(57)【要約】【課題】多成分の供給流れを分離するための方法及び装置を提供する。【解決手段】多孔質セパレータが、透過及び相変化によって、異なる組成物の少なくとも３つの画分を効果的に生成するのに使用される、多成分の供給流れを分離するための方法及び装置が提供される。【選択図】図１
2007330965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）同一相中に少なくとも２つの流体成分を有する供給流れを提供する工程、
（ｂ）流入側と流出側を有する多孔質セパレータを提供する工程、
（ｃ）該セパレータの流入側の相対的に高い圧力と該セパレータの流出側の相対的に低い圧力とで構成される圧力差を該セパレータを挟んで維持する工程、
（ｄ）該セパレータの流入側で形成される未透過流れと、（ｉ）該セパレータの流入側の反対側で形成され、（ｉｉ）処理される前記供給流れの比率とは異なる比率で該供給流れの２つ以上の成分を含み、かつ（ｉｉｉ）液体透過画分及び蒸気透過画分の供給源である透過画分とに前記供給流れの成分を分離する条件下において前記相対的に高い圧力で該供給流れを前記セパレータの流入側と接触させる工程、並びに
（ｅ）前記未透過流れ、前記液体透過画分、及び前記蒸気透過画分のそれぞれを回収する工程、
を含む、多成分の供給流れを画分に分離するための方法。
【請求項２】
前記供給流れの２つの成分が液体である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記供給流れの２つの成分が蒸気である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記供給流れが蒸気成分をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記供給流れが３つ以上の成分を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記供給流れが共沸性であり、前記液体及び蒸気透過画分が非共沸性である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
工程（ａ）〜（ｅ）がエネルギーの入力なしに行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
工程（ａ）〜（ｅ）がエネルギーの入力の存在下で行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
工程（ａ）〜（ｅ）が所定の回数繰り返される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
同一相中に所定量の少なくとも２つの流体成分を含有する多成分の供給流れを画分に分離するのに使用することができ、かつ
（ａ）前記供給流れを受け入れるための入口と該供給流れの一部を排出するための出口とを有する第１の圧力チャンバー、
（ｂ）第２の圧力チャンバー、
（ｃ）（ｉ）該第１の圧力チャンバーと該第２の圧力チャンバーの間に位置し、（ｉｉ）前記供給流れを受け入れるための流入側と、該第２の圧力チャンバーに連通している流出側とを有し、かつ（ｉｉｉ）該供給流れの流体成分の一部のみの、前記所定量とは異なる量の前記流入側から前記流出側への通過を可能にするよう適合された多孔質セパレータ、
（ｄ）前記第２の圧力チャンバーの圧力よりも高い値に前記第１の圧力チャンバーの圧力を維持し、前記多孔質セパレータの両側に圧力差を確立するための手段、
（ｅ）前記第２の圧力チャンバー中の蒸気を取り出すことができる該第２の圧力チャンバーにおける蒸気出口、並びに
（ｆ）前記第２の圧力チャンバー中の液体を取り出すことができる該第２の圧力チャンバーにおける液体出口
を備えたモジュールを有する装置。
【請求項１１】
複数の前記モジュールを連続して有し、該連続したモジュールの第１の圧力チャンバーの出口が該連続しているすぐ後のモジュールの第１の圧力チャンバーの入口と流体的に連結している、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
リボイラー及びコンデンサーからなる群より選択される少なくとも１つの熱伝達装置をさらに備えた、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記多孔質セパレータが多孔質膜、モレキュラーシーブ、ゼオライト格子、充填層基材、及びナノチューブからなる群より選択される少なくとも１つの多孔質材料を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
前記多孔質セパレータが透過性非多孔質材料をさらに含む、請求項１３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多成分の供給流れを画分に分離するための方法、及び当該方法を達成するための装置に関する。より具体的には、本発明は、多成分の供給流れを、それら成分の１つ又は複数の比較的高い濃度を含有する画分に分離するための多孔質セパレータの使用を含む方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多成分の供給流れからその流れを構成する個々の成分を分離し回収する非常に多くの技術が知られている。このような技術の例としては、蒸留、多孔質膜分離、遠心分離、飛沫同伴又は衝突分離、及び非多孔質静電膜分離が挙げられる。典型的には、これら技術は異なる種類の用途に別々に用いられ、また、異なる種類の設備において実施される。
【０００３】
例えば、本発明と同じ譲受人に譲渡されている特許文献１（Ｃｈｅｒｎｙａｋｏｖ）は、まずガス流を膜の系と１つ又は複数の段階において接触させることにより希釈ガスとフルオロケミカルを含有するガス流からフルオロケミカルを分離及び回収するための方法を記載しており、当該膜はフルオロケミカルよりも希釈ガスを選択的に透過することができ、希釈ガスを多く含む流れとガス状フルオロケミカルを多く含む流れを提供する。得られた各ガス流は、続いて蒸留又は吸着を使用した分離工程において精製され、フルオロケミカルを高度に濃縮した流れと、希釈ガスを高度に濃縮した流れが生成される。
【０００４】
減圧膜蒸留（ＶＭＤ）とパーベーパレーションなどの方法と組み合わせた膜分離及び相変化技術の使用も同様に知られている。ＶＭＤシステムは、高分子膜を介した部分的な気化によって水などの溶媒から低濃度の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を抽出するための膜に基づいた方法を利用する。膜は、液相のフィードと膜を透過する蒸気との間の選択的なバリヤーとして作用する。
【０００５】
ＶＭＤ法の例は特許文献２の要約中に記載されている。この刊行物によれば、供給流れを疎水性多孔質膜などの多孔質セパレータの流入側と接触させ、多孔質セパレータの流出側を水性「回収」溶液と接触させることにより、供給流れから溶解している揮発性物質を分離する方法が提供される。供給流れが膜と接触すると、分離すべき成分が蒸発し、膜に隣接したガス状の層を形成する。次いで、ガス形態の成分がセパレータの流入側に入り、セパレータを通って拡散し、セパレータを出てセパレータの流出側に進む。ガス状成分がセパレータを出ると、それは供給流れよりも低温に維持された水性回収溶液に吸収される。したがって、この刊行物によって教示される方法によれば、分離すべき成分はセパレータを通って流れるときに相変化を受けない。
【０００６】
ＶＭＤの別の例は特許文献３の要約中に記載されている。この刊行物によれば、供給液を多孔質の液体不透過性の膜と接触させ、次いで加熱して供給液の幾つかの成分を蒸発させる。蒸発した蒸気が膜を透過して蒸気収集空間に入り、そこで凝縮される。特許文献２と同様、この刊行物も分離すべき成分がセパレータを通って流れるときに相変化を受けない方法を教示している。
【０００７】
ＶＭＤ法と対照的に、パーベーパレーションは、２つの相、即ち、液体フィード／未透過流れ相フィードと蒸気相透過物との間の選択的なバリヤーとして機能する膜の使用を伴う。この膜は、液体フィードの１つ又は複数の所望の成分が気化により膜を通って移動することを可能にする。この分離は、主として極性の相違によるものであり、フィード中の成分の揮発性の相違によるものではない。
【０００８】
パーベーパレーション法の例は、半導体基材を有機溶剤で洗浄するための方法を記載している特許文献４（Ｋａｇｉｙａｍａ）において見出される。基材を洗浄すると、有機溶剤は水、電解質及び粒子で汚染される。この溶剤は、第１の透過気化工程、続いて分離及び独立した蒸留工程を伴う２工程のプロセスによって精製される。透過気化工程の間、液体溶剤／水の混合物はパーベーポレータを通って運ばれ、溶剤から大部分の水と他の不純物が除去される。より具体的には、大部分の溶剤はパーベーポレータの膜を透過するが、大部分の水は透過しない。次いで、膜を透過した溶剤は分離装置に移され、蒸留によって溶剤から水がさらに除去される。したがって、Ｋａｇｉｙａｍａは、セパレータのみを使用して、透過と、蒸気及び液体の透過画分の生成とによって多成分の供給流れの成分を効果的に分離することを教示していない。
【０００９】
パーベーパレーション法はまた、特許文献５（Ｋａｓｃｈｅｍｅｋａｔ）に記載されており、当該文献は、液体の混合物から少なくとも１つの成分を分離すること、例えば、（ａ）第１のパーベーパレーション装置を用いて分離すべき成分を多く含む第１の透過蒸気を形成し、（ｂ）第１の透過蒸気を、例えば、分留コンデンサーにおいて温度凝縮により分別して分離すべき成分を２倍多く含む高濃度画分を形成することにより、発酵体からエタノールを分離することを開示している。Ｋａｓｃｈｅｍｅｋａｔによれば、分離すべき混合物は、パーベーポレータの膜を透過するときに（液体から蒸気への）相変化を受ける。パーベーポレータを出る蒸気の組成はエタノールを多く含んでいる。この濃縮された蒸気はコンデンサーに移され、そこで水蒸気の少なくとも一部が凝縮されて液体になり、続いて除去される。Ｋａｓｃｈｅｍｅｋａｔは、膜を利用して透過により多成分の供給流れを分離する方法、及び膜を透過する材料が相変化を受けることについて教示しているが、膜のみを使用して、透過と、蒸気及び液体の透過画分の生成とによって多成分の供給流れの成分を効果的に分離することを教示していない。
【００１０】
連続して複数の膜を利用し、それぞれ次に続く未透過流れの段階において次第により高真空、より高温又はその両方で行われる多段パーベーパレーション法が特許文献６（Ｆｅｉｍｅｒ）に開示されている。この方法は、沸点が広い範囲にわたって異なる成分を分離するのに有用であると記載している。ＦｅｉｍｅｒとＫａｓｃｈｅｍｅｋａｔは、両者ともパーベーポレータとコンデンサーにより多成分フィードを分離する方法を教示しているという点で類似している。しかしながら、Ｆｅｉｍｅｒはまた、複数のパーベーポレータとコンデンサーを連続して使用することで、複数のプロセス流を形成することができると教示している。
【００１１】
パーベーパレーションの他の例は、例えば、特許文献７（Ｗｅｎｚｌｏｆｆ）において見出すことができる。
【特許文献１】米国特許第６，０３２，４８４号明細書
【特許文献２】特開平３−０８９９２２号公報
【特許文献３】特開昭６１−０１８４０６号公報
【特許文献４】米国特許第４，７８８，０４３号明細書
【特許文献５】米国特許第４，９００，４０２号明細書
【特許文献６】米国特許第４，９６２，２７０号明細書
【特許文献７】米国特許第５，１０８，５４９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記のそれぞれの開示では、パーベーパレーション又はＶＭＤ工程は、他の如何なる精製又は分離法とも密接に結び付いていない。即ち、パーベーポレータは、透過によって多成分の供給流れを分離しているに過ぎない。熱力学的分離（例えば、蒸留）は、装置の別々の部分で行われる別個の工程として教示されている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、
（ａ）同一相中に少なくとも２つの流体成分を有する供給流れを提供する工程、
（ｂ）流入側と流出側を有する多孔質セパレータを提供する工程、
（ｃ）該セパレータの流入側の相対的に高い圧力と該セパレータの流出側の相対的に低い圧力とで構成される圧力差を該セパレータを挟んで維持する工程、
（ｄ）該セパレータの流入側で形成される未透過流れと、（ｉ）該セパレータの流入側の反対側で形成され、（ｉｉ）処理される前記供給流れの比率とは異なる比率で該供給流れの２つ以上の成分を含み、かつ（ｉｉｉ）液体透過画分及び蒸気透過画分の供給源である透過画分とに前記供給流れの成分を分離する条件下において前記相対的に高い圧力で該供給流れを前記セパレータの流入側と接触させる工程、並びに
（ｅ）前記未透過流れ、前記液体透過画分、及び前記蒸気透過画分のそれぞれを回収する工程、
を含む、多成分の供給流れを画分に分離するための方法が提供される。
【００１４】
本発明の１つの典型的な実施態様では、（Ａ）供給流れは、好ましくは任意選択で１つ又は複数の蒸気成分を含有することができる液体成分の混合物を含み、（Ｂ）多孔質セパレータと、供給流れを構成する成分のそれぞれの性質は、（ｉ）複数の成分のうち幾つかが高圧環境から低圧環境へ移動するときにセパレータを透過し（供給流れの比率とは異なる比率で成分を含む透過画分）、かつ（ｉｉ）複数の成分のうち幾つかが、例えば、セパレータの細孔サイズと成分の分子サイズの相対的なサイズのためにセパレータを透過しない（未透過流れ）ようなものであり、（Ｃ）透過画分の成分は、それら成分のうち少なくとも１つが、例えば、フラッシュして蒸気になることで相変化を受け（蒸気透過画分）、セパレータを透過して液体状態のまま残る１つ又は複数の液体成分（液体透過画分）から重力によって分離する条件下で分離される。
【００１５】
本発明の重要な態様は、液相中に１つ又は複数の成分と蒸気相中に１つ又は複数の成分とを含む透過画分をその組成が互いに異なる各相を含む状態で生成するのに効果的な条件を作り出しそして維持することである。例えば、多孔質セパレータ及び当該多孔質セパレータの流出側の圧力条件は、透過画分の少なくとも１つの液体成分のフラッシングを生じさせるか又は透過画分の少なくとも１つの蒸気成分の凝縮を生じさせるよう維持される。得られた蒸気透過画分と液体透過画分は重力により分離し、次いで回収することができる。したがって、本発明の方法を効率的かつ効果的に操作して多成分の供給流れの１つの画分を当該供給流れの別の画分から実質的に同時に分離し、一方で、もう一方の画分を２つの異なる画分にさらに分離することができ、これは多孔質セパレータ両側の適切な圧力差のみを用いて効果的に達成することができる。
【００１６】
本発明の別の態様では、同一相中に所定量の少なくとも２つの流体成分を含有する多成分の供給流れを画分に分離するのに使用することができ、かつ
（Ａ）前記供給流れを受け入れるための入口と該供給流れの一部を排出するための出口とを有する第１の圧力チャンバー、
（Ｂ）第２の圧力チャンバー、
（Ｃ）（ｉ）該第１の圧力チャンバーと該第２の圧力チャンバーの間に位置し、（ｉｉ）前記供給流れを受け入れるための流入側と、該第２の圧力チャンバーに連通している流出側とを有し、かつ（ｉｉｉ）該供給流れの流体成分の一部のみの、前記所定量とは異なる量の前記流入側から前記流出側への通過を可能にするよう適合された多孔質セパレータ、
（Ｄ）前記第２の圧力チャンバーの圧力よりも高い値に前記第１の圧力チャンバーの圧力を維持し、前記多孔質セパレータの両側に圧力差を確立するための手段、
（Ｅ）前記第２の圧力チャンバー中の蒸気を取り出すことができる該第２の圧力チャンバーにおける蒸気出口、並びに
（Ｆ）前記第２の圧力チャンバー中の液体を取り出すことができる該第２の圧力チャンバーにおける液体出口
を備えたモジュールが提供される。
【００１７】
以下、詳細に説明されるように、本発明の別の態様では、上記タイプの複数のモジュールを備え、供給流れの１つ又は複数の成分を多く含む供給流れの画分を得るのに使用できる装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明による多成分の供給流れを画分に分離するのに使用するための典型的な装置がここで説明される。本発明の好ましい実施態様を例示しかつ多成分の供給流れ１００を様々な画分に分離するための装置１０を示す図１が参照される。装置１０は、供給流れをその流れの成分を含む画分に分離する単一のモジュール５０を備える。モジュール５０は、多孔質セパレータ２６によって低圧チャンバー２４から隔離された高圧チャンバー２２を含み、多孔質セパレータ２６の性質（例えば、細孔サイズ）は分離すべき流れの成分に依存している。高圧チャンバー内の圧力はバルブ３０によって制御される。多孔質セパレータ２６は、供給流れ１００の少なくとも２つの成分に対して透過性である。低圧チャンバー２４は、高圧チャンバー２２の圧力よりも低い圧力に保持される（したがって、多孔質セパレータ２６の両側に圧力差が存在する）。低圧チャンバー２４の圧力は、バルブ３４とバルブ３２によって制御される。「高圧」及び「低圧」という語の使用は、圧力の絶対値、即ち、圧力が実際に大気圧よりも大きいか又はそれよりも小さいかを記載するものではない。これらの語は、多孔質セパレータ２６の両側の圧力差を説明するように、一方のチャンバーを他方のチャンバーの圧力よりも高い圧力を有するものとして特徴付けるために相対的な意味でもっぱら用いられる。
【００１９】
図２を参照すると、供給流れ１００は、モジュール５０の高圧チャンバー２２へ導入され、そこで多孔質セパレータ２６と接触する。多孔質セパレータ２６の特定の性質及び多孔質セパレータ両側の圧力差のために、供給流れ１００の少なくとも２つの成分のうち一部が多孔質セパレータ２６を透過し、低圧チャンバー２４に移動する。多孔質セパレータを通過する供給流れの一部は透過画分５００を構成する。高圧チャンバー２２中に残った組成物は未透過流れ２１０を構成し、導管２００を通って高圧チャンバーから回収することができる。
【００２０】
透過画分５００が低圧チャンバー２４へ行く途中で多孔質セパレータ２６を通過するとき、その成分の少なくとも１つが相変化、即ち、物理的状態の成分変化を受ける。低圧チャンバー２４の圧力及び温度は、透過画分５００が、２つの相、即ち、それぞれ供給流れ１００及び透過画分５００と組成の異なる液４２０相及び蒸気３２０相中に存在できるよう維持することができる。これらの相を含む組成物は重力下で分離し、液体透過画分４３０と蒸気透過画分３３０を形成し、それぞれ導管４００と導管３００を通って低圧チャンバー２４から回収することができる。好ましい実施態様では、供給流れ１００が連続的にモジュール５０に供給され、未透過流れ２１０、蒸気透過画分３３０、及び液体透過画分４３０を連続的に生成するよう条件が維持される。
【００２１】
本発明の発展形の他の態様の説明を続ける。
【００２２】
供給流れは、同一流体相にある少なくとも２つの成分を含む。透過の発展形は、液相にある少なくとも２つの成分を含む供給流れを処理するのにより広く使用されるが、それにもかかわらず、これは蒸気相にある少なくとも２つの成分を含む供給流れを処理するのにも使用することができると考えられる。いずれの場合も、「液」の流れは蒸気相にある１つ又は複数の成分を含有することができ、「蒸気」の流れは液相にある１つ又は複数の成分を含有することができる。
【００２３】
供給流れを構成する成分としては、周囲条件では気体であるが、温度及び／又は圧力条件のために供給流れにおいて液相にある化合物を挙げることができる。供給流れの成分を含むことができる化合物の例としては、水、水素、アルカン、アルケン、アルキン、シクロアルカン、芳香族化合物、ハロゲン化物、ハロカーボン、アルコール、エーテル、アミン、ニトリル、ニトロ化合物、シラン、スルフィド、スルホキシド、スルホン、チオール、カルボイル、アルデヒド、ケトン、エステル、アミド、アルドース、ケトース、及びアセタールが挙げられる。これらの成分は、上記化合物の２つ以上と１つ又は複数の他の化合物を含むことができる。供給流れを構成する化合物の特定の組み合わせの例としては、（Ａ）エタノール及び水（共沸性及び非共沸性）と、（Ｂ）二酸化炭素、メタン及びプロパンと、（Ｃ）水素、メタン及び二酸化炭素とが挙げられる。供給流れは、周囲温度であることができるか又はそれよりも高い温度若しくは低い温度であることができる。
【００２４】
供給流れの成分は、圧力下でその流れを多孔質セパレータと接触させることによって分離される。多孔質セパレータを通過しない流れの１つ又は複数の成分は未透過流れを構成する。多孔質セパレータを通過する２つ以上の成分は、液体及び蒸気透過画分の供給源である透過画分を構成する。
【００２５】
本発明の多孔質セパレータは、供給流れの少なくとも２つの成分の選択的な透過を供給流れ中のそれらの量とは異なる量で可能にする材料である。このような透過に関係するプロセス変量としては、例えば、多孔質セパレータ両側の圧力差、多孔質セパレータの細孔サイズ、及び成分を構成する化合物の分子サイズが挙げられる。
【００２６】
特定の規定条件（例えば、温度、圧力、及び成分比）下で部分的な相変化（即ち、少なくとも１つ、しかし全部よりは少ない数の成分のフラッシング又は凝縮）を受ける透過画分の容量は、ＡＳＰＥＮ Ｐｌｕｓ（登録商標）などの商業的に入手可能なプロセスシミュレーションソフトウェアを用いて決定することができる。このシミュレーションソフトウェアは、例えば、蒸留塔及び化学反応器などの複雑な化学プロセス及び設備の工学モデル化を容易にする。典型的には、特定のプロセスに関するフローチャートを開発して、幾つかのプロセス変量が規定されると、このソフトウェアは、自然法則、既知の公式、実験データに基づいて残りのプロセス変量を計算する。例えば、規定の組成及び圧力を有する供給流れが与えられると、供給成分に関するセパレータの選択性とセパレータ両側の圧力差が与えられるという条件で、このソフトウェアは、セパレータを透過した後に、もしあれば、供給流れのどの成分がフラッシュ又は凝縮することになるかを予測することができる。
【００２７】
それゆえ、多孔質セパレータの選択は、供給流れの特定の組成並びにその画分流の所望の組成に依存している。即ち、セパレータを構成する材料は、幾つかの化合物に関するその特定の選択性に基づいて選択される。この点に関して、選択性とは、ある特定の化合物の透過を防ぐか又は制限し、かつ他の化合物の透過を可能にする多孔質セパレータの能力を言うものである。
【００２８】
多孔質セパレータを構成する細孔としては、例えば、開口部、例えば、微小な開口部、チャネル及び通路が挙げられる。細孔は、サイズが均一であってもよいし又はサイズが不均一であってもよい。１つの典型的な実施態様においては、多孔質材料は均一なサイズの細孔を有することができ、そのサイズに基づいて異なる化合物の分子を分離するよう作用する。例えば、水分子は十分小さいので特定サイズの細孔を通過することができるが、より大きな分子のベンゼンはこの多孔質材料を通過できるほど十分小さくはない。
【００２９】
供給流れを構成する成分の上記選択的な透過のための通路を提供することに加えて、多孔質材料の細孔の性質は、供給流れの液体成分の少なくとも一部がフラッシュして蒸気を形成するか又は供給流れの蒸気成分の少なくとも一部が凝縮して液体を形成する空間をセパレータ内に提供するようなものである。したがって、この空間は、その供給源が多孔質セパレータを貫流する透過画分である蒸気及び液体透過画分を収容することができる。
【００３０】
セパレータを構成する多孔質材料の例は、細孔含有膜、モレキュラーシーブ及びゼオライト格子、充填層基材、例えば、樹脂層及び活性炭層、並びにナノチューブ、例えば、カーボンナノチューブである。多孔質セパレータの構造は、本質的に均質、即ち、１種類の多孔質材料のみからなることができるか、又は均質ではなく２種類以上の異なる多孔質材料の組み合わせ、例えば、ゼオライトを膜のポリマーマトリックス中に組み込んだものを含むことができる。
【００３１】
細孔含有膜は、例えば、フラットシート、チューブ、キャピラリー、及び中空繊維の形態に調製することができ、また、例えば、プレート及びフレーム、スパイラルモジュール、中空繊維モジュール、チューブ・イン・シェル型モジュールを含む幾つかの配置において構成することができる。
【００３２】
本発明の実施において使用できるモレキュラーシーブの例としては、クレー、シリカゲル及び多孔質ガラスなどの材料から形成される合成ふるい、さらに、例えば、鉱物性石灰を含む天然ふるいが挙げられる。
【００３３】
天然又は合成ゼオライトは、本発明の実施において使用できる一種のモレキュラーシーブの例である。ゼオライトとしては、一部の分子を通過させ、他の分子の通過を防ぐか若しくは阻止し又はそれらを分解させる非常に規則的な細孔及び室の構造を有する無機多孔質材料、例えば、アルミノケイ酸塩鉱物が挙げられる。
【００３４】
本発明の実施において使用できる典型的な充填層基材は、粒状の吸収剤材料、例えば、活性炭又は樹脂を無作為に充填した中空フレームから構成される。充填物は、比較的大きな表面積を有し、供給流れとの接触を改善するよう作用する。
【００３５】
多孔質構造は、ミクロスケールの分離を伴うプロセスにおいて使用するためにナノチューブを含むことができる。
【００３６】
多孔質セパレータの材料は、分離を達成するための多孔性に加えて複数の特性を有することができる。例えば、多孔質セパレータは化学的に透過性（例えば、疎水性）であることができる。
【００３７】
多孔質セパレータとしては、さらに、少なくとも１つの透過性非多孔質材料、即ち、細孔を持たないが、それにもかかわらず１つ又は複数のプロセス、例えば、拡散場、化学親和力場、電気化学親和力場、及び電磁場によって供給流れの少なくとも一部の成分がセパレータを通過できるようにする材料を挙げることができる。多孔質材料と非多孔質材料を組み合わせて用いることで、さもなければ多孔質材料のみによって分離することが困難な２つ以上の成分の効果的な分離を達成することができる。
【００３８】
透過性非多孔質材料は、例えば、多孔質材料と一体化して、例えば、多孔質材料と非多孔質材料の混合物を与えることができるか、あるいは１つ又は複数の平行な層の形態で隣接又は接触して配置することができる。層は、例えば、セパレータの流入側に平行に配置することができるか若しくはセパレータの流出側に平行に配置することができ、及び／又はセパレータは、透過性非多孔質材料の２つの平行な層の間にはさむことができる。好ましくは、透過性非多孔質材料は、透過画分の少なくとも１つの成分において起こる相変化を妨げないように多孔質セパレータの流出側以外の場所に配置される。
【００３９】
使用できる透過性非多孔質材料の例としては、膜、例えば、高分子及びセラミックの膜が挙げられる。透過性非多孔質材料は、例えば、固体、液体、及びゲルの形態で存在し、透過画分がセパレータを通過するときに、セパレータと透過性非多孔質材料の結合が透過画分の部分的な相変化を妨げない性質のものである。
【００４０】
多孔質セパレータを構成する材料の種類及び使用する場合には透過性非多孔質材料は、供給流れを構成する成分に依存している。１つ又は複数の材料を選択することは当技術分野の技術水準の範囲内にある。例えば、ＣＯ2／ＣＨ4の混合物からＣＯ2を選択的に分離するための活性炭フィルターが知られている。別の例としては、低級の天然ガス流からＨ2Ｏ、ＣＯ2及びＳＯ2を除去することを含む気体を効果的に分離するためのゼオライトが知られている。当業者は、所望の分離を達成するのに必要な操作温度及び多孔質セパレータ両側の圧力差を決定することができる。
【００４１】
モジュールの高圧チャンバーは、供給流れの導入を受け入れ、当該供給流れが多孔質セパレータと接触するのを可能にし、そして未透過流れを排出するよう設計される。高圧チャンバーは、当該高圧チャンバー内の圧力を所望の値に維持するための制御バルブ又は適切な手段を有するべきである。
【００４２】
モジュールの低圧チャンバーは、透過画分を受け取り、当該透過画分の部分的なフラッシング又は凝縮に適応し、さらに蒸気透過画分と液体透過画分の両方を排出するよう設計される。例えば、ある実施態様では、低圧チャンバーに対するフラッシングは、透過画分の１つ又は複数の成分の急激な膨張を可能にし、好ましくは直ちに相平衡を達成及び維持するよう設計される。他の設計因子としては、低圧チャンバー中の所望の圧力を維持するための１つ又は複数の制御バルブ又は他の適切な手段を提供することが挙げられる。
【００４３】
分離技術として通常のフラッシング又は凝縮を伴う従来技術のプロセスに対する本発明の利点は、本発明が外部エネルギー源の使用を必要としないことである。本発明の方法において行われるフラッシング又は凝縮は、リボイラー又はコンデンサーを使用せずに達成することができる。しかしながら、コンデンサー又はリボイラーを使用することができる応用例も存在し得る。例えば、図３の装置は、リボイラー６０１とコンデンサー６０２の両方を有するモジュールを示す。
【００４４】
好ましい実施態様では、供給流れの成分は、直列に連結した複数のモジュールによって分離される。本明細書の例１は、複数のモジュールの使用の実例であり、図４の説明を含む。
【００４５】
複数のモジュールを含む装置では、モジュールの設計は実質的に同様であってもよいし又は画分の分離に応じて異なってもよい。例えば、異なるタイプの多孔質セパレータを用いて、より高純度の透過画分を連続的に得ることができるか又は供給流れから様々な成分を分離することができる。また、複数のモジュールの分離能力は、より長い少数のモジュールを使用することによって達成することができる。
【実施例】
【００４６】
本発明による多成分の供給流れ（特には３成分又は２成分混合物）の分離の例を幾つかシミュレーションした。シミュレーションの結果は、上記の条件に基づいて混合物の成分を分離するのに本発明の方法及び装置が有効であることを示している。以下の各例１〜４は、多成分の供給流れを未透過流れ、透過蒸気画分及び透過液体画分に分離するための方法のシミュレーションに関するものである。これらのシミュレーションは、商業的に入手可能なシミュレーションソフトウェアパッケージであるＡＳＰＥＮ Ｐｌｕｓ（登録商標）プログラムを用いて行った。これらのシミュレーションは、本明細書の各例において記載される方法と関連した設定条件をシミュレーション入力として選択することを伴う。シミュレーション入力によって示される情報に基づいて、ＡＳＰＥＮ Ｐｌｕｓ（登録商標）プログラムは、成分の幾つかの物理的性質に関する数値を含む幾つかのシミュレーション出力、例えば、未透過流れ、蒸気透過画分及び液体透過画分の組成を与え、これは、装置が供給流れを種々の画分に分離するのに効果的であるという証拠となる。
【００４７】
設定条件としては、例えば、供給流れの組成、温度、圧力、及び流量；多孔質セパレータの流入側の圧力；多孔質セパレータの流出側の圧力；未透過流れの圧力及び温度；プロセスで使用するモジュールの数；リボイラー及び／又はコンデンサーを使用するか否か、使用するのであれば、仕事をするためのその容量；多孔質セパレータを貫流する各成分の量が挙げられる。最後に記載した設定条件は、多孔質セパレータを透過する供給流れの体積量を特定するシミュレーション入力、又はセパレータを透過する各成分の量の特定によって決定することができる。上記の設定条件に基づいて、このプログラムの使用によって以下の典型的な出力、即ち、未透過流れの組成及び流量、並びに蒸気透過画分及び液体透過画分それぞれの温度、流量及び組成が得られる。
【００４８】
例において記載されるプロセスで使用する装置は、直列に配置され、処理される供給流れの成分を分離する複数のモジュールを含む。各モジュールは、高圧チャンバーと低圧チャンバーの間に位置される多孔質セパレータと、供給流れのための高圧チャンバーの入口と、このチャンバーにおいて形成される未透過流れのための高圧チャンバーの出口と、液体透過画分のための低圧チャンバーの出口と、蒸気透過画分のための低圧チャンバーの出口とを備える。
【００４９】
各例の多成分の供給流れは、規定の濃度で規定の流量及び温度を有する特定化合物の所定混合物を含む。例えば、例１では、第１モジュールに関する所定の供給流れは、ＣＯ2、ＣＨ4及びＣ3Ｈ8の３成分混合物を含み、それぞれ０．９０、０．０５及び０．０５のモル分率を有し、１００ｋｇ／ｈの流量と華氏−３２度の温度を有する。
【００５０】
各例は、例えば、セパレータを貫流することができる供給流れの各成分の比率を制御する所定の特性を有する多孔質セパレータの使用を含む。この情報により、当業者は、任意の特定の用途において使用できる多孔質セパレータの性質を決定することができる。例えば、オングストロームサイズの二酸化ケイ素粒子が膜のマトリックス全体に分散され、かつマレイン酸又はグルテルアルデヒドのいずれかを用いて架橋された架橋ポリ（ビニルアルコール）又はポリ（ビニルアルコール）／アミンポリマーが、イソプロピルアルコールと水の共沸混合物を分離するための多孔質セパレータとして使用できることが知られている（例えば、例４参照）。このような材料若しくは他のタイプの多孔質材料又はこのような材料の２つ以上の組み合わせは、使用される特定の１つ又は複数の材料がプロセスの他の態様と適合しているという条件で、本発明の実施において使用することができる。
【００５１】
多孔質セパレータの流入側と流出側の各圧力もまた予め決定され、したがって多孔質セパレータの両側の圧力差が規定される。
【００５２】
各例で記載される設定条件に基づいて、上記のコンピュータプログラムによって得られるシミュレーション出力が、各例について、関係する組成物、即ち、未透過流れ、液体透過画分及び蒸気透過画分の組成、圧力、温度及び流量に関する情報を明らかにする。この情報は、例に添えた表において報告される。
【００５３】
［例１］
例１は、液体二酸化炭素、プロパン及びメタンを含む加圧及び冷却された液体供給流れ（この流れのすべての成分は液体状態である）からメタンを分離するための連続プロセスの実例である。分離において使用する装置は直列に１０個のモジュールを備えている。外部エネルギー源は装置に適用されない（即ち、装置はリボイラー又はコンデンサーを含まない）。本例で使用する装置を図４に示す。
【００５４】
液体二酸化炭素、プロパン及びメタンを下表１において特定される比率で含む多成分の供給流れ１を、流量１００ｋｇ／ｈ、圧力３１５ｐｓｉａ及び温度華氏−３２度（すべて予め決定される）において第１モジュール３の高圧チャンバー５に供給する。モジュール３の低圧チャンバー７は５５ｐｓｉａの設定圧力に維持する。したがって、このモジュールの多孔質セパレータ９の両側の圧力差は２６０ｐｓｉである。
【００５５】
供給流れを第１モジュール３の高圧チャンバー５に導入すると、供給流れは多孔質セパレータ９の流入側と接触する。このシミュレーションでは、供給流れの１０体積％がセパレータを透過すると設定した。供給流れに関して、セパレータを貫流する透過画分（図示せず）は表１に示すようにメタンを多く含む。したがって、供給流れに対して、二酸化炭素とプロパンを多く含む未透過流れ１１が形成される。
【００５６】
未透過流れ１１は残留メタンを含むので、この未透過流れはメタンの追加量を回収するための処理にさらされる。したがって、第１モジュールの未透過流れ１１が第２モジュールの供給流れ１３になる（そして順に、第２モジュールにおいて形成された未透過流れが第３モジュールのための供給流れになり、残りのモジュールについても同様である）。プロセスの設定条件下において、未透過流れを含む供給流れは、第１モジュールに入る供給流れと比べて圧力降下を受け、また温度降下を伴う。圧力降下は２５ｐｓｉであり、これは第２モジュールに入る供給流れが２９０ｐｓｉａの圧力を有することを意味する。（後に続くモジュールにおいて未透過流れから形成される各供給流れも同様に、２５ｐｓｉの圧力降下を受け、最後のモジュールの未透過流れ１１０を含む流れは６５ｐｓｉａ〔最初の圧力３１５ｐｓｉａ−（１０モジュール）×（圧力降下２５ｐｓｉ／モジュール）＝６５ｐｓｉａ〕の圧力でそこから放出される。）このシミュレーションに関して、圧力降下は未透過流れの排出流れにのみ反映され、即ち、各高圧チャンバー内の圧力が一定であると仮定される。第１０モジュールから回収される未透過流れ１１０の組成及び他の特性を下表１に報告する。
【００５７】
第１モジュール３において液体供給流れ１から形成され、多孔質セパレータ９を通過する透過画分は、液体メタンの実質的にすべてをフラッシュさせる、即ち、蒸気透過画分１５を形成するのに効果的な条件下で多孔質セパレータ９を通過する。これらの条件は二酸化炭素とプロパンをそれらの液体状態に維持するのに効果的であり、したがって、それらは液体透過画分１７を構成する。蒸気透過画分１５は重力によって液体透過画分１７から分離され、導管１９を通って第１モジュール３の低圧チャンバーから取り出される。同様に、液体透過画分１７は導管２０を通って第１モジュールの低圧チャンバーから取り出される。
【００５８】
本例では、各モジュールの低圧チャンバーは５５ｐｓｉａに維持される。したがって、多孔質セパレータ９の両側の圧力差は、各高圧チャンバーの圧力が連続的に低下するので各モジュールで連続的に低下する。最後のモジュール３００における多孔質セパレータ１０９の両側の圧力差は１０ｐｓｉである（モジュール３００の高圧チャンバーの圧力は６５ｐｓｉａであり、低圧チャンバーの圧力は５５ｐｓｉａである）。これらの条件は、各モジュールにおいて透過画分のメタンをフラッシュさせるのに効果的である。
【００５９】
モジュールから回収される各蒸気透過画分を他の蒸気透過画分と一緒にし、最初の供給流れ中に存在する比率よりも高い比率でメタンを含む組成物を形成する。同様に、各モジュールから回収される各液体透過画分を他の液体透過画分と一緒にし、最初の供給流れ中のメタンの比率と比べてメタンの乏しい組成物を形成する。「最終」未透過流れ１１０（即ち、最後のモジュール３００から排出される未透過流れ）の液体組成、一緒にした液体透過画分の組成、一緒にした蒸気透過画分の組成、並びに未透過流れ及びこれら透過画分の他の特性を下表１に報告する。
【００６０】
【表１】
2007330965.tif 000003
【００６１】
このデータから知ることができるように、本発明の方法の使用は、最初の供給流れからメタンの実質的にすべてを取り出すのに効果的であり、即ち、本方法の使用により、本質的にメタンを含まない最終未透過流れと液体透過画分が生成される。
【００６２】
［例２］
例２の方法は例１で記載した方法と同様であるが、分離に使用する装置がリボイラーとコンデンサー（どちらも図４には示されていない）を装備している点で異なる。
【００６３】
より具体的には、第２のシミュレーションは、例１で規定した設定条件のすべてを用いるが、比較的低沸点のメタンを有する蒸気透過画分をさらに多く含みかつ液体透過画分からメタンをさらに取り除くようにパーシャル・リボイラーとパーシャル・コンデンサーを使用する設定条件で行った。各モジュールを出る液体透過画分は、共に５１００Ｂｔｕ／ｈの累積作業能力を有し、かつ各液体透過画分を加熱して少なくとも部分的に気化させる個々のパーシャル・リボイラーに送られる。メタンはプロパン又は二酸化炭素と比べて容易に気化するので、それら画分の気化した部分は気化しない部分と比べてメタンを多く含む。気化した部分は各モジュールの低圧チャンバーに移され、一方、実質的にメタンを含まない液体透過画分の「気化していない」部分は収集される。
【００６４】
同様に、各モジュールを出る蒸気透過画分は、−２８５０Ｂｔｕ／ｈの累積作業能力を有し、かつ蒸気透過画分を冷却して少なくとも部分的に凝縮させる個々のパーシャル・コンデンサーに送られる。プロパン及び二酸化炭素はメタンと比べて容易に凝縮するので、それら画分の凝縮した部分は「凝縮しない」部分と比べてプロパン及び二酸化炭素を多く含む。凝縮した部分はモジュールの低圧チャンバーに移され、一方、メタンを多く含む凝縮していない部分は収集される。
【００６５】
モジュールから回収される各蒸気透過画分を他の蒸気透過画分と一緒にし、最初の供給流れ中に存在する比率よりも高い比率でメタンを含む組成物を形成する。同様に、各モジュールから回収される各液体透過画分を他の液体透過画分と一緒にし、最初の供給流れ中のメタンの比率と比べてメタンの乏しい組成物を形成する。「最終」未透過流れ（即ち、最後のモジュールから排出される未透過流れ）の液体組成、一緒にした液体透過画分の組成、一緒にした蒸気透過画分の組成、並びに未透過流れ及びこれら透過画分の他の特性を下表２に報告する。
【００６６】
【表２】
2007330965.tif 000004
【００６７】
上記のデータから知ることができるように、本方法は、最初の供給流れからメタンの実質的にすべてを効果的に取り出し、メタンを本質的に含まない未透過流れと液体透過画分と、メタンを多く含む蒸気透過画分を形成する。（リボイラー又はコンデンサーの使用を含まない方法を記載する）例１の結果と比較して、本方法は、より高い比率のメタン並びに実質的により低い比率の二酸化炭素及びプロパンを含有する蒸気透過画分と、より低い比率のメタンを有する液体透過画分とを形成する。
【００６８】
［例３］
例３は、本発明に従ってＣＯ2、ＣＨ4及びＨ2の所定の気体混合物からＣＯ2を分離するのに使用される方法の実例である。このシミュレーションは、以下の注記を除いて例１と同様である。異なる供給流れの処理に加えて、
（Ａ）混合物は蒸気を含み、
（Ｂ）各多孔質セパレータの両側の設定圧力勾配は２６０ｐｓｉであり、
（Ｃ）装置の最後のモジュール中に存在する未透過流れの設定圧力は第１モジュールに入る供給流れの圧力と同じ、即ち、各モジュールの供給流れの圧力はそのモジュールの未透過流れの圧力と同じであり、
（Ｄ）各多孔質セパレータを透過するＨ2／ＣＯ2の設定モル比は１．４３：１であり、
（Ｅ）各多孔質セパレータを透過するＣＨ4／ＣＯ2の設定モル比は０．０７８：１であり、かつ
（Ｆ）各多孔質セパレータを透過する供給流れの設定量は０．２ｌｂ・モル／ｈである。
【００６９】
本例では、メタンを多く含むが二酸化炭素と水素も含有する気体供給流れを、流量１００ｋｇ／ｈ、圧力３１５ｐｓｉａ及び温度華氏−３２度で第１モジュールの高圧チャンバーに供給する。供給流れの温度は混合物の露点（即ち、華氏約−１１１度）よりも高いので、混合物は蒸気の状態である。供給流れが種々のモジュールの多孔質セパレータと接触すると、本質的にすべての水素及び二酸化炭素がメタンの一部とともに多孔質セパレータを透過してメタンを多く含む未透過流れを形成する。この透過画分を二酸化炭素が凝縮してメタンから分離するような条件にさらす。
【００７０】
このシミュレーションの結果を表３に与える。モジュールから回収される各蒸気透過画分を一緒にし、最初の供給流れ中に存在する比率よりも高い比率でメタンと水素を含む組成物を形成する。同様に、各モジュールから回収される各液体透過画分を一緒にし、最初の供給流れと比べて二酸化炭素を多く含む組成物を形成する。「最終」未透過流れ（即ち、最後のモジュールから排出される未透過流れ）の液体組成、一緒にした液体透過画分の組成、一緒にした蒸気透過画分の組成、並びに未透過流れ及びこれら透過画分の他の特性を下表３に報告する。
【００７１】
【表３】
2007330965.tif 000005
【００７２】
上記のデータから知ることができるように、例３の方法は、３成分供給流れを、メタンを多く含み二酸化炭素及び水素を実質的に含まない未透過流れと、メタンを多く含む蒸気透過画分と、二酸化炭素を多く含む液体透過画分とに分離するのに効果的である。
【００７３】
［例４］
例４は、イソプロパノールと水の共沸混合物を分離するための本発明の使用を例示する。このシミュレーションは、以下に注記した設定条件を除いて例１と同様である。所定の異なる供給流れの処理に加えて、
（Ａ）本方法は直列に連結した１４個のモジュールの使用を含み、
（Ｂ）各モジュールの供給流れの圧力はそのモジュールの未透過流れの圧力と同じであり、
（Ｃ）各多孔質セパレータの両側の圧力差は９９．９ｐｓｉであり、
（Ｄ）各多孔質セパレータを透過する供給流れの量は０．１ｌｂ・モル／ｈであり、かつ
（Ｅ）各多孔質セパレータを透過するイソプロパノール／水のモル比は３０：１である。
【００７４】
本例では、水とイソプロパノールの共沸混合物を、表４に示した濃度で、圧力１００ｐｓｉａ及び温度華氏２９１度でモジュールの高圧チャンバーに供給する。供給流れが各モジュールに入ると、それはモジュールの多孔質セパレータの流入側と接触する。上記のように、セパレータを透過するイソプロパノールと水の比率は３０：１である。透過画分中のイソプロパノールの濃度を共沸供給流れと比べて増すことにより、透過画分の組成は共沸でなくなる。結果として、透過画分はフラッシュしてイソプロパノールを多く含む蒸気透過画分を形成する。
【００７５】
また供給流れからイソプロパノールの一部を取り除くことにより、水を多く含みかつ共沸でない未透過流れが生成される。設定条件のとおり、モジュールの高圧チャンバーから流出する未透過流れの圧力は、次のモジュールに流入する対応する供給流れの圧力と同じである。したがって、理論的には最初の供給流れと最後のモジュールを出る未透過流れとの間に圧力降下は存在しない。
【００７６】
このシミュレーションの結果を表４に与える。下に報告される液体透過画分のパラメーターは、各モジュールによって生成された個々の液体透過画分の集計値を表す。同様に、下に報告される蒸気透過画分のパラメーターは、各モジュールによって生成された個々の蒸気透過画分の集計値を表す。
【００７７】
【表４】
2007330965.tif 000006
【００７８】
上記のデータから知ることができるように、例４の方法は水／イソプロパノールの共沸混合物を効率的に分けて、イソプロパノールを多く含む蒸気透過画分と水を多く含む液体透過画分を生成するのに使用することができる。
【００７９】
好ましい実施態様の先の例及び説明は、特許請求の範囲によって規定される本発明を限定するものではなく例示するものとして解釈されるべきである。容易に理解されるように、上で記載した特徴の多くの変形態様及び組み合わせは、特許請求の範囲に記載される本発明から逸脱することなく利用することができる。このような変形態様は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱したものとはみなされず、このようなすべての変形態様は特許請求の範囲の範囲内に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明による装置の好ましい実施態様を示す。
【図２】図１と同様であり、多成分の供給流れの装置を通過する流れ及びそれから形成される種々の画分の説明をさらに含む。
【図３】リボイラーとコンデンサーを備えた本発明による装置の実施態様を示す。
【図４】多成分の供給流れを画分に分離する複数のモジュールを有する本発明による装置の実施態様を示す。
【符号の説明】
【００８１】
１０    装置
２２    高圧チャンバー
２４    低圧チャンバー
２６    多孔質セパレータ
３０、３２、３４    バルブ
５０    モジュール
１００    供給流れ
【図１】
2007330965.tif 000007
【図２】
2007330965.tif 000008
【図３】
2007330965.tif 000009
【図４】
2007330965.tif 000010
【外国語明細書】
2007330965000001.pdf