CN115121093A - 气体浓缩方法以及气体浓缩装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供不需要大容量的贮存罐且能抑制电力消耗的气体浓缩方法及气体浓缩装置。气体浓缩装置(100)对目标气体进行浓缩，其具备：气体分离膜组件(3)，其包括气体分离膜(1)及收纳容器(2)；气体供给管线(L1)，其将包含目标气体的第一混合气体(G1)向气体分离膜组件(3)供给；气体回收管线(L2)，其将包含目标气体的第二混合气体(G2)从气体分离膜组件(3)取出；气体排出管线(L3)，其将废气(G3)从气体分离膜组件(3)排出；以及原料气体管线(L0)，其向气体供给管线(L1)供给原料气体(G0)，向气体供给管线(L1)供给来自原料气体管线(L0)的原料气体(G0)和来自气体回收管线(L2)的第二混合气体(G2)。

Description

气体浓缩方法以及气体浓缩装置
技术领域
本发明涉及气体浓缩方法以及气体浓缩装置。
背景技术
以往，已知有对二氧化碳(CO2)等目标气体进行浓缩的方法及装置。
在专利文献1中记载了一种CO2浓缩方法以及CO2浓缩装置，该CO2浓缩方法包括：第一捕集工序，使第一侧处于暴露于大气压环境下的第一CO2浓度的气体中的状态，对第二侧进行减压，将通过CO2分离膜从第一侧流入第二侧且被减压的比所述第一CO2浓度高的第二CO2浓度的CO2富集气体捕集到第一捕集器；移送工序，将被捕集的CO2富集气体向第二捕集器移送；以及第二捕集工序，通过多次重复进行第一捕集工序及移送工序，将压力接近大气压的CO2富集气体捕集到第二捕集器。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2020-195968号公报
发明内容
发明要解决的课题
在现有的使用了气体分离膜的气体浓缩装置中，存在需要大容量的贮存罐而使装置的规模变大、气体浓缩装置的泵运转时间变长、电力消耗大等可改善的方面。
本发明的课题在于，提供不需要大容量的贮存罐且能够抑制电力消耗的气体浓缩方法以及气体浓缩装置。
用于解决课题的方案
本发明采用了以下的方案。
(1)实施方式的气体浓缩方法使用将第一侧与第二侧隔开的气体分离膜对目标气体进行浓缩，其中，所述气体浓缩方法包括：第一工序，在该第一工序中，将包含目标气体的第一混合气体(目标气体浓度：X0摩尔％)向所述气体分离膜的第一侧供给，使所述目标气体透过所述气体分离膜而在所述第二侧生成包含目标气体的第二混合气体(目标气体浓度：Y0摩尔％，Y0＞X0)；以及第二工序，在该第二工序中，将所述第二混合气体和原料气体进行混合，将包含目标气体的新的第一混合气体(目标气体浓度：X1摩尔％)向所述气体分离膜的第一侧供给，使所述目标气体透过所述气体分离膜而在所述第二侧生成包含目标气体的新的第二混合气体(目标气体浓度：Y1摩尔％)，重复所述第二工序。
在实施方式的气体浓缩方法中，通过回收提高了目标气体浓度的气体并反复向气体分离膜的一次侧供给，从而能够进一步提高混合气体中的目标气体浓度。
(2)也可以是，随时间监视所述第一混合气体的供给量A[mL/min]及所述第一混合气体中的目标气体浓度X[摩尔％]和所述第二混合气体的生成量B[mL/min]及所述第二混合气体中的目标气体浓度Y[摩尔％]，若所述第二混合气体中的目标气体浓度的变化率成为预先确定的值以下，则使所述第二工序的所述第一混合气体的供给量减少，并使所述第二混合气体中的目标气体浓度上升。
第二混合气体中的目标气体浓度的上升不久达到顶点，但在进行条件设定而成为该条件时，通过减少第一混合气体的供给量，能够进一步提高第二混合气体中的目标气体浓度。
(3)也可以是，所述目标气体为二氧化碳，所述原料气体为大气。
(4)实施方式的气体浓缩装置(例如，气体浓缩装置100)具备：气体分离膜组件(例如，气体分离膜组件3)，其包括气体分离膜(例如，气体分离膜1)及收纳容器(例如，收纳容器2)；气体供给管线(例如，气体供给管线L1)，其将包含目标气体的第一混合气体向所述气体分离膜组件供给；气体回收管线(例如，气体回收管线L2)，其将包含目标气体的第二混合气体从所述气体分离膜组件取出；气体排出管线(例如，气体排出管线L3)，其将废气从所述气体分离膜组件排出；以及原料气体管线(例如，原料气体管线L0)，其向所述气体供给管线供给原料气体，向所述气体供给管线供给来自所述原料气体管线的原料气体和来自所述气体回收管线的第二混合气体。
(5)也可以是，上述气体浓缩装置还具备：监视装置(例如，监视装置M)，其随时间监视所述第一混合气体的供给量A[mL/min]及所述第一混合气体中的目标气体浓度X[摩尔％]和所述第二混合气体的生成量B[mL/min]及所述第二混合气体中的目标气体浓度Y[摩尔％]；流量控制装置，其对所述第一混合气体的供给量进行控制，上述气体浓缩装置设定为，若所述第二混合气体中的目标气体浓度的变化率成为预先确定的值以下，则指示减少所述第一混合气体的供给量。
(6)也可以是，所述目标气体为二氧化碳，所述原料气体为大气。
发明效果
根据(1)～(6)的方案，能够提供不需要大容量的贮存罐且能够抑制电力消耗的气体浓缩方法以及气体浓缩装置。
附图说明
图1是表示实施方式的二氧化碳处理装置的框图。
图2是表示变形例的气体浓缩装置的概要图。图2的(a)是将储存罐配置于透过气体路径上的例子。图2的(b)是将储存罐设置于废气出口的例子。
图3是表示使用了实施方式的气体浓缩装置的情况下的从运转开始的时间与第二混合气体中的CO2浓度的关系的图表。
图4是表示现有的气体浓缩装置的概要图。
图5是表示使用了现有的气体浓缩装置的情况下的从运转开始的时间与透过了气体交换膜的气体中的CO2浓度的关系的图表。
附图标记说明：
1...气体分离膜，2...收纳容器，3...气体分离膜组件，100、101、102、200...气体浓缩装置，OUT1...废气出口，OUT2...透过气体出口，IN1...原料气体入口，GO...原料气体，G1...第一混合气体，G2...第二混合气体，G3...废气，L0...原料气体管线，L1...气体供给管线，L2...气体回收管线，L3...气体排出管线，T1...贮存罐，T2、T3...储存罐。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，在以下的说明中例示的图的尺寸等为一例，本发明不必限定于此，能够在不变更其主旨的范围内适当变更而实施。
[气体浓缩方法]
实施方式的气体浓缩方法使用将第一侧与第二侧隔开的气体分离膜对目标气体进行浓缩，其中，所述气体浓缩方法包括：第一工序，在该第一工序中，将包含目标气体的第一混合气体(目标气体浓度：X0摩尔％)向所述气体分离膜的第一侧供给，使所述目标气体透过所述气体分离膜而在所述第二侧生成包含目标气体的第二混合气体(目标气体浓度：Y0摩尔％，Y0＞X0)；以及第二工序，在该第二工序中，将所述第二混合气体和原料气体进行混合，将包含目标气体的新的第一混合气体(目标气体浓度：X1摩尔％)向所述气体分离膜的第一侧供给，使所述目标气体透过所述气体分离膜而在所述第二侧生成包含目标气体的新的第二混合气体(目标气体浓度：Y1摩尔％)，重复所述第二工序。
第一工序中的第一混合气体例如是原料气体，与此相对，第二工序的第一混合气体(新的第一混合气体)是将第二混合气体和原料气体混合而成的混合气体。
在第一工序及第二工序中，通过对气体分离膜的第一侧进行加压、或者对第二侧进行减压，由此促进目标气体从第一混合气体分离。
通过重复第二工序，第二混合气体中的目标气体浓度上升，但不久目标气体浓度相对于时间的变化率接近0，目标气体浓度的上升达到顶点。与此相对，随时间监视第一混合气体的供给量A[mL/min]及第一混合气体中的目标气体浓度X[摩尔％]和第二混合气体的生成量B[mL/min]及第二混合气体中的目标气体浓度Y[摩尔％]，若第二混合气体中的目标气体浓度的变化率为预先确定的值以下，则优选使第一混合气体的供给量减少，并使第二混合气体中的目标气体浓度上升。
目标气体及原料气体分别没有特别限定，例如优选目标气体为二氧化碳，原料气体为大气(空气)。
浓缩了的二氧化碳例如通过使用电化学反应进行还原，从而能够制造乙烯等工业上有用的单体。
[气体浓缩装置]
适当参照附图对实施方式的气体浓缩装置进行说明。
图1所示的气体浓缩装置100具备：气体分离膜组件3，其包括气体分离膜1及收纳容器2；气体供给管线L1，其将包含目标气体的第一混合气体G1向气体分离膜组件3供给；气体回收管线L2，其将包含目标气体的第二混合气体G2从气体分离膜组件3取出；气体排出管线L3，其将从第一混合气体G1分离了第二混合气体G2后的废气G3从气体分离膜组件3排出；以及原料气体管线L0，其向气体供给管线L1供给原料气体G0。
气体供给管线L1在连接点J1与原料气体管线L0及气体回收管线L2连接，被供给来自原料气体管线L0的原料气体G0和来自气体回收管线L2的第二混合气体G2并进行混合。
通过对气体分离膜的一次侧(供给第一混合气体G1的一侧)进行加压、或者对二次侧(生成第二混合气体G2的一侧)进行减压，由此促进目标气体从第一混合气体分离。在气体浓缩装置100中，气体的加压及减压例如能够通过泵P1、P2来进行。
在持续气体浓缩装置100的运转时，若不采取任何对策，则不久第二混合气体G2中的目标气体浓度Y达到顶点。作为该对策，优选还具备：监视装置M1、M2，其随时间监视第一混合气体G1的供给量A[mL/min]及第一混合气体G1中的目标气体浓度X[摩尔％]和第二混合气体G2的生成量B[mL/min]及第二混合气体G2中的目标气体浓度Y[摩尔％]；流量控制装置(泵P1)，其对第一混合气体G1的供给量进行控制；以及泵P2，其根据需要对第二混合气体G2的流量进行调节。在该情况下，优选设定为：若第二混合气体G2中的目标气体浓度的变化率成为预先确定的值以下，则指示减少第一混合气体G1的供给量。
图3是表示使用实施方式的气体浓缩装置100并将大气用作原料气体GO进行了二氧化碳的浓缩的情况下的时间与第二混合气体中的二氧化碳(CO2)浓度的关系的图表。
最初将第一混合气体的流量A设定为5L/min，但经过了4分钟左右时，第二混合气体中的二氧化碳浓度的上升达到顶点，因此将第一混合气体的流量A降低为1L/min，结果是第二混合气体中的二氧化碳浓度再次转为上升。之后，每当第二混合气体中的二氧化碳浓度的上升达到顶点时就降低第一混合气体的流量A，结果是每次第二混合气体中的二氧化碳浓度都再次转为上升。
图5是表示使用图4所示的现有的气体浓缩装置200并将大气用作原料气体进行了二氧化碳的浓缩的情况下的从运转开始的时间与透过了气体分离膜的气体中的二氧化碳浓度的关系的图表。虽然在第二混合气体中的二氧化碳浓度转为减少后降低了原料气体的流量A，但第二混合气体中的二氧化碳浓度并未转为上升，而是下降了。
将实施方式的气体浓缩装置100的变形例示于图2的(a)及图2的(b)。
图2的(a)所示的气体浓缩装置101是在气体回收管线L2的中途设置了储存罐T2的变形例。在该变形例中，能够得到目标气体浓度为更高浓度的气体。
图2的(b)所示的气体浓缩装置102是在排气管线L3设置了储存罐T3的变形例。在该变形例中，能够连续地回收浓缩了目标气体后的气体。
在实施方式的气体浓缩装置100中，优选目标气体为二氧化碳，原料气体为大气。
浓缩后的二氧化碳通过电化学反应进行还原，能够作为用于制造工业上有用的乙烯等碳化合物的原料。

Claims (6)

1.一种气体浓缩方法，其使用将第一侧与第二侧隔开的气体分离膜对目标气体进行浓缩，其中，
所述气体浓缩方法包括：
第一工序，在该第一工序中，将包含目标气体的第一混合气体向所述气体分离膜的第一侧供给，使所述目标气体透过所述气体分离膜而在所述第二侧生成包含目标气体的第二混合气体；以及
第二工序，在该第二工序中，将所述第二混合气体和原料气体进行混合，将包含目标气体的新的第一混合气体向所述气体分离膜的第一侧供给，使所述目标气体透过所述气体分离膜而在所述第二侧生成包含目标气体的新的第二混合气体，
重复所述第二工序，
所述包含目标气体的第一混合气体中的目标气体浓度为X0摩尔％，
所述包含目标气体的第二混合气体中的目标气体浓度为Y0摩尔％，并且Y0＞X0，
所述包含目标气体的新的第一混合气体中的目标气体浓度为X1摩尔％，
所述包含目标气体的新的第二混合气体中的目标气体浓度为Y1摩尔％。
2.根据权利要求1所述的气体浓缩方法，其中，
随时间监视所述第一混合气体的供给量A[mL/min]及所述第一混合气体中的目标气体浓度X[摩尔％]和所述第二混合气体的生成量B[mL/min]及所述第二混合气体中的目标气体浓度Y[摩尔％]，
若所述第二混合气体中的目标气体浓度的变化率成为预先确定的值以下，则使所述第二工序的所述第一混合气体的供给量减少，并使所述第二混合气体中的目标气体浓度上升。
3.根据权利要求1或2所述的气体浓缩方法，其中，
所述目标气体为二氧化碳，所述原料气体为大气。
4.一种气体浓缩装置，其对目标气体进行浓缩，其中，
所述气体浓缩装置具备：
气体分离膜组件，其包括气体分离膜及收纳容器；
气体供给管线，其将包含目标气体的第一混合气体向所述气体分离膜组件供给；
气体回收管线，其将包含目标气体的第二混合气体从所述气体分离膜组件取出；
气体排出管线，其将废气从所述气体分离膜组件排出；以及
原料气体管线，其向所述气体供给管线供给原料气体，
向所述气体供给管线供给来自所述原料气体管线的原料气体和来自所述气体回收管线的第二混合气体。
5.根据权利要求4所述的气体浓缩装置，其中，
所述气体浓缩装置还具备：
监视装置，其随时间监视所述第一混合气体的供给量A[mL/min]及所述第一混合气体中的目标气体浓度X[摩尔％]和所述第二混合气体的生成量B[mL/min]及所述第二混合气体中的目标气体浓度Y[摩尔％]；以及
流量控制装置，其对所述第一混合气体的供给量进行控制，
所述气体浓缩装置设定为，若所述第二混合气体中的目标气体浓度的变化率成为预先确定的值以下，则指示减少所述第一混合气体的供给量。
6.根据权利要求4或5所述的气体浓缩装置，其中，
所述目标气体为二氧化碳，所述原料气体为大气。
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