(57)【要約】【課題】  装置及びシステムの構成をコンパクト化し、エネルギ消費を低減するとともに、天然ガスを良好な品質で精製する天然ガス精製装置及びシステムを提供する。【解決手段】  本発明に係る天然ガス精製装置１は、分離膜を有する第１の分離膜ユニット１１と、分離膜ユニット１１後段に設けられ、分離膜を有してアミン液が流通する第２の分離膜ユニット１２とを備え、第１及び第２の分離膜ユニット１１、１２にＣＯ２を含有する未精製天然ガスを通して、前記分離膜によりＣＯ２リッチガスを分離するとともに、第２の分離膜ユニット１２を流通するアミン液によりＣＯ２を吸収して、前記未精製天然ガスを精製する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離膜を有する第１の分離膜ユニットと、
該分離膜ユニット後段に設けられ、分離膜を有してアミン液が流通する第２の分離膜ユニットと
を備え、
前記第１及び第２の分離膜ユニットにＣＯ２を含有する未精製天然ガスを通して、前記分離膜によりＣＯ２リッチガスを分離するとともに、前記第２の分離膜ユニットを流通するアミン液によりＣＯ２を吸収して、前記未精製天然ガスを精製することを特徴とする天然ガス精製装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の分離膜ユニットのＣＯ２／ＣＨ４選択性が１００以上であり、透過係数値が１．０×１０−３Ｎｃｃ／（ｃｍ２・ｓ・ｃｍＨｇ）以上である請求項１に記載の天然ガス精製装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の天然ガス精製装置と、
前記第２の分離膜ユニットを流通したアミン液からＣＯ２を分離・回収して再生するとともに、回収したＣＯ２を前記分離膜により分離したＣＯ２リッチガスに送る再生塔と
を備えることを特徴とする天然ガス精製システム。
【請求項４】
前記第１の分離膜ユニットを透過したＣＯ２リッチガスを液化炭酸ガスとして回収するとともに、ＣＨ４リッチガスを分離して前記第２の分離膜ユニットの前段に再送する気液分離装置を更に備える請求項３に記載の天然ガス精製システム。
【請求項５】
前記天然ガス精製装置の前段に設けられ、前記未精製天然ガス中のＨ２Ｓを吸着し、吸着したＨ２Ｓを脱着・回収するＨ２Ｓ吸着塔を更に備える請求項３又は４に記載の天然ガス精製システム。
【請求項６】
ＣＯ２／ＣＨ４選択性が１００以上であり、透過係数値が１．０×１０−３Ｎｃｃ／（ｃｍ２・ｓ・ｃｍＨｇ）以上である分離膜を有する第１の分離膜ユニットを備え、
前記第１の分離膜ユニットにＣＯ２を含有する未精製天然ガスを通して、前記分離膜によりＣＯ２リッチガスを分離して、前記未精製天然ガスを精製することを特徴とする天然ガス精製装置。
【請求項７】
前記分離膜が無機分離膜である請求項６に記載の天然ガス精製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガス精製装置及びシステムに関し、特に、随伴ガス等のＣＯ２リッチな酸性ガスから天然ガスを精製する天然ガス精製装置及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地下から地表に噴出する天然ガスには、生産に随伴した随伴ガスが含まれている。このような随伴ガスには、温室効果ガスであるＣＯ２を含む酸性ガスが含まれているため、天然ガス精製プラントにて天然ガスからＣＯ２を分離・回収し、精製したものを精製天然ガスとして製品化工程に進めている。
【０００３】
このような精製プロセスとしては、未精製の天然ガスを脱水した後、圧縮・冷却して深冷分離し、ＣＯ２リッチガスを液化炭酸ガスとして回収し、ＣＯ２を分離した炭化水素がリッチなガスを更に圧縮して、高分子分離膜による膜分離によりＣＯ２濃度が１０ｖｏｌ％以下の精製天然ガスを回収するプロセスが開示されている（特許文献１）。
【０００４】
また、未精製の天然ガスを脱水した後、一段目で高分子分離膜にて膜分離し、圧縮・冷却して深冷分離によりＣＯ２リッチガスを液化炭酸ガスとして回収し、ＣＯ２を分離したＣＨ４リッチガスを更に二段目の膜分離のスイープガスとして使用するプロセスが開示されている（特許文献２）。なお、特許文献１及び２では、分離膜を透過したＣＯ２リッチガスを、深冷分離や前段の膜分離に循環させている。
【０００５】
しかし、上記のような例では、要求される製品品質（例えばＣＯ２濃度が２ｖｏｌ％以下）の精製天然ガスを達成するために、莫大な膜面積が必要となり、これにより、装置やシステムの構造が大型化し、膨大なエネルギを消費するおそれがある。このため、現実的には、必要な膜面積以下の膜分離によってＣＯ２を分離した後、別途プロセスにて製品品質までＣＯ２濃度を低下させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許公開公報２０１３−０２１３０８６号明細書
【特許文献２】米国特許公開公報２０１２−０１１１０５１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記事情に対して、本発明は、装置及びシステムの構成をコンパクト化し、エネルギ消費を低減するとともに、天然ガスを良好な品質で精製する天然ガス精製装置及びシステム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】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明に係る天然ガス精製装置は、分離膜を有する第１の分離膜ユニットと、該分離膜ユニット後段に設けられ、分離膜を有してアミン液が流通する第２の分離膜ユニットとを備え、前記第１及び第２の分離膜ユニットにＣＯ２を含有する未精製天然ガスを通して、前記分離膜によりＣＯ２リッチガスを分離するとともに、前記第２の分離膜ユニットを流通するアミン液によりＣＯ２を吸収して、前記未精製ガスを精製することを特徴としている。
【０００９】
このような構成であれば、第２の分離膜ユニットの二次側にＣＯ２を吸収するアミン液を流通させることによって、未精製天然ガス中のＣＯ２を分離・吸収して回収するとともに、第２の分離膜ユニットの二次側のＣＯ２分圧を低下して、分離膜表裏のＣＯ２分圧差（推進力）を確保する。その結果、天然ガス精製装置の膜面積を削減することができる。また、第１及び／又は第２の分離膜ユニットに要する負荷又は膜面積を適宜変更することによって、装置の設備費又はランニングコストを低減できる。
【００１０】
なお、本明細書及び特許請求の範囲にて、未精製天然ガスは、随伴ガス等であり、メタン（ＣＨ４）等の炭化水素、二酸化炭素（ＣＯ２）、二硫化水素（Ｈ２Ｓ）等を含む精製前の天然ガスをいう。分離膜の表裏面のうち、天然ガス等の流体を供給する面側を装置又は分離膜の一次側、その裏面側を二次側ともいう。また、流体の流れの前流側を前段、後流側を後段ともいう。
【００１１】
また、前記第１及び第２の分離膜ユニットのＣＯ２／ＣＨ４選択性を１００以上とし、透過係数値を１．０×１０−３Ｎｃｃ／（ｃｍ２・ｓ・ｃｍＨｇ）以上とすることが好適である。
【００１２】
このような構成であれば、天然ガス精製装置の膜面積を著しく削減できるとともに、ＣＯ２濃度を２ｖｏｌ％以下まで精製した製品品質の精製天然ガスを得ることができる。なお、本明細書及び特許請求の範囲にて、ＣＯ２／ＣＨ４選択性は、分離膜の一次側のＣＯ２濃度を５０％とした場合の、二次側のＣＯ２濃度／二次側のＣＨ４濃度である。
【００１３】
また、本発明は、別の側面から天然ガス精製システムである。該天然ガス精製システムは、前記天然ガス精製装置と、前記第２の分離膜ユニットを流通したアミン液からＣＯ２を分離・回収して再生するとともに、回収したＣＯ２を前記分離膜により分離したＣＯ２リッチガスに送る再生塔とを備えることを特徴としている。
【００１４】
前記構成のシステムであれば、前記第２の分離膜ユニットを流通するアミン液が吸収したＣＯ２を前記システム内にて分離し、前記天然ガス精製装置を透過したＣＯ２リッチガスに合流させて、液化炭酸ガスとして効率よく回収できる。
【００１５】
また、本発明に係る天然ガス精製システムは、別の形態にて、前記第１の分離膜ユニットを透過したＣＯ２リッチガスを液化炭酸ガスとして回収するとともに、ＣＨ４リッチガスを分離して前記第２の分離膜ユニットの前段に再送する気液分離装置を更に備える構成とすることができる。
【００１６】
このような形態であれば、前記天然ガス精製装置を透過したＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離して濃度を高め、液化炭酸ガスとして回収できる。更に、このＣＯ２リッチガスに含まれるＣＨ４を分離して前記天然ガス精製装置に再送し、効率よくリサイクルできる。
【００１７】
また、本発明に係る天然ガス精製システムは、別の形態にて、前記天然ガス精製装置の前段に設けられ、前記未精製天然ガス中のＨ２Ｓを吸着し、吸着したＨ２Ｓを脱着・回収するＨ２Ｓ吸着塔を更に備える構成とすることができる。
【００１８】
このような形態であれば、未精製天然ガス中のＨ２Ｓ濃度を天然ガス精製装置の前段で低下させて、ガス中のＨ２Ｓにより分離膜が劣化することを防ぐとともに、Ｈ２Ｓとアミン液が反応した熱安定性のアミン塩により、アミン液のＣＯ２吸収効率が低下することを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、装置及びシステムの構成をコンパクト化し、エネルギ消費を低減するとともに、天然ガスを良好な品質で精製する天然ガス精製装置及びシステムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明に係る天然ガス精製装置の一実施の形態について、その概要を説明する概念図である。
【図２】図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る天然ガス精製装置及びシステムについて、その効果を説明するためのグラフである。
【図３】図３は、本発明に係る天然ガス精製システムの第一実施の形態について、その概要を説明する概念図である。
【図４】図４は、本発明に係る天然ガス精製システムに適用する天然ガス精製装置のより具体的な形態について説明する概念図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明に係る天然ガス精製システム及び天然ガス精製装置に適用する分離膜ユニットのより具体的な形態について説明する概念図である。また、図５（ｂ）は、分離膜ユニットのＡ−Ａ線断面図である。
【図６】図６は、本発明に係る天然ガス精製システムに適用するＨ２Ｓ吸着塔について、その概要を説明する概念図である。
【図７】図７は、本発明に係る天然ガス精製システムの第二実施の形態について、その概要を説明する概念図である。
【図８】図８は、本発明に係る天然ガス精製装置及び天然ガス精製システムの他の実施の形態について、その概要を説明する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る天然ガス精製装置及びシステムについて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。
【００２２】
［天然ガス精製装置］
図１に、本発明に係る天然ガス精製装置の一実施の形態を概念的に示す。図示の天然ガス精製装置１０は、第１の分離膜ユニット１１と、第２の分離膜ユニット１２とを少なくとも備える。第１及び第２の分離膜ユニット１１、１２間は、気密性を有し、少なくともＣＨ４等の炭化水素及びＣＯ２を含む天然ガスを流通可能な部材、例えば配管等により連結されている。
【００２３】
第１の分離膜ユニット１１は、天然ガス精製装置１０内の前段に設け、分離膜に未精製天然ガスを供給することによって、前記分離膜を透過したＣＯ２をＣＯ２リッチガスとして分離し、これによりＣＯ２濃度の低下したＣＨ４リッチガスを通過させる。
第１の分離膜ユニット１１を通過したガスを、更に、その後段に設けた第２の分離膜ユニット１２の分離膜に供給する。ここで、第２の分離膜ユニット１２の内部には、分離膜の二次側にスイープ液としてアミン液が流通している。これによって、前記分離膜を透過したＣＯ２を吸収するとともに、第２の分離膜ユニット１２の分離膜の二次側のＣＯ２分圧を低下させて、分離膜表裏のＣＯ２分圧差を確保する。その結果、製品品質まで未精製天然ガスを精製するために必要な膜面積を、小さくすることができる。
【００２４】
このように、天然ガス精製装置１０にＣＯ２を含有する未精製天然ガスを通すことによって、第１の分離膜ユニット１１の分離膜を透過したＣＯ２リッチガスを回収するとともに、第２の分離膜ユニット１２の分離膜を透過したＣＯ２をアミン液により吸収する。
図１に示すように、例えば、ＣＯ２濃度が４５．５ｖｏｌ％の未精製天然ガスであれば、第１の分離膜ユニット１１を透過するとＣＯ２濃度が１０ｖｏｌ％以下となり、続く第２の分離膜ユニット１２を透過すると２ｖｏｌ％以下とすることができる。
【００２５】
第１の分離膜ユニット１１は、ＣＯ２／ＣＨ４選択性が１００以上であり、透過係数値が１．０×１０−３Ｎｃｃ／（ｃｍ２・ｓ・ｃｍＨｇ）以上の分離膜を備えればよく、特に限定されない。
このような分離膜としては、一例として、ＩＺＡ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｚｅｏｌｉｔｅ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）が定める規定コードにて表される、ＤＤＲ型、ＣＨＡ型等のゼオライトからなる無機分離膜が挙げられる。この場合、実用的な観点より、高分子分離膜よりも天然ガス精製装置１０の膜面積を削減することができる。
【００２６】
第２の分離膜ユニット１２は、ＣＯ２を分離する分離膜を備え、外部から供給したアミン液がスイープ液として内部を流通するものである。なお、第２の分離膜ユニット１２の分離膜は、第１の分離膜１１の分離膜と同一とすることができる。
また、第２の分離膜ユニット１２を流通するアミン液は、少なくともＣＯ２を吸収可能なスイープ液であればよく、特に限定されない。
このようなアミン液としては、一例として、モノエタノールアミン(ＭＥＡ)、立体障害アミンであるＫＳ−１（登録商標）、ＫＳ−２（登録商標）、ＫＳ−３（登録商標）等が挙げられる。
【００２７】
続いて、図２（ａ）及び（ｂ）を参照し、本実施の形態の作用効果について更に説明する。
【００２８】
図２（ａ）は、代表的な高分子分離膜を備えた分離膜ユニットの性能と、代表的な無機分離膜を備えた分離膜ユニットの性能とを仮定し、各分離膜ユニットの膜面積（ｍ２）に対するＣＯ２濃度（ｖｏｌ％）の変化を試算した結果を示す。
なお、各分離膜ユニットに対するガス処理量、圧力、ＣＯ２：ＣＨ４比等の受入条件は同一とし、高分子と無機分離膜のＣＯ２／ＣＨ４選択性は、高分子分離膜を３０とし、無機分離膜を１００としている。また、高分子分離膜の透過係数を０．１０×１０−３Ｎｃｃ／（ｃｍ２・ｓ・ｃｍＨｇ）とし、無機分離膜の透過係数を１．０×１０−３Ｎｃｃ／（ｃｍ２・ｓ・ｃｍＨｇ）としている。
【００２９】
図２（ａ）に示すように、代表的高分子分離膜を採用した分離膜ユニットの場合、ＣＯ２濃度を８ｖｏｌ％以下とするための膜面積は１３００００ｍ２程度であり、ＣＯ２濃度を２ｖｏｌ％以下とするための膜面積は３０００００ｍ２程度である。
これに対して、代表的無機分離膜を採用した分離膜ユニット１１の場合、ＣＯ２濃度を８ｖｏｌ％以下とするための膜面積は１２０００ｍ２程度であり、ＣＯ２濃度を２ｖｏｌ％以下とするための膜面積は８００００ｍ２程度である。
このように、代表的無機分離膜を採用した第１の分離膜ユニット１１のほうが、要求される製品品質の精製天然ガスを得るための膜面積を著しく削減できることがわかる。
【００３０】
続いて、図２（ｂ）は、代表的無機分離膜を有する第１の分離膜ユニット１１からなる天然ガス精製装置の性能と、代表的無機分離膜を有する第１及び第２の分離膜ユニット１１、１２とからなる天然ガス精製装置１０の性能とを仮定し、膜面積（ｍ２）に対するＣＯ２濃度（ｖｏｌ％）の変化を試算した結果である。なお、各天然ガス精製装置の受入条件、無機分離膜のＣＯ２／ＣＨ４選択性及び透過係数は、図２（ａ）に示す条件と同一としている。
図２（ｂ）に示すように、分離膜ユニット１１のみを備えた天然ガス精製装置の場合、ＣＯ２濃度を２ｖｏｌ％以下とするための膜面積は８００００ｍ２程度である。
これに対して、分離膜ユニット１１、１２を備えた天然ガス精製装置１０の場合、ＣＯ２濃度を２ｖｏｌ％以下とするための膜面積は１８０００ｍ２程度である。
このように、第２の分離膜ユニット１２を更に備えた天然ガス精製装置１０のほうが、要求される製品品質の精製天然ガスを得るための膜面積を削減できることがわかる。
【００３１】
以上のように、本実施の形態によれば、第２の分離膜ユニット１２に流通するアミン液により、第２の分離膜ユニット１２の二次側のＣＯ２分圧を低下できる。これにより、第２の分離膜ユニット１２の分離膜表裏のＣＯ２分圧差（推進力）を確保し、第１及び第２の分離膜ユニット１１、１２を流通するガスの透過速度を確保する。したがって、天然ガス精製装置の一次側を流通するガスのＣＯ２分圧が低下しても、分離膜の膜面積を増大させる必要はなくなり、天然ガス精製装置の膜面積を著しく削減することができる。更には、装置をコンパクト化でき、装置の運転の容易性を向上することもできる。
また、本実施の形態によれば、第１及び／又は第２の分離膜ユニット１１、１２に要する負荷又は膜面積を、適宜変更することによって、設備費又はランニングコストを低減することも可能とする。前記負荷としては、例えば、第１の分離膜ユニット１１又は第２の分離膜ユニット１２のＣＯ２の透過量である。
例えば、第１の分離膜ユニット１１のＣＯ２の透過量を上げれば、ランニングコストを抑制することができ、他方で、第２の分離膜ユニット１２のＣＯ２の透過量を下げれば、設備費を抑制することができる。また、例えば、第１の分離膜ユニット１１の膜面積を増やせば、エネルギコスト等のランニングコストを削減でき、第２の分離膜ユニット１２の膜面積を増やせば、第１の分離膜ユニット１１等の設備費を削減できる。
【００３２】
［天然ガス精製システム］（第一実施の形態）
以上の構成の天然ガス精製装置１０を備えた天然ガス精製システムの第一実施の形態について、図３を参照して説明する。図示の天然ガス精製システム１００は、天然ガス精製装置１０の他に、再生塔１１３と、圧縮機１１４、１１５と、気液分離器１１６とを少なくとも備える。
【００３３】
再生塔１１３は、第２の分離膜ユニット１２からラインＬ８を経て導出したＣＯ２を吸収したアミン液から加熱によりＣＯ２を分離・回収し、ラインＬ９及びポンプＰ１を通じて第２の分離膜ユニット１２にＣＯ２を放散したアミン液を還流するものである。
一方、第１の分離膜ユニット１１を透過したＣＯ２リッチガスは、ラインＬ６を通じて、回収する。ここで、再生塔１１３にて分離・回収したＣＯ２リッチガスも、ラインＬ１０から圧縮機１１４を経て、ラインＬ６のガスに合流する。なお、ラインＬ６のＣＯ２リッチガスは、用途に応じて、図示しない圧縮機により更に圧縮してもよい。
【００３４】
また、天然ガス精製システム１００では、未精製天然ガスをラインＬ１の圧縮機１１５にて昇圧し気液分離器１１６に送る。気液分離器１１６では、未精製天然ガスから液相の水と炭素数２〜５の炭化水素を含んだＬＮＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）用の油とを分離し、ラインＬ３及びＬ４を通じて回収する。水と油を分離した気相のガスを、ラインＬ２から天然ガス精製装置１０に送る。
このようにして、天然ガス精製装置１０の前段にてＬＮＧ成分を回収し、後段にて液相のＣＯ２を回収する。なお、未精製天然ガス中の水分量が多く、例えば水分量が５０ｐｐｍ以上である場合、任意選択的に、ラインＬ２に図示しない脱水装置を設け、天然ガスの精製に適した水分量まで脱水してもよい。
【００３５】
本実施の形態によれば、第２の分離膜ユニット１２の分離膜の二次側にてアミン液が吸収したＣＯ２を再生塔１１３にて分離・回収し、天然ガス精製装置１０を透過したＣＯ２リッチガスに合流させることによって、液化炭酸ガスを効率よく回収できる。また、ＣＯ２を分離したアミン液を再生アミン液として、第２の分離膜ユニット１２に還流してリサイクルする。更に、第一実施の形態と同様に、第１及び／又は第２の分離膜ユニット１１、１２に要する膜面積又は負荷を、適宜変更することによって、システムの設備費又は吸収液再生等のランニングコストの低減も可能とする。更にまた、システムをコンパクト化でき、システムの運転の容易性を向上することもできる。
【００３６】
ここで、図４を参照して、上述した分離膜ユニット１１、１２の配置及び数に関し、より具体的な形態について、更に詳細に説明する。図４に示すように、第１の分離膜ユニット１１と第２の分離膜ユニット１２とは、実用的な観点より、未精製天然ガスの流通方向に直列又は並列に複数配置することができる。
【００３７】
先ず、第１の分離膜ユニット１１と第２の分離膜ユニット１２とは、要求される製品品質に応じて、ラインＬ２とラインＬ８との間に直列に複数配置できる。
分離膜ユニットを直列に複数配置することにより、通過するガスの流速を所定の程度維持できるため、装置の性能を向上させ、要求される製品品質を満たすことができる。
なお、直列に複数配置する分離膜ユニットの数は、流速と要求される製品品質とにより決定できる。前記流速としては０．１ｍ／ｓ以上であり、１ｍ／ｓ以上が好ましい。
【００３８】
また、第１の分離膜ユニット１１と第２の分離膜ユニット１２とは、その容量に応じて、ラインＬ２とラインＬ８との間に並列に複数配置することができる。
分離膜ユニットを並列に複数配置することにより、分離膜ユニットと同一構成の予備ユニットを設けることができる。これにより、装置及び／又はシステムを停止せずに、予備ユニットを使用することにより、性能が低下した分離膜ユニットを交換することができる。例えば、図中では、ラインＬ２から分岐した複数のラインＬ２１のうちの一つの開閉弁１１ａを閉じ、直列方向に連結した一つの分離膜ユニット１１、１２に対する未精製天然ガスの流通を停止している。なお、開閉弁１１ａは、手動弁でも自動開閉弁でもよい。
開閉弁１１ａを閉じていない分離膜ユニットを稼働する間、性能が低下した分離膜ユニットの分離膜交換を実施することができる。予備ユニットは、予め配置して待機しておき、性能が低下した分離膜ユニットと切替えてもよく、処理量の増加又は減少に伴い稼働又は停止してもよい。停止した分離膜ユニットには、適宜、部品交換等の再利用の処置を実施できる。
稼働中の各分離膜ユニット１１、１２にて分離したＣＯ２リッチガスは、透過ガスヘッダーとなる各ラインＬ６１、Ｌ７１からＬ６、Ｌ７を通じて排出する。また、各分離膜ユニット１１、１２の分離膜を通過したＣＨ４リッチガスは、ラインＬ５１、Ｌ８１及びＬ８を通じて排出する。
なお、並列に複数配置する分離膜ユニットの数は、処理するガス量に応じて決定できる。
【００３９】
更に、図５（ａ）及び（ｂ）を参照して、上述した分離膜ユニット１１、１２のより具体的な形態について、より詳細に説明する。図５（ａ）は、本発明に係る天然ガス精製装置を適用する分離膜ユニットの構成を示した模式図であり、図５（ｂ）は、分離膜ユニットのＡ−Ａ線断面図である。
【００４０】
図５（ａ）に示すように、分離膜ユニット１１、１２として採用することができる分離膜ユニットは、ベッセル１に管状の分離膜３を複数格納した形態とすることができる。
未精製天然ガスは、図示しない流入口からベッセル１の外壁との管板４ａにて仕切られた上部チャンネル２ａに流入し、分離膜３の一次側、すなわち分離膜３の管内に入る。
そして、未精製天然ガスは分離膜３の一次側を通過しながら、この未精製天然ガスに含まれるＣＯ２は分離膜３の一次側から二次側へ透過する。これにより、未精製天然ガスを、主にＣＨ４を含むＣＨ４リッチガスとＣＯ２リッチガスとに分離する。
ＣＨ４リッチガスは、ベッセル１の外壁と管板４ｂにて仕切られた下部チャンネル２ｂを通って図示しない流出口からラインに排出する。他方で、未精製天然ガスから分離したＣＯ２は、分離膜３の外側と外壁１と管板４ａ、４ｂとの間に形成された少なくとも気密性を有する内室５、更に図示しない流出用の流路を経てラインに排出する。
なお、分離膜ユニット１２を図示の分離膜ユニットに適用する場合、内室５は、気密且つ水密性を有しており、図示しない流出入用の流路を経てアミン液が流通する。
【００４１】
なお、図５（ｂ）に示すように、本実施の形態では、ベッセル１に９本の分離膜３を配置している。ベッセル１に収納する分離膜３の数は、特にこれに限定されるものではない。また、分離膜３の各々は、ベッセル１の断面の中心に対して互いに対称に、且つ、互いに略等間隔となる位置に配置している。これにより、分離膜３によるＣＯ２の分離と、内室５でのＣＯ２の流通及びアミン液による吸収とを効率よく行うことができる。もっとも、ベッセル１に対する分離膜３の位置は、特にこれに限定されるものではない。
【００４２】
更にまた、第一実施の形態に係る天然ガス精製システム１００（図３）は、図６に示すＨ２Ｓ吸着塔１１７を含む構成とすることができる。
【００４３】
図６に示す形態では、内部に未精製天然ガス中のＨ２Ｓを吸着するためのＨ２Ｓ吸着剤をそれぞれ備えた２つのＨ２Ｓ吸着塔１１７、１１７を備えている。また、２つのＨ２Ｓ吸着塔１１７、１１７は並列して配置され、開閉弁１１７ａ〜１１７ｃをそれぞれ備えている。開閉弁１１７ａ〜１１７ｃは、手動弁でも自動開閉弁でもよい。
本実施の形態では、Ｈ２Ｓ吸着用の吸着塔１１７と、Ｈ２Ｓ脱着・回収用の２つの吸着塔１１７を設けることにより、稼働中のシステムにて未精製天然ガスからＨ２Ｓの吸着と、Ｈ２Ｓ吸着剤の再生とを同時に実施する。
一方の吸着塔１１７では、開閉弁１１７ａ、１１７ｂを開き、開閉弁１１７ｃを閉じながら、未精製天然ガスをそれぞれラインＬ１１〜Ｌ１２を通じて通過させることによって、Ｈ２ＳをＨ２Ｓ吸着剤に吸着し、未精製天然ガス中のＨ２Ｓ濃度を低下する。
それと同時に、他方の吸着塔１１７では、開閉弁１１７ａ、１１７ｂを閉じ、開閉弁１１７ｃを開くことによって、Ｈ２ＳをＨ２Ｓ吸着剤にから脱着して、脱着Ｈ２ＳガスとしてラインＬ１３を通じて回収し、Ｈ２Ｓ吸着剤を再生する。Ｈ２Ｓ吸着剤を再生した吸着塔１１７は、Ｈ２Ｓ吸着用の吸着塔１１７として用いることができる。
吸着塔１１７は、少なくとも１つ以上あればよく、特に限定されない。２つ以上であれば、Ｈ２Ｓ脱着・回収用の吸着塔を少なくとも１つ設けることができるため、システムを停止することなく、未精製天然ガス中のＨ２Ｓを継続的に吸着することができる。
【００４４】
このような形態であれば、未精製天然ガス中のＨ２Ｓ濃度を天然ガス精製装置１０の前段にて低下させることができる。これにより、未精製天然ガス中に含まれるＨ２Ｓによって天然ガス精製装置１０の分離膜が劣化することを防ぐことができる。よって、Ｈ２Ｓの存在により、第１及び第２の分離膜ユニット１１、１２からなる天然ガス精製装置１０の性能、曳いては天然ガス精製装置１０を備えた天然ガス精製システムの性能が低下することを防ぐことができる。更に、Ｈ２Ｓとアミン液が反応して熱安定性のアミン塩となり、第２の分離膜ユニット１２でのアミン液のＣＯ２吸収効率や再生塔１１３での再生効率が低下することを防ぐことができる。
【００４５】
［天然ガス精製システム］（第二実施の形態）
続いて、本発明に係る天然ガス精製システムの第二実施の形態について、図７を参照して説明する。図示の天然ガス精製システム２００は、図３の形態のシステム１００と比較して、圧縮機２１９と、冷却器２２０と、気液分離器２２１とを更に備えている。
【００４６】
第１の分離膜ユニット１１を透過したＣＯ２リッチガスには、ＣＯ２とともにＣＨ４が含まれている。
このため、気液分離装置２２１は、第１の分離膜ユニット１１にて分離し、ラインＬ１４の圧縮機２１９及び冷却器２２０にて二相流体としたＣＯ２リッチガスから気相のＣＨ４リッチガスを分離し、ラインＬ１５及びＬ５を通じて第２の分離膜ユニット１２の一次側に送る。また、液相のＣＯ２をラインＬ１６及びポンプＰ２通じて回収する。
また、第１の分離膜ユニット１１を透過したラインＬ１４のＣＯ２リッチガスには、圧縮機１１４からのＣＯ２リッチガスをラインＬ１０から合流させる。  
なお、第二実施の形態の他の構成要素は、図３について説明した第一実施の形態と実質的に同様であり、同一番号を付した構成要素は、実質的に同様の作用効果を持つ。また、本実施の形態に係る天然ガス精製システム２００（図７）にも、第一実施の形態と同様に、図４に示す分離膜ユニット１１、１２の構成、図５（ａ）〜（ｂ）に示す分離膜ユニット１１、１２の構成や図６に示すＨ２Ｓ吸着塔１１７を含む構成を採用することができる。
【００４７】
本実施の形態によれば、第一実施の形態と同様の効果を奏するとともに、天然ガス精製装置１０を透過したガスから気液分離装置２２１にてＣＯ２濃度を高めた液化炭酸ガスを回収できる。更に、前記ＣＯ２リッチガスから気液分離装置２２１にてＣＨ４リッチガスを分離し、天然ガス精製装置１０に再送して、効率よくリサイクルできる。
【００４８】
（変形例）
なお、前述の天然ガス精製装置及びシステムの実施の形態では、第１の分離膜ユニット１１と第２の分離膜ユニット１２とを備える構成の天然ガス精製装置１０を例示した。本発明はこれに限定されない。
図２（ａ）にて説明したように、本発明によれば、第１の分離膜ユニット１１のみで必要な製品品質の精製天然ガスを得ることができる。したがって、要求される目的又は用途に応じて、第１の分離膜ユニット１１のみを天然ガス精製装置としてシステムに組み込んでもよい。
【００４９】
このようなシステムの一例として、第１の分離膜ユニット１１のみからなる天然ガス精製装置３１０を組み込んだ天然ガス精製システム３００を図８に示す。図示のシステムでは、天然ガス精製装置３１０の通過ガスを製品品質の精製天然ガスとするとともに、分離膜の透過ガスを圧縮・冷却して気液分離し、液化炭酸ガスを回収するとともに、ＣＨ４リッチガスを天然ガス精製装置３１０に再送してリサイクルする。
図８のようなシステムであれば、吸収液を用いた吸収法を用いずに、製品品質の精製天然ガスを得ることができるため、吸収液の使用が困難な海上プラントにて利点がある。更に、例えば、Ｓｅｌｅｘｏｌ法（冷エチレングリコール吸収）による天然ガス精製装置又はシステムと比較すると、吸収液を再生する際の脱圧操作を必須とすることもなく、エネルギ消費を抑制でき、且つ、製品品質の精製天然ガスを得ることができる。
【００５０】
また、前述の天然ガス精製装置及びシステムの実施の形態では、第１の分離膜ユニット１１と第２の分離膜ユニット１２とを直列及び／又は並列に複数配置して、天然ガス精製システムに適用する構成を例示した。本発明はこれに限定されない。
図２（ａ）にて説明したように、本発明に係る天然ガス精製装置によれば、第１の分離膜ユニット１１のみで、膜面積を低下させるとともに、製品品質の精製天然ガスを得ることができる。したがって、第１の分離膜ユニット１１のみを直列及び／又は並列に複数配置して、本発明に係る天然ガス精製システムに適用できることはもちろんである。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係る天然ガス精製装置及びシステムによれば、装置及びシステムの構成をコンパクト化し、エネルギ消費を低減できる。また、天然ガスを良好な品質で精製できる。
【符号の説明】
【００５２】
１  ベッセル
２ａ  上部チャンネル
２ｂ  下部チャンネル
３  分離膜
４ａ、４ｂ  管板
５  内室
１０、３１０  天然ガス精製装置
１１  第１の分離膜ユニット
１１ａ、１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃ  開閉弁
１２  第２の分離膜ユニット
１００、２００、３００  天然ガス精製システム
１１３  再生塔
１１４、１１５、２１９  圧縮機
１１６、２２１  気液分離器
１１７  Ｈ２Ｓ吸着塔
２２０  冷却器
【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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