CN120456973A - 气体分离系统及混合气体的分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适于高效地分离混合气体的新的气体分离系统。本发明的气体分离系统100具备将混合气体70分离为第1透过气体80和第1非透过气体81的第1分离膜11、和将第1非透过气体81分离为第2透过气体90和第2非透过气体91的第2分离膜21。混合气体70包含气体A和与气体A不同的气体B。第1分离膜11能够使气体A优先透过。第2分离膜21能够使气体B优先透过。第1分离膜的分离系数α1与第2分离膜的分离系数α2满足下述关系式(1)及(2)。α1/α2≥1.9(1)α2≤50(2)。

Description

气体分离系统及混合气体的分离方法

技术领域

本发明涉及气体分离系统及混合气体的分离方法。

背景技术

在制造化学品的化学设备等中，会排出例如包含二氧化碳、氢等的混合气体。从环境控制、资源的有效利用等观点考虑，对于混合气体，期望分离并回收各成分。

作为从混合气体分离各成分的方法，开发了膜分离法。与使混合气体中包含的特定成分吸收于吸收剂而进行分离的吸收法相比，膜分离法能够抑制运转成本并且高效地分离各成分。

在膜分离法中，有时利用将多个分离膜组合而成的气体分离系统。例如，专利文献1中公开了使用使二氧化碳优先透过的2个分离膜来浓缩甲烷气体的甲烷浓缩装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-260739号公报

发明内容

发明所要解决的课题

需要适于高效地分离混合气体的新的气体分离系统。

用于解决课题的手段

本申请的发明人进行了深入研究，结果得到了下述新的见解，即，在将所优先透过的气体之种类互不相同的2个分离膜组合的情况下，如果适当地调整2个分离膜的分离系数α，则即使一方的分离膜的分离系数α为50以下(特别是20以下)的小值，也能够以充分高的回收率及回收纯度分离混合气体。本申请的发明人基于该见解进行了研究，从而完成了本发明。

本发明提供气体分离系统，其具备：

第1分离膜，其将混合气体分离为第1透过气体和第1非透过气体；

第2分离膜，其将所述第1非透过气体分离为第2透过气体和第2非透过气体，

其中，所述混合气体包含气体A和与所述气体A不同的气体B，

所述第1分离膜能够使所述气体A优先透过，

所述第2分离膜能够使所述气体B优先透过，

通过下述试验求出的所述第1分离膜的所述气体A相对所述气体B的分离系数α1、与通过下述试验求出的所述第2分离膜的所述气体B相对所述气体A的分离系数α2满足下述关系式(1)及(2)，

试验：由所述第1分离膜或所述第2分离膜制作试验片；进行向与所述试验片的一侧的面相邻的空间供给由所述气体A及所述气体B得到的试验气体、并且对与所述试验片的另一侧的面相邻的空间进行减压的操作；基于所述操作的结果确定所述分离系数α1或所述分离系数α2；其中，在所述操作中，所述试验气体中的所述气体A的含有率在标准状态下为50vol％(体积％)，向与所述一侧的面相邻的空间供给的所述试验气体的温度为30℃、压力为0.1MPa，与所述另一侧的面相邻的空间被以该空间内的压力相对测定环境中的大气压而言减小0.1MPa的方式减压，

α1/α2≥1.9 (1)

α2≤50 (2)。

此外，本发明还提供混合气体的分离方法，包括：

第1分离工序，经能够使气体A优先透过的第1分离膜而将包含所述气体A和与所述气体A不同的气体B的混合气体分离为第1透过气体和第1非透过气体；和

第2分离工序，经能够使所述气体B优先透过的第2分离膜而将所述第1非透过气体分离为第2透过气体和第2非透过气体，

其中，通过下述试验求出的所述第1分离膜的所述气体A相对所述气体B的分离系数α1、与通过下述试验求出的所述第2分离膜的所述气体B相对所述气体A的分离系数α2满足下述关系式(1)及(2)，

试验：由所述第1分离膜或所述第2分离膜制作试验片；进行向与所述试验片的一侧的面相邻的空间供给由所述气体A及所述气体B得到的试验气体、并且对与所述试验片的另一侧的面相邻的空间进行减压的操作；基于所述操作的结果确定所述分离系数α1或所述分离系数α2；其中，在所述操作中，所述试验气体中的所述气体A的含有率在标准状态下为50vol％，向与所述一侧的面相邻的空间供给的所述试验气体的温度为30℃、压力为0.1MPa，与所述另一侧的面相邻的空间被以该空间内的压力相对测定环境中的大气压而言减小0.1MPa的方式减压，

α1/α2≥1.9 (1)

α2≤50 (2)。

发明效果

根据本发明，能够提供适于高效地分离混合气体的新的气体分离系统。

附图说明

[图1]是本发明的一实施方式的气体分离系统的概略构成图。

[图2]是示出第1分离膜单元的一例的概略截面图。

[图3]是示意性地示出第1分离膜的一例的截面图。

[图4]是示出第2分离膜单元的一例的概略截面图。

[图5]是示意性地示出第2分离膜的一例的截面图。

[图6]是示意地示出第1分离膜单元的另一例的立体图。

[图7]是示出气体分离系统的变形例的概略构成图。

[图8]是用于说明计算例9中使用的气体分离系统的构成图。

具体实施方式

本发明的第1方式的气体分离系统具备：

第1分离膜，其将混合气体分离为第1透过气体和第1非透过气体；

第2分离膜，其将所述第1非透过气体分离为第2透过气体和第2非透过气体，

其中，所述混合气体包含气体A和与所述气体A不同的气体B，

所述第1分离膜能够使所述气体A优先透过，

所述第2分离膜能够使所述气体B优先透过，

通过下述试验求出的所述第1分离膜的所述气体A相对所述气体B的分离系数α1、与通过下述试验求出的所述第2分离膜的所述气体B相对所述气体A的分离系数α2满足下述关系式(1)及(2)，

试验：由所述第1分离膜或所述第2分离膜制作试验片；进行向与所述试验片的一侧的面相邻的空间供给由所述气体A及所述气体B得到的试验气体、并且对与所述试验片的另一侧的面相邻的空间进行减压的操作；基于所述操作的结果确定所述分离系数α1或所述分离系数α2；其中，在所述操作中，所述试验气体中的所述气体A的含有率在标准状态下为50vol％，向与所述一侧的面相邻的空间供给的所述试验气体的温度为30℃、压力为0.1MPa，与所述另一侧的面相邻的空间被以该空间内的压力相对测定环境中的大气压而言减小0.1MPa的方式减压，

α1/α2≥1.9 (1)

α2≤50 (2)。

在本发明的第2方式中，例如，在第1方式的气体分离系统中，所述分离系数α2为20以下。

在本发明的第3方式中，例如，在第1或第2方式的气体分离系统中，所述气体A为氢，所述气体B为二氧化碳。

在本发明的第4方式中，例如，在第1～第3方式中的任一者的气体分离系统中，将所述第1透过气体及所述第2透过气体分别地进行回收。

在本发明的第5方式中，例如，在第1～第4方式中的任一者的气体分离系统中，所述第1分离膜的膜面积大于所述第2分离膜的膜面积。

在本发明的第6方式中，例如，在第1～第5方式中的任一者的气体分离系统中，所述第1透过气体中的所述气体A的含有率为85vol％以上，基于所述第1透过气体的所述气体A的回收率为70wt％(重量％)以上。

在本发明的第7方式中，例如，在第1～第6方式中的任一者的气体分离系统中，所述第2透过气体中的所述气体B的含有率为85vol％以上，基于所述第2透过气体的所述气体B的回收率为80wt％以上。

在本发明的第8方式中，例如，在第1～第7方式中的任一者的气体分离系统中，在所述混合气体中，所述气体A的体积相对所述气体A的体积与所述气体B的体积的合计值的比率为20～80vol％。

在本发明的第9方式中，例如，第1～第8方式中的任一者的气体分离系统还具备：收容所述第1分离膜的第1分离膜单元；混合气体供给路径，其与所述第1分离膜单元连接，用于向所述第1分离膜单元供给所述混合气体；和加压装置，其配置于所述混合气体供给路径，将所述混合气体升压。

在本发明的第10方式中，例如，第1～第9方式中的任一者的气体分离系统还具备：收容所述第1分离膜的第1分离膜单元；回收所述第1透过气体的第1回收部；和第1回收路径，其与所述第1分离膜单元及所述第1回收部连接，用于向所述第1回收部输送所述第1透过气体。

在本发明的第11方式中，例如，第10方式的气体分离系统还具备：收容所述第2分离膜的第2分离膜单元；和排出路径，其与所述第2分离膜单元连接，用于从所述第2分离膜单元排出第2非透过气体，其中，所述排出路径在合流位置处与所述第1回收路径合流。

在本发明的第12方式中，例如，第1～第11方式中的任一者的气体分离系统还具备：收容所述第2分离膜的第2分离膜单元；回收所述第2透过气体的第2回收部；和第2回收路径，其与所述第2分离膜单元及所述第2回收部连接，用于向所述第2回收部输送所述第2透过气体。

在本发明的第13方式中，例如，在第1～第12方式中的任一者的气体分离系统中，所述第1分离膜具备包含树脂的树脂层或包含金属的金属层作为分离功能层。

在本发明的第14方式中，例如，在第1～第13方式中的任一者的气体分离系统中，所述第2分离膜具备包含聚醚嵌段酰胺树脂或离子液体的分离功能层。

本发明的第15方式的混合气体的分离方法包括：

第1分离工序，经能够使气体A优先透过的第1分离膜而将包含所述气体A和与所述气体A不同的气体B的混合气体分离为第1透过气体和第1非透过气体；和

第2分离工序，经能够使所述气体B优先透过的第2分离膜而将所述第1非透过气体分离为第2透过气体和第2非透过气体，

其中，通过下述试验求出的所述第1分离膜的所述气体A相对所述气体B的分离系数α1、与通过下述试验求出的所述第2分离膜的所述气体B相对所述气体A的分离系数α2满足下述关系式(1)及(2)，

试验：由所述第1分离膜或所述第2分离膜制作试验片；进行向与所述试验片的一侧的面相邻的空间供给由所述气体A及所述气体B得到的试验气体、并且对与所述试验片的另一侧的面相邻的空间进行减压的操作；基于所述操作的结果确定所述分离系数α1或所述分离系数α2；其中，在所述操作中，所述试验气体中的所述气体A的含有率在标准状态下为50vol％，向与所述一侧的面相邻的空间供给的所述试验气体的温度为30℃、压力为0.1MPa，与所述另一侧的面相邻的空间被以该空间内的压力相对测定环境中的大气压而言减小0.1MPa的方式减压，

α1/α2≥1.9 (1)

α2≤50 (2)。

以下，对本发明的详细内容进行说明，但以下的说明并非旨在将本发明限制于特定的实施方式。

<气体分离系统>

如图1所示，本实施方式的气体分离系统100具备第1分离膜11及第2分离膜21。详细而言，气体分离系统100具备收容第1分离膜11的第1分离膜单元10和收容第2分离膜21的第2分离膜单元20。第1分离膜单元10是使用第1分离膜11对混合气体进行膜分离的膜分离装置。第1分离膜11能够将混合气体分离为第1透过气体和第1非透过气体。第2分离膜单元20是使用第2分离膜21对从第1分离膜单元10排出的第1非透过气体进行膜分离的膜分离装置。第2分离膜21能够将第1非透过气体分离为第2透过气体和第2非透过气体。

通过第1分离膜单元10处理的混合气体包含气体A和与气体A不同的气体B。作为气体A及气体B，例如可举出氢、二氧化碳等。作为一例，气体A为氢、气体B为二氧化碳。但是，根据情况，也可以是气体A是二氧化碳、气体B是氢。

第1分离膜11能够使气体A优先透过。因此，经第1分离膜11分离的第1透过气体的气体A的含有率比混合气体高、且气体B的含有率比混合气体低。另一方面，第1非透过气体的气体A的含有率比混合气体低、且气体B的含有率比混合气体高。

第2分离膜21能够使气体B优先透过。因此，经第2分离膜21分离的第2透过气体的气体B的含有率比第1非透过气体高、且气体A的含有率比第1非透过气体低。另一方面，第2非透过气体的气体B的含有率比第1非透过气体低、且气体A的含有率比第1非透过气体高。

在气体分离系统100中，通过下述试验求出的第1分离膜11的气体A相对气体B的分离系数α1、与通过下述试验求出的第2分离膜21的气体B相对气体A的分离系数α2满足下述关系式(1)及(2)。

试验：由第1分离膜11或第2分离膜21制作试验片。进行向与试验片的一侧的面相邻的空间供给由气体A及气体B得到的试验气体、并且对与试验片的另一侧的面相邻的空间进行减压的操作(分离操作)。基于分离操作的结果，确定分离系数α1或分离系数α2。其中，在分离操作中，试验气体中的气体A的含有率在标准状态下为50vol％，向与一侧的面相邻的空间供给的试验气体的温度为30℃、压力为0.1MPa，与另一侧的面相邻的空间被以该空间内的压力相对测定环境中的大气压而言减小0.1MPa的方式减压。

α1/α2≥1.9 (1)

α2≤50 (2)

在上述试验中，试验片例如可通过将第1分离膜11或第2分离膜21切断成直径20mm的圆板状而制作。圆板状的试验片的尺寸可以为直径20mm以上。

上述试验的分离操作例如可以通过以下方法进行。首先，将试验片设置在金属小室中，用O型环密封以防泄漏。接着，以使试验气体与试验片的一侧的主面(例如后述的主面11a或21a)接触的方式，向金属小室内的空间(供给空间)注入试验气体。如上所述，在注入到供给空间的试验气体中，气体A的含有率在标准状态(0℃，101kPa)下为50vol％。试验气体的温度为30℃，压力为0.1MPa。需要说明的是，在本说明书中，只要没有特别说明，“压力”是指绝对压力。

接着，利用真空泵对与试验片的另一侧的主面(例如后述的主面11b或21b)相邻的金属小室内的空间(透过空间)进行减压。此时，透过空间被以该空间内的压力相对测定环境中的大气压而言减小0.1MPa的方式减压。由此，在透过空间中，得到透过了试验片的透过流体。基于透过流体的重量、以及透过流体中的气体A的体积比率及气体B的体积比率等，能够算出试验片的分离系数α。详细而言，通过使用由第1分离膜11制作的试验片进行上述分离操作，可算出第1分离膜11的分离系数α1(气体A/气体B)，通过使用由第2分离膜21制作的试验片进行上述分离操作，可算出第2分离膜21的分离系数α2(气体B/气体A)。

详细而言，分离系数α能够根据以下的式子算出。计算第1分离膜11的分离系数α1(气体A/气体B)的情况下，在下述式中，X_A及X_B分别是试验气体中的气体A的体积比率及气体B的体积比率，Y_A及Y_B分别是透过了试验片的透过流体中的气体A的体积比率及气体B的体积比率。另一方面，在计算第2分离膜21的分离系数α2(气体B/气体A)的情况下，在下述式中，X_A及X_B分别是试验气体中的气体B的体积比率及气体A的体积比率，Y_A及Y_B分别是透过了试验片的透过流体中的气体B的体积比率及气体A的体积比率。需要说明的是，这些体积比率是标准状态(0℃，101kPa)下的值。

分离系数α＝(Y_A/Y_B)/(X_A/X_B)

在气体分离系统100中，通过满足关系式(1)(α1/α2≥1.9)，即使第2分离膜21的分离系数α2为50以下(特别是20以下)的小值，也有能够以足够高的回收率及回收纯度分离混合气体的倾向。特别是在使二氧化碳优先透过的分离膜中，存在难以将二氧化碳的分离系数调整为高值的倾向。根据气体分离系统100，通过采用使二氧化碳优先透过的分离膜作为第2分离膜21，具有即使不将该分离膜的分离系数调整为高值，也能够以充分高的回收率及回收纯度分离混合气体的倾向。

分离系数α1相对分离系数α2的比(α1/α2)可以为2.0以上，也可以为2.3以上、2.5以上、2.8以上、3.0以上、3.5以上，进而也可以为4.0以上。比(α1/α2)的上限没有特别限定，例如为10.0以下，也可以为8.0以下。

第1分离膜11的分离系数α1只要满足上述关系式(1)，就没有特别限定，例如可以是5以上、10以上、15以上、20以上、25以上、30以上、40以上、50以上、60以上、70以上，进而也可以为80以上。分离系数α1的上限例如为200以下，可以为150以下，也可以为100以下。

第2分离膜21的分离系数α2只要满足上述关系式(1)及(2)，就没有特别限定，例如为40以下，也可以为30以下、25以下、20以下、15以下，进而也可以为10以下。分离系数α2的下限例如大于1，也可以为2以上、3以上、4以上，进而也可以为5以上。

需要说明的是，透过第1分离膜11的气体A的透过速度T1没有特别限定，例如可以为1GPU以上、5GPU以上、10GPU以上、50GPU以上，进而也可以为100GPU以上。透过速度T1的上限没有特别限定，例如为1000GPU以下。其中，GPU是指10^-6·cm³(STP)/(sec·cm²·cmHg)。cm³(STP)是指在1个大气压、0℃条件下的气体体积。透过速度T1可基于使用由第1分离膜11制作的试验片进行上述分离操作的结果算出。

透过第2分离膜21的气体B的透过速度T2没有特别限定，例如为1GPU以上、也可以为5GPU以上、10GPU以上、50GPU以上，进而也可以为100GPU以上。透过速度T2的上限没有特别限定，例如为1000GPU以下。透过速度T2可基于使用由第2分离膜21制作的试验片进行上述分离操作的结果算出。

本实施方式的气体分离系统100还具备混合气体供给路径30。混合气体供给路径30与第1分离膜单元10的混合气体入口(入口13a)连接，是用于从储存混合气体的罐(未图示)等向第1分离膜单元10供给混合气体的路径。混合气体供给路径30可以与混合气体的产生源直接连接，也可以是从该产生源向第1分离膜单元10连续地供给混合气体的构成。在混合气体供给路径30例如配置有将混合气体升压的加压装置40。作为加压装置40，例如可举出压缩机、鼓风机及背压阀。加压装置40通过将混合气体升压，可对第1分离膜单元10的供给侧空间进行加压。

在混合气体供给路径30中，可以在加压装置40与第1分离膜单元10之间配置热交换器(未图示)。热交换器例如对通过加压装置40而升压的混合气体进行冷却。热交换器例如是在防冻液等冷却介质与混合气体之间产生热交换的气-液热交换器，典型地是翅片管热交换器。

气体分离系统100还具备非透过气体供给路径32。非透过气体供给路径32是与第1分离膜单元10的非透过气体出口(出口13b)及第2分离膜单元20的非透过气体入口(入口23a)连接、用于从第1分离膜单元10向第2分离膜单元20供给第1非透过气体的路径。在非透过气体供给路径32上也可以不配置捕集第1非透过气体的捕集器等的罐、进行路径的开闭的开闭阀。根据这样的构成，可将从第1分离膜单元10排出的第1非透过气体连续地供给至第2分离膜单元20，可容易地增加每单位时间的混合气体的处理量。作为一例，非透过气体供给路径32也可以仅由配管构成。

气体分离系统100还具备第1回收路径34及第1回收部42。第1回收路径34连接于第1分离膜单元10的透过气体出口(出口14a)及第1回收部42的入口，是用于从第1分离膜单元10向第1回收部42输送第1透过气体的路径。第1回收部42回收从第1分离膜单元10输送来的第1透过气体，例如可储存第1透过气体。第1回收部42例如是储存第1透过气体的罐。

气体分离系统100还具备第2回收路径36及第2回收部44。第2回收路径36连接于第2分离膜单元20的透过气体出口(出口24a)及第2回收部44的入口，是用于从第2分离膜单元20向第2回收部44输送第2透过气体的路径。第2回收部44回收从第2分离膜单元20输送来的第2透过气体，例如可储存第2透过气体。第2回收部44例如是储存第2透过气体的罐。

气体分离系统100还具备排出路径38。排出路径38连接于第2分离膜单元20的非透过气体出口(出口23b)，是用于从第2分离膜单元20排出第2非透过气体的路径。排出路径38例如在合流位置35处与第1回收路径34合流。通过使排出路径38与第1回收路径34合流，能够在第1回收路径34内将第1透过气体与第2非透过气体混合。由此，对于气体A，有能够在不使回收纯度大幅降低的情况下进一步提高回收率的倾向。需要说明的是，在气体分离系统100中，在供给至第1分离膜单元10的混合气体的压力高的情况下，存在第2非透过气体的压力也高的倾向。通过将第1透过气体和压力高的第2非透过气体混合，能够得到压力比第1透过气体高的气体(回收气体)。

需要说明的是，排出路径38也可以不与第1回收路径34合流。排出路径38也可以与第1回收部42直接连接。也可以在排出路径38上配置减压装置及热交换器(未图示)。利用减压装置，例如能够将第2非透过气体减压至外部环境中的大气压(例如101kPa)。作为减压装置，例如可举出减压阀。热交换器例如位于减压装置与合流位置35之间。热交换器例如对由减压装置减压后的第2非透过气体进行加热。热交换器例如是在温水等热介质与第2非透过气体之间产生热交换的气-液热交换器，典型地是翅片管热交换器。

气体分离系统100的各路径只要没有特别提及，例如由金属制或树脂制的配管构成。

气体分离系统100还可以具备控制气体分离系统100的各部件的控制器(未图示)。控制器例如是包括A/D转换电路、输入输出电路、运算电路、存储装置等的DSP(DigitalSignalProcessor；数字信号处理器)。在控制器中存储有用于使气体分离系统100适当运转的程序。

本实施方式的气体分离系统100例如为连续式系统。本说明书中，所谓连续式系统，是指不利用开关阀等将构成气体分离系统100的路径关闭、而能够连续地对混合气体进行处理的系统。换言之，气体分离系统100能够利用第1分离膜单元10对混合气体进行处理，并且，对于第1分离膜单元10中得到的第1非透过气体，在不捕集于罐等中的情况下直接利用第2分离膜单元20进行处理。像这样，本实施方式的气体分离系统100能实现连续运转。作为连续式系统来发挥功能的气体分离系统100适合于混合气体被连续供给的用途、排出气体的处理等。

[第1分离膜单元]

如图2所示，第1分离膜单元10具备第1分离膜11及罐12。罐12具有第1室13以及第2室14。第1室13内的空间相当于供给侧空间，第2室14内的空间相当于透过侧空间。第1分离膜11配置在罐12的内部。在罐12的内部，第1分离膜11将第1室13与第2室14隔开。第1分离膜11从罐12的1对壁面的一方延伸至另一方。

第1室13具有入口13a及出口13b。第2室14具有出口14a。第1室13的入口13a是用于将混合气体70供给至第1分离膜单元10的开口。第2室14的出口14a是用于将通过混合气体70透过第1分离膜11而得到的第1透过气体80从第1分离膜单元10排出的开口。第1室13的出口13b是用于将未透过第1分离膜11的混合气体70(第1非透过气体81)从第1分离膜单元10排出的开口。入口13a、出口13b以及出口14a分别形成于例如罐12的壁面。

(第1分离膜)

在本实施方式的气体分离系统100中，第1分离膜11的膜面积M1优选大于第2分离膜21的膜面积M2。第1分离膜11的膜面积M1相对第2分离膜21的膜面积M2之比M1/M2例如可以大于1.0、为1.3以上、1.5以上、1.8以上，进而也可以为2.0以上。比M1/M2的上限没有特别限定，例如为10以下，也可以为5.0以下。

如上所述，第1分离膜11能够使混合气体70中所含的气体A优先透过。以下，对气体A为氢的情况下的第1分离膜11、即优先透过氢的第1分离膜11进行说明。本说明书中，有时将使氢优先透过的分离膜称为“氢透过膜”。需要说明的是，第1分离膜11也可以是氢透过膜以外的其他分离膜(例如，后述的二氧化碳透过膜)。

如图3所示，作为氢透过膜的第1分离膜11例如具备分离功能层1。作为分离功能层1，可举出包含树脂的树脂层、包含金属的金属层等。换言之，第1分离膜11具备包含树脂的树脂层或包含金属的金属层作为分离功能层1。第1分离膜11可以还具备支承分离功能层1的支承体3、以及被覆分离功能层1的涂层2。分离功能层1例如配置于涂层2与支承体3之间，与涂层2及支承体3分别直接相接。但是，也可以在分离功能层1与支承体3之间配置粘接剂。在分离功能层1与涂层2之间还可以配置其他支承体。第1分离膜11具有涂层2侧的主面11a、和支承体3侧的主面11b。

《分离功能层》

分离功能层1是能够使氢优先透过的层。在分离功能层1为树脂层的情况下，作为树脂层中所含的树脂，可举出聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂等。树脂层优选实质上由树脂形成。在本说明书中，“实质上由～形成”是指排除变更所提及的材料的本质特征的其他成分，例如是指95wt％以上、进而99wt％以上由该材料构成。

在分离功能层1为金属层的情况下，金属层中所含的金属只要是以单质形态或者通过进行合金化而具有氢透过功能的金属即可，没有特别限定。作为这样的金属，例如，可举出Pd、Nb、V、Ta、Ni、Fe、Al、Cu、Ru、Re、Rh、Au、Pt、Ag、Cr、Co、Sn、Zr、Y、Ce、Ti、Ir、Mo及包含这些金属中的2种以上的合金等。

金属层优选为包含Pd合金的合金层。形成Pd合金的其他金属没有特别限定，优选为第11族元素，更优选为选自由Au、Ag及Cu组成的组中的至少1种。金属层优选包含Pd-Au合金。Pd合金中的第11族元素的含有率优选为20～65mol％，更优选为30～65mol％，进一步优选为30～60mol％，特别优选为40～60mol％。包含Ag的含有率为20mol％以上的Pd-Ag合金、Cu的含有率为30mol％以上的Pd-Cu合金、或Au的含有率为20mol％以上的Pd-Au合金的合金层存在下述倾向：即使在60℃左右以下的低温区域，也不易因氢而脆化。Pd合金也可以包含IB族及/或IIIA族的金属。

Pd合金也可以不是上述的2种成分的合金，而是3种成分以上的合金。作为3种成分以上的合金，例如，可举出Pd-Au-Ag、Pd-Au-Cu、Pd-Au-Ag-Cu等。例如，在包含Pd、Au及其他金属的多成分系合金的情况下，合金中的Au的含有率与其他金属的含有率的合计值优选为55mol％以下，更优选为50mol％以下，进一步优选为45mol％以下，特别优选为40mol％以下。

金属层例如实质上由金属形成。

金属层可以通过例如轧制法、溅射法、真空蒸镀法、离子镀法、镀覆法等来制作。轧制法适于制作较厚的金属层。溅射法适于制作较薄的金属层。

轧制法可以为热轧，也可以为冷轧。轧制法是使用一对或多对辊、一边对金属施加压力一边拉伸成膜状的方法。利用轧制法得到的金属层的厚度优选为5～50μm，更优选为10～30μm。通过使金属层的厚度为5μm以上，能够抑制制作时的针孔或裂纹的产生，此外，能够抑制吸藏了氢时的变形。通过使金属层的厚度为50μm以下，对于金属层而言，能够抑制制作成本并且实现充分的氢透过性。

溅射法可以使用例如平行平板型、单片型、通过型、DC溅射及RF溅射等的溅射装置通过以下的方法来进行。首先，在设置有金属靶的溅射装置上安装基板。接下来，对溅射装置内进行真空排气，将Ar气体压力调整为规定值。在金属靶中流通规定的溅射电流，在基板上形成金属膜。从基板剥离金属膜，由此能够得到金属层。作为金属靶，可以根据要制作的金属层的组成而使用1个或2个以上的靶。作为溅射法中使用的基板，例如，可举出玻璃板、陶瓷板、硅晶片、包含铝、不锈钢等的金属板等。需要说明的是，根据溅射法，还能够在支承体3上直接形成金属层。

利用溅射法得到的金属层的厚度优选为0.01～5μm，更优选为0.05～2μm。通过使金属层的厚度为0.01μm以上，能够抑制制作时的针孔的产生，能够获得充分的机械强度。若金属层的厚度为0.01μm以上，则在从基板剥离时不易破损，还有剥离后的操作容易的倾向。金属层的厚度为5μm以下的情况下，能够在短时间内制作金属层，能够抑制制造成本。

《涂层》

作为涂层2的材料，没有特别限定，例如，可举出氟系化合物、橡胶系聚合物、有机硅系聚合物、氨基甲酸酯系聚合物、聚酯系聚合物等，优选为选自由氟系化合物、橡胶系聚合物及有机硅系聚合物组成的组中的至少1者。

作为氟系化合物，例如，可举出氟烷基羧酸盐、氟烷基季铵盐、氟烷基环氧乙烷加成物等含有氟烷基的化合物；全氟烷基羧酸盐、全氟烷基季铵盐、全氟烷基环氧乙烷加成物等含有全氟烷基的化合物；四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、四氟乙烯/全氟烷基乙烯基醚共聚物、四氟乙烯聚合物、偏氟乙烯/四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯/六氟丙烯共聚物、含氟(甲基)丙烯酸酯聚合物、含氟(甲基)丙烯酸烷基酯聚合物、含氟(甲基)丙烯酸酯与其他单体的共聚物等氟系聚合物；含氟(甲基)丙烯酸酯等。作为氟系化合物，可以使用HARVES公司制的“DURASURF”系列、DaikinIndustries,Ltd.制的“OPTOOL”系列、信越化学工业公司制的“KY-100”系列等。

作为橡胶系聚合物，例如，可举出天然橡胶、苯乙烯丁二烯橡胶、丙烯腈丁二烯橡胶、氯丁二烯橡胶、聚异戊二烯橡胶、聚丁二烯橡胶、乙烯丙烯橡胶、乙烯-丙烯-二烯三元聚合物橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物橡胶等。作为橡胶系聚合物，可以使用Nitto Shinko Corporation制的“ELEP COAT”系列等。

作为有机硅系聚合物，例如，可举出聚二甲基硅氧烷、烷基改性聚二甲基硅氧烷、羧基改性聚二甲基硅氧烷、氨基改性聚二甲基硅氧烷、环氧基改性聚二甲基硅氧烷、氟改性聚二甲基硅氧烷、(甲基)丙烯酸酯改性聚二甲基硅氧烷等。

涂层2例如可通过在分离功能层1上涂布包含涂层2的材料的组合物并使其固化而形成。组合物的涂布方法没有特别限定，例如，可举出辊涂法、旋涂法、浸涂法、喷涂法、棒涂法、刀涂法、模涂法、喷墨法、凹版涂布法等。

组合物中包含的溶剂可以根据涂层2的原料而适当选择。在使用氟系化合物作为涂层2的材料的情况下，作为溶剂，可以使用氟系溶剂、醇系溶剂、醚系溶剂、酯系溶剂、烃系溶剂等中的1种或者将2种以上混合而使用。这些溶剂之中，优选将非燃性并且能迅速挥发的氟系溶剂单独使用或者与其他溶剂混合而使用。

作为氟系溶剂，例如，可举出氢氟醚、全氟聚醚、全氟烷烃、氢氟聚醚、氢氟烃、全氟环醚、全氟环烷烃、氢氟环烷烃、间二(三氟甲基)苯(xylenehexafluoride)、氢氟氯烃(hydrofluorochlorocarbon)、全氟化碳等。

涂层2的厚度没有特别限定，优选为0.1μm以上，更优选为0.3μm以上，进一步优选为0.5μm以上，特别优选为1.0μm以上。涂层2的厚度例如为80μm以下，优选为50μm以下，更优选为30μm以下，进一步优选为20μm以下，特别优选为10μm以下，尤其优选为5μm以下。涂层2的厚度可以通过包含涂层2的材料的组合物的固态成分浓度、该组合物的涂布次数来调整。涂层2优选无孔。

《支承体》

支承体3只要具有氢透过性并且对分离功能层1进行支承即可，没有特别限定，例如为多孔质体。但是，支承体3也可以无孔。支承体3也可以为织物、无纺布等。作为支承体3的材料，可举出聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃；聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯等聚酯；聚砜、聚醚砜等聚芳基醚砜；聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等氟树脂；环氧树脂；聚酰胺；聚酰亚胺等，优选为化学稳定及热稳定的聚砜或聚四氟乙烯。

支承体3优选为平均孔径为100μm以下的多孔质体。该多孔质体具有充分的表面平滑性，因此，在利用溅射法等在多孔质体上直接形成金属层时，能够容易地形成厚度均匀的金属层。此时，还能够抑制金属层中的针孔或裂纹的产生。支承体3的厚度没有特别限定，例如为5～1000μm，优选为10～300μm。

《第1分离膜的形状》

本实施方式中，第1分离膜11典型地为平膜。但是，第1分离膜11也可以是平膜以外的其他形状，例如也可以是中空纤维膜。

[第2分离膜单元]

如图4所示，第2分离膜单元20具备第2分离膜21及罐22。罐22具有第3室23及第4室24。第3室23内的空间相当于供给侧空间，第4室24内的空间相当于透过侧空间。第2分离膜21配置在罐22的内部。在罐22的内部，第2分离膜21将第3室23与第4室24隔开。第2分离膜21从罐22的1对壁面的一方延伸至另一方。

第3室23具有入口23a及出口23b。第4室24具有出口24a。第3室23的入口23a是用于将第1非透过气体81供给至第2分离膜单元20的开口。第4室24的出口24a是用于将通过第1非透过气体81透过第2分离膜21而得到的第2透过气体90从第2分离膜单元20排出的开口。第3室23的出口23b是用于将未透过第2分离膜21的第1非透过气体81(第2非透过气体91)从第2分离膜单元20排出的开口。入口23a、出口23b以及出口24a例如分别形成于罐22的壁面。

(第2分离膜)

如上所述，第2分离膜21能够使第1非透过气体81中所含的气体B优先透过。以下，对气体B为二氧化碳的情况下的第2分离膜21、即优先透过二氧化碳的第2分离膜21进行说明。本说明书中，有时将使二氧化碳优先透过的分离膜称为“二氧化碳透过膜”。需要说明的是，第2分离膜21也可以是二氧化碳透过膜以外的其他分离膜(例如，上述的氢透过膜)。

如图5所示，作为二氧化碳透过膜的第2分离膜21例如具备分离功能层5。第2分离膜21可以还具备支承分离功能层5的多孔性支承体7、及配置于分离功能层5与多孔性支承体7之间的中间层6。中间层6例如与分离功能层5及多孔性支承体7分别直接相接。第2分离膜21具有分离功能层5侧的主面21a、和多孔性支承体7侧的主面21b。

《分离功能层》

分离功能层5是能够使二氧化碳优先透过的层。一个优选方式中，分离功能层5包含树脂。作为分离功能层5中包含的树脂，例如，可举出聚醚嵌段酰胺树脂、聚酰胺树脂、聚醚树脂、聚酰亚胺树脂、乙酸纤维素树脂、有机硅树脂及氟树脂。分离功能层5优选包含聚醚嵌段酰胺树脂。该方式中，分离功能层5优选实质上由树脂形成。

在另一优选方式中，分离功能层5包含离子液体。离子液体是在25℃为液体的盐(离子性化合物)。像这样，在第2分离膜21中，分离功能层5也可以包含聚醚嵌段酰胺树脂或离子液体。

分离功能层5可以具有包含离子液体的双网络凝胶。双网络凝胶是具备相互独立的2种网眼结构的凝胶。双网络凝胶例如包含主要由有机材料构成的第1网眼结构、主要由无机材料构成的第2网眼结构及离子液体。需要说明的是，第2网眼结构也可以主要由与第1网眼结构不同的有机材料构成。本说明书中，“主要由……构成”是指50wt％以上、进而70wt％以上由该材料构成。

用于构成第1网眼结构的有机材料例如包含聚丙烯酰胺(尤其是聚二甲基丙烯酰胺等聚二烷基丙烯酰胺)等聚合物。有机材料中包含的聚合物具有源自丙烯酰胺衍生物的结构单元，也可以还包含交联结构。包含交联结构的聚合物可以通过已知的方法来制作。例如，首先，准备含有具有N-羟基琥珀酰亚胺酯基的结构单元的预聚物。具有N-羟基琥珀酰亚胺酯基的结构单元例如源自N-丙烯酰氧基琥珀酰亚胺。接下来，通过使预聚物与胺系交联剂反应，能够得到包含交联结构的聚合物。胺系交联剂为具有2个以上伯氨基的化合物，例如为乙二醇双(3-氨基丙基)醚。

第2网眼结构也可以包含多个粒子的网络。多个粒子的网络例如通过多个粒子经氢键相互键合而形成。第2网眼结构中包含的粒子可以是作为后述的纳米粒子而例示的粒子。作为一例，第2网眼结构中包含的粒子为二氧化硅粒子。

本实施方式中，作为具体的离子液体，例如，可举出具有咪唑鎓、吡啶鎓、铵或鏻、和碳原子数1以上的取代基的离子液体等。

在具有咪唑鎓和碳原子数1以上的取代基的离子液体中，作为碳原子数1以上的取代基，可举出碳原子数1以上20以下的烷基、碳原子数3以上14以下的环烷基、碳原子数6以上20以下的芳基等，它们也可以进一步被羟基、氰基、氨基、一价醚基等取代(例如，碳原子数1以上20以下的羟基烷基等)。

作为碳原子数1以上20以下的烷基，可举出甲基、乙基、正丙基、正丁基、正戊基、正己基、正庚基、正辛基、正壬基、正癸基、正十一烷基、正十二烷基、正十三烷基、正十四烷基、正十五烷基、正十六烷基、正十七烷基、正十八烷基、正十九烷基、正二十烷基、异丙基、仲丁基、异丁基、1-甲基丁基、1-乙基丙基、2-甲基丁基、异戊基、新戊基、1,2-二甲基丙基、1,1-二甲基丙基、叔戊基、2-乙基己基、1,5-二甲基己基等，它们也可以进一步被羟基、氰基、氨基、一价醚基等取代。

上述的烷基也可以被环烷基取代。被环烷基取代的烷基的碳原子数例如为1以上20以下。作为被环烷基取代的烷基，可举出环丙基甲基、环丁基甲基、环己基甲基、环己基丙基等，它们也可以进一步被羟基、氰基、氨基、一价醚基等取代。

作为碳原子数3以上14以下的环烷基，可举出环丙基、环丁基、环戊基、环己基、环庚基、环辛基、环十二烷基、降冰片基、冰片基、金刚烷基等，它们也可以进一步被羟基、氰基、氨基、一价醚基等取代。

作为碳原子数6以上20以下的芳基，可举出苯基、甲苯基、二甲苯基、均三甲苯基、甲氧苯基、萘基、苄基等，它们也可以进一步被羟基、氰基、氨基、一价醚基等取代。

具有咪唑鎓及碳原子数1以上的取代基的化合物也可以进一步具有烷基等取代基，也可以与抗衡阴离子形成盐。作为抗衡阴离子，可举出烷基硫酸根、甲苯磺酸根、甲磺酸根、乙酸根、双(氟磺酰)亚胺根、双(三氟甲磺酰)亚胺根、硫氰酸根、二氰胺根、三氰基甲烷阴离子、四氰基硼酸根、六氟磷酸根、四氟硼酸根、卤离子等，从气体分离性能的观点考虑，优选双(氟磺酰)亚胺根、双(三氟甲磺酰)亚胺根、二氰胺根、三氰基甲烷阴离子、四氰基硼酸根。

作为具有咪唑鎓及碳原子数1以上的取代基的离子液体，具体而言，可举出1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(氟磺酰)亚胺盐(1-ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide)、1-乙基-3-甲基咪唑鎓二氰胺盐(1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide)、1-丁基-3-甲基咪唑鎓溴化物、1-丁基-3-甲基咪唑鎓氯化物、1-丁基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓三氟甲磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓四氯铁酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓碘化物、1-丁基-2,3-二甲基咪唑鎓氯化物、1-丁基-2,3-二甲基咪唑鎓六氟磷酸盐、1-丁基-2,3-二甲基咪唑鎓四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲磺酰)亚胺盐(1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)、1-丁基-2,3-二甲基咪唑鎓双(三氟甲磺酰)亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓三氟(三氟甲基)硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓三溴化物、1,3-二均三甲苯基咪唑鎓氯化物、1,3-双(2,6-二异丙基苯基)咪唑鎓氯化物、1,3-二异丙基咪唑鎓四氟硼酸盐、1,3-二叔丁基咪唑鎓四氟硼酸盐、1,3-二环己基咪唑鎓四氟硼酸盐、1,3-二环己基咪唑鎓氯化物、1,2-二甲基-3-丙基咪唑鎓碘化物、1-己基-3-甲基咪唑鎓氯化物、1-己基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸盐、1-己基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐、1-己基-3-甲基咪唑鎓溴化物、1-甲基-3-丙基咪唑鎓碘化物、1-甲基-3-正辛基咪唑鎓溴化物、1-甲基-3-正辛基咪唑鎓氯化物、1-甲基-3-正辛基咪唑鎓六氟磷酸盐、1-甲基-3-[6-(甲基亚磺酰基)己基]咪唑鎓对甲苯磺酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑鎓三氰基甲烷化物(1-ethyl-3-methylimidazolium tricyanomethanide)、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氰基硼酸盐(1-ethyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate)、1-(2-羟基乙基)-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲磺酰)亚胺盐(1-(2-hydroxyethyl)-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)等。

其中，从气体分离性能的观点考虑，特别优选1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(氟磺酰)亚胺盐([EMI][FSI])、1-乙基-3-甲基咪唑鎓二氰胺盐([EMI][DCA])、1-乙基-3-甲基咪唑鎓三氰基甲烷化物([EMI][TCM])、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氰基硼酸盐([EMI][TCB])、1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲磺酰)亚胺盐([C₄mim][TF₂N])、1-(2-羟基乙基)-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲磺酰)亚胺盐([C₂OHim][TF₂N])。

制作双网络凝胶的方法没有特别限定，例如，可以利用E.Kamio et al.,Adv.Mater,29,1704118(2017)中公开的方法。

双网络凝胶中的离子液体的含有率例如为50wt％以上，优选为60wt％以上，更优选为70wt％以上，进一步优选为80wt％以上。离子液体的含有率越高，则分离功能层5越能够使混合气体中包含的二氧化碳优先透过。离子液体的含有率的上限值没有特别限定，例如为95wt％。

双网络凝胶中的主要由有机材料构成的第1网眼结构的含有率例如为1wt％以上，优选为5wt％以上，更优选为10wt％以上。第1网眼结构的含有率的上限值例如为15wt％。从提高双网络凝胶的强度的观点考虑，双网络凝胶中的主要由无机材料构成的第2网眼结构的含有率例如为1wt％以上。第2网眼结构的含有率的上限值例如为5wt％。第1网眼结构的重量与第2网眼结构的重量的合计值相对于双网络凝胶的重量而言的比率例如为2wt％以上，优选为5wt％以上，更优选为10wt％以上。该比率优选为20wt％以下。该方式中，分离功能层5优选实质上由双网络凝胶形成。

分离功能层5的厚度例如为50μm以下，优选为25μm以下，更优选为15μm以下。根据情况，分离功能层5的厚度可以为10μm以下，也可以为5.0μm以下，也可以为2.0μm以下。分离功能层5的厚度可以为0.05μm以上，也可以为0.1μm以上。

《中间层》

中间层6例如包含树脂，也可以进一步包含分散于树脂(基质)中的纳米粒子。纳米粒子在基质内可以彼此间隔开，也可以部分地聚集。基质的材料没有特别限定，例如，可举出聚二甲基硅氧烷等有机硅树脂；聚四氟乙烯等氟树脂；聚环氧乙烷等环氧树脂；聚酰亚胺树脂；聚砜树脂；聚三甲基甲硅烷基丙炔、聚二苯基乙炔等聚炔树脂；聚甲基戊烯等聚烯烃树脂。基质优选包含有机硅树脂。

纳米粒子可以包含无机材料，也可以包含有机材料。作为纳米粒子中包含的无机材料，例如，可举出二氧化硅、二氧化钛及氧化铝。纳米粒子优选包含二氧化硅。

中间层6的厚度没有特别限定，例如小于50μm，优选为40μm以下，更优选为30μm以下。中间层6的厚度的下限值没有特别限定，例如为1μm。中间层6例如是具有小于50μm的厚度的层。

《多孔性支承体》

多孔性支承体7隔着中间层6对分离功能层5进行支承。作为多孔性支承体7，例如可举出：无纺布；多孔质聚四氟乙烯；芳香族聚酰胺纤维；多孔质金属；烧结金属；多孔陶瓷；多孔质聚酯；多孔质尼龙；活化碳纤维；胶乳；有机硅；有机硅橡胶；包含选自由聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚醚醚酮、聚丙烯腈、聚酰亚胺及聚苯醚组成的组中的至少1者的透过性(多孔质)聚合物；具有连续气泡或独立气泡的金属发泡体；具有连续气泡或独立气泡的聚合物发泡体；二氧化硅；多孔质玻璃；网筛等。多孔性支承体7也可以是将它们中的2种以上组合而得到的支承体。

多孔性支承体7例如具有0.01～0.4μm的平均孔径。多孔性支承体7的厚度没有特别限定，例如为10μm以上，优选为20μm以上，更优选为50μm以上。多孔性支承体7的厚度例如为300μm以下，优选为200μm以下，更优选为150μm以下。

《第2分离膜的形状》

本实施方式中，第2分离膜21典型地为平膜。但是，第2分离膜21也可以是平膜以外的其他形状，例如也可以是中空纤维膜。

《第2分离膜的制造方法》

第2分离膜21例如可通过以下的方法来制作。首先，制备包含中间层6的材料的涂布液。接下来，在多孔性支承体7上涂布包含中间层6的材料的涂布液，形成涂布膜。涂布液的涂布方法没有特别限定，例如可以利用线棒等。通过调整线棒的线径、涂布液中的中间层6的材料的浓度，由此能够调整所形成的中间层6的厚度。需要说明的是，也可以通过使多孔性支承体7浸渍于涂布液中而形成涂布膜。接下来，对涂布膜进行干燥，形成中间层6。涂布膜的干燥例如可在加热条件下进行。涂布膜的加热温度例如为50℃以上。涂布膜的加热时间例如为1分钟以上，也可以为5分钟以上。

可根据需要对中间层6的表面实施易粘接处理。作为易粘接处理，可以实施底涂剂的涂布、电晕放电处理、等离子体处理等表面处理。

接下来，制备包含分离功能层5的材料的涂布液。在中间层6上涂布包含分离功能层5的材料的涂布液，得到涂布膜。对该涂布膜进行干燥，形成分离功能层5。涂布液的涂布方法及干燥条件可采用针对中间层6而在上文中说明的方法及条件。需要说明的是，包含分离功能层5的材料的涂布液的涂布也可以通过旋涂来进行。由此，得到第2分离膜21。

第2分离膜21的制作方法不限于上述方法。例如，也可通过以下的方法来制作第2分离膜21。例如，将包含分离功能层5的材料的涂布液涂布于转印膜上而得到涂布膜。通过对涂布膜进行干燥而形成分离功能层5。接下来，将包含中间层6的材料的涂布液涂布于分离功能层5上并干燥，由此形成中间层6。将中间层6及分离功能层5的层叠体转印至多孔性支承体7。由此，得到第2分离膜21。

需要说明的是，气体分离系统100所具备的第1分离膜单元10及第2分离膜单元20适于流通式(连续式)的膜分离方法。但是，这些分离膜单元也可以用于分批式的膜分离方法。

[混合气体的分离方法]

在本实施方式中，混合气体70的分离方法包括使用第1分离膜11的第1分离工序和使用第2分离膜21的第2分离工序。该分离方法也可以进一步包括对通过第1分离工序得到的第1透过气体80和通过第2分离工序得到的第2透过气体90分别地进行回收的回收工序。

第1分离工序例如可如下所述地实施。首先，经混合气体供给路径30，将混合气体70供给至第1分离膜单元10的第1室13(供给侧空间)。混合气体70例如可利用加压装置40进行升压从而供给至第1室13。经加压装置40升压的混合气体70的压力、即第1分离膜单元10的供给侧空间内的压力例如为0.1MPa以上，优选为0.5MPa以上，也可以为1.0MPa以上。混合气体70的压力的上限值没有特别限定，例如为10.0MPa。

如上所述，混合气体70包含气体A及气体B。作为一例，气体A为氢、气体B为二氧化碳。但是，根据情况，也可以是气体A为二氧化碳、气体B为氢。典型而言，混合气体70为源自化学设备的排出气体、例如为通过变换反应而产生的排出气体。但是，本实施方式的气体分离系统100也可以用于除上述组成以外的混合气体70的分离。例如，气体A或气体B也可以为选自氮、甲烷、氧等非极性气体、氦等非活性气体、及二氧化碳以外的其他酸性气体中的1种气体。作为二氧化碳以外的其他酸性气体，例如，可举出硫化氢、硫化羰、硫氧化物(SO_x)、氰化氢、氮氧化物(NO_x)等。

混合气体70中的气体A的含有率例如为10vol％以上，也可以为20vol％以上，也可以为40vol％以上，也可以为50vol％以上。混合气体70中的气体A的含有率的上限值没有特别限定，例如为80vol％。混合气体70中的气体B的含有率例如为10vol％以上，也可以为20vol％以上，也可以为40vol％以上，也可以为50vol％以上。混合气体70中的气体B的含有率的上限值没有特别限定，例如为80vol％。混合气体70中，气体A的体积相对气体A的体积与气体B的体积的合计值而言的比率没有特别限定，例如为20～80vol％。本说明书中，只要没有特别说明，则“含有率”、“体积”是指标准状态(0℃，101kPa)下的值。

供给至第1分离膜单元10的第1室13的混合气体70经第1分离膜11而被分离为第1透过气体80和第1非透过气体81。由此，第1透过气体80被供给至第2室14。供给至第2室14的第1透过气体80经出口14a而排出至第1分离膜单元10的外部。第1透过气体80经第1回收路径34被输送至第1回收部42。在第1回收部42中，能够回收第1透过气体80。

如上所述，第1分离膜单元10的第1分离膜11使混合气体70中包含的气体A优先透过。因此，与混合气体70相比，通过第1分离膜单元10所得到的第1透过气体80中气体A的含有率高。第1透过气体80中的气体A的含有率(回收纯度)例如为80vol％以上，也可以为83vol％以上、85vol％以上、88vol％以上，进而也可以为90vol％以上。第1透过气体80中的气体A的含有率的上限没有特别限定，例如为99vol％以下，也可以为95vol％以下。基于第1透过气体80的气体A的回收率例如为70wt％以上，也可以为73wt％以上、75wt％以上、进而也可以为78wt％以上。基于第1透过气体80的气体A的回收率的上限没有特别限定，例如为90wt％以下，也可以为85wt％以下。在本说明书中，回收率是指所回收的特定气体的重量相对混合气体中所含的该气体的重量的比率。需要说明的是，“重量”是指标准状态(0℃，101kPa)下的值。

混合气体70中的气体B的浓度从第1室13的入口13a朝向出口13b而缓缓地上升。在第1室13中进行了处理的混合气体70(第1非透过气体81)中的气体B的含有率没有特别限定，例如为25～75vol％。第1非透过气体81经出口13b而排出至第1分离膜单元10的外部。第1非透过气体81经非透过气体供给路径32而被供给至第2分离膜单元20。

第2分离工序例如可如下所述地实施。首先，经非透过气体供给路径32，将第1非透过气体81供给至第2分离膜单元20的第3室23(供给侧空间)。第1非透过气体81例如具有与供给至第1分离膜单元10的混合气体70相同程度的压力。第1非透过气体81的压力、即第2分离膜单元20的供给侧空间内的压力例如为0.1MPa以上，优选为0.5MPa以上，也可以为1.0MPa以上。第1非透过气体81的压力的上限值没有特别限定，例如为10.0MPa。

供给至第2分离膜单元20的第3室23的第1非透过气体81经第2分离膜21而被分离为第2透过气体90和第2非透过气体91。由此，第2透过气体90被供给至第4室24。供给至第4室24的第2透过气体90经出口24a排出至第2分离膜单元20的外部。第2透过气体90经第2回收路径36被输送至第2回收部44。在第2回收部44中，能够回收第2透过气体90。

如上所述，第2分离膜单元20的第2分离膜21使第1非透过气体81中包含的气体B优先透过。因此，与第1非透过气体81相比，通过第2分离膜单元20所得到的第2透过气体90中气体B的含有率高。第2透过气体90中的气体B的含有率(回收纯度)例如为80vol％以上，可以为85vol％以上、88vol％以上、90vol％以上、93vol％以上，进而也可以为95vol％以上。第2透过气体90中的气体B的含有率的上限没有特别限定，例如为99vol％以下。基于第2透过气体90的气体B的回收率例如为70wt％以上，也可以为75wt％以上、80wt％以上、83wt％以上，进而也可以为85wt％以上。基于第2透过气体90的气体B的回收率的上限没有特别限定，例如为99wt％以下，也可以为95wt％以下。

第1非透过气体81中的气体A的浓度从第3室23的入口23a朝向出口23b而缓缓地上升。在第3室23中处理的第1非透过气体81(第2非透过气体91)中的气体A的含有率没有特别限定，例如为50vol％～90vol％。基于第2非透过气体91的气体A的回收率没有特别限定，例如为5wt％～30wt％。

第2非透过气体91经出口23b而排出至第2分离膜单元20的外部。第2非透过气体91经排出路径38被输送至第1回收路径34。第2非透过气体91在第1回收路径34中与第1透过气体80混合，被输送至第1回收部42。本实施方式的气体分离系统100中，在第1回收部42中，能够与第1透过气体80一起将第2非透过气体91回收。

第1透过气体80与第2非透过气体91混合而成的回收气体中的气体A的含有率(回收纯度)例如为75vol％以上，也可以为80vol％以上、83vol％以上，进而也可以为85vol％以上。上述回收气体中的气体A的含有率的上限没有特别限定，例如为95vol％以下，也可以为90vol％以下。基于上述回收气体的气体A的回收率例如为80wt％以上，也可以为85wt％以上、90wt％以上、93wt％以上，进而也可以为95wt％以上。基于回收气体的气体A的回收率的上限没有特别限定，例如为99wt％以下。

在本实施方式的分离方法中，第1分离工序及第2分离工序例如连续地进行。即，在第1分离工序中分离出的第1非透过气体81不被捕集至罐等中而被直接供于第2分离工序。通过连续地进行第1分离工序及第2分离工序，能够容易地增加每单位时间的混合气体70的处理量。

需要说明的是，在使用仅具备1种分离膜的以往的气体分离系统进行混合气体的分离时，为了实现高回收率及回收纯度，需要将分离膜的膜面积调整为非常大的值，制造成本大幅增加。另外，在用第1分离膜处理混合气体、用第2分离膜进一步处理所得到的透过气体的气体分离系统中，额外需要用于对透过气体进行加压的加压装置，存在使系统运转所需的动力增加的倾向。

根据本实施方式的气体分离系统100的构成，具有下述倾向：能够不大幅增加第1分离膜11的膜面积、和第2分离膜21的膜面积的合计值，并且，能够在还抑制使系统运转所需的动力的同时以充分高的回收率及回收纯度对气体A及气体B各自分别地进行回收。像这样，本实施方式的气体分离系统100适于高效地分离混合气体。

[第1分离膜单元的变形例]

在气体分离系统100中，第1分离膜单元10也可以是螺旋型的膜元件、中空纤维膜元件等。图6示出螺旋型的膜元件。图6的第1分离膜单元15具备中心管16及层叠体17。层叠体17包含第1分离膜11。

中心管16具有圆筒形状。在中心管16的表面，形成有用于使第1透过气体80流入中心管16内部的多个孔或狭缝。作为中心管16的材料，例如，可举出丙烯腈·丁二烯·苯乙烯共聚树脂(ABS树脂)、聚苯醚树脂(PPE树脂)、聚砜树脂(PSF树脂)等树脂；不锈钢、钛等金属。中心管16的内径例如在20～100mm的范围内。

层叠体17除了包含第1分离膜11以外，还包含供给侧流路材料18及透过侧流路材料19。层叠体17卷绕在中心管16的周围。第1分离膜单元15可以还具备外包装材料(未图示)。

作为供给侧流路材料18及透过侧流路材料19，可以使用例如由聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)或乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)制成的树脂制的网、机织物或针织物。

使用了第1分离膜单元15的膜分离例如通过以下的方法来进行。首先，向经卷绕的层叠体17的一端供给混合气体70。由此，从层叠体17的第1分离膜11透过的第1透过气体80向中心管16的内部移动。第1透过气体80经中心管16而排出至外部。经第1分离膜单元15处理的混合气体70(第1非透过气体81)从经卷绕的层叠体17的另一端排出至外部。

需要说明的是，在气体分离系统100中，第2分离膜单元20也可以是螺旋型的膜元件、中空纤维膜元件等。作为一例，第2分离膜单元20可以是具有与第1分离膜单元15同样构成的螺旋型的膜元件。

<气体分离系统的变形例>

图7是示出变形例的气体分离系统110的概略构成图。如图7所示，在气体分离系统110中，排出路径38不与第1回收路径34合流。除此以外，本实施方式的气体分离系统110的结构与气体分离系统100的结构相同。因此，有时对气体分离系统100和本实施方式的气体分离系统110中共通的要素标注相同的附图标记，省略它们的说明。即，关于各实施方式的说明只要在技术上不矛盾，就能够相互适用。

在气体分离系统110中，在排出路径38形成有用于从排出路径38排出第2非透过气体的开口(排出口46)。气体分离系统110例如不回收第2非透过气体而将其废弃。根据气体分离系统110，具有能够以更高的回收纯度回收气体A的倾向。

实施例

以下，通过实施例更详细地说明本发明，但本发明并不限定于此。

(计算例1)

使用Schlumberger公司制的工艺模拟软件Symmetry，进行运转图1所示的气体分离系统时的模拟。详细而言，针对图1所示的气体分离系统，假定使用氢透过膜作为第1分离膜(使用氢作为气体A)，使用二氧化碳透过膜作为第2分离膜(使用二氧化碳作为气体B)。对于氢透过膜，将氢相对二氧化碳的分离系数α1设定为20，将膜面积M1设定为664m²。对于二氧化碳透过膜，将二氧化碳相对氢的分离系数α2设定为5，将膜面积M2设定为336m²。此外，混合气体的供给条件如下设定。需要说明的是，假定混合气体通过配置于混合气体供给路径的加压装置而自外部环境的大气压(101.33kPa)升压至0.9MPa。

[混合气体的供给条件]

流量：1016.47Nm³/hr

组成(体积比)：CO₂/H₂＝50/50

CO₂重量：1000kg/hr

H₂重量：45.81kg/hr

压力：0.9MPa

温度：25℃

作为计算例1的氢透过膜，假定为图3所示的分离膜11。详细而言，假定为具备包含聚酰胺树脂的树脂层作为分离功能层1、还具备包含有机硅系聚合物的涂层2的分离膜11。需要说明的是，对于后述的各计算例，只要没有特别说明，则作为氢透过膜也假定为与计算例1同样的分离膜。

经计算例1的模拟，计算使用气体分离系统分离混合气体之情况下的第1透过气体、第2透过气体及第2非透过气体的组成。由得到的计算结果，对氢及二氧化碳计算回收率及回收纯度。进而，算出加压装置的运转所需要的能量(压缩能量)(MWh)，确定回收气体中所含的氢的每1t重量的压缩能量(MWh/t)、第2透过气体中所含的二氧化碳的每1t重量的压缩能量(MWh/t)。

(计算例2～8)

通过与计算例1中相同的方法进行计算例2～8的模拟，不同之处在于如表1所示变更分离系数α1及α2。需要说明的是，作为计算例3的氢透过膜，假定为具备金属层作为分离功能层1的分离膜11。

(计算例9)

使用Schlumberger公司制的工艺模拟软件Symmetry，进行运转图8所示的气体分离系统200时的模拟。气体分离系统200具备收容第1分离膜211的第1分离膜单元210和收容第2分离膜221的第2分离膜单元220。第1分离膜211及第2分离膜221分别对应于图1的气体分离系统100的第1分离膜11及第2分离膜21。

气体分离系统200具备混合气体供给路径230、非透过气体供给路径232、再循环路径234、第2回收路径236、第2回收部244、第3回收路径238及第3回收部248。混合气体供给路径230是用于向第1分离膜单元210供给混合气体的路径。在混合气体供给路径230配置有使混合气体升压的加压装置240。

非透过气体供给路径232是连接于第1分离膜单元210的非透过气体出口及第2分离膜单元220的非透过气体入口、用于从第1分离膜单元210向第2分离膜单元220供给第1非透过气体的路径。

再循环路径234是连接于第1分离膜单元210的透过气体出口及混合气体供给路径230、用于使第1透过气体从第1分离膜单元210返回至混合气体供给路径230的路径。

第2回收路径236是连接于第2分离膜单元220的透过气体出口及第2回收部244的入口、用于从第2分离膜单元220向第2回收部244输送第2透过气体的路径。

第3回收路径238是连接于第2分离膜单元220的非透过气体出口及第3回收部248的入口、用于从第2分离膜单元220向第3回收部248输送第2非透过气体的路径。

除了使用气体分离系统200以外，通过与计算例8相同的方法进行计算例9的模拟。

(计算例10～12)

通过与计算例1相同的方法进行计算例10～12的模拟，不同之处在于，如表1所示变更分离系数α1及α2。

[表1]

[表2]

由表1及表2可知，使用第1分离膜的分离系数α1相对第2分离膜的分离系数α2之比(α1/α2)为1.9以上的、本实施方式的气体分离系统的计算例1～5及10中，与其他计算例相比，即使第2分离膜的分离系数α2为50以下(特别是20以下)的小值，也仍能够以充分高的回收率及回收纯度分离混合气体。特别是在计算例1～5及10中，基于第2透过气体的气体B(二氧化碳)的回收率为高值。

产业上的可利用性

本实施方式的气体分离系统适于分离混合气体例如包含二氧化碳及氢的混合气体。特别是，本实施方式的气体分离系统适于处理化学设备的排气。

Claims (15)

1.气体分离系统，其具备：

第1分离膜，其将混合气体分离为第1透过气体和第1非透过气体；

第2分离膜，其将所述第1非透过气体分离为第2透过气体和第2非透过气体，

其中，所述混合气体包含气体A和与所述气体A不同的气体B，

所述第1分离膜能够使所述气体A优先透过，

所述第2分离膜能够使所述气体B优先透过，

通过下述试验求出的所述第1分离膜的所述气体A相对所述气体B的分离系数α1、与通过下述试验求出的所述第2分离膜的所述气体B相对所述气体A的分离系数α2满足下述关系式(1)及(2)，

试验：由所述第1分离膜或所述第2分离膜制作试验片；进行向与所述试验片的一侧的面相邻的空间供给由所述气体A及所述气体B得到的试验气体、并且对与所述试验片的另一侧的面相邻的空间进行减压的操作；基于所述操作的结果确定所述分离系数α1或所述分离系数α2；其中，在所述操作中，所述试验气体中的所述气体A的含有率在标准状态下为50vol％，向与所述一侧的面相邻的空间供给的所述试验气体的温度为30℃、压力为0.1MPa，与所述另一侧的面相邻的空间被以该空间内的压力相对测定环境中的大气压而言减小0.1MPa的方式减压，

α1/α2≥1.9 (1)

α2≤50 (2)。

2.根据权利要求1所述的气体分离系统，其中，所述分离系数α2为20以下。

3.根据权利要求1所述的气体分离系统，其中，所述气体A为氢，所述气体B为二氧化碳。

4.根据权利要求1所述的气体分离系统，其中，对所述第1透过气体及所述第2透过气体分别地进行回收。

5.根据权利要求1所述的气体分离系统，其中，所述第1分离膜的膜面积大于所述第2分离膜的膜面积。

6.根据权利要求1所述的气体分离系统，其中，所述第1透过气体中的所述气体A的含有率为85vol％以上，

基于所述第1透过气体的所述气体A的回收率为70wt％以上。

7.根据权利要求1所述的气体分离系统，其中，所述第2透过气体中的所述气体B的含有率为85vol％以上，

基于所述第2透过气体的所述气体B的回收率为80wt％以上。

8.根据权利要求1所述的气体分离系统，其中，在所述混合气体中，所述气体A的体积相对所述气体A的体积与所述气体B的体积的合计值的比率为20～80vol％。

9.根据权利要求1所述的气体分离系统，其还具备：

收容所述第1分离膜的第1分离膜单元；

混合气体供给路径，其与所述第1分离膜单元连接，用于向所述第1分离膜单元供给所述混合气体；和

加压装置，其配置于所述混合气体供给路径，将所述混合气体升压。

10.根据权利要求1所述的气体分离系统，其还具备：

收容所述第1分离膜的第1分离膜单元；

回收所述第1透过气体的第1回收部；和

第1回收路径，其与所述第1分离膜单元及所述第1回收部连接，用于向所述第1回收部输送所述第1透过气体。

11.根据权利要求10所述的气体分离系统，其还具备：

收容所述第2分离膜的第2分离膜单元；和

排出路径，其与所述第2分离膜单元连接，用于从所述第2分离膜单元排出第2非透过气体，

其中，所述排出路径在合流位置处与所述第1回收路径合流。

12.根据权利要求1所述的气体分离系统，其还具备：

收容所述第2分离膜的第2分离膜单元；

回收所述第2透过气体的第2回收部；和

第2回收路径，其与所述第2分离膜单元及所述第2回收部连接，用于向所述第2回收部输送所述第2透过气体。

13.根据权利要求1所述的气体分离系统，其中，所述第1分离膜具备包含树脂的树脂层或包含金属的金属层作为分离功能层。

14.根据权利要求1所述的气体分离系统，其中，所述第2分离膜具备包含聚醚嵌段酰胺树脂或离子液体的分离功能层。

15.混合气体的分离方法，包括：

第1分离工序，经能够使气体A优先透过的第1分离膜而将包含所述气体A和与所述气体A不同的气体B的混合气体分离为第1透过气体和第1非透过气体；和

第2分离工序，经能够使所述气体B优先透过的第2分离膜而将所述第1非透过气体分离为第2透过气体和第2非透过气体，

其中，通过下述试验求出的所述第1分离膜的所述气体A相对所述气体B的分离系数α1、与通过下述试验求出的所述第2分离膜的所述气体B相对所述气体A的分离系数α2满足下述关系式(1)及(2)，

试验：由所述第1分离膜或所述第2分离膜制作试验片；进行向与所述试验片的一侧的面相邻的空间供给由所述气体A及所述气体B得到的试验气体、并且对与所述试验片的另一侧的面相邻的空间进行减压的操作；基于所述操作的结果确定所述分离系数α1或所述分离系数α2；其中，在所述操作中，所述试验气体中的所述气体A的含有率在标准状态下为50vol％，向与所述一侧的面相邻的空间供给的所述试验气体的温度为30℃、压力为0.1MPa，与所述另一侧的面相邻的空间被以该空间内的压力相对测定环境中的大气压而言减小0.1MPa的方式减压，

α1/α2≥1.9 (1)

α2≤50 (2)。