JPH02115018A - パーミエーターシステムと供給ガス混合物成分の分離方法 - Google Patents

パーミエーターシステムと供給ガス混合物成分の分離方法

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JPH02115018A
JPH02115018A JP1239762A JP23976289A JPH02115018A JP H02115018 A JPH02115018 A JP H02115018A JP 1239762 A JP1239762 A JP 1239762A JP 23976289 A JP23976289 A JP 23976289A JP H02115018 A JPH02115018 A JP H02115018A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は膜装置能力の弱め調節システムおよびその方
法に関する。
（従来の技術） 大抵のガス発生方法は、上流または下流条件のため通常
その最大能力すなわち銘板通りの能力を発揮しないでい
くぶん低い能力で作動するものである。そのうえ、普通
弱め要求すなわち、全速以下より全速までの設定範囲で
プラントは運転される能力がなければならない。そのう
え、プラントは生成物回収率、生成物の純度、エネルギ
ー要求条件などのようなぞの池の外部要求条件に適合の
・ｇ・要がある。大抵のガス発生工程設備においては、
装置の最適範囲がかなり広範に亘り周知のことであって
、そのため適当な制御方法が開発されて来たのて弱め要
求条件は問題点とはならないしまたフ”ラントに組み入
れて設計が可能である。しかし、膜に基くガス加ニブラ
ントにおいては事情を異にする。膜装置はかなり低い、
すなわち、生成物の純度のようないくつかの池の要求条
件を犠牲にすることなく典型的例として全流量の１００
％がチア５％への弱め能力を有している。これは流量の
減少に伴い、単位流量当り面積の増加を来たす事実によ
るものである。膜を通過するガスの透過はその面積と、
膜を横切る分圧差に比例するので、単位流量当り面積の
増加に伴い、透過生成物の中に好ましくない種類の分圧
が送り側に増加し、さらに大量のガスを膜を通して透過
側に押しやり、それによってその濃度が下流側に上昇す
ることとなる。
従って、送りのｍＩ記装置Ｉ＼の流れが減少するに従い
、生成物純度はまた低下する。
（発明が解決しようとする課題） 膜システムの弱めを、生成物純度に大きい犠牲を与える
ことなく機能させる数方法か開発されてきた。この種方
法のうちの１つは膜モジュールの一部を予め決められた
生産量に合わせて自動的にバルブ切断による移動を−ｇ
・要とする。膜システムの弱めの間、膜面移動により作
動させるシステムはアメリカ合衆国特許第４．３９７．
６６１号に記述されている。この特許は複数のパーミエ
ータ−段階から成り、その各段階が供給流れを受入れ、
また少くとも１つのパーミエータ−段階からの透過流れ
を前記透過システムからの予め決められた透過流体の流
量で開始なちびに停止させるパーミエータ−システムを
開示する。このシステムは透過純度を犠牲にすることな
く装置の弱めを達成すると言われる一方、このシステム
は数個の小型モジュラ−単位装置を・ｇ・ず必要とし、
そのため結果として［゛規模の経済性」の損失となる。
そのうえ、膜面制限の−Ｖ要性は、前記システム、装置
の大きさおよび資本経費の複雑さを増加させる今以上の
弁、配管、器械設置を・必要とする。これらシステムの
段階弱めはまた膜モジュールがバルブで切断される時、
作業に中断をもたらし、それは上、下流双方における池
の加工装置に変化をもたらすため化学プラントにおいて
は一般に好ましくないものである。
弱めの間、透過流れの純度改良に用いられてきた第２の
方法は透過圧を上昇させることである。
これは高透過性すなわち生成物、配合剤よりも高速で低
透過性配合物を横切るフラックスを減少させる。この方
法によれば生成物純度は増加するが、このような増加は
生成物回収の低下を代償に達成される。実際に、有意の
生成物回収の低下は生産速度が８０％に達する時観察さ
れ、生産速度が６０％に達する時、非効率点に低下する
。従って、普通の透過圧調節工程は、「微同調Ｊ制御機
構としてのみ適用可能であり、特に、固定純度で透過が
増加するに従い供給流量が低下する時弱め機構として適
用不可能である。
この発明の目的は、少くとも１つの他の成分を含む供給
ガス混合物から少くとも１つの気体成分を分離する透過
システムを提供することである。
〈課題を解決するための手段〉 この発明のシステムは、供給ガス混合物中に少くとも１
つの成分に対し選択的透過性のある少くとも１つの半透
過性膜を備える膜装置から成る。
一連の弁と制御装置を膜装置のまわりに配置して前記膜
装置を横切る差圧を有効に制御し、生成物要求量の変化
または供給流量の変化に合わせる。
容積流量弁を不良ガス流出口に沿い配置して膜装置から
の不良ガスすなわち非透過ガスの流量を調節する。流量
調節装置を不良ガス流出口に沿い配置し、前記流出口を
通過するガスの容積流量を測定し、さらに前記容積流量
弁を調節して前記不良ガス流出口を通過するガス流量を
実質的に一定量になるよう維持する。透過弁を透過ガス
流出口に沿い配置して膜装置で取り除かれる透過流で起
こる透過背圧を調節する。圧力調節器を前記透過ガス流
出口に沿い配置して前記流出口における圧力を測定し、
透過弁を調節して透過背圧を実質的に一定に維持する。
生成物要求量に合わせるため、随意に、第２圧力調節器
を前記透過ガス流出口に沿い配置し、前記透過弁下流の
前記流出口の圧力を測定する。ｎｉｒ記透過弁は供給ガ
ス流出口に沿い配置された供給ガス弁の作動を調節して
膜装置に入る供給ガス流量を調節する。供給流量の変化
に合わせるため二者択一に、供給ガス弁を調節して背圧
Ｊ８節ができる。
この発明の１実施例では、おのおのが複数の半透過性膜
または素子を備え、そのうちの数個を第１透過管を介し
、第２透過管を介して接続する残余半透過膜または素子
と接続させ７′、：１つ以上の膜装置を利用できる。各
透過管を別の透過ヘッダーに接続する。各透過ヘッダー
におのおのバルブをつけ、それによって透過が前記素子
の群の１つから流れ弱め状態中は閉鎖できるが、膜装置
はそれでもオンラインに維持できる。
（作　用） ここにおいて、添付図面を参照しながらこの発明をさら
に詳細に説明する。
この発明は、弱めの諸工程が行われている間、供給流れ
の中断または透過生成物の純度低下をもたらすことなく
透過膜装置の弱め制御システムとその方法に関するもの
である。この発明は特に、透過ガスを好ましい生成物に
し、また残留物すなわち非透過流れを価値の少くないも
のまたは全く無価値なものにする諸工程に応用可能であ
る。それは特に、残留物流れが膜を透過後、残留物流れ
を加工してさらに利用するための圧力を低下させる事例
に応用される。この種実施例の１つは精製排ガス流れか
らの水素回収の方法で、そこにおいて、残留物流れの圧
力を低下させて、水素回収の膜加工後、燃料として送る
ことである。この発明を最適のものとする他の応用実施
例にはアンモニアパージガスからの水素回収、水素処理
装置パージガスからの水素回収、水素分解装置パージガ
スからの水素回収、粗ヘリウム流れからのヘリウム回収
およびその他のこの種工程が含まれる。
この発明のパーミエータ−システムは一連の流鍬圧力検
出器およびバルブを用いるが、それは膜透過圧、膜残留
物容積流量および、随意に供給ガス流れまたは透過生成
物要求量または上流工程の要求量のそれぞれに合う背圧
を調節する。この発明の透過システムの１つの実施例は
第１図の図面に巨体的に示されている。この図面を参照
して、供給ガス混合物は供給ガス流入口２を通過して、
前記供給ガス混合物の１成分に、少くとも１つの他の成
分に透過するよりもより多く透過可能な少くとも１つの
半透過膜６を備える透過装置４に入る。前記供給ガス流
入口を前記膜装置４に入る供給ガスが前記半透過膜の片
方、すなわち混合物の一部が膜を透過して透過側に透過
させる不良ガス側に接触するよう配置させる。供給ガス
弁８を前記供給ガス流入口２に沿って配置し膜装置４に
入る供給ガスの流量を調節するかあるいは、若干の実施
例においては供給ガス弁設置の必要はないが、二者択一
に供給背圧を調節する。膜装置４と流体連絡している不
良ガス流出口１０を、前記半透過膜６を通過透過しない
ガスがこの流出口１０を通して除去できるよう配置する
。容積流量弁を前記不良ガス流出口１０に沿って配置し
、膜装置４からの残留ガスの流量を調節する。流量調節
装置１４を前記不良ガス流出口に沿って配置するが、そ
れは前記不良ガス流出口１０を通過するガスの容積流量
を測定しまた、前記容積流量弁１２を調節して前記流出
口１０を通過するガスの容積流量を調節する。前記流量
調節装置１４は前記弁１２を調節して、前記不良流出口
１０を通過する残留ガス流量を実質的に一定の弁で維持
する。これは供給側圧力を起こし、透過流量によって増
減するが、高透過流量は高供給側圧力を必要とする。流
量調節装置１４はたとえば電子信号またはインパルス１
６を送り、自動的に前記容積流量弁１２を開閉させる適
当な方法で調節できる。
前記膜装置４と流体連絡する透過ガス流出口１８を、前
記半透過膜６を通って透過する前記供給ガスのその部分
が前記膜装置から除去できるように配置する。透過弁２
０を透過ガス流出口１８に沿って配置して透過背圧を調
節する。圧力調節装置２２を前記透過ガス流出口１８に
沿って配置するがそれは前記透過弁２０の上流の透過ガ
ス流出［１１８の圧力を測定し前記弁２０を調節する。
流量の高低流量それぞれにより透過流量が増減するに従
い、弁２０上流の圧力がそれにより増減する。圧力は圧
力調節装置２２で検知するが、それは電気的インパルス
２４によるような適当な方法で透過弁２０を開閉させて
実質的に一定の透過背圧を維持する。
透過ガスに対する下流要求量が増減するに従い、透過弁
２０の下流の透過ガス流出口１８における圧力かそれに
より増減する。膜を流れるガスが透過要求量に合うよう
調節される実施例において、透過ガス流出口１８のこの
部分における圧力を前記流出口１８に沿って配置された
第２圧力調節装置２６により検知するが、前記調節装置
は電気的インパルス２８または他の適当な方法により、
前記流出口１８のこの部分の圧力が低下する時前記弁８
が開口しまた前記圧力が上昇する時弁は閉鎖するように
前記供給ガス流入口２に沿って配置された供給ガス弁８
を調節する。このようにして透過生成物要求量に従って
供給流量を調節する。
供給背圧を実質的に一定するよう保持するもう１つの実
施例において、供給ガス弁８から上流の供給ガス流入［
」２に沿って配置された圧力検出器２７は電気的インパ
ルス２９または他の機構によって調節し、供給背圧を一
定に維持できる。この発明の必須部材が前記容積流量弁
１２および流量調節装置１４で、残留ガス′？Ｌ量を一
定に維持し、また透過弁２０および圧力調節装置２２で
透過背圧を一定に維持することを認識すべきである。そ
の他すべての弁および調節機構は最適条件にあってこの
発明の種々の実施例の典型を示す。
第２図の図面はこの発明の実施例を示し、そこにおいて
膜装置４には分離膜素子の形で複数の半透過膜がある。
１群の膜素子５を共通透過管とヘッダー配置１７を介し
て接続する。第２群の膜素子７を第２の分離透過管およ
びヘッダー配置２１に接続する。透過管とヘッダー配置
１７と２１とをある形態の閉塞により分離しまた弁１９
および２３それぞれによって独立して調節する。これは
素子５もしくは７のいずれかの群からの透過流量が弱め
の期間中の閉鎖を可能にする。この実施例は１５％とい
う低い設計率に弱めを可能にしている一方透過生成物純
度と回収とを典型的に基準範囲内に維持する。
そのうえ、すべての膜素子は全弱め供給流量範囲を通じ
てオンラインであり従って素子は流量変化に役立つ必要
はない。これは手動単離、減圧およびパージ操作を省略
させ、さらに膜への頻繁な再加圧および運転の再開始が
防げる。第２図の図面に示されている通り、この２重透
過ヘッダー配置は、第１図の図面に示された調節システ
ムと併用できまたその方が好ましい。しかしどちらの調
節システムも他方のシステムとは関係なく使用できる。
上述の弱め調節システムはたとえば中空繊維、螺旋巻き
平板などのような広範囲の膜および膜素子に応用される
。そのうえ、直列または並列にした膜装置、膜素子、流
入口、流出などの数は重大な問題でなく、この発明の範
囲によってすべて包含されているということである。
（実施例） 実施Ｈ上 全生産力すなわち１００％の流量で９５゜１７１％の水
素純度および７５．４６％の水素回収率となるよう設計
された典型的透過システムの弱め期間中種々の生産速度
で達成される水素透過生成物純度測定のため計算を実施
した。前記計算は弱め調節なしの在来パーミエータ−シ
ステムおよび第１図に詳説された調節システムを用いる
パーミエータ−との双方に対し実施された。使用された
供給材料組成物は次の組成をもつ水添分解装置廃ガスで
あった：比　１ｈ゛（モル％） Ｈ２７４，９０ ＣＯ□　　　　　　　　　２．５１ ０２　　　　　　　　　１．００ Ｃｏ　　　　　　　　　　　１．５０ ＣＩ４　　　　　　　　　７．５２ Ｎ？７．７７ Ｃ２Ｈ６１，０Ｏ Ｃ３１１８３，００ Ｃ４１１１００，３０ Ｃｓｌｌ　１ｏ　　　　　　　　０．３０１１；ｆ記双
方システムの計算結果は第３図のグラフに示されている
。このグラフからは、眺１節システムなしの装置に至る
流量を弱める時、前記透過生成物純度は急速に劣化する
ことがわかる。たとえば、透過生成物純度は１００％流
量で約９５％、４５％？Ｎ、−＝でわずか８８．６％と
計算された。グラフで示されていない別の計算は透過純
度が２０％流量で８０％以下を示している。しかし、逆
にこの発明の調節システムを使用する同類透過システム
は、弱め期間中かなり高い透過純度を維持しな。すなわ
ち、この種システムは１００％流量で９５％の水素透過
純度、２７％流量で９３．２％の透過純度を出した。従
って、この発明のシステムは、弱めレベルで有意に高い
純度の生成物を可能にし、従って最低レベルの生成物純
度を達成するに必要な最低流量はこの調節機構なしのシ
ステムにおけるよりもかなり下廻る。
東方１１ｚ 第２図の図面に示されている弱め調節付きパーミエータ
−システムを開発した。実際のシステムには複数の膜装
置が圧力管外被の形で備わっており、そのおのおのには
複数の螺旋巻き素子が備わる。前記圧力管外被内の各素
子をその透過管で接続した。膜素子からの透過を二重透
過設計により単離させ、それにより膜面積の縮小が各分
離透過ヘッダーをバルブと調節し、それによって透過流
量を１群の素子から閉鎖できた。このシステムを使用し
て、最大能から弱め域まで、すなわち１００％００％流
量０％流星で水添分解装置廃ガスがちの水素回収に用い
られた。水素透過生成物純度を９３乃至９５％に維持し
ながら改良水素回収率を弱め域で測定した。第２図の図
面に詳説したようにこの発明の弱めシステム設計は、大
きい範囲の弱め流量で高い純度の水素生成物と高い回収
率の双方を提供する。
（発明の効果） この発明のパーミエータ−システム設計は通常システム
で達成できるよりもかなり低い透過純度低下度および高
透過回収率を備えてなおこのシステムに弱めを可能にし
ている。
【図面の簡単な説明】
第１図の図面は単一透過流出［」を備えるこの発明の透
過システムの略図、第２図の図面は、数個の半透過膜を
備えそのうちの数個が第１のパーミエータ−流出口を使
用し、残量が第２のパーミエータ−流出口を使用し、前
記パーミエータ−流出口は独立してバルブにより調節さ
れるように配設されたこの発明のパーミエータ−システ
ムの略図、第３図の図面は、透過水素流量上、弱め調節
の備わらないパーミエータ−システムとこの発明による
システム双方および最も透過性のある成分としての水素
による多成分ガスシステムの透過水素流量と透過水素純
度の間の関係を示すグラフである。 ２・・・供給ガス流入口、４・・・膜装置、５・・・膜
素子、６・・・半透過性膜、７・・・膜素子、８・・・
供給ガス弁、１０・・・不良ガス流出口、１２・・・容
積流量、１４・・・流量調節装置、１６・・・電子信号
またはインパルス、１７・・・ヘッダー配置、１８・・
・透過ガス流出口、１９・・・弁、２０・・・透過弁、
２１・・・ヘッタ“−配置、２２・・・圧力調節装置、
２３・・・弁、２４・・・電気的インパルス、２６・・
・第２圧力調節装置、２７・・・圧力検知器、２８．２
９・・・電気的インパルスウ 特許出願人　　エアー、プロダクツ、アンド、ケミカル
ス、インコー ボレーテッド ＦＩＧ、Ｊ

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）少くとも１つの気体成分を少くとも１つの他成分
    を含む供給ガス混合物から分離するパーミエーターシス
    テムであり、前記供給ガス混合物の１成分に対する透過
    性が少くとも１つの他成分に対するより高い少くとも１
    つの半透過性膜から成り、前記半透過性膜には不良ガス
    側と透過側とが備わる膜装置と、 前記膜装置と流体連絡し、前記供給ガス混合物が前記供
    給流入口を通過して前記半透過性膜の不良ガス側に接触
    するように配設された供給流入口と、 前記膜装置と流体連絡し、前記半透過性膜を通して透過
    しないガスが前記膜装置から前記不良ガス流出口を介し
    て除去できるように配設された不良ガス流出口と、 前記不良ガス流出口に沿って配設され不良ガスの流量を
    前記ガス流出口を通して調節する容積流量弁と、 前記ガスの容積流量を前記不良ガス流出口を通して測定
    し、また前記容積流量弁を調節して前記ガス流量を前記
    不良ガス流出口を通して調節する前記不良ガス流出口に
    沿って配設した流量調節装置と、 前記膜装置と流体連絡し、前記半透過性膜を通って透過
    する前記供給ガスの１部分が前記膜装置から除去される
    ように配設された透過ガス流出口と、 前記透過ガス流出口に沿って配設し、透過背圧を調節す
    る透過弁機構、および 前記透過弁機構の上流の透過ガス流出口における圧力を
    測定しまた前記透過弁機構を調節する圧力調節装置、 から成るパーミエーターシステム。
  2. （２）前記システムが前記供給ガス流入口に沿って配設
    し膜装置に入る供給ガスの流れを調節することからさら
    に成ることを特徴とする請求項１によるパミエーターシ
    ステム。
  3. （３）前記透過弁機構の下流の前記透過ガス流出口にお
    ける圧力を測定する前記透過ガス流出口に沿って配設さ
    れ、また前記供給流入口に沿って配設された前記供給ガ
    ス弁の作動を調節して前記膜装置に入る供給ガスの流量
    を調節する第２圧力調節装置からさらに成ることを特徴
    とする請求項２によるパーミエーターシステム。
  4. （４）前記供給背圧を測定する供給ガス流入口に沿って
    配設され、また前記供給ガス弁の作動を調節して供給背
    圧を一定に維持する圧力調節装置からさらに成ることを
    特徴とする請求項２によるパーミエーターシステム、
  5. （５）前記不良ガス流出口に沿って配設された前記流量
    調節装置がさらに前記供給ガス弁の作動を調節して膜装
    置に入るガス流量を調節することを特徴とする請求項２
    によるパーミエーターシステム。
  6. （６）前記膜装置は圧力管外被であることを特徴とする
    請求項１によるパーミエーターシステム。
  7. （７）前記膜装置には複数の半透過性膜素子があること
    を特徴とする請求項１によるパーミエーターシステム。
  8. （８）前記複数の半透過性膜素子は、数個の素子が共通
    の透過管とヘッダーを介して、第２の独立透過管とヘッ
    ダーを介して接続される残余素子と接続されるように設
    計されていることを特徴とする請求項７によるパーミエ
    ーターシステム。
  9. （９）前記おのおの透過ヘッダーは独立してバルブによ
    って調節されていることを特徴とする請求項８によるパ
    ーミエーターシステム。
  10. （１０）前記流量調節装置は電子信号を使用して前記容
    積流量弁を調節することを特徴とする請求項１によるパ
    ーミエーターシステム。
  11. （１１）前記透過ガス流出口に沿って配設された圧力調
    節装置は前記透過弁を電子信号を用いて調節することを
    特徴とする請求項１によるパーミエーターシステム。
  12. （１２）前記第２圧力調節装置は供給流入口に沿って配
    設された供給ガス弁を電子信号を用いて調節することを
    特徴とする請求項３によるパーミエーターシステム。
  13. （１３）前記圧力管外被には複数の半透過性膜素子が含
    まれることを特徴とする請求項６によるパーミエーター
    システム。
  14. （１４）前記パーミエーターシステムは複数の膜装置か
    ら成ることを特徴とする請求項１によるパーミエーター
    システム。
  15. （１５）前記膜装置のおのおのには複数の半透過性膜素
    子が含まれていることを特徴とする請求項１４によるパ
    ーミエーターシステム。
  16. （１６）少くとも１つの他成分を含む供給ガス混合物の
    １成分を、半透過性膜を含む膜装置に前記供給ガスを通
    過させて分離させそれにより１成分を前記膜を通る選択
    的透過により分離し、またその後、前記膜装置から透過
    生成物として透過ガス流出口を通し除去あるいは回収す
    る一方、非透過成分を残留ガスとして不良ガス流出口を
    通して除去するようにする方法において、弱めの期間中
    高透過生成物純度を供給流量容量中に維持するため、ａ
    ）実質的に一定の透過背圧を前記透過ガス流出口におい
    て維持することと、 ｂ）前記不良ガス流出口を通る残留ガス流量を実質的に
    一定数値に維持すること、 から成る供給ガス混合物成分の分離方法。
  17. （１７）前記供給ガス混合物はアンモニアパージガス、
    水素処理装置パージガス、水添分解装置ガスおよび粗ヘ
    リウム流れから成る群から選ばれることを特徴とする請
    求項１６による供給ガス混合物成分の分離方法。
  18. （１８）前記透過生成物は水素であることを特徴とする
    請求項１６による供給ガス混合物成分の分離方法。
  19. （１９）前記透過ガス流出口における前記透過背圧を前
    記透過ガス流出口に沿つて配設された弁によって実質的
    に一定に保持し、前記弁を、前記透過背圧を測定する圧
    力調節装置により調節することを特徴とする請求項１６
    による供給ガス混合物成分の分離方法。
  20. （２０）不良ガス流出口を通る残留ガス流量を前記不良
    ガス流出口に沿って配設された弁により実質的に一定に
    保持し、前記弁を前記不良ガス流出口を通るガスの容積
    流量を測定する流量調節装置により調節することを特徴
    とする請求項１９による供給ガス混合物成分の分離方法
    。
  21. （２１）膜装置に至る供給ガス流量を供給ガス流入口に
    沿って配設された弁により調節し、そこにおいて前記弁
    を、透過ガス流出口に沿って配設された前記弁の下流の
    前記透過ガス流出口に沿って配設された圧力調節装置に
    より調節することを特徴とする請求項２０による供給ガ
    ス混合物成分の分離方法。
  22. （２２）前記分離方法であって、膜装置に至る供給ガス
    流量を調節して、透過生成物要求量の供給ガスに対する
    比を実質的に一定に維持することを特徴とする請求項１
    ６による供給ガス混合物成分の分離方法。
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