(57)【要約】  本発明は、透過により混合気体を処理するための装置およびシステムに関する。本発明の装置は、m×n個の分離モジュールPij(mおよびnは2以上の自然数(natural integer)、iは1からmまでの自然数、jは1からnまでの自然数である)を有する。各分離モジュールPijは、透過物入口Epij(分離モジュールP11の透過物入口Ep11が上記装置に混合気体を供給するためのF入口に相当する)、透過物出口Spij、残留物出口Srijを有する。また、透過物出口Spijは分離モジュールPi+1jの透過物入口Epi+1jに連結され、残留物出口Srijは分離モジュールPij+1の透過物入口Epij+1に連結される。この装置は中間での再利用を一切行わない。
2010529905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
m×n個の分離モジュールPij(mおよびnは2以上の自然数、iは1からmまでの自然数、ならびにjは1からnまでの自然数である)を有する、透過により混合気体を処理するための1つの装置(I)であって、各分離モジュールPijが、
透過物入口Epij(分離モジュールP11の透過物入口Ep11が前記装置(I)の混合気体供給物入口に相当する)、
透過物出口Spij、
残留物出口Srij、
を有する、装置において、
前記透過物出口Spijが分離モジュールPi+1jの透過物入口Epi+1jに連結されること、
前記残留物出口Srijが分離モジュールPij+1の透過物入口Epij+1に連結されること
を特徴とし、
中間での再利用を行わないことを特徴とする、装置。
【請求項２】
請求項1に記載の装置を少なくとも1つ有する、透過により混合気体を処理するためのシステム(S)であって、前記システムが、p×q個の要素Mijを有するp行およびq列のマトリックス構造Mij(iは1からpまでの自然数、jは1からqまでの自然数、およびMijは分離モジュールPijまたは空要素のいずれかである)によって表示され、各前記分離モジュールPijが、
透過物入口Epij、
透過物出口Spij、
残留物出口Srij
を有し、前記透過物出口Spijが、分離モジュールPi+1jが存在する場合は分離モジュールPi+1jの透過物入口Epi+1jに連結され、前記残留物出口Srijが、分離モジュールPij+1が存在する場合は分離モジュールPij+1の透過物入口Epij+1に連結され、要素M11が、少なくとも1つの前記装置に属する分離モジュールP11に相当する空ではない要素であり、前記分離モジュールP11の透過物入口Ep11が前記システムの混合気体供給物入口(F)に相当することを特徴とする、システム。
【請求項３】
前記システム(S)の出口から得られる種々の透過物流れ(Sp21、Sp32、Sp43、Sp44、Sp45、およびSp46)が同一の透過物出口行(Lp)上に集められる、および/または、前記システム(S)の出口から得られる種々の残留物流れ(Sr13、Sr24、Sr35、およびSr46)が単一の残留物出口行(Lr)上に集められることを特徴とする、請求項2に記載のシステム(S)。
【請求項４】
前記システム用の前記混合気体供給物入口(F)のところにコンプレッサを有することを特徴とする、請求項2または3のいずれか一項に記載のシステム(S)。
【請求項５】
前記分離モジュールが管状膜を有することを特徴とする、請求項2から4のいずれか一項に記載のシステム(S)。
【請求項６】
前記分離モジュールが多チャネル膜を有することを特徴とする、請求項2から4のいずれか一項に記載のシステム(S)。
【請求項７】
前記膜がホウ素を含むシリカベースの微多孔層を有することを特徴とする、請求項5または6のいずれか一項に記載のシステム(S)。
【請求項８】
各分離モジュールの膜の表面積が、同一の分離モジュールに供給される残留物流れと透過物流れとの間で同様の濃度が得られるように調節されることを特徴とする、請求項2から7のいずれか一項に記載のシステム(S)。
【請求項９】
少なくとも1つの前記分離モジュールが、並列に取り付けられた複数の単一ユニット分離モジュールを有することを特徴とする、請求項2から8のいずれか一項に記載のシステム(S)。
【請求項１０】
ヘリウムまたは水素を含んでいる混合気体中のヘリウムまたは水素を分離するための、請求項2から9のいずれか一項に記載のシステムの使用法。
【請求項１１】
請求項2から9のいずれか一項に記載の処理システムを用いたヘリウム冷却回路を有する原子力施設。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過により混合気体を処理するための装置およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
膜ガス分離は、過去25年にわたって開発されてきた、化学工業で広く使用されている技術である。使用される膜(ポリマー、セラミック、高密度、または多孔質)の性質および構造に応じて、移送および分離には異なる機構が使用される。分子篩操作は、分離される分子の異なる運動半径の差を利用して混合物中に存在するガスを分離することからなる技術である。この目的のために微多孔膜が使用されるが、この微多孔膜は、膜の両側の分圧または濃度の差に基づいて、運動半径(kinetic radius)の最も小さい分子を優先的に拡散させ、大きな分子を保持する。このように、膜は、大きな分子の拡散を阻止したり遅くしたりして小さな分子を拡散させる孔径による排他過程を行う分子篩として使用される。また、一部のケースでは、(膜の表面上および/またはその孔の中での)吸着現象が分離に寄与する場合もある。この技術のさらなる情報としては、非特許文献1を参照されたい。
【０００３】
選択透過により混合気体を分離するための装置は、非透過物領域すなわち残留物領域と透過物領域とを分離している選択性透過膜を各々が含んでいる複数の分離モジュールから構成される。実際には、分離モジュールは通常複数の膜を有する。膜の幾何形状は多様であってよいことにも留意されたい。基本的には、平膜および管状膜の2つのタイプの膜がある。管状膜は単一チャネルまたは多チャネルの膜であってよい(例えば、モノリス膜)。
【０００４】
分離モジュールは、供給物入口、残留物出口、および透過物出口を有する。
【０００５】
混合気体を分離するために、分離モジュールには供給物により圧力P1の混合物の流れが加えられる。そのとき、膜の両側の間に圧力差が生じる。
【０００６】
膜は混合物の別の構成物質と比較して混合物の1つの構成物質に対して優れた透過性を有していることから、透過性の高い構成物質で透過物が濃縮され、他の構成物質は非透過物側に保持される。圧力P1の残留物は残留物出口から回収され、P1より低い圧力P2の透過物は透過物出口から回収される。
【０００７】
上述した膜貫通型のガス分離技術は、特にモジュール方式であり継続的に使用され得るという理由で、非常に有利であることが分かっている。また、この技術は無公害性の技術であり、小型ユニットでの構成も可能である。この技術は、低温処理または吸着処理などの他の分離処理に対しての特に魅力的な代替技術であり、これらの技術と比較すると、安価であり実施が簡単である。そのため、この技術には実際に多くの適用分野がある。とりわけ、この技術は、空気からO2およびN2を分離すること、炭化水素ベースの流出物中のNH3またはH2から生成されたガスからH2およびN2を抽出すること、精製処理における同様の処理、または、さらには種々の気体流出物からCO2またはNOXを除去することに使用される。
【０００８】
また、転化率が高くなければならない場合または高い濃縮係数を達成する必要がある場合では、多段式のシステムを開発することが有利である可能性がある。というのは、ろ過速度は、一般に、残留物の濃度と共に低下するからである。多段式の場合、分離は複数の段階の分離を通して達成される。このような構成は、分離処理全体の効率を向上させるのを助ける。また、このような構成は、全体の膜表面を減少させるのを助けることができ、それにより設備費用を減少させることができる。
【０００９】
多段式構成の1つの例が特許文献１に記載されている。この構成の原理を図1に示した。図1は透過により気体混合物を処理するための装置を示しており、この装置は
-直列に連結された3つの分離モジュール2〜4、
-供給物入口5、
-残留物出口7、
-透過物出口8、
-収集ライン6
を有する。
【００１０】
各モジュールの残留物出口は次のモジュールの透過物入口に連結される。共通の収集ライン6が、使用者の方に向かうすべての透過物流れを1つにまとめる。最も透過性の高い成分の大部分は透過物中で回収され、最も透過性の低い成分は残留物中で回収される。
【００１１】
しかし、このような構成には、透過物中の不純物の濃度が非常に高いままであるという大きな問題がある。したがって、可能な限り高い純度の透過物を回収する場合、図1に従った構成では不十分である。
【００１２】
カスケード装置として知られている、透過物の純度を増加させるための装置が、非特許文献２で考察されている。このような装置11の1つの例を図2に概略的に示した。装置11は、
-濃縮部12、
-抽出部13、
-供給物入口Fを有する入口分離モジュール14、
の３つの部分から構成される。
【００１３】
濃縮部12は、3つの分離モジュール15〜17および3つのコンプレッサ18〜20を有する。
【００１４】
抽出部13は3つの分離モジュール21〜23を有する。
【００１５】
濃縮部12では、各分離モジュールからの透過物が圧縮されて次の分離モジュールへの供給に使用される。この圧縮は、透過物を次の分離モジュールへ吹き込むことを可能にするためには欠くことのできないステップである。というのは、透過物の透過物出口は入口圧力より低圧であるからである。
【００１６】
同様に、抽出部13では、各分離モジュールから来た残留物は次の分離モジュールに直接に供給される。濃縮部および抽出部のステップの数(ここでは3)は所望される純度に応じて決定される。
【００１７】
しかし、非特許文献２に従って装置11を導入することにはいくつかの問題がある。
【００１８】
この構成の欠点は、純粋な生成物の生産量が比較的少ないことである。実際は、使用されない副生成物がかなり生産される(濃縮部ではL1〜L3、抽出部ではL'1〜L'3)。したがって、最終生成物(final product)(濃縮部12ではP、抽出部13ではR)が供給物Fのわずかな割合しか占めていない。
【００１９】
この問題の1つの解決策は、図3に概略的に示した装置100などの、非特許文献３に記載されている、再利用を伴うカスケード装置を使用することである。
【００２０】
装置100は、
-主供給物入口Fを備える入口分離モジュール102、
-別の2つの分離モジュール101および103、
-2つのコンプレッサ104および105
を有する。
【００２１】
分離モジュール102からの残留物出口は分離モジュール103上の供給物入口に連結される。
【００２２】
分離モジュール102からの透過物出口は、コンプレッサ104を介して分離モジュール101上の供給物入口に連結される。
【００２３】
分離モジュール103からの残留物出口は、コンプレッサ105を介して主供給物入口Fに連結される。
【００２４】
したがって、供給物Fは、2つの最終生成物(end product):透過物P(分離モジュール103からの透過物出口に対応する)および残留物R(分離モジュール101からの残留物出口に対応する)、に分割される。
【００２５】
この装置は、再利用を伴わないカスケード構成と比較して純粋な生成物の生産量を向上させるのを助ける。
【００２６】
しかし、非特許文献3に従って装置100を導入することにもやはりいくつかの問題がある。
【００２７】
実際は、商業用途では、コンプレッサに付随するコストにより装置の数が制限される傾向がある。このため、大部分の商業用途では、ガス分離用に1つまたは2つのコンプレッサのみが使用される。
【００２８】
また、再利用を伴うカスケードシステムは、通常、不純物の水準がかなり高い(>5%)気体濃度用に開発される。そのため、カスケードシステムは、大幅に希釈された不純物(体積において最大2%のvpmなど)の処理には適していない。このような処理には非常に大型で強力なコンプレッサが必要となり、複数の分離ステップが伴われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】仏国特許発明第2802114号明細書
【非特許文献】
【００３０】
【非特許文献１】「Fundamentals of inorganic membrane science and technology」、A.J. BurggraffおよびL. Cot、Elsevier、1996年
【非特許文献２】「Membrane cascade schemes for separation of LPG olefins and paraffins」(J. Memb. Sci.、233 (2004) 21〜37頁、Avigidouら)
【非特許文献３】「A simplified method for the synthesis of gas separation membrane cascades with limited numbers of compressors」(Chemical Engineering Science、Vol. 52、No. 6 (1997) 1029〜1044頁、R. Agrawal)
【非特許文献４】「Development of new microporous silica membranes for gas separation」(Barboiuら、World Hydrogen Energy Conference、2006年6月13〜16日、Lyon)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
これに関連して、本発明の目的は、副生成物に伴う損失を回避しながら高純度生成物を得るために透過により混合気体を処理するための、比較的安価であり、低濃度の不純物を含む気体流れを処理する能力を有する装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
この目的のために、本発明は、m×n個の分離モジュールPij(mおよびnは2以上の自然数(natural integer)、iは1からmまでの自然数、jは1からnまでの自然数である)を有する、透過により混合気体を処理するための装置を提案する。各分離モジュールPijは、
-透過物入口Epij(分離モジュールP11の透過物入口Ep11が装置の混合気体供給物入口に相当する)、
-透過物出口Spij、
-残留物出口Srij、
を有する。この装置は、
-透過物出口Spijが分離モジュールPi+1jの透過物入口Epi+1jに連結されること、
-残留物出口Srijが分離モジュールPij+1の透過物入口Epij+1に連結されること
を特徴とし、
中間での再利用を行わない。
【００３３】
混合気体を処理するためのこの装置は、m個の分離モジュール行(ある透過物出口から次の透過物入口へと連続的に移行することにより最も透過性の高い成分を生成するm回の濃縮ステップに相当する)およびn個の分離モジュール列(ある残留物出口から次の透過物入口へと連続的に移行することにより透過性の低い成分を生成するn回の濃縮段階に相当する)を含むマトリックスの形態で表示され得る。
【００３４】
各分離モジュールが上述したような単一ユニット(すなわち、1つの透過物入口、1つの残留物出口、および1つの透過物出口を備える)または並列に取り付けられる単一モジュールの組合せ(すなわち、供給物が、単一モジュールのそれぞれの入口および相互連結された単一モジュールの出口への供給のために分割される)のいずれかであってよいことに留意されたい。
【００３５】
本発明では、分離モジュールからの透過物流れは、次のステップの分離モジュールへの供給を促進するために再利用される。これにより、コンプレッサを使用することなく、連続するステップへ継続させて成分を分離することが可能となる。言い換えると、本発明による装置は、各透過ステップの間で、コンプレッサを用いた中間的な再利用を必要としない。もちろん、このようにコンプレッサがないことにより経済的な利点が得られる。
【００３６】
さらに、ガスを精製するためには(すなわち、ガスから透過性の低い不純物を分離するためには)、膜が、不純物を濃縮するために、精製されるガスに対して優れた選択透過性を有していることが望ましい。ステップの回数は所望される不純物濃度に応じて決定される。すなわち、ステップの回数が増えると、透過物中の不純物の濃度は低下する。
【００３７】
同様に、ステップの回数が増えると、残留物中の不純物濃度は上がる。
【００３８】
したがって、ステップおよび段階の回数は、(残留物および透過物の両方に対する)所望される純度および回収される生成物の品質に応じて決定される。ステップの回数mは段階の回数nと異なってよい。
【００３９】
本発明はまた、本発明による装置を少なくとも1つ有する、透過により混合気体を処理するためのシステムに関し、このシステムは、p×q個の要素Mijを有するp行およびq列のマトリックス構造Mij(iは1からpまでの自然数、jは1からqまでの自然数、およびMijは分離モジュールPijまたは空要素のいずれかである)によって表示される。上記の各分離モジュールPijは、
-透過物入口Epij、
-透過物出口Spij、
-残留物出口Srij
を有し、透過物出口Spijは、分離モジュールPi+1jが存在する場合は分離モジュールPi+1jの透過物入口Epi+1jに連結され、上記残留物出口Srijは、分離モジュールPij+1が存在する場合は分離モジュールPij+1の透過物入口Epij+1に連結され、要素M11は、少なくとも1つの上記装置に属する分離モジュールP11に相当する空ではない要素であり、分離モジュールP11の透過物入口Ep11はシステムの混合気体供給物入口に相当する。
【００４０】
本発明によるシステムはまた、個別とみなされる、または技術的に可能なすべての組合せに従った以下の1つまたは複数の特徴を有していてよい:
-このシステムから得られる透過物の種々の流れが単一の透過物出口行上に集められる、および/または、このシステムから得られる種々の残留物流れが単一の残留物出口行上に集められる、
-このシステムが、システムの混合気体供給物入口のところにコンプレッサを有する、
-分離モジュールが管状膜または多チャネル膜を有する、
-管状膜が、ホウ素を含むシリカベースの微多孔層を有する、
-各分離モジュールの膜の表面積が、同一の次の分離モジュールに供給される残留物流れと透過物流れとの間で同様の濃度が得られるように調節される。
【００４１】
本発明はまた、ヘリウムまたは水素を含んでいる混合気体中のヘリウムまたは水素を分離するための本発明によるシステムの使用法および本発明による処理システムを用いたヘリウム冷却回路(helium cooling circuit)を有する原子力施設に関する。
【００４２】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照した、以下の実施例の非包括的な一覧で示される説明から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】従来技術による、透過により混合気体を処理するための第1の装置を示した簡略化された概略図である。
【図２】従来技術による、透過により混合気体を処理するための第2の装置を示した簡略化された概略図である。
【図３】従来技術による、透過により混合気体を処理するための第3の装置を示した簡略化された概略図である。
【図４】本発明による、混合気体を処理するための装置を示した簡略化された概略図である。
【図５】本発明による、混合気体を処理するためのシステムを示した簡略化された概略図である。
【図６】並列に取り付けられた複数の単一モジュールを集めた分離モジュールを示した簡略化された概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
すべての図面において、共通の要素は同一の参照符号を有する。
【００４５】
図1〜3は従来技術の参照において上述した。
【００４６】
図4は、本発明による混合気体を処理するための装置の簡略化された概略図である。装置Iは、
-処理される混合気体のための供給物入口F、
-マトリックス(Pij)の形態で表示され得る9つの分離モジュール(iは1から3までの自然数、jは1から3までの自然数である)
を有する。上記の各分離モジュールPijは、
-透過物入口Epij、
-透過物出口Spij、
-残留物出口Srij
を有する。
【００４７】
例えば、分離モジュールP12は、透過物入口Ep12、透過物出口Sp12、および残留物出口Sr12を有する。
【００４８】
混合気体用の供給物入口Fは、分離モジュールP11の透過物入口Ep11に相当する。
【００４９】
透過物出口Spijは、分離モジュールPi+1jの透過物入口Epi+1jに連結される。この連結は、ステップi(分離モジュールマトリックスの行i)からステップi+1(分離モジュールマトリックスの行i+1)への移動に相当する。
【００５０】
残留物出口Srijは、分離モジュールPij+1の透過物入口Epij+1に連結される。この連結は、段階j(分離モジュールマトリックスの列j)から段階j+1(分離モジュールマトリックスの列j+1)への移動に相当する。
【００５１】
混合気体を分離するために、分離モジュールP11には供給物Fにより圧力P1の混合物の流れが加えられる。そのとき、膜の両側の間に圧力差が生じる。
【００５２】
膜は、混合物の1つの構成物質に対して混合物の他の構成物質より優れた透過性を有していることから、透過性の高い構成物質で透過物が濃縮され、他の構成物質は非透過物領域に保持される。圧力P1の残留物は残留物出口から回収され、P1より低い圧力P2の透過物は透過物出口から回収される。
【００５３】
本発明による装置Iは、3つの分離モジュール行(ある透過物出口から次の透過物入口へと連続的に移行することにより最も透過性の高い成分を生成する3回の濃縮ステップに相当する)および3つの分離モジュール列(ある残留物出口から次の透過物入口へと連続的に移行することにより透過性の低い成分を生成する3回の濃縮段階に相当する)を有する。
【００５４】
特定の実施形態では、装置Iの出口から得られる透過物流れ(ここでは、Sp31、Sp32、Sp33)は、これらの圧力および組成が異なっている場合でも同一の透過物出口行(図4では図示せず)上に集められてよい。装置Iの出口から得られる残留物流れ(ここでは、Sr13、Sr23、Sr33)にも同様のことが当てはまり、これらは同一の残留物出口行上に集められてよい。
【００５５】
図5は、本発明による混合気体を処理するためのシステムSを示している。
【００５６】
システムSは、図4を参照して説明した装置と類似する装置Iを有する(実際には、図5の装置Iが、図4の装置の場合のように3行ではなく、2行の分離モジュールを有することのみが異なる)。
【００５７】
システムSは、4行(L1からL4)および6列(C1からC6)を有しており24個の要素Mijを含んでいるマトリックス構造(Mij)(iは1から4までの自然数、jは1から6までの自然数である)の形態で存在する。
【００５８】
要素Mijは分離モジュールPij(図4を参照して説明したような)または空要素のいずれかである。
【００５９】
したがって、例えば、M32は分離モジュールP32となり、M31は空要素となる。
【００６０】
図4の装置IはシステムSの特定のケースであり、ここでは、要素Mijのすべてが分離モジュール(空要素ではない)となることに留意されたい。
【００６１】
図5の場合では、システムSは15個の分離モジュール(24個も可能であるが):
-1つの行L1:3つの分離モジュールP11からP13、
-1つの行L2:4つの分離モジュールP21からP24、
-1つの行L3:4つの分離モジュールP32からP35、
-1つの行L4:4つの分離モジュールP43からP46
を有する。
【００６２】
その他の要素Mijは空要素である。
【００６３】
一般に、分離モジュールPijの透過物出口は、分離モジュールPi+1jが存在する場合は分離モジュールPi+1jの透過物入口に連結される。
【００６４】
同様に、分離モジュールPijの残留物出口は、分離モジュールPij+1が存在する場合は分離モジュールPij+1の透過物入口に連結される。
【００６５】
したがって、分離モジュールP22の透過物出口Sp22は分離モジュールP32の透過物入口Ep32に連結される。
【００６６】
同様に、分離モジュールP22の残留物出口Sr22は分離モジュールP23の透過物入口に連結される。
【００６７】
対照的に、分離モジュールP32の透過物出口Sp32はいずれの分離モジュールにも連結されない(M42は空要素)。
【００６８】
同様に、分離モジュールP24の残留物出口Sr24もいずれの分離モジュールにも連結されない(M25は空要素)。
【００６９】
システムSの出口から得られる種々の透過物流れ(ここでは、Sp21、Sp32、Sp43、Sp44、Sp45、およびSp46)が同一の透過物出口行Lp上に集められる。システムSの出口から得られる種々の残留物流れ(ここでは、Sr13、Sr24、Sr35、およびSr46)にも同様のことが当てはまり、これらは単一の残留物出口行Lr上に集められる。
【００７０】
好適な実施形態では、同一の分離モジュールに供給される残留物流れと透過物流れとの間で同様の濃度を得るために、各分離モジュールに対して動作条件(圧力、温度、流量、および供給物の組成)および膜表面を選択することができる(例えば、図4および5に示した流れF1およびF2の濃度を参照されたい)。
【００７１】
このようにして、本発明による装置IおよびシステムSは、ヘリウム流れの冷却処理において、具体的には、HTR(高温炉(High Temperature Reactor))と呼ばれる新世代の高温原子炉の一次回路に適用されるのが特に魅力的である。これらの原子炉では、ヘリウム中に存在する、CO、CO2、CH4、および、XeまたはKrのような分裂生成物など不純物は、腐食の原因となるため、除去されなければならない。
【００７２】
上述した特定の用途に加えて、本発明による装置およびシステムは、それらの多くの利点を考えれば、多くの使用分野に適用される。
【００７３】
詳細には、本発明による装置およびシステムは、石油科学薬品の精製所の流出物のような水素H2を含んでいる混合気体から水素H2を抽出するのに、あるいは、合成反応器に導入される前などの水素流中に存在するまたは触媒の作用を阻害する可能性があるCOガスの除去が可能な場合は燃料電池(PEM(電解質膜(Proton Exchange Membrane))を有する)内に存在するガス状汚染物質を除去するのに使用され得る。
【００７４】
透過および選択性に関して分離効率の高い膜は、分離されるガスの運動直径(kinetic diameter)が小さい場合はそれらを取得することが困難であることに留意されたい。したがって、上述した用途(運動直径が0.30nm未満のヘリウムまたはヘリウムの運動直径に接近している水素の分離)では、分離モジュールは、例えば、非特許文献４に記載されているような1つまたは複数の管状膜を集合させて使用されてよい。これらの膜は、ホウ素を含むシリカベースの微多孔層を有する。
【００７５】
HTRの用途では、フィード圧は約70バール(7MPa)である。したがって、この圧力は、入口コンプレッサなしで装置Iを作動させるのに十分に高い圧力である。ここでは、産出されたすべての透過物流れは原子炉内へと再循環される(透過物を原子炉へと再循環させるにはコンプレッサが必要となる)。
【００７６】
フィード圧が低い場合の用途では、供給物F用のコンプレッサを追加する必要がある場合がある。
【００７７】
導入部で述べたように、再利用を伴うカスケードシステムは、通常、不純物の水準がかなり高い(>5%)気体濃度用に開発される。したがって、カスケードシステムは、大幅に希釈された不純物の処理には適していない。HTRの用途では、不純物はvpm(volume per million)程度まで大幅に希釈される。また、回収されるヘリウムの量は可能な限り高くなければならない(>99%)。本発明による装置およびシステムは、膜表面を通過して透過物まで到達した大量のヘリウムを回収することができかつ不純物が大幅に希釈されている場合でも効果的なろ過を可能にするこのようなタイプの用途に特に適している。
【００７８】
図4の装置Iと図5のシステムSとの違いは、(システムSの場合は)末端にある分離モジュール(マトリックスの左下および右上)が段階的に除去されることである。このような除去の主な理由は以下のとおりである:
-段階および/またはステップの回数が増すにつれて、流量が段階的に減少することから分離モジュールが除去されてよい、
-残留物中の成分の組成(すなわち、HTRの用途の場合は不純物)があまりにも多くなり過ぎるまたは透過物中の成分があまりにも増加し過ぎること(HTRの用途の場合は、原子炉に向かう再循環のために必要となる分と比較してヘリウムの濃度が高くなり過ぎること、および、再循環されるヘリウム中の不純物の濃度が低くなり過ぎること)は望ましくないことから、分離モジュールが除去されてよい。
【００７９】
本発明による装置およびシステムが中間での再利用を伴わないという事実は、暗に、本発明による装置およびシステム内のモジュールからの残留物出口および透過物出口が、この装置内またはシステム内の上記モジュールの前のモジュールに連結されないことを意味する。この特徴は図4および5に明確に示されている。
【００８０】
また、図4および5に示したモジュールなどの各単一ユニットモジュールPijは、並列に取り付けられた複数の単一ユニットモジュールを含む分離モジュールであってもよい。このような分離モジュールPの実施例を図6に示す。この分離モジュールは3つの単一ユニット分離モジュールM1〜M3を有する。供給物は、各単一ユニットモジュールM1〜M3の入口へ供給される3つの流れに分離される。モジュールM1〜M3の残留物出口は、全体的な残留物出口を形成するために相互連結される。同様に、モジュールM1〜M3の透過物出口は全体的な透過物出口を形成するために相互連結される。モジュール内部の液体の速度を低下させるためにおよび流量が多いときに分子を適切に選別するために、並列に連結されたモジュールが使用されてよい。これにより、分離モジュール内部のガスの速度を低下させることが可能となり(その結果として仕事量の損失が発生し)、また、分子を適切に選別することができるように動作することが可能となる(分離面(separation surface))。
【００８１】
もちろん、本発明は説明した実施形態のみに限定されない。
【００８２】
具体的には、図4に示した装置の段階およびステップの回数は等しいが、これらの数は明らかに異なっていてもよい。
【００８３】
また、管状膜の実施例を説明してきたが、本発明はすべてのタイプの膜(平膜または管状膜、単一チャネルまたは多チャネルの膜)およびすべてのタイプの分離モジュールに適用される。膜に使用される材料にも同様のことが当てはまり、この材料は、ポリマー、鉱物、および/または複合材料であってよい。
【００８４】
最後に、いかなる手段も同等の手段に置き換えられてよい。
【符号の説明】
【００８５】
C1、C2、C3、C4、C5、C6  列
Epij  透過物入口
F  供給物入口
F1、F2  流れ
I  装置
L1、L2、L3、L4  行
Mij  要素
Pij  分離モジュール
S  システム
Spij  透過物出口
Srij  残留物出口
【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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【国際調査報告】
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