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公開番号2025171402
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-11-20
出願番号2024076719
出願日2024-05-09
発明の名称ガス分離システムおよびガス分離プラント
出願人株式会社日立製作所
代理人弁理士法人磯野国際特許商標事務所
主分類B01D 53/22 20060101AFI20251113BHJP(物理的または化学的方法または装置一般)
要約【課題】複数の分離膜モジュールを備える構成において、ガスグリッドの特定ガス濃度がユーザの指定する濃度を挟んで変動する場合にも容易な操作でユーザの指定する濃度範囲に制御が可能となるガス分離システムおよびガス分離プラントを提供する。
【解決手段】複数の分離膜モジュールから排出された非透過ガスと透過ガスを再混合し特定ガス濃度を指定した範囲内に制御するガス分離システム1であって、供給ガス調整弁10の開度と供給側特定ガス濃度計52と第1圧力計55と第2圧力計56の信号を受け取って、第1流量調整弁11と第2流量調整弁12と第1圧力調整弁13と第2圧力調整弁14の開度を調整する信号を発生する制御装置を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
複数の分離膜モジュールから排出された非透過ガスと透過ガスを再混合し特定ガス濃度を指定した範囲内に制御するガス分離システムであって、
前記ガス分離システムにガスを供給する供給ガス配管と、
前記供給ガス配管から分岐して、前記複数の分離膜モジュールのそれぞれにガスを供給する供給ガス分岐配管と、
前記複数の分離膜モジュールから排出された前記非透過ガスが流れる非透過ガス配管を合流させた非透過ガス合流配管と、
前記複数の分離膜モジュールから排出された前記透過ガスが流れる透過ガス配管を合流させた透過ガス合流配管と、
前記非透過ガス合流配管から前記非透過ガスが流れるとともに、第１流量調整弁を有する非透過ガス供給配管と、
前記透過ガス合流配管から前記透過ガスが流れるとともに、第２流量調整弁を有する透過ガス供給配管と、
前記第１流量調整弁および前記第２流量調整弁の下流側において、前記非透過ガス供給配管および前記透過ガス供給配管から接続される製品ガス配管と、
前記第１流量調整弁の上流側において、前記非透過ガス合流配管から分岐し、第１圧力調整弁を有する非透過ガス戻し配管と、
前記第２流量調整弁の上流側において、前記透過ガス合流配管から分岐し、第２圧力調整弁を有する透過ガス戻し配管と、
前記供給ガス配管において、供給ガスの流量または圧力を調整する供給ガス調整弁と、
前記供給ガス配管において、特定ガスの濃度を測定する供給側特定ガス濃度計と、
前記非透過ガス合流配管において、非透過側の圧力を測定する第１圧力計と、
前記透過ガス合流配管において、透過側の圧力を測定する第２圧力計と、を備え、
前記供給ガス調整弁の開度と前記供給側特定ガス濃度計と前記第１圧力計と前記第２圧力計の信号を受け取って、前記第１流量調整弁と前記第２流量調整弁と前記第１圧力調整弁と前記第２圧力調整弁の開度を調整する信号を発生する制御装置を備える
ことを特徴とするガス分離システム。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
請求項１に記載のガス分離システムにおいて、
前記制御装置は、前記供給ガス調整弁の開度と、前記供給側特定ガス濃度計と前記第１圧力計の測定値と、前記第２圧力計の測定値と、前記供給側特定ガス濃度計から前記複数の分離膜モジュールまでの配管の長さと、の情報に基づいて、前記第１流量調整弁と前記第２流量調整弁と前記第１圧力調整弁と前記第２圧力調整弁の開度を算出するデータベースを備える
ことを特徴とするガス分離システム。
【請求項３】
請求項１に記載のガス分離システムにおいて、
前記供給ガス分岐配管に流量制限機構を備え、前記供給ガス配管に第３圧力計を備える
ことを特徴とするガス分離システム。
【請求項４】
請求項３に記載のガス分離システムにおいて、
前記制御装置は、さらに前記第３圧力計の情報を追加し、前記第１流量調整弁と前記第２流量調整弁と前記第１圧力調整弁と前記第２圧力調整弁の開度を算出するデータベースを備えている
ことを特徴とするガス分離システム。
【請求項５】
複数のガス分離システムを備えるガス分離プラントであって、
前記ガス分離プラントにガスを供給するプラント供給ガス配管と、
前記プラント供給ガス配管から分岐して、前記複数のガス分離システムのそれぞれにガスを供給するプラント供給ガス分岐配管と、
前記複数のガス分離システムから排出された戻し非透過ガスが流れるプラント非透過ガス配管を合流させたプラント非透過ガス合流配管と、
前記複数のガス分離システムから排出された戻し透過ガスが流れるプラント透過ガス配管を合流させたプラント透過ガス合流配管と、
製品ガスが流れる製品ガス配管を合流させたプラント製品ガス合流配管と、を備え、
前記複数のガス分離システムが、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のガス分離システムである
ことを特徴とするガス分離プラント。
【請求項６】
請求項５に記載のガス分離プラントにおいて、
前記ガス分離システムの前記供給側特定ガス濃度計の代わりに、前記プラント供給ガス配管に前記特定ガスの濃度を測定するプラント特定ガス濃度計を備え、
前記プラント特定ガス濃度計の信号を前記ガス分離システムの前記制御装置に送る信号送信装置を備え、
前記ガス分離システムの前記制御装置は、さらに前記信号送信装置からの特定ガス濃度と、前記プラント特定ガス濃度計から前記複数の分離膜モジュールまでの配管の長さと、の情報を追加し、前記第１流量調整弁と前記第２流量調整弁と前記第１圧力調整弁と前記第２圧力調整弁の開度を算出するデータベースを備えている
ことを特徴とするガス分離プラント。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス分離システムおよびガス分離プラントに関する。
続きを表示（約 2,700 文字）【背景技術】
【０００２】
複数の成分を含む混合ガスから特定のガスを分離する方法として、ガスを選択的に透過する分離膜を利用する方法がある。例えば、セラミック膜に代表される分子径の差により分離する分子ふるい膜や膜へのガスの溶解性の差を利用した高分子膜等がある。これらの分離膜では、透過させたい特定ガス以外も一定量透過する。分離膜を透過させる前を非透過側、透過させた後を透過側と呼ぶ。分離膜のガス透過量は、非透過側のガス分圧と透過側のガス分圧の差に膜面積を乗じたものに比例する。高分子素材は比較的加工が容易であり、中空糸状やシート状にしたものを容器に封入したモジュールが実用化されている。分離膜を用いて特定ガスを必要な濃度に制御する方法が特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特許第５１１１８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、透過ガスにバイパスした原料ガスを混ぜて透過ガスの純度を一定に維持しつつ回収率を高めている。透過ガスの純度が変化する要因として、分離膜モジュールに供給される原料ガス流量が挙げられている。例えば、原料ガス流量が減少すると、分離膜モジュール出口付近で難透過性ガスの分圧が上昇して難透過性ガスの透過量が増え、透過ガスの純度が低下する。この場合、バイパスする純度の低い原料ガスの流量を低下させて透過ガスの純度を一定以上に維持する。
【０００５】
既存ガスグリッドに特定ガスとして水素を混合させて輸送する場合、ユーザにより必要とする水素濃度は様々であり、利用状況によりガスグリッド内の水素濃度が変動する。例えば、水素濃度２０％を必要とするユーザには、ガスグリッドの水素濃度が２０％よりも小さければ特許文献１の構成で水素濃度２０％に制御できるが、ガスグリッドの水素濃度が２０％を超えると、分離膜を透過するガスの水素濃度は２０％以上となり、バイパスガスの水素濃度も２０％を超えているので、特許文献１の構成で透過ガス配管の水素濃度を２０％に制御することはできない。
【０００６】
特許文献１の構成において非透過ガス配管の水素濃度を２０％に制御して製品ガスとして取り出すことは可能であるが、非透過ガス配管を製品ガス配管に接続して、非透過ガス配管及び透過ガス配管に弁を取り付ける必要がある。ガスグリッドの水素濃度が２０％を挟んで変動した場合、２０％以下では透過ガス配管のガスを取出し、２０％を超えると非透過ガス配管のガスを取り出すことになり、各配管の弁を不連続に切り替える必要がある。配管の切り替え時にユーザに供給するガスの水素濃度が大きく変動する可能性がある。このため、ガスグリッドの特定ガス濃度がユーザの指定する濃度を挟んで変動する場合にも容易に操作できることが望まれていた。
【０００７】
また、必要な製品ガスの流量に応じて、ガス分離システムは複数の分離膜モジュールで構成される。供給ガス配管から分岐されて各分離膜モジュールに混合ガスが供給されるが、分離膜モジュールの配置によって分岐部から各分離膜モジュール入口まで距離が異なる。供給ガス配管に設置したガス濃度計の値により製品ガスの特定ガス濃度を制御する場合、ガス濃度計で特定ガス濃度の変化を検知してから、分離膜モジュール入口まで濃度変化したガスが到達するまでの時間が分離膜モジュールごとに異なる。この時間差を考慮して制御しないと製品ガスの特定ガス濃度がユーザが指定する濃度範囲で制御できなくなる可能性がある。
【０００８】
本発明の目的は、複数の分離膜モジュールを備える構成において、ガスグリッドの特定ガス濃度がユーザの指定する濃度を挟んで変動する場合にも容易な操作でユーザの指定する濃度範囲に制御が可能となるガス分離システムおよびガス分離プラントを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記した課題を解決するために、本発明に係るガス分離システムは、複数の分離膜モジュールから排出された非透過ガスと透過ガスを再混合し特定ガス濃度を指定した範囲内に制御するガス分離システムであって、前記ガス分離システムにガスを供給する供給ガス配管と、前記供給ガス配管から分岐して、前記複数の分離膜モジュールのそれぞれにガスを供給する供給ガス分岐配管と、前記複数の分離膜モジュールから排出された前記非透過ガスが流れる非透過ガス配管を合流させた非透過ガス合流配管と、前記複数の分離膜モジュールから排出された前記透過ガスが流れる透過ガス配管を合流させた透過ガス合流配管と、前記非透過ガス合流配管から前記非透過ガスが流れるとともに、第１流量調整弁を有する非透過ガス供給配管と、前記透過ガス合流配管から前記透過ガスが流れるとともに、第２流量調整弁を有する透過ガス供給配管と、前記第１流量調整弁および前記第２流量調整弁の下流側において、前記非透過ガス供給配管および前記透過ガス供給配管から接続される製品ガス配管と、前記第１流量調整弁の上流側において、前記非透過ガス合流配管から分岐し、第１圧力調整弁を有する非透過ガス戻し配管と、前記第２流量調整弁の上流側において、前記透過ガス合流配管から分岐し、第２圧力調整弁を有する透過ガス戻し配管と、前記供給ガス配管において、供給ガスの流量または圧力を調整する供給ガス調整弁と、前記供給ガス配管において、特定ガスの濃度を測定する供給側特定ガス濃度計と、前記非透過ガス合流配管において、非透過側の圧力を測定する第１圧力計と、前記透過ガス合流配管において、透過側の圧力を測定する第２圧力計と、を備え、前記供給ガス調整弁の開度と前記供給側特定ガス濃度計と前記第１圧力計と前記第２圧力計の信号を受け取って、前記第１流量調整弁と前記第２流量調整弁と前記第１圧力調整弁と前記第２圧力調整弁の開度を調整する信号を発生する制御装置を備えることとした。
本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数の分離膜モジュールを備えるガス分離装置およびガス分離プラントにおいて、ガスグリッドの特定ガス濃度がユーザの指定する濃度を挟んで変動する場合にも容易な操作でユーザの指定する濃度範囲に制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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