DE112019004951T5

DE112019004951T5 - Gastrennverfahren und Gasabscheider

Info

Publication number: DE112019004951T5
Application number: DE112019004951.8T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Noda; Kenji Yajima; Katsuya Shimizu
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-10-04
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2021-06-17
Also published as: JP2023026609A; JP7398578B2; JP2024028837A; JPWO2020071107A1; BR112021005265A2; WO2020071107A1; US20210197118A1; US11857915B2; CN112752603A; JP7257411B2

Abstract

Ein Gasabscheider (2) umfasst einen Trennmembrankomplex (1), bei dem eine Trennmembran (12) mit Poren, die einen mittleren Porendurchmesser von weniger als oder gleich 1 nm haben, auf einem porösen Träger (11) ausgebildet ist, und einen Gaszufuhrteil (26), der ein Mischgas, das CO2und ein anderes Gas enthält, von der Seite der Trennmembran (12) dem Trennmembrankomplex (1) zuführt. Dann wird bewirkt, dass CO2in dem Mischgas durch die Trennmembran (12) und den Träger (11) dringt und von dem Mischgas in einem Zustand getrennt wird, in dem wenigstens ein Teil einer Durchdringungsoberfläche (113) des Trägers (11), von dem ein Gas ausgestoßen wird, nachdem es durch die Trennmembran (12) durchgedrungen ist, eine um wenigstens 10 °C niedrigere Temperatur hat als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex (1) zugeführt wird. Dies verbessert die CO2-Selektivität der Trennmembran (12).

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gastrennverfahren und einen Gasabscheider.
[Technischer Hintergrund]
Das Trennen von Gasen, wie etwa Kohlendioxid (CO₂), von einem Verbrennungsabgas, das von einem Wärmekraftwerk oder einer anderen derartigen Anlage emittiert wird, wurde auf herkömmliche Weise durchgeführt. Beispielsweise schlagen die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-159518 (Dokument 1) und die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2015-044162 (Dokument 2) Methoden zum Trennen von CO₂ von einem Mischgas unter Verwendung einer Zeolithmembran vor. Die internationale Veröffentlichung WO/2009/093666 (Dokument 3) schlägt eine Methode zum Trennen von CO₂ unter Verwendung einer Membran zum erleichterten Transport vor.
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017-154120 (Dokument 4) schlägt vor, dass in mehreren Kohlendioxidtrennmembranen, die der Reihe nach in einem Gasströmungsweg angeordnet sind, die Temperatur eines Gases, das einer Kohlendioxidtrennmembran auf der nachgelagerten Seite zugeführt wird, niedriger festgelegt ist als die Temperatur eines Gases, das einer Kohlendioxidtrennmembran auf der vorgelagerten Seite zugeführt wird, um die relative Feuchtigkeit des der nachgelagerten Kohlendioxidtrennmembran zugeführten Gases zu erhöhen, um das Problem zu lösen, dass Wasserdampf, der durch die vorgelagerte Kohlendioxidtrennmembran dringt, die relative Feuchtigkeit des der nachgelagerten Kohlendioxidtrennmembran zugeführten Gases verringert und eine Verringerung der Permeabilität für Kohlendioxid bewirkt. Dokument 4 beschreibt, dass Permeabilität für Kohlendioxid abnimmt, wenn die Temperatur der Kohlendioxidtrennmembran abnimmt.
Indessen schlägt die ungeprüfte japanische Patentanmeldung (veröffentlichte japanische Übersetzung einer PCT-Anmeldung) Nr. 2018-514385 (Dokument 5) eine Methode zum Trennen einer zugeführten Mischung, die mehrere Arten von Kohlenwasserstoffen enthält, unter Verwendung einer porösen Membran mit Porendurchmessern von 5 nm bis 250 nm vor. Gemäß Dokument 5 werden die poröse Membran und durchdrungene Substanzen bei Temperaturen unter der Temperatur der zugeführten Mischung gehalten, um Kapillarkondensation von Mischungskomponenten in den Poren der porösen Membran zu bewirken.
Im Übrigen ist es in dem Fall, in dem CO₂ unter Verwendung einer Zeolithmembran, wie etwa in Dokumenten 1 und 2 beschrieben, von einem Verbrennungsabgas getrennt und gesammelt wird, schwierig, die Konzentration von CO₂ in einem Gas, das durch die Zeolithmembran durchgedrungen ist, zu erhöhen, da CO₂ im Verbrennungsabgas einen relativ geringen Partialdruck hat. Mit einer nicht porösen Membran für erleichterten Transport, wie etwa in Dokument 3 beschrieben, ist es schwierig, ein stabiles Trennen für einen langen Zeitraum fortzuführen, da sich Trennfähigkeiten mit abnehmendem Feuchtigkeitsgehalt in der Membran für erleichterten Transport leicht verschlechtern.
Dokument 4 handelt von den Temperaturen von Gasen, die mehreren Kohlendioxidtrennmembranen zugeführt werden, und weist darauf hin, dass die Temperatur eines Gases auf der nachgelagerten Seite niedriger ist als die Temperatur eines Gases auf der vorgelagerten Seite. Da die Permeabilität der Kohlendioxidtrennmembranen für Kohlendioxid mit einem Abfall der Temperatur abnimmt, ist es jedoch schwierig, an ein Kühlen jeder Kohlendioxidtrennmembran (d. h. eine einzelne Kohlendioxidtrennmembran) zu denken, um eine niedrigere Temperatur als die Temperatur eines dieser Trennmembran zugeführten Gases zu haben.
Dokument 5 offenbart das Trennen von Kohlenwasserstoff, offenbart jedoch das Trennen von CO₂ nicht. Außerdem haben die Poren in der porösen Membran gemäß Dokument 5 relativ große Porendurchmesser von mehr als oder gleich 5 nm. Somit ist es schwierig, diese poröse Membran zum Trennen von CO2 zu verwenden.
[Darstellung der Erfindung]
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Gastrennverfahren zum Trennen von Kohlendioxid in einem Mischgas und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Kohlendioxidselektivität in einer Trennmembran zu verbessern, um die Konzentration von Kohlendioxid in einem Gas, das durch die Trennmembran durchgedrungen ist, zu erhöhen.
Ein Gastrennverfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst a) Herstellen eines Trennmembrankomplexes, bei dem eine Trennmembran mit Poren, die einen mittleren Porendurchmesser von weniger als oder gleich 1 nm haben, auf einem porösen Träger ausgebildet wird, und b) Zuführen eines Mischgases, das Kohlendioxid und ein weiteres Gas enthält, von einer Seite der Trennmembran zum Trennmembrankomplex und Erhalten eines durchdrungenen Gases durch Bewirken, dass das Kohlendioxid im Mischgas durch die Trennmembran und den Träger dringt. Der Vorgang b) wird in einem Zustand durchgeführt wird, in dem wenigstens ein Teil einer Durchdringungsoberfläche des Trägers, von dem das durchdrungene Gas ausgestoßen wird, eine um wenigstens 10 °C niedrigere Temperatur hat als eine Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex zugeführt wird. Dieses Gastrennverfahren verbessert die Kohlendioxidselektivität in einer Trennmembran.
Vorzugsweise ist eine Kohlendioxidkonzentration in dem durchdrungenen Gas, das im Vorgang b) erhalten wird, höher als eine Kohlendioxidkonzentration im Mischgas.
Vorzugsweise hat im Vorgang b) die gesamte Durchdringungsoberfläche des Trägers eine um wenigstens 10 °C niedrigere Temperatur als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex zugeführt wird.
Vorzugsweise hat im Vorgang b) wenigstens ein Teil der Durchdringungsoberfläche des Trägers eine um wenigstens 15 °C niedrigere Temperatur als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex zugeführt wird.
Vorzugsweise hat im Vorgang b) das Mischgas einen Druck, der mehr als oder gleich 1 MPa beträgt, bevor es dem Trennmembrankomplex zugeführt wird.
Vorzugsweise ist die Trennmembran eine anorganische Membran. Stärker bevorzugt ist die Trennmembran eine Zeolithmembran. Noch stärker bevorzugt beträgt eine Höchstzahl an gliedrigen Ringen in einem Zeolith der Trennmembran weniger als oder gleich 8.
Vorzugsweise hat im Vorgang b) das Mischgas einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als oder gleich 3000 ppm, bevor es dem Trennmembrankomplex zugeführt wird.
Vorzugsweise hat im Vorgang b) ein nicht durchdrungenes Gas, das im Mischgas enthalten ist und ohne Durchdringen durch die Trennmembran und den Träger ausgestoßen wird, eine Temperatur, die höher als eine Temperatur der Durchdringungsoberfläche des Trägers ist und niedriger als die Temperatur des Mischgases ist, bevor es dem Trennmembrankomplex zugeführt wird.
Vorzugsweise enthält das andere Gas eine oder mehrere Arten von Gasen, die Wasserstoff, Helium, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Stickoxid, Ammoniak, Schwefeloxid, Schwefelwasserstoff, Schwefelfluorid, Quecksilber, Arsin, Cyanwasserstoff, Carbonylsulfid, C1- bis C8-Kohlenwasserstoffe, organische Säure, Alkohol, Mercaptane, Ester, Ether, Keton und Aldehyd enthalten.
Die vorliegende Erfindung richtet sich ferner auf einen Gasabscheider zum Trennen von Kohlendioxid in einem Mischgas. Ein Gasabscheider gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Trennmembrankomplex, bei dem eine Trennmembran mit Poren, die einen mittleren Porendurchmesser von weniger als oder gleich 1 nm haben, auf einem porösen Träger ausgebildet ist, und einen Gaszufuhrteil, der ein Mischgas, das Kohlendioxid und ein anderes Gas enthält, von einer Seite der Trennmembran dem Trennmembrankomplex zuführt. Es wird bewirkt, dass das Kohlendioxid in dem Mischgas durch die Trennmembran und den Träger dringt und von dem Mischgas in einem Zustand getrennt wird, in dem wenigstens ein Teil einer Durchdringungsoberfläche des Trägers, von dem ein Gas ausgestoßen wird, nachdem es durch die Trennmembran durchgedrungen, eine um wenigstens 10 °C niedrigere Temperatur hat als eine Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex zugeführt wird. Dieser Gasabscheider verbessert die Kohlendioxidselektivität in einer Trennmembran.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das einen Gasabscheider veranschaulicht.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Trennmembrankomplexes.
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Trennmembrankomplexes.
4 ist ein Diagramm, das einen Ablauf zum Trennen eines Mischgases veranschaulicht.

[Beschreibung der Ausführungsformen]
1 ist ein Diagramm, das eine schematische Struktur eines Gasabscheiders 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In 1 wird eine Kreuzschraffur in den Abschnitten einiger Komponenten ausgespart. Der Gasabscheider 2 ist eine Vorrichtung, die Kohlendioxid (CO₂) von einem Mischgas, das Kohlendioxid und andere Gase enthält, trennt. Beispielsweise ist das Mischgas ein Verbrennungsabgas, das von einem Wärmekraftwerk emittiert wird.
Der Gasabscheider 2 weist einen Trennmembrankomplex 1, Dichtungsmittel 21, einen Außenzylinder 22, zwei Dichtungselemente 23 und einen Gaszufuhrteil 26, einen ersten Gassammelteil 27, einen zweiten Gassammelteil 28 und einen Kühler 29 auf. Der Trennmembrankomplex 1, die Dichtungsmittel 21 und die Dichtungselemente 23 sind im Innenraum des Außenzylinders 22 platziert. Der Gaszufuhrteil 26, der erste Gassammelteil 27 und der zweite Gassammelteil 28 sind außerhalb des Außenzylinders 22 angeordnet und mit dem Außenzylinder 22 verbunden. In dem in 1 veranschaulichten Beispiel ist der Kühler 29 außerhalb des Außenzylinders 22 angeordnet und bedeckt die Außenoberfläche des Außenzylinders 22.
2 ist eine Querschnittsansicht des Trennmembrankomplexes 1. 3 ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil des Trennmembrankomplexes 1 in vergrößerter Abmessung veranschaulicht. Der Trennmembrankomplex 1 weist einen porösen Träger 11 und eine auf dem Träger 11 ausgebildete Trennmembran 12 auf. In 2 ist die Trennmembran 12 mit dicken Linien veranschaulicht. In 3 ist die Trennmembran 12 kreuzschraffiert. Die Dicke der in 3 veranschaulichten Trennmembran 12 ist größer als die tatsächliche Dicke.
Der Träger 11 ist ein poröses Element, das für Gase durchlässig ist. In dem in 2 veranschaulichten Beispiel ist der Träger 11 ein Monolithträger, in dem mehrere Durchgangslöcher 111, die sich jeweils in einer Längsrichtung (d. h. einer Aufwärts-Abwärts-Richtung in 2) erstrecken, in einem einstückig geformten säulenartigen Körper ausgebildet sind. In dem in 2 veranschaulichten Beispiel hat der Träger 11 eine im Allgemeinen säulenartige Form. Jedes Durchgangsloch 111 (d. h. Zelle) hat beispielsweise eine im Allgemeinen kreisförmige Form im Schnitt senkrecht zur Längsrichtung. In der Veranschaulichung in 1 und 2 ist der Durchmesser der Durchgangslöcher 111 größer als der tatsächliche Durchmesser und ist die Anzahl an Durchgangslöchern 111 geringer als die tatsächliche Anzahl. Die Trennmembran 12 ist auf den Innenoberflächen der Durchgangslöcher 111 ausgebildet und bedeckt annäherungsweise die gesamten Innenoberflächen der Durchgangslöcher 111.
Der Träger 11 hat eine Länge (d. h. Länge in der Aufwärts-Abwärts-Richtung in 2) von beispielsweise 10 cm bis 200 cm. Der Träger 11 hat einen Außendurchmesser von beispielsweise 0,5 cm bis 30 cm. Ein Abstand zwischen den Mittelachsen von benachbarten Durchgangslöchern 111 liegt beispielsweise im Bereich von 0,3 mm bis 10 mm. Oberflächenrauheit (Ra) des Trägers 11 liegt beispielsweise im Bereich von 0,1 µm bis 5,0 µm und vorzugsweise im Bereich von 0,2 µm bis 2,0 µm. Alternativ dazu kann der Träger 11 eine andere Form, wie etwa eine Wabenform, eine Flachplattenform, eine röhrenförmige Form, eine zylindrische Form, eine säulenartige Form oder eine polygonale Prismenform haben. Wenn der Träger 11 eine röhrenförmige oder zylindrische Form hat, liegt die Dicke des Trägers 11 beispielsweise im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm.
Als Material für den Träger 11 können verschiedene Substanzen (z. B. Keramik oder Metall) eingesetzt werden, solange sie während des Schritts zum Ausbilden der Zeolithmembran 12 auf der Oberfläche des Trägers chemisch stabil sind. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Träger 11 aus einem keramischen Sinterkörper ausgebildet. Beispiele des keramischen Sinterkörpers, der als das Material für den Träger 11 ausgewählt ist, schließen Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Mullit, Zirconiumdioxid, Titandioxid, Yttrium, Siliciumnitrid und Siliciumcarbid ein. In der vorliegenden Ausführungsform enthält der Träger 11 Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und/oder Mullit.
Der Träger 11 kann ein anorganisches Bindemittel enthalten. Das anorganische Bindemittel kann Titandioxid, Mullit, leicht sinterfähiges Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Glasfritte, Tonmineralien und/oder leicht sinterfähiges Cordierit sein.
Ein mittlerer Porendurchmesser des Trägers 11 in der Umgebung der Oberfläche, wo die Trennmembran 12 ausgebildet ist, ist vorzugsweise kleiner als ein mittlerer Porendurchmesser des Trägers 11 in den anderen Abschnitten. Zum Erzielen dieser Struktur hat der Träger 11 eine mehrschichtige Struktur. Wenn der Träger 11 eine mehrschichtige Struktur hat, kann das Material für jede Schicht ein beliebiges der oben beschriebenen Materialien sein und kann jede Schicht aus dem gleichen Material ausgebildet sein oder kann aus einem unterschiedlichen Material ausgebildet sein. Der mittlere Porendurchmesser des Trägers 11 kann unter Verwendung einer Vorrichtung, wie etwa eines Quecksilberporosimeters, eines Permporosimeters oder eines Nano-Permporosimeters gemessen werden.
Der mittlere Porendurchmesser des Trägers 11 liegt beispielsweise im Bereich von 0,01 µm bis 70 µm und vorzugsweise im Bereich von 0,05 µm bis 25 µm. Der mittlere Porendurchmesser des Trägers 11 in der Umgebung der Oberfläche, wo die Trennmembran 12 ausgebildet ist, liegt im Bereich von 0,01 µm bis 1 µm und vorzugsweise im Bereich von 0,05 µm bis 0,5 µm. In einer Porengrößenverteilung des gesamten Trägers 11, einschließlich der Oberfläche und des Inneren des Trägers 11, liegt D5 beispielsweise im Bereich von 0,01 µm bis 50 µm, liegt D50 beispielsweise im Bereich von 0,05 µm bis 70 µm und liegt D95 beispielsweise im Bereich von 0,1 µm bis 2000 µm. Eine Porosität des Trägers 11 in der Umgebung der Oberfläche, wo die Trennmembran 12 ausgebildet ist, liegt beispielsweise im Bereich von 25 % bis 50 %.
Die Trennmembran 12 ist eine poröse Membran mit kleinen Poren. Die Trennmembran 12 ist eine Gastrennmembran, die CO₂ von einem Mischgas aus mehreren Arten von Gasen unter Verwendung einer Molekularsiebfunktion trennt. Dieses Mischgas weist andere Gase auf, die weniger wahrscheinlich durch die Trennmembran 12 durchdringen als CO₂. Anders ausgedrückt weist das Mischgas andere Gase auf, die geringere Permeanzen haben als die CO₂-Permeanz der Trennmembran 12. Das Mischgas enthält neben CO₂ eine oder mehrere Arten von Gasen, die Wasserstoff (H₂), Helium (He), Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxid, Ammoniak (NH₃), Schwefeloxid, Schwefelwasserstoff (H₂S), Schwefelfluorid, Quecksilber (Hg), Arsin (AsH₃), Cyanwasserstoff (HCN), Carbonylsulfid (COS), C1- bis C8-Kohlenwasserstoffe, organische Säure, Alkohol, Mercaptane, Ester, Ether, Keton und Aldehyd enthalten. Das Trennen von CO₂ bezieht sich auf das Bewirken, dass wenigstens ein Teil von CO₂ im Mischgas durch die Trennmembran 12 und den Träger 11 durchdringt, und die Konzentration des Gases wird hier nicht erläutert. In der folgenden Beschreibung wird ein Gas, das durch die Trennmembran 12 und den Träger 11 durchgedrungen ist, auch als ein „durchdrungenes Gas“ bezeichnet.
Stickoxid ist eine Verbindung aus Stickstoff und Sauerstoff. Das zuvor genannte Stickoxid ist beispielsweise ein Gas, das NOx genannt wird, wie etwa Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₂), Distickstoffoxid (auch als Distickstoffmonoxid bezeichnet) (N₂O), Distickstofftrioxid (N₂O₃), Distickstofftetroxid (N₂O₄) oder Distickstoffpentoxid (N₂O₅).
Schwefeloxid ist eine Verbindung aus Schwefel und Sauerstoff. Das zuvor genannte Schwefeloxid ist beispielsweise ein Gas, das SOx genannt wird, wie etwa Schwefeldioxid (SO₂) oder Schwefeltrioxid (SO₃).
Schwefelfluorid ist eine Verbindung aus Fluor und Schwefel. Das zuvor genannte Schwefelfluorid ist beispielsweise Difluordisulfan (F-S-S-F, S=SF₂), Schwefeldifluorid (SF₂), Schwefeltetrafluorid (SF₄), Schwefelhexafluorid (SF₆) oder Dischwefeldecafluorid (S₂F₁₀).
C1- bis C8-Kohlenwasserstoffe sind Kohlenwasserstoffe, die ein oder mehrere und acht oder weniger Kohlenstoffatome enthalten. C3- bis C8-Kohlenwasserstoffe können jeweils eine linearkettige Verbindung, eine seitenkettige Verbindung oder eine cyclische Verbindung sein. C2- bis C8-Kohlenwasserstoffe können jeweils entweder ein gesättigter Kohlenwasserstoff (d. h. das Fehlen einer Doppelbindung und einer Dreifachbindung in einem Molekül) oder ein ungesättigte Kohlenwasserstoffe (d. h. das Vorkommen einer Doppelbindung und/oder einer Dreifachbindung in einem Molekül) sein. C1 bis C4 können beispielsweise Methan (CH₄), Ethan (C₂H₆), Ethylen (C₂H₄), Propan (C₃H₈), Propylen (C₃H₆), Normalbutan (CH₃(CH₂)₂CH₃), Isobutan (CH(CH₃)₃), 1-Buten (CH₂=CHCH₂CH₃), 2-Buten (CH₃CH=CHCH₃) oder Isobuten (CH₂=C(CH₃)₂) sein.
Die zuvor genannte organische Säure kann beispielsweise Carbonsäure oder Sulfonsäure sein. Die Carbonsäure kann beispielsweise Ameisensäure (CH₂O₂), Essigsäure (C₂H₄O₂), Oxalsäure (C₂H₂O₄), Acrylsäure (C₃H₄O₂) oder Benzoesäure (C₆H₅COOH) sein. Die Sulfonsäure kann beispielsweise Ethansulfonsäure (C₂H₆O₃S) sein. Die organische Säure kann beispielsweise entweder eine kettenförmige Verbindung oder eine cyclische Verbindung sein.
Der zuvor genannte Alkohol kann beispielsweise Methanol (CH₃OH), Ethanol (C₂H₅OH), Isopropanol (2-Propanol) (CH₃CH(OH)CH₃), Ethylenglykol (CH₂(OH)CH₂(OH)) oder Butanol (C₄H₉OH) sein.
Die Mercaptane sind organische Verbindungen mit endständigem Schwefelhydrid (SH) und sind ferner Substanzen, die als Thiol oder Thiolalkohol bezeichnet werden. Die zuvor genannten Mercaptane können beispielsweise Methylmercaptane (CH₃SH), Ethylmercaptane (C₂H₅SH) oder 1-Propanthiole (C₃H₇SH) sein.
Der zuvor genannte Ester kann beispielsweise Ameisensäureester oder Essigsäureester sein.
Der zuvor genannte Ether kann beispielsweise Dimethylether ((CH₃)₂O), Methylethylether (C₂H₅OCH₃) oder Diethylether ((C₂H₅)₂O) sein.
Das zuvor genannte Keton kann beispielsweise Aceton ((CH₃)₂CO), Methylethylketon (C₂H₅COCH₃) oder Diethylketon ((C₂H₅)₂CO) sein.
Das zuvor genannte Aldehyd kann beispielsweise Acetaldehyd (CH₃CHO), Propionaldehyd (C₂H₅CHO) oder Butanal (Butyraldehyd) (C₃H₇CHO) sein.
Die Trennmembran 12 hat eine Dicke von beispielsweise 0,05 µm bis 30 µm, vorzugsweise 0,1 µm bis 20 µm und stärker bevorzugt 0,5 µm bis 10 µm. Ein Erhöhen der Dicke der Trennmembran 12 verbessert die Selektivität. Ein Verringern der Dicke der Trennmembran 12 erhöht die Permeanz. Oberflächenrauheit (Ra) der Trennmembran 12 beträgt beispielsweise weniger als oder gleich 5 µm, vorzugsweise weniger als oder gleich 2 µm, stärker bevorzugt weniger als oder gleich 1 µm und noch stärker bevorzugt weniger als oder gleich 0,5 µm. Die Trennmembran 12 hat einen mittleren Porendurchmesser von weniger als oder gleich 1 nm. Dies verbessert die CO₂-Selektivität durch die Trennmembran 12. Es gibt keine besonderen Beschränkungen auf die untere Grenze des mittleren Porendurchmessers der Trennmembran 12, solange CO₂ durch die Trennmembran durchdringen kann, die untere Grenze kann jedoch auf mehr als oder gleich 0,2 nm festgelegt sein. Der mittlere Porendurchmesser der Trennmembran 12 beträgt vorzugsweise mehr als oder gleich 0,2 nm und weniger als oder gleich 0,8 nm, stärker bevorzugt mehr als oder gleich 0,3 nm und weniger als oder gleich 0,6 nm und noch stärker bevorzugt mehr als oder gleich 0,3 nm und weniger als oder gleich 0,5 nm. Ein Verringern des mittleren Porendurchmessers der Trennmembran 12 verbessert die Selektivität. Ein Erhöhen des mittleren Porendurchmessers der Trennmembran 12 erhöht die Permeanz. Der mittlere Porendurchmesser der Trennmembran 12 ist kleiner als der mittlere Porendurchmesser in der Oberfläche des Trägers 11, wo die Trennmembran 12 bereitgestellt ist.
Die Trennmembran 12 ist vorzugsweise eine anorganische Membran und in der vorliegenden Ausführungsform eine Zeolithmembran (d. h. ein Zeolith in Membranform). Beispiele des Zeoliths der Trennmembran 12 umfassen Zeolith, in dem Atome (T-Atome), die sich in der Mitte eines Sauerstofftetraeders (TO₄) befinden, das den Zeolith ausmacht, lediglich aus Si zusammengesetzt sind oder aus Si und Al zusammengesetzt sind, einen Zeolith vom AlPO-Typ, bei dem die T-Atome aus Al und P zusammengesetzt sind, einen Zeolith vom SAPO-Typ, bei dem die T-Atome aus Si, Al und P zusammengesetzt sind, einen Zeolith vom MAPSO-Typ, bei dem T-Atome aus Magnesium (Mg), Si, Al und P zusammengesetzt sind, und einen Zeolith vom ZnAPSO-Typ, bei dem T-Atome aus Zink (Zn), Si, Al und P zusammengesetzt sind. Einige der T-Atome können durch andere Elemente ersetzt werden.
Wenn n eine Höchstzahl an gliedrigen Ringen in dem Zeolith der Trennmembran 12 darstellt, wird angenommen, dass ein arithmetischer Mittelwert der Haupt- und Nebenachsen einer n-gliedrigen Ringpore ein mittlerer Porendurchmesser ist. Die n-gliedrige Ringpore, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine Pore, deren Anzahl an Sauerstoffatomen, die an T-Atomen gebunden sind und eine Ringstruktur ausmachen, n ist. Wenn der Zeolith mehrere n-gliedrige Ringporen hat, wobei n die gleiche Zahl ist, wird angenommen, dass ein arithmetischer Mittelwert der Haupt- und Nebenachsen aller n-gliedriger Ringporen der mittlere Porendurchmesser des Zeoliths ist. Auf diese Weise wird der mittlere Porendurchmesser der Zeolithmembran durch die Gerüststruktur des Zeoliths eindeutig bestimmt und kann von einem in der „Database of Zeolite Structures“ („Datenbank von Zeolithstrukturen“) [online] von der Internationalen Zeolithvereinigung im Internet <URL:http://www.iza-structure.org/databases/> offenbarten Wert erhalten werden.
Es gibt keine besonderen Beschränkungen des Typs des Zeoliths der Trennmembran 12 und der Zeolith kann einer der folgenden Typen sein, einschließlich: AEI-Typ, AEN-Typ, AFN-Typ, AFV-Typ, AFX-Typ, BEA-Typ, CHA-Typ, DDR-Typ, ERI-Typ, ETL-Typ, FAU-Typ (X-Typ, Y-Typ), GIS-Typ, LEV-Typ, LTA-Typ, MEL-Typ, MFI-Typ, MOR-Typ, PAU-Typ, RHO-Typ, SAT-Typ und SOD-Typ. Aus dem Gesichtspunkt des Erhöhens der CO₂-Permeanz und des Verbesserns der CO₂-Selektivität, die später beschrieben wird, beträgt die Höchstzahl von gliedrigen Ringen im Zeolith vorzugsweise weniger als oder gleich 8 (z. B. 6 oder 8). Beispielsweise ist die Trennmembran 12 ein Zeolith vom DDR-Typ. Anders ausgedrückt ist die Trennmembran 12 eine Zeolithmembran, die aus einem Zeolith mit einem Gerüsttypcode „DDR“, der von der Internationalen Zeolithvereinigung zugeordnet wird, zusammengesetzt ist. In diesem Fall hat der Zeolith der Trennmembran 12 einen Eigenporendurchmesser von 0,36 nm × 0,44 nm und einen mittleren Porendurchmesser von 0,40 nm.
Wenn die Trennmembran 12 eine Zeolithmembran ist, enthält die Trennmembran 12 beispielsweise Silicium (Si). Beispielsweise kann die Trennmembran 12 zwei oder mehrere beliebige von Si, Aluminium (Al) und Phosphor (P) enthalten. Die Trennmembran 12 kann Alkalimetall enthalten. Das Alkalimetall ist beispielsweise Natrium (Na) oder Kalium (K). Wenn die Trennmembran 12 Si-Atome enthält, beträgt ein Si/Al-Verhältnis in der Trennmembran 12 beispielsweise mehr als oder gleich 1 und weniger als oder gleich 100.000. Das Si/Al-Verhältnis beträgt vorzugsweise mehr als oder gleich 5, stärker bevorzugt mehr als oder gleich 20 und noch stärker bevorzugt mehr als oder gleich 100. Das Verhältnis ist vorzugsweise so hoch wie möglich. Das Si/Al-Verhältnis in der Trennmembran 12 kann beispielsweise durch Anpassen des Zusammensetzungsverhältnisses einer Si-Quelle und einer Al-Quelle in einer Ausgangsmateriallösung, die später beschrieben wird, angepasst werden.
Die CO₂-Permeanz der Trennmembran 12 bei Temperaturen von -50 °C bis 300 °C beträgt beispielsweise mehr als oder gleich 50 nmol/m²·s·Pa. Das Verhältnis (Permeanzverhältnis) zwischen der CO₂-Permeanz und der CH₄-Permeanz (Undichtheit) der Zeolithmembran 12 bei Temperaturen von -50 °C bis 300 °C beträgt beispielsweise mehr als oder gleich 30. Die Permeanz und das Permeanzverhältnis sind Werte für den Fall, in dem eine Differenz des Partialdrucks von CO₂ zwischen der Zufuhrseite und der Durchdringungsseite der Zeolithmembran 12 1,5 MPa beträgt.
Die Dichtungsmittel 21 sind Elemente, die auf den entgegengesetzten Enden des Trägers 11 in der Längsrichtung (d. h. Rechts-Links-Richtung in 1) angebracht sind und die entgegengesetzten Endflächen des Trägers 11 in der Längsrichtung und die Außenoberfläche des Trägers 11 in der Umgebung der entgegengesetzten Endflächen bedecken und abdichten. Die Dichtungsmittel 21 verhindern das Zufließen und Abfließen von Gasen von den entgegengesetzten Endflächen des Trägers 11. Die Dichtungsmittel 21 sind beispielsweise plattenähnliche Elemente, die aus Glas oder Harz ausgebildet sind. Das Material und die Form der Dichtungsmittel 21 kann angemessen geändert werden. Die Dichtungsmittel 21 haben mehrere Öffnungen, die mehrere Durchgangslöcher 111 des Trägers 11 überlappen, und deshalb werden die entgegengesetzten Enden in der Längsrichtung jedes Durchgangslochs 111 des Trägers 11 nicht mit den Dichtungsmitteln 21 bedeckt. Dementsprechend kann das Gas durch die Durchgangslöcher 111 von den entgegengesetzten Enden hinein- und hinausfließen.
Der Außenzylinder 22 ist ein im Allgemeinen zylindrisches, röhrenförmiges Element. Der Außenzylinder 22 ist beispielsweise aus rostfreiem Stahl oder Kohlenstoffstahl ausgebildet. Die Längsrichtung des Außenzylinders 22 ist annähernd parallel zur Längsrichtung des Trennmembrankomplexes 1. Der Außenzylinder 22 hat einen Gaszufuhranschluss 221 auf einem Ende in der Längsrichtung (d. h. linkes Ende in 5) und einen ersten Gasauslassanschluss 222 auf dem anderen Ende. Der Außenzylinder 22 hat ferner einen zweiten Auslassanschluss 223 auf der Seitenoberfläche. Der Gaszufuhranschluss 221 ist mit dem Gaszufuhrteil 26 verbunden. Der erste Gasauslassanschluss 222 ist mit dem ersten Gassammelteil 27 verbunden. Der zweite Gasauslassanschluss 223 ist mit dem zweiten Gassammelteil 28 verbunden. Ein Innenraum des Außenzylinders 22 ist ein geschlossener Raum, der von dem Raum um den Außenzylinder 22 herum isoliert ist.
Die zwei Dichtungselemente 23 sind um den gesamten Umfang zwischen der Außenoberfläche 112 des Trennmembrankomplexes 1 (d. h. Außenoberfläche 112 des Trägers 11) und der Innenoberfläche des Außenzylinders 22 in der Umgebung der entgegengesetzten Enden des Zeolithmembrankomplexes 1 in der Längsrichtung angeordnet. Jedes Dichtungselement 23 ist ein im Allgemeinen ringförmiges Element, das aus einem Material ausgebildet ist, das für Gase undurchlässig ist. Beispielsweise sind die Dichtungselemente 23 O-Ringe, die aus einem Harz mit Biegsamkeit ausgebildet sind. Die Dichtungselemente 23 stehen in innigem Kontakt mit der Außenoberfläche 112 des Trennmembrankomplexes 1 und der Innenoberfläche des Außenzylinders 22 um den gesamten Umfang. In dem in 1 veranschaulichten Beispiel stehen die Dichtungselemente 23 in engem Kontakt mit den Außenoberflächen der Dichtungsmittel 21 und stehen indirekt über die Dichtungsmittel 21 in engem Kontakt mit der Außenoberfläche 112 des Trennmembrankomplexes 1. Ein Raum zwischen den Dichtungselementen 23 und der Außenoberfläche 112 des Trennmembrankomplexes 1 und ein Raum zwischen den Dichtungselementen 23 und der Innenoberfläche des Außenzylinders 22 sind so abgedichtet, dass sie den Durchtritt von Gasen beinahe oder vollständig blockieren.
Der Gaszufuhrteil 26 führt ein Mischgas, das CO₂ und andere Gase (z. B. Stickstoff (N2)) enthält, durch den Gaszufuhranschluss 221 in den Innenraum des Außenzylinders 22 zu. Beispielsweise ist der Gaszufuhrteil 26 ein Gebläse oder eine Pumpe, das/die das Mischgas unter Druck zum Außenzylinder 22 weiterleitet. Dieses Gebläse oder diese Pumpe weist einen Druckregler auf, der den Druck des dem Außenzylinder 22 zugeführten Mischgases regelt.
Das von dem Gaszufuhrteil 26 zum Inneren des Außenzylinders 22 zugeführte Mischgas wird vom linken Ende des Trennmembrankomplexes 1 in der Zeichnung in jedes Durchgangsloch 111 des Trägers 11 geführt, wie durch einen Pfeil 251 gekennzeichnet. Im Mischgas wird CO₂ aus der Außenoberfläche 112 des Trägers 11 hinausgeführt, während es durch die Trennmembran 12, die auf der Innenoberfläche jedes Durchgangslochs 111 bereitgestellt ist, und den Träger 11 durchdringt, und vom zweiten Gassammelteil 28 durch den zweiten Gasauslassanschluss 223 gesammelt, wie durch einen Pfeil 253 gekennzeichnet. Anders ausgedrückt liefert der Gaszufuhrteil 26 das zuvor genannte Mischgas von der Seite der Trennmembran 12 zum Trennmembrankomplex 1 und trennt CO₂ im Mischgas von dem Mischgas, indem bewirkt wird, dass CO₂ durch die Trennmembran 12 und den Träger 11 durchdringt und aus einem im Allgemeinen zylinderförmigen Bereich der Außenoberfläche 112 des Trägers 11, der sich zwischen den zwei Dichtungselementen 23 befindet (im Folgenden wird dieser Bereich als eine „Durchdringungsoberfläche 113“ bezeichnet), ausgestoßen wird. Es ist zu beachten, dass die Durchdringungsoberfläche 113 keinen Bereich der Außenoberfläche 112 des Trägers 11, der mit den Dichtungsmitteln 21 bedeckt ist, einschließt. Der zweite Gassammelteil 28 kann beispielsweise ein Behälter zum Speichern eines durchdrungenen Gases, wie etwa CO₂, sein, das aus dem Außenzylinder 22 hinausgeführt wird, während es durch die Trennmembran 12 und den Träger 11 dringt, oder kann ein Gebläse oder eine Pumpe sein, das/die das durchdrungene Gas weiterleitet.
Im Mischgas läuft ein Gas mit Ausnahme des zuvor genannten durchdrungenen Gases (im Folgenden als „ein nicht durchdrungenes Gas“ bezeichnet) durch jedes Durchgangsloch 111 des Trägers 11 von der linken Seite zur rechten Seite in der Zeichnung und wird von dem ersten Gassammelteil 27 durch den ersten Gasabführanschluss 222 gesammelt, wie durch einen Pfeil 252 gekennzeichnet. Beispielsweise kann der erste Gassammelteil 27 ein Behälter zum Speichern eines nicht durchdrungenen Gases sein, das aus dem Außenzylinder 22 hinausgeführt wird, oder kann ein Gebläse oder eine Pumpe sein, das/die das nicht durchdrungene Gas weiterleitet.
Der Kühler 29 steht in direktem oder indirektem Kontakt mit der Außenoberfläche des Außenzylinders 22 und kühlt den Außenzylinder 22. Beispielsweise ist der Kühler 29 ein im Allgemeinen zylindrischer Kühlmantel, der um den Außenzylinder 22 bereitgestellt ist. In diesem Fall wird der Außenzylinder 22 als Folge dessen, dass ein Kühlmedium, wie etwa Kühlwasser, ununterbrochen durch das Innere des Kühlers 29 strömt, gekühlt. In 1 ist das Kühlmedium im Kühler 29 kreuzschraffiert. Die Länge des Kühlers 29 in der zuvor genannten Längsrichtung entspricht beispielsweise annähernd dem Abstand in der Längsrichtung zwischen den zwei Dichtungselementen 23 oder kann länger als dieser Abstand sein. In dem in 1 veranschaulichten Beispiel befinden sich die entgegengesetzten Enden des Kühlers 29 in annähernd den gleichen Positionen in der Längsrichtung wie die Positionen der zwei Dichtungselemente 23.
Im Gasabscheider 2 wird der Trennmembrankomplex 1, der der Innenoberfläche des Außenzylinders 22 zugewandt ist, als Folge dessen, dass der Außenzylinder 22 durch den Kühler 29 gekühlt wird, ebenso gekühlt. Genauer gesagt wird das Gas, das zwischen der Innenoberfläche des Außenzylinders 22 und der Außenoberfläche 112 des Trägers 11 vorhanden ist, als Folge dessen, dass der Außenzylinder 22 durch den Kühler 29 gekühlt wird, gekühlt und wird annähernd der gesamte Träger 11 von der Seite der Außenoberfläche 112, der mit dem Gas in Kontakt steht, gekühlt. Demzufolge wird annähernd die gesamte Trennmembran 12, die mit dem Träger 11 in Kontakt steht, ebenso gekühlt.
Als Nächstes wird ein Beispiel des Ablaufs zum Trennen eines Mischgases, der durch den Gasabscheider 2 durchgeführt wird, unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Zum Trennen eines Mischgases wird zunächst der Trennmembrankomplex 1 durch Ausbilden der Trennmembran 12 auf dem Träger 11 hergestellt (Schritt S11). Wenn Schritt S11 genauer beschrieben wird, werden zunächst Impfkristalle zur Verwendung in der Produktion der Trennmembran 12 (d. h. Zeolithmembran) hergestellt. Beispielsweise werden die Impfkristalle von Zeolithpulver vom DDR-Typ, das durch Hydrothermalsynthese synthetisiert wird, gewonnen. Das Zeolithpulver kann unverändert als die Impfkristalle verwendet werden oder durch Pulverisierung oder andere Verfahren in die Impfkristalle verarbeitet werden.
Danach wird der poröse Träger 11 in eine Lösung, in der die Impfkristalle dispergiert sind, eingetaucht, um die Impfkristalle auf dem Träger 11 abzulagern. Alternativ kann eine Lösung, in der die Impfkristalle dispergiert sind, mit einem Abschnitt des Trägers 11, auf dem gewünscht wird, dass die Trennmembran 12 ausgebildet wird, in Kontakt gebracht werden, um die Impfkristalle auf dem Träger 11 abzulagern. Auf diese Weise wird ein Träger, auf dem sich Impfkristalle abgelagert haben, hergestellt. Die Impfkristalle können durch die anderen Verfahren auf dem Träger 11 abgelagert werden.
Der Träger 11 mit den darauf abgelagerten Impfkristallen wird in eine Ausgangsmateriallösung eingetaucht. Die Ausgangsmateriallösung wird beispielsweise hergestellt durch Bewirken, dass Substanzen, wie etwa eine Si-Quelle und ein Struktursteuerungsmittel (im Folgenden auch als ein „SDA“ bezeichnet), sich in einem Lösungsmittel auflösen oder dispergieren. Die Ausgangsmateriallösung hat eine Zusammensetzung von beispielsweise 1:0,15:0,12 von SiO₂:SDA:(CH₂)₂(NH₂)₂. Das Lösungsmittel in der Ausgangsmateriallösung kann beispielsweise Wasser oder Alkohol, wie etwa Ethanol, sein. Das SDA in der Ausgangsmateriallösung kann beispielsweise eine organische Verbindung sein. Beispielsweise kann 1-Adamantanamin als das SDA verwendet werden.
Unter Verwendung der Impfkristalle als Keime wird dann der Zeolith vom DDR-Typ durch Hydrothermalsynthese gezüchtet, um eine Zeolithmembran vom DDR-Typ, d. h. die Trennmembran 12, auf dem Träger 11 auszubilden. Die Temperatur der Hydrothermalsynthese liegt vorzugsweise im Bereich von 120 bis 200 °C und beträgt beispielsweise 160 °C. Die Zeit der Hydrothermalsynthese liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 100 Stunden und beträgt beispielsweise 30 Stunden.
Wenn die Hydrothermalsynthese beendet wurde, werden der Träger 11 und die Trennmembran 12 mit vollentsalztem Wasser gespült. Nach dem Spülen werden der Träger 11 und die Trennmembran 12 beispielsweise bei 80 °C getrocknet. Nachdem der Träger 11 und die Trennmembran 12 getrocknet worden sind, wird die Trennmembran 12 einer Wärmebehandlung ausgesetzt, um das SDA in der Trennmembran 12 beinahe vollständig zu verbrennen und zu entfernen und zu bewirken, dass Mikroporen in der Trennmembran 12 durch die Membran kommen. Auf diese Weise wird der zuvor genannte Zeolithmembrankomplex 1 erhalten.
Wenn Schritt S11 beendet wurde, wird der in 1 veranschaulichte Gasabscheider 2 zusammengesetzt (Schritt S12). Der Trennmembrankomplex 1 wird im Außenzylinder 22 eingebaut. Dann kühlt der Kühler 29 den Trennmembrankomplex 1 über den Außenzylinder 22. Insbesondere kühlt der Kühler 29 den Abschnitt des Außenzylinders 22, der sich zwischen den zwei Dichtungselementen 23 befindet, sodass im Abschnitt zwischen den zwei Dichtungselementen 23 das Gas, das zwischen der Innenoberfläche des Außenzylinders 22 und der Außenoberfläche 112 des Trägers 11 vorhanden ist, gekühlt wird. Des Weiteren wird die Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11, die der Bereich ist, der mit dem Gas in Kontakt steht, gekühlt, wird annähernd der gesamte Träger 11 gekühlt und wird annähernd die gesamte Trennmembran 12 ebenso gekühlt (Schritt S13). Das Kühlen des Trennmembrankomplexes 1 durch den Kühler 29 setzt sich fort, bis der Gasabscheider 2 die Gastrennungsverarbeitung beendet.
Danach führt der Gaszufuhrteil 26 ein Mischgas, das CO₂ und andere Gase enthält, dem Innenraum des Außenzylinders 22 zu (Schritt S14). In der vorliegenden Ausführungsform setzt sich das Mischgas hauptsächlich aus CO₂ und N₂ zusammen. Das Mischgas kann auch andere Gase als CO₂ und N₂ aufweisen. Feuchtigkeit im Mischgas hemmt Adsorption von CO₂ in die Poren der Trennmembran 12 und unterdrückt eine Verringerung der CO₂-Permeanz. Im Innenraum des Außenzylinders 22 beträgt der Feuchtigkeitsgehalt im Mischgas, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird, somit vorzugsweise weniger als oder gleich 3000 ppm entsprechend dem Volumenverhältnis (d. h. Molverhältnis), stärker bevorzugt weniger als oder gleich 1000 ppm, noch stärker bevorzugt weniger als oder gleich 500 ppm und besonders bevorzugt weniger als oder gleich 100 ppm. Falls der Feuchtigkeitsgehalt im Mischgas höher als 3000 ppm beträgt, ist es möglich, ein Mischgas zu verwenden, das durch Verringern des Feuchtigkeitsgehalts auf weniger als oder gleich 3000 ppm durch einen Dehydrator erhalten wird.
Der Druck des von dem Gaszufuhrteil 26 zum Innenraum des Außenzylinders 22 zugeführten Mischgases, d. h. Anfangsgasdruck, beträgt vorzugsweise mehr als oder gleich 0,5 MPa, stärker bevorzugt mehr als oder gleich 1 MPa und noch stärker bevorzugt mehr als oder gleich 2 MPa. Der Ausgangsgasdruck beträgt ferner beispielsweise weniger als oder gleich 20 MPa und üblicherweise weniger als oder gleich 10 MPa. Die Temperatur des von dem Gaszufuhrteil 26 zum Innenraum des Außenzylinders 22 zugeführten Mischgases liegt beispielsweise im Bereich von -50 °C bis 300 °C und in der vorliegenden Ausführungsform etwa im Bereich von 10 °C bis 150 °C. Im Innenraum des Außenzylinders 22 hat das Mischgas, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird (d. h. Mischgas, unmittelbar bevor es der Trennmembran 12 zugeführt wird), annähernd den gleichen Druck und die gleiche Temperatur wie der Druck und die Temperatur des von dem zuvor genannten Gaszufuhrteil 26 an den Innenraum des Außenzylinders 22 zugeführten Mischgases.
Das in den Außenzylinder 22 zugeführte Mischgas wird zu jedem Durchgangsloch 111 des Trennmembrankomplexes 1 geführt. Dann dringt CO₂ im Mischgas durch die Trennmembran 12 und den Träger 11 des Trennmembrankomplexes 1, wird aus der Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11 hinausgeführt und von dem Mischgas getrennt (Schritt S15).
Wie oben beschrieben wird der Träger 11 durch den Kühler 29 gekühlt. Somit ist die Temperatur des Trägers 11 niedriger als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird (d. h. Mischgas, das von dem Gaszufuhranschluss 221 zur Trennmembran 12 geströmt ist und das unmittelbar zuvor der Trennmembran 12 zugeführt wird). Insbesondere ist die Temperatur wenigstens eines Teils der Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11 um wenigstens 10 °C niedriger als die Temperatur des Mischgases. Es ist zu beachten, dass die Temperatur der Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11 und die Temperatur des Gases, unmittelbar nachdem es durch den Träger 11 durchgedrungen ist, annähernd gleich sind. Somit, falls es schwierig ist, die Temperatur der Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11 direkt zu messen, kann von der Tatsache, dass die Temperatur des Gases, unmittelbar nachdem es durch den Träger 11 durchgedrungen ist, um wenigstens 10 °C niedriger ist als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird, festgehalten werden, dass die Temperatur wenigstens eines Teils der Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11 um wenigstens 10 °C niedriger ist als die Temperatur des Mischgases.
Wenn der Gasabscheider 2 in wenigstens einem der Trennmembrankomplexe 1 mehrere Trennmembrankomplexe aufweist, ist die Temperatur wenigstens eines Teils der Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11 im Trennmembrankomplex 1 um wenigstens 10 °C niedriger als die Temperatur des Mischgases, unmittelbar bevor es der Trennmembran 12 im Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird.
Vorzugsweise ist die Temperatur der gesamten Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11 um wenigstens 10 °C niedriger als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird. Die Temperatur der gesamten Durchdringungsoberfläche 113 muss nicht notwendigerweise um wenigstens 10 °C niedriger sein als die Temperatur des zuvor genannten Mischgases und es wird auch bevorzugt, dass die Temperatur wenigstens eines Teils der Durchdringungsoberfläche 113 um wenigstens 15 °C niedriger ist als die Temperatur des Mischgases. Stärker bevorzugt ist die Temperatur der gesamten Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11 um wenigstens 15 °C niedriger als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird.
Wie oben beschrieben ist im Gasabscheider 2 wenigstens die Temperatur eines Teils der Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11 um wenigstens 10 °C niedriger als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird. Dies ermöglicht, dass CO₂ wirksam in die Poren der Trennmembran 12 adsorbiert wird, und erhöht dadurch das Verhältnis der CO₂-Permeanz der Trennmembran 12 zur anderen Permeanz davon, wie etwa der N₂-Permeanz. Anders ausgedrückt verbessert sich die CO₂-Selektivität der Trennmembran 12. Vorzugsweise wird die Konzentration von CO₂ im durchdrungenen Gas, das durch die Trennmembran 12 und den Träger 11 durchgedrungen ist, höher gemacht als die Konzentration von CO₂ im Mischgas.
Das durchdrungene Gas, das durch den Trennmembrankomplex 1 durchgedrungen ist, wird durch den zweiten Gassammelteil 28 gesammelt. Der Druck des Gases im zweiten Gassammelteil 28 (d. h. permeationsseitiger Druck) kann willkürlich festgelegt werden und beispielsweise auf einen Druck von annähernd einer Atmosphäre (0,101 MPa) festgelegt werden. Das durchdrungene Gas, das durch den zweiten Gassammelteil 28 gesammelt wird, kann ferner andere Gase enthalten, die von CO₂ verschieden sind.
Ein nicht durchdrungenes Gas (d. h. ein Gas, das nicht durch die Trennmembran 12 und den Träger 11 durchgedrungen ist, im Mischgas), durchläuft jedes Durchgangsloch 111 in der Längsrichtung und wird durch den ersten Gasabführanschluss 222 aus dem Außenzylinder 22 ausgestoßen. Das nicht durchdrungene Gas, nachdem es durch die Durchgangslöcher 111 im Trennmembrankomplex 1 durchgelaufen ist, wird durch den Trennmembrankomplex 1 gekühlt, dessen Temperatur niedriger als die Temperatur des Mischgases ist. Daher ist die Temperatur des nicht durchdrungenen Gases, unmittelbar nachdem es durch die Durchgangslöcher 111 durchgelaufen ist, niedriger als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird (d. h. Mischgas, nachdem es von dem Gaszufuhranschluss 221 zur Trennmembran 12 geströmt ist und unmittelbar bevor es der Trennmembran 12 zugeführt wird). Das nicht durchdrungene Gas, unmittelbar nachdem es durch die Durchgangslöcher 111 durchgelaufen ist, ist vorzugsweise höher als die Temperatur der Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11. Die Temperatur des nicht durchdrungenen Gases, unmittelbar nachdem es durch die Durchgangslöcher 111 durchgelaufen ist, ist vorzugsweise ebenso höher als die Temperatur des durchdrungenen Gases, unmittelbar nachdem es durch den Trennmembrankomplex 1 durchgedrungen ist. Es ist zu beachten, dass die Temperatur des nicht durchdrungenen Gases, unmittelbar nachdem es durch die Durchgangslöcher 111 durchgelaufen ist, annähernd gleich ist wie die Temperatur des nicht durchdrungenen Gases, das durch den ersten Gasabführanschluss 222 ausgestoßen worden ist.
Das nicht durchdrungene Gas, das aus dem Außenzylinder 22 ausgestoßen wurde, wird durch den ersten Gassammelteil 27 gesammelt. Beispielsweise ist der Druck des Gases im ersten Gassammelteil 27 annähernd gleich wie der Druck des Mischgases, das durch den Gaszufuhrteil 26 zugeführt wird. Das nicht durchdrungene Gas, das durch den ersten Gassammelteil 27 gesammelt wird, kann CO₂ aufweisen, das nicht durch den Trennmembrankomplex 1 durchgedrungen ist.
Als Nächstes wird die Beziehung einer Differenz der Temperatur zwischen dem Mischgas, unmittelbar bevor es der Trennmembran 12 zugeführt wird, und der Durchdringungsoberfläche 113, der Druck des Mischgases, unmittelbar bevor es der Trennmembran 12 zugeführt wird, der CO₂-Fluss und die CO₂-Selektivität im Gastrennverfahren, als Schritte S11 bis S15 veranschaulicht, wie oben beschrieben, unter Bezugnahme auf Tabelle 1 beschrieben. Beispiele 1 bis 5 und Vergleichsbeispiele 1 und 2 in Tabelle 1 variieren in der Temperaturdifferenz ΔT (°C) zwischen dem Mischgas, unmittelbar, bevor es der Trennmembran 12 zugeführt wurde, und der Durchdringungsoberfläche 13 und im Druck P (MPa) des Mischgases, unmittelbar bevor es der Trennmembran 12 zugeführt wurde. Die Temperaturdifferenz ΔT(°C) wird durch Subtrahieren der Temperatur eines Bereichs der Durchdringungsoberfläche 113 gewonnen, die eine niedrigste Temperatur von der Temperatur des oben beschriebenen Mischgases hat.
Obwohl in Tabelle 1 nicht dargestellt, sind die Trennmembranen 12 gemäß Beispielen 1 bis 5 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 Zeolithmembranen vom DDR-Typ. Das Mischgas (außer Feuchtigkeit), das von dem Gaszufuhrteil 26 zum Gasabscheider 2 zugeführt wird, hat ein Zusammensetzungsverhältnis von 50 Vol.-% CO₂ und 50 Vol.-% N₂. Der Feuchtigkeitsgehalt im Mischgas beträgt 3000 ppm. Die Temperatur des Mischgases, unmittelbar bevor es der Trennmembran 12 zugeführt wird, beträgt 30 °C. Der Druck im zweiten Gassammelteil 28 (d. h. permeationsseitiger Druck) ist auf einen Druck von einer Atmosphäre festgelegt.

In Tabelle 1 wurden CO₂-Fluss und CO₂-Selektivität wie folgt erhalten. Zunächst wurden die Fließgeschwindigkeit und Zusammensetzung des durchdrungenen Gases, das durch den Trennmembrankomplex 1 durchgedrungen ist, unter Verwendung eines Massendurchflussmessers beziehungsweise einer Gaschromatografie gemessen. Dann wurden die CO₂-Permeanz und die N₂-Permeanz der Trennmembran 12 von den gemessenen Werten des Flusses und der Zusammensetzung des durchdrungenen Gases erhalten. Des Weiteren wurden die Permeanz von CO₂ beziehungsweise N₂ pro Einheitsfläche, pro Einheitszeit und pro Einheitsdruck gewonnen und ein durch Dividieren der CO₂-Permeanz durch die N₂-Permeanz gewonnener Wert wurde als die CO₂-Selektivität angenommen. Das bedeutet, die CO₂-Selektivität in Tabelle 1 entspricht dem Verhältnis der CO₂-Permeanz zur N₂-Permeanz. Während der Zahlenwert in Tabelle 1 zunimmt, verbessert sich die CO₂-Selektivität und steigt das Verhältnis (Vol.-%) von CO₂ im durchdrungenen Gas. Tabelle 1

	Temperatur von Mischgas	Temperatur von Durchdringungsoberfläche	Temperaturdifferenz ΔT	Druck von Mischgas	CO₂-Fluss	CO₂-Selektivität
	°C	°C	°C	MPa	(l/mi n)	CO₂-Selektivität
Beispiel 1	30	20	10	0,4	8,8	60,7
Beispiel 2	30	20	10	1,0	22,9	42,6
Beispiel 3	60	50	10	2,0	36,7	30,9
Beispiel 4	30	15	15	1,0	22,6	50,7
Beispiel 5	30	10	20	1,0	22,4	56,8
Vergleichsbeispiel 1	30	25	5	0,4	8,9	49,8
Vergleichsbeispiel 2	30	30	0	0,4	9,0	44,3

Wie in Tabelle 1 dargestellt, beträgt die CO₂-Selektivität in Beispielen 1 bis 3 mit einer Temperaturdifferenz ΔT von 10 °C mehr als oder gleich 30,9 und steigt der CO₂-Fluss, wenn sich der Druck des Mischgases erhöht. In Beispielen 2, 4 und 5 ist der CO₂-Fluss mit einem Druck des Mischgases von 1,0 MPa nahezu gleich und verbessert sich die CO₂-Selektivität mit einer steigenden Temperaturdifferenz ΔT. In Beispielen 2 bis 5 beträgt der CO₂-Fluss mit einem Druck des Mischgases von mehr als oder gleich 1,0 MPa mehr als oder gleich 22,4 Liter (l)/min. Indessen, wenn Vergleichsbeispiele 1 und 2 mit einer Temperaturdifferenz ΔT von weniger als 10 °C mit Beispiel 1 mit dem gleichen Druck des Mischgases verglichen werden, zeigen diese Beispiele nahezu den gleichen CO₂-Fluss und unterscheiden sich in der CO₂-Selektivität, insbesondere 60,7 in Beispiel 1, 49,8 in Vergleichsbeispiel 1 und 44,3 in Vergleichsbeispiel 2.
In Beispielen 1 bis 5, falls der Feuchtigkeitsgehalt im Mischgas auf weniger als 3000 ppm verringert wurde, wurden die CO₂-Permeanz und die CO₂-Selektivität gleich wie die in Tabelle 1 dargestellten Ergebnisse oder verbesserten sich von diesen. In Beispielen 1 bis 5 war die Temperatur des nicht durchdrungenen Gases (d. h. die Temperatur des nicht durchdrungenen Gases, unmittelbar nachdem es durch die Durchgangslöcher 111 durchgelaufen ist) niedriger als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wurde (d. h. das Mischgas, unmittelbar bevor es der Trennmembran 12 zugeführt wurde), und höher als die Temperatur der Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11.
Obwohl in Tabelle 1 nicht dargestellt, falls die Trennmembran 12 von der Zeolithmembran vom DDR-Typ zu einer Zeolithmembran vom CHA-Typ oder Y-Typ (FAU-Typ) geändert wurde, verbesserte sich die CO₂-Selektivität ferner als Folge dessen, dass die Temperaturdifferenz ΔT auf wenigstens 10 °C eingestellt wurde, wie oben beschrieben. Die CO₂-Selektivität verbesserte sich in dem Fall der Verwendung einer Zeolithmembran vom DDR-Typ oder CHA-Typ, die aus einem Zeolith zusammengesetzt ist, dessen Höchstzahl von gliedrigen Ringen 8 war, statt in dem Fall der Verwendung einer Zeolithmembran vom Y-Typ, die aus einem Zeolith zusammengesetzt ist, dessen Höchstzahl von gliedrigen Ringen 12 war. Auf ähnliche Weise, wenn die Trennmembran 12 durch eine anorganische Membran, wie etwa eine Kohlenstoff- oder Siliciumdioxidmembran außer einer Zeolithmembran, ersetzt wurde, verbesserte sich die CO₂-Selektivität ferner als Folge dessen, dass die Temperaturdifferenz ΔT auf wenigstens 10 °C eingestellt wurde, wie oben beschrieben.
Wie oben beschrieben umfasst das Gastrennverfahren zum Trennen von CO₂ in einem Mischgas den Schritt zum Herstellen des Trennmembrankomplexes 1, bei dem die Trennmembran 12 mit Poren, die einen mittleren Partikeldurchmesser von weniger als oder gleich 1 nm haben, auf dem porösen Träger 11 ausgebildet wird (Schritt S11), und den Schritt zum Zuführen eines Mischgases, das CO₂ und andere Gase enthält, von der Seite der Trennmembran 12 zum Trennmembrankomplex 1 und Erhalten eines durchdrungenen Gases durch Bewirken, dass CO₂ im Mischgas durch die Trennmembran 12 und den Träger 11 dringt, (Schritt S14). Schritt S14 wird in einem Zustand durchgeführt, in dem die Temperatur wenigstens eines Teils der Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11, von dem das durchdrungene Gas ausgestoßen wird, um wenigstens 10 °C niedriger ist als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird.
Dies ermöglicht ein Verringern der Temperatur der Trennmembran 12, um niedriger zu sein als die Temperatur des Mischgases, und bewirkt, dass CO₂ wirksam in die Poren der Trennmembran 12 adsorbiert wird. Demzufolge ist es möglich, die CO₂-Selektivität der Trennmembran 12 zu verbessern. Gemäß diesem Gastrennverfahren ist es möglich, die zum Kühlen erforderliche Energiemenge stärker zu verringern als in dem Fall, in dem das gesamte Mischgas gekühlt wird, bevor es der Trennmembran 12 zugeführt wird.
Im oben beschriebenen Gastrennverfahren ist die CO₂-Konzentration im durchdrungenen Gas, das in Schritt S14 erhalten wird, höher als die CO₂-Konzentration im zuvor genannten Mischgas. Dies beschleunigt das Trennen von CO₂ in der Trennmembran 12.
Im oben beschriebenen Gastrennverfahren wird in Schritt S14 bevorzugt, dass die Temperatur der gesamten Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11 um wenigstens 10 °C niedriger ist als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird. Dies verbessert die CO₂-Selektivität der Trennmembran 12 weiter.
Im oben beschriebenen Gastrennverfahren wird in Schritt S14 bevorzugt, dass die Temperatur wenigstens eines Teils der Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11 um wenigstens 15 °C niedriger ist als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird. Dies verbessert die CO₂-Selektivität der Trennmembran 12 weiter.
Im oben beschriebenen Gastrennverfahren wird in Schritt S14 bevorzugt, dass der Druck des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird, wenigstens 1 MPa beträgt. Dies verstärkt den CO₂-Fluss in der Trennmembran 12.
Wie oben beschrieben ist die Trennmembran 12 vorzugsweise eine anorganische Membran. Wie oben beschrieben ermöglicht dies vorteilhafterweise das Erhöhen der CO₂-Permeanz in der Trennmembran 12 und das Verbessern der CO₂-Selektivität. Beispiele der anorganischen Membran schließen eine Zeolithmembran, eine Siliciumdioxidmembran und eine Kohlenstoffmembran ein.
Stärker bevorzugt ist die Trennmembran 12 eine Zeolithmembran. Die Verwendung einer Zeolithmembran mit einem Eigenporendurchmesser als die Trennmembran 12 auf diese Weise ermöglicht es, die CO₂-Selektivität der Trennmembran 12 weiter zu verbessern. Es ist zu beachten, dass sich die Zeolithmembran, wie hierin verwendet, auf wenigstens eine Membran bezieht, die durch Ausbilden eines Zeoliths in Membranform auf der Oberfläche des Trägers 11 erhalten wird, und keine Membran einschließt, die durch einfaches Dispergieren von Zeolithpartikeln in einer organischen Membran erhalten wird.
Stärker bevorzugt beträgt eine Höchstzahl an gliedrigen Ringen in dem Zeolith der Trennmembran 12 weniger als oder gleich 8. Dies verbessert die CO₂-Selektivität der Trennmembran 12 weiter.
Im oben beschriebenen Gastrennverfahren wird in Schritt S14 bevorzugt, dass der Feuchtigkeitsgehalt im Mischgas, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird, weniger als oder gleich 3000 ppm beträgt. Dies reduziert eine Situation, bei der Feuchtigkeit im Mischgas die Adsorption von CO₂ in den Poren der Trennmembran 12 hemmt. Demzufolge ist es möglich, die CO₂-Permeanz in der Trennmembran 12 weiter zu erhöhen und die CO₂-Selektivität weiter zu verbessern.
In Schritt S14 des oben beschriebenen Gastrennverfahrens wird das gesamte Mischgas nicht gekühlt, bevor es der Trennmembran 12 zugeführt wird, und wird das durchdrungene Gas durch Kontakt mit der Trennmembran 12 gekühlt. Gemäß diesem Gastrennverfahren ist es somit möglich, die zum Kühlen erforderliche Energiemenge stärker zu verringern als in dem Fall, in dem das gesamte Mischgas gekühlt wird, bevor es der Trennmembran 12 zugeführt wird. In Schritt S14 des oben beschriebenen Gastrennverfahrens ist die Temperatur des nicht durchdrungenen Gases, das ohne Durchdringen durch die Trennmembran 12 und den Träger 11 ausgestoßen wird, im Mischgas vorzugsweise höher als die Temperatur der Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11 und niedriger als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird. Dies unterdrückt das Kühlen des nicht durchdrungenen Gases und verringert dadurch die zum Kühlen erforderliche Energiemenge weiter.
Wie oben beschrieben ist es gemäß dem Gastrennverfahren möglich, die CO₂-Selektivität der Trennmembran 12 zu verbessern. Dementsprechend ist dieses Gastrennverfahren besonders geeignet für den Fall zum Trennen von CO₂ von einem Mischgas aus CO₂ und einem anderen Gas (d. h. ein Gas, das wenigstens eine Art von Gasen enthält, die Wasserstoff, Helium, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Stickoxid, Ammoniak, Schwefeloxid, Schwefelwasserstoff, Schwefelfluorid, Quecksilber, Arsin, Cyanwasserstoff, Carbonylsulfid, C1- bis C8-Kohlenwasserstoffe, organische Säure, Alkohol, Mercaptane, Ester, Ether, Keton und Aldehyd enthalten).
Der oben beschriebene Gasabscheider 2 umfasst den Trennmembrankomplex 1, bei dem die Trennmembran 12 mit Poren, die einen mittleren Porendurchmesser von weniger als oder gleich 1 nm haben, auf dem porösen Träger 11 ausgebildet ist, und den Gaszufuhrteil 26, der ein Mischgas, das CO₂ und ein anderes Gas enthält, von der Seite der Trennmembran 12 dem Trennmembrankomplex 1 zuführt. Dann wird CO₂ in dem Mischgas von dem Mischgas getrennt, indem bewirkt wird, dass CO₂ in einem Zustand durch die Trennmembran 12 und den Träger 11 durchdringen, in dem die Temperatur wenigstens eines Teils der Durchdringungsoberfläche 113, von der das Gas ausgestoßen wird, nachdem es durch die Trennmembran 12 durchgedrungen ist, um wenigstens 10 °C niedriger ist als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird.
Wie oben beschrieben ermöglicht dies, dass die Temperatur der Trennmembran 12 niedriger ist als die Temperatur des Mischgases, und ermöglicht, dass CO₂ wirksam in die Poren der Trennmembran 12 adsorbiert wird. Demzufolge ist es möglich, die CO₂-Selektivität der Trennmembran 12 zu verbessern. Gemäß diesem Gasabscheider ist es möglich, die zum Kühlen erforderliche Energiemenge stärker zu verringern als in dem Fall, in dem das gesamte Mischgas gekühlt wird, bevor es der Trennmembran 12 zugeführt wird.
Der Gasabscheider 2 und das Gastrennverfahren, die oben beschrieben werden, können auf verschiedene Weise modifiziert werden.
Beispielsweise können Gase, die im Mischgas enthalten sind, mit Ausnahme von CO₂, ein anderes Gas als die, die in der obigen Beschreibung als Beispiele angeführt werden, enthalten oder können lediglich ein anderes Gas als die, die in der obigen Beschreibung als Beispiele angeführt werden, enthalten.
Der Feuchtigkeitsgehalt im Mischgas, bevor es der Trennmembran 12 zugeführt wird, kann höher als 3000 ppm sein. Wie oben beschrieben kann der Druck des Mischgases niedriger als 1 MPa sein.
Die Temperatur des nicht durchdrungenen Gases, unmittelbar nachdem es durch die Durchgangslöcher 111 durchgelaufen ist, kann annähernd gleich sein wie die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird (d. h. Mischgas, unmittelbar bevor es der Trennmembran 12 zugeführt wird). Die Temperatur des nicht durchdrungenen Gases kann auch annähernd gleich sein wie die Temperatur der Durchdringungsoberfläche 113 des Trägers 11.
Wenn die Trennmembran 12 eine Zeolithmembran ist, kann eine Höchstzahl an gliedrigen Ringen im Zeolith dieser Zeolithmembran niedriger als 8 sein oder kann größer als 8 sein. Wie oben beschrieben ist die Trennmembran 12 nicht auf eine Zeolithmembran beschränkt und kann eine anorganische Membran sein, die aus anderen anorganischen Substanzen als ein Zeolith ausgebildet ist. Die Trennmembran 12 kann auch eine andere Membran als anorganische Membranen sein.
Während der Trennmembrankomplex 1 die auf dem Träger 11 ausgebildete Trennmembran 12 aufweist, kann der Trennmembrankomplex 1 ferner eine Funktionsmembran oder eine Schutzmembran, die auf die Trennmembran 12 beschichtet ist, sein. Eine derartige Funktionsmembran oder eine Schutzmembran kann eine anorganische Membran, wie etwa eine Zeolithmembran, eine Siliciumdioxidmembran oder eine Kohlenstoffmembran, sein oder kann eine organische Membran, wie etwa eine Polyimidmembran oder eine Silikonmembran, sein. Darüber hinaus kann eine Substanz, die CO₂ leicht adsorbieren kann, zu einer derartigen Funktionsmembran oder einer Schutzmembran, die auf die Trennmembran 12 beschichtet ist, hinzugefügt werden.
Der Gasabscheider 2 kann einen im Allgemeinen röhrenförmigen oder zylindrischen Trennmembrankomplex vom Typ einer Einzelröhre statt des zuvor genannten Trennmembrankomplexes 1 von der Art eines Monoliths aufweisen. Ein Modus ist auch möglich, in dem die Trennmembran auf der Außenoberfläche eines im Allgemeinen röhrenförmigen oder zylindrischen Trägers bereitgestellt ist und CO₂, das durch die Trennmembran und den Träger durchgedrungen ist, zu einem Raum, der sich radial innen von dem Träger befindet, hinausgeführt wird. Es können Dichtungsmittel vorgesehen sein oder es können keine Dichtungsmittel vorgesehen sein. In diesem Fall entspricht die Durchdringungsoberfläche der Innenoberfläche des im Allgemeinen röhrenförmigen oder zylindrischen Trägers. Als ein Kühler kann der Gasabscheider 2 ein Kühlrohr oder dergleichen aufweisen, das sich in der Längsrichtung in einem Mittelabschnitt des Raums, der sich radial innen von dem Träger befindet, erstreckt.
Die Form und Struktur des Kühlers 29 kann auf verschiedene Arten modifiziert werden. Beispielsweise kann der Kühler 29 ein röhrenähnlicher Kühlmantel sein, der spiralförmig auf die Außenoberfläche des Außenzylinders 22 aufgewickelt ist. Ein Kühlmedium, das durch den Kühlmantel strömt, kann eine andere Flüssigkeit oder Aufschlämmung als Kühlwasser sein oder kann ein gekühltes Gas sein. Ein durchdrungenes Gas, das durch den Trennmembrankomplex 1 durchgedrungen ist, kann als dieses gekühlte Gas verwendet werden. Alternativ dazu kann der Kühler 29 eine Peltier-Einheit sein, die auf der Außenoberfläche des Außenzylinders 22 bereitgestellt ist.
Als ein Verfahren zum Kühlen des Trennmembrankomplexes 1 kann der Trennmembrankomplex 1 gekühlt werden, indem bewirkt wird, dass ein Niedertemperaturgas als ein Spülgas in Kontakt mit der Durchdringungsoberfläche strömt, oder kann der Joule-Thomson-Effekt durch das Durchdringen des Gases zum Kühlen verwendet werden. In diesem Fall kann der Kühler 29 ausgespart werden, wenn es möglich ist, die Temperatur wenigstens eines Teils der Durchdringungsoberfläche 113 um wenigstens 10 °C niedriger zu machen als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex 1 zugeführt wird. Selbst in diesem Fall ist es möglich, die CO₂-Selektivität der Trennmembran 12 auf die gleiche Weise wie oben beschrieben zu verbessern.
Die Konfigurationen der oben beschriebenen Ausführungsform und Variationen können entsprechend kombiniert werden, solange es keine gegenseitigen Widersprüche gibt.
[Gewerbliche Anwendbarkeit]
Der Gasabscheider und das Gastrennverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sind zur Verwendung als eine Vorrichtung oder ein Verfahren zum Trennen von CO₂ in einem Verbrennungsabgas, das von einem Wärmekraftwerk oder einer anderen derartigen Anlage emittiert wird, anwendbar und ebenso beim Trennen von CO₂ in eine Vielzahl anderer Mischgase anwendbar.
Bezugszeichenliste

1: Trennmembrankomplex
2: Gasabscheider
11: Träger
12: Trennmembran
26: Gaszufuhrteil
113: Durchdringungsoberfläche
S11 bis S15: Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2003159518 [0002]
JP 2015044162 [0002]
WO 2009/093666 [0002]
JP 2017154120 [0003]
JP 2018514385 [0004]

Claims

Gastrennverfahren zum Trennen von Kohlendioxid in einem Mischgas, umfassend: a) Herstellen eines Trennmembrankomplexes, bei dem eine Trennmembran mit Poren, die einen mittleren Porendurchmesser von weniger als oder gleich 1 nm haben, auf einem porösen Träger ausgebildet ist; und b) Zuführen eines Mischgases, das Kohlendioxid und ein weiteres Gas enthält, von einer Seite der Trennmembran zum Trennmembrankomplex und Erhalten eines durchdrungenen Gases durch Bewirken, dass das Kohlendioxid im Mischgas durch die Trennmembran und den Träger dringt, wobei der Vorgang b) in einem Zustand durchgeführt wird, in dem wenigstens ein Teil einer Durchdringungsoberfläche des Trägers, von dem das durchdrungene Gas ausgestoßen wird, eine um wenigstens 10 °C niedrigere Temperatur besitzt als eine Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex zugeführt wird.
Gastrennverfahren nach Anspruch 1, wobei eine Kohlendioxidkonzentration in dem durchdrungenen Gas, das im Vorgang b) erhalten wird, höher als eine Kohlendioxidkonzentration im Mischgas ist.
Gastrennverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Vorgang b) die gesamte Durchdringungsoberfläche des Trägers eine um wenigstens 10 °C niedrigere Temperatur besitzt als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex zugeführt wird.
Gastrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Vorgang b) wenigstens ein Teil der Durchdringungsoberfläche des Trägers eine um wenigstens 15 °C niedrigere Temperatur besitzt als die Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex zugeführt wird.
Gastrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im Vorgang b) das Mischgas einen Druck besitzt, der mehr als oder gleich 1 MPa beträgt, bevor es dem Trennmembrankomplex zugeführt wird.
Gastrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Trennmembran eine anorganische Membran ist.
Gastrennverfahren nach Anspruch 6, wobei die Trennmembran eine Zeolithmembran ist.
Gastrennverfahren nach Anspruch 7, wobei eine Höchstzahl an gliedrigen Ringen in einem Zeolith der Trennmembran weniger als oder gleich 8 beträgt.
Gastrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei im Vorgang b) das Mischgas einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als oder gleich 3000 ppm hat, bevor es dem Trennmembrankomplex zugeführt wird.
Gastrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei im Vorgang b) ein nicht durchdrungenes Gas, das im Mischgas enthalten ist und ohne Durchdringen durch die Trennmembran und den Träger ausgestoßen wird, eine Temperatur hat, die höher als eine Temperatur der Durchdringungsoberfläche des Trägers ist und niedriger als die Temperatur des Mischgases ist, bevor es dem Trennmembrankomplex zugeführt wird.
Gastrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das andere Gas eine oder mehrere Arten von Gasen enthält, die Wasserstoff, Helium, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Stickoxid, Ammoniak, Schwefeloxid, Schwefelwasserstoff, Schwefelfluorid, Quecksilber, Arsin, Cyanwasserstoff, Carbonylsulfid, C1- bis C8-Kohlenwasserstoffe, organische Säure, Alkohol, Mercaptane, Ester, Ether, Keton und Aldehyd enthalten.
Gasabscheider zum Trennen von Kohlendioxid in einem Mischgas, aufweisend: einen Trennmembrankomplex, bei dem eine Trennmembran mit Poren, die einen mittleren Porendurchmesser von weniger als oder gleich 1 nm haben, auf einem porösen Träger ausgebildet ist; und einen Gaszufuhrteil, der ein Mischgas, das Kohlendioxid und ein anderes Gas enthält, von einer Seite der Trennmembran dem Trennmembrankomplex zuführt, wobei bewirkt wird, dass das Kohlendioxid in dem Mischgas durch die Trennmembran und den Träger dringt und von dem Mischgas in einem Zustand getrennt wird, in dem wenigstens ein Teil einer Durchdringungsoberfläche des Trägers, von dem ein Gas ausgestoßen wird, nachdem es durch die Trennmembran durchgedrungen ist, eine um wenigstens 10 °C niedrigere Temperatur hat als eine Temperatur des Mischgases, bevor es dem Trennmembrankomplex zugeführt wird.