(57)【要約】【課題】ガス中の水分を実質的にガス損失がなく除去することができる乾燥ガス製造方法を提供する。【解決手段】この乾燥ガス製造方法は、ガス中の水分を除去する除湿装置と、ガス中の液体分を除去する気液分離装置と、ガスの昇圧手段を備えている。水分を含むガスを昇圧して除湿装置に供給し水分が除去された乾燥ガスを取り出すとともに、除湿装置から排出される加湿ガスを原料ガスと混合し、再び除湿装置に供給可能なことを特徴とする。【選択図】図１
2014004521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水分を含む原料ガスから水蒸気濃度の減少した乾燥ガスを得る乾燥ガス製造方法であって、少なくとも、
供給ガスを水蒸気濃度が減少した乾燥ガスと水蒸気濃度が増加した湿りガスとに分離することができる除湿装置と
ガスの昇圧装置と
ガス中の凝縮物を除去できる気液分離装置と
を備え、
原料ガスと、前記除湿装置から分離された湿りガスとが混合した供給ガスを、前記昇圧装置によって昇圧し、
前記供給ガス中の水蒸気が凝縮した水分を、気液分離装置で除去した後、
前記供給ガスを除湿装置に供給する
ように構成されたことを特徴とする乾燥ガス製造システム。
【請求項２】
水分を含む原料ガスから水蒸気濃度の減少した乾燥ガスを得る乾燥ガス製造方法であって、少なくとも、
供給ガスを水蒸気濃度が減少した乾燥ガスと水蒸気濃度が増加した湿りガスとに分離することができる除湿装置と
ガスの昇圧装置と
ガス中の凝縮物を除去できる気液分離装置と
を備え、
原料ガスと、前記除湿装置から分離された後、前記昇圧装置によって昇圧した湿りガスとが混合した供給ガス中の水蒸気が凝縮した水分を、気液分離装置で除去した後、
前記供給ガスを除湿装置に供給する
ように構成されたことを特徴とする乾燥ガス製造システム。
【請求項３】
除湿装置がガス分離膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の乾燥ガス製造システム。
【請求項４】
気液分離装置と除湿装置との間にガスの加熱装置を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の乾燥ガス製造システム。
【請求項５】
乾燥ガスの一部をパージガスとして供給することを特徴とする請求項１〜４にいずれかに記載の乾燥ガス製造システム。
【請求項６】
系外から乾燥した第二の原料ガスをパージガスとして供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の乾燥ガス製造システム。
【請求項７】
高圧乾燥ガスライン上に露点計測手段を設けたことを特徴とする請求項５又は６に記載の乾燥ガス製造システム。
【請求項８】
除湿装置から排出される湿りガスの流量測定手段を設けたことを特徴とする請求項５又は６に記載の乾燥ガス製造システム。
【請求項９】
気液分離装置の前段に冷却装置を設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の乾燥ガス製造システム。
【請求項１０】
気液分離装置の前段に水洗塔を設けたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の乾燥ガス製造システム。
【請求項１１】
除湿装置内において、湿りガスが流れる部分を大気圧以下に減圧するように構成されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の乾燥ガス製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水分を含有するガスから水分を除去して、高圧の乾燥ガスを得ることが可能である高圧乾燥ガス製造システムに関し、特には、水分以外のガス成分を損失することなく圧縮された乾燥ガスを製造する高圧乾燥ガス製造システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、産業分野において種々のガスを圧縮して利用する場合において、ガス中の水分（水蒸気）が凝縮、液化することがあり、これによってガス使用機器の損傷が起こり得る。そのため、このような圧縮ガスを利用する場合は、一般的に何らかの方法によりガス中の水分を除き利用される。例えば特許文献１には、計装機器を正常に作動させるために、乾燥した空気または窒素の発生方法に関する技術が開示されている。
【０００３】
一方、ガス中の水分を分離除去するための装置としては、例えば分離膜方式やＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式が知られており、産業分野において利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−１８２０１９
【特許文献２】特許４５２１３７３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、膜分離方式においては、水分を除外する際に他の有用なガスも付随して透過してしまうためガスの損失が発生する。また除湿効率を向上させるために製品乾燥ガスをパージガスとして利用すると同じくガスの損失が発生する。また、PSA方式においても、吸着剤に吸着した水を脱着させるために、乾燥ガスの一部をパージガスとして利用するため、ガスの損失が発生する。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、水分を含むガス中から水分以外の成分を損失することなく圧縮乾燥ガスを製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明における圧縮乾燥ガスを製造する方法は下記の通りである：
１．  水分を含む原料ガスから水蒸気濃度の減少した乾燥ガスを得る乾燥ガス製造方法であって、少なくとも、
供給ガスを水蒸気濃度が減少した乾燥ガスと水蒸気濃度が増加した湿りガスとに分離することができる除湿装置と
ガスの昇圧装置と
ガス中の凝縮物を除去できる気液分離装置と
を備え、
原料ガスと、前記除湿装置から分離された湿りガスとが混合した供給ガスを、前記昇圧装置によって昇圧し、
前記供給ガス中の水蒸気が凝縮した水分を、気液分離装置で除去した後、
前記供給ガスを除湿装置に供給する
ように構成されたことを特徴とする乾燥ガス製造システム。
【０００８】
２．  水分を含む原料ガスから水蒸気濃度の減少した乾燥ガスを得る乾燥ガス製造方法であって、少なくとも、
供給ガスを水蒸気濃度が減少した乾燥ガスと水蒸気濃度が増加した湿りガスとに分離することができる除湿装置と
ガスの昇圧装置と
ガス中の凝縮物を除去できる気液分離装置と
を備え、
原料ガスと、前記除湿装置から分離された後、前記昇圧装置によって昇圧した湿りガスとが混合した供給ガス中の水蒸気が凝縮した水分を、気液分離装置で除去した後、
前記供給ガスを除湿装置に供給する
ように構成されたことを特徴とする乾燥ガス製造システム。
【０００９】
３．  除湿装置がガス分離膜であることを特徴とする上記１又は２に記載の乾燥ガス製造システム。
【００１０】
４．  気液分離装置と除湿装置との間にガスの加熱装置を設けたことを特徴とする上記１〜３のいずれかに記載の乾燥ガス製造システム。
【００１１】
５．  乾燥ガスの一部をパージガスとして供給することを特徴とする上記１〜４にいずれかに記載の乾燥ガス製造システム。
【００１２】
６．  系外から乾燥した第二の原料ガスをパージガスとして供給することを特徴とする上記１〜４のいずれかに記載の乾燥ガス製造システム。
【００１３】
７．  高圧乾燥ガスライン上に露点計測手段を設けたことを特徴とする上記５又は６に記載の乾燥ガス製造システム。
【００１４】
８．  除湿装置から排出される湿りガスの流量測定手段を設けたことを特徴とする上記５又は６に記載の乾燥ガス製造システム。
【００１５】
９．  気液分離装置の前段に冷却装置を設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の乾燥ガス製造システム。
【００１６】
１０．  気液分離装置の前段に水洗塔を設けたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の乾燥ガス製造システム。
【００１７】
１１．  除湿装置内において、湿りガスが流れる部分を大気圧以下に減圧するように構成されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の乾燥ガス製造システム。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、原料ガスを実質的に損失することなく、経済的かつ簡易的な高圧乾燥ガス製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施形態の乾燥ガス製造方法の構成例を模式的に示す図である。
【図２】第２の実施形態の乾燥ガス製造方法の構成例を模式的に示す図である。
【図３】第３の実施形態の乾燥ガス製造方法の構成例を模式的に示す図である。
【図４】第４の実施形態の乾燥ガス製造方法の構成例を模式的に示す図である。
【図５】第５の実施形態の乾燥ガス製造方法の構成例を模式的に示す図である。
【図６】第６の実施形態の乾燥ガス製造方法の構成例を模式的に示す図である。
【図７】第６の実施形態の乾燥ガス製造方法の別の構成例を模式的に示す図である。
【図８】第７の実施形態の乾燥ガス製造方法の構成例を模式的に示す図である。
【図９】第８の実施形態の乾燥ガス製造方法の構成例を模式的に示す図である。
【図１０】第９の実施形態の乾燥ガス製造方法の構成例を模式的に示す図である。
【図１１】膜分離による乾燥ガス製造方法の基本的な構成を示す図であり（a）が実施例に関わる構成を示し、（b）が比較例に関わる構成を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
［第１の実施形態］
図１の除湿システムは、供給ガス４を乾燥ガス４ａと湿りガス４ｂとに分離する除湿装置１１、昇圧装置１２，気液分離装置１３を備えている。図１の除湿システムは、原料ガス３と、除湿装置１１からの湿りガス４ｂとを混合した供給ガス４を、昇圧装置１２に導入して、昇圧した後、気液分離装置１３を通過した後に除湿装置１１に供給するように構成されている。
【００２２】
原料ガス３としては、大気圧、２５℃の条件下で気体であるものであれば特に限定されるものではないが、水素、ヘリウム、二酸化炭素、窒素といった水分以外の不純物を含まない純ガスでもよいし、バイオガス、ランドフィルガス、天然ガス、燃焼排ガス、改質ガス、プロセス排ガスといった水分以外にも複数のガスが含まれる混合ガスでも良い。
【００２３】
昇圧装置１２は、供給ガスの圧力を所定の圧力に設定できる物であれば特に限定される物ではないが、コンプレッサー、ブロアー、ファンなどが挙げられる。
【００２４】
供給ガス４の圧力は特に制限されるものではないが、除湿装置１１における運転に適した圧力に設定される。通常は大気圧以上〜１０ＭＰａＧ以下が好ましく、より好ましくは０．３ＭＰａＧ以上〜３ＭＰａＧ以下となる。原料ガス３が供給ガス４として好ましい圧力未満の場合は、図１に示すように昇圧装置１２で昇圧する。
【００２５】
気液分離装置１３は、気体と液体とを分離できる装置であればどのようなものでも良いが、例えば、デミスター、コアレッサーフィルター、遠心分離式装置などが利用できる。
【００２６】
除湿装置１１は、ガス中の水分（水蒸気）を選択的に除去できる装置であればどのようなものでも良いが、例えば、分離膜方式の除湿装置、ＰＳＡ式の除湿装置、デシカント式の除湿装置などが利用できる。
【００２７】
除湿装置１１が分離膜方式の場合、例えば中空糸膜を利用した分離膜モジュールを利用してもよい。この場合、分離膜モジュールは、いわゆるボアフィードタイプとシェルフィードタイプのいずれであっても構わない。ガス分離膜モジュールそのものの構成は従来公知であるが、例えば、数百本から数十万本からなる中空糸膜の束（中空糸束）と、それを収容する容器と、中空糸束の両端部に形成された管板等を備えるものであってもよい。ボアフィードタイプの場合、各中空糸膜の一方の開口部から原料ガスが膜中空部（一次側）に送り込まれ、原料ガス中の水分が選択的に膜を透過して透過側（二次側）に導出される。
【００２８】
中空糸としては、厚みが薄く径が小さいものを利用可能であり、この場合、小型装置でも高膜面積にすることができ分離効率を高めることができる。中空糸は、限定されるものではないが、その膜厚は１０〜５００μｍで外径は５０〜２０００μｍ程度ものであってもよい。ガス分離膜は、均質性でもよく、複合膜や非対称膜などの不均一性でもよく、また微多孔性でも非多孔性でもよい。ガス分離膜は、例えば、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、シリコーン樹脂、セルロース系ポリマーなどのポリマー材料、ゼオライトなどのセラミックス材料などで形成されたものを挙げることができる。ポリイミドで形成されたガス分離膜としては、例えば、芳香族ポリイミド中空糸分離膜が好ましく、芳香族ポリイミド非対称中空糸分離膜がより好ましい。中空糸束の形態としては、平行配列、交叉配列、織物状などが挙げられる。また中空糸束は略中心部に芯管を備えていてもよいし、中空糸束の外周部にフィルムが巻き付けられていてもよい。また、中空糸束は、ストレートの形態に限らず、Ｕ字状に折り曲げた形態などであってもよい。
【００２９】
上述のように構成された本実施形態の乾燥ガス製造方法の動作について、以下、説明する。
【００３０】
この乾燥ガス製造方法においては、まず、水蒸気を含んだ原料ガス３と、湿りガス４ｂとからなる供給ガス４を、昇圧装置１２で所定の圧力に昇圧する。供給ガスを所定の圧力まで昇圧することで、供給ガス中の水分が凝縮する。昇圧された供給ガス４が気液分離装置１３を通る際に、凝縮した水分が凝縮水９として系外に排出される。気液分離装置１３で、凝縮した水分を除去された供給ガス４は、除湿装置１１に供給され、除湿装置１１において、水分が除去された乾燥ガス４ａと加湿された湿りガス４ｂとに分けられる。乾燥ガス４ａは製品ガスとして利用され、湿りガス４ｂは、前記の通り原料ガスと混合される。
【００３１】
従来の除湿方法（例えば膜分離法）であれば、水蒸気以外のガスの透過、あるいは除湿効率向上のために乾燥ガスの一部を湿りガス側にパージするといったことにより発生した湿りガスは、系外に排気されるため供給ガスの損失が発生していた。
本発明の形態によれば、発生した湿りガスを原料ガスと混合し再び系内に戻すため、ガスの損失を発生させることなく、ガスの除湿が可能となる。
【００３２】
［第２の実施形態］
図２は、第２の実施形態の構成を模式的に示す図である。図２では、上記実施形態と同一機能の構造部には図１と同一の符号が付されている。
【００３３】
図２のシステムは、上記実施形態と同様、除湿装置１１、昇圧装置１２、および気液分離装置１３を備えている。原料ガス３の圧力が供給ガス４として好ましい圧力以上である場合は、湿りガス４ｂを昇圧装置１２にて昇圧した後に、原料ガス３と混合して、気液分離装置１３に供給する。原料ガス３は、そのままの圧力で昇圧された湿りガスと混合しても良いし、もしくは減圧して好ましい圧力まで低下させた後に昇圧された湿りガスと混合しても良い。
【００３４】
［第３の実施形態］
図３は、第３の実施形態の構成を模式的に示す図である。図３では、上記実施形態と同一機能の構造部には図１、図２と同一の符号が付されている。
【００３５】
図３のシステムは、上記実施形態と同様、除湿装置１１、昇圧装置１２、および気液分離装置１３を備え、さらに、気液分離装置１３と除湿装置１１の間に加熱装置１４が設けられている。これにより供給ガス４が気液分離装置１３と除湿装置１１の間で外気温などにより冷却されることで水分の凝縮が発生することを防止できる。加熱装置１４としては、供給ガス４の温度を昇温できるものであればどのような方式のものであってよい。
【００３６】
［第４の実施形態］
図４は、第４の実施形態の構成を模式的に示す図である。図４では、上記実施形態と同一機能の構造部には図１〜図３と同一の符号が付されている。
【００３７】
図４のシステムは、上記実施形態と同様、除湿装置１１、昇圧装置１２、および気液分離装置１３を備え、さらに、乾燥ガス４ａの一部をパージガス５ａとして除湿装置１１に供給するためのラインが設けられている。このパージガス５ａは必要に応じて除湿装置１１の除湿効率を向上するために利用できる。流量調整手段１５はパージガス５ａの流量を調整するために設けられ、流量調整ができるものであればどのような方式のものであってよく流量調整バルブやオリフィスなどが好適に利用される。
【００３８】
［第５の実施形態］
図５は、第５の実施形態の構成を模式的に示す図である。図５では、上記実施形態と同一機能の構造部には図１〜図４と同一の符号が付されている。
【００３９】
図５のシステムは、上記実施形態と同様、除湿装置１１、昇圧装置１２、および気液分離装置１３を備え、さらに、系外からのガス６をパージガスとして除湿装置１１に供給するためのラインが設けられている。この系外からのガス６は除湿装置１１で除湿効率を向上するために用いられた後、湿りガス４ｂとして再び原料ガス３と混合され、最終的には乾燥ガス４ａとして回収される。系外からのガス６は原料ガス３と同じ成分であっても良いし、あるいは原料ガス３と異なるガス種を用いても良い。異なるガスを用いた場合、乾燥ガス４ａは原料ガス３と系外からのガス６の混合物となり、任意の乾燥混合ガスを得ることが可能となる。
【００４０】
［第６の実施形態］
図６は、第６の実施形態の構成を模式的に示す図である。図６では、上記実施形態と同一機能の構造部には図１〜図５と同一の符号が付されている。
【００４１】
図６のシステムは、上記実施形態と同様、除湿装置１１、昇圧装置１２、および気液分離装置１３を備え、さらに、乾燥ガス４ａの露点計測手段１６と流量調整手段１７が設けられている。露点計測手段１６と流量調整手段１７を設けることで、パージガス５ａの流量を調整し除湿装置１１の運転を効率的に実施することが可能となる。また供給ガス４の流量や圧力の変更や乾燥ガス４ａの要求露点の変更など、運転条件変更への追従が可能となる。流量調整手段１７は、流量の調整ができれば手動式、自動式どのような方式のものであっても良いが露点計測手段１６の計測値に応じて自動的に調整可能なものが好適である。
【００４２】
図７は、第６の実施形態のその他の構成を模式的に示す図である。図７では、上記実施形態と同一機能の構造部には図１〜図６と同一の符号が付されている。
【００４３】
図７のシステムは、上記実施形態と同様、除湿装置１１、昇圧装置１２、および気液分離装置１３を備え、さらに、系外からのガス６を乾燥ガスと直接混合する６ａとパージガスとして除湿装置１１に供給する６ｂとに分岐できる構成となっている。第６の実施形態と同様、露点計測手段１６と流量調整手段１７を設けることで、６ｂの流量を調整し除湿装置１１の運転を効率的に実施することが可能となる。
【００４４】
［第７の実施形態］
図８は、第７の実施形態の構成を模式的に示す図である。図８では、上記実施形態と同一機能の構造部には図１〜図７と同一の符号が付されている。
【００４５】
図８のシステムは、上記実施形態と同様、除湿装置１１、昇圧装置１２、および気液分離装置１３を備え、さらに、湿りガス４ｂの流量計測手段１８と流量調整手段１７が設けられている。除湿装置１１の運転において、乾燥ガス４ａの露点と湿りガス４ｂの流量との相関関係が明確な場合などはこのような形態をとることもできる。
【００４６】
［第８の実施形態］
図９は、第８の実施形態の構成を模式的に示す図である。図９では、上記実施形態と同一機能の構造部には図１〜図８と同一の符号が付されている。
【００４７】
図９のシステムは、上記実施形態と同様、除湿装置１１、昇圧装置１２、および気液分離装置１３を備え、さらに、冷却装置１９が気液分離装置１３の前段に設けられている。このような形態であれば、冷却装置１９で冷却することでガス中の水分の凝縮が促進されるため、除湿装置１１の負荷を低減することが可能となる。
【００４８】
［第９の実施形態］
図１０は、第９の実施形態の構成を模式的に示す図である。図１０では、上記実施形態と同一機能の構造部には図１〜図９と同一の符号が付されている。
【００４９】
図１０のシステムは、上記実施形態と同様、除湿装置１１、昇圧装置１２、および気液分離装置１３を備え、さらに、水洗塔２０が気液分離装置１３の前段に設けられている。このような形態であれば、水洗塔２０をガスが通る際に水に可溶なガスを排水１０として系外に除外することも可能となる。原料ガス３に、水に可溶で乾燥ガス４ａに混入させたくないガスが混在する場合にはこのような形態が好適である。
【００５０】
［第１０の実施形態］
不図示であるが第１０の実施形態では、除湿装置１１の湿りガス側を大気圧以下に維持することで除湿装置１１の効率を向上させることが可能である。第１０の実施形態は上記いずれの実施形態とも組み合わせることが可能である。
【実施例】
【００５１】
本実施形態における乾燥ガス製造システムについて検証した結果を以下説明する。
検証においては、除湿装置として宇部興産株式会社製の分離膜ドライヤ（ＵＭ−Ｃ１０）を２本利用した。除湿装置に圧力０．７ＭＰａＧで４０℃飽和の窒素ガス（Ｆ２）を供給し、０．７ＭＰａＧで加圧露点−２０℃の乾燥窒素ガス（Ｆ３）を得るように実施した。
【００５２】
（実施例、比較例）
下記表１および表２は、実施例と比較例の条件および結果を示している。
図１０（ａ）は、実施例の形態であり、除湿装置から排出される湿りガス（Ｆ４）を原料ガス（Ｆ１）と混合し、再び除湿装置に供給するよう構成されている。
図１０（ｂ）は、比較例の形態であり、除湿装置から排出される湿りガス（Ｆ５）はそのまま系外に排出される。
【００５３】
【表１】
2014004521.tif 000003
【００５４】
【表２】
2014004521.tif 000004
【００５５】
表１に示すように、実施例において１２．８Ｎｍ３／ｈの乾燥窒素を得るために必要な原料窒素量は、１２．８  Ｎｍ３／ｈで良い。一方で、表２に示すように比較例においては１２．８Ｎｍ３／ｈの乾燥窒素を得るために必要な原料窒素量は、系外に排出される分を補うため１６．０  Ｎｍ３／ｈが必要となる。
【符号の説明】
【００５６】
３  水分を含む原料ガス
４  供給ガス
４a  乾燥ガス
４b  湿りガス
５a  パージガス
６、６a、６b  系外からのガス
９  凝縮水
１０  排水
１１  除湿装置
１２  昇圧装置
１３  気液分離装置
１４  加熱装置
１５、１７  流量調整手段
１６  露点計測手段
１７  流量調整バルブ
１８  流量計測手段
１９  冷却装置
２０  水洗塔
【図１】
2014004521.tif 000005
【図２】
2014004521.tif 000006
【図３】
2014004521.tif 000007
【図４】
2014004521.tif 000008
【図５】
2014004521.tif 000009
【図６】
2014004521.tif 000010
【図７】
2014004521.tif 000011
【図８】
2014004521.tif 000012
【図９】
2014004521.tif 000013
【図１０】
2014004521.tif 000014
【図１１】
2014004521.tif 000015