DE112021006764T5

DE112021006764T5 - Mischgastrennverfahren und Vorrichtung zur Trennung von Mischgasen

Info

Publication number: DE112021006764T5
Application number: DE112021006764.8T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Noda
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-01-07
Filing date: 2021-10-05
Publication date: 2023-10-19
Also published as: JP2024063121A; WO2022149318A1; JP7448688B2; US20230330594A1; JPWO2022149318A1; CN116528962A

Abstract

Ein Mischgastrennverfahren beinhaltet das Zuführen eines Mischgases, das mindestens N₂, H₂ und CO₂ enthält und eine CO₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger aufweist, zu einer ersten Trennmembran (310), die selektiv den Durchgang von H₂ ermöglicht, um das Mischgas in ein erstes permeiertes Gas und ein erstes nicht-permeiertes Gas zu trennen, Zuführen des ersten nicht-permeierten Gases zu einer zweiten Trennmembran (320), die selektiv den Durchgang von CO₂ ermöglicht, um das erste nicht-permeierte Gas in ein zweites permeiertes Gas und ein zweites nicht-permeiertes Gas zu trennen, und Zuführen des zweiten nicht-permeierten Gases zu einem CO₂-Sammler (33), der CO₂ durch ein anderes Trennverfahren als die Membrantrennung abtrennt und sammelt, um das im zweiten nicht-permeierten Gas enthaltene CO₂ zu sammeln. Das erste nicht-permeierte Gas weist eine CO₂-Konzentration auf, die 5 Volumenprozent oder mehr höher als oder gleich der CO₂-Konzentration im Mischgas ist. Das zweite nicht-permeierte Gas weist eine N₂-Konzentration von 50 Volumenprozent oder mehr und eine H₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger auf. Dies ermöglicht eine effiziente Trennung von CO₂ aus dem Mischgas mit einer niedrigen CO₂-Konzentration.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zur Trennung eines Mischgases.
HINWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung genießt die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. JP2021-001673 , die am 7. Januar 2021 beim japanischen Patentamt eingereicht wurde, deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Um den Wirkungsgrad der Kohleverstromung zu verbessern, wurden in den letzten Jahren Studien und Entwicklungen zur integrierten Kohlevergasungs-Kombikraftwerksanlage durchgeführt. Die integrierte Kohlevergasungs-Kombikraftwerksanlage erfordert die Abtrennung und Sammlung von Kohlendioxid (CO₂), das in einem durch Kohlevergasung erzeugten Gas enthalten ist. Da das Gas jedoch in großen Mengen anfällt, werden die Auffanganlagen größer und die Bau- und Betriebskosten steigen, wenn die chemische Absorption unter Verwendung eines Amin-Absorptionsmittels als Technik für die Sammlung von CO₂ eingesetzt wird. Daher wird der Einsatz einer Trennmembran, z.B. einer Zeolithmembran, zur kostengünstigen Abtrennung und Sammlung von CO₂ in Erwägung gezogen.
Die integrierte Kohlevergasungs-Kombikraftwerksanlage kann die Kohlevergasung mit Sauerstoff oder die Kohlevergasung mit Luft verwenden. Die Sauerstoffvergasung ermöglicht eine einfache Kohlevergasung, erfordert jedoch eine zusätzliche Anlage zur Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft. Bei der Luftvergasung hingegen entfällt die Notwendigkeit einer solchen Sauerstoffextraktionsanlage und so sind die Bau- und Betriebskosten für ein Kraftwerk niedriger als bei der Sauerstoffvergasung. Bei der integrierten Kohlevergasungs-Kombikraftwerksanlage mit Luftvergasung enthält das durch die Kohlevergasung erzeugte Gas eine relativ hohe Konzentration an Stickstoff (N₂) und so ist die CO₂-Konzentration gering. Bei der Verwendung einer Trennmembran zur Abtrennung von CO₂ aus dem Gas mit einer niedrigen CO₂-Konzentration muss die Trennmembran eine sehr hohe Selektivität aufweisen.
Als Beispiele für Techniken zur Abtrennung von CO₂ durch eine Trennmembran schlagen die japanischen Patentanmeldungen Offenlegung Nr. 2008-247632 (Dokument 1) und 2009-029674 (Dokument 2) Vorrichtungen zur Herstellung von Produktwasserstoff aus einem fossilen Brennstoff vor, der als Ausgangsmaterial für die Abtrennung und Sammlung von sekundärem CO₂ dient. Konkret erzeugen diese Vorrichtungen ein Mischgas, das H₂ und CO₂ enthält, durch Dampfreformierung des fossilen Brennstoffs, leiten das Mischgas zu einer Wasserstofftrennmembran, um H₂ abzutrennen und zu sammeln, und leiten ein durch die Wasserstofftrennmembran erhaltenes Abgas zu einer Kohlendioxidtrennmembran, um CO₂ abzutrennen und zu sammeln. Diese Vorrichtungen verbessern die Rückgewinnungsrate von H₂, indem sie ein durch die Wasserstofftrennmembran gewonnenes wasserstoffangereichertes Gas zirkulieren lassen und das wasserstoffangereicherte Gas mit dem vorgenannten Mischgas mischen.
Die japanische Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2014-001109 (Dokument 3) schlägt eine Vorrichtung zum Trennen und Sammeln von H₂ und CO₂ vor, indem ein durch Dampfreformierung erhaltenes und das H₂ und CO₂ enthaltende Mischgas abwechselnd durch eine Vielzahl von Wasserstofftrennmembranmodulen und eine Vielzahl von Kohlendioxidtrennmembranmodulen, die abwechselnd angeordnet sind, permeiert wird.
Ein durch Dampfreformierung eines fossilen Brennstoffs gewonnenes Mischgas ist übrigens hauptsächlich aus H₂ und CO₂ zusammengesetzt und daher enthält das Mischgas hohe Konzentrationen an H₂ und CO₂. Da die Dokumente 1, 2 und 3 auf der Annahme beruhen, dass H₂ und CO₂ aus einem solchen Mischgas mit hohen Konzentrationen von H₂ und CO₂ abgetrennt werden, ist es nicht möglich, eine effiziente Abtrennung von CO₂ aus einem Mischgas mit einer niedrigen Konzentration von CO₂ zu erreichen, wie dies bei der vorstehend erwähnten integrierten Kohlevergasungs-Kombikraftwerksanlage mit Luftvergasung der Fall ist.
Die in den Dokumenten 1 und 2 beschriebenen Vorrichtungen können Schwierigkeiten aufweisen, eine effiziente Abtrennung von H₂ zu erreichen, weil das Mischgas, wie vorstehend beschrieben, eine hohe Konzentration von CO₂ enthält und, wenn das Mischgas der Wasserstofftrennmembran zugeführt wird, die Permeabilität der Wasserstofftrennmembran durch CO₂ gehemmt werden kann. In diesem Fall weist das durch die Wasserstofftrennmembran erhaltene Abgas eine relativ hohe Konzentration an H₂ auf und auf der stromabwärts gelegenen Seite, z.B. in einer CO₂-Sammelanlage, wird eine Struktur wie eine explosionssichere Konstruktion erforderlich. Dies kann den Aufbau der Vorrichtung erschweren oder die Kosten der Vorrichtung erhöhen. Gemäß dem vorstehend zitierten Dokument 1 weist die Wasserstofftrennmembran eine H₂/CO₂-Selektivität von ca. 10 und die Kohlendioxidtrennmembran eine CO₂/H₂-Selektivität von ca. 30 auf, d.h. beide Membranen weisen keine so hohe Selektivität auf. Daher ist die Konzentration des abzutrennenden CO₂ nicht so hoch und wenn CO₂ durch Kohlendioxidabscheidung und -speicherung (CCS) oder ein anderes Verfahren verarbeitet wird, ist es notwendig, das gesammelte CO₂ zu konzentrieren.
Die in Dokument 3 beschriebene Vorrichtung weist eine Grenze für die Erhöhung der Rückgewinnungsrate auf, da nur die Trennmembran zur Trennung und Sammlung von H₂ und CO₂ verwendet wird. Selbst wenn man davon ausgeht, dass die Vorrichtung versucht, die Rückgewinnungsrate zu erhöhen, indem sie eine andere CO₂-Sammelanlage als die Trennmembran stromabwärts der Trennmembranmodule bereitstellt, ist nicht bekannt, ob diese Anlage zur Erhöhung der Rückgewinnungsrate beiträgt, da die Zusammensetzung des in die CO₂-Sammelanlage einzuleitenden Gases weder beschrieben noch vorgeschlagen wird. Außerdem erfordert die Vorrichtung die Installation einer Vielzahl von Wasserstofftrennmembranmodulen und einer Vielzahl von Kohlendioxidtrennmembranmodulen und dies kann den Aufbau der Vorrichtung verkomplizieren und die Kosten der Vorrichtung erhöhen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist für ein Mischgastrennverfahren bestimmt und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, CO₂ effizient von einem Gas mit einer niedrigen Konzentration von CO₂ abzutrennen.
Ein Mischgastrennverfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält a) das Zuführen eines Mischgases, das mindestens N₂, H₂ und CO₂ enthält und eine CO₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger aufweist, zu einer ersten Trennmembran, die selektiv den Durchgang von H₂ ermöglicht, um das Mischgas in ein erstes permeiertes Gas, das durch die erste Trennmembran permeiert ist, und ein erstes nicht-permeiertes Gas, das nicht durch die erste Trennmembran permeiert ist, zu trennen, b) Zuführen des ersten nicht-permeierten Gases zu einer zweiten Trennmembran, die selektiv den Durchgang von CO₂ ermöglicht, um das erste nicht-permeierte Gas in ein zweites permeiertes Gas, das durch die zweite Trennmembran permeiert ist, und ein zweites nicht-permeiertes Gas, das nicht durch die zweite Trennmembran permeiert ist, zu trennen, und c) Zuführen des zweiten nicht-permeierten Gases zu einem CO₂-Sammler, der CO₂ durch ein anderes Trennverfahren als die Membrantrennung trennt und sammelt, um das im zweiten nicht-permeierten Gas enthaltene CO₂ zu sammeln. Das erste nicht-permeierte Gas weist eine CO₂-Konzentration auf, die 5 Volumenprozent oder mehr höher als oder gleich der CO₂-Konzentration im Mischgas ist. Das zweite nicht-permeierte Gas weist eine N₂-Konzentration von 50 Volumenprozent oder mehr auf. Das zweite nicht-permeierte Gas weist eine H₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger auf.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, CO₂ effizient aus dem Gas mit einer geringen Konzentration von CO₂ abzutrennen.
Vorzugsweise kann nach dem Vorgang a) das erste permeierte Gas mit einem aus dem CO₂-Sammler austretenden Gas gemischt werden.
Vorzugsweise kann nach dem Vorgang a) das erste permeierte Gas dem CO₂-Sammler zugeführt werden.
Vorzugsweise kann die zweite Trennmembran eine CO₂-Rückgewinnungsrate von 70 % oder mehr aufweisen.
Vorzugsweise kann das Abtrennungsverfahren, das in dem CO₂-Sammler zur Abtrennung von CO₂ verwendet wird, die chemische Absorption sein.
Vorzugsweise kann das zweite nicht-permeierte Gas eine N₂-Konzentration von 60 Volumenprozent oder mehr aufweisen, und das zweite nicht-permeierte Gas kann eine CO₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger aufweisen.
Vorzugsweise kann das zweite permeierte Gas eine CO₂-Konzentration von 97 Volumenprozent oder mehr aufweisen.
Vorzugsweise kann das Mischgas, das der ersten Trennmembran im Vorgang a) zugeführt wird, einen Druck von 1,5 MPaG oder höher aufweisen.
Vorzugsweise kann die erste Trennmembran eine H₂/CO₂-Selektivität von 100 oder höher aufweisen und die zweite Trennmembran kann eine CO₂/H₂-Selektivität von 100 oder höher aufweisen.
Vorzugsweise kann mindestens eine der ersten Trennmembran oder der zweiten Trennmembran eine Zeolithmembran sein.
Die vorliegende Erfindung ist auch für eine Mischgastrennvorrichtung vorgesehen. Eine Mischgastrennvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält eine erste Trennmembran, die selektiv den Durchgang von H₂ ermöglicht, eine zweite Trennmembran, die selektiv den Durchgang von CO₂ ermöglicht, einen CO₂-Sammler, der CO₂ durch ein anderes Trennverfahren als die Membrantrennung abtrennt und sammelt, eine Mischgaszuführung, die der ersten Trennmembran ein Mischgas zuführt, das mindestens N₂, H₂ und CO₂ enthält und eine CO₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger aufweist, einen ersten Durchgang für nicht-permeiertes Gas, der ein erstes nicht-permeiertes Gas, das nicht durch die erste Trennmembran in dem Mischgas permeiert ist, zu der zweiten Trennmembran leitet, und einen zweiten Durchgang für nicht-permeiertes Gas, der ein zweites nicht-permeiertes Gas, das nicht durch die zweite Trennmembran in dem ersten nicht-permeierten Gas permeiert ist, zu dem CO₂-Sammler leitet, wobei das erste nicht-permeierte Gas von der zweiten Trennmembran zu dem ersten Durchgang für nicht-permeiertes Gas geleitet wird. Der CO₂-Sammler sammelt das CO₂, das in dem zweiten Durchgang für nicht-permeiertes Gas enthalten ist, das durch den zweiten nicht-permeierten Gasdurchgang zugeführt wird. Das erste nicht-permeierte Gas weist eine CO₂-Konzentration auf, die 5 Volumenprozent oder mehr höher als oder gleich der CO₂-Konzentration im Mischgas ist. Das zweite nicht-permeierte Gas weist eine N₂-Konzentration von 50 Volumenprozent oder mehr auf. Das zweite nicht-permeierte Gas weist eine H₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger auf.
Vorzugsweise kann die vorstehend beschriebene Mischgastrennvorrichtung weiterhin einen ersten Durchgang für permeiertes Gas enthalten, der ein erstes permeiertes Gas leitet, das durch die erste Trennmembran permeiert ist, um zu bewirken, dass das erste permeierte Gas mit einem aus dem CO₂-Sammler ausgestoßenen Gas gemischt wird.
Vorzugsweise kann die vorstehend beschriebene Mischgastrennvorrichtung weiterhin einen ersten Durchgang für permeiertes Gas enthalten, der ein erstes permeiertes Gas, das durch die erste Trennmembran permeiert ist, zum CO₂-Sammler leitet.
Vorzugsweise kann die zweite Trennmembran eine CO₂-Rückgewinnungsrate von 70 % oder mehr aufweisen.
Vorzugsweise kann das im CO₂-Sammler zur Abtrennung von CO₂ verwendete Trennverfahren die chemische Absorption sein.
Vorzugsweise kann das zweite nicht-permeierte Gas eine N₂-Konzentration von 60 Volumenprozent oder mehr aufweisen, und das zweite nicht-permeierte Gas kann eine CO₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger aufweisen.
Vorzugsweise kann das zweite permeierte Gas, das die zweite Trennmembran permeiert hat, eine CO₂-Konzentration von 97 Volumenprozent oder mehr aufweisen.
Vorzugsweise kann das der ersten Trennmembran zugeführte Mischgas einen Druck von 1,5 MPaG oder mehr aufweisen.
Vorzugsweise kann die erste Trennmembran eine H₂/CO₂-Selektivität von 100 oder höher aufweisen und die zweite Trennmembran kann eine CO₂/H₂-Selektivität von 100 oder höher aufweisen.
Vorzugsweise kann mindestens eine der ersten Trennmembran oder zweiten Trennmembran eine Zeolithmembran sein.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung im Einzelnen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Veranschaulichung einer Konfiguration einer Mischgastrennvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
2 ist ein Flussdiagramm der Trennung eines Mischgases;
3 ist eine Schnittdarstellung einer Konfiguration eines ersten Trennmembranmoduls;
4 ist eine Schnittdarstellung eines Trennmembrankomplexes;
5 ist eine Schnittdarstellung eines Teils des Trennmembrankomplexes in vergrößerten Abmessungen;
6 ist eine Schnittdarstellung einer Konfiguration eines zweiten Trennmembranmoduls;
7 ist eine Veranschaulichung einer Konfiguration einer anderen Mischgastrennvorrichtung; und
8 ist eine Veranschaulichung einer Konfiguration einer anderen Mischgastrennvorrichtung.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine Darstellung einer Konfiguration einer Mischgastrennvorrichtung 3 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 1 sind die einzelnen Bestandteilselemente der Mischgastrennvorrichtung 3 in schematischer Form dargestellt. Die Mischgastrennvorrichtung 3 ist eine Vorrichtung zur Abtrennung von H₂ und CO₂ aus einem Mischgas, das Stickstoff (N₂), Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxid (CO₂) enthält. Die CO₂-Konzentration im Mischgas ist kleiner als oder gleich 30 Volumenprozent und, wie vorstehend beschrieben, niedriger als die CO₂-Konzentration in einem durch Dampfreformierung eines fossilen Brennstoffs gewonnenen Gas. Bei dem Mischgas kann es sich beispielsweise um ein Gas handeln, das durch Kohlevergasung und Shift-Reaktion bei der integrierten luftgeblasenen Kohlevergasungs-Kombikraftwerksanlage (IGCC) unter Verwendung von Luft bei der Kohlevergasung entsteht. Alternativ kann es sich bei dem Mischgas auch um ein beliebiges anderes Gas als das vorstehend genannte handeln.
Die Mischgastrennvorrichtung 3 enthält ein erstes Trennmembranmodul 31, ein zweites Trennmembranmodul 32, einen CO₂-Sammler 33, eine Mischgaszuführung 34, einen ersten Durchgang 311 für permeiertes Gas, einen ersten Durchgang 312 für nicht-permeiertes Gas, einen zweiten Durchgang 321 für permeiertes Gas, einen zweiten Durchgang 322 für nicht-permeiertes Gas, einen Sammeldurchgang 331 und einen Abgasdurchgang 332.
Die Mischgaszuführung 34 ist mit dem ersten Trennmembranmodul 31 verbunden. Die Mischgaszuführung 34 kann beispielsweise einen Pumpmechanismus wie ein Gebläse oder eine Pumpe enthalten, die das Mischgas zum ersten Trennmembranmodul 31 pumpt. Der Pumpmechanismus kann zum Beispiel einen Temperaturregler und einen Druckregler enthalten, die die Temperatur bzw. den Druck des Mischgases, das dem ersten Trennmembranmodul 31 zugeführt werden soll, einstellen. Das erste Trennmembranmodul 31 und das zweite Trennmembranmodul 32 sind über den ersten Durchgang 312 für nicht-permeiertes Gas miteinander verbunden. Das zweite Trennmembranmodul 32 und der CO₂-Sammler 33 sind über den zweiten Durchgang 322 für nicht-permeiertes Gas miteinander verbunden.
Das erste Trennmembranmodul 31 enthält eine erste Trennmembran 310 (d.h. H₂-Trennmembran), die selektiv den Durchgang von H₂ ermöglicht. Das zweite Trennmembranmodul 32 enthält eine zweite Trennmembran 320 (d.h. CO₂-Trennmembran), die selektiv den Durchgang von CO₂ ermöglicht. Die speziellen Strukturen des ersten Trennmembranmoduls 31 und des zweiten Trennmembranmoduls 32 werden später beschrieben. Die erste Trennmembran 310 kann eine H₂/CO₂-Selektivität (d.h. ein Permeanzverhältnis, das durch Division der Permeanz bzw. Permeabilität für H₂ pro Flächeneinheit der Membran und pro Druckdifferenzeinheit durch die Permeanz für CO₂ pro Flächeneinheit der Membran und pro Druckdifferenzeinheit erhalten wird) von vorzugsweise 100 oder höher und bevorzugter 150 oder höher aufweisen. Die zweite Trennmembran 320 kann eine CO₂/H₂-Selektivität (d.h. ein Permeanzverhältnis, das durch Division der Permeanz für CO₂ pro Membranflächeneinheit und pro Druckdifferenzeinheit durch die Permeanz für H₂ pro Membranflächeneinheit und pro Druckdifferenzeinheit erhalten wird) von vorzugsweise 100 oder höher und bevorzugter 150 oder höher aufweisen. Es gibt keine besonderen Beschränkungen für die Obergrenze der H₂/CO₂-Selektivität der ersten Trennmembran 310, aber die Obergrenze kann 350 oder weniger betragen, wenn ein realistischer Bereich berücksichtigt wird. Es gibt auch keine besonderen Beschränkungen für die Obergrenze der CO₂/H₂-Selektivität der zweiten Trennmembran 320, aber die Obergrenze kann 350 oder höher sein, wenn ein realistischer Bereich berücksichtigt wird. Man beachte, dass die Permeanzen für H₂ und CO₂ der ersten Trennmembran 310 und die Permeanzen für H₂ und CO₂ der zweiten Trennmembran 320 Werte sind, die unter den Bedingungen gelten, unter denen jede Membran tatsächlich verwendet wird.
Der CO₂-Sammler 33 trennt und sammelt CO₂ durch ein anderes Trennverfahren als die Membrantrennung. Beispiele für das CO₂-Trennverfahren, das im CO₂-Sammler 33 verwendet wird, sind chemische Absorption, physikalische Absorption, Adsorption und/oder Feststoffabsorption. In der vorliegenden Ausführungsform verwendet der CO₂-Sammler 33 die chemische Absorption (z.B. chemische Absorption unter Verwendung einer Aminlösung) als CO₂-Trennverfahren.
2 ist ein Flussdiagramm der Trennung des vorgenannten Mischgases in der Mischgastrennvorrichtung 3. In der Mischgastrennvorrichtung 3 liefert zunächst die Mischgaszuführung 34 das vorstehend erwähnte Mischgas, das N₂, H₂ und CO₂ enthält, an die erste Trennmembran 310 im ersten Trennmembranmodul 31 (Schritt S11). Der Druck des dem ersten Trennmembranmodul 31 zugeführten Mischgases kann beispielsweise im Bereich von 1 MPaG bis 10 MPaG und vorzugsweise 1,5 MPaG oder höher liegen. Die Temperatur des Mischgases kann z.B. im Bereich von 10°C bis 250°C liegen. Die N₂-Konzentration im Mischgas kann z.B. im Bereich von 10 Volumenprozent bis 50 Volumenprozent liegen. Die H₂-Konzentration im Mischgas kann z.B. im Bereich von 10 bis 70 Volumenprozent liegen. Die CO₂-Konzentration im Mischgas kann z.B. zwischen 10 und 30 Volumenprozent liegen. Man beachte, dass das Mischgas jedes andere Gas enthalten kann, solange mindestens N₂, H₂ und CO₂ enthalten sind.
Im ersten Trennmembranmodul 31 wird das im Mischgas enthaltene H₂ als Ergebnis der Permeation durch die erste Trennmembran 310 vom Mischgas getrennt. Das Gas, das die erste Trennmembran 310 permeiert hat (das Gas, das hauptsächlich aus H₂ aufgebaut ist und im Folgenden auch als das „erste permeierte Gas“ bezeichnet werden kann), kann ein anderes Gas als H₂ enthalten (z.B. N₂ und/oder CO₂). Die erste Trennmembran 310 trennt das Mischgas in das erste permeierte Gas und das verbleibende Gas, von dem das erste permeierte Gas abgetrennt wurde (d.h. das Gas, das nicht durch die erste Trennmembran 310 in das Mischgas permeiert ist und im Folgenden auch als das „erste nicht-permeierte Gas“ bezeichnet werden kann) (Schritt S12). Das erste nicht-permeierte Gas kann H₂ enthalten, das nicht durch die erste Trennmembran 310 permeiert ist.
Das erste permeierte Gas wird aus dem ersten Trennmembranmodul 31 durch den ersten Durchgang 311 für permeiertes Gas nach außen abgeleitet. In dem in 1 dargestellten Beispiel mündet der erste Durchgang 311 für permeiertes Gas in den Abgasdurchgang 332, der mit dem CO₂-Sammler 33 verbunden ist, so dass das erste permeierte Gas mit dem Gas (hauptsächlich N₂ und H₂) gemischt wird, das aus dem CO₂-Sammler 33 durch den Abgasdurchgang 332 abgeleitet wird, und dann zu einer externen Vorrichtung (z.B. einer Gasturbine zur Stromerzeugung) außerhalb der Mischgastrennvorrichtung 3 geleitet wird.
Die H₂-Konzentration im ersten permeierten Gas kann höher als die H₂-Konzentration im Mischgas sein. Die H₂-Konzentration im ersten permeierten Gas kann beispielsweise im Bereich von 80 Volumenprozent bis 100 Volumenprozent und vorzugsweise 90 Volumenprozent oder mehr liegen. Die N₂-Konzentration im ersten permeierten Gas kann z.B. im Bereich von 0 bis 5 Volumenprozent liegen. Die CO₂-Konzentration im ersten permeierten Gas kann z.B. im Bereich von 0 bis 15 Volumenprozent liegen. Der Druck des ersten permeierten Gases kann z.B. im Bereich von 0 MPaG bis 1 MPaG liegen.
Das erste nicht-permeierte Gas wird von dem ersten Trennmembranmodul 31 durch den ersten Durchgang 312 für nicht-permeiertes Gas zu der zweiten Trennmembran 320 in dem zweiten Trennmembranmodul 32 geleitet (Schritt S13). Der Druck des ersten nicht-permeierten Gases, das dem zweiten Trennmembranmodul 32 zugeführt wird, kann beispielsweise annähernd der gleiche sein wie der Druck des Mischgases, das dem ersten Trennmembranmodul 31 zugeführt wird. Da die erste Trennmembran 310, wie vorstehend beschrieben, selektiv H₂ im Mischgas durchlässt, ist die H₂-Konzentration im ersten nicht-permeierten Gas niedriger als die H₂-Konzentration im Mischgas. Die H₂-Konzentration im ersten nicht-permeierten Gas kann z.B. im Bereich von 1 Volumenprozent bis 25 Volumenprozent liegen. Die CO₂-Konzentration im ersten nicht-permeierten Gas ist 5 Volumenprozent oder mehr höher als die CO₂-Konzentration im Mischgas. Die CO₂-Konzentration im ersten nicht-permeierten Gas kann z.B. im Bereich von 30 bis 50 Volumenprozent liegen. Die N₂-Konzentration im ersten nicht-permeierten Gas kann z.B. höher sein als die N₂-Konzentration im Mischgas. Die N₂-Konzentration im ersten nicht-permeierten Gas kann z.B. im Bereich von 20 bis 70 Volumenprozent liegen.
Im zweiten Trennmembranmodul 32 wird CO₂ im ersten nicht-permeierten Gas vom ersten nicht-permeierten Gas durch Permeation durch die zweite Trennmembran 320 getrennt. Das Gas, das die zweite Trennmembran 320 permeiert hat (das Gas, das hauptsächlich aus CO₂ aufgebaut ist und im Folgenden auch als das „zweite permeierte Gas“ bezeichnet wird), kann ein anderes Gas als CO₂ enthalten (z.B. N₂ und/oder H₂). Die zweite Trennmembran 320 trennt das erste nicht-permeierte Gas in das zweite permeierte Gas und das verbleibende Gas, von dem das zweite permeierte Gas getrennt wurde (d.h. das Gas, das nicht durch die zweite Trennmembran 320 in das erste nicht-permeierte Gas permeiert ist und im Folgenden auch als „zweites nicht-permeiertes Gas“ bezeichnet werden kann) (Schritt S14). Das zweite nicht-permeierte Gas enthält CO₂, das nicht durch die zweite Trennmembran 320 permeiert ist.
Das zweite permeierte Gas wird vom zweiten Trennmembranmodul 32 durch den zweiten Durchgang 321 für permeiertes Gas nach außen abgeleitet. In dem in 1 dargestellten Beispiel mündet der zweite Durchgang 321 für permeiertes Gas in den Sammeldurchgang 331, der mit dem CO₂-Sammler 33 verbunden ist, so dass das zweite permeierte Gas mit dem aus dem CO₂-Sammler 33 durch den Sammeldurchgang 331 abgeleiteten Gas (hauptsächlich CO₂) gemischt und dann zu einer externen Vorrichtung (z.B. einer Speicheranlage für die Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid (CCS)) außerhalb der Mischgastrennvorrichtung 3 geleitet wird.
Die CO₂-Konzentration in dem zweiten permeierten Gas ist höher als die CO₂-Konzentration in dem ersten nicht-permeierten Gas. Die CO₂-Konzentration im zweiten permeierten Gas kann z.B. im Bereich von 90 bis 100 Volumenprozent und vorzugsweise 97 Volumenprozent liegen. Die N₂-Konzentration im zweiten permeierten Gas kann z.B. im Bereich von 0 bis 2 Volumenprozent liegen. Die H₂-Konzentration im zweiten permeierten Gas kann beispielsweise im Bereich von 0 bis 10 Volumenprozent liegen. Der Druck des zweiten permeierten Gases kann z.B. im Bereich von 0 MPaG bis 1 MPaG liegen.
Das zweite nicht-permeierte Gas wird vom zweiten Trennmembranmodul 32 durch den zweiten Durchgang 322 für nicht-permeiertes Gas dem CO₂-Sammler 33 zugeführt (Schritt S15). Der Druck des zweiten nicht-permeierten Gases, das dem CO₂-Sammler 33 zugeführt wird, kann beispielsweise ungefähr der gleiche sein wie der Druck des Mischgases, das dem ersten Trennmembranmodul 31 zugeführt wird, und der Druck des ersten nicht-permeierten Gases, das dem zweiten Trennmembranmodul 32 zugeführt wird. Da die zweite Trennmembran 320, wie vorstehend beschrieben, selektiv CO₂ im ersten nicht-permeierten Gas durchlässt, ist die CO₂-Konzentration im zweiten nicht-permeierten Gas niedriger als die CO₂-Konzentration im ersten nicht-permeierten Gas. Die CO₂-Konzentration im zweiten nicht-permeierten Gas kann beispielsweise im Bereich von 5 Volumenprozent bis 40 Volumenprozent und vorzugsweise 30 Volumenprozent oder weniger liegen. Die N₂-Konzentration und die H₂-Konzentration im zweiten nicht-permeierten Gas können beispielsweise höher sein als die N₂-Konzentration bzw. die H₂-Konzentration im ersten nicht-permeierten Gas. Die N₂-Konzentration im zweiten nicht-permeierten Gas kann beispielsweise im Bereich von 50 bis 90 Volumenprozent und vorzugsweise 60 oder mehr Volumenprozent liegen. Die H₂-Konzentration im zweiten nicht-permeierten Gas kann beispielsweise im Bereich von 2 bis 30 Volumenprozent liegen.
Die zweite Trennmembran 320 kann eine CO₂-Rückgewinnungsrate von beispielsweise 65 % bis 95 % und vorzugsweise 70 % oder mehr aufweisen. Die CO₂-Rückgewinnungsrate der zweiten Trennmembran 320 erhält man, indem man die Masse an CO₂, die durch die zweite Trennmembran 320 im zweiten Trennmembranmodul 32 permeiert ist (d.h. die Masse an CO₂ im zweiten permeierten Gas), durch die Masse an CO₂ im von der Mischgaszuführung 34 zugeführten Mischgas (d.h. (die Masse an CO₂ im zweiten permeierten Gas)/(die Masse an CO₂ im Mischgas)) dividiert.
Im CO₂-Sammler 33 wird das CO₂ im zweiten nicht-permeierten Gas durch chemische Absorption absorbiert und vom zweiten nicht-permeierten Gas getrennt und gesammelt (Schritt S16). Das vom CO₂-Sammler 33 gesammelte Gas (das Gas, das hauptsächlich aus CO₂ aufgebaut ist und im Folgenden auch als „gesammeltes Gas“ bezeichnet werden kann) wird vom CO₂-Sammler 33 durch den Sammeldurchgang 331 nach außen abgeleitet. In dem in 1 dargestellten Beispiel wird das gesammelte Gas, da der Sammeldurchgang 331 wie vorstehend beschrieben mit dem zweiten Durchgang 321 für permeiertes Gas zusammenläuft, zusammen mit dem zweiten permeierten Gas zu einer externen Vorrichtung (z.B. einer Speicheranlage für CCS) außerhalb der Mischgastrennvorrichtung 3 geleitet.
Das verbleibende Gas, von dem CO₂ durch den CO₂-Sammler 33 abgetrennt wurde (d.h. das Gas, das hauptsächlich aus N₂ und H₂ aufgebaut ist und im Folgenden auch als „Abgas“ bezeichnet werden kann), wird vom CO₂-Sammler 33 durch den Abgasdurchgang 332 nach außen abgeleitet. In dem in 1 dargestellten Beispiel wird das Abgas, aus dem CO₂ durch den CO₂-Sammler 33 gesammelt wurde, zusammen mit dem ersten permeierten Gas zu einer externen Vorrichtung (z.B. einer Gasturbine zur Stromerzeugung) außerhalb der Mischgastrennvorrichtung 3 geleitet, da der Abgasdurchgang 332 wie vorstehend beschrieben mit dem ersten Durchgang 311 für permeiertes Gas zusammenläuft.
Als Nächstes wird ein Beispiel für den speziellen Aufbau des ersten Trennmembranmoduls 31 unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 beschrieben. 3 ist eine Schnittdarstellung einer Konfiguration des ersten Trennmembranmoduls 31. 4 ist eine Schnittdarstellung eines Trennmembrankomplexes 1 im ersten Trennmembranmodul 31. 5 ist eine Schnittdarstellung eines Teils des Trennmembrankomplexes 1 in vergrößerten Abmessungen.
Das in 3 dargestellte erste Trennmembranmodul 31 enthält den Trennmembrankomplex 1, eine Dichtungsvorrichtung 21, einen Außenzylinder 22 und zwei Dichtungsbauteile 23. Der Trennmembrankomplex 1 enthält die vorstehend beschriebene erste Trennmembran 310 und trennt H₂ vom Mischgas, indem er selektiv den Durchgang von H₂ ermöglicht. Der Trennmembrankomplex 1, die Dichtungsvorrichtung 21 und die Dichtungsbauteile 23 sind im Außenzylinder 22 angeordnet.
Für die Form des Außenzylinders 22 gibt es keine besonderen Beschränkungen und der Außenzylinder 22 kann beispielsweise ein annähernd zylindrisches, rohrförmiges Bauteil sein. Der Außenzylinder 22 kann z.B. aus rostfreiem Stahl oder Kohlenstoffstahl bestehen. Der Innenraum des Außenzylinders 22 ist ein geschlossener Raum, der von dem den Außenzylinder 22 umgebenden Raum isoliert ist. Ein Ende in Längsrichtung des Außenzylinders 22 (d.h. das Ende auf der linken Seite in 3) ist mit einer Zufuhröffnung 221 versehen, und das andere Ende ist mit einer ersten Auslassöffnung 222 versehen. Die Seitenfläche des Außenzylinders 22 ist mit einer zweiten Auslassöffnung 223 versehen. Die Zufuhröffnung 221 ist mit der vorstehend beschriebenen Mischgaszuführung 34 verbunden. Die erste Auslassöffnung 222 ist mit dem vorstehend beschriebenen ersten Durchgang 312 für nicht-permeiertes Gas verbunden. Die zweite Auslassöffnung 223 ist mit dem vorstehend beschriebenen ersten Durchgang 311 für permeiertes Gas verbunden.
Wie in den 4 und 5 dargestellt, enthält der Trennmembrankomplex 1 einen Träger 11 und die erste Trennmembran 310. In 4 ist die erste Trennmembran 310 mit fetten Linien dargestellt. In der Darstellung in 5 ist die erste Trennmembran 310 schraffiert und die Dicke der ersten Trennmembran 310 ist größer als die tatsächliche Dicke.
Der Träger 11 ist ein poröses Bauteil, das für Gas und Flüssigkeit durchlässig ist. In dem in 4 dargestellten Beispiel ist der Träger 11 ein einstückig geformtes und annähernd säulenartiges Bauteil. Der Träger 11 weist eine Vielzahl von Durchgangslöchern 111 auf, die sich jeweils in Längsrichtung erstrecken. Das heißt, der Träger 11 ist ein sogenanntes monolithisches Bauteil. Die Längsrichtung des Trägers 11 ist ungefähr parallel zur Längsrichtung des Außenzylinders 22. Der Träger 11 kann z.B. eine annähernd säulenartige Außenform aufweisen. Jedes Durchgangsloch 111 (d.h. jede Zelle) kann beispielsweise einen annähernd kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung aufweisen. In der Darstellung in 4 weisen die Durchgangslöcher 111 einen größeren Durchmesser als ihren tatsächlichen Durchmesser auf und die Anzahl der Durchgangslöcher 111 ist kleiner als die tatsächliche Anzahl.
Die Länge (d.h. die Länge in der Rechts-Links-Richtung in 4) des Trägers 11 kann z.B. im Bereich von 10 cm bis 200 cm liegen. Der Außendurchmesser des Trägers 11 kann z.B. zwischen 0,5 cm und 30 cm liegen. Der Abstand zwischen den Mittelachsen jedes Paares benachbarter Durchgangslöcher 111 kann z.B. im Bereich von 0,3 mm bis 10 mm liegen. Die Oberflächenrauheit (Ra) des Trägers 11 kann z.B. im Bereich von 0,1 µm bis 5,0 µm und vorzugsweise von 0,2 µm bis 2,0 µm liegen. Es ist zu beachten, dass der Träger 11 jede andere Form aufweisen kann, wie eine Wabenform, eine flache plattenartige Form, eine rohrartige Form, eine zylinderartige Form, eine säulenartige Form oder eine polygonale säulenartige Form. Wenn der Träger 11 eine rohr- oder zylinderartige Form aufweist, kann die Dicke des Trägers 11 beispielsweise im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm liegen.
Das Material für den Träger 11 kann aus verschiedenen Substanzen bestehen (z.B. Keramik oder Metall), solange die Substanz bei der Bildung der ersten Trennmembran 310 auf der Oberfläche chemisch stabil ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Träger 11 aus einem keramischen Sinterkörper gebildet. Beispiele für den keramischen Sinterkörper, der als Material für den Träger 11 ausgewählt wird, sind Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Mullit, Zirkoniumdioxid, Titandioxid, Yttriumdioxid, Siliziumnitrid und Siliziumkarbid. In der vorliegenden Ausführungsform enthält der Träger 11 mindestens einen Typ, der aus Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und Mullit ausgewählt ist.
Der Träger 11 kann ein anorganisches Bindematerial enthalten. Bei dem anorganischen Bindematerial kann es sich um mindestens eines handeln, das aus Titandioxid, Mullit, leicht sinterbarem Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Glasfritte, Tonmineralien und leicht sinterbarem Cordierit ausgewählt ist.
Der Träger 11 kann einen mittleren Porendurchmesser von beispielsweise 0,01 µm bis 70 µm und vorzugsweise 0,05 µm bis 25 µm aufweisen. Der mittlere Porendurchmesser des Trägers 11 in der Nähe der Oberfläche, an der die erste Trennmembran 310 gebildet wird, kann z.B. im Bereich von 0,01 µm bis 1 µm und vorzugsweise 0,05 µm bis 0,5 µm liegen. Der mittlere Porendurchmesser kann z.B. mit einem Quecksilberporosimeter, einem Perm-Porosimeter oder einem Nano-Perm-Porosimeter gemessen werden. In Bezug auf die Porengrößenverteilung des gesamten Trägers 11, einschließlich der Oberfläche und des Inneren, kann D5 beispielsweise im Bereich von 0,01 µm bis 50 µm, D50 beispielsweise im Bereich von 0,05 µm bis 70 µm und D95 beispielsweise im Bereich von 0,1 µm bis 2000 µm liegen. Die Porosität des Trägers 11 in der Nähe der Oberfläche, an der die erste Trennmembran 310 gebildet wird, kann z.B. im Bereich von 20 % bis 60 % liegen.
Der Träger 11 kann beispielsweise eine Mehrschichtstruktur aufweisen, die durch Laminieren einer Vielzahl von Schichten mit unterschiedlichen mittleren Porendurchmessern in der Dickenrichtung erhalten wird. Der mittlere Porendurchmesser und der Durchmesser der gesinterten Teilchen einer Oberflächenschicht, die die Oberfläche enthält, auf der die erste Trennmembran 310 gebildet wird, sind kleiner als die mittleren Porendurchmesser und die Durchmesser der gesinterten Teilchen der anderen Schichten, die sich von der Oberflächenschicht unterscheiden. Der mittlere Porendurchmesser der Oberflächenschicht des Trägers 11 kann z.B. im Bereich von 0,01 µm bis 1 µm und vorzugsweise von 0,05 µm bis 0,5 µm liegen. Weist der Träger 11 eine Mehrschichtstruktur auf, so kann das Material für jede Schicht eine der vorstehend beschriebenen Substanzen sein. Die mehreren Schichten, die die Mehrschichtstruktur bilden, können aus demselben Material oder aus verschiedenen Materialien bestehen.
Die erste Trennmembran 310 ist eine annähernd zylinderartige Membran, die auf annähernd den gesamten Innenoberflächen der Durchgangslöcher 111 des Trägers 11 vorgesehen ist. Die erste Trennmembran 310 ist eine dichte, poröse Membran mit Mikroporen. Bei der ersten Trennmembran 310 kann es sich beispielsweise um eine anorganische Membran und vorzugsweise um eine Zeolithmembran handeln. Die hier verwendete Zeolithmembran bezieht sich zumindest auf eine Membran, die durch Bildung eines Zeoliths in membranartiger Form auf der Oberfläche des Trägers 11 erhalten wird, und enthält keine Membran, die durch einfaches Dispergieren von Zeolithteilchen in einer organischen Membran erhalten wird. Es ist zu beachten, dass die Zeolithmembran zwei oder mehr Arten von Zeolithen mit unterschiedlichen Strukturen oder unterschiedlichen Zusammensetzungen enthalten kann. Wenn die erste Trennmembran 310 eine Zeolithmembran ist, trennt die erste Trennmembran 310 H₂ aus dem Mischgas ab, indem sie eine Molekularsiebfunktion verwendet.
Wie in 3 dargestellt, ist die Dichtungsvorrichtung 21 ein Bauteil, das an beiden Endabschnitten in Längsrichtung (d.h. in der Rechts-Links-Richtung in 3) des Trägers 11 angebracht ist und das beide Endflächen in Längsrichtung des Trägers 11 und die Außenoberflächen in der Nähe der beiden Endflächen beschichtet und abdichtet. Die Dichtungsvorrichtung 21 verhindert das Ein- und Ausströmen von Gas und Flüssigkeit an den beiden Endflächen des Trägers 11. Die Dichtungsvorrichtung 21 kann zum Beispiel ein plattenartiges oder membranartiges Bauteil aus Glas oder Harz sein. Das Material und die Form der Dichtungsvorrichtung 21 können annähernd verändert werden. Die Dichtungsvorrichtung 21 weist eine Vielzahl von Öffnungen auf, die die Vielzahl von Durchgangslöchern 111 des Trägers 11 überlappen, so dass die beiden Enden in Längsrichtung jedes Durchgangslochs 111 des Trägers 11 nicht von der Dichtungsvorrichtung 21 bedeckt sind. Dementsprechend ist das Einströmen und Ausströmen von Gas und Flüssigkeit aus diesen Enden in die Durchgangslöcher 111 möglich.
Die zwei Dichtungsbauteile 23 sind entlang des gesamten Umfangs zwischen der Außenoberfläche des Trennmembrankomplexes 1 und der Innenoberfläche des Außenzylinders 22 in der Nähe der beiden Endabschnitte in Längsrichtung des Trennmembrankomplexes 1 angeordnet. Jedes Dichtungsbauteil 23 ist ein annähernd ringförmiges Element aus einem für Gas und Flüssigkeit undurchlässigen Material. Bei den Dichtungsbauteilen 23 kann es sich beispielsweise um O-Ringe handeln, die aus einem flexiblen Harz bestehen. Die Dichtungsbauteile 23 stehen in engem Kontakt mit der Außenoberfläche des Trennmembrankomplexes 1 und der Innenoberfläche des Außenzylinders 22 entlang des gesamten Umfangs. In dem in 3 dargestellten Beispiel stehen die Dichtungsbauteile 23 in dichtem Kontakt mit den Außenoberflächen der Dichtungsvorrichtungen 21 und sind indirekt über die Dichtungsvorrichtung 21 in dichtem Kontakt mit der Außenoberfläche des Trennmembrankomplexes 1. Der Raum zwischen den Dichtungsbauteilen 23 und der Außenoberfläche des Trennmembrankomplexes 1 sowie der Raum zwischen den Dichtungsbauteilen 23 und der Innenoberfläche des Außenzylinders 22 sind so abgedichtet, dass der Durchgang von Gas und Flüssigkeit nahezu oder vollständig verhindert wird.
Im ersten Trennmembranmodul 31 wird das aus der Mischgaszuführung 34 austretende Mischgas in das Innere des Außenzylinders 22 geleitet, wie durch einen Pfeil 251 angedeutet. Das Mischgas wird in jedes Durchgangsloch 111 des Trägers 11 vom linken Ende in 3 des Trennmembrankomplexes 1 eingeleitet. Das vorgenannte erste permeierte Gas, das hauptsächlich aus H₂ aufgebaut ist, dringt durch die erste Trennmembran 310, die an der Innenoberfläche jedes Durchgangslochs 111 und des Trägers 11 vorgesehen ist, und wird von der Außenoberfläche des Trägers 11 abgeleitet. Wie durch den Pfeil 253 angedeutet, wird das erste permeierte Gas über die zweite Auslassöffnung 223 zum ersten Durchgang 311 für permeiertes Gas geleitet. Das erste nicht-permeierte Gas strömt durch jedes Durchgangsloch 111 des Trägers 11 von der linken Seite zur rechten Seite in 3 und wird, wie durch einen Pfeil 252 angedeutet, über die erste Auslassöffnung 222 zum ersten Durchgang 312 für nicht-permeiertes Gas geleitet und dem zweiten Trennmembranmodul 32 zugeführt.
6 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel für die spezielle Struktur des zweiten Trennmembranmoduls 32 zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Struktur des zweiten Trennmembranmoduls 32 ungefähr die gleiche wie die Struktur des ersten Trennmembranmoduls 31, außer dass der Trennmembrankomplex 1 die zweite Trennmembran 320 anstelle der ersten Trennmembran 310 enthält. In 6 sind unter den Bestandteilselementen des zweiten Trennmembranmoduls 32 diejenigen, die den Bestandteilselementen des ersten Trennmembranmoduls 31 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie die erste Trennmembran 310 ist auch die zweite Trennmembran 320 eine annähernd zylinderartige Membran, die annähernd auf den gesamten Innenoberflächen der Durchgangslöcher 111 des Trägers 11 vorgesehen ist. Die zweite Trennmembran 320 ist eine dichte, poröse Membran mit Mikroporen. Bei der zweiten Trennmembran 320 kann es sich beispielsweise um eine anorganische Membran und vorzugsweise eine Zeolithmembran handeln. Handelt es sich bei der zweiten Trennmembran 320 um eine Zeolithmembran, so trennt die zweite Trennmembran 320 CO₂ von dem ersten nicht-permeierten Gas ab, indem sie eine Affinität für CO₂ nutzt.
Im zweiten Trennmembranmodul 32 wird, wie durch einen Pfeil 251 angedeutet, das aus dem ersten Trennmembranmodul 31 austretende erste nicht-permeierte Gas durch den ersten Durchgang 312 für nicht-permeiertes Gas und über die Zufuhröffnung 221 in das Innere des Außenzylinders 22 geleitet. Das erste nicht-permeierte Gas wird in 6 vom linken Ende des Trennmembrankomplexes 1 aus in jedes Durchgangsloch 111 des Trägers 11 eingeleitet. Das vorstehend erwähnte zweite permeierte Gas, das hauptsächlich aus CO₂ aufgebaut ist, dringt durch die zweite Trennmembran 320, die an der Innenoberfläche jedes Durchgangslochs 111 und am Träger 11 vorgesehen ist, und wird von der Außenoberfläche des Trägers 11 abgeleitet. Wie durch einen Pfeil 253 angedeutet, wird das zweite permeierte Gas über die zweite Auslassöffnung 223 zum zweiten Durchgang 321 für permeiertes Gas geleitet. Das zweite nicht-permeierte Gas strömt ebenfalls durch jedes Durchgangsloch 111 des Trägers 11 von der linken Seite zur rechten Seite in 6 und wird, wie durch den Pfeil 252 angedeutet, über die erste Auslassöffnung 222 zum zweiten Durchgang 322 für nicht-permeiertes Gas geleitet und dem CO₂-Sammler 33 zugeführt.
Im Folgenden wird ein spezielles Beispiel für eine Zeolithmembran beschrieben, die als erste Trennmembran 310 und als zweite Trennmembran 320 verwendet werden kann. Die Zeolithmembran kann beispielsweise eine Dicke von 0,05 µm bis 30 µm, vorzugsweise von 0,1 µm bis 20 µm und bevorzugter von 0,5 µm bis 10 µm aufweisen. Eine Vergrößerung der Dicke der Zeolithmembran verbessert die Trennleistung. Eine Verringerung der Dicke der Zeolithmembran erhöht die Permeanz. Die Oberflächenrauheit (Ra) der Zeolithmembran kann beispielsweise weniger als oder gleich 5 µm, vorzugsweise weniger als oder gleich 2 µm, bevorzugter weniger als oder gleich 1 µm und noch bevorzugter weniger als oder gleich 0,5 µm betragen.
Die Porendurchmesser der in der Zeolithmembran enthaltenen Zeolithkristalle (im Folgenden auch einfach als „Porendurchmesser der Zeolithmembran“ bezeichnet) sind größer als oder gleich 0,2 nm und kleiner als oder gleich 0,8 nm, vorzugsweise größer als oder gleich 0,3 nm und kleiner als oder gleich 0,7 nm und bevorzugter größer als oder gleich 0,3 nm und kleiner als oder gleich 0,5 nm. Die Porendurchmesser der Zeolithmembran beziehen sich auf die Durchmesser (d.h. die Nebenachsen) der Poren in einer Richtung, die ungefähr senkrecht zum maximalen Durchmesser (d.h. der Hauptachse, die den maximalen Wert für den Abstand zwischen den Sauerstoffatomen darstellt) der Poren in den Zeolithkristallen, die die Zeolithmembran bilden, verläuft. Die Porendurchmesser der Zeolithmembran sind kleiner als der mittlere Porendurchmesser auf der Oberfläche des Trägers 11, auf dem die Zeolithmembran angebracht ist.
Ist die Zeolithmembran aus einem Zeolith mit maximal n-gliedrigen Ringen aufgebaut, so wird die Nebenachse einer n-gliedrigen Ringpore als Porendurchmesser der Zeolithmembran angenommen. Weist der Zeolith eine Vielzahl von Arten von n-gliedrigen Ringporen auf, wobei n die gleiche Zahl ist, so wird die Nebenachse einer n-gliedrigen Ringpore, die die größte Nebenachse aufweist, als Porendurchmesser der Zeolithmembran angenommen. Man beachte, dass sich der n-gliedrige Ring auf einen Abschnitt bezieht, in dem n Sauerstoffatome das Gerüst einer Pore bilden und jedes Sauerstoffatom an ein später beschriebenes T-Atom gebunden ist, um eine cyclische Struktur zu bilden. Der n-gliedrige Ring bezieht sich auch auf einen Abschnitt, der ein Durchgangsloch (Kanal) bildet, und bezieht sich nicht auf einen Abschnitt, der kein Durchgangsloch bildet. Die n-gliedrige Ringpore bezieht sich auf eine kleine Pore, die aus einem n-gliedrigen Ring aufgebaut ist. Unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Selektivität kann die vorgenannte Zeolithmembran vorzugsweise einen Zeolith mit maximal 8 oder weniger Ringgliedern (z.B. einen Zeolith mit 6 oder 8 Ringgliedern) enthalten.
Der Porendurchmesser der Zeolithmembran wird eindeutig durch die Gerüststruktur des Zeoliths bestimmt und kann einem Wert entnommen werden, der in der „Database of Zeolite Structures“ der International Zeolite Association, [online], im Internet <URL:http://www.iza-structure.org/databases/> offenbart ist.
Es gibt keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich des Typs des Zeoliths der Zeolithmembran und Beispiele für den Zeolith beinhalten AEI-, AEN-, AFN-, AFV-, AFX-, BEA-, CHA-, DDR-, ERI-, ETL-, FAU- (X-Typ, Y-Typ), GIS-, IHW-, LEV-, LTA-, LTJ-, MEL-, MFI-, MOR-, PAU-, RHO-, SOD- und SAT-Zeolithe. Handelt es sich bei dem Zeolithen um einen Zeolithen mit 8 Ringen, so beinhalten Beispiele der Zeolithe Typen von AEI-, AFN-, AFV-, AFX-, CHA-, DDR-, ERI-, ETL-, GIS-, IHW-, LEV-, LTA-, LTJ-, RHO- und SAT-Zeolithen.
Der Zeolith der Zeolithmembran kann beispielsweise mindestens einen Typ enthalten, der aus Silizium (Si), Aluminium (Al) und Phosphor (P) als T-Atome (d.h. Atome, die sich im Zentrum eines Sauerstofftetraeders (TO₄) befinden, aus dem der Zeolith aufgebaut ist) ausgewählt ist. Der Zeolith der Zeolithmembran kann beispielsweise ein Zeolith sein, der nur Si oder sowohl Si als auch Al als T-Atome enthält, ein Zeolith vom Typ AIPO, der Al und P als T-Atome enthält, ein Zeolith vom Typ SAPO, der Si, AI und P als T-Atome enthält, ein Zeolith vom Typ MAPSO, der Magnesium (Mg), Si, Al und P als T-Atome enthält, oder ein Zeolith vom Typ ZnAPSO, der Zink (Zn), Si, AI und P als T-Atome enthält. Einige der T-Atome können durch andere Elemente ersetzt werden.
Die Zeolithmembran kann zum Beispiel Si enthalten. Die Zeolithmembran kann beispielsweise zwei oder mehr Si, AI und P enthalten. Die Zeolithmembran kann Alkalimetall enthalten. Das Alkalimetall kann z.B. Natrium (Na) oder Kalium (K) sein. Wenn die Zeolithmembran Si- und Al-Atome enthält, kann das Si/Al-Verhältnis in der Zeolithmembran z.B. größer als oder gleich eins und kleiner als oder gleich hunderttausend sein. Das Si/AI-Verhältnis bezieht sich auf das Molverhältnis der in der Zeolithmembran enthaltenen Si- und Al-Elemente. Das Si/Al-Verhältnis in der Zeolithmembran kann z.B. durch Einstellen des Mischungsverhältnisses einer Si- und einer Al-Quelle in einer Ausgangsmateriallösung eingestellt werden, die später beschrieben wird.
In der Mischgastrennvorrichtung 3 können die erste Trennmembran 310 und die zweite Trennmembran 320 zusätzlich zur Zeolithmembran weitere Membranen (z.B. eine Funktionsmembran oder eine auf die Zeolithmembran auflaminierte Schutzmembran) enthalten, die nicht zur Zeolithmembran gehören. Bei der ersten Trennmembran 310 und der zweiten Trennmembran 320 kann es sich um andere anorganische Membranen als die Zeolithmembran (z.B. Siliziumdioxidmembranen oder Kohlenstoffmembranen) oder um andere Membranen als anorganische Membranen (z.B. organische Membranen) handeln. Bei der ersten Trennmembran 310 und der zweiten Trennmembran 320 kann es sich um Membranen desselben Typs oder um Membranen unterschiedlichen Typs handeln. Vorzugsweise kann mindestens eine der ersten Trennmembran 310 oder der zweiten Trennmembran 320 eine Zeolithmembran sein.

Im Folgenden werden die Leistung der ersten Trennmembran 310 und der zweiten Trennmembran 320 sowie die Ergebnisse der Abtrennung von H₂ und CO₂ unter Bezugnahme auf 7 und die Tabellen 1 bis 5 beschrieben. Ähnlich wie in 1 ist in 7 der Aufbau der Mischgastrennvorrichtung 3 dargestellt. In 7 sind die Pfeile, die den Strom des von der Mischgaszuführung 34 zum ersten Trennmembranmodul 31 gelieferten Mischgases, den Strom des vom ersten Trennmembranmodul 31 abgeleiteten ersten nicht-permeierten Gases, den Strom des vom ersten Trennmembranmodul 31 abgeleiteten ersten permeierten Gases, den Strom des vom zweiten Trennmembranmodul 32 abgeleiteten zweiten nicht-permeierten Gases und den Strom des vom zweiten Trennmembranmodul 32 abgeleiteten zweiten permeierten Gases anzeigen, jeweils mit den Bezugszeichen (1) bis (5) versehen. Tabelle 1

		Erste Trennmembran H₂/CO₂-Selektivität = 100		Zweite Trennmembran CO₂/H₂-Selektivität = 100
	(1)	(2)	(3)	(4)	(5)
	Mischgas	Erstes nicht-permeiertes Gas	Erstes permeiertes Gas	Zweites nicht-permeiertes Gas	Zweites permeiertes Gas

N2	45,0	59,5	0,4	81,1	0,6
H2	30,0	8,1	97,2	10,8	0,7
CO₂	25,0	32,4	2,4	8,1	98,7

Tabelle 2

		Keine erste Trennmembran		Zweite Trennmembran CO₂/H₂-Selektivität = 380
	(1)	(2)	(3)	(4)	(5)
	Mischgas	Erstes nicht-permeiertes Gas	Erstes permeiertes Gas	Zweites nicht-permeiertes Gas	Zweites permeiertes Gas
N2	45,0	-		56,4	0,2
H2	30,0	-	-	37,3	1,1
CO₂	25,0	-	-	6,3	98,7

Tabelle 3

		Erste Trennmembran H₂/CO₂-Selektivität = 10		Zweite Trennmembran CO₂/H₂-Selektivität = 30
	(1)	(2)	(3)	(4)	(5)
	Mischgas	Erstes nicht-permeiertes Gas	Erstes permeiertes Gas	Zweites nicht-permeiertes Gas	Zweites permeiertes Gas
N2	45,0	64,0	3,5	84,0	2,4
H2	30,0	7,5	79,2	9,1	2,6
CO₂	25,0	28,5	17,3	6,9	95,0

Tabelle 4

		Erste Trennmembran H₂/CO₂-Selektivität = 10		Zweite Trennmembran CO₂/H₂-Selektivität = 100
	(1)	(2)	(3)	(4)	(5)
	Mischgas	Erstes nicht-permeiertes Gas	Erstes permeiertes Gas	Zweites nicht-permeiertes Gas	Zweites permeiertes Gas
N2	45,0	64,0	3,5	83,5	0,7
H2	30,0	7,5	79,2	9,5	0,9
CO₂	25,0	28,5	17,3	7,0	98,4

Tabelle 5

	Beispiel 1	Vergleichsbeispiel 1	Vergleichsbeispiel 2	Vergleichsbeispiel 3
CO₂/H₂-Selektivität der zweiten Trennmembran	100	380	30	100
CO₂-Konzentration in zweitem permeiertem Gas (Volumenprozent)	98,7	98,7	95,0	98,4
CO₂-Rückgewinnungsrate der zweiten Trennmembran (%)	80	80	64	63

Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzungen der Gase (1) bis (5) (d.h. das Mischgas, das erste nicht-permeierte Gas, das erste permeierte Gas, das zweite nicht-permeierte Gas und das zweite permeierte Gas) in der Mischgastrennvorrichtung 3 gemäß Beispiel 1. In Beispiel 1 wies die erste Trennmembran 310 eine H₂/CO₂-Selektivität von 100 auf und die zweite Trennmembran 320 wies eine CO₂/H₂-Selektivität von 100 auf. Die Zusammensetzung jedes Gases in Tabelle 1 (d.h. die N₂-Konzentration, die H₂-Konzentration oder die CO₂-Konzentration) wurde mit einem Prozesssimulator berechnet. Die Zusammensetzung der einzelnen Gase in den später beschriebenen Tabellen 2 bis 4 wurde ebenfalls mit einem Prozesssimulator auf die gleiche Weise wie in Tabelle 1 berechnet.
In Beispiel 1 betrug die N₂-Konzentration, die H₂-Konzentration und die CO₂-Konzentration im Mischgas, das vom Mischgaszuführung 34 zum ersten Trennmembranmodul 31 geliefert wurde, 45,0 Volumenprozent, 30,0 Volumenprozent bzw. 25,0 Volumenprozent. Die CO₂-Konzentration im Mischgas war 30,0 Volumenprozent oder weniger und niedrig. Das Gleiche gilt für die Zusammensetzung des Mischgases in den nachstehend beschriebenen Vergleichsbeispielen 1 bis 3.
In Beispiel 1 betrug die H₂-Konzentration im ersten permeierten Gas, das durch die erste Trennmembran, d.h. die H₂-Trennmembran, permeiert war, 97,2 Volumenprozent (d.h. 90 Volumenprozent oder mehr) und war hoch. Die CO₂-Konzentration im ersten nicht-permeierten Gas, das nicht durch die erste Trennmembran 310 permeiert war, lag bei 32,4 Volumenprozent und 5 Volumenprozent oder mehr höher als die CO₂-Konzentration (25,0 Volumenprozent) im Mischgas. Die CO₂-Konzentration im zweiten permeierten Gas, das durch die zweite Trennmembran 320, d.h. die CO₂-Trennmembran, permeiert war, betrug 98,7 Volumenprozent (d.h. 97 Volumenprozent oder mehr) und war hoch. Die N₂-Konzentration im zweiten nicht-permeierten Gas, das nicht durch die zweite Trennmembran 320 permeiert war, betrug 81,1 Volumenprozent (d.h. 60 Volumenprozent oder mehr). Die H₂-Konzentration im zweiten nicht-permeierten Gas war 10,8 Volumenprozent (d.h. 30 Volumenprozent oder weniger) und niedrig, und die CO₂-Konzentration im zweiten nicht-permeierten Gas war 8,1 Volumenprozent (d.h. 30 Volumenprozent oder weniger) und niedrig. Dies deutet darauf hin, dass das erste Trennmembranmodul 31 effizient H₂ abtrennen kann und das zweite Trennmembranmodul 32 effizient CO₂ abtrennen kann.
Wie in Tabelle 5 gezeigt, war in Beispiel 1 die CO₂-Rückgewinnungsrate der zweiten Trennmembran 320 im zweiten Trennmembranmodul 32 80% (d.h. 70% oder höher) und hoch. In Tabelle 5 wurden die CO₂/H₂-Selektivität der zweiten Trennmembran 320, die CO₂-Konzentration im zweiten permeierten Gas und die CO₂-Rückgewinnungsrate der zweiten Trennmembran 320 zwischen Beispiel 1 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 verglichen.
Tabelle 2 zeigt die Zusammensetzungen der Gase (1) bis (5) in der Mischgastrennvorrichtung 3 gemäß Vergleichsbeispiel 1. In Vergleichsbeispiel 1 wurde die erste Trennmembran 310 weggelassen und die zweite Trennmembran 320 wies eine CO₂/H₂-Selektivität von 380 auf. Die CO₂/H₂-Selektivität der zweiten Trennmembran 320 in Vergleichsbeispiel 1 war der Wert, der eingestellt wurde, um die CO₂-Rückgewinnungsrate (siehe Tabelle 5) der zweiten Trennmembran 320 ungefähr gleich zu machen wie die in Beispiel 1, und der Wert war zu hoch. Durch diese Einstellung wurden die CO₂-Konzentration im zweiten permeierten Gas und die CO₂-Rückgewinnungsrate der zweiten Trennmembran 320 im Vergleichsbeispiel 1 mit denen in Beispiel 1 gleich gemacht. Die N₂-Konzentration im zweiten nicht-permeierten Gas, das nicht durch die zweite Trennmembran 320 permeiert war, betrug 56,4 Volumenprozent (d.h. weniger als 60 Volumenprozent) und war niedriger als die in Beispiel 1. Die H₂-Konzentration in dem zweiten nicht-permeierten Gas betrug 37,3 Volumenprozent (d.h. mehr als 30 Volumenprozent) und war höher als in Beispiel 1.
Tabelle 3 zeigt die Zusammensetzungen der Gase (1) bis (5) in der Mischgastrennvorrichtung 3 gemäß Vergleichsbeispiel 2. In Vergleichsbeispiel 2 wies die erste Trennmembran 310 eine H₂/CO₂-Selektivität von 10 auf und die zweite Trennmembran 320 wies eine CO₂/H₂-Selektivität von 30 auf. Diese numerischen Werte wurden gemäß der vorstehend beschriebenen japanischen Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2008-247632 ermittelt.
In Vergleichsbeispiel 2 betrug die H₂-Konzentration in dem ersten permeierten Gas, das durch die erste Trennmembran 310, d.h. die H₂-Trennmembran, permeiert war, 79,2 Volumenprozent (d.h. weniger als 90 Volumenprozent) und war niedrig. Die CO₂-Konzentration in dem ersten nicht-permeierten Gas, das nicht durch die erste Trennmembran 310 permeiert war, betrug 28,5 Volumenprozent und der Unterschied zu der CO₂-Konzentration in dem Mischgas (25,0 Volumenprozent) war kleiner als 5 Volumenprozent und gering. Dementsprechend kann aus Vergleichsbeispiel 2 festgestellt werden, dass die Abtrennung von H₂ durch das erste Trennmembranmodul 31 weniger ausreichend ist als in Beispiel 1. In Vergleichsbeispiel 2 betrug die CO₂-Konzentration in dem zweiten permeierten Gas, das durch die zweite Trennmembran 320, d.h. die CO₂-Trennmembran, permeiert war, 95,0 Volumenprozent (d.h. weniger als 97 Volumenprozent) und war niedriger als in Beispiel 1. Die CO₂-Rückgewinnungsrate des zweiten Trennmembranmoduls 32 betrug 64 % (d.h. weniger als 70 %) und war niedriger als in Beispiel 1.
Tabelle 4 zeigt die Zusammensetzungen der Gase (1) bis (5) in der Mischgastrennvorrichtung 3 gemäß Vergleichsbeispiel 3. In Vergleichsbeispiel 3 wies die erste Trennmembran 310 eine H₂/CO₂-Selektivität von 10 auf, die die gleiche war wie die in Vergleichsbeispiel 2 und die zweite Trennmembran 320 wies eine CO₂/H₂-Selektivität von 100 auf, die die gleiche war wie die in Beispiel 1.
In Vergleichsbeispiel 3 betrug die H₂-Konzentration in dem ersten permeierten Gas, das durch die erste Trennmembran 310, d.h. die H₂-Trennmembran, permeiert war, 79,2 Volumenprozent (d.h. weniger als 90 Volumenprozent) und war niedrig. Die CO₂-Konzentration in dem ersten nicht-permeierten Gas, das nicht durch die erste Trennmembran 310 permeiert war, betrug 28,5 Volumenprozent und der Unterschied zu der CO₂-Konzentration (25,0 Volumenprozent) in dem Mischgas war weniger als 5 Volumenprozent und gering. Dementsprechend ist aus dem Vergleichsbeispiel 3, wie auch aus Vergleichsbeispiel 2, ersichtlich, dass die Abtrennung von H₂ durch das erste Trennmembranmodul 31 weniger ausreichend ist als die in Beispiel 1. In Vergleichsbeispiel 3 betrug die CO₂-Konzentration im zweiten permeierten Gas, das durch die zweite Trennmembran 320, d.h. die CO₂-Trennmembran, permeiert ist, 98,4 Volumenprozent. Die CO₂-Rückgewinnungsrate des zweiten Trennmembranmoduls 32 betrug 63 % (d.h. weniger als 70 %) und war niedriger als in Beispiel 1.
Wie vorstehend beschrieben, enthält das Mischgastrennverfahren den Schritt (Schritte S11 und S12) des Zuführens eines Mischgases, das mindestens N₂, H₂ und CO₂ enthält und eine CO₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger aufweist, zu der ersten Trennmembran 310, die selektiv den Durchgang von H₂ ermöglicht, um das Mischgas in das erste permeierte Gas, das durch die erste Trennmembran 310 permeiert ist, und das erste nicht-permeierte Gas, das nicht durch die erste Trennmembran 310 permeiert ist, zu trennen, den Schritt (Schritte S13 und S14) des Zuführens des ersten nicht-permeierten Gases zu der zweiten Trennmembran 320, die selektiv den Durchgang von CO₂ ermöglicht, um das erste nicht-permeierte Gas in das zweite permeierte Gas, das durch die zweite Trennmembran 320 permeiert ist, und das zweite nicht-permeierte Gas, das nicht durch die zweite Trennmembran 320 permeiert ist, zu trennen und den Schritt (Schritte S15 und S16) des Zuführens des zweiten nicht-permeierten Gases zu dem CO₂-Sammler 33, der CO₂ durch das andere Trennverfahren als die Membrantrennung trennt und sammelt, um das in dem zweiten nicht-permeierten Gas enthaltene CO₂ zu sammeln. Die CO₂-Konzentration im ersten nicht-permeierten Gas ist 5 Volumenprozent oder mehr höher als die CO₂-Konzentration im Mischgas. Die N₂-Konzentration im zweiten nicht-permeierten Gas ist höher als oder gleich 50 Volumenprozent. Die H₂-Konzentration im zweiten nicht-permeierten Gas ist kleiner oder gleich 30 Volumenprozent.
Dementsprechend ist es möglich, CO₂ aus dem Mischgas mit einer niedrigen Konzentration (d.h. 30 Volumenprozent oder weniger) von CO₂ effizient abzutrennen, ohne eine Trennmembran zu verwenden, die eine beträchtlich hohe CO₂/H₂-Selektivität aufweist. Es ist auch möglich, die Menge an H₂, die in den CO₂-Sammler 33 strömt, zu vermindern, da H₂ ebenfalls effizient aus dem Mischgas abgetrennt werden kann. Dementsprechend wird der Aufbau des CO₂-Sammlers 33 vereinfacht (z.B. kann eine Struktur wie eine explosionssichere Konstruktion in der Anzahl vermindert werden oder wegfallen).
Die vorstehend beschriebene Mischgastrennvorrichtung 3 enthält die erste Trennmembran 310, die zweite Trennmembran 320, den CO₂-Sammler 33, die Mischgaszuführung 34, den ersten Durchgang 312 für nicht-permeiertes Gas und den zweiten Durchgang 322 für nicht-permeiertes Gas. Die erste Trennmembran 310 ist selektiv durchlässig für H₂. Die zweite Trennmembran 320 ist selektiv durchlässig für CO₂. Der CO₂-Sammler 33 trennt und sammelt CO₂ durch ein anderes Trennverfahren als die Membrantrennung. Die Mischgaszuführung 34 führt der ersten Trennmembran 310 ein Mischgas zu, das mindestens N₂, H₂ und CO₂ enthält und eine CO₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger aufweist. Der erste Durchgang 312 für nicht-permeiertes Gas leitet das erste nicht-permeierte Gas, das nicht durch die erste Trennmembran 310 im Mischgas permeiert ist, zur zweiten Trennmembran 320. Der zweite Durchgang 322 für nicht-permeiertes Gas leitet das zweite nicht-permeierte Gas, das nicht durch die zweite Trennmembran 320 in das erste undurchlässige Gas permeiert ist, das durch den ersten Durchgang 312 für nicht-permeiertes Gas zugeführt wird, zu dem CO₂-Sammler 33. Der CO₂-Sammler 33 sammelt CO₂ in dem zweiten nicht-permeierten Gas, das durch den zweiten Durchgang 322 für nicht-permeiertes Gas zugeführt wird. Die CO₂-Konzentration im ersten nicht-permeierten Gas ist 5 Volumenprozent oder mehr höher als die CO₂-Konzentration im Mischgas. Die N₂-Konzentration im zweiten nicht-permeierten Gas ist höher als oder gleich 50 Volumenprozent. Die H₂-Konzentration im zweiten nicht-permeierten Gas ist kleiner als oder gleich 30 Volumenprozent.
Dementsprechend ist es, wie vorstehend beschrieben, möglich, CO₂ aus dem Mischgas mit einer niedrigen Konzentration (d.h. 30 Volumenprozent oder weniger) von CO₂ effizient abzutrennen, ohne eine Trennmembran zu verwenden, die eine beträchtlich hohe CO₂/H₂-Selektivität aufweist. Außerdem ist es auch möglich, H₂ effizient aus dem Mischgas abzutrennen. Dies vereinfacht den Aufbau des CO₂-Sammlers 33.
Bei dem vorstehend beschriebenen Mischgastrennverfahren ist es vorteilhaft, dass das erste permeierte Gas mit dem aus dem CO₂-Sammler 33 (d.h. Abgas) nach den Schritten S11 und S12 abgeführten Gas gemischt wird. Vorzugsweise enthält die Mischgastrennvorrichtung 3 weiterhin den ersten Durchgang 311 für permeiertes Gas, der das erste permeierte Gas so leitet, dass es mit dem aus dem CO₂-Sammler 33 (d.h. dem Abgas) abgeleiteten Gas gemischt wird. Auf diese Weise kann H₂ im zweiten, nicht-permeierten Gas, das dem CO₂-Sammler 33 zugeführt wird, zusammen mit H₂ im ersten permeierten Gas verwendet werden. Das heißt, es ist möglich, H₂ im Mischgas effektiv zu nutzen.
Wie vorstehend beschrieben, ist es bevorzugt, dass die CO₂-Rückgewinnungsrate der zweiten Trennmembran 320 größer als oder gleich 70 % ist. In diesem Fall ist es möglich, die Größe des CO₂-Sammlers 33 zu vermindern und die Produktions- und Betriebskosten der Mischgastrennvorrichtung 3 zu senken.
Wie vorstehend beschrieben, ist es bevorzugt, dass das im CO₂-Sammler 33 verwendete Trennverfahren zur Abtrennung von CO₂ die chemische Absorption ist. In diesem Fall ist es möglich, die Produktionskosten der Mischgastrennvorrichtung 3 weiter zu senken, während gleichzeitig die CO₂-Rückgewinnungsrate des CO₂-Sammlers 33 erhöht wird.
Wie vorstehend beschrieben, ist es bevorzugt, dass die N₂-Konzentration in dem zweiten nicht-permeierten Gas höher als oder gleich 60 Volumenprozent ist und die CO₂-Konzentration in dem zweiten nicht-permeierten Gas niedriger als oder gleich 30 Volumenprozent ist. Die Mischgastrennvorrichtung 3 kann diese Konzentrationen erreichen, weil sie in der Lage ist, CO₂ effizient abzutrennen.
Wie vorstehend beschrieben, ist es bevorzugt, dass die CO₂-Konzentration im zweiten permeierten Gas höher als oder gleich 97 Volumenprozent ist. Die Mischgastrennvorrichtung 3 kann diese Konzentrationen erreichen, weil sie in der Lage ist, CO₂ effizient abzutrennen.
Wie vorstehend beschrieben, ist es bevorzugt, dass der Druck des Mischgases, das der ersten Trennmembran 310 in den Schritten S11 und S12 zugeführt wird, höher als oder gleich 1,5 MPaG ist. Selbst unter einem solchen hohen Druck sind das vorstehend beschriebene Mischgastrennverfahren und die Mischgastrennvorrichtung 3 in der Lage, CO₂ effizient abzutrennen.
Wie vorstehend beschrieben, ist es bevorzugt, dass die erste Trennmembran 310 eine H₂/CO₂-Selektivität von 100 oder höher aufweist und die zweite Trennmembran 320 eine CO₂/H₂-Selektivität von 100 oder höher aufweist. Dadurch kann die erste Trennmembran 310 H₂ effizienter abtrennen und die zweite Trennmembran 320 kann CO₂ effizienter abtrennen.
Wie vorstehend beschrieben, ist es bevorzugt, dass mindestens eine der ersten Trennmembran 310 oder der zweiten Trennmembran 320 eine Zeolithmembran ist. Wenn die Trennmembranen (d.h. die erste Trennmembran 310 und/oder die zweite Trennmembran 320) aus Zeolithkristallen mit einem einheitlichen Porendurchmesser gebildet werden, können sie ihre selektiv permeierte Substanz (d.h. H₂ und/oder CO₂) effizienter trennen.
In der in 1 dargestellten Mischgastrennvorrichtung 3 mündet der erste Durchgang 311 für permeiertes Gas in den Abgasdurchgang 332, aber die vorliegende Erfindung soll nicht auf dieses Beispiel beschränkt sein. Beispielsweise kann der erste Durchgang 311 für permeiertes Gas unabhängig von dem Abgasdurchgang 332 sein und mit einer externen Vorrichtung (z.B. einer Gasturbine zur Stromerzeugung) außerhalb der Mischgastrennvorrichtung 3 verbunden sein. Alternativ kann, wie in 8 dargestellt, der erste Durchgang 311 für permeiertes Gas, der sich von dem ersten Trennmembranmodul 31 erstreckt, mit dem CO₂-Sammler 33 verbunden sein.
In dem in 8 dargestellten Beispiel leitet der erste Durchgang 311 für permeiertes Gas das erste permeierte Gas, das durch die erste Trennmembran 310 im ersten Trennmembranmodul 31 permeiert ist, zum CO₂-Sammler 33 und bewirkt, dass das erste permeierte Gas mit dem zweiten nicht-permeierten Gas gemischt wird, das vom zweiten Trennmembranmodul 32 dem CO₂-Sammler 33 innerhalb des CO₂-Sammlers 33 zugeführt wird. Als weitere Alternative kann der erste Durchgang 311 für permeiertes Gas mit dem zweiten Durchgang 322 für nicht-permeiertes Gas zwischen dem zweiten Trennmembranmodul 32 und dem CO₂-Sammler 33 zusammengeführt werden. In diesem Fall wird das erste permeierte Gas mit dem zweiten nicht-permeierten Gas gemischt und dann dem CO₂-Sammler 33 zugeführt.
Wie bisher beschrieben, ist es bei dem Mischgastrennverfahren möglich, auch das im ersten permeierte Gas enthaltene CO₂ zu sammeln, indem das erste permeierte Gas nach den vorstehend beschriebenen Schritten S11 und S12 dem CO₂-Sammler 33 zugeführt wird. Infolgedessen wird die Rückgewinnungsrate von CO₂ aus dem Mischgas verbessert. Die Mischgastrennvorrichtung 3, die weiterhin den ersten Durchgang 311 für permeiertes Gas enthält, um das erste permeierte Gas zum CO₂-Sammler 33 zu leiten, ist in der Lage, die Rückgewinnungsrate von CO₂ aus dem Mischgas auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben zu verbessern.
Das vorstehend beschriebene Mischgastrennverfahren und die Mischgastrennvorrichtung 3 können auf verschiedene Weise modifiziert werden.
Die Strukturen des ersten Trennmembranmoduls 31 und des zweiten Trennmembranmoduls 32 sind beispielsweise nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele beschränkt und können auf verschiedene Weise modifiziert werden.
Die erste Trennmembran 310 kann eine H₂/CO₂-Selektivität von weniger als 100 aufweisen. Die zweite Trennmembran 320 kann ebenfalls eine CO₂/H₂-Selektivität von weniger als 100 aufweisen.
Der Druck des Mischgases, das der ersten Trennmembran 310 zugeführt wird, kann niedriger als 1,5 MPaG sein.
Die CO₂-Konzentration im zweiten permeierten Gas kann weniger als 97 Volumenprozent betragen.
Die N₂-Konzentration im zweiten nicht-permeierten Gas kann unter 60 Volumenprozent liegen, solange sie 50 Volumenprozent oder höher beträgt. Die CO₂-Konzentration im zweiten nicht-permeierten Gas kann höher als 30 Volumenprozent sein.
Die CO₂-Rückgewinnungsrate der zweiten Trennmembran 320 kann unter 70% liegen.
Die Konfigurationen der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Variationen können in geeigneter Weise kombiniert werden, solange keine gegenseitigen Widersprüche entstehen.
Während die Erfindung im Einzelnen gezeigt und beschrieben wurde, ist die vorangehende Beschreibung in allen Aspekten erläuternd und nicht einschränkend. Es ist daher zu verstehen, dass zahlreiche Modifizierungen und Variationen entwickelt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung ist bei der Abtrennung eines Mischgases anwendbar, das durch Kohlevergasung und Shift-Reaktion in der integrierten Kohlevergasungs-Kombikraftwerksanlage erzeugt wird, und kann auch bei der Abtrennung anderer verschiedener Mischgase angewendet werden.
Bezugszeichenliste

[0115] 3: Mischgastrenneinrichtung
33: CO₂-Sammler
34: Mischgaszuführung
310: erste Trennmembran
320: zweite Trennmembran
311: erster Durchgang für permeiertes Gas
312: erster Durchgang für nicht-permeiertes Gas
322: zweiter Durchgang für nicht-permeiertes Gas
S11 bis S16: Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2021001673 [0002]
JP 2008247632 [0005, 0081]
JP 2009029674 [0005]
JP 2014001109 [0006]

Claims

Mischgastrennverfahren, umfassend: a) Zuführen eines Mischgases, das mindestens N₂, H₂ und CO₂ enthält und eine CO₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger aufweist, zu einer ersten Trennmembran, die selektiv den Durchgang von H₂ ermöglicht, um das Mischgas in ein erstes permeiertes Gas, das durch die erste Trennmembran permeiert ist, und ein erstes nicht-permeiertes Gas, das nicht durch die erste Trennmembran permeiert ist, zu trennen; b) Zuführen des ersten nicht-permeierten Gases zu einer zweiten Trennmembran, die selektiv den Durchgang von CO₂ ermöglicht, um das erste nicht-permeierte Gas in ein zweites permeiertes Gas, das durch die zweite Trennmembran permeiert ist, und ein zweites nicht-permeiertes Gas, das nicht durch die zweite Trennmembran permeiert ist, zu trennen; und c) Zuführen des zweiten nicht-permeierten Gases zu einem CO₂-Sammler, der CO₂ durch ein anderes Trennverfahren als die Membrantrennung abtrennt und sammelt, um das in dem zweiten nicht-permeierten Gas enthaltene CO₂ zu sammeln, wobei das erste nicht-permeierte Gas eine CO₂-Konzentration aufweist, die 5 Volumenprozent oder mehr höher als oder gleich der CO₂-Konzentration in dem Mischgas ist, das zweite nicht-permeierte Gas eine N₂-Konzentration von 50 Volumenprozent oder mehr aufweist und das zweite nicht-permeierte Gas eine H₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger aufweist.
Mischgastrennverfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Vorgang a) das erste permeierte Gas mit einem Gas gemischt wird, das aus dem CO₂-Sammler austritt.
Mischgastrennverfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Vorgang a) das erste permeierte Gas dem CO₂-Sammler zugeführt wird.
Mischgastrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Trennmembran eine CO₂-Rückgewinnungsrate von 70 % oder höher aufweist.
Mischgastrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das in dem CO₂-Sammler angewandte Trennverfahren zur Abtrennung von CO₂ die chemische Absorption ist.
Mischgastrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das zweite nicht-permeierte Gas eine N₂-Konzentration von 60 Volumenprozent oder mehr aufweist, und das zweite nicht-permeierte Gas eine CO₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger aufweist.
Mischgastrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zweite permeierte Gas eine CO₂-Konzentration von 97 Volumenprozent oder mehr aufweist.
Mischgastrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das der ersten Trennmembran im Vorgang a) zugeführte Mischgas einen Druck von 1,5 MPaG oder höher aufweist.
Mischgastrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste Trennmembran eine H₂/CO₂-Selektivität von 100 oder höher aufweist und die zweite Trennmembran eine CO₂/H₂-Selektivität von 100 oder höher aufweist.
Mischgastrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei mindestens eine der ersten Trennmembran oder der zweiten Trennmembran eine Zeolithmembran ist.
Mischgastrennvorrichtung, umfassend: eine erste Trennmembran, die selektiv den Durchgang von H₂ ermöglicht; eine zweite Trennmembran, die selektiv den Durchgang von CO₂ ermöglicht; einen CO₂-Sammler, der CO₂ durch ein anderes Trennverfahren als die Membrantrennung trennt und sammelt; eine Mischgaszuführung, die der ersten Trennmembran ein Mischgas zuführt, das mindestens N₂, H₂ und CO₂ enthält und eine CO₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger aufweist; einen ersten Durchgang für nicht-permeiertes Gas, der ein erstes nicht-permeiertes Gas, das nicht durch die erste Trennmembran in dem Mischgas permeiert ist, zu der zweiten Trennmembran leitet; und einen zweiten Durchgang für nicht-permeiertes Gas, der ein zweites nicht-permeiertes Gas, das nicht durch die zweite Trennmembran in das erste nicht-permeierte Gas permeiert ist, zu dem CO₂-Sammler leitet, wobei das erste nicht-permeierte Gas dem ersten Durchgang für nicht-permeiertes Gas von der zweiten Trennmembran zugeführt wird, wobei der CO₂-Sammler CO₂ sammelt, das in dem zweiten nicht-permeierten Gas enthalten ist, das durch den zweiten Durchgang für nicht-permeiertes Gas zugeführt wird, das erste nicht-permeierte Gas eine CO₂-Konzentration aufweist, die 5 Volumenprozent oder mehr höher als oder gleich der CO₂-Konzentration in dem Mischgas ist, das zweite nicht-permeierte Gas eine N₂-Konzentration von 50 Volumenprozent oder mehr aufweist und das zweite nicht-permeierte Gas eine H₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger aufweist.
Mischgastrennvorrichtung nach Anspruch 11, weiter umfassend: einen ersten Durchgang für permeiertes Gas, der ein erstes permeiertes Gas leitet, das durch die erste Trennmembran permeiert ist, um zu bewirken, dass das erste permeierte Gas mit einem Gas gemischt wird, das aus dem CO₂-Sammler austritt.
Mischgastrennvorrichtung nach Anspruch 11, weiter umfassend: einen ersten Durchgang für permeiertes Gas, der ein erstes permeiertes Gas, das durch die erste Trennmembran permeiert ist, zu dem CO₂-Sammler leitet.
Mischgastrennvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die zweite Trennmembran eine CO₂-Rückgewinnungsrate von 70 % oder höher aufweist.
Mischgastrennvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das in dem CO₂-Sammler angewandte Trennverfahren zur Abtrennung von CO₂ die chemische Absorption ist.
Mischgastrennvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das zweite nicht-permeierte Gas eine N₂-Konzentration von 60 Volumenprozent oder mehr aufweist, und das zweite nicht-permeierte Gas eine CO₂-Konzentration von 30 Volumenprozent oder weniger aufweist.
Mischgastrennvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das zweite permeierte Gas, das durch die zweite Trennmembran permeiert ist, eine CO₂-Konzentration von 97 Volumenprozent oder mehr aufweist.
Mischgastrennvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei das der ersten Trennmembran zugeführte Mischgas einen Druck von 1,5 MPaG oder höher aufweist.
Mischgastrennvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die erste Trennmembran eine H₂/CO₂-Selektivität von 100 oder höher aufweist und die zweite Trennmembran eine CO₂/H₂-Selektivität von 100 oder höher aufweist.
Mischgastrennvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei mindestens eine der ersten Trennmembran oder der zweiten Trennmembran eine Zeolithmembran ist.