(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３本以上のガス分離膜モジュールと、
全てのガス分離膜モジュールに接続される供給ガス用流路（流路１）と、
全てのガス分離膜モジュールに接続される非透過ガス用流路（流路３）と、
バルブと、
を備え；
前記バルブは、流路１および流路３上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられており、
流路１上のバルブおよび流路３上のバルブを、同じモジュール間において閉じることにより、原料ガスが供給される第１ガス分離膜ユニットおよびこれと直列に接続された第２ガス分離膜ユニットを構成でき、
各バルブの開閉を選択することにより、第１ガス分離膜ユニットおよび第２ガス分離膜ユニットを構成するそれぞれのガス分離膜モジュールの本数が調整可能であり；
さらに、前記非透過ガス用流路（流路３）の閉じられた前記バルブより上流側の一点と、前記供給ガス用流路（流路１）の閉じられた前記バルブより下流側の一点とを接続し、第１のガス分離膜ユニットから回収された非透過ガスを第２のガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路（流路４）を備える、ガス分離装置。
【請求項２】
さらに、全てのガス分離膜モジュールに接続される透過ガス用流路（流路２）と、前記流路２上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられたバルブを備える、請求項１に記載のガス分離装置。
【請求項３】
さらに、前記第２のガス分離膜ユニットから排出された透過ガスを、前記第１のガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路（流路５）を備える、請求項２に記載のガス分離装置。
【請求項４】
さらに、流路４上にバルブを有する、請求項１または２に記載のガス分離装置。
【請求項５】
さらに、流路４および流路５上にバルブを有する、請求項３に記載のガス分離装置。
【請求項６】
さらに、前記流路４上に圧縮機を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス分離装置。
【請求項７】
さらに、前記流路３が分岐した流路６を有し、該流路６により第２のガス分離膜ユニットから回収された非透過ガスの一部を、第１のガス分離膜ユニットおよび／または第２のガス分離膜ユニット中にパージガスとして供給できる、請求項１〜６のいずれか１項に記載のガス分離装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のガス分離装置を、前記流路１および流路３上のそれぞれ１つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。
【請求項９】
請求項２、３、または５のいずれか１項に記載のガス分離装置を、前記流路１、流路２、および流路３上のそれぞれ１つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。
【請求項１０】
請求項４に記載のガス分離装置を、前記流路１および流路３上のガス分離膜モジュール間にあるバルブを全て開き、かつ、前記流路４上のバルブを閉じた状態で用いる、混合ガスの単段分離方法。
【請求項１１】
請求項５に記載のガス分離装置を、前記流路１〜３上のガス分離膜モジュール間にあるバルブを全て開き、かつ、前記流路４および前記流路５上のバルブを閉じた状態で用いる、混合ガスの単段分離方法。
【請求項１２】
３本以上のガス分離膜モジュールと、
全てのガス分離膜モジュールに接続される供給ガス用流路（流路１）と、
全てのガス分離膜モジュールに接続される透過ガス用流路（流路２）と、
バルブと、
を備え；
前記バルブは、流路１および流路２上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられており、
流路１上のバルブおよび流路２上のバルブを、同じモジュール間において閉じることにより、原料ガスが供給される第１ガス分離膜ユニットおよびこれと直列に接続された第２ガス分離膜ユニットを構成でき、かつ、
各バルブの開閉を選択することにより、第１ガス分離膜ユニットおよび第２ガス分離膜ユニットを構成するそれぞれのガス分離膜モジュールの本数が調整可能であり；
さらに、前記透過ガス用流路（流路２）の閉じられた前記バルブより上流側の一点と、前記供給ガス用流路（流路１）の閉じられた前記バルブより下流側の一点とを接続し、第１ガス分離膜ユニットから回収された透過ガスを第２ガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路（流路７）を備える、ガス分離装置。
【請求項１３】
さらに、全てのガス分離膜モジュールに接続される非透過ガス用流路（流路３）と、前記流路３上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられたバルブを備える、請求項１２に記載のガス分離装置。
【請求項１４】
さらに、第２ガス分離膜ユニットから排出された非透過ガスを第１ガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路（流路８）を備える、請求項１３に記載のガス分離装置。
【請求項１５】
請求項１２〜１４のいずれか１項に記載のガス分離装置を、前記流路１および流路２上のそれぞれ１つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。
【請求項１６】
請求項１３または１４に記載のガス分離装置を、前記流路１、流路２、および流路３上のそれぞれ１つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のガス分離膜モジュールを有するガス分離装置において、簡便な方法により、２つの直列に接続されたガス分離膜ユニットを構成でき、かつ、各ガス分離膜ユニットに含まれるガス分離膜モジュールの本数を調整できるガス分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
混合ガスの分離方法として、高分子膜に対するガスの透過速度の差を利用した膜分離法があり、例えば、ガス分離膜を有するガス分離膜モジュールを用いる方法が知られている。ガス分離膜モジュールは、ガス選択透過性を有するガス分離膜を、ガス供給口、透過ガス排出口、非透過ガス排出口とを備えた容器内に、ガス分離膜のガス供給側とガス透過側の空間が隔絶されるようにして装着したものである。図１は、少なくともガス分離膜に対する透過性が高いガス（高透過ガス）とガス分離膜に対する透過性が低いガス（低透過ガス）を含む混合ガスを、ガス分離膜モジュールで分離する際のガスの流れを示した模式図である。図１（Ａ）はボアフィード型、図１（Ｂ）はシェルフィード型のガス分離膜モジュールの模式図である（詳細は後述する）。ガス分離膜モジュールのガス供給口１１から供給された混合ガスは、ガス分離膜モジュール内の中空糸膜１４に接して流れる間に、高透過ガスを多く含むガス（透過ガス）が中空糸膜１４を透過し、高透過ガスをより少なく含む、透過しなかった残りのガス（非透過ガス）とに分離される。透過ガスは透過ガス排出口１２から排出され、非透過ガスは非透過ガス排出口１３から排出される。ガス分離膜モジュールから排出される非透過ガスと透過ガスは、用途に応じて、一方のみまたは両方回収される。
【０００３】
そして、ガスを高濃度、高回収率で回収するため、多段階に分離膜モジュールを備えた装置を用いる方法が知られている（特許文献１、２、３等）。この方法は、例えば、一段目の分離膜モジュールのガス供給口へ原料である混合ガスを供給し、排出された透過ガスまたは非透過ガスを二段目の分離膜モジュールに供給して、高濃度の高透過ガスまたは低透過ガスを回収する方法である。また、処理量を向上させる方法として、分離膜モジュールを複数本並列に接続したユニットとし、このユニットを多段階に直列に接続した方法も知られている（特許文献２等）。
【０００４】
図２は、二段のユニットで非透過ガスを回収する従来のガス分離装置の一例である。一段目は混合ガス供給路（２１１）と透過ガス排出路（２１２）と非透過ガス回収路（２１３）の３本の流路と、３本のモジュール（２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ）とを備え、流路２１１、２１２、２１３は、それぞれモジュール２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃに分岐路を介して接続している。二段目は、一段目からの非透過ガスを供給する流路（２１５）と透過ガス排出路（２１６）と非透過ガス回収路（２１７）の３本の流路と、３本のモジュール（２２１ｄ、２２１ｅ、２２１ｆ）とを備え、流路２１５、２１６、２１７は、それぞれモジュール２２１ｄ、２２１ｅ、２２１ｆに分岐路を介して接続している。さらに、流路２１３と流路２１５は流路２１４を介して連結されている。
【０００５】
図２の装置においては、まず、供給口２３１から供給された混合ガスが、一段目の流路２１１から分岐路を通ってガス分離膜モジュール２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃに供給され、各モジュール内で非透過ガスと透過ガスとに分離される。各モジュールの排出口から排出された非透過ガスは分岐路を通って非透過ガス回収路２１３に回収される。一方、透過ガスは透過ガス排出路２１２から排出される。
【０００６】
回収された一段目の非透過ガスは、流路２１４を通って、二段目のガス供給路２１５からガス分離膜モジュール２２１ｄ、２２１ｅ、２２１ｆに供給される。そして、これらガス分離膜モジュール内で分離され排出された非透過ガスは、非透過ガス回収路２１７から回収される。これにより、二段階で分離、濃縮された低透過ガスが得られる。一方、二段目のガス分離膜モジュールから排出された透過ガスは、流路２１６に供給された後、原料からの回収率を高めるため、流路２１８を通って、原料供給口へリサイクルされる。
【０００７】
バイオガス等の混合ガスの分離においては、原料の組成や量および製品ガスの質や量の需要に応じ、分離膜モジュールを用いて分離・濃縮する際の条件の大幅な変更が求められる場合がある。しかし、図２で示した従来の方法では、分離膜モジュールの本数が固定されているため、条件変更を行う際、原料の供給圧力や温度等を変えることでしか対応できず条件の大幅な変更に追従できなかった。したがって、大幅な条件変更に柔軟に対応できるようガス分離装置の更なる改善が求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１６１１８７号公報
【特許文献２】特開平７−７４８号公報
【特許文献３】特開２００７−２５４５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記問題を解決し、条件設定の変更を容易に行うことができるガス分離装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、以下の事項に関する。
【００１１】
１．  ３本以上のガス分離膜モジュールと、
全てのガス分離膜モジュールに接続される供給ガス用流路（流路１）と、
全てのガス分離膜モジュールに接続される非透過ガス用流路（流路３）と、
バルブと、
を備え；
前記バルブは、流路１および流路３上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられており、
流路１上のバルブおよび流路３上のバルブを、同じモジュール間において閉じることにより、原料ガスが供給される第１ガス分離膜ユニットおよびこれと直列に接続された第２ガス分離膜ユニットを構成でき、
各バルブの開閉を選択することにより、第１ガス分離膜ユニットおよび第２ガス分離膜ユニットを構成するそれぞれのガス分離膜モジュールの本数が調整可能であり；
さらに、第１のガス分離膜ユニットから回収された非透過ガスを第２のガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路（流路４）を備える、ガス分離装置。
【００１２】
２．  さらに、全てのガス分離膜モジュールに接続される透過ガス用流路（流路２）と、前記流路２上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられたバルブを備える、上記１に記載のガス分離装置。
【００１３】
３．  さらに、前記第２のガス分離膜ユニットから排出された透過ガスを、前記第１のガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路（流路５）を備える、上記２に記載のガス分離装置。
【００１４】
４．  さらに流路４上にバルブを有する、上記１または２に記載のガス分離装置。
【００１５】
５．  さらに流路４および流路５上にバルブを有する、上記３に記載のガス分離装置。
【００１６】
６．  さらに、前記流路４上に圧縮機を備える、上記１〜５のいずれか１項に記載のガス分離装置。
【００１７】
７．  さらに、前記流路３が分岐した流路６を有し、該流路６により第２のガス分離膜ユニットから回収された非透過ガスの一部を、第１のガス分離膜ユニットおよび／または第２のガス分離膜ユニット中にパージガスとして供給できる、上記１〜６のいずれか１項に記載のガス分離装置。
【００１８】
８．  上記１〜７のいずれか１項に記載のガス分離装置を、前記流路１および流路３上のそれぞれ１つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。
【００１９】
９．  上記２〜７のいずれか１項に記載のガス分離装置を、前記流路１、流路２、および流路３上のそれぞれ１つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。
【００２０】
１０．  上記４に記載のガス分離装置を、前記流路１および流路３上のガス分離膜モジュール間にあるバルブを全て開き、かつ、前記流路４上のバルブを閉じた状態で用いる、混合ガスの単段分離方法。
【００２１】
１１．  上記５に記載のガス分離装置を、前記流路１〜３上のガス分離膜モジュール間にあるバルブを全て開き、かつ、前記流路４および前記流路５上のバルブを閉じた状態で用いる、混合ガスの単段分離方法。
【００２２】
１２．  ３本以上のガス分離膜モジュールと、
全てのガス分離膜モジュールに接続される供給ガス用流路（流路１）と、
全てのガス分離膜モジュールに接続される透過ガス用流路（流路２）と、
バルブと、
を備え；
前記バルブは、流路１および流路２上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられており、
流路１上のバルブおよび流路２上のバルブを、同じモジュール間において閉じることにより、前記ガス分離装置は第１ガス分離膜ユニットおよび第２ガス分離膜ユニットを構成でき、かつ、
各バルブの開閉を選択することにより、第１ガス分離膜ユニットおよび第２ガス分離膜ユニットを構成するそれぞれのガス分離膜モジュールの本数が調整可能であり；
さらに、第１ガス分離膜ユニットから回収された透過ガスを第２ガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路（流路７）を備える、ガス分離装置。
【００２３】
１３．  さらに、全てのガス分離膜モジュールに接続される非透過ガス用流路（流路３）と、前記流路３上のガス分離膜モジュールに接続される分岐点の間に設けられたバルブを備える、上記１２に記載のガス分離装置。
【００２４】
１４．  さらに、第２ガス分離膜ユニットから排出された非透過ガスを第１ガス分離膜ユニットに供給するためのガス流路（流路８）を備える、上記１３に記載のガス分離装置。
【００２５】
１５．  上記１２〜１４のいずれか１項に記載のガス分離装置を、前記流路１および流路２上のそれぞれ１つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。
【００２６】
１６．  上記１３または１４に記載のガス分離装置を、前記流路１、流路２、および流路３上のそれぞれ１つ以上のバルブを同じモジュール間において閉じた状態で用いる、混合ガスの分離方法。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、複数のガス分離膜モジュールを有するガス分離装置において、簡便な方法により、２つの直列に接続されたガス分離膜ユニットを構成でき、かつ、各ガス分離膜ユニットに含まれるガス分離膜モジュールの本数を調整できる装置を提供する。これにより、原料ガスの組成や製品ガスの需要に応じて、ガス分離を行う条件設定を大きく変更できる。また、本発明のガス分離装置は、単段でガス分離を行う場合やパージガスを供給する場合にも容易に使用でき、更に柔軟な条件設定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】ボアフィード型ガス分離膜モジュール（Ａ）およびシェルフィード型ガス分離膜モジュール（Ｂ）の構成の一例を示す。
【図２】従来のガス分離装置の構成の一例を示す。
【図３】本発明のガス分離装置の一例を示す。
【図４】本発明のガス分離装置の一例を示す。
【図５】本発明のガス分離装置の一例を示す。
【図６】本発明のガス分離装置の一例を示す。
【図７】本発明のガス分離装置の一例を示す。
【図８】本発明のガス分離装置の一例を示す。
【図９】本発明のガス分離装置の一例を示す。
【図１０】本発明のガス分離装置の一例を示す。
【図１１】本発明のガス分離装置の一例を示す。
【図１２】本発明のガス分離装置の一例を示す。
【図１３】実施例のガス分離装置の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
＜ガス分離装置の構造＞
以下、本発明のガス分離装置について詳細に説明する。本発明は、ガス分離膜に対する透過性が低い低透過ガスを分離・濃縮する装置、およびガス分離膜に対する透過性が高い高透過ガスを分離・濃縮する装置のいずれにも関する。図３〜図１２は、本発明のガス分離装置の構成の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。図３〜図１０は、非透過ガス側を２段で回収する態様の例であり、図１１、図１２は透過ガス側を２段で回収する態様の例である。
【００３０】
以下の実施態様におけるガス分離膜モジュールは、中空糸膜によって構成されている分離膜モジュールを例に説明する。中空糸膜によって構成されているガス分離膜モジュールとしては、いわゆるボアフィード型とシェルフィード型が知られている。例えば、ボアフィード型のガス分離膜モジュールにおいては、図１（Ａ）に示すように中空糸膜の多数本（例えば、数百本から数十万本）を集束して中空糸束とし、その中空糸束を、少なくともガス供給口（１１）、透過ガス排出口（１２）、及び非透過ガス排出口（１３）を有する容器（１５）内に収納し、その中空糸束の両方の端部をエポキシ樹脂のような硬化性樹脂やポリアミド樹脂のような熱可塑性樹脂などで前記端部において中空糸膜が開口状態となるように容器１５に固着して管板１６ａおよび１６ｂを構成し、ガス供給口（１１）からガスが供給されて中空糸膜（１４）の内側を通って非透過ガス排出口（１３）へ通じる空間（ガス非透過側）と、中空糸膜（１４）の外側から透過ガス排出口（１２）へ通じる空間（ガス透過側）とが隔絶するように構成されている。容器は、例えば、ステンレスなどの金属材料、プラスチック材料、繊維強化プラスチック材料などの複合材料で製造される。シェルフィード型ガス分離膜モジュールにおいては、例えば、図１（Ｂ）に示すように、中空糸束の一方の端部に管板が構成されており、ガス供給口（１１）からガスが供給され非透過ガス排出口（１３）へ通じるガス非透過側の空間が、中空糸膜（１４）の外側であり、透過側排出口（１２）へ通じるガス透過側の空間が、中空糸膜（１４）の内側に構成されている。なお、以下の記載において、ガス分離膜モジュールを単にモジュールと記載することもある。
【００３１】
＜実施形態１＞
図３のガス分離装置は、原料ガス供給口側を上流として、上流から下流へ一方向に並んだ６本のガス分離膜モジュール（３４１ａ〜３４１ｆ）、供給ガス用流路（流路１）（３１１）、透過ガス用流路（流路２）（３１２）、非透過ガス用流路（流路３）（３１３）を備えている。流路１（３１１）、流路２（３１２）および流路３（３１３）は、それぞれ分岐点から分岐した分岐路を有し、この分岐路を介して各流路が６本のモジュールすべてに接続している。以下の説明では、モジュールの配置について、原料供給口に近い方を上流、遠い方を下流とする。すなわち、モジュール３４１ａを最上流のモジュール、モジュール３４１ｆを最下流のモジュールとする。
【００３２】
図３のガス分離装置の各流路においては、さらに、上記分岐点の間にそれぞれバルブが設けられている。すなわち、流路１上に５つのバルブ（３２１ａ〜３２１ｅ）、流路２上に５つのバルブ（３２２ａ〜３２２ｅ）、流路３上に５つのバルブ（３２３ａ〜３２３ｅ）が設けられている。なお、図３〜図１２において、黒塗りのバルブは閉じられていることを表し、白抜きのバルブは開けられていることを表す。
【００３３】
ここで、図３においては、モジュール３４１ｂとモジュール３４１ｃとの間にある３つのバルブ（黒塗りの３２１ｂ、３２２ｂ、３２３ｂ）が閉じられた場合が例示されている。これにより、流路１〜３はモジュール３４１ｂとモジュール３４１ｃとの間でそれぞれ分断される。そして、ガス分離装置内には、２本のガス分離膜モジュール（３４１ａと３４１ｂ）を含む第１のガス分離膜ユニット（３０１）と、４本のガス分離膜モジュール（３４１ｃ〜３４１ｆ）とを含む第２のガス分離膜ユニット（３０２）が構成される。バルブの開閉の際は、各ユニット間の透過ガスまたは非透過ガスが混合しないように、各流路上のバルブを同じモジュール間において閉じる（例えば、図３において、３２１ｂ、３２２ｂ、３２３ｂを閉じているように、各流路上の同じアルファベットを含むバルブを閉じる）。なお、以下の記載において、ガス分離膜ユニットを単にユニットと記載することもある。
【００３４】
さらに、図３のガス分離装置は、流路４（３１４）と流路５（３１５）とを備える。流路４（３１４）は、流路３（３１３）上の分岐点（３８１）と、流路１（３１１）上の分岐点（３８２）とを連結する。分岐点（３８１）は、最上流のモジュール３４１ａへの分岐路（３３３ａ）に分岐する流路３上の分岐点であり、分岐点（３８２）は、最下流のモジュール３４１ｆへの分岐路（３３１ｆ）に分岐する流路１上の分岐点である。流路５（３１５）は、流路２（３１２）上の分岐点（３８３）と、流路１（３１１）上の点（３８４）とを連結する。分岐点（３８３）は、最下流のモジュール３４１ｆへの分岐路（３３２ｆ）に分岐する流路２上の分岐点であり、点（３８４）は、流路１（３１１）上の原料供給口（３５１）より下流側で、かつ、最上流のモジュール３４１ａへの分岐路（３３１ａ）に分岐する分岐点（３７１）より上流側に位置する点である。
【００３５】
原料である混合ガスは、まず、供給口３５１から圧縮機３６１により加圧されて流路１（３１１）に供給され、上記第１ユニット内のモジュール（３４１ａと３４１ｂ）内の中空糸膜の内部を通過する。モジュール内で、混合ガスは、中空糸膜を透過したガス（透過ガス）と、中空糸膜を透過せずそのまま通過したガス（非透過ガス）とに分離され、非透過ガスは流路３（３１３）内に回収される。一方、透過ガスは流路２（３１２）を通って排出口３５２から排出または回収される。
【００３６】
ここで、モジュール３４１ａを通過するガスの流れについて説明する。供給口３５１から供給された原料の混合ガスは、流路１（３１１）上の分岐点（３７１）からの分岐路を通って、モジュール３４１ａの中空糸膜内部に連通する供給口（３７２）からモジュール内に供給される。モジュール３４１ａ内の中空糸膜内をそのまま通過した非透過ガスは、モジュール３４１ａの排出口（３７４）から排出され、分岐路を通って流路３（３１３）内に供給される。一方、透過ガスは、モジュール３４１ａの排出口（３７３）から排出され、分岐路を通って流路２（３１２）に供給され、排出口３５２から排出される。この透過ガスは必要に応じて回収されてもよい。また、第１ユニットを構成するもう１本のモジュール３４１ｂにおけるガスの流れもモジュール３４１ａと同様である。
【００３７】
第１ユニットから流路３（３１３）に供給された非透過ガスは、流路４（３１４）を通って、第２ユニット内の流路１（３１１）に供給され、流路１の各分岐路から第２ユニット内のモジュール（３４１ｃ〜３４１ｆ）に供給される。そして、モジュール（３４１ｃ〜３４１ｆ）内の中空糸膜により、非透過ガスと透過ガスに分離され、非透過ガスは、流路３（３１３）内に供給され、回収口（３５４）から回収される。一方、透過ガスは、流路２（３１２）内に供給される。
【００３８】
ここで、モジュール３４１ｆを通過するガスの流れについて説明する。第１ユニットから回収された非透過ガスは、流路４（３１４）を通って流路１に供給され、流路１からの分岐路を通ってモジュール３４１ｆの供給口（３７５）からモジュール３４１ｆ内に供給される。モジュール３４１ｆ内の中空糸膜内をそのまま通過した非透過ガスは、モジュール３４１ｆの排出口（３７７）から排出され分岐路を通って流路３内に供給され、回収口（３５４）から回収される。一方、モジュール３４１ｆからの透過ガスは排出口３７６から排出され分岐路を通って流路２（３１２）に供給される。また、第２ユニットを構成する他のモジュール３４１ｃ〜３４１ｅにおけるガスの流れもモジュール３４１ｆと同様である。
【００３９】
モジュール３４１ｃ〜３４１ｆから排出される透過ガスは、上記のように分岐路を通って流路２（３１２）内に供給され、続いて、流路２（３１２）に連結した流路５（３１５）を通って流路１（３１１）上の点（３８４）から第１ユニットに供給される（すなわち、リサイクルされる）。このように透過ガスをリサイクルすることにより、原料からのガスの回収率を高めることができる。例えば、メタンガスと炭酸ガスを主成分として含むバイオガスを分離する場合、非透過ガスとして回収される低透過ガスであるメタンガスの回収率を高めるために、第２ユニットから排出された透過ガスを再度第１ユニットへ供給（リサイクル）することが好ましい。
【００４０】
このように、本発明のガス分離措置においては、第１ガス分離膜ユニットと、第２ガス分離膜ユニットが直列に接続されているため、原料の混合ガスから２段階のガス分離工程を経て、高濃度の低透過ガスを回収することができる。そして、本発明においては、流路１、２、３の各分岐点の間にバルブを有しているので、設定条件によりバルブの開閉を選択し、第１のユニットと第２のユニットを構成するそれぞれのモジュールの本数を調整することが可能である。図４、図５はバルブの選択を変更して、第１ユニットと第２ユニットを構成するモジュールの本数を調整した一例である。
【００４１】
図４は、図３と同様のガス分離装置において、閉じるバルブを３２１ｃ、３２２ｃおよび３２３ｃに変更したことにより、第１ユニットも第２ユニットも３本のモジュールを含む構成となった場合を示す。このように、本発明によると、開閉するバルブを変更するのみで、各ユニットに含まれるモジュール数を簡便に調整することが可能である。
【００４２】
図５は、図３と同様のガス分離装置において、６つのバルブ３２１ｂ、３２２ｂ、３２３ｂ、３２１ｃ、３２２ｃおよび３２３ｃを閉じたことにより、モジュール３４１ｃにはガスが供給されず、第１のユニットは、モジュール２本（３４１ａと３４１ｂ）を含み、第２のユニットは、モジュール３本（３４１ｄ、３４１ｅ、３４１ｆ）を含む構成となった場合を示す。このように、本発明のガス分離装置は、製品需要に合わせて使用するモジュールの本数を減らすことも可能であり、より広い条件に適合することが可能である。
【００４３】
＜実施形態２＞
図６は、図３のガス分離装置の構成要素のうち、流路５を有しないガス分離装置を示す。この場合、第２ユニットから排出された透過ガスがリサイクルされず、排出口３５３から排出される以外は、上記実施形態１と同様である。また、上記実施形態１と同様、第１ユニットと第２ユニットを構成するモジュールの本数はバルブの開閉の選択のみにより簡便に調整可能である。図６の装置において、第１ユニットおよび第２ユニットからのいずれの透過ガスも回収せずに排出する場合、または、第１ユニットおよび第２ユニットからの透過ガスを併せて回収する場合は、流路２（３１２）が分断されなくてもよいため、流路２（３１２）上のバルブ（３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃ、３２２ｄ、３２２ｅ）を閉じなくてもよく、また、これらバルブを設けなくてもよい。全ての透過ガスを回収せずに排出する場合には、流路２（３１２）を設けなくても良い。
【００４４】
＜実施形態３＞
図７は、図３のガス分離装置の構成要素に加え、さらに流路４上に圧縮機（３６２）が設けられた装置を示す。これにより、第１のユニットから回収された非透過ガスを、圧縮機により加圧された状態で第２のユニットに供給することができる。実施形態３においても、上記実施形態１と同様に、バルブの開閉の選択により各ユニットを構成するモジュールの本数を簡便に調整できる。また、実施形態２のように、流路５を有しない構成であってもよい。
【００４５】
＜実施形態４＞
図８は、単段でガス分離を行うこともできる装置であり、図３のガス分離装置の構成要素に加え、２つのバルブ（３２４、３２５）が設けられている。このバルブ３２４と３２５を閉じることにより、流路１、２、３内にはガスが通過するが、流路４および流路５にはガスが通過しない構造となる。バルブ３２４は流路１と流路４との連結を分断できればよく、流路４上に設けられる。バルブ３２５は流路２と流路５との連結が分断できればよく、流路５上に設けられる。バルブ３２４と３２５を閉じて、他のバルブは開いた状態にすると、２つのユニットは構成されず、全モジュールを用いた単段のガス分離装置とすることができる。このように、本発明のガス分離装置は、バルブの開閉の選択のみで、実施形態１で説明した２段構成の使用に加えて単段での使用も可能である。
【００４６】
＜実施形態５＞
図９、図１０は、第２ユニットから回収された非透過ガス（製品ガス）の一部をパージガスとして使用することができるガス分離装置を示す。図９および図１０においては、上記図３の装置の構成要素に加え、さらに流路３（３１３）の第２ユニット側（第２ユニットの非透過ガス回収口側）が分岐した流路６（３１６）を有している。流路６は、分岐路を介して各モジュール内の中空糸膜の透過側（外側）に連通するパージガス供給口に接続している。そして、流路６上のモジュールへの分岐点の間にはそれぞれバルブが設けられており（３２６ａ〜３２６ｅ）、さらに、２つのバルブ３２７と３２８が設けられている。
【００４７】
図９に、第２ユニットから回収された非透過ガスの一部を第２ユニットのパージガスとして使用する状態を示す。バルブ３２６ａ〜３２６ｅのうち、流路１〜３上のバルブと同じモジュール間のバルブ（黒塗りの３２６ｂ）が閉じられて流路６がモジュール３４１ｂと３４１ｃの間で分断されている。さらに、バルブ３２７が開けられ、バルブ３２８が閉じられている。これにより、第２ユニットから回収された非透過ガスの一部が、第２ユニットを構成する４本のモジュール（３４１ｃ〜３４１ｆ）内のガス分離膜の透過側にパージガスとして供給される。
【００４８】
一方、図１０に示す使用状態では、バルブ３２７と２３８の開閉が図９の場合と逆で、バルブ３２７が閉じられ、バルブ３２８が開けられている。これにより、第２ユニットから回収された非透過ガスの一部が、第１ユニットを構成する２本のモジュール（３４１ａと３４１ｂ）内のガス分離膜の透過側にパージガスとして供給される。
【００４９】
図９および図１０の装置においても、他の実施形態と同様、バルブの開閉を選択することにより、簡便に各ユニットを構成するモジュールの本数を調整できる。
【００５０】
＜実施形態６＞
図１１は、透過ガスを２段で分離・濃縮する装置である。この装置は、高透過ガスを製品として得る目的に使用することができるが、低透過ガスを製品として得る場合において、低透過ガスの回収率を上げる目的に使用することもできる。図１１の装置は、６本のガス分離膜モジュール（３４１ａ〜３４１ｆ）、供給ガス用流路（流路１）（３１１）、透過ガス用流路（流路２）（３１２）、非透過ガス用流路（流路３）（３１３）およびバルブを、図３の装置と同様に備えている。さらに、図１１の装置は、図３の装置内の流路４に代えて、流路７（３１７）を備える。流路７は、流路２（３１２）上の最上流のモジュール３４１ａへの分岐点と、流路１（３１１）上の最下流のモジュール３４１ｆへの分岐点とを連結する。流路７上には圧縮機（３６３）が設けられていることが好ましい。
【００５１】
第１ユニット内のモジュール（３４１ａ、３４１ｂ）から排出された透過ガスは、流路２（３１２）に供給された後、流路７（３１７）を通って第２ユニット内のモジュール（３４１ｃ〜３４１ｆ）の中空糸膜内部に連通する供給口に供給される。第２ユニット内のモジュールから排出された透過ガスは、流路２の排出口（３５３）から回収される。これにより、２段階で濃縮された高濃度の高透過ガスが得られる。
【００５２】
非透過ガスについては、第１ユニットから排出された非透過ガス、第２ユニットから排出された非透過ガスをそれぞれ排出口３５５、３５４から別々に回収してもよいし、どちらか一方のみ回収してもよい。また、第１ユニットおよび第２ユニットからの非透過ガスを併せて回収する場合、または、いずれの非透過ガスも回収せずに排出する場合は、流路３上のバルブ（３２３ａ〜３２３ｅ）を閉じなくてもよく、また、これらバルブを設けなくてもよい。全ての非透過ガスを回収せずに排出する場合には、流路３（３１３）を設けなくてもよい。
【００５３】
図１１のガス分離装置においても実施態様１と同様、バルブの開閉の選択のみで、第１ユニットおよび第２ユニットを構成するモジュールの本数を簡便に調整できる。また、実施態様４および５と同様、さらにバルブを設けることにより、単段で使用したり、パージガスを供給したりすることもできる。
【００５４】
＜実施形態７＞
図１２は、図１１のガス分離装置の構成要素に加えて、流路８（３１８）を備えた装置である。流路８は、流路３上の最下流のモジュール３４１ｆへの分岐点と、流路１上の原料供給口３５１と最上流のモジュール３４１ａへの分岐点との間に位置する点とを連結する。この装置において、第２ユニット内のモジュール（３４１ｃ〜３４１ｆ）から排出された非透過ガスは、流路８（３１８）を通って流路１内に供給（リサイクル）される。このように、非透過ガスをリサイクルすることにより、原料からの高透過ガスおよび低透過ガスの回収率を高めることができる。
【００５５】
実施形態７においても、実施形態１と同様、第１ユニットと第２ユニットを構成するモジュールの本数はバルブの開閉の選択のみにより簡便に調整可能である。また、流路７上に圧縮機が設けられてもよい。また、実施態様４および５と同様、さらにバルブを設けることにより、単段で使用したり、パージガスを供給したりすることもできる。
【００５６】
本発明の装置内のモジュールは、３本以上のモジュールを備えていればよく、特に制限はない。
【００５７】
上記では、ガス分離膜として中空糸膜を用いた場合を説明したが、本発明のガス分離装置内のガス分離膜は、スパイラル型でもよく、平膜などでもよい。中空糸としては、厚みが薄く径が小さい多数本の中空糸が、小型装置でも高膜面積にできて分離効率を高めることができ、経済的でもあり好ましい。前記中空糸は、例えば、膜厚は１０〜５００μｍで外径は５０〜２０００μｍのものが挙げられるが、特に限定はされない。また、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。
【００５８】
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。
【００５９】
ガス分離膜モジュールの形態は特に限定はなく通常用いられているものが使用できる。中空糸束の配糸形態としては、平行配列、交叉配列、織物状、スパイラル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く、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。更に中空糸束の形態は円柱状、平板状、角柱状などでよく、容器内に前記形態のままで、又はＵ字状に折り曲げたり、スパイラル状に巻き付けて収納してもよい。
【００６０】
本発明によると、供給される混合ガスの条件が変動した場合においても、混合ガスに含まれる成分のうち、特定の成分を、高濃度かつ高回収率で分離回収することができる。例えば、メタンガスと炭酸ガスを主成分として含むバイオガスを分離して高濃度メタンガスを高い回収率で回収することができる。また、ヘリウムまたは水素を含むガスから、それぞれヘリウムまたは水素を分離回収することができる。特に、バイオガスは、その発生量が変動することが多いため、本発明の装置を用いると、第一段と第二段を構成するモジュールの本数を調整でき、条件設定が行いやすいため好ましい。
【実施例】
【００６１】
次に、実施例によって本発明を更に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００６２】
＜実施例１＞
メタンガス６０ｍｏｌ％と炭酸ガス４０ｍｏｌ％含むバイオガスを原料とし、図１３に示した構成を有するガス分離装置を用いた場合について検討した。該ガス分離装置は、２つのガス分離膜ユニット（１段目と２段目）が直列に接続された構成を有している。本実施例で使用したガス分離膜モジュールは、ガス分離膜の炭酸ガスの透過速度（Ｐ’ＣＯ２）が２６．４×１０−５Ｎｃｃ／ｃｍ２・ｓ・ｃｍＨｇ、メタンガスの透過速度（Ｐ’ＣＨ４）が１．７×１０−５Ｎｃｃ／ｃｍ２・ｓ・ｃｍＨｇであり、１本あたりのガス分離膜面積が１１ｍ２である。ガス分離装置において、１段目のガス分離膜ユニットにはモジュールが４本、２段目のガス分離膜ユニットにはモジュールが７本備えられ、原料を１７０Ｎｍ３／ｈの流量で供給した場合について、回収されるメタンガス（非透過ガス）の濃度とメタンガスの回収率を算出した。その結果、回収されるメタンガスの濃度は９５．３ｍｏｌ％、メタンガスの回収率は８８．７％であった（表１参照）。以下の実施例および参考例では９５ｍｏｌ％以上の濃度のメタンガスを得ることを目標とした。
【００６３】
＜参考例１＞
原料の流量を２００Ｎｍ３／ｈの流量に増加させた以外は、実施例１と同様の条件でガス分離を行う場合について算出した。結果を表１に示す。原料の流量を増加した場合には、回収されるメタンガスの濃度が低下することが示された。
【００６４】
＜実施例２＞
分離膜ユニットを構成するモジュールの本数を調整した以外は、参考例１と同様の条件の場合についてメタンガスの濃度と回収率を算出した。算出結果を表１に示す。モジュールの本数を調整した結果、高濃度のメタンガスを得ることができた。
【００６５】
＜参考例２＞
原料の濃度を１５０Ｎｍ３／ｈの流量に減少させた以外は、実施例１と同様の条件でガス分離を行う場合について算出した。結果を表１に示す。原料の流量を減少した場合には、目標のメタンガス濃度は達成できるものの回収されるメタンガスの収率が低下することが示された。
【００６６】
＜実施例３＞
分離膜ユニットを構成するモジュールの本数を調整した以外は、参考例２と同様の条件の場合についてメタンガスの濃度と回収率を算出した。算出結果を表１に示す。モジュールの本数を調整した結果、高いメタンガス濃度を維持しつつ、メタンガスの回収率が向上した。
【００６７】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明によると、複数のガス分離膜モジュールを備えるガス分離装置において、簡便な方法により、２つの直列に接続されたユニットを構成でき、かつ、各ユニットに含まれるモジュールの本数を調整できる装置を提供できる。これにより、原料ガスの組成や供給量に応じて運転条件を柔軟に変更できる。
【符号の説明】
【００６９】
１１  ガス供給口
１２  透過ガス排出口
１３  非透過ガス排出口
１４  中空糸膜
１５  容器
１６ａ、１６ｂ  管板
２１１、２１５  供給ガス用流路
２１２、２１６  透過ガス用流路
２１３、２１７  非透過ガス用流路
２１４  流路
２２１ａ〜２２１ｆ  ガス分離膜モジュール
３０１  第１ガス分離膜ユニット
３０２  第２ガス分離膜ユニット
３１１  流路１
３１２  流路２
３１３  流路３
３１４  流路４
３１５  流路５
３１６  流路６
３１７  流路７
３１８  流路８
３２１ａ〜３２１ｅ、３２２ａ〜３２２ｅ、３２３ａ〜３２３ｅ、３２４〜３２８  バルブ
３３１ａ、３３２ａ、３３３ａ、３３１ｆ、３３２ｆ、３３３ｆ  分岐路
３４１ａ〜３４１ｆ  ガス分離膜モジュール
３５１  原料ガス供給口
３５２、３５３  透過ガス排出口
３５４  非透過ガス回収口
３６１、３６２、３６３  圧縮機
３７１  分岐点
３７２、３７５  ガス供給口
３７３、３７６  透過ガス排出口
３７４、３７７  非透過ガス排出口
３８１〜３８３  分岐点
３８４  流路上の点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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