JP2019084497A - ガス分離装置及びガス分離方法 - Google Patents
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Abstract
Description
外気を遮断するための筐体と、
前記筐体の内部を満たす熱媒体の温度を調整するための熱源部と、を有し、
前記筐体は、その内部に前記分離膜モジュールを少なくとも2基以上収容している、ガス分離装置。
前記排出ガス流通配管は、前記分離膜モジュールのそれぞれが排出した前記排出ガスを集約して排出するための集合部を有し、
前記分岐部及び前記集合部のうちの少なくとも一方は、前記筐体の内部に設けられている、〔6〕に記載のガス分離装置。
前記熱源部を用いて前記熱媒体の温度を所定温度に維持するように調整する温度調整工程と、
前記分離膜モジュールに原料ガスを供給してガス分離処理を行う工程と、を有する、ガス分離方法。
図1に、本実施の形態のガス分離装置10の概略を示す一部切欠き部分を設けた斜視図を示す。本実施の形態のガス分離装置10は、原料ガスを、ガス分離膜エレメントを備えた分離膜モジュールMに供給し、原料ガス中の特定ガスを透過させるガス分離膜エレメントを透過した透過ガスと、原料ガス中のガス分離エレメントを透過しなかった非透過ガスとを分離して取り出すことができる。
ハウジング内に少なくとも1つのガス分離膜エレメントを備えた分離膜モジュールと、
外気を遮断するための筐体と、
前記筐体の内部を満たす熱媒体の温度を調整するための熱源部と、を有し、
前記筐体は、その内部に前記分離膜モジュールを少なくとも2基以上収容している。
〔ガス分離膜エレメント〕
ガス分離装置10の分離膜モジュールMに備えられるガス分離膜エレメントとしては、公知のガス分離膜エレメントを用いることができ、例えばスパイラル型、中空糸型、チューブ型、プレートアンドフレーム型、モノリス型等を挙げることができる。ガス分離膜エレメントは、例えば複数種のガスを含む原料ガスから、特定ガスを透過して分離する分離膜を含むものであれば特に限定されない。特定ガスとしては、無機ガス(窒素、酸素等)、可燃性ガス(水素、メタン等)、水蒸気、及び、酸性を示す酸性ガス(二酸化炭素、硫化水素、硫化カルボニル、硫黄酸化物(SOx)、窒素酸化物(NOx)、塩化水素等のハロゲン化水素等)等を挙げることができる。
特定ガスを含む原料ガスが流れる供給側流路部材3と、
供給側流路部材3を流れる原料ガスに含まれる特定ガスを選択的に分離して透過させるガス分離膜2と、
ガス分離膜2を透過した特定ガスを含む透過ガスが流れる透過側流路部材4と、
原料ガスと透過ガスとの混合を防止するための封止部と、
透過側流路部材4を流れる透過ガスを収集する中心管5と、を有し、
供給側流路部材3と、ガス分離膜2と、透過側流路部材4とをそれぞれ少なくとも1以上積層した積層体が、中心管5に巻回された巻回体を備えることができる。巻回体は、円筒状、角筒状等の任意の形状であってもよい。
上記反応式(1)に示すように、CO2とCO2キャリアとの可逆反応には水分が必要である。すなわち、酸性ガスがCO2であるガス分離膜2では、上記反応式(1)に示すように、膜材中の水分によって酸性ガスの透過量が変化し、膜材中の水分が高いほど酸性ガスの透過量が多くなる。
分離膜モジュールMは、ハウジング15内に、少なくとも1つのガス分離膜エレメント1を備えてなる。図3に、ガス分離膜エレメント1を示す、一部展開部分を設けた概略の斜視図を示す。図4に、ガス分離膜エレメント1をハウジング15内に配置した分離膜モジュールMの模式図を示す。
酸性ガスの回収率=(透過ガス中の酸性ガスの流量/原料ガス中の酸性ガスの流量)×100
で算出される値である。
図1に示すように、ガス分離装置10は、外気を遮断するための筐体11を備え、筐体11は、その内部に複数の分離膜モジュールMを収容することができる。本実施の形態のガス分離装置10は、筐体11内に収容された複数の分離膜モジュールMを集積して配置するものである。そのため、例えば大流量の原料ガスに対してガス分離処理を行う必要がある場合、分離膜モジュールMの集積数を増やすという簡便な方法によって、ガス分離処理の処理量を増加させることができる。なお、ガス分離処理の処理量を増加させる方法として、分離膜モジュールM内に配置する分離膜エレメントを増やすことも考えられるが、通常ハウジング15の容積には制約があるため、この方法によってガス分離処理の処理量を増加させることは難しい。
外容積効率=(分離膜モジュールMの外容積/筐体11の外容積)×100
で算出される。但し、外容積効率が小さすぎると筐体11のサイズが大きくなりすぎ、分離膜モジュールMの集積効率が低下するため、外容積効率は5%以上であることが好ましい。ここで、分離膜モジュールMの外容積とは、ガス分離膜エレメント1を配置するための空間を形成するハウジング15の胴体部分における外容積であり、ハウジング15が筒状部材及び筒状部材の軸方向両端に閉塞部材を含む場合には、筒状部材の外容積である。
ガス分離装置10は、筐体11の内部空間の温度を調整するための熱源部13を有することができる。熱源部13は、筐体11の熱媒体を加熱するための加熱部や、筐体11の熱媒体を冷却するための冷却部や、筐体11の熱媒体を加熱する機能と冷却する機能を併せ持つ加熱冷却部を挙げることができる。熱源部13を設けることにより、筐体11の内部空間を満たす熱媒体を加熱又は冷却し、筐体11内に配置された分離膜モジュールMのハウジング15や、分離膜モジュールM内のガス分離膜エレメント1及び分離膜モジュールM内を流通するガス等を、ガス分離処理を行う際に必要となる温度まで加温又は冷却するとともに、ガス分離処理中の分離膜モジュールM内を流通するガスを目的の温度に維持することができる。筐体11には、熱源部13として加熱部及び冷却部のうち一方を設けてもよいが、筐体11内の熱媒体に対して加熱及び冷却が行えるように、加熱部及び冷却部の両方を設けてもよいし、加熱冷却部を設けてもよい。
図1に示すガス分離装置10は、分離膜モジュールMに原料ガスを供給するための配管や、分離膜モジュールMから排出された透過ガスや非透過ガスを排出するための配管を設けることができる。具体的には、ガス分離装置10は、原料ガス流通配管17、透過ガス流通配管(排出ガス流通配管)18及び非透過ガス流通配管(排出ガス流通配管)19を有することができる。これらの配管は、例えば、筐体11下部(床面側)を貫通して筐体11の内部及び外部に配置される。なお、図1では、後述する分岐部20及び集合部21について、作図の都合上、図中に存在する一部の分岐部及び集合部についてのみ符号を付している。
ガス分離装置10は、圧力調整部を有していてもよい。圧力調整部は、筐体11内を満たす熱媒体が水蒸気である場合に、筐体11内を加圧又は減圧することができる。これにより、筐体11内の熱媒体である水蒸気の温度を調整することができる。また、熱媒体として水蒸気等の凝縮性成分を含む場合、筐体11内で凝縮した凝縮液を筐体11内から排出するための排出機構を有していることが好ましく、例えば、筐体11下部(床面側)を貫通して筐体11内から凝縮液を外部に排出する凝縮液排出部を設けることができる。凝縮液排出部から排出される凝縮水は連続的又は間欠的に外部に排出されることが好ましい。
本実施の形態のガス分離方法は、
上記のガス分離装置を用いたガス分離方法であって、
熱源部13を用いて、筐体11を満たす熱媒体の温度を所定温度に維持するように調整する温度調整工程と、
分離膜モジュールMに原料ガスを供給してガス分離処理を行う工程と、を有する。
・分離膜モジュールM1:
筒状部材:直径23cm、長さ1.6m、板厚0.6cmのステンレス製円筒
閉塞部材:直径38cm、板厚4.1cmのステンレス製板(筒状部材の両端部)
表面積:1.38m2(筒状部材及び閉塞部材を含む)
ガス分離膜エレメントの収容数:1基(図4(a)を参照)
・分離膜モジュールM2:
筒状部材:直径23cm、長さ2.9m、板厚0.6cmのステンレス製円筒
閉塞部材:直径38cm、板厚4.1cmのステンレス製板(筒状部材の両端部)
表面積:2.32m2(筒状部材及び閉塞部材を含む)
ガス分離膜エレメントの収容数:2基(図4(b)を参照)
・分離膜モジュールM3:
筒状部材:直径23cm、長さ5.5m、板厚0.6cmのステンレス製円筒
閉塞部材:直径38cm、板厚4.1cmのステンレス製板(筒状部材の両端部)
表面積:4.20m2(筒状部材及び閉塞部材を含む)
ガス分離膜エレメントの収容数:4基(図4(c)を参照))
・分離膜モジュールM4:
分離膜モジュールは筒状部材の外表面を覆うようにジャケットが設けられており、当該ジャケット及び閉塞部材の外表面は断熱材料を含む複合材料で覆われていること以外は、分離膜モジュールM1と同じである。但し、筒状部材の外表面にジャケットが設けられることにより、筒状部材及び閉塞部材の直径が分離膜モジュールM1の1.5倍となる。
ジャケット及び閉塞部材の外表面を覆う複合材料の総括伝熱係数:0.44W/(m2・K)
ジャケット及び閉塞部材の外表面を覆う複合材料の厚み:21cm
・分離膜モジュールM5:
分離膜モジュールは筒状部材の外表面を覆うようにジャケットが設けられており、当該ジャケット及び閉塞部材の外表面は断熱材料を含む複合材料で覆われていること以外は、分離膜モジュールM2と同じである。但し、筒状部材の外表面にジャケットが設けられることにより、筒状部材及び閉塞部材の直径が分離膜モジュールM2の1.5倍となる。
ジャケット及び閉塞部材の外表面を覆う複合材料の総括伝熱係数:0.44W/(m2・K)
ジャケット及び閉塞部材の外表面を覆う複合材料の厚み:21cm
・分離膜モジュールM6:
分離膜モジュールは筒状部材の外表面を覆うようにジャケットが設けられており、当該ジャケット及び閉塞部材の外表面は断熱材料を含む複合材料で覆われていること以外は、分離膜モジュールM3と同じである。但し、筒状部材の外表面にジャケットが設けられることにより、筒状部材及び閉塞部材の直径が分離膜モジュールM3の1.5倍となる。
ジャケット及び閉塞部材の外表面を覆う複合材料の総括伝熱係数:0.44W/(m2・K)
ジャケット及び閉塞部材の外表面を覆う複合材料の厚み:21cm
[集積形態]
・集積形態1:
分離膜モジュールMの配列:水平方向に5基×鉛直方向に5段
分離膜モジュールMの総数:25基
・集積形態2:
分離膜モジュールMの配列:水平方向に10基×鉛直方向に5段
分離膜モジュールMの総数:50基
[筐体]
・筐体M1−1:
筐体のサイズ:縦2.46m、横2.96m、高さ3.54m(直方体)
筐体の外表面積:52.98m2
筐体を構成する層の厚み:21cm
筐体を構成する層をなす材料の総括伝熱係数:0.44W/(m2・K)
分離膜モジュールの集積形態:集積形態1
収容する分離膜モジュールMのタイプ:分離膜モジュールM1
・筐体M2−1:
筐体のサイズ:縦3.76m、横2.96m、高さ3.54m(直方体)
筐体の外表面積:69.89m2
筐体を構成する層の厚み:21cm
筐体を構成する層をなす材料の総括伝熱係数:0.44W/(m2・K)
分離膜モジュールの集積形態:集積形態1
収容する分離膜モジュールMのタイプ:分離膜モジュールM2
・筐体M1−2:
筐体のサイズ:縦2.46m、横5.92m、高さ3.54m(直方体)
筐体の外表面積:88.52m2
筐体を構成する層の厚み:21cm
筐体を構成する層をなす材料の総括伝熱係数:0.44W/(m2・K)
分離膜モジュールの集積形態:集積形態2
収容する分離膜モジュールMのタイプ:分離膜モジュールM1
・筐体M2−2:
筐体のサイズ:縦3.76m、横5.92m、高さ3.54m(直方体)
筐体の外表面積:113.13m2
筐体を構成する層の厚み:21cm
筐体を構成する層をなす材料の総括伝熱係数:0.44W/(m2・K)
分離膜モジュールの集積形態:集積形態2
収容する分離膜モジュールMのタイプ:分離膜モジュールM2
・筐体M3−2:
筐体のサイズ:縦6.36m、横5.92m、高さ3.54m(直方体)
筐体の外表面積:162.34m2
筐体を構成する層の厚み:21cm
筐体を構成する層をなす材料の総括伝熱係数:0.44W/(m2・K)
分離膜モジュールの集積形態:集積形態2
収容する分離膜モジュールMのタイプ:分離膜モジュールM3
[配管]
・配管1−1
分離膜モジュールの集積形態:集積形態1
原料ガス流通配管:直径11.40cm、長さ0.83m
直径6.00cm、長さ0.67m
透過ガス流通配管:直径11.40cm、長さ0.83m
直径6.00cm、長さ0.67m
非透過ガス流通配管:直径11.40cm、長さ0.83m
直径6.00cm、長さ0.67m
表面積:1.27m2(全配管の外表面積)
・配管2−1
配管の外表面を覆うようにジャケットが設けられており、当該ジャケットの外表面は断熱材料を含む複合材料で覆われていること以外は、配管1−1と同じである。但し、配管の外表面にジャケットが設けられることにより、配管の直径が配管1−1の1.5倍となる。
配管の外表面を覆う複合材料の総括伝熱係数:0.44W/(m2・K)
配管の外表面を覆う複合材料の厚み:21cm
・配管1−2
分離膜モジュールの集積形態:集積形態2
原料ガス流通配管:直径11.40cm、長さ1.67m
直径6.00cm、長さ1.33m
透過ガス流通配管:直径11.40cm、長さ1.67m
直径6.00cm、長さ1.33m
非透過ガス流通配管:直径11.40cm、長さ1.67m
直径6.00cm、長さ1.33m
表面積:2.54m2(全配管の外表面積)
・配管2−2
配管の外表面を覆うようにジャケットが設けられており、当該ジャケットの外表面は断熱材料を含む複合材料で覆われていること以外は、配管1−2と同じである。但し、配管の外表面にジャケットが設けられることにより、配管の直径が配管1−2の1.5倍となる。
配管の外表面を覆う複合材料の総括伝熱係数:0.44W/(m2・K)
配管の外表面を覆う複合材料の厚み:21cm
[条件]
外気温を20℃とし、原料ガスを110℃の温度で分離膜モジュールMに供給したときの放熱量を、上記分離膜モジュールM及び配管の表面積及び総括伝熱係数と、各筐体及び各配管の外表面積及び総括伝熱係数とに基づいて算出した。その結果を表1に示す。
外容積効率=(分離膜モジュールの外容積/筐体の外容積)×100
に基づいて算出した。なお、分離膜モジュールの外容積は、筒状部材の外容積とした。
Claims (12)
- ハウジング内に少なくとも1つのガス分離膜エレメントを備えた分離膜モジュールと、
外気を遮断するための筐体と、
前記筐体の内部を満たす熱媒体の温度を調整するための熱源部と、を有し、
前記筐体は、その内部に前記分離膜モジュールを少なくとも2基以上収容している、ガス分離装置。 - 前記熱源部は、前記筐体の内部及び前記筐体の外部の少なくとも一方に設けられている、請求項1に記載のガス分離装置。
- 前記筐体を構成する層は、少なくとも熱抵抗値が0.1m2・K/W以上である、請求項1又は2に記載のガス分離装置。
- 前記筐体を構成する層のうち少なくとも1つの層をなす材料は、少なくとも熱伝導率が1W/(m・K)以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガス分離装置。
- 前記分離膜モジュールは、前記ハウジング内に2基以上のガス分離膜エレメントを備える、請求項1〜4のいずれか1項に記載のガス分離装置。
- さらに、前記分離膜モジュールに原料ガスを供給するための原料ガス流通配管と、前記分離膜モジュールから排出ガスを排出するための排出ガス流通配管とを備える、請求項1〜5のいずれか1項に記載のガス分離装置。
- 前記原料ガス流通配管は、前記分離膜モジュールのそれぞれに前記原料ガスを分配して供給するための分岐部を有し、
前記排出ガス流通配管は、前記分離膜モジュールのそれぞれが排出した前記排出ガスを集約して排出するための集合部を有し、
前記分岐部及び前記集合部のうちの少なくとも一方は、前記筐体の内部に設けられている、請求項6に記載のガス分離装置。 - 前記ガス分離膜エレメントに供給される原料ガスは、少なくとも水蒸気を含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載のガス分離装置。
- 前記ガス分離膜エレメントは、親水性樹脂組成物層を備えるガス分離膜を有する、請求項1〜8のいずれか1項に記載のガス分離装置。
- 前記親水性樹脂組成物層は、親水性樹脂、及び、酸性ガスと可逆的に反応する物質を含む、請求項9に記載のガス分離装置。
- 前記ガス分離膜エレメントは、スパイラル型ガス分離膜エレメントである、請求項1〜10のいずれか1項に記載のガス分離装置。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載のガス分離装置を用いたガス分離方法であって、
前記熱源部を用いて前記熱媒体の温度を所定温度に維持するように調整する温度調整工程と、
前記分離膜モジュールに原料ガスを供給してガス分離処理を行う工程と、を有する、ガス分離方法。
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