および焼結粒径は、表面層以外の層における平均細孔径および焼結粒径よりも小さい。支持体１１の表面層の平均細孔径は、例えば０．０１μｍ～１μｍであり、好ましくは０．０５μｍ～０．５μｍである。支持体１１が多層構造を有する場合、各層の材料は上記のものを用いることができる。多層構造を形成する複数の層の材料は、同じであってもよく、異なっていてもよい。

分離膜１２は、支持体１１の貫通孔１１１の内側面上において、当該内側面の略全面に亘って設けられる略円筒状の薄膜である。分離膜１２は、微細孔を有する緻密な多孔膜である。分離膜１２は、複数種類のガスが混合した混合ガスから、分子篩作用を利用して特定のガスを分離可能である。

本実施の形態では、分離膜１２はゼオライト膜である。ゼオライト膜とは、少なくとも、支持体１１の表面にゼオライトが膜状に形成されたものであって、有機膜中にゼオライト粒子を分散させただけのものは含まない。ゼオライト膜は、上述のように、混合ガスから特定のガスを分離する分離膜として利用可能である。ゼオライト膜では、当該特定のガスに比べて他のガスが透過しにくい。換言すれば、ゼオライト膜の当該他のガスの透過量は、上記特定のガスの透過量に比べて小さい。なお、ゼオライト膜は、構造や組成が異なる２種類以上のゼオライトを含んでいてもよい。

各貫通孔１１１内に配置された略円筒状の分離膜１２の内径（すなわち、貫通孔１１１の内径）は、例えば２ｍｍ以上であり、好ましくは２．５ｍｍ以上である。分離膜１２の内径の上限は特に限定されないが、例えば５ｍｍ以下であり、好ましくは４ｍｍ以下である。

なお、本実施の形態では、分離膜１２は上述のように略円筒状であるが、分離膜１２の形状は、長手方向に垂直な断面形状が非円形（例えば、略楕円形または略矩形等）の筒状であってもよい。このように、分離膜１２が筒状である場合、分離膜１２の相当直径は、例えば２ｍｍ以上であり、好ましくは２．５ｍｍ以上である。また、当該相当直径は、例えば５ｍｍ以下であり、好ましくは４ｍｍ以下である。当該相当直径は、分離膜１２の長手方向に垂直な断面において、分離膜１２の内側の断面積の４倍を、分離膜１２のぬれぶち長（この場合、内周長）によって除算することにより求められる。なお、本実施の形態では、分離膜１２は略円筒状であるため、上記相当直径は分離膜１２の内径である。

分離膜１２の厚さは、例えば０．０５μｍ～３０μｍであり、好ましくは０．１μｍ～２０μｍであり、さらに好ましくは０．５μｍ～１０μｍである。分離膜１２を厚くすると分離性能が向上する。分離膜１２を薄くすると透過速度が増大する。分離膜１２の表面粗さ（Ｒａ）は、例えば５μｍ以下であり、好ましくは２μｍ以下であり、より好ましくは１μｍ以下であり、さらに好ましくは０．５μｍ以下である。

分離膜１２に含まれるゼオライト結晶の細孔径（以下、単に「分離膜１２の細孔径」とも呼ぶ。）は、０．２ｎｍ以上かつ０．８ｎｍ以下であり、より好ましくは、０．３ｎｍ以上かつ０．７ｎｍ以下であり、さらに好ましくは、０．３ｎｍ以上かつ０．４５ｎｍ以下である。分離膜１２の細孔径が０．２ｎｍ未満の場合、分離膜１２を透過するガスの量が少なくなる場合があり、分離膜１２の細孔径が０．８ｎｍよりも大きい場合、分離膜１２によるガスの選択性が不十分となる場合がある。分離膜１２の細孔径とは、分離膜１２を構成するゼオライト結晶の細孔の最大直径（すなわち、酸素原子間距離の最大値である長径）と略垂直な方向における細孔の直径（すなわち、短径）である。分離膜１２の細孔径は、分離膜１２が配設される支持体１１の表面における平均細孔径よりも小さい。

分離膜１２を構成するゼオライトの最大員環数がｎの場合、ｎ員環細孔の短径を分離膜１２の細孔径とする。また、ゼオライトが、ｎが等しい複数種のｎ員環細孔を有する場合には、最も大きい短径を有するｎ員環細孔の短径を分離膜１２の細孔径とする。なお、ｎ員環とは、細孔を形成する骨格を構成する酸素原子の数がｎ個であって、各酸素原子が後述のＴ原子と結合して環状構造をなす部分のことである。また、ｎ員環とは、貫通孔（チャンネル）を形成しているものをいい、貫通孔を形成していないものは含まない。ｎ員環細孔とは、ｎ員環により形成される細孔である。選択性能向上の観点から、上述の分離膜１２に含まれるゼオライトの最大員環数は、８以下（例えば、６または８）であることが好ましい。

ゼオライト膜である分離膜１２の細孔径は当該ゼオライトの骨格構造によって一義的に決定され、国際ゼオライト学会の“Ｄａｔａｂａｓｅ ｏｆ Ｚｅｏｌｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”［ｏｎｌｉｎｅ］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｚａ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｏｒｇ／ｄａｔａｂａｓｅｓ／＞に開示されている値から求めることができる。

分離膜１２を構成するゼオライトの種類は、特に限定されないが、例えば、ＡＥＩ型、ＡＥＮ型、ＡＦＮ型、ＡＦＶ型、ＡＦＸ型、ＢＥＡ型、ＣＨＡ型、ＤＤＲ型、ＥＲＩ型、ＥＴＬ型、ＦＡＵ型（Ｘ型、Ｙ型）、ＧＩＳ型、ＩＨＷ型、ＬＥＶ型、ＬＴＡ型、ＬＴＪ型、ＭＥＬ型、ＭＦＩ型、ＭＯＲ型、ＰＡＵ型、ＲＨＯ型、ＳＯＤ型、ＳＡＴ型等のゼオライトである。当該ゼオライトが８員環ゼオライトである場合、例えば、ＡＥＩ型、ＡＦＮ型、ＡＦＶ型、ＡＦＸ型、ＣＨＡ型、ＤＤＲ型、ＥＲＩ型、ＥＴＬ型、ＧＩＳ型、ＩＨＷ型、ＬＥＶ型、ＬＴＡ型、ＬＴＪ型、ＲＨＯ型、ＳＡＴ型等のゼオライトである。

分離膜１２を構成するゼオライトは、Ｔ原子（すなわち、ゼオライトを構成する酸素四面体（ＴＯ_４）の中心に位置する原子）として、例えば、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）の少なくとも一種を含む。分離膜１２を構成するゼオライトとしては、Ｔ原子がＳｉのみ、もしくは、ＳｉとＡｌとからなるゼオライト、Ｔ原子がＡｌとＰとからなるＡｌＰＯ型のゼオライト、Ｔ原子がＳｉとＡｌとＰとからなるＳＡＰＯ型のゼオライト、Ｔ原子がマグネシウム（Ｍｇ）とＳｉとＡｌとＰとからなるＭＡＰＳＯ型のゼオライト、Ｔ原子が亜鉛（Ｚｎ）とＳｉとＡｌとＰとからなるＺｎＡＰＳＯ型のゼオライト等を用いることができる。Ｔ原子の一部は、他の元素に置換されていてもよい。

分離膜１２は、例えば、Ｓｉを含む。分離膜１２は、例えば、Ｓｉ、ＡｌおよびＰのうちいずれか２つ以上を含んでいてもよい。分離膜１２は、アルカリ金属を含んでいてもよい。当該アルカリ金属は、例えば、ナトリウム（Ｎａ）またはカリウム（Ｋ）である。分離膜１２がＳｉ原子およびＡｌ原子を含む場合、分離膜１２におけるＳｉ／Ａｌ比は、例えば１以上かつ１０万以下である。Ｓｉ／Ａｌ比は、分離膜１２に含有されるＡｌ元素に対するＳｉ元素のモル比率である。当該Ｓｉ／Ａｌ比は、好ましくは５以上、より好ましくは２０以上、さらに好ましくは１００以上であり、高ければ高いほど好ましい。後述する原料溶液中のＳｉ源とＡｌ源との配合割合等を調整することにより、分離膜１２におけるＳｉ／Ａｌ比を調整することができる。

なお、分離膜複合体１では、分離膜１２は、ゼオライト膜に加えて、ゼオライト膜以外の膜を備えていてもよい。あるいは、分離膜１２は、ゼオライト膜以外の膜であってもよい。

次に、図３および図４を参照しつつ、分離膜複合体１を利用した混合ガスの分離について説明する。図３は、混合ガス分離装置２（以下、単に「分離装置２」と呼ぶ。）を示す図である。図４は、分離装置２による混合ガスの分離の流れを示す図である。

分離装置２では、複数種類のガスを含む混合ガスを分離膜複合体１に供給し、混合ガス中の透過性が高いガスを、分離膜複合体１を透過させることにより混合ガスから分離させる。分離装置２における分離は、例えば、透過性が高いガス（以下、「高透過性ガス」とも呼ぶ。）を混合ガスから抽出する目的で行われてもよく、透過性が低いガス（以下、「低透過性ガス」とも呼ぶ。）を濃縮する目的で行われてもよい。分離装置２は、例えば、石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）の排ガスの分離に利用可能である。

混合ガスは、例えば、水素（Ｈ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素酸化物、アンモニア（ＮＨ_３）、硫黄酸化物、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）、フッ化硫黄、水銀（Ｈｇ）、アルシン（ＡｓＨ_３）、シアン化水素（ＨＣＮ）、硫化カルボニル（ＣＯＳ）、Ｃ１～Ｃ８の炭化水素、有機酸、アルコール、メルカプタン類、エステル、エーテル、ケトンおよびアルデヒドのうち、１種類以上の物質を含む。上述の高透過性物質は、例えば、Ｈ_２、Ｈｅ、Ｎ_２、Ｏ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２、ＮＨ_３およびＨ_２Ｓのうち１種類以上の物質である。

窒素酸化物とは、窒素と酸素の化合物である。上述の窒素酸化物は、例えば、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ_２）、亜酸化窒素（一酸化二窒素ともいう。）（Ｎ_２Ｏ）、三酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ_３）、四酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ_４）、五酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ_５）等のＮＯ_Ｘ（ノックス）と呼ばれるガスである。

硫黄酸化物とは、硫黄と酸素の化合物である。上述の硫黄酸化物は、例えば、二酸化硫黄（ＳＯ_２）、三酸化硫黄（ＳＯ_３）等のＳＯ_Ｘ（ソックス）と呼ばれるガスである。

フッ化硫黄とは、フッ素と硫黄の化合物である。上述のフッ化硫黄は、例えば、二フッ化二硫黄（Ｆ－Ｓ－Ｓ－Ｆ，Ｓ＝ＳＦ_２）、二フッ化硫黄（ＳＦ_２）、四フッ化硫黄（ＳＦ_４）、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）または十フッ化二硫黄（Ｓ_２Ｆ_１０）等である。

Ｃ１～Ｃ８の炭化水素とは、炭素が１個以上かつ８個以下の炭化水素である。Ｃ３～Ｃ８の炭化水素は、直鎖化合物、側鎖化合物および環式化合物のうちいずれであってもよい。また、Ｃ２～Ｃ８の炭化水素は、飽和炭化水素（すなわち、２重結合および３重結合が分子中に存在しないもの）、不飽和炭化水素（すなわち、２重結合および／または３重結合が分子中に存在するもの）のどちらであってもよい。Ｃ１～Ｃ４の炭化水素は、例えば、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、プロピレン（Ｃ_３Ｈ_６）、ノルマルブタン（ＣＨ_３（ＣＨ_２）_２ＣＨ_３）、イソブタン（ＣＨ（ＣＨ_３）_３）、１－ブテン（ＣＨ_２＝ＣＨＣＨ_２ＣＨ_３）、２－ブテン（ＣＨ_３ＣＨ＝ＣＨＣＨ_３）またはイソブテン（ＣＨ_２＝Ｃ（ＣＨ_３）_２）である。

上述の有機酸は、カルボン酸またはスルホン酸等である。カルボン酸は、例えば、ギ酸（ＣＨ_２Ｏ_２）、酢酸（Ｃ_２Ｈ_４Ｏ_２）、シュウ酸（Ｃ_２Ｈ_２Ｏ_４）、アクリル酸（Ｃ_３Ｈ_４Ｏ_２）または安息香酸（Ｃ_６Ｈ_５ＣＯＯＨ）等である。スルホン酸は、例えばエタンスルホン酸（Ｃ_２Ｈ_６Ｏ_３Ｓ）等である。当該有機酸は、鎖式化合物であってもよく、環式化合物であってもよい。

上述のアルコールは、例えば、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）、イソプロパノール（２－プロパノール）（ＣＨ_３ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ_３）、エチレングリコール（ＣＨ_２（ＯＨ）ＣＨ_２（ＯＨ））またはブタノール（Ｃ_４Ｈ_９ＯＨ）等である。

メルカプタン類とは、水素化された硫黄（ＳＨ）を末端に持つ有機化合物であり、チオール、または、チオアルコールとも呼ばれる物質である。上述のメルカプタン類は、例えば、メチルメルカプタン（ＣＨ_３ＳＨ）、エチルメルカプタン（Ｃ_２Ｈ_５ＳＨ）または１－プロパンチオール（Ｃ_３Ｈ_７ＳＨ）等である。

上述のエステルは、例えば、ギ酸エステルまたは酢酸エステル等である。

上述のエーテルは、例えば、ジメチルエーテル（（ＣＨ_３）_２Ｏ）、メチルエチルエーテル（Ｃ_２Ｈ_５ＯＣＨ_３）またはジエチルエーテル（（Ｃ_２Ｈ_５）_２Ｏ）等である。

上述のケトンは、例えば、アセトン（（ＣＨ_３）_２ＣＯ）、メチルエチルケトン（Ｃ_２Ｈ_５ＣＯＣＨ_３）またはジエチルケトン（（Ｃ_２Ｈ_５）_２ＣＯ）等である。

上述のアルデヒドは、例えば、アセトアルデヒド（ＣＨ_３ＣＨＯ）、プロピオンアルデヒド（Ｃ_２Ｈ_５ＣＨＯ）またはブタナール（ブチルアルデヒド）（Ｃ_３Ｈ_７ＣＨＯ）等である。

分離装置２は、分離膜複合体１と、封止部２１と、ハウジング２２と、２つのシール部材２３と、供給部２６と、第１回収部２７と、第２回収部２８とを備える。分離膜複合体１、封止部２１およびシール部材２３は、ハウジング２２内に収容される。供給部２６、第１回収部２７および第２回収部２８は、ハウジング２２の外部に配置されてハウジング２２に接続される。

封止部２１は、支持体１１の長手方向（すなわち、図３中の左右方向）の両端部に取り付けられ、支持体１１の長手方向両端面、および、当該両端面近傍の外側面を被覆して封止する部材である。封止部２１は、支持体１１の当該両端面からのガスおよび液体の流入および流出を防止する。封止部２１は、例えば、ガラスまたは樹脂により形成された板状または膜状の部材である。封止部２１の材料および形状は、適宜変更されてよい。なお、封止部２１には、支持体１１の複数の貫通孔１１１と重なる複数の開口が設けられているため、支持体１１の各貫通孔１１１の長手方向両端は、封止部２１により被覆されていない。したがって、当該両端から貫通孔１１１へのガスおよび液体の流入および流出は可能である。

ハウジング２２の形状は特に限定されないが、例えば、略円筒状の筒状部材である。ハウジング２２は、例えばステンレス鋼または炭素鋼により形成される。ハウジング２２の長手方向は、分離膜複合体１の長手方向に略平行である。ハウジング２２の長手方向の一方の端部（すなわち、図３中の左側の端部）には供給ポート２２１が設けられ、他方の端部には第１排出ポート２２２が設けられる。ハウジング２２の側面には、第２排出ポート２２３が設けられる。供給ポート２２１には、供給部２６が接続される。第１排出ポート２２２には、第１回収部２７が接続される。第２排出ポート２２３には、第２回収部２８が接続される。ハウジング２２の内部空間は、ハウジング２２の周囲の空間から隔離された密閉空間である。

２つのシール部材２３は、分離膜複合体１の長手方向両端部近傍において、分離膜複合体１の外側面とハウジング２２の内側面との間に、全周に亘って配置される。各シール部材２３は、ガスおよび液体が透過不能な材料により形成された略円環状の部材である。シール部材２３は、例えば、可撓性を有する樹脂により形成されたＯリングである。シール部材２３は、分離膜複合体１の外側面およびハウジング２２の内側面に全周に亘って密着する。図３に示す例では、シール部材２３は、封止部２１の外側面に密着し、封止部２１を介して分離膜複合体１の外側面に間接的に密着する。シール部材２３と分離膜複合体１の外側面との間、および、シール部材２３とハウジング２２の内側面との間は、シールされており、ガスおよび液体の通過はほとんど、または、全く不能である。

供給部２６は、混合ガスを、供給ポート２２１を介してハウジング２２の内部空間に供給する。供給部２６は、例えば、ハウジング２２に向けて混合ガスを圧送するブロワまたはポンプ等の圧送機構を備える。当該圧送機構は、例えば、ハウジング２２に供給する混合ガスの温度および圧力をそれぞれ調節する温度調節部および圧力調節部を備える。第１回収部２７および第２回収部２８は、例えば、ハウジング２２から導出されたガスを貯留する貯留容器、または、当該ガスを移送するブロワまたはポンプを備える。

混合ガスの分離が行われる際には、まず、分離膜複合体１が準備される（図４：ステップＳ１１）。具体的には、分離膜複合体１がハウジング２２の内部に取り付けられる。続いて、供給部２６により、分離膜１２に対する透過性が異なる複数種類のガスを含む混合ガスが、矢印２５１にて示すように、ハウジング２２の内部に供給される。例えば、混合ガスの主成分は、ＣＯ_２およびＮ_２である。混合ガスには、ＣＯ_２およびＮ_２以外のガスが含まれていてもよい。供給部２６からハウジング２２の内部に供給される混合ガスの圧力（すなわち、分離膜１２の一次側のガス圧力である供給側圧力）は、例えば、０．１ＭＰａＧ～２０．０ＭＰａＧである。供給部２６から供給される混合ガスの温度は、例えば１０℃～２５０℃であり、好ましくは２０℃～１５０℃である。

供給部２６からハウジング２２に供給された混合ガスは、分離膜複合体１の図中の左端から、支持体１１の各貫通孔１１１内（すなわち、略円筒状の分離膜１２の内側）に導入される。混合ガス中の透過性が高いガスである高透過性ガスは、各貫通孔１１１の内側面上に設けられた分離膜１２、および、支持体１１を透過して支持体１１の外側面から導出される。これにより、高透過性ガス（例えば、ＣＯ_２）が、混合ガス中の透過性が低いガスである低透過性ガス（例えば、Ｎ_２）から分離される（ステップＳ１２）。

支持体１１の外側面から導出されたガス（以下、「透過ガス」と呼ぶ。）は、矢印２５３にて示すように、第２排出ポート２２３を介して第２回収部２８へと導かれ、第２回収部２８により回収される。第２回収部２８により回収されるガスの圧力（すなわち、分離膜１２の二次側のガス圧力である透過側圧力）は、例えば、０．０ＭＰａＧである。換言すれば、供給側圧力と透過側圧力との差は、例えば、０．１ＭＰａ～２０．０ＭＰａである。好ましくは、供給側圧力と透過側圧力との差は、３．０ＭＰａ以上である。透過ガスには、上述の高透過性ガス以外に、分離膜１２を透過した低透過性ガスが含まれていてもよい。

また、混合ガスのうち、分離膜１２および支持体１１を透過したガスを除くガス（以下、「不透過ガス」と呼ぶ。）は、支持体１１の各貫通孔１１１を図中の左側から右側へと通過し、矢印２５２にて示すように、第１排出ポート２２２を介して第１回収部２７により回収される。第１回収部２７により回収されるガスの圧力は、例えば、導入圧と略同じ圧力である。不透過ガスには、上述の低透過性ガス以外に、分離膜１２を透過しなかった高透過性ガスが含まれていてもよい。第１回収部２７により回収された不透過ガスは、例えば、供給部２６に循環されて、ハウジング２２内へと再度供給されてもよい。

上述のように、従来、供給側圧力と透過側圧力との差が大きい高差圧条件下で混合ガスの分離を行うと、分離膜を透過するガスの温度がジュールトムソン効果（ＪＴ効果とも呼ばれる。）により低下する。したがって、分離膜の二次側のガス温度である透過側温度（すなわち、透過ガスの温度）は、分離膜の一次側のガス温度である供給側温度（すなわち、混合ガスの温度）よりも低くなる。換言すれば、透過ガスの温度は、ジュールトムソン効果により混合ガスの温度よりも低くなる。

このように、分離膜を透過するガスの温度が低下すると、上述のように、分離膜内におけるガスの拡散性が低下して透過速度が低下するおそれがある。また、混合ガスに凝縮性ガスが含まれている場合、分離膜の透過時に降温したガスが凝縮して分離膜の細孔を閉塞することにより、透過速度が低下するおそれもある。なお、ここでいう凝縮性ガスとは、常圧における沸点または昇華点が－８０℃以上の気体（例えば、ＣＯ_２や炭化水素等）を意味する。一方、ガスの凝縮等を抑制しようとして混合ガスを昇温すると、高透過性ガスは、一般的に分離膜表面の細孔内に吸着しにくくなる。高透過性ガスの細孔通過は、高透過性ガスが分離膜表面の細孔内に吸着した後、細孔内において拡散することにより実現されるため、この場合も、透過速度が低下するおそれがある。

本願発明者は、鋭意研究の結果、混合ガスのＮｕ数（Nusselt number）が適切な範囲となるように諸条件を決定することにより、混合ガスを過剰に昇温することなく、分離膜１２を透過する際のジュールトムソン効果による透過ガスの降温を抑制し、高透過性ガスの透過速度の低下を抑制することができることを見出した。具体的には、当該透過速度の低下を抑制するためには、混合ガスのＮｕ数を２以上かつ１０以下とする必要がある。これにより、供給側温度と透過側温度との差ΔＴ（℃）を、Ａ・ΔＰ（℃）の９０％未満とすることができる。ここで、Ａはジュールトムソン係数を示し、ΔＰは供給側圧力から透過側圧力を減算した値を示す。

なお、Ｎｕ数は、静止した状態と比較した場合の流体の熱伝達能力の増大の程度を示す指標である。分離膜１２に供給される混合ガスのＮｕ数が大きくなる程、混合ガスの熱伝達能力が増大する。分離膜１２に供給される混合ガスの流れが乱流である場合、Ｎｕ数は、以下のように表される。

Ｎｕ＝０．０２３Ｒｅ^４／５Ｐｒ^１／３ ・・・ （式１）
Ｒｅ＝Ｕ・ｄ／ν ・・・ （式２）
Ｐｒ＝ν／ｋ ・・・ （式３）

式１～式３のＮｕはＮｕ数を示し、ＲｅはＲｅ数（Reynolds number）を示し、ＰｒはＰｒ数（Prandtl number）を示す。また、Ｕは、分離膜１２に供給される混合ガスの線速度（ｍ／ｓｅｃ）を示し、ｄは、代表長さである略円筒状の分離膜１２の内径（ｍ）を示す。なお、上述のように、分離膜１２が、長手方向に垂直な断面形状が非円形の筒状である場合、代表長さｄは、分離膜１２の上記相当直径（ｍ）を示す。νは、混合ガスの動粘度（ｍ^２／ｓｅｃ）を示し、ｋは、混合ガスの熱伝導率（Ｊ／（ｓｅｃ・ｍ・ｋ））を示す。

上述の分離膜複合体１による混合ガスの分離では、高透過性ガスの透過速度の低下をさらに抑制するという観点からは、供給側温度と透過側温度との差ΔＴ（℃）は、好ましくは、Ａ・ΔＰ（℃）の６０％未満であり、より好ましくは、Ａ・ΔＰ（℃）の１０％未満である。

上述の分離膜複合体１による混合ガスの分離では、Ｕを横軸としてＮｕをプロットした場合の傾き（すなわち、最小二乗法による近似直線の傾きであり、以下「Ｎｕ（ｖｓ）Ｕのプロットの傾き」とも呼ぶ。）は、好ましくは１以上であり、より好ましくは１．２以上である。Ｎｕ（ｖｓ）Ｕのプロットの傾きを１以上とすることにより、分離膜１２に供給される混合ガスの線速度（すなわち、供給速度）を少し変化させるだけで、Ｎｕ数を大きく変化させることができる。また、Ｎｕ（ｖｓ）Ｕのプロットの傾きは、好ましくは５以下であり、より好ましくは４以下である。Ｎｕ（ｖｓ）Ｕのプロットの傾きを５以下とすることにより、混合ガスの供給速度の変動に対するＮｕ数の過剰な変動を抑制し、Ｎｕ数の高精度な制御を容易とすることができる。なお、Ｎｕ（ｖｓ）Ｕのプロットの傾きは、「Ｕに対するＮｕのプロットの傾き」とも呼ぶ。

上述の分離装置２では、図５に示すように、分離膜１２を透過ガスの透過側から加熱する（すなわち、分離膜１２を支持体１１側から加熱する）加熱部２４１が設けられてもよい。これにより、上述のジュールトムソン効果による透過ガスの降温をさらに抑制することができる。図５に示す例では、加熱部２４１は、ハウジング２２の外側面を略全面に亘って覆う。加熱部２４１は、例えば、シート状の電熱ヒータであってもよく、加熱流体が流れる流路がハウジング２２の外側面に沿って設けられたヒータであってもよい。

加熱部２４１の温度は、例えば、分離膜１２に供給される混合ガスの温度（すなわち、供給側温度）と同じである。加熱部２４１の温度は、供給側温度よりも高くてもよく、低くてもよい。加熱部２４１の温度が供給側温度よりも低い場合、供給側温度と加熱部２４１の温度との差は、例えば５℃以下である。加熱部２４１の温度は、加熱部２４１による加熱が行われない状態において分離膜１２を透過した透過ガスの温度よりも高く、加熱部２４１の温度と当該透過ガスの温度と差は、例えば１０℃以上である。

また、上述の分離装置２では、図６に示すように、分離膜１２の透過側の空間（すなわち、ハウジング２２の内部における支持体１１の外側面よりも径方向外側の空間）を、当該透過側の空間よりも温度が低い周囲の雰囲気（すなわち、ハウジング２２の外部の雰囲気）から断熱する断熱部２４２が設けられてもよい。この場合も、上述のジュールトムソン効果による透過ガスの降温をさらに抑制することができる。図６に示す例では、断熱部２４２は、ハウジング２２の外側面を略全面に亘って覆う。断熱部２４２は、例えば、シート状の断熱材である。なお、分離装置２では、断熱部２４２と上述の加熱部２４１とが共に設けられてもよい。この場合、例えば、ハウジング２２の外側面の一部が加熱部２４１により覆われ、当該外側面の残りの部分が断熱部２４２により覆われてもよい。

次に、表１および表２を参照しつつ、混合ガスのＮｕ数と透過ガスの温度低下との関係について説明する。実施例１～７および比較例１～３では、ＣＯ_２およびＮ_２をそれぞれ５０体積％含む混合ガスを分離装置２に供給した。混合ガス中の高透過性ガスはＣＯ_２であり、低透過性ガスはＮ_２である。

表１中の「差圧ΔＰ」は、上述のように、分離装置２における供給側圧力と透過側圧力との差である。また、「加熱」の欄の○印は、加熱部２４１（図５参照）による加熱が行われることを示し、×印は、加熱部２４１による加熱が行われないことを示す。「保温」の欄の○印は、断熱部２４２（図６参照）による保温が行われることを示し、×印は、断熱部２４２による保温が行われないことを示す。加熱部２４１による加熱温度は、６０℃であった。断熱部２４２としては、断熱性能（熱伝導率）が０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、厚さ２０ｍｍの断熱材を利用した。また、分離装置２の周囲の温度（以下、「周囲温度」とも呼ぶ。）は、０℃であった。表１中の「Ｎｕ数」は、上述の式１～式３により求めた。

表２中の「透過速度」は、透過ガスをマスフローメータ（ＭＦＭ）およびガスクロマトグラフで測定することにより求めた高透過性ガス（すなわち、ＣＯ_２）の透過速度である。「温度差ΔＴ」は、表１中の供給側温度と透過側温度との差である。

実施例１では、差圧ΔＰは８．０ＭＰａであり、加熱部２４１による加熱および断熱部２４２による保温を行った。混合ガスのＮｕ数は９とし、供給側温度は６０℃とした。その結果、透過側温度は５７℃であり、ΔＴは３℃であった。ジュールトムソン係数Ａの値は８であり、Ａ・ΔＰは６４℃であり、ΔＴはＡ・ΔＰの５％であった。換言すれば、ΔＴ／（Ａ・ΔＰ）は５％であった。透過速度は、１０２ｎｍｏｌ／（ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ）と大きかった。

実施例２は、Ｎｕ数を５とした点を除き、実施例１と同様である。透過側温度は５５℃であり、ΔＴは５℃であった。ジュールトムソン係数Ａの値は８であり、Ａ・ΔＰは６４℃であり、ΔＴはＡ・ΔＰの８％であった。透過速度は、１００ｎｍｏｌ／（ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ）と大きかった。

実施例３は、上述の加熱および保温を行わなかった点を除き、実施例２と同様である。透過側温度は４０℃であり、ΔＴは２０℃であった。ジュールトムソン係数Ａの値は８であり、Ａ・ΔＰは６４℃であり、ΔＴはＡ・ΔＰの３１％であった。透過速度は、８０ｎｍｏｌ／（ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ）と大きかった。

実施例４は、Ｎｕ数を２とした点を除き、実施例１と同様である。透過側温度は３０℃であり、ΔＴは３０℃であった。ジュールトムソン係数Ａの値は８であり、Ａ・ΔＰは６４℃であり、ΔＴはＡ・ΔＰの４７％であった。透過速度は、７０ｎｍｏｌ／（ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ）と大きかった。

実施例５は、上述の加熱を行わなかった点を除き、実施例４と同様である。透過側温度は２５℃であり、ΔＴは３５℃であった。ジュールトムソン係数Ａの値は８であり、Ａ・ΔＰは６４℃であり、ΔＴはＡ・ΔＰの５５％であった。透過速度は、６０ｎｍｏｌ／（ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ）と大きかった。

実施例６は、差圧ΔＰを４．０ＭＰａとした点、および、供給側温度を４０℃とした点を除き、実施例２と同様である。透過側温度は３５℃であり、ΔＴは５℃であった。ジュールトムソン係数Ａの値は９．５であり、Ａ・ΔＰは３８℃であり、ΔＴはＡ・ΔＰの１３％であった。透過速度は、７５ｎｍｏｌ／（ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ）と大きかった。

比較例１は、Ｎｕ数を１．５とした点を除き、実施例３と同様である。透過側温度は２℃であり、ΔＴは５８℃であった。ジュールトムソン係数Ａの値は８であり、Ａ・ΔＰは６４℃であり、ΔＴはＡ・ΔＰの９１％であった。透過速度は、３０ｎｍｏｌ／（ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ）と小さかった。

比較例２は、上述の加熱および保温を行わなかった点、および、Ｎｕ数を１．５とした点を除き、実施例６と同様である。透過側温度は５℃であり、ΔＴは３５℃であった。ジュールトムソン係数Ａの値は９．５であり、Ａ・ΔＰは３８であり、ΔＴはＡ・ΔＰの９２％であった。透過速度は３５ｎｍｏｌ／（ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ）であり、実施例６よりも小さかった。

実施例１～６では、Ｎｕ数を２以上かつ１０以下とすることにより、ΔＴをＡ・ΔＰの９０％未満とすることができるため、比較例１～２（Ｎｕ数が２未満）のようにΔＴがＡ・ΔＰの９０％以上となる場合に比べて、透過速度の低下を抑制することができる。また、実施例１～６では、ΔＴがＡ・ΔＰの６０％未満であるため、比較例１～２に比べて、透過速度の低下が大きく抑制されている。

差圧ΔＰが８ＭＰａである実施例１～５に注目すると、ΔＴがＡ・ΔＰの１０％未満である実施例１～２では、透過速度が１００ｎｍｏｌ／（ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ）以上であり、ΔＴがＡ・ΔＰの１０％以上である実施例３～５の透過速度（６０ｎｍｏｌ／（ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ）～８０ｎｍｏｌ／（ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ））に比べて大きかった。したがって、ΔＴをＡ・ΔＰの１０％未満とすることにより、透過速度の低下をより一層抑制することができる。

また、実施例２では、加熱部２４１による加熱および断熱部２４２による保温を行うことにより、実施例３（上述の加熱および保温無し）に比べて、さらに透過速度の低下を抑制することができる。実施例４では、加熱部２４１による加熱を行うことにより、実施例５（上述の加熱無し）に比べて、さらに透過速度の低下を抑制することができる。

実施例７では、分離膜１２の内径を２ｍｍとし、分離膜１２に供給される混合ガスの線速度Ｕを１．０ｍ／ｓｅｃ～３．０ｍ／ｓｅｃの範囲で変化させた。差圧ΔＰは、４．０ＭＰａとした。線速度Ｕが１．０ｍ／ｓｅｃ、２．０ｍ／ｓｅｃ、および、３．０ｍ／ｓｅｃのとき、Ｎｕ数はそれぞれ２．３、３．７および５．６であった。Ｎｕ（ｖｓ）Ｕのプロットの傾き（すなわち、Ｕに対するＮｕのプロットの傾き）は、１．５であり、１以上かつ５以下であった。

比較例３は、分離膜１２の内径を１ｍｍとした点を除き、実施例７と同様である。線速度Ｕが１．０ｍ／ｓｅｃ、２．０ｍ／ｓｅｃ、および、３．０ｍ／ｓｅｃのとき、Ｎｕ数はそれぞれ１．３、２．１および３．２であった。Ｎｕ（ｖｓ）Ｕのプロットの傾き（すなわち、Ｕに対するＮｕのプロットの傾き）は、０．８５であり、１未満であった。

実施例７ではＮｕ（ｖｓ）Ｕのプロットの傾きを１以上かつ５以下にすることにより、比較例３のようにＮｕ（ｖｓ）Ｕのプロットの傾きが１未満であるものに対して、少しの線速度増加で効率良くＮｕ数を増加させることができる。したがって、大流量の混合ガスの分離を行う際であっても、混合ガスの線速度を少し増加させることにより、ジュールトムソン効果による透過ガスの温度低下を、より好適に抑制することができる。

なお、上述の混合ガス分離方法では、混合ガスは、分離膜１２の内側に供給されるが、当該混合ガスは、例えば、筒状の支持体の外側面に設けられた筒状の分離膜１２の外側から供給されてもよい。この場合、Ｎｕ数を求める際の上記代表長さｄ（ｍ）として、分離膜１２の外側における混合ガスの流路の相当直径が用いられる。当該相当直径は、分離膜１２の長手方向に垂直な断面において、分離膜１２の外側における混合ガスの流路の断面積の４倍を、分離膜１２のぬれぶち長（この場合、分離膜１２の外周長とハウジング２２の内周長との合計）によって除算することにより求められる。なお、混合ガスが分離膜１２の内側および外側のどちらから供給される場合も、混合ガスは、分離膜１２の支持体１１とは反対側の表面側に供給され、分離膜１２を通過した後、支持体１１を通過する。

以上に説明したように、混合ガス分離方法は、分離膜１２を準備する工程（ステップＳ１１）と、複数種類のガスを含む混合ガスを分離膜１２に供給し、混合ガス中の透過性が高いガス（すなわち、高透過性ガス）を、分離膜１２を透過させることにより混合ガスから分離する工程（ステップＳ１２）と、を備える。ステップＳ１２において、分離膜１２の一次側のガス圧力である供給側圧力と分離膜１２の二次側のガス圧力である透過側圧力との差をΔＰとし、ジュールトムソン係数をＡとした場合、混合ガスのＮｕ数を２以上かつ１０以下とすることにより、分離膜１２の一次側のガス温度である供給側温度と分離膜１２の二次側のガス温度である透過側温度との差ΔＴを、Ａ・ΔＰの９０％未満とする。

このように、当該混合ガス分離方法では、Ｎｕ数を２以上かつ１０以下とすることにより、混合ガスの供給側温度を過剰に高くすることなく、分離膜１２の透過時のジュールトムソン効果による透過ガスの温度低下が抑制される。換言すれば、上述の供給側温度と透過側温度との差である温度差ΔＴが小さくなる。これにより、高透過性ガスの分離膜１２への吸着が阻害されることを抑制しつつ、分離膜１２の細孔内における透過ガスの拡散性低下を抑制することができる。また、ガスの凝縮による分離膜１２の細孔閉塞を抑制することもできる。その結果、高透過性ガスの透過速度の低下を抑制することができる。

好ましくは、ステップＳ１２において、供給側圧力と透過側圧力との差（すなわち、差圧）ΔＰは３．０ＭＰａ以上である。上述の混合ガス分離方法では、ジュールトムソン効果による透過ガスの温度低下を抑制し、高透過性ガスの透過速度の低下を抑制することができるため、ジュールトムソン効果による透過ガスの温度低下が比較的大きくなり易い高差圧条件下による混合ガスの分離に特に適している。

上述のように、混合ガスのＮｕ数をＮｕとし、混合ガスの線速度（ｍ／ｓｅｃ）をＵとして、Ｕに対するＮｕのプロットの傾きは１以上かつ５以下であることが好ましい。これにより、少しの線速度増加で効率良くＮｕ数を増加させることができる。したがって、大流量の混合ガスの分離を行う際であっても、混合ガスの線速度を少し増加させることにより、ジュールトムソン効果による透過ガスの温度低下を、より好適に抑制することができる。その結果、高透過性ガスの透過速度の低下を好適に抑制し、大流量の混合ガスの分離を迅速に行うことができる。

上述のように、ステップＳ１２において、分離膜１２を透過側から加熱することが好ましい。これにより、ジュールトムソン効果による透過ガスの温度低下をさらに抑制することができる。

また、ステップＳ１２において、分離膜１２の透過側の空間を、当該透過側の空間よりも温度が低い周囲の雰囲気から断熱することも好ましい。この場合も、ジュールトムソン効果による透過ガスの温度低下をさらに抑制することができる。

上述のように、供給側温度と透過側温度との差ΔＴは、Ａ・ΔＰの６０％未満であることが好ましい。これにより、高透過性ガスの透過速度の低下をさらに抑制することができる。

供給側温度と透過側温度との差ΔＴは、Ａ・ΔＰの１０％未満であることがさらに好ましい。これにより、実施例１～２に示すように、高透過性ガスの透過速度の低下をより一層抑制することができる。

上述のように、分離膜１２は筒状であり、分離膜１２の相当直径は、２ｍｍ以上かつ５ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、分離膜１２の内側または外側に供給される混合ガスが乱流となり易く、混合ガスのＮｕ数を容易に２以上とすることができる。

より好ましくは、分離膜１２は、内側に混合ガスが供給される円筒状であり、上記相当直径は、分離膜１２の内径である。これにより、分離膜１２の内側に供給される混合ガスが乱流となり易く、混合ガスのＮｕ数を容易に２以上とすることができる。

上述のように、分離膜１２はゼオライト膜であることが好ましい。細孔径が均一であるゼオライト結晶により分離膜１２を構成することにより、透過対象物質の選択的透過を好適に実現することができる。その結果、当該透過対象物質を混合ガスから効率良く分離することができる。

より好ましくは、分離膜１２を構成するゼオライトの最大員環数は８以下である。これにより、分子径が小さいＨ_２、ＣＯ_２等の透過対象物質の選択的透過を好適に実現し、当該透過対象物質を混合物質から効率良く分離することができる。

上述のガス分離方法は、ジュールトムソン効果による透過ガスの温度低下を抑制することができるため、分離膜１２を透過する透過ガスが凝縮性ガスを含む場合（すなわち、透過ガスの凝縮による分離膜１２の細孔閉塞が生じる可能性がある場合）に特に適している。

上述のガス分離方法は、混合ガスが、水素、ヘリウム、窒素、酸素、水、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素酸化物、アンモニア、硫黄酸化物、硫化水素、フッ化硫黄、水銀、アルシン、シアン化水素、硫化カルボニル、Ｃ１～Ｃ８の炭化水素、有機酸、アルコール、メルカプタン類、エステル、エーテル、ケトンおよびアルデヒドのうち、１種類以上の物質を含む場合に特に適している。

上述の分離装置２は、分離膜１２と、複数種類のガスを含む混合ガスを分離膜１２に供給する供給部２６と、を備える。分離膜１２は、混合ガス中の透過性が高いガス（すなわち、高透過性ガス）を透過させることにより混合ガスから分離する。分離膜１２の一次側のガス圧力である供給側圧力と分離膜１２の二次側のガス圧力である透過側圧力との差をΔＰとし、ジュールトムソン係数をＡとした場合、混合ガスのＮｕ数を２以上かつ１０以下とすることにより、分離膜１２の一次側のガス温度である供給側温度と分離膜１２の二次側のガス温度である透過側温度との差ΔＴを、Ａ・ΔＰの９０％未満とする。これにより、上記と同様に、高透過性ガスの透過速度の低下を抑制することができる。

上述の混合ガス分離方法および分離装置２では、様々な変更が可能である。

例えば、分離膜１２が筒状である場合、分離膜１２の相当直径は、２ｍｍ未満であってもよく、５ｍｍよりも大きくてもよい。したがって、分離膜１２が、内側に混合ガスが供給される略円筒状である場合、分離膜１２の内径は、２ｍｍ未満であってもよく、５ｍｍよりも大きくてもよい。なお、分離膜１２の形状は、筒状には限定されず、他の形状（例えば、平板状等）であってもよい。

分離装置２では、断熱部２４２の構造、形状および配置は、上述の例には限定されず、様々に変更されてよい。また、分離装置２から断熱部２４２が省略されてもよい。

分離装置２では、加熱部２４１の構造、形状および配置は、上述の例には限定されず、様々に変更されてよい。例えば、分離膜複合体１が、略円筒状の支持体１１と、支持体１１の外側面を覆う分離膜１２とを備える場合、加熱部２４１は、支持体１１の内側の空間に挿入される略棒状の電熱ヒータ等とされてよい。また、分離装置２では、加熱部２４１が省略されてもよい。

上述の混合ガス分離方法では、混合ガスのＮｕ数を混合ガスの線速度（ｍ／ｓｅｃ）で除算した値は、１未満であってもよく、５よりも大きくてもよい。

上述の混合ガス分離方法では、供給側圧力と透過側圧力との差ΔＰは、３ＭＰａ未満であってもよい。

上記混合ガス分離方法により分離膜１２を透過する透過ガスには、必ずしも凝縮性ガスが含まれる必要はない。

分離膜複合体１は、支持体１１および分離膜１２に加えて、分離膜１２上に積層された機能膜や保護膜をさらに備えていてもよい。このような機能膜や保護膜は、ゼオライト膜、シリカ膜または炭素膜等の無機膜であってもよく、ポリイミド膜またはシリコーン膜等の有機膜であってもよい。

分離膜１２を構成するゼオライトの最大員環数は、８よりも大きくてもよい。また、分離膜１２はゼオライト膜以外の膜（例えば、上述の無機膜または有機膜）であってもよい。

上述の分離装置２および混合ガス分離方法では、上記説明にて例示した物質以外の物質が、混合ガスから分離されてもよい。また、分離装置２の構造も、上記例には限定されず、様々に変更されてよい。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

発明を詳細に描写して説明したが、既述の説明は例示的であって限定的なものではない。したがって、本発明の範囲を逸脱しない限り、多数の変形や態様が可能であるといえる。

本発明は、例えば、石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）の排ガスや他の排ガス等の混合ガスの分離に利用可能であり、また、排ガス以外の様々な混合ガスの分離に利用可能である。

２ 分離装置
１２ 分離膜
２６ 供給部
Ｓ１１～Ｓ１２ ステップ

Claims (13)

1. 混合ガス分離方法であって、
   ａ）分離膜を準備する工程と、
   ｂ）複数種類のガスを含む混合ガスを前記分離膜に供給し、前記混合ガス中の透過性が高いガスを、前記分離膜を透過させることにより前記混合ガスから分離する工程と、
   を備え、
   前記ｂ）工程において、前記分離膜の一次側のガス圧力である供給側圧力と前記分離膜の二次側のガス圧力である透過側圧力との差をΔＰとし、ジュールトムソン係数をＡとした場合、前記混合ガスのＮｕ数を２以上かつ１０以下とすることにより、前記分離膜の一次側のガス温度である供給側温度と前記分離膜の二次側のガス温度である透過側温度との差ΔＴを、Ａ・ΔＰの９０％未満とする。
2. 請求項１に記載の混合ガス分離方法であって、
   前記ｂ）工程において、前記供給側圧力と前記透過側圧力との差ΔＰは３．０ＭＰａ以上である。
3. 請求項１または２に記載の混合ガス分離方法であって、
   前記混合ガスのＮｕ数をＮｕとし、前記混合ガスの線速度（ｍ／ｓｅｃ）をＵとして、Ｕに対するＮｕのプロットの傾きは１以上かつ５以下である。
4. 請求項１または２に記載の混合ガス分離方法であって、
   前記ｂ）工程において、前記分離膜を透過側から加熱する。
5. 請求項１または２に記載の混合ガス分離方法であって、
   前記ｂ）工程において、前記分離膜の前記透過側の空間を、前記透過側の空間よりも温度が低い周囲の雰囲気から断熱する。
6. 請求項１または２に記載の混合ガス分離方法であって、
   前記供給側温度と前記透過側温度との差ΔＴは、Ａ・ΔＰの６０％未満である。
7. 請求項１または２に記載の混合ガス分離方法であって、
   前記分離膜は筒状であり、
   前記分離膜の相当直径は、２ｍｍ以上かつ５ｍｍ以下である。
8. 請求項７に記載の混合ガス分離方法であって、
   前記分離膜は、内側に前記混合ガスが供給される円筒状であり、
   前記相当直径は、前記分離膜の内径である。
9. 請求項１または２に記載の混合ガス分離方法であって、
   前記分離膜はゼオライト膜である。
10. 請求項９に記載の混合ガス分離方法であって、
    前記分離膜を構成するゼオライトの最大員環数は８以下である。
11. 請求項１または２に記載の混合ガス分離方法であって、
    前記分離膜を透過する透過ガスは凝縮性ガスを含む。
12. 請求項１または２に記載の混合ガス分離方法であって、
    前記混合ガスは、水素、ヘリウム、窒素、酸素、水、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素酸化物、アンモニア、硫黄酸化物、硫化水素、フッ化硫黄、水銀、アルシン、シアン化水素、硫化カルボニル、Ｃ１～Ｃ８の炭化水素、有機酸、アルコール、メルカプタン類、エステル、エーテル、ケトンおよびアルデヒドのうち、１種類以上の物質を含む。
13. 混合ガス分離装置であって、
    分離膜と、
    複数種類のガスを含む混合ガスを前記分離膜に供給する供給部と、
    を備え、
    前記分離膜は、前記混合ガス中の透過性が高いガスを透過させることにより前記混合ガスから分離し、
    前記分離膜の一次側のガス圧力である供給側圧力と前記分離膜の二次側のガス圧力である透過側圧力との差をΔＰとし、ジュールトムソン係数をＡとした場合、前記混合ガスのＮｕ数を２以上かつ１０以下とすることにより、前記分離膜の一次側のガス温度である供給側温度と前記分離膜の二次側のガス温度である透過側温度との差ΔＴを、Ａ・ΔＰの９０％未満とする。

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