JP2007283267A - ガス分離方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】化学吸収法の吸収工程において分離対象ガスを吸収液に吸収させる際に要するエネルギー、コストを低下させる。
【解決手段】膜モジュールからなる吸収装置１の膜に対して一方の側に被分離ガスを導入し、他の側に吸収液を流し、膜を介して被分離ガス中の分離対象ガスを吸収液に吸収させる。吸収装置１においてガスの流れと吸収液の流れの内少なくとも吸収液の流れを乱すようにしてある。分離対象ガスを吸収した液はポンプ２により熱交換器３を経由して再生塔４に導入する。再生塔４内では吸収液を加熱することにより分離対象ガスを放散させるとともに吸収液を再生する。放散した分離対象ガスは冷却して回収する。再生された吸収液は熱交換器３を経由してポンプ７により送り、冷却後に吸収装置１に導入して循環使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は火力発電により排出される燃焼ガスや、製鉄、セメント製造、化学工業、発酵等のプロセスにおいて生成するガスから、二酸化炭素などの特定成分ガスを分離するための方法と装置に関するものである。

燃焼プロセス等の反応プロセスからの排ガス中に含まれるガスで多いものは二酸化炭素（ＣＯ₂）である。二酸化炭素は温室効果により地球の温暖化をもたらすため、排ガスから二酸化炭素を回収することが望まれている。
ガス中の分離対象ガス成分を分離する方法として、充填物を充填した吸収塔でガスと吸収液を接触させてガス中の分離対象ガスを吸収液に吸収させ、次いで吸収液から分離対象ガスを加熱する等して放散させることによって分離対象ガスのみを回収する吸収法と呼ばれているガス分離方法が最も一般的な方法である。
しかし、その吸収法では吸収塔内の気液接触面積を上げようとすると吸収塔の容積を大きくする必要があるため、分離に要するエネルギーとコストが大きくなる問題があった。
そこで、その充填物を膜で置き換えて気液接触効率を上げ、装置のコンパクト化を達成して分離に要するエネルギーとコストを下げるために、充填物を用いる吸収塔に代えて膜を用いて気液接触させる方法が提案されている（特許文献１参照。）。
特開平３−２９６４１３号公報 化学工学会編、化学工学便覧、改訂６版、１２３頁

膜を用いる提案の方法は、二酸化炭素の分離回収に適用するには更なる高効率化が要求されているが、未だ気液接触効率が不十分であるため、現在まで実用化されるに至っていない。
本発明は、膜を用いる方法の気液接触効率を大幅に改良して、実用に耐えるガス分離方法と装置を提供することを目的とするものである。

本発明のガス分離方法は、ガスと吸収液とを膜を介して気液接触させることにより該ガス中の分離対象ガス成分を該吸収液に吸収させる吸収工程と、それに続く吸収液から分離対象ガスを放散させる放散工程と含むガス分離方法において、前記吸収工程の少なくとも一部においてガスの流れと吸収液の流れの内少なくとも吸収液の流れを乱すことを特徴とする方法である。
ガスの流れと吸収液の流れの両方を乱すようにしてもよい。

本発明のガス分離方法における吸収工程で用いる膜は、それを介して気液接触させることによりガス中の分離対象成分を吸収液に吸収させる役割を果たすものであるので、疎水性を示し、かつ吸収液が漏れ出さない範囲の孔径を有する多孔膜、例えば、１０ｎｍから５０μｍの範囲の孔径を有する疎水性多孔膜が好ましい。また、この膜としては、分離対象ガスに対する透過性を示す無孔膜であってもよい。

この膜は、従来の充填物表面における気液接触より吸収塔の単位容積当たりの接触面積を格段に大きくする。例えば、充填カラムでは容積１ｍ³当たりの典型的な表面積は数十ｍ²からせいぜい数百ｍ²の範囲にあるが、これに対して膜系では、この値は千ｍ²から数千ｍ²にもなる。

膜の形状は、平膜、管状膜、中空糸膜等、特に限定されず、膜に隔てられた一方の側にガスを、他方の側に吸収液を流す。管状膜又は中空糸膜の場合には膜の内側と外側の一方にガスを流し、他方に吸収液を流すが、どちらを内側に流すかは、特に限定されない。大量のガスを処理する場合にはガスが外側で吸収液が内側になるように流すと、操作が容易である。実用的には、膜を容器に収めてガスと吸収液の出入り口を設けた膜モジュールの形で使用される。
ガスと吸収液の流れの方向は並流型、向流型、十字流型等から選択されるが、本発明の目的には向流型または十字流型が好ましい。

流体の流れは、通常、レイノルズ数（Ｒｅ）で表される。これは、
Ｒｅ＝ρｕｄ／μ
で定義されている。ここで、ρは流体の密度、ｕは代表速度（円管内の流れでは管内平均流速）、ｄは代表長さ（円管内の流れでは管の直径）、μは流体の粘度である。
円管内の流れでは、Ｒｅ＜２０００で層流、２０００＜Ｒｅ＜４０００で遷移域、４０００＜Ｒｅで乱流であることが知られている。遷移域では外乱が大きければ小さなレイノルズ数でも乱流に移行し、外乱が小さければ大きなレイノルズ数まで層流が維持されることが一般に知られている（非特許文献１参照。）。

本発明においては、吸収液の流れを乱すことにより、吸収液流れのレイノルズ数が２０００以下であってもその効果を発現させることに特徴がある。
本発明において吸収液又はさらにガスの流れを乱すことは、種々の方法により実現することができ、例えば、膜に沿った流路に障害物を設けたり、流路を狭くした部分を設けたりすることにより実現することができる。ここで、障害物としては凹凸などが規則的に配置された規則障害物と、不規則に配置された不規則障害物のいずれも選択できる。膜の形状が平膜の場合には樹脂製又は金属製の網を膜と重ねて配置するのが好適である。また流路の一部を遮るように１個又は複数個の突起部を設けて流路を狭くしてもよい。

吸収液又はさらにガスの流れを乱すことは、膜に沿った吸収液流路を屈曲させることによっても実現することができ、膜を振動させることによっても達成することができる。また、吸収液の流れを乱すことは、膜に沿った吸収液流路に吸収液を脈流で供給することによって実現することができる。これらを実際に行うには、脈流ポンプで吸収液を供給する方法、超音波発生器で膜を振動させる方法、膜モジュールに機械的に揺れを与える方法等が採用される。
吸収液又はさらにガスの流れを乱すこれらの方法は、単独で用いてもよく、又は複数の方法を組み合わせて用いることもできる。

本発明は分離対象ガスの種類を限定するものではないが、その一例は酸性ガスであり、その場合の吸収液はアルカリ水溶液が好ましい。酸性ガスの具体的な例は二酸化炭素ガス（ＣＯ₂）である。その場合の吸収液としては、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）、ジエタノールアミン（ＤＥＡ）又はトリエタノールアミン（ＴＥＡ）などのアルカノールアミンに代表されるアミン類の水溶液のほか、炭酸塩類、アミノ酸類、アミノ酸塩類等が単独又は複数混合の水溶液が好適である。

本発明のガス分離方法は、上記の特徴ある吸収工程に続き、吸収液から分離対象ガスを放散させる放散工程が必要である。この放散工程は通常の化学吸収法における吸収液の加熱再生であっても圧力差再生であってもよい。

本発明のガス分離方法を実現するガス分離装置は、容器、この容器の内部に配置されて気液接触させる膜、この膜の一方の面にガスを供給するガス供給部、この膜の他方の面に沿った吸収液流路に吸収液を供給する吸収液供給部、前記容器から吸収液を外部に取り出す吸収液取出し部、及び前記容器から残余ガスを外部に出すガス排出部を備えた吸収装置と、この吸収装置から取り出された吸収液から分離対象ガスを加熱及び／又は減圧により放散させる放散部、並びに前記放散部で放散された分離対象ガスを取り出すガス取出し部を備えた放散装置とを備えたものであって、前記吸収装置が吸収液流路における吸収液の流れを乱す乱流機構を備えていることを特徴とするものである。
前記ガス供給部にも膜の面に沿ったガス流路を備え、前記ガス流路にもガスの流れを乱す乱流機構を備えてもよい。
なお、「加熱及び／又は減圧」は「加熱、減圧又はその両方」の意味であり、他の箇所においても「及び／又は」はその一方又は両方を示す語として使用している。

乱流機構の一形態は、流路に設けられた障害物、流路を狭くした部分、及び流路の屈曲部のうちの少なくとも１つである。
乱流機構の他の形態は、吸収液流路に吸収液を脈流で供給する機構である。
乱流機構のさらに他の形態は、膜を振動させる機構である。

本発明の方法及び装置においては、ガスと吸収液とを膜を介して気液接触させることによりそのガス中の分離対象ガス成分を吸収液に吸収させるために、従来の化学吸収法における充填物吸収塔の代わりに容積当たりの気液接触面積に優れる膜を用いるので、吸収装置が小型化される。そして、本発明では、さらにガスと吸収液とを膜を介して気液接触させることによりそのガス中の分離対象ガス成分を吸収液に吸収させる吸収工程において吸収液の流れを乱すようにしたので、分離対象ガスが吸収液に吸収される速度が向上し、必要な膜面積が少なくてすむことから装置をさらに小型化することができ、ガス分離コストもさらに低減される。
吸収液の流れを乱すのに加えて、さらにガスの流れも乱すようにすれば、分離対象ガスが吸収液に吸収される速度がさらに向上して、さらに装置の小型化とガス分離コストの低減を図ることができる。

本発明の吸収工程において吸収液やガスの流れを乱す方法には種々の方法があるが、これらは組み合わせて用いると装置の小型化とガス分離コストの低減で大きな効果が得られることが多い。

このように本発明のガス分離方法及び装置では吸収装置の小型化が達成され、従来の化学吸収法の吸収塔のような大きさ、高さが必要ではなくなるので、装置の保守点検も容易でかつ安全に行えるようになる。
本発明は分離対象ガスに応じて吸収液を選択することにより、種々の分離対象ガスに適用することができる広範囲に適用可能な技術である。分離対象ガスの一例は二酸化炭素ガスであり、その場合の適当な吸収液は上記に記載した通りである。

図１は分離対象ガスとして二酸化炭素を取り上げ、本発明を二酸化炭素分離装置に適用した一態様のシステム全体の概略を表わしたものである。１は膜モジュールからなる吸収装置である。吸収装置１の膜に対して一方の側にＣＯ₂含有ガスを導入し、他の側に吸収液を流し、膜を介してＣＯ₂を吸収液に吸収させる。ＣＯ₂を吸収した吸収液はポンプ２により放散装置としての再生塔４に導入される。ＣＯ₂を吸収した吸収液は吸収装置１から再生塔４に送られる途中で吸収液熱交換器３を経由し、再生塔４で再生された吸収液により加熱されて再生塔４に導入される。

再生塔４内では吸収液はヒータ５で加熱されることにより吸収液からＣＯ₂が放散させられて吸収液が再生される。放散されたＣＯ₂は熱交換器６を経由することにより冷却水で冷却され、ＣＯ₂と共存する水が分離されて除去されＣＯ₂が回収される。
一方、再生塔４で再生された吸収液は熱交換器３を経由してポンプ７により送られ、熱交換器８で冷却された後に吸収装置１に導入され、再度ＣＯ₂の吸収に使用される。このように、吸収液は吸収装置１と再生塔４の間で循環使用される。
再生塔４は吸収液からＣＯ₂を放散させるために、ヒータ５による加熱のみを行なっているが、再生塔４内を減圧にすることにより吸収液からのＣＯ₂の放散を促進するようにしてもよい。
ここで、吸収装置１においてガスの流れと吸収液の流れの内少なくとも吸収液の流れを乱すようにしたことが本発明の特徴である。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
図２は一実施例のガス分離装置における吸収装置１の一例としての吸収装置１０を表したものであり、膜１２を介してガスと吸収液が気液接触する構造の膜モジュールからなる吸収装置の断面図である。

膜１２は孔径０．４５μｍ、厚さ３０μｍ、気孔率６０％のポリテトラフルオロエチレン製多孔シート膜（住友電気工業（株）製、ポアフロンＨＰ−０４５）で、有効幅（紙面垂直方向）１０ｍｍ、有効長（図の高さ方向）２５０ｍｍである。膜１２の一方の側にあるガス流路１０ａは上端部にガス入口１３ａ、下端部にガス排出部となるガス排出口１３ｂをもち、ガスは吸収装置１０の上側から下側に向かって流れるように供給される。膜１２の他方の側にある吸収液流路１０ｂは下端部に吸収液入口１４ａ、上端部に吸収液取出し部となる吸収液出口１４ｂをもち、吸収液は吸収装置１０の下側から上側に向かって流れるように供給される。

ガス流路１０ａの厚さは５ｍｍ、吸収液流路１０ｂの厚さは３ｍｍである。吸収液流路１０ｂの内側で、膜１２に対向する壁面には、図２に示すような断面が高さ２ｍｍの正三角形で長さ（紙面垂直方向）が膜１２の幅と同じ１０ｍｍの三角柱状突起１６が、吸収液の流れに対する障害物として、長手方向が吸収液の流れ方向に垂直になるように配置され、１０ｍｍ間隔で膜１２の全長にわたり総数２４個設けられている。

この吸収装置１０に温度２５℃で、ガス流路１０ａにＣＯ₂：１０％、Ｎ₂：９０％の混合ガスを線速０．４ｍ／秒で流し、吸収液流路１０ｂに３０％モノエタノールアミン水溶液を線速０．０１ｍ／秒で流し、ガス流路１０ａの入口１３ａと排出口１３ｂのガス組成をガスクロマトグラフで分析して吸収液側へのＣＯ₂の吸収量を計算した結果、この突起１６を設けることによって吸収液１リットル当たりのＣＯ₂吸収量は、突起が無い場合が０．０９５モルであったのに対して、突起を設けて液の流れを乱した場合は０．１３モルと、１．４倍に増大した。

図３は一実施例のガス分離装置における吸収装置１の他の例としての吸収装置２０を表した断面図であり、この吸収装置２０も膜２２を介してガスと吸収液が気液接触する構造の膜モジュールからなる吸収装置である。

図２の吸収装置１０における膜１２と同じ膜２２の一方の側にあるガス流路２０ａは上端部にガス入口２３ａ、下端部にガス排出部となるガス排出口２３ｂをもち、ガスは吸収装置２０の上側から下側に向かって流れるように供給される。膜２２の他方の側にある吸収液流路２０ｂは下端部に吸収液入口２４ａ、上端部に吸収液取出し部となる吸収液出口２４ｂをもち、吸収液は吸収装置２０の下側から上側に向かって流れるように供給される。ガス流路２０ａと吸収液流路２０ｂの厚さは特に限定されるものではないが、例えば図２の実施例のものと同じである。

ガス流路２０ａの内側には網状障害物２６ａが配置され、吸収液流路２０ｂの内側には網状障害物２６ｂが配置されている。これらの網状障害物２６ａ，２６ｂは、例えば樹脂製又は金属製の繊維を平織りにした網状物であり、その繊維径は０．２ｍｍ、繊維間隔は１ｍｍで、膜全面にかつ膜面近傍に配置されるように構成され、ガスと吸収液は網を透過して横方向にも垂直方向にも流れることができるが、網を透過することにより流れが乱れるようになっている。

図４は一実施例のガス分離装置における吸収装置１の他の例としての吸収装置３０を表した断面図であり、この吸収装置３０も膜３２を介してガスと吸収液が気液接触する構造の膜モジュールからなる吸収装置である。

膜３２は平膜、管状膜、又は中空糸膜からなり、内部を吸収液が通過できる構造体に形成され、内部が吸収液流路３０ｂとなっている。吸収液流路３０ｂは、流れの方向に沿って幅又は径の大きい部分と小さい部分が交互に繰り返すように形成されていることによって、流れの方向に沿って流路を狭くした部分３２ａが複数個形成されている。膜３２の構造体は吸収装置３０の中央部で上端から下端にわたって配置されており、下端に吸収液入口３４ａ、上端に吸収液取出し部となる吸収液出口３４ｂをもつ。吸収液は吸収液入口３４ａから供給され、膜３２の構造体の内側の吸収液流路３０ｂを通って上側に向かって流れ、吸収液出口３４ｂから排出される。

吸収装置３０は上端部にガス入口３３ａ、下端部でガス入口３３ａとは反対側の側面にガス排出部となるガス排出口３３ｂをもち、吸収装置３０内で膜３２の構造体の外側がガス流路３０ａとなっている。ガスはガス入口３３ａから供給され、吸収装置３０の上側から下側に向かって流れ、ガス排出口３３ｂから排出される。
吸収液が吸収液流路３０ｂを通過する際、吸収液流路３０ｂの幅又は径の大きい部分と小さい部分を交互に通過することにより流れが乱れるようになっている。

図５は一実施例のガス分離装置における吸収装置１の他の例としての吸収装置４０を表した断面図であり、この吸収装置４０も膜４２を介してガスと吸収液が気液接触する構造の膜モジュールからなる吸収装置である。

膜４２は平膜、管状膜、又は中空糸膜からなり、内部を吸収液が通過できる構造体に形成され、内部が吸収液流路４０ｂとなっている。吸収液流路４０ｂは、流れの方向に沿って蛇行する形状に形成されていることによって屈曲部を形成している。膜４２の構造体は吸収装置３０の上端から下端にわたって配置されており、下端に吸収液入口４４ａ、上端に吸収液取出し部となる吸収液出口４４ｂをもつ。吸収液は吸収液入口４４ａから供給され、膜４２の構造体の内側の吸収液流路４０ｂを通って上側に向かって流れ、吸収液出口４４ｂから排出される。

吸収装置４０は上端部にガス入口４３ａ、下端部でガス入口４３ａとは反対側の側面にガス排出部となるガス排出口４３ｂをもち、吸収装置４０内で膜４２の構造体の外側がガス流路４０ａとなっている。ガスはガス入口４３ａから供給され、吸収装置４０の上側から下側に向かって流れ、ガス排出口４３ｂから排出される。
吸収液が吸収液流路４０ｂを通過する際、吸収液流路４０ｂが蛇行していることにより流れが乱れるようになっている。

実施例は被分離ガスから分離対象ガスとして二酸化炭素を分離して回収する例を示しているが、分離対象ガスは二酸化炭素に限らない。吸収液として分離対象ガスを選択的に吸収するもの、例えば、二酸化硫黄（ＳＯ₂）に対して吸収液として亜硫酸塩の水溶液を用いることにより分離することができる。このように二酸化炭素以外の分離対象ガスに対しても本発明を同様に適用することができる。

本発明は火力発電、製鉄、セメント工業もしくは焼却炉などのプラントなどから排出されるガス、下水道や環境処理等で発生するバイオガスや消化ガス、石油化学工業などにおけるガス分離プロセスやガス精製プロセスから発生するガス、又は半導体産業などで発生するガスから二酸化炭素ガスその他の対象とするガスを分離し回収するために利用することができる。

ガス分離装置の一実施例を示すシステム全体の流路図である。 同実施例における吸収装置の一例を示す概略断面図である。 同実施例における吸収装置の他の例を示す概略断面図である。 同実施例における吸収装置のさらに他の例を示す概略断面図である。 同実施例における吸収装置のさらに他の例を示す概略断面図である。

符号の説明

１，１０，２０，３０，４０ 吸収装置
２，７ ポンプ
３，６，８ 熱交換器
４ 再生塔
５ ヒータ
１０ａ，２０ａ，３０ａ，４０ａ ガス流路
１０ｂ，２０ｂ，３０ｂ，４０ｂ 吸収液流路
１２，２２，３２，４２ 膜
１３ｂ，２３ｂ，３３ｂ，４３ｂ ガス排出部となるガス排出口
１４ｂ，２４ｂ，３４ｂ，４４ｂ 吸収液取出し部となる吸収液出口
１６ 三角柱状突起
２６ａ，２６ｂ 網状障害物
３２ａ 流路を狭くした部分

Claims (13)

1. ガスと吸収液とを膜を介して気液接触させることにより該ガス中の分離対象ガス成分を該吸収液に吸収させる吸収工程と、それに続く吸収液から分離対象ガスを放散させる放散工程と含むガス分離方法において、
   前記吸収工程の少なくとも一部においてガスの流れと吸収液の流れの内少なくとも吸収液の流れを乱すことを特徴とするガス分離方法。
2. ガスの流れと吸収液の流れの両方の流れを乱す請求項１に記載のガス分離方法。
3. 前記膜に沿った流路に障害物を設けること、及び／又は流路を狭くした部分を設けることにより吸収液又はガスの流れを乱す請求項１又は２に記載のガス分離方法。
4. 前記膜に沿った流路を屈曲させることにより吸収液又はガスの流れを乱す請求項１又は２に記載のガス分離方法。
5. 前記膜に沿った吸収液流路に吸収液を脈流で供給することにより吸収液の流れを乱す請求項１に記載のガス分離方法。
6. 前記膜を振動させることにより吸収液の流れを乱す請求項１又は２に記載のガス分離方法。
7. 分離対象ガス成分が酸性ガスであり、吸収液がアルカリ水溶液である請求項１から６のいずれかに記載のガス分離方法。
8. 分離対象ガス成分が二酸化炭素である請求項７に記載のガス分離方法。
9. 容器、この容器の内部に配置されて気液接触させる膜、該膜の一方の面にガスを供給するガス供給部、該膜の他方の面に沿った吸収液流路に吸収液を供給する吸収液供給部、前記容器から吸収液を外部に取り出す吸収液取出し部、及び前記容器から残余ガスを外部に出すガス排出部を備えた吸収装置と、
   該吸収装置から取り出された吸収液から分離対象ガスを加熱及び／又は減圧により放散させる放散部、並びに前記放散部で放散された分離対象ガスを取り出すガス取出し部を備えた放散装置と、を備え、
   前記吸収装置が吸収液流路における吸収液の流れを乱す乱流機構を備えていることを特徴とするガス分離装置。
10. 前記ガス供給部にも前記膜の面に沿ったガス流路を備え、前記ガス流路にもガスの流れを乱す乱流機構を備えている請求項９に記載のガス分離装置。
11. 前記乱流機構として、流路に設けられた障害物、流路を狭くした部分、及び流路の屈曲部のうちの少なくとも１つを備えている請求項９又は１０に記載のガス分離装置。
12. 前記乱流機構として、吸収液流路に吸収液を脈流で供給する機構を備えている請求項９又は１０に記載のガス分離装置。
13. 前記乱流機構として、前記膜を振動させる機構を備えている請求項９から１２のいずれかに記載のガス分離装置。
    

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