JP2015027654A - ガス分離装置及びガス分離方法 - Google Patents
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- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
【解決手段】第1ガス供給口11及び第1ガス排出口12を有する第1ガス流路1と、第2ガス排出口22を有する第2ガス流路2とが、親水性ポリマーを含むガス分離膜3で隔てられた構造を有する2つ以上の分離膜モジュールMが直列に連結された構造を有し、連続する分離膜モジュールMX−1,MXにおいて、分離膜モジュールMX−1の第1ガス排出口12と分離膜モジュールMXの第1ガス供給口11とを連結し、且つ、ガス流動方向上流側の分離膜モジュールの第1ガス排出口12とガス流動方向下流側の分離膜モジュールの第1ガス供給口11との連結部分のうち少なくとも1箇所に冷却熱交換器31を設ける。
【選択図】図2
Description
冷却熱交換器31を有する図5に示す構成のガス分離装置において、分離膜モジュールM2の第1ガス排出口から排出される非透過ガスを、冷却熱交換器31にて10℃冷却して分離膜モジュールM3の第1ガス供給口11に導入し、分離膜モジュールの連結数を3個から一つずつ増やして、水素ガスと、炭素ガスと、水蒸気とを含んだ原料ガスを供給した場合の膜分離シミュレーションを実施し、炭素ガスの除去率が50%を達成する分離膜モジュールの連結数を推算した。シミュレーション結果を表1に示す。なお、ガス分離条件は次の通りである。
1.ガス分離膜
透過度(mol/(m2・s・kPa))
水(水蒸気):5.00×10−4
炭素ガス :図8に示すようにガスの相対湿度によって変化
水素ガス :1.00×10−6
膜面積:24(m2/分離膜モジュール)
2.圧力
第1ガス流路側:1500kPa
第2ガス流路側:101.3kPa
3.原料ガス温度
120℃
4.原料ガス成分
水素ガス :16.00mol/s
炭素ガス : 4.00mol/s
水(水蒸気): 2.54mol/s
図6に示す構成のガス分離装置、すなわち、分離膜モジュールを直列に連結すると共に、各分離膜モジュールの第2ガス流路から排出される透過ガスは装置外に排出するガス分離装置において、実施例1と同様にして、分離膜モジュールの数を1個から一つずつ増やして、水素ガスと、炭素ガスと、水蒸気とを含んだ原料ガスを供給した場合の膜分離シミュレーションを実施し、炭素ガスの除去率が50%を達成する分離膜モジュールの連結数を推算した。シミュレーション結果を表1に示す。なお、ガス分離条件は実施例1と同様である。
加熱器34を有する図7に示す構成のガス分離装置において、分離膜モジュールM2の第1ガス排出口から排出される非透過ガスを、加熱器34にて10℃加熱して分離膜モジュールM3の第1ガス供給口11に導入し、分離膜モジュールの連結数を3個から一つずつ増やして、水素ガスと、炭素ガスと、水蒸気とを含んだ原料ガスを供給した場合の膜分離シミュレーションを実施し、炭素ガスの除去率が50%を達成する分離膜モジュールの連結数を推算した。シミュレーション結果を表1に示す。
2 第2ガス流路
M 分離膜モジュール
11 第1ガス供給口
12 第1ガス排出口
21 第2ガス供給口
22 第2ガス排出口
31 冷却熱交換器
31a,31b 冷却熱交換器
32 気泡冷却塔
33 スプレー噴霧冷却塔
34 加熱器
Claims (29)
- 2つ以上の分離膜モジュールが直列に連結された構造を有するガス分離装置であって、
前記各分離膜モジュールが、第1ガス供給口及び第1ガス排出口を有する第1ガス流路と、第2ガス排出口を有する第2ガス流路とが、親水性ポリマーを含むガス分離膜で隔てられた構造を有し、
連続する2つの分離膜モジュールのそれぞれにおいて、ガス流動方向上流側の分離膜モジュールの第1ガス排出口とガス流動方向下流側の分離膜モジュールの第1ガス供給口とが連結し、
前記ガス流動方向上流側の分離膜モジュールの第1ガス排出口とガス流動方向下流側の分離膜モジュールの第1ガス供給口との連結部分のうち少なくとも1箇所に冷却機構が備えられたことを特徴とするガス分離装置。 - 前記ガス分離膜が、親水性ポリマー膜と多孔膜とが積層された構造を有し、少なくとも一つの酸性ガスを選択的に透過させるものである請求項1記載のガス分離装置。
- 前記親水性ポリマー膜が、ビニルアルコールに由来する構造単位(1)を有する親水性ポリマーと、酸性ガスと可逆的に反応する物質とを含む請求項2記載のガス分離装置。
- 前記構造単位(1)を有する親水性ポリマーが、ビニルアルコールに由来する構造単位(1)とアクリル酸に由来する構造単位(2)とを有する共重合体である請求項3記載のガス分離装置。
- 前記構造単位(2)が、アクリル酸セシウム塩又はアクリル酸ルビジウム塩に由来する構造単位である請求項4記載のガス分離装置。
- 前記構造単位(1)と前記構造単位(2)とを有する共重合体における構造単位(1)の含有量が、前記構造単位(1)と前記構造単位(2)との合計含有量に対して1mol%〜90mol%である請求項4又は5記載のガス分離装置。
- 前記酸性ガスと可逆的に反応する物質が、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属重炭酸塩又はアルカリ金属水酸化物である請求項3〜6のいずれか記載のガス分離装置。
- 前記酸性ガスと可逆的に反応する物質が、炭酸ルビジウム、炭酸セシウム、炭酸水素ルビジウム、炭酸水素セシウム、水酸化ルビジウム又は水酸化セシウムである請求項3〜6のいずれか記載のガス分離装置。
- 前記酸性ガスと可逆的に反応する物質の含有量が、前記構造単位(1)を有する親水性ポリマーと、前記酸性ガスと可逆的に反応する物質との合計重量に対して、20重量%〜90重量%の範囲である請求項3〜8のいずれか記載のガス分離装置。
- 前記親水性ポリマー膜が、さらにアミノ酸又は環状アミン化合物を含む請求項7〜9のいずれか記載のガス分離装置。
- 前記アミノ酸が、グリシンである請求項10記載のガス分離装置。
- 前記酸性ガスが、炭酸ガスである請求項2〜11のいずれか記載のガス分離装置。
- 前記冷却機構が、冷却熱交換器、気泡冷却塔、スプレー噴霧冷却塔からなる群から選ばれる少なくとも一つの冷却装置である請求項1〜12のいずれか記載のガス分離装置。
- 請求項1〜13のいずれか記載のガス分離装置に、酸性ガスと水蒸気とを含む原料ガスを供給し、原料ガスから酸性ガスを分離することを特徴とする酸性ガスの分離方法。
- 第1ガス供給口及び第1ガス排出口を有する第1ガス流路と、第2ガス排出口を有する第2ガス流路とが、親水性ポリマーを含むガス分離膜で隔てられた構造を有する第1の分離膜モジュールの第1ガス供給口に、混合ガスを供給する工程と、
前記第1の分離膜モジュールの第1ガス排出口及び第2ガス排出口のそれぞれからガスを排出する工程と、
前記第1の分離膜モジュールの第1ガス排出口から排出されたガスを冷却する工程と、
前記第1の分離膜モジュールと同等の構造を有する第2の分離膜モジュールの第1ガス供給口に、前記冷却されたガスを供給する工程と、
前記第2の分離膜モジュールの第1ガス排出口及び第2ガス排出口のそれぞれからガスを排出する工程と
を含むこと特徴とするガス分離方法。 - 前記ガス分離膜が、親水性ポリマー膜と多孔膜とが積層された構造を有し、少なくとも一つの酸性ガスを選択的に透過させるものである請求項15記載のガス分離方法。
- 前記親水性ポリマー膜が、ビニルアルコールに由来する構造単位(1)を有する親水性ポリマーと、酸性ガスと可逆的に反応する物質とを含む請求項16記載のガス分離方法。
- 前記構造単位(1)を有する親水性ポリマーが、ビニルアルコールに由来する構造単位(1)とアクリル酸に由来する構造単位(2)とを有する共重合体である請求項17記載のガス分離方法。
- 前記構造単位(2)が、アクリル酸セシウム塩又はアクリル酸ルビジウム塩に由来する構造単位である請求項18記載のガス分離方法。
- 前記構造単位(1)と前記構造単位(2)とを有する共重合体における構造単位(1)の含有量が、前記構造単位(1)と前記構造単位(2)との合計含有量に対して1mol%〜90mol%である請求項18又は19記載のガス分離方法。
- 前記酸性ガスと可逆的に反応する物質が、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属重炭酸塩又はアルカリ金属水酸化物である請求項17〜20のいずれか記載のガス分離方法。
- 前記酸性ガスと可逆的に反応する物質が、炭酸ルビジウム、炭酸セシウム、炭酸水素ルビジウム、炭酸水素セシウム、水酸化ルビジウム又は水酸化セシウムである請求項17〜20のいずれか記載のガス分離方法。
- 前記酸性ガスと可逆的に反応する物質の含有量が、前記構造単位(1)を有する親水性ポリマーと、前記酸性ガスと可逆的に反応する物質との合計重量に対して、20重量%〜90重量%の範囲である請求項17〜22のいずれか記載のガス分離方法。
- 前記親水性ポリマー膜が、さらにアミノ酸又は環状アミン化合物を含む請求項21〜23のいずれか記載のガス分離方法。
- 前記アミノ酸が、グリシンである請求項24記載のガス分離方法。
- 前記酸性ガスが、炭酸ガスである請求項16〜25のいずれか記載のガス分離方法。
- 冷却前後のガスの温度差が1〜50℃の範囲である請求項15〜26のいずれか記載のガス分離方法。
- 冷却前後のガスの相対湿度差が1〜70%RHの範囲である請求項15〜27のいずれか記載のガス分離方法。
- 前記ガスを冷却する工程が、冷却熱交換器、気泡冷却塔、スプレー噴霧冷却塔からなる群から選ばれる少なくとも一つの冷却装置にて実施される請求項15〜28のいずれか記載のガス分離方法。
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