(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス分離膜モジュールと、該ガス分離膜モジュールに接続された混合ガスの導入配管とを有するガス分離膜装置であって、
前記ガス分離膜装置は、前記導入配管に加熱手段を備えており、且つ該導入配管における該加熱手段より上流側に、不活性ガス供給配管が接続されており、
前記混合ガスが有機物を含み、
前記不活性ガス供給配管から前記導入配管に供給されて前記加熱手段により加熱された不活性ガスが前記ガス分離膜モジュールに導入された後に、前記混合ガスが前記ガス分離膜モジュールに導入されるように使用される、ガス分離膜装置。
【請求項２】
前記導入配管における前記加熱手段より上流側に、圧縮手段を備えている、請求項１に記載のガス分離膜装置。
【請求項３】
前記不活性ガス供給配管により前記導入配管に供給される不活性ガスが、窒素又は窒素富化空気である、請求項１又は２に記載のガス分離膜装置。
【請求項４】
前記不活性ガス供給配管から前記導入配管に供給される不活性ガスが、前記ガス分離膜モジュールとは別に設けられたガス分離膜を用いて、空気に乾燥処理及び酸素除去処理を施すことにより得られた窒素富化空気である、請求項１から３のいずれか１項に記載のガス分離膜装置。
【請求項５】
前記ガス分離膜モジュールに備えられたガス分離膜が高分子からなるものである、請求項１から４のいずれか１項に記載のガス分離膜装置。
【請求項６】
２００℃以下の運転温度で運転される請求項１から５に記載のいずれか１項に記載のガス分離膜装置。
【請求項７】
ガス分離膜モジュールと、該ガス分離膜モジュールに接続された混合ガスの導入配管とを有するガス分離膜装置を用いて、有機物を含む混合ガスから特定のガスを濃縮富化する富化ガスの製造方法において、
前記ガス分離膜装置の始動時に、前記導入配管に配された加熱手段に不活性ガスを供給し、該加熱手段により加熱された該不活性ガスを、該導入配管を通じて前記ガス分離膜モジュールに供給して該ガス分離膜モジュールを所定温度に昇温し、その後、
前記加熱手段で加熱した前記混合ガスを、前記導入配管を通じて前記ガス分離膜モジュールに供給する、富化ガスの製造方法。
【請求項８】
前記ガス分離膜モジュールの運転温度が、０．２ＭＰａＧ以上２０ＭＰａＧ以下である該ガス分離膜モジュールの運転圧力における前記混合ガスの加圧露点よりも５℃以上高い温度である、請求項７に記載の富化ガスの製造方法。
【請求項９】
前記不活性ガスを前記ガス分離膜モジュールの運転温度に対して５℃以上高い温度に昇温して該ガス分離膜モジュールに供給する、請求項７又は８に記載の富化ガスの製造方法。
【請求項１０】
前記不活性ガスは、０．２ＭＰａＧ以上２０ＭＰａＧ以下である前記ガス分離膜モジュールの運転圧力における加圧露点が２５℃以下である、請求項７から９のいずれか１項に記載の富化ガスの製造方法。
【請求項１１】
前記ガス分離膜装置の始動時に、前記不活性ガスと前記混合ガスとの合流体を前記加熱手段に供給し、加熱した該合流体を、前記導入配管を通じて前記ガス分離膜モジュールに供給して該ガス分離膜モジュールを所定温度に昇温する、請求項７から１０のいずれか１項に記載の富化ガスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不活性ガスを加熱して供給することが可能なガス分離膜装置及びそれを運転して富化ガスを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２種類以上のガスを含む混合ガスの分離方法として、選択的透過性を有するガス分離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る。膜分離法により、混合ガスは、ガス分離膜を透過しやすい高透過性ガスの濃度が向上した透過ガスと、ガス分離膜を透過しにくい低透過性ガスの濃度が向上した未透過ガスとに分離される。この膜分離法においては、ガス分離膜を挟んで、混合ガスが供給される供給側と、透過ガスが透過してくる透過側との高透過性ガスの分圧差が必要であるため、特許文献１に示されるように、原料の混合ガスが加圧圧縮してガス分離膜に供給される例がある。また一般にガス分離膜を透過するガスの透過速度は、ガス分離膜の温度が上昇することにより増加するため、特許文献２に示されるようにガス分離膜を高温で運転する例がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１１２４８８号公報
【特許文献２】特開２０１３−０９４７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
原料となる混合ガスとして、有機物を含む２種類以上のガスからなる混合ガスから特定の成分を濃縮する場合には、原料の混合ガス中に水、オイルなどの不純物が含まれることが多い。これらの不純物を含む混合ガスを圧縮した場合に、不純物が凝縮する場合がある。また、ガス分離膜モジュールを高温で運転する場合には、運転開始時又は運転停止時等に常温下に晒されたガス分離膜モジュールに原料混合ガスを供給した場合に、上記不純物や原料混合ガス中の高沸点成分が凝縮する場合がある。一般にガス分離膜は種々のガスを透過させる機能は有するものの、凝縮した液体成分はガス分離膜を透過しにくく、ガス分離膜の表面や内部に蓄積し、ガス分離膜が本来有する透過性を低下させることがある。
またガス分離膜モジュールの内部が運転開始前に大気に接する状況に置かれている場合には、運転する温度及び混合ガスに含まれる成分によっては、ガス分離膜ユニットの運転開始時に、モジュール内に存在していた酸素と混合ガス中の成分の反応を防止することが安全性等の観点から求められる。
【０００５】
本発明の目的は、有機物を含むガスを濃縮する場合に、ガス分離膜の透過性の低下を効果的に防止し、安全な運転開始も可能なガス分離膜装置及びそれを用いた富化ガスの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、少なくともガス分離膜モジュールとヒーターとによって構成させるガス分離膜装置において、運転開始時又は運転停止時にガス分離膜モジュールに不活性ガスを供給することで前記の課題を解決したものである。
【０００７】
すなわち、本発明は、ガス分離膜モジュールと、該ガス分離膜モジュールに接続された混合ガスの導入配管とを有するガス分離膜装置であって、
前記ガス分離膜装置は、前記導入配管に加熱手段を備え、該導入配管における該加熱手段より上流側に、不活性ガス供給配管が接続されている、ガス分離膜装置を提供するものである。
【０００８】
また本発明は、ガス分離膜モジュールと、該ガス分離膜モジュールに接続された混合ガスの導入配管とを有するガス分離膜装置を用いて、有機物を含む混合ガスから特定のガスを濃縮富化する富化ガスの製造方法において、
前記ガス分離膜装置の始動時に、前記導入配管に配された加熱手段に不活性ガスを供給し、該加熱手段により加熱された該不活性ガスを、該導入配管を通じて前記ガス分離膜モジュールに供給して該ガス分離膜モジュールを所定温度に昇温し、その後、
前記加熱手段で加熱した前記混合ガスを、前記導入配管を通じて前記ガス分離膜モジュールに供給する、富化ガスの製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ガス分離膜モジュールの性能を低下させることなく、また安全にガス分離膜装置の運転を開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明のガス分離膜装置の一実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明のガス分離膜装置を構成するガス分離膜モジュールの一例の構造を示す模式図である。
【図３】図３は、本発明のガス分離膜装置の別の実施形態の構成を示す概略図である。
【図４】図４は、本発明のガス分離膜装置の更に別の実施形態の構成を示す概略図である。
【図５】図５は、本発明のガス分離膜装置の更に別の実施形態の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
本発明のガス分離膜装置に用いられる選択的透過性のガス分離膜は、ガス分離膜の形状としては、平板状、スパイラル状、管状、中空糸状などいずれの形状をとることもできる。なお、ガス分離膜の形状としては、厚みが薄く径が小さい中空糸膜が、単位容積当たりに充填できる膜面積を大きくできるため、装置が小型化でき高膜面積になるので分離効率がよく経済的であるので好適である。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。前記中空糸膜の膜厚は１０〜５００μｍで外径は５０〜２０００μｍのものを好適に挙げることができる。更に、本発明で用いるガス分離膜は、供給される原料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（高分子材料）、ポリマー材料を炭化又は部分炭素化した材料、ゼオライトなどのセラミックス材料などで形成されるガス分離膜を好適に挙げることができる。特に、高分子材料からなるガス分離膜、とりわけ非対称ポリイミドガス分離膜は、ガス分離性能が高いのみならず、耐熱性、耐久性、耐溶剤性などの特性が優れているので好ましいものである。 
【００１２】
本発明のガス分離膜装置は、単数個又は複数個のガス分離膜モジュールを備える。本発明に用いるガス分離膜モジュールが中空糸膜によって構成される場合には、通常前記中空糸膜の多数本（例えば、数百本から数十万本）を集束して中空糸束とし、その中空糸束の少なくとも一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等のホットメルト型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固着して中空糸分離膜エレメントを構成し、更に、単数個又は複数個の前記中空糸エレメントを、少なくとも原料混合ガス供給口、透過ガス排出口、及び、非透過ガス排出口を有する容器内に、中空糸の内側へ通じる空間と中空糸の外側へ通じる空間が隔絶するように装着されて構成されている。容器は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。
【００１３】
本発明のガス分離膜装置に用いられる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でよい。中空糸束の配糸形態は、平行配列でも交叉配列でも織物状でもスパイラル状などでも構わない。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構わない。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、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されていてもよい。
【００１４】
まず、図１に基づき、本発明のガス分離膜装置及びこれを用いて原料混合ガスを分離する本発明の混合ガスの分離方法を説明する。図１に示すガス分離膜装置１０は、ガス分離膜ユニット１１を備えている。ガス分離膜ユニット１１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。図１に示す本実施形態のガス分離膜ユニット１１は、例えば、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。
【００１５】
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。なお、図２に記載の構成では、高透過性ガスを、中空糸膜を内側から外側に透過させるように構成されているが、図２に示す例から、非透過ガス排出口、透過ガス排出口、ガス入口の位置を変更することにより、高透過性ガスを中空糸膜の外側から内側に透過させる構成としてもよい。また図２の分離膜モジュールを例に説明したが、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にも応用できる。
【００１６】
図１に戻ると、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）からの混合ガスをガス分離膜ユニット１１へ供給するための混合ガス導入配管１６が連結されている。混合ガス導入配管１６のガス分離膜ユニット１１に向かう途中には、加熱手段１７が介在配置されている。加熱手段１７はガス分離膜モジュールへ供給するガスを加熱する目的で設置されている。加熱手段１７は、例えば、温度センサーとヒーターとそれらを制御する制御装置からなる。
【００１７】
本実施形態では、混合ガス導入配管１６に、圧縮手段１９が設けられている。圧縮手段１９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。
このように圧縮手段１９を配置していることが、ガス分離膜ユニット１１の運転時に、混合ガスが供給される供給側と、透過ガスが透過してくる透過側との高透過性ガスの分圧差を容易に得られる観点から好ましい。
圧縮手段１９は、加熱手段１７よりも上流側に設けられていることが、加熱手段１７における加熱による悪影響を圧縮手段１９に与えることを防止できる点や圧縮手段１９から混入するオイル等の不純物を凝縮させずにガス分離膜ユニット１１に供給できる点から好ましい。圧縮手段１９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圧縮手段と同様のものを用いることができ、例えばコンプレッサ（圧縮機）を用いることができる。図１に示す例では、圧縮手段１９は、混合ガス導入配管１６における不活性ガス供給配管１８の接続箇所よりも下流側に配置されている。このようにすると、不活性ガス供給配管１８から混合ガス導入配管１６に供給された不活性ガスが分離膜モジュールの運転圧よりも低い圧力であっても混合ガスのみならず不活性ガスも加圧された状態でガス分離膜ユニット１１に供給できるため、好ましい。
【００１８】
更に、ガス分離膜ユニット１１は、それを構成するガス分離膜モジュール４０の非透過ガス排出口３８と連通する非透過ガス排出口１１ｂ及びガス分離膜モジュール４０の透過ガス排出口３９と連通する透過ガス排出口１１ｃをそれぞれ有する。ガス分離膜装置１０はガス分離膜ユニット１１の非透過ガス排出口１１ｂ及び透過ガス排出口１１ｃにそれぞれ接続する非透過ガス排出配管１２、及び透過ガス排出配管１３とを有する。
【００１９】
本実施形態のガス分離膜装置１０は、混合ガス導入配管１６の加熱手段１７より上流側に不活性ガス供給配管１８が接続されている。不活性ガス供給配管１８においては、不図示の端部より不活性ガスが導入されて配管１８内を通じて導入配管１６内に供給されるようになされている。これによりガス分離膜装置１０では、導入配管１６を通じて不活性ガスがガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給される。この不活性ガスは、窒素、二酸化炭素、アルゴン、ヘリウムなど特に問わないが、容易かつ安価に入手可能な窒素又は窒素富化空気が好ましい。不活性ガスが窒素もしくは窒素富化空気の場合には、この窒素もしくは窒素富化空気としては、ボンベガス、ＰＳＡ装置によって生成したガス、分離膜法によって生成したガス、深冷分離によって生成したガス、燃焼廃ガスなどが挙げられる。特に不活性ガスとしては、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）とは別に設けられたガス分離膜を用いて、空気に酸素除去処理及び乾燥処理を施すことにより得られた窒素富化空気を用いることが好ましい。この場合、ガス分離膜の種類の選定や原料空気の圧力の設定等により、ガス分離膜における窒素、酸素及び水分の透過速度を調整することで、原料である空気をガス分離膜に供給して得られる非透過ガスとして、該空気よりも水分量の低い窒素富化空気を得ることができる。非透過ガスとして原料である空気よりも水分量の低い窒素富化空気ガスが得られるガス分離膜の例としては、例えば、ポリイミド、ポリスルホン、ポリカーボネートなどのガラス状高分子、シリコーンゴムなどのゴム状高分子が挙げられ、ポリイミドがガス分離性能が高いのみならず、耐熱性、耐久性、耐溶剤性などの特性の観点から好ましい。窒素富化空気とは、通常の空気（例えば、窒素７８容量％、酸素２１容量％）から酸素含量を低減させ、窒素含量を高めた空気をいい、酸素を実質的に含まないことが好ましい。具体的には、窒素富化空気における酸素含有量は１５容量％以下であることが好ましく、１０容量％以下であることがより好ましく、５容量％以下であることが特に好ましい。また、窒素富化空気における窒素の含有量は、８５容量％以上であることが好ましく、９０容量％以上であることがより好ましく、９５容量％以上であることが特に好ましい。窒素富化空気における窒素の含有量は９９容量％以下であると、窒素富化空気の入手容易性の観点から好ましい。
【００２０】
更に、本発明で用いる不活性ガスは、乾燥していることが好ましい。本発明において、乾燥しているとは、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）の運転温度において、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）の運転圧力に加圧した状態で凝集成分が実質的に発生しないことを意味する。ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）の運転温度としては後述する温度が挙げられる。またガス分離膜モジュールの運転圧力としては０．２ＭＰａＧ以上２０ＭＰａＧ以下が好ましく、０．５ＭＰａＧ以上１０ＭＰａＧ以下がより好ましい。また例えば、前記導入配管１８から導入配管１６に供給される不活性ガスは前記の運転圧力下における加圧露点が２５℃以下となるような水分含量を有することが好ましく、前記の加圧露点は１０℃以下であることがより好ましく、０℃以下であることが特に好ましい。不活性ガス中の水分含量の測定には、例えば露点計を用いることができる。
【００２１】
本実施形態の富化ガスの製造方法は図１に記載のガス分離膜装置１０を用いて、以下のように行われる。
ガス分離膜装置１０の始動時に、まず、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に不活性ガス供給配管１８から導入配管１６に不活性ガスを供給する。導入配管１６内に導入された不活性ガスはこの配管１６における加熱手段１７を経由することによって加熱手段１７に昇温される。そして不活性ガスは、その昇温された状態で、導入配管１６内を通ってガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給され、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）、具体的にはユニット１１のガス分離膜を昇温させる。ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）が所定温度まで昇温された後、不活性ガスの供給を停止する。ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給される不活性ガスの圧力は大気圧以上、特に０．１ＭＰａＧ以上であることが、凝縮性成分の付着を防止する観点から好ましく、２０ＭＰａＧ以下、特に１０ＭＰａＧ以下であることが分離膜への負荷を軽減する観点等から好ましい。不活性ガスは、モジュール４０において、ガス入口３７から導入される。引き続いて、混合ガス導入配管１６を経由して混合ガスを加熱手段１７に導入する。そして加熱手段１７で加熱した混合ガスをガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給する。これにより、ガスの分離による富化ガスの製造を開始する。
【００２２】
不活性ガスは加熱手段１７によって想定される膜モジュールの運転温度と同じであっても異なっていてもよいが、好ましくは運転温度以上、運転温度＋５℃以上、より好ましくは＋１０℃以上に昇温された後にガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給されることが、不活性ガスによる凝縮防止の観点から好ましい。この温度は、２００℃以下であることが、ガス分離膜の性能低下をより効果的に防止する観点から好ましい。
この温度は、加熱手段１７に備え付けられた測定装置及び温度制御装置により測定及び制御される。
【００２３】
不活性ガスの供給を停止する時点のガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）における温度（上記の所定温度）は、加熱手段１７において加熱された不活性ガスの温度と同じであってもよく異なっていてもよいが、予定される膜モジュールの運転温度以上であることが好ましい。この観点から、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）における前記の所定温度としては、想定される膜モジュールの運転温度＋５℃以上、より好ましくは＋１０℃以上である。またこの所定温度は、２００℃以下であることが、上記と同様の観点から好ましい。上記の範囲の温度にガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）が昇温された時点では、通常、ユニット１１におけるガス分離膜全体が不活性ガス雰囲気下に置かれる。
【００２４】
ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）の温度が所定温度まで昇温されたことは、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）のガス分離膜の温度を測定することにより確認することが好ましい。その場合、例えば、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に接続された非透過ガス排出配管１２や透過ガス排出配管１３内のガス温度を測定して所定温度であれば昇温されたと確認する。また、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）への不活性ガスの供給停止と混合ガスの供給開始とは連続的に行われることが好ましく、不活性ガスの供給停止から混合ガスの供給開始までの間隔が５分以下であることが好ましく、１分以下であることがより好ましい。あるいは不活性ガスを供給したまま混合ガスを供給開始し、徐々に不活性ガスの供給量を減らし最終的に停止させる方法でも良い。
【００２５】
ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）の運転温度は、不活性ガスの供給を停止する時点であるガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）における前記の所定温度と同一であってもよく、異なっていてもよい。本発明の効果を得やすいという観点からガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）の運転温度は、その圧力下における混合ガスの加圧露点よりも５℃以上、好ましくは１０℃以上高いことが好ましい。ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）の運転温度は、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に接続された非透過ガス排出配管１２や透過ガス排出配管１３内のガス温度を測定することで測定することができる。具体的な運転温度の下限の例としては、例えば常温（２５℃）以上が挙げられる。膜ユニット１１（膜モジュール４０）の運転温度は、上記と同様の観点から２００℃以下であることが好ましい。なお、ここでいうガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）の運転温度とは、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に対し混合ガスを供給している間のガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）の温度をいう。
【００２６】
更に、上記と同様の観点から、混合ガスは、加熱手段１７により膜モジュールの運転圧力下における混合ガスの加圧露点よりも５℃以上、好ましくは１０℃以上に昇温された後にガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給されることが更に好ましい。ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給される際の混合ガスの温度は、上記と同様の観点から２００℃以下であることが好ましい。
【００２７】
使用した不活性ガスの総量中、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）のガス分離膜を透過する不活性ガスの量と非透過である不活性ガスの量は特に限定されない。
【００２８】
以上のガス分離膜ユニット及び富化ガスの製造方法によれば、混合ガスがガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給開始される前に予め加熱された不活性ガスをユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に容易に供給でき、これにより昇温され且つ不活性ガス雰囲気下となったモジュール１１に混合ガスを加熱した状態で容易に供給できる。このようなガス分離膜ユニット及び本発明の製造方法によれば、凝縮した不純物や高沸点成分の除去及び新たな凝縮の防止ないし安全性の向上が、安価且つ容易に実現できる。
【００２９】
本発明の富化ガスの製造方法は図１に記載のガス分離膜装置１０を用いて、以下のように行ってもよい。
ガス分離膜装置１０の始動時に、まず、混合ガス導入配管１６に混合ガスを供給するとともに、不活性ガス供給配管１８に不活性ガスを供給し、この２つの配管の接続点において、混合ガスと不活性ガスとを合流させる。合流は、例えば導入配管１６及び供給配管１８をそれぞれ経由した混合ガス及び不活性ガスをガス分離膜モジュール１１側に略同時に供給することで可能である。このようにすることで、この接続点よりも導入配管１６における下流側に位置する加熱手段１７において混合ガス及び不活性ガスの合流体が供給され、不活性ガスは、混合ガスとの合流体として加熱手段１７に加熱される。そして加熱手段１７によって昇温された状態の合流体を、導入配管１６内を通じてガス分離膜モジュール１１に供給し、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）内の分離膜の温度を昇温させる。ガス分離膜の温度が所定温度まで昇温された後、不活性ガスの供給を停止する。不活性ガスを含まない混合ガスをガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給することにより、ガスの分離を開始する。
【００３０】
以上のように、混合ガス導入配管１６からの混合ガスと不活性ガス供給配管１８からの不活性ガスとの合流体を加熱し、上記のように、混合ガスをガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給する前に、予め加熱した合流体をガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給する場合も、不活性ガスのみを予めガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給する上記の場合と同様の効果を得ることができる。この場合、加熱手段１７において加熱された合流体の温度及び圧力の好ましい範囲としては、加熱手段１７において加熱された不活性ガスの温度及び圧力の好ましい範囲として上記で挙げた範囲と同様の範囲を挙げることができる。
【００３１】
ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給される混合ガスと不活性ガスの合流体における両者の容量比は、本製造方法において一定であっても異なっていてもよい。例えば、両者の容量比は連続的又は非連続的に変更されてもよい。その場合、合流体における混合ガスと不活性ガスの容量比は、この合流体をガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給開始する時点において、合流体の供給の終了時点に比べて、不活性ガスの割合が高く、混合ガスの割合が低いように変更されていることが好ましい。
【００３２】
合流体をガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給開始する時点における合流体中の不活性ガスの割合は、５０容量％以上であることが好ましく、７０容量％以上であることがより好ましい。この時点における合流体中の不活性ガスの割合は、高ければ高いほど好ましいが、７０容量％程度であれば、それ以上不活性ガスの量を増加させても、本発明の効果にそれほど変わりない。なお不活性ガスが窒素富化空気等のように微量の酸素を含む場合、ここでいう合流体中の不活性ガスの割合は、この酸素を含まない量をいう。
【００３３】
また、図１に示す本実施形態のガス分離膜装置１０による富化ガスの製造（混合ガスの分離）においては、ガス分離膜装置１０（ガス分離膜ユニット１１）の運転開始時の不活性ガスの供給に加えて、或いは、替えて、ガス分離膜装置１０（ガス分離膜ユニット１１）の運転停止時に不活性ガスの供給を行ってもよい。具体的には、ガス分離膜モジュールへの混合ガスの供給を停止した後に、ガス分離膜の温度が高い状態のままで、不活性ガスをガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）へ供給することにより、運転停止時に不活性ガスの供給を行う。この場合に、加熱手段１７による不活性ガスの加熱を行っても行わなくてもよい。不活性ガスを加熱する場合における加熱した不活性ガスの好ましい温度及び圧力としては、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）始動時における加熱した不活性ガスの好ましい温度及び圧力として上述した範囲を挙げることができる。またこの場合に、圧縮手段１９による不活性ガスの圧縮は行ってもよく、行わなくてもよいが、行うことが凝縮性成分の付着を防止する観点から好ましい。
原料の混合ガスに可燃性ガスや毒性ガスが含まれる場合、運転停止時に不活性ガスを供給することで、ガス分離膜ユニットの点検や修理等が安全に実施できる。
【００３４】
本実施形態のガス分離膜装置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。混合ガスとして、凝集性のガス、可燃性のガスを含む場合に特に好適に使用することができる。本実施形態のガス分離膜装置は、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。また本実施形態のガス分離膜装置１０は、それ単独、或いは、これの複数の組み合わせ、或いは、これと、他のいずれのガス分離膜ユニットとの組み合わせにより、富化ガスを製造するためのガス分離膜装置又はガス分離膜システムとして用いることが可能である。
【００３５】
続いて、図３及び図４に基づいて、本発明の別の実施形態について説明する。これらの実施形態についての説明は、上述した図１に基づく実施形態と異なる点のみ説明し、同様の点については同じ符号を付して説明を省略する。
【００３６】
図３に示すガス分離膜装置１０Ａのように、圧縮手段１９は、混合ガス導入配管１６における不活性ガス供給配管１８の接続部位よりも上流側に設けられていてもよい。このようにした場合、不活性ガスは、圧縮手段１９による加圧力を直接受けない。しかしながら、装置１０Ａにおいても、不活性ガスはボンベやガス発生器や工場配管から直接又は不活性ガス供給配管１８を介して混合ガス導入配管１６に導入される場合は圧力を有している。混合ガスの成分によっては不活性ガスのガス分離膜を透過する必要はなく、また必要な場合であっても、ガス分離膜の構成が不活性ガスを透過しやすいものであったり、透過側に減圧手段を配置することなどにより、圧縮手段により不活性ガスを加圧せずとも、不活性ガスがある程度ガス分離膜を透過する場合もある。このような場合、図３に示す形態を採用することに問題ない。不活性ガスがガス分離膜ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）の運転圧と同等以上の圧力を有する場合は、圧縮手段１９と加熱手段１７の間に接続する方が好ましい。
このようなガス分離膜装置１０Ａを用いても、ガス分離膜装置１０について説明した上記の効果と同様の効果を得ることができることは明らかである。
【００３７】
また図４に示すガス分離膜装置１０Ｂでは、導入配管１６において圧縮手段１９の下流側であって加熱手段１７の上流側に冷却手段２１が配されている点、及び、導入配管１６において更に、気液分離フィルター２２が冷却手段２１に直接接続するか又は冷却手段２１の下流側であって加熱手段１７の上流側に配されている点で、図１に示すガス分離膜装置１０と、異なっている。
【００３８】
このように構成することにより、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）の運転時において、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）の始動時又は停止時に不活性ガス、或いは混合ガスと不活性ガスとの合流体は導入配管１６を通じて冷却手段２１に送られ冷却手段２１に冷却される。これにより不活性ガス又は合流体中の不純物又は高沸点成分は凝集（液化）されて気液分離フィルター２２において凝集液として除去される。冷却手段２１としては、公知の物を特に制限なく用いることができる。このように不純物及び高沸点成分が除去された不活性ガス又は合流体は、加熱手段１７を経由してこの加熱手段で加熱された後に、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に導入される。これにより、凝縮成分が除去された乾燥状態で不活性ガス又は混合ガスと不活性ガスとの合流体がガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給されるので、ガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）における凝縮成分の蓄積が一層効果的に防止され、これによりガス分離膜の透過性をより一層容易に維持することができる。また混合ガスをガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給してガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）を運転する際も、図４に示すユニットにおいて、混合ガスを冷却手段２１、並びに気液分離フィルター２２、加熱手段１７を経由させることで、混合ガスを凝集成分が除去された状態でガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に供給でき、本発明の効果をより高めることができる。
【００３９】
また、図４における装置１０Ｂは、図５における装置１０Ｃのように改変してもよい。この装置１０Ｃにおいては、圧縮手段１９の下流側に熱交換手段２３が配置されている。そして導入配管１６は、熱交換手段２３の上流側に位置する第１の部位１６ａと、熱交換手段２３から始まり熱交換手段２３に帰るループ状の第２の部位１６ｂと、熱交換手段２３からガス分離膜ユニット１１（ガス分離膜モジュール４０）に至る第３の部位１６ｃとを有している。そして、ループ状の第２の部位１６ｂに、冷却手段２１と、気液分離フィルター２２とがこの順で配置されている。更に、加熱手段１７が第３の部位１６ｃにおける熱交換手段２３とガス分離膜ユニット１１の間の位置に配置されている。
このように構成すると、圧縮手段による断熱圧縮により温度が上昇した不活性ガスが熱交換手段２３に導入されて冷却され、次いで冷却手段２１によって更に冷却される。これにより不活性ガス中又は合流体中の不純物又は高沸点成分が液化して気液分離フィルター２２において凝集液として除去される。このように不純物及び高沸点成分が除去された不活性ガス又は合流体は、次いで熱交換手段２３において、加熱されて、次いで、加熱手段１７により更に加熱される。熱交換手段２３としては、公知の物を制限なく用いることができる。またこのように構成することにより、熱交換手段２３で熱の回収を行うことができるため、冷却手段２１、加熱手段１７の負荷を軽減することができる。
【００４０】
以下、本発明を上記各実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に何ら限定されない。例えば、上記で説明した一の実施形態に記載された構成と、他の実施形態として記載された構成との組み合わせが本発明に含まれることはいうまでもない。
また各実施形態のガス分離膜ユニット１１の透過側に減圧手段を設けることで混合ガス流に分離膜を通過する動力を付与してもよい。そのような減圧手段としては公知の真空ポンプ等を用いることができる。しかしながら、そのような減圧手段は設けないことが、不活性ガスによる凝縮成分の除去作用を高いものとする点から好ましい。
【符号の説明】
【００４１】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ  ガス分離膜装置
１１  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  非透過ガス排出配管
１３  透過ガス排出配管
１６  混合ガス導入配管
１７  加熱手段
１８  不活性ガス供給配管
１９  圧縮手段
２１  冷却手段
２２  気液分離フィルター
２３  熱交換手段
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
【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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