JP2022185263A

JP2022185263A - Gas separation device

Info

Publication number: JP2022185263A
Application number: JP2021092814A
Authority: JP
Inventors: 智英中村; Tomohide Nakamura; 洋樹印出; Hiroki Inde
Original assignee: Ube Corp
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2021-06-02
Filing date: 2021-06-02
Publication date: 2022-12-14

Abstract

To perform air separation in which processing capability and separation efficiency are improved while consumption power is suppressed.SOLUTION: A gas separation device 10 comprises a first compressor 21, a first separation membrane unit 11, and a second separation membrane unit 12. The oxygen permeability of a gas separation membrane in the first separation membrane unit 11 is higher than that of a gas separation membrane in the second separation membrane unit 12. The permeation ratio of oxygen to nitrogen of the gas separation membrane in the second separation membrane unit 12 is higher than that of the gas separation membrane in the first separation membrane unit 11. It is preferable that a second compressor 22 that increases the pressure of a first non-permeating gas to form a second supply gas be provided between the first separation membrane unit 11 and the second separation membrane unit 12.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、空気から酸素と窒素を分離するために用いられるガス分離装置及びガス分離方法に関する。 The present invention relates to a gas separation apparatus and method used to separate oxygen and nitrogen from air.

異なる２種類以上のガスを含む原料ガスを各ガスに分離する方法として、膜に対するガスの透過速度の差を利用した膜分離法が知られている。この方法では、２種以上のガスを含む原料ガスをガス分離膜に供給し、高透過性ガスが富化された透過ガスと低透過性ガスが富化された非透過ガスとに分離する。一般にガス分離膜は、ガス入口、透過ガス排出口、非透過ガス排出口を備えた容器内に収容され、分離膜モジュールの形態で使用される。容器内においてガス分離膜は、ガス供給側とガス透過側の空間が隔離されるように装着されている。ガス分離装置においては、所要の膜面積とするために、一般に複数の分離膜モジュールは、これを複数に並列に組み合わせて使用される。 As a method for separating a raw material gas containing two or more different gases into each gas, a membrane separation method utilizing a difference in permeation rate of gas with respect to a membrane is known. In this method, a raw material gas containing two or more gases is supplied to a gas separation membrane and separated into a permeable gas enriched with a high-permeability gas and a non-permeable gas enriched with a low-permeability gas. Gas separation membranes are generally housed in a container having a gas inlet, a permeable gas outlet, and a non-permeable gas outlet, and are used in the form of a separation membrane module. The gas separation membrane is installed in the container so that the space on the gas supply side and the gas permeation side are isolated. In a gas separation apparatus, a plurality of separation membrane modules are generally used by combining them in parallel in order to obtain a required membrane area.

目的とするガスを高純度かつ高回収率で回収することを目的として、ガス分離膜ユニットを多段階に備えたガス分離装置が種々知られている。例えば特許文献１には、空気から窒素を分離する方法として、ガス分離膜ユニットを直列に２段接続し、第１ガス分離膜ユニットの非透過ガスである窒素富化ガスを、第２ガス分離膜ユニットに供給して、窒素が更に富化された非透過ガスを得る方法が記載されている。第１ガス分離膜ユニットに用いられるガス分離膜、及び第２ガス分離膜ユニットに用いられるガス分離膜としては、同種のものが用いられている。 BACKGROUND ART Various gas separation apparatuses are known which are provided with gas separation membrane units in multiple stages for the purpose of recovering a target gas with high purity and high recovery rate. For example, in Patent Document 1, as a method for separating nitrogen from air, gas separation membrane units are connected in series in two stages, and the nitrogen-enriched gas, which is the non-permeating gas of the first gas separation membrane unit, is separated into the second gas separation A method of feeding a membrane unit to obtain a non-permeate gas further enriched in nitrogen is described. The same kind of gas separation membrane is used as the gas separation membrane used in the first gas separation membrane unit and the gas separation membrane used in the second gas separation membrane unit.

特許文献２には、ガス分離膜ユニットを直列に２段接続したガス分離方法において、原料ガスの一部をガス分離膜ユニットに供給し、低透過性ガスを系外に排出するとともに、透過ガスを原料ガスと混合して、該透過ガスを製品ガスとして回収する方法が記載されている。
特許文献３には、圧縮空気から窒素ガスを分離する複数のガス分離装置を直列に配して圧縮空気を複数のガス分離装置へ順に供給する窒素ガス分離方法において、圧縮空気の高湿度による劣化を最初のガス分離装置で発生させることによって、他のガス分離装置で安定した窒素ガスを得るようにしている。つまりこの方法では、最初のガス分離装置を湿気のフィルター代わりに利用している。
特許文献４には、２段以上のガス分離膜ユニットを使用し、２段目以降の透過ガスを直前段のガス分離膜ユニットの供給ガスにリサイクルすることからなる、空気からの窒素の分離方法が記載されている。 In Patent Document 2, in a gas separation method in which two gas separation membrane units are connected in series, part of the raw material gas is supplied to the gas separation membrane unit, a low-permeability gas is discharged outside the system, and a permeable gas is is mixed with a raw material gas and the permeated gas is recovered as a product gas.
Patent Document 3 describes a nitrogen gas separation method in which a plurality of gas separation devices for separating nitrogen gas from compressed air are arranged in series and compressed air is sequentially supplied to the plurality of gas separation devices. is generated in the first gas separator so as to obtain stable nitrogen gas in the other gas separators. In this way, the first gas separator is used instead of a moisture filter.
Patent Document 4 discloses a method for separating nitrogen from air, which uses two or more stages of gas separation membrane units, and recycles the permeated gas from the second and subsequent stages to the supply gas of the immediately preceding stage gas separation membrane unit. is described.

特開平２－１９４８０９号公報JP-A-2-194809 特開２００１－６２２４０号公報JP-A-2001-62240 特開２００１－８９１１２号公報JP-A-2001-89112 特開２０１１－１８４２８３号公報JP 2011-184283 A

上述した各文献に記載の方法を含めた従来のガス分離方法において、透過速度の高い膜を用いた場合には、ガス分離選択性が低いため、システム全体としてのガス処理量が増えるのでガス圧縮の動力が大きくなる。一方、ガス分離選択性が高い膜を用いた場合には、ガス圧縮の動力が小さくて済むが、透過速度が低いため、膜面積を大きくする必要がある。このように、消費動力を抑えた上で、処理能力及び分離性能を向上させることは二律背反の関係にある。
したがって本発明の課題は、前述した従来技術が有する欠点を解消し得るガス分離装置及びガス分離方法を提供することにある。 In the conventional gas separation methods including the methods described in the above-mentioned documents, when a membrane with a high permeation rate is used, the gas separation selectivity is low, so the gas throughput of the system as a whole increases. power increases. On the other hand, when a membrane with high gas separation selectivity is used, the gas compression power is small, but the permeation rate is low, so the membrane area must be increased. In this way, it is in a trade-off relationship to improve the processing capacity and the separation performance while suppressing power consumption.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a gas separation apparatus and a gas separation method that can overcome the above-described drawbacks of the prior art.

本発明は、原料空気を吸い込み原料空気を所定圧に圧縮することができる圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮した前記原料空気を第１供給ガスとして取り込み、酸素が濃縮された第１透過ガスと窒素が濃縮された第１非透過ガスとに分離することができる第１分離膜ユニットと、
前記第１非透過ガスの全量を、第２供給ガスとして取り込み、酸素が濃縮された第２透過ガスと窒素が濃縮された第２非透過ガスとに分離することができる第２分離膜ユニットと、
で構成され
前記第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性が、前記第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性よりも高く、
かつ
前記第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比が、前記第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比よりも高い、
ガス分離装置を提供するものである。 The present invention comprises a compressor capable of sucking raw air and compressing the raw air to a predetermined pressure;
a first separation membrane unit capable of taking in the feed air compressed by the compressor as a first feed gas and separating it into a first oxygen-enriched permeate gas and a nitrogen-enriched first non-permeate gas; ,
a second membrane unit capable of taking in the total amount of said first non-permeate gas as a second feed gas and separating it into a second oxygen-enriched permeate gas and a second nitrogen-enriched non-permeate gas; ,
The oxygen permeability of the gas separation membrane in the first separation membrane unit is higher than the oxygen permeability of the gas separation membrane in the second separation membrane unit,
and the oxygen and nitrogen permeation ratio of the gas separation membrane in the second separation membrane unit is higher than the oxygen and nitrogen permeation ratio of the gas separation membrane in the first separation membrane unit,
A gas separation device is provided.

本発明は、圧縮した原料空気を第１供給ガスとして第１分離膜ユニットに取り込み、酸素が濃縮された第１透過ガスと窒素が濃縮された第１非透過ガスとに分離し、
前記第１非透過ガスの全量を、第２供給ガスとして第２分離膜ユニットに取り込み、酸素が濃縮された第２透過ガスと窒素が濃縮された第２非透過ガスとに分離するガス分離方法であって、
前記第１分離膜ユニットとして、該第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性が、前記第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素透過性よりも高いものを用い、
前記第２分離膜ユニットとして、該第２分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比が、前記第１分離膜ユニットにおけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比よりも高いものを用いる、ガス分離方法を提供するものである。 The present invention takes compressed feed air as a first feed gas into a first separation membrane unit and separates it into a first oxygen-enriched permeate gas and a nitrogen-enriched first non-permeate gas,
A gas separation method in which the entire amount of the first non-permeable gas is taken into the second separation membrane unit as the second feed gas and separated into the second permeable gas enriched in oxygen and the second non-permeable gas enriched in nitrogen. and
As the first separation membrane unit, the oxygen permeability of the gas separation membrane in the first separation membrane unit is higher than the oxygen permeability of the gas separation membrane in the second separation membrane unit,
As the second separation membrane unit, the gas separation membrane in the second separation membrane unit having a higher oxygen and nitrogen permeation ratio than the gas separation membrane in the first separation membrane unit is used. , provides a gas separation method.

本発明によれば、消費動力を抑えた上で、処理能力及び分離効率が向上した空気分離を実施することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, after suppressing consumption power, air separation with improved processing capacity and separation efficiency can be implemented.

図１は、本発明のガス分離装置の一実施形態を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing one embodiment of the gas separation apparatus of the present invention. 図２は、本発明のガス分離装置に用いられるガス分離膜ユニットの一例の構造を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of an example of a gas separation membrane unit used in the gas separation apparatus of the present invention. 図３は、本発明のガス分離装置の別の実施形態を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing another embodiment of the gas separation apparatus of the present invention.

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。
図１に示す実施形態のガス分離装置１０は、２つのガス分離膜ユニットである第１分離膜ユニット１１及び第２分離膜ユニット１２を備えている。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below based on its preferred embodiments with reference to the drawings.
A gas separation device 10 of the embodiment shown in FIG. 1 includes a first separation membrane unit 11 and a second separation membrane unit 12, which are two gas separation membrane units.

各分離膜ユニット１１，１２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を用いることができる。モジュール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。 As each of the separation membrane units 11 and 12, for example, as shown in FIG. 2, a module in which a gas separation membrane 30 made of a hollow fiber membrane or the like and having gas selective permeability is housed in a casing 31 can be used. . A casing 31 in the module is open on two opposite sides to form an opening 32 . It should be noted that this opening 32 is for inserting the gas separation membrane 30 into the casing 31 and is not an opening in the gas separation membrane 30 . Gas separation membrane 30 is accommodated in casing 31 through this opening 32 . When the gas separation membrane 30 consists of a bundle of hollow fiber membranes, the gas separation membrane 30 is placed inside the casing 31 so that each end of the hollow fiber membranes is open near each opening 32 of the casing 31 in the housed state. are housed in

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。分離対象となる原料ガスは、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からユニット外に排出される。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。 When the gas separation membrane 30 is accommodated in the casing 31, the gas separation membrane 30 is fixed to the inner wall of the casing 31 by the tube plates 33 and 34 at both ends in the Y direction, which is the direction in which the hollow fiber membranes extend. It is Each opening 32 of the casing 31 is closed by lids 35 and 36 . A gas inlet 37 is provided in the lid 35 . On the other hand, the lid 36 is provided with a non-permeable gas outlet 38 . A raw material gas to be separated is introduced into the module from a gas inlet 37 of the lid 35 . Of the introduced gas, the gas that permeates the gas separation membrane 30 is discharged outside the unit from the permeated gas discharge port 39 provided in the casing 31 . On the other hand, the non-permeable gas that has not permeated the gas separation membrane 30 is discharged from the non-permeable gas outlet 38 of the lid 36 to the outside of the module. In some cases, the casing 31 may be provided with a purge gas supply port (not shown).

なお、各分離膜ユニット１１，１２として、図２に示すもの以外に、中空糸膜束の配糸形態が、交叉配列のもの、織物状のもの、スパイラル状のものなどを用いることができる。また、中空糸膜束の形態は円柱状、平板状、角柱状などの形態でもよい。これらの形態の中空糸膜束を、ケーシング内にその形態のままで、又はＵ字状に折り曲げたり、スパイラル状に巻き付けたりして収納してもよい。 As the separation membrane units 11 and 12, other than those shown in FIG. 2, hollow fiber membrane bundles having a cross arrangement, a woven fabric, a spiral, or the like can be used. Moreover, the shape of the hollow fiber membrane bundle may be a cylindrical shape, a flat plate shape, a prism shape, or the like. The hollow fiber membrane bundles in these forms may be stored in the casing as they are, or may be stored in a U-shaped bent state or spirally wound state.

図１に戻ると、同図に示すとおり、第１分離膜ユニット１１と、第２分離膜ユニット１２とは直列に接続されている。具体的には、第１分離膜ユニット１１と、第２分離膜ユニット１２とは、第１分離膜ユニット１１の非透過ガス排出口１１ｂと、第２分離膜ユニット１２のガス入口１２ａとを非透過ガス排出ライン１４によって連結することで接続されている。 Returning to FIG. 1, as shown in the figure, the first separation membrane unit 11 and the second separation membrane unit 12 are connected in series. Specifically, the first separation membrane unit 11 and the second separation membrane unit 12 are configured so that the non-permeating gas outlet 11b of the first separation membrane unit 11 and the gas inlet 12a of the second separation membrane unit 12 are connected to each other. It is connected by connecting with a permeated gas discharge line 14 .

第１分離膜ユニット１１のガス入口１１ａには、原料ガスである空気を第１分離膜ユニット１１へ供給するための原料ガス供給ライン１６が連結されている。原料ガス供給ライン１６の途中には、第１圧縮機２１が介在配置されている。第１圧縮機２１は、原料ガスを加圧する目的で設置されている。 A gas inlet 11 a of the first separation membrane unit 11 is connected to a source gas supply line 16 for supplying air, which is a source gas, to the first separation membrane unit 11 . A first compressor 21 is interposed in the middle of the source gas supply line 16 . The first compressor 21 is installed for the purpose of pressurizing the raw material gas.

第２分離膜ユニット１２においては、ガス入口１２ａを通じて、第１分離膜ユニット１１から排出された非透過ガスが供給されるようになっている。この非透過ガスは、第２分離膜ユニット１２によって分離されて、透過ガスが透過ガス排出口１２ｃから排出されるようになっている。一方、非透過ガスは非透過ガス排出口１２ｂから排出されるようになっている。 In the second separation membrane unit 12, the non-permeating gas discharged from the first separation membrane unit 11 is supplied through the gas inlet 12a. This non-permeating gas is separated by the second separation membrane unit 12, and the permeating gas is discharged from the permeating gas outlet 12c. On the other hand, the non-permeable gas is discharged from the non-permeable gas discharge port 12b.

以上の構成を有する本実施形態のガス分離装置１０の動作について説明する。分離対象となる原料ガス（以下「第１供給ガス」ともいう。）、すなわち空気は、原料ガス供給ライン１６を通じて第１分離膜ユニット１１に供給される。供給に先立ち、第１供給ガスは、第１圧縮機２１によって加圧され、その圧力が上昇する。したがって第１分離膜ユニット１１は、第１供給ガスとしての圧縮空気を取り込むことになる。
第１圧縮機２１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ものと同様のものを用いることができる。第１圧縮機２１としては、原料ガスを吸い込んで所定圧に圧縮できるものであれば、その種類に特に制限はない。 The operation of the gas separation device 10 of this embodiment having the above configuration will be described. A source gas to be separated (hereinafter also referred to as “first supply gas”), that is, air is supplied to the first separation membrane unit 11 through a source gas supply line 16 . Prior to feeding, the first feed gas is pressurized by the first compressor 21 to increase its pressure. Therefore, the first separation membrane unit 11 takes in compressed air as the first supply gas.
As the first compressor 21, the same one that has hitherto been used in the relevant technical field can be used. The type of the first compressor 21 is not particularly limited as long as it can suck the raw material gas and compress it to a predetermined pressure.

第１分離膜ユニット１１に供給される第１供給ガスの圧力は、０．１ＭＰａＧ以上３．０ＭＰａＧ以下に設定することが、第１分離膜ユニット１１及び第２分離膜ユニット１２における処理能力の向上の観点から好ましい。この利点を一層顕著なものとする観点から、第１分離膜ユニット１１に供給される第１供給ガスの圧力は、０．３ＭＰａＧ以上２．５ＭＰａＧ以下に設定することが一層好ましい。 Setting the pressure of the first supply gas supplied to the first separation membrane unit 11 to 0.1 MPaG or more and 3.0 MPaG or less improves the processing capacity of the first separation membrane unit 11 and the second separation membrane unit 12. is preferable from the viewpoint of From the viewpoint of making this advantage more remarkable, it is more preferable to set the pressure of the first supply gas supplied to the first separation membrane unit 11 to 0.3 MPaG or more and 2.5 MPaG or less.

第１供給ガスは、分離対象となる異なる２種類のガスである窒素及び酸素を含んでいる。本発明の分離装置及び分離方法による回収の対象となるガスは窒素富化ガスである。窒素富化ガスは例えば、レーザー切断機や乾燥機の使用時に併用されたり、油井への注入に利用されたり、はんだ付け時や樹脂成形時に併用されたり、タイヤに窒素を充填する目的で使用されたり、防爆の目的で使用されたりする。 The first feed gas contains nitrogen and oxygen, two different gases to be separated. The gas to be recovered by the separation apparatus and separation method of the present invention is nitrogen-enriched gas. Nitrogen-enriched gas is used, for example, when using laser cutters and dryers, when injecting into oil wells, when soldering and resin molding, and when filling tires with nitrogen. or used for explosion-proof purposes.

第１圧縮機２１によって加圧された状態の第１供給ガスが第１分離膜ユニット１１に供給されると、ガス分離膜に対する透過速度の相違に起因して、ガス分離膜を透過したガスである透過ガスと、ガス分離膜を透過しなかったガスである非透過ガスとに分離される。本実施形態の第１分離膜ユニット１１に用いられているガス分離膜は、酸素の透過速度Ｐ'_Ｏ２が、窒素の透過速度Ｐ'_Ｎ２よりも高いので、酸素が透過ガスであり、窒素が非透過ガスである。したがって、第１分離膜ユニット１１から排出された第１非透過ガスは、第１供給ガスに比べて窒素が濃縮されたものである。 When the first supply gas pressurized by the first compressor 21 is supplied to the first separation membrane unit 11, due to the difference in permeation speed with respect to the gas separation membrane, the gas that has permeated the gas separation membrane It is separated into certain permeated gases and non-permeated gases, which are gases that have not permeated the gas separation membrane. In the gas separation membrane used in the first separation membrane unit 11 of the present embodiment, the oxygen permeation rate _P'O2 is higher than the nitrogen permeation rate _P'N2 . Non-permeable gas. Therefore, the first non-permeable gas discharged from the first separation membrane unit 11 is more concentrated in nitrogen than the first feed gas.

第１非透過ガスは、第１分離膜ユニット１１の非透過ガス排出口１１ｂから排出され、非透過ガス排出ライン１４を通じて第２分離膜ユニット１２に供給される。したがって、以下の説明では、第１非透過ガスのことを「第２供給ガス」ともいう。
一方、第１分離膜ユニット１１のガス分離膜を透過した第１透過ガスは、原料ガスに比べて酸素が濃縮されたものである。第１透過ガスは、第１分離膜ユニット１１の透過ガス排出口１１ｃから排出され、透過ガス排出ライン１５を通じて排出される。 The first non-permeating gas is discharged from the non-permeating gas discharge port 11 b of the first separation membrane unit 11 and supplied to the second separation membrane unit 12 through the non-permeating gas discharge line 14 . Therefore, in the following description, the first non-permeable gas is also referred to as "second supply gas".
On the other hand, the first permeated gas that has passed through the gas separation membranes of the first separation membrane unit 11 is oxygen-enriched compared to the source gas. The first permeated gas is discharged from the permeated gas discharge port 11 c of the first separation membrane unit 11 and discharged through the permeated gas discharge line 15 .

第１分離膜ユニット１１の非透過ガス排出口１１ｂから排出された第１非透過ガス、すなわち第２供給ガスは、その全量を、第２分離膜ユニット１２に取り込んでもよいが、他の用途に使用するためにその一部を抜き出すこともできる。 The first non-permeating gas discharged from the non-permeating gas discharge port 11b of the first separation membrane unit 11, that is, the second supply gas, may be entirely taken into the second separation membrane unit 12, but may be used for other purposes. Part of it can also be extracted for use.

第２分離膜ユニット１２に導入された第２供給ガスは、同ユニット１２によって第２透過ガスと第２非透過ガスとに分離される。第２分離膜ユニット１２に用いられているガス分離膜は、第１分離膜ユニット１１に用いられているガス分離膜より、酸素の透過速度Ｐ'_Ｏ２が、窒素の透過速度Ｐ'_Ｎ２よりも高いので、第２非透過ガスは、第２分離膜ユニット１２に導入された第１非透過ガスに比べて、窒素が更に濃縮富化されたものとなる。第２非透過ガスは、第２分離膜ユニット１２の非透過ガス排出口１２ｂから取り出される。一方、第２透過ガスは、第２分離膜ユニット１２の透過ガス排出口１２ｃから排出される。第２透過ガスは、第２分離膜ユニット１２に導入された第１非透過ガスに比べて、酸素が更に濃縮富化されている。第２透過ガスの一部又は全部を、原料ガス供給ライン１６に供給してもよい。 The second feed gas introduced into the second separation membrane unit 12 is separated by the same unit 12 into a second permeable gas and a second non-permeable gas. The gas separation membrane used in the second separation membrane unit 12 has a higher oxygen permeation rate _P'O2 than the nitrogen permeation rate _P'N2 than the gas separation membrane used in the first separation membrane unit 11. Since it is high, the second non-permeating gas is more concentrated and enriched in nitrogen compared to the first non-permeating gas introduced into the second separation membrane unit 12 . The second non-permeable gas is taken out from the non-permeable gas outlet 12 b of the second separation membrane unit 12 . On the other hand, the second permeated gas is discharged from the permeated gas outlet 12 c of the second separation membrane unit 12 . The second permeable gas is further enriched with oxygen compared to the first non-permeable gas introduced into the second separation membrane unit 12 . Part or all of the second permeation gas may be supplied to the source gas supply line 16 .

本実施形態においては、第１分離膜ユニット１１におけるガス分離膜と、第２分離膜ユニット１２におけるガス分離膜とは、（ｉ）酸素透過性に相違がありかつ（ii）酸素と窒素の透過比に相違がある。以下、これら（ｉ）及び（ii）について詳述する。なお以下の説明においては、簡便のために、第１分離膜ユニット１１におけるガス分離膜のことを「第１分離膜」といい、第２分離膜ユニット１２におけるガス分離膜のことを「第２分離膜」という。 In the present embodiment, the gas separation membranes in the first separation membrane unit 11 and the gas separation membranes in the second separation membrane unit 12 (i) have different oxygen permeability and (ii) permeate oxygen and nitrogen. There is a difference in the ratio. These (i) and (ii) will be described in detail below. In the following description, for convenience, the gas separation membrane in the first separation membrane unit 11 will be referred to as the "first separation membrane", and the gas separation membrane in the second separation membrane unit 12 will be referred to as the "second separation membrane". "separation membrane".

第１分離膜と第２分離膜とでは、酸素透過性に相違がある。詳細には、第１ガス分離膜の酸素透過性は、第２分離膜の酸素透過性よりも高い。酸素透過性の高低は、酸素についてのガス透過速度を尺度として評価できる。ガス透過速度Ｐ’は、単位膜面積・単位時間・単位分圧差あたりのガスの透過体積のことであり、単位は、〔×１０^－５ｃｍ^３（ＳＴＰ）／（ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）〕で表される。すなわち、第１分離膜における酸素の透過速度は、第２分離膜における酸素の透過速度よりも大きい。 There is a difference in oxygen permeability between the first separation membrane and the second separation membrane. Specifically, the oxygen permeability of the first gas separation membrane is higher than the oxygen permeability of the second separation membrane. The degree of oxygen permeability can be evaluated using the gas permeation rate for oxygen as a measure. The gas permeation rate P′ is the permeation volume of gas per unit membrane area, unit time, and unit partial pressure difference, and the unit is [×10 ⁻⁵ cm ³ (STP)/(cm ² sec cmHg). ]. That is, the oxygen permeation rate in the first separation membrane is higher than the oxygen permeation rate in the second separation membrane.

第１分離膜と第２分離膜との酸素の透過速度の大小関係が上述のとおりであれば、酸素の透過速度の値そのものは特に制限されない。 As long as the magnitude relationship between the oxygen permeation rates of the first separation membrane and the second separation membrane is as described above, the value of the oxygen permeation rate itself is not particularly limited.

第１分離膜と第２分離膜とでは、酸素と窒素の透過比に相違がある。詳細には、第２ガス分離膜の酸素と窒素との透過比は、第１ガス分離膜の酸素と窒素との透過比よりも高い。この透過比の高低は、膜のガス分離選択性を尺度として評価できる。膜のガス分離選択性は〔高透過性ガスの透過速度／低透過性ガスの透過速度〕の比、つまり、〔酸素の透過速度／窒素の透過速度〕の比で表すことができる。 There is a difference in permeation ratio between oxygen and nitrogen between the first separation membrane and the second separation membrane. Specifically, the oxygen to nitrogen permeation ratio of the second gas separation membrane is higher than the oxygen to nitrogen permeation ratio of the first gas separation membrane. The level of this permeation ratio can be evaluated using the gas separation selectivity of the membrane as a scale. The gas separation selectivity of the membrane can be expressed by the ratio of [high-permeability gas permeation rate/low-permeability gas permeation rate], that is, the ratio of [oxygen permeation rate/nitrogen permeation rate].

第１分離膜と第２分離膜とのガス分離選択性の大小関係は上述のとおりであり、運転時の温度において第１分離膜のガス分離選択性Ｓ_１の値そのものは、３．５以上であることが、省エネルギーの観点から好ましい。この利点を一層顕著なものとする観点から、第１分離膜のガス分離選択性Ｓ_１の値は、４．５以上であることが更に好ましく、５．５以上であることが一層好ましい。 The gas separation selectivity magnitude relationship between the first separation membrane and the second separation membrane is as described above, and the value of the gas separation selectivity S1 of the _first separation membrane itself at the operating temperature is 3.5 or more. is preferable from the viewpoint of energy saving. From the viewpoint of making this advantage more remarkable, the value of the gas separation selectivity S1 of the _first separation membrane is more preferably 4.5 or more, more preferably 5.5 or more.

一方、運転時の温度において第２分離膜のガス分離選択性Ｓ_２の値そのものは、第１分離膜のガス分離選択性Ｓ_１の値よりも大きいことを条件として、４．５以上であることが、省エネルギーの観点から好ましい。この利点を一層顕著なものとする観点から、第２分離膜のガス分離選択性Ｓ_２の値は、５．５以上であることが更に好ましく、６．５以上であることが一層好ましい。 On the other hand, the value of the gas separation selectivity S2 of the _second separation membrane itself at the operating temperature is 4.5 or more on the condition that it is larger than the value of the gas separation selectivity S1 of the _first separation membrane. is preferable from the viewpoint of energy saving. From the viewpoint of making this advantage more remarkable, the value of the gas separation selectivity S2 of the _second separation membrane is more preferably 5.5 or more, more preferably 6.5 or more.

後述する実施例と比較例との対比から明らかなとおり、酸素透過性が高いガス分離膜のみを用いて空気から窒素と酸素とを分離する場合、処理能力は高くなるが、分離効率に劣り、圧縮動力の低減が要望される場合には不向きなものになる。一方、窒素と酸素との分離性能が高いガス分離膜を用いて空気から窒素と酸素とを分離する場合、分離効率は向上し、圧縮動力は低減するが、処理能力の向上が要望される場合には不向きなものになる。
このこととは対照的に、本実施形態によれば、第１段目の分離膜ユニットに用いられるガス分離膜として、第２段目の分離膜ユニットに用いられるガス分離膜よりも、酸素透過性が高いものを用いること、及び第２段目の分離膜ユニットに用いられるガス分離膜として、第１段目の分離膜ユニットに用いられるガス分離膜よりもガス分離選択性の高いものを用いることで、圧縮動力を抑えた上で、処理能力及び分離効率が向上した空気分離が可能となる。 As is clear from the comparison between the examples and comparative examples described later, when nitrogen and oxygen are separated from air using only a gas separation membrane with high oxygen permeability, the treatment capacity is high, but the separation efficiency is poor. It becomes unsuitable when reduction of compression power is desired. On the other hand, when nitrogen and oxygen are separated from air using a gas separation membrane with high separation performance between nitrogen and oxygen, the separation efficiency is improved and the compression power is reduced, but the improvement of the processing capacity is desired. become unsuitable for
In contrast to this, according to the present embodiment, the gas separation membrane used in the first-stage separation membrane unit has a higher oxygen permeation rate than the gas separation membrane used in the second-stage separation membrane unit. and, as the gas separation membrane used in the second-stage separation membrane unit, a gas separation membrane with higher gas separation selectivity than that used in the first-stage separation membrane unit is used. This enables air separation with improved processing capacity and separation efficiency while suppressing compression power.

ガス分離膜のガス透過速度及びガス分離選択性は、それぞれ、運転時の各分離膜ユニット１１，１２における温度条件において、上述の条件を満たしていればよい。 The gas permeation rate and gas separation selectivity of the gas separation membrane should satisfy the above-described conditions under the temperature conditions in the separation membrane units 11 and 12 during operation.

運転時において分離膜ユニット１１，１２間でガス透過速度及び／又はガス分離選択性を異ならせる方法としては、使用するガス分離膜の種類を、第１分離膜ユニット１１と第２分離膜ユニット１２とで異ならせる方法が挙げられる。分離膜ユニット１１，１２間でガス分離膜の種類を異ならせるには、例えば分離膜ユニット１１，１２間で（１）異なる化学組成を有するガス分離膜を用いる、（２）同一の化学組成を有するガス分離膜であるが、製膜の条件、熱処理の温度といった製造条件が異なるガス分離膜を用いる、及び（３）同一の化学組成及び製造条件のガス分離膜であるが、コーティングその他の表面処理の条件が異なるガス分離膜を用いる等の手段を採用すればよい。 As a method for differentiating the gas permeation rate and/or gas separation selectivity between the separation membrane units 11 and 12 during operation, the types of gas separation membranes to be used are selected from the first separation membrane unit 11 and the second separation membrane unit 12. and a method of making them different. In order to make the types of gas separation membranes different between the separation membrane units 11 and 12, for example, (1) gas separation membranes having different chemical compositions are used between the separation membrane units 11 and 12, and (2) gas separation membranes having the same chemical composition are used. and (3) a gas separation membrane with the same chemical composition and manufacturing conditions but with a coating or other surface Means such as using gas separation membranes with different treatment conditions may be employed.

なお、同一のガス分離膜を用いた場合であっても、その運転温度を相対的に低く設定した場合には運転温度を相対的に高く設定した場合に比べ、ガス透過速度が低くなることが、一般的に知られている。このことに基づき、各分離膜ユニット１１，１２の運転温度を異ならせて、２つの分離膜ユニット１１，１２間のガス透過速度を調整して、上述した関係を満たすようにしてもよい。 Even when the same gas separation membrane is used, when the operating temperature is set relatively low, the gas permeation rate may be lower than when the operating temperature is set relatively high. , is commonly known. Based on this, the operating temperature of each separation membrane unit 11, 12 may be varied to adjust the gas permeation rate between the two separation membrane units 11, 12 so as to satisfy the above relationship.

分離膜ユニット１２のガス透過速度及びガス分離選択性を調整するために、ガス分離装置１０は、第１分離膜ユニット１１と第２分離膜ユニット１２との間に、第２供給ガスの冷却装置（図示せず）を備えてもよい。 In order to adjust the gas permeation rate and gas separation selectivity of the separation membrane unit 12, the gas separation device 10 includes a second feed gas cooling device between the first separation membrane unit 11 and the second separation membrane unit 12. (not shown).

図３には、本発明の別の実施形態が示されている。同図に示す実施形態のガス分離装置１０は、第１分離膜ユニット１１と第２分離膜ユニット１２との間に、第２圧縮機２２を備えている。第２圧縮機２２は、第１分離膜ユニット１１から排出された第１非透過ガスを昇圧して第２供給ガスとするために用いられる。第２圧縮機２２によって第２供給ガスを昇圧することで、第１圧縮機２１による第１供給ガスの昇圧の程度を低くすることができる。その結果、第２非透過ガスの単位体積当たりの圧縮動力を、第２圧縮機２２を用いない場合に比べて低くできるという利点がある。 Another embodiment of the invention is shown in FIG. The gas separation device 10 of the embodiment shown in the figure includes a second compressor 22 between the first separation membrane unit 11 and the second separation membrane unit 12 . The second compressor 22 is used to pressurize the first non-permeable gas discharged from the first separation membrane unit 11 to obtain a second supply gas. By increasing the pressure of the second supply gas by the second compressor 22, the degree of pressure increase of the first supply gas by the first compressor 21 can be reduced. As a result, there is an advantage that the compression power per unit volume of the second non-permeable gas can be made lower than when the second compressor 22 is not used.

以上の利点を一層顕著なものとする観点から、第２分離膜ユニット１２に供給される第２供給ガスの圧力は、０．５ＭＰａＧ以上５．０ＭＰａＧ以下に設定することが好ましく、０．７ＭＰａＧ以上３．０ＭＰａＧ以下に設定することが一層好ましい。 From the viewpoint of making the above advantages more remarkable, the pressure of the second supply gas supplied to the second separation membrane unit 12 is preferably set to 0.5 MPaG or more and 5.0 MPaG or less, and preferably 0.7 MPaG or more. It is more preferable to set the pressure to 3.0 MPaG or less.

本実施形態においては、第１圧縮機２１に加えて、第２圧縮機２２が用いられること、第１分離膜ユニット１１におけるガス分離膜の酸素透過性が高いこと、及び２分離膜ユニット１２におけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比が、第１分離膜ユニット１１におけるガス分離膜の酸素と窒素の透過比よりも高いことから、第１分離膜ユニット１１に供給される第１供給ガスの圧力を高く設定しないことが好ましい。例えば、第１分離膜ユニット１１に供給される第１供給ガスの圧力を、第２分離膜ユニット１２に供給される第２供給ガスの圧力よりも低く設定することが好ましい。これによって、ガス分離装置１０の全体の消費動力を抑えることが可能となる。
以上の観点から、第１分離膜ユニット１１に供給される第１供給ガスの圧力は、第２分離膜ユニット１２に供給される第２供給ガスの圧力よりも低いことを条件として、０．１ＭＰａＧ以上３ＭＰａＧ以下に設定することが好ましく、０．３ＭＰａＧ以上２．５ＭＰａＧ以下に設定することが一層好ましい。 In this embodiment, in addition to the first compressor 21, the second compressor 22 is used, the oxygen permeability of the gas separation membrane in the first separation membrane unit 11 is high, and in the two separation membrane unit 12 Since the oxygen and nitrogen permeation ratio of the gas separation membrane is higher than the oxygen and nitrogen permeation ratio of the gas separation membrane in the first separation membrane unit 11, the first supply gas supplied to the first separation membrane unit 11 is It is preferable not to set the pressure too high. For example, it is preferable to set the pressure of the first supply gas supplied to the first separation membrane unit 11 lower than the pressure of the second supply gas supplied to the second separation membrane unit 12 . This makes it possible to suppress the power consumption of the gas separation device 10 as a whole.
From the above point of view, on the condition that the pressure of the first supply gas supplied to the first separation membrane unit 11 is lower than the pressure of the second supply gas supplied to the second separation membrane unit 12, 0.1 MPaG It is preferable to set it to 3 MPaG or more, and it is more preferable to set it to 0.3 MPaG or more and 2.5 MPaG or less.

本実施形態のガス分離装置１０が冷却装置を備える場合、該冷却装置を第２圧縮機２２よりも上流側に設置してもよく、あるいは第２圧縮機２２よりも下流側に設置してもよい。第２分離膜ユニット１２の運転温度を調整するのが容易となるため、第２圧縮機２２よりも下流側に冷却装置を設置することが好ましい。 When the gas separation device 10 of the present embodiment includes a cooling device, the cooling device may be installed upstream of the second compressor 22, or may be installed downstream of the second compressor 22. good. Since it becomes easy to adjust the operating temperature of the second separation membrane unit 12 , it is preferable to install the cooling device downstream of the second compressor 22 .

なお、図３に示す実施形態に関し特に説明しなかった点については、先に説明した図１に示す実施形態についての説明が適宜適用される。また、図３において、図１における部材と同じ部材には、同じ符号を付してある。 Note that the description of the embodiment shown in FIG. 1 described above applies appropriately to points that have not been particularly described with respect to the embodiment shown in FIG. In addition, in FIG. 3, the same members as those in FIG. 1 are given the same reference numerals.

以上の各実施形態のガス分離装置１０では、第１分離膜ユニット１１から排出される第１非透過ガスの酸素濃度が５ｍｏｌ％以上１８ｍｏｌ％以下となるように、酸素と窒素とが分離されることが、窒素が富化された第１非透過ガスを効率的に得る観点から好ましい。この利点を一層顕著なものとする観点から、第１分離膜ユニット１１から排出される第１非透過ガスの酸素濃度が１０ｍｏｌ％以上１５ｍｏｌ％以下となるように、酸素と窒素とが分離されることが一層好ましい。 In the gas separation device 10 of each embodiment described above, oxygen and nitrogen are separated so that the oxygen concentration of the first non-permeating gas discharged from the first separation membrane unit 11 is 5 mol % or more and 18 mol % or less. This is preferable from the viewpoint of efficiently obtaining the nitrogen-enriched first non-permeating gas. From the viewpoint of making this advantage more remarkable, oxygen and nitrogen are separated so that the oxygen concentration of the first non-permeable gas discharged from the first separation membrane unit 11 is 10 mol % or more and 15 mol % or less. is more preferable.

一方、第２分離膜ユニット１２から排出される第２非透過ガスの酸素濃度が０．１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下となるように、酸素と窒素とが分離されることが、窒素が一層富化された第２非透過ガスを効率的に得る観点から好ましい。この利点を一層顕著なものとする観点から、第２分離膜ユニット１２から排出される第２非透過ガスの酸素濃度が０．５ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下となるように、酸素と窒素とが分離されることが一層好ましい。 On the other hand, oxygen and nitrogen are separated so that the oxygen concentration of the second non-permeating gas discharged from the second separation membrane unit 12 is 0.1 mol % or more and 5 mol % or less. It is preferable from the viewpoint of efficiently obtaining the second non-permeating gas. From the viewpoint of making this advantage more remarkable, oxygen and nitrogen are separated so that the oxygen concentration of the second non-permeating gas discharged from the second separation membrane unit 12 is 0.5 mol % or more and 5 mol % or less. more preferably.

以上の各実施形態のガス分離装置１０において用いられ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が挙げられる。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高分子材料、高分子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、耐久性及び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。 As the gas separation membrane used in the gas separation apparatus 10 of each of the above embodiments, the same membranes as those used so far in the relevant technical field can be mentioned. For example, polyimide, polyetherimide, polyamide, polyamideimide, polysulfone, polycarbonate, silicone resin, cellulose-based polymer, and other polymer materials, carbonized or partially carbonized polymer materials, ceramic materials such as zeolite, and the like. Gas separation membranes can be preferably mentioned. In particular, gas separation membranes made of polymeric materials, especially asymmetric polyimide gas separation membranes, are preferred because they not only have high gas separation performance but also excellent properties such as heat resistance, durability and solvent resistance.

１つのガス分離膜ユニット内に備えられているモジュールは１本であってもよく、あるいは複数本であってもよい。１つのガス分離膜ユニット内に２本以上のモジュールが備えられているときは、複数本のモジュールがユニット内で並列に接続されていることが好ましい。各分離膜ユニット１１，１２がモジュールを複数本備えている場合、該モジュールの本数を変更することでユニット内の膜面積を容易に調整することができる。 One module may be provided in one gas separation membrane unit, or a plurality of modules may be provided. When two or more modules are provided in one gas separation membrane unit, it is preferable that the multiple modules are connected in parallel within the unit. When each separation membrane unit 11, 12 has a plurality of modules, the membrane area in the unit can be easily adjusted by changing the number of the modules.

以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は前記実施形態に制限されない。例えば図３に示す実施形態においては、非透過ガス排出ライン１４に第２圧縮機２２を介在配置させていたが、これに代えて又はこれに加えて、第２分離膜ユニット１２の透過側空間を真空ポンプ等によって大気圧以下に減圧して、圧縮動力を更に低減させてもよい。 Although the present invention has been described above based on its preferred embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the embodiment shown in FIG. 3, the second compressor 22 is interposed in the non-permeated gas discharge line 14, but instead of or in addition to this, the space on the permeation side of the second separation membrane unit 12 may be reduced to atmospheric pressure or lower by a vacuum pump or the like to further reduce the compression power.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples. However, the scope of the invention is not limited to such examples.

〔実施例１Ａ及び実施例２Ａ〕
図１に示すガス分離装置１０を用いて、空気からの窒素と酸素との分離を行った。第１及び第２分離膜ユニット１１，１２を構成するモジュールとして、運転温度におけるＰ'_Ｏ２が９．７×１０^－５ｃｍ^３（ＳＴＰ）／（ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）であり、ガス分離選択性Ｐ'_Ｏ２／Ｐ'_Ｎ２が５．８であるガス分離膜を用いたモジュールＡ（第１分離膜ユニット１１）、及びＰ'_Ｏ２が２．７×１０^－５ｃｍ^３（ＳＴＰ）／（ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）であり、ガス分離選択性Ｐ'_Ｏ２／Ｐ'_Ｎ２が６．９であるガス分離膜を用いたモジュールＢ（第２分離膜ユニット１２）の２種類のモジュールを用いた。これらのモジュールは、ポリイミド中空糸膜から構成されるガス分離膜をケース内に収容したものであり、圧縮空気を原料ガスとして用い、窒素富化空気を得る場合に、下記の表１に記載のとおりの応答を示すものであった。なお同表に示す値は、同サイズの１本のモジュールについてのものである。 [Example 1A and Example 2A]
Separation of nitrogen and oxygen from air was performed using the gas separation apparatus 10 shown in FIG. As modules constituting the first and second separation membrane units 11 and 12, P′ _O2 at the operating temperature is 9.7×10 ⁻⁵ cm ³ (STP)/(cm ² ·sec·cmHg), and gas separation Module A (first separation membrane unit 11) using a gas separation membrane having a selectivity _P'O2 / _P'N2 of 5.8, and _P'O2 of 2.7 × 10 ^-5 cm ³ (STP)/ (cm ² sec cmHg) and the gas separation selectivity _P'O2 / _P'N2 is 6.9. Using. These modules contain a gas separation membrane composed of a polyimide hollow fiber membrane in a case, and when compressed air is used as a raw material gas to obtain nitrogen-enriched air, the It showed the correct response. The values shown in the table are for one module of the same size.

第１分離膜ユニット１１（１段目）を構成するモジュールの本数、及び第２分離膜ユニット１２（２段目）を構成するモジュールの本数を、以下の表２に示すとおりに設定した。なおモジュールを複数本用いる場合は並列に接続した。また、第２非透過ガスに含まれる酸素の濃度が５ｍｏｌ％となるように、同表に示す条件でガス分離装置１０を運転した。 The number of modules constituting the first separation membrane unit 11 (first stage) and the number of modules constituting the second separation membrane unit 12 (second stage) were set as shown in Table 2 below. When multiple modules were used, they were connected in parallel. Further, the gas separator 10 was operated under the conditions shown in the table so that the concentration of oxygen contained in the second impermeable gas was 5 mol %.

〔比較例１Ａ〕
第１分離膜ユニット１１のみを用い、非透過ガスに含まれる酸素の濃度が５ｍｏｌ％となるように、表２に示す条件でガス分離装置１０を運転した。それ以外は実施例１Ａと同様にしてガス分離を行った。 [Comparative Example 1A]
Using only the first separation membrane unit 11, the gas separation apparatus 10 was operated under the conditions shown in Table 2 so that the concentration of oxygen contained in the non-permeating gas was 5 mol %. Other than that, gas separation was performed in the same manner as in Example 1A.

〔比較例２Ａ〕
第２分離膜ユニット１２のみを用い、非透過ガスに含まれる酸素の濃度が５ｍｏｌ％となるように、表２に示す条件でガス分離装置１０を運転した。それ以外は実施例１Ａと同様にしてガス分離を行った。 [Comparative Example 2A]
Using only the second separation membrane unit 12, the gas separation apparatus 10 was operated under the conditions shown in Table 2 so that the concentration of oxygen contained in the non-permeating gas was 5 mol %. Other than that, gas separation was performed in the same manner as in Example 1A.

〔実施例１Ｂ及び実施例２Ｂ〕
第１分離膜ユニット１１を構成するモジュールの本数、及び第２分離膜ユニット１２を構成するモジュールの本数を、以下の表３に示すとおりに設定した。また、第２非透過ガスに含まれる酸素の濃度が１ｍｏｌ％となるように、同表に示す条件でガス分離装置１０を運転した。それ以外は実施例１Ａと同様にしてガス分離を行った。 [Example 1B and Example 2B]
The number of modules constituting the first separation membrane unit 11 and the number of modules constituting the second separation membrane unit 12 were set as shown in Table 3 below. Further, the gas separator 10 was operated under the conditions shown in the table so that the concentration of oxygen contained in the second impermeable gas was 1 mol %. Other than that, gas separation was performed in the same manner as in Example 1A.

〔比較例１Ｂ〕
第１分離膜ユニット１１のみを用い、非透過ガスに含まれる酸素の濃度が１ｍｏｌ％となるように、表３に示す条件でガス分離装置１０を運転した。それ以外は実施例１Ａと同様にしてガス分離を行った。 [Comparative Example 1B]
Using only the first separation membrane unit 11, the gas separation apparatus 10 was operated under the conditions shown in Table 3 so that the concentration of oxygen contained in the non-permeating gas was 1 mol %. Other than that, gas separation was performed in the same manner as in Example 1A.

〔比較例２Ｂ〕
第２分離膜ユニット１２のみを用い、非透過ガスに含まれる酸素の濃度が１ｍｏｌ％となるように、表３に示す条件でガス分離装置１０を運転した。それ以外は実施例１Ａと同様にしてガス分離を行った。 [Comparative Example 2B]
Using only the second separation membrane unit 12, the gas separation apparatus 10 was operated under the conditions shown in Table 3 so that the concentration of oxygen contained in the non-permeating gas was 1 mol %. Other than that, gas separation was performed in the same manner as in Example 1A.

〔実施例３Ａ及び実施例４Ａ〕
図３に示すガス分離装置１０を用いて、空気からの窒素と酸素との分離を行った。第１分離膜ユニット１１を構成するモジュールの本数、及び第２分離膜ユニット１２を構成するモジュールの本数を、以下の表４に示すとおりに設定した。また、第２非透過ガスに含まれる酸素の濃度が５ｍｏｌ％となるように、同表に示す条件でガス分離装置１０を運転した。なお表４には、比較を容易にする目的で、上掲した比較例１Ａ及び比較例２Ａの結果も併記した。 [Example 3A and Example 4A]
Separation of nitrogen and oxygen from air was performed using the gas separator 10 shown in FIG. The number of modules constituting the first separation membrane unit 11 and the number of modules constituting the second separation membrane unit 12 were set as shown in Table 4 below. Further, the gas separator 10 was operated under the conditions shown in the table so that the concentration of oxygen contained in the second impermeable gas was 5 mol %. Table 4 also shows the results of Comparative Examples 1A and 2A for the purpose of facilitating comparison.

〔実施例３Ｂ及び実施例４Ｂ〕
図３に示すガス分離装置１０を用いて、空気からの窒素と酸素との分離を行った。第１分離膜ユニット１１を構成するモジュールの本数、及び第２分離膜ユニット１２を構成するモジュールの本数を、以下の表５に示すとおりに設定した。また、第２非透過ガスに含まれる酸素の濃度が１ｍｏｌ％となるように、同表に示す条件でガス分離装置１０を運転した。なお表５には、比較を容易にする目的で、上掲した比較例１Ｂ及び比較例２Ｂの結果も併記した。 [Example 3B and Example 4B]
Separation of nitrogen and oxygen from air was performed using the gas separator 10 shown in FIG. The number of modules constituting the first separation membrane unit 11 and the number of modules constituting the second separation membrane unit 12 were set as shown in Table 5 below. Further, the gas separator 10 was operated under the conditions shown in the table so that the concentration of oxygen contained in the second impermeable gas was 1 mol %. Table 5 also shows the results of Comparative Examples 1B and 2B for the purpose of facilitating comparison.

〔評価〕
実施例及び比較例における、第２非透過ガスの量とモジュールの本数との関係、及び第２非透過ガスの量と圧縮動力との関係を、以下に示す表６に纏めた。〔evaluation〕
The relationship between the amount of the second non-permeable gas and the number of modules and the relationship between the amount of the second non-permeable gas and the compression power in the examples and comparative examples are summarized in Table 6 below.

以上の各表に示す結果から、以下のことが分かる。
図１に示すガス分離装置を用いた実施例１Ａ及び実施例２Ａと、比較例１Ａ及び比較例２Ａとの対比から、実施例１Ａ及び実施例２Ａにおけるガス量当たりのモジュールの本数は、比較例１Ａ及び比較例２Ａの中間の値であることが分かる。また、実施例１Ａ及び実施例２Ａにおけるガス量当たりの動力も、比較例１Ａ及び比較例２Ａの中間の値であることが分かる。したがって、図１に示すガス分離装置によれば、使用するモジュールの選択といった簡易な方法で、ガス分離条件の選択肢が増えることが分かる。
実施例１Ｂ及び実施例２Ｂと、比較例１Ｂ及び比較例２Ｂとの対比からも、同様の結論が導かれる。 The results shown in the above tables reveal the following.
From the comparison between Examples 1A and 2A using the gas separation apparatus shown in FIG. It can be seen that the value is intermediate between 1A and Comparative Example 2A. Moreover, it can be seen that the power per amount of gas in Examples 1A and 2A is also an intermediate value between Comparative Examples 1A and 2A. Therefore, according to the gas separation apparatus shown in FIG. 1, it can be seen that options for gas separation conditions are increased by a simple method such as selection of a module to be used.
A similar conclusion can be drawn from a comparison of Examples 1B and 2B with Comparative Examples 1B and 2B.

図３に示すガス分離装置を用いた実施例３Ａ及び実施例４Ａと、比較例１Ａ及び比較例２Ａとの対比から、実施例３Ａ及び実施例４Ａにおけるガス量当たりのモジュールの本数は、比較例２Ａよりも改善されていることが分かる。また、実施例３Ａ及び実施例４Ａにおけるガス量当たりの動力も、比較例２Ａよりも改善されていることが分かる。
実施例３Ｂ及び実施例４Ｂと、比較例２Ｂとの対比からも、同様の結論が導かれる。 From the comparison between Examples 3A and 4A using the gas separation apparatus shown in FIG. It can be seen that this is an improvement over 2A. Moreover, it can be seen that the power per gas amount in Examples 3A and 4A is also improved over that in Comparative Example 2A.
A similar conclusion can be drawn from a comparison of Examples 3B and 4B with Comparative Example 2B.

１０ガス分離装置
１１第１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第２分離膜ユニット
１２ａガス入口
１２ｂ非透過ガス排出口
１２ｃ透過ガス排出口
１４非透過ガス排出ライン
１５透過ガス排出ライン
１６原料ガス供給ライン
２１第１圧縮機
２２第２圧縮機 10 gas separator 11 first separation membrane unit 11a gas inlet 11b non-permeated gas outlet 11c permeated gas outlet 12 second separation membrane unit 12a gas inlet 12b non-permeated gas outlet 12c permeated gas outlet 14 non-permeated gas outlet 15 permeated gas discharge line 16 source gas supply line 21 first compressor 22 second compressor

Claims

a compressor capable of sucking raw material air and compressing the raw material air to a predetermined pressure;
a first separation membrane unit capable of taking in the feed air compressed by the compressor as a first feed gas and separating it into a first oxygen-enriched permeate gas and a nitrogen-enriched first non-permeate gas; ,
a second membrane unit capable of taking in the total amount of said first non-permeate gas as a second feed gas and separating it into a second oxygen-enriched permeate gas and a second nitrogen-enriched non-permeate gas; ,
The oxygen permeability of the gas separation membrane in the first separation membrane unit is higher than the oxygen permeability of the gas separation membrane in the second separation membrane unit,
and the oxygen and nitrogen permeation ratio of the gas separation membrane in the second separation membrane unit is higher than the oxygen and nitrogen permeation ratio of the gas separation membrane in the first separation membrane unit,
gas separator.

2. The gas separation according to claim 1, further comprising a compressor between said first separation membrane unit and said second separation membrane unit for pressurizing said first non-permeating gas to obtain said second supply gas. Device.

3. The gas separation apparatus of claim 2, wherein the pressure of said first feed gas is 0.1-3 MPaG and the pressure of said second feed gas is 0.5-5 MPaG.

The gas according to any one of claims 1 to 3, wherein the first non-permeable gas has an oxygen concentration of 5 to 18 mol% and the second non-permeable gas has an oxygen concentration of 0.1 to 5 mol%. separation device.

5. The gas separation apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising a cooling device for said second supply gas between said first separation membrane unit and said second separation membrane unit.

Compressed feed air is taken into the first separation membrane unit as a first feed gas and separated into a first oxygen-enriched permeate gas and a nitrogen-enriched first non-permeate gas,
A gas separation method in which the entire amount of the first non-permeable gas is taken into the second separation membrane unit as the second feed gas and separated into the second permeable gas enriched in oxygen and the second non-permeable gas enriched in nitrogen. and
As the first separation membrane unit, the oxygen permeability of the gas separation membrane in the first separation membrane unit is higher than the oxygen permeability of the gas separation membrane in the second separation membrane unit,
As the second separation membrane unit, the gas separation membrane in the second separation membrane unit having a higher oxygen and nitrogen permeation ratio than the gas separation membrane in the first separation membrane unit is used. , gas separation method.