JP2020121300A - Gas separation system and gas separation method - Google Patents

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JP2020121300A JP2019231582A JP2019231582A JP2020121300A JP 2020121300 A JP2020121300 A JP 2020121300A JP 2019231582 A JP2019231582 A JP 2019231582A JP 2019231582 A JP2019231582 A JP 2019231582A JP 2020121300 A JP2020121300 A JP 2020121300A
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崇晃 三原
Takaaki Mihara
崇晃 三原
堀口 智之
Tomoyuki Horiguchi
智之 堀口
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Abstract

To provide a gas separation system which suppresses defect formation of a carbon film and can stably operate for a long term.SOLUTION: A gas separation system has a pre-processing part with a filter, and a gas separation part system with a carbon film.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ガス分離システムおよびガス分離方法に関する。 The present invention relates to a gas separation system and a gas separation method.

各種混合気体や混合液体から特定の成分を選択的に分離・精製する分離法として、膜分離法が知られている。膜分離法は、圧力差や濃度差を利用するため、他の分離法と比較して、熱エネルギーの使用量が少なく省エネルギーであることから注目されている。 A membrane separation method is known as a separation method for selectively separating and purifying a specific component from various mixed gases or mixed liquids. Since the membrane separation method utilizes a pressure difference and a concentration difference, it draws attention because it uses less heat energy and saves energy as compared with other separation methods.

発電所や製鉄所などから出る大量の二酸化炭素を分離・回収して貯留する二酸化炭素分離・貯蔵システム(CCS)における有力な手段として、膜分離法が、近年特に注目されている。特に、炭素膜は、有機溶媒に対する耐久性やガス分離性能に優れることから注目されている。しかしながら、炭素膜は、一般に炭素化が進行すると脆く、取扱性に課題があった。そこで、柔軟性に優れた炭素膜として、例えば、ポリフェニレンオキサイドを用いた中空糸炭素膜前駆体を炭素化して得られる、破断伸度が1〜4%である、中空糸炭素膜が提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、高圧条件下の分離・精製における破損を抑制した、耐圧性に優れた炭素膜として、例えば、共連続多孔構造を有するコア層と、前記コア層の周囲に形成された実質的に共連続多孔構造を有しないスキン層とを有する流体分離用炭素膜が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 In recent years, the membrane separation method has been particularly attracting attention as a powerful means in a carbon dioxide separation/storage system (CCS) that separates, collects, and stores a large amount of carbon dioxide emitted from a power plant, a steel plant, and the like. In particular, carbon membranes have attracted attention because they are excellent in durability against organic solvents and gas separation performance. However, the carbon film is generally fragile as carbonization progresses, and there is a problem in handleability. Therefore, as a carbon film having excellent flexibility, for example, a hollow fiber carbon film having a breaking elongation of 1 to 4%, which is obtained by carbonizing a hollow fiber carbon film precursor using polyphenylene oxide, has been proposed. (For example, see Patent Document 1). Further, as a carbon film excellent in pressure resistance, which suppresses damage in separation/purification under high-pressure conditions, for example, a core layer having a bicontinuous porous structure and a substantially bicontinuous formed around the core layer are used. A carbon membrane for fluid separation having a skin layer having no porous structure has been proposed (see, for example, Patent Document 2).

特開2013−71073号公報JP, 2013-71073, A 国際公開第2016/13676号International Publication No. 2016/13676

これらの技術により、炭素膜の柔軟性や耐圧性は向上するものの、天然ガスから二酸化炭素やメタンなどを分離するガス分離システムに適用すると、天然ガス中に含まれる粒子により炭素膜表面に欠陥が形成されやすい課題があることがわかった。炭素膜表面の欠陥は、長期間の運転においてガスリークを引き起こすことから、かかる欠陥を抑制することが求められる。 Although these technologies improve the flexibility and pressure resistance of the carbon film, when applied to a gas separation system that separates carbon dioxide, methane, etc. from natural gas, particles contained in natural gas cause defects on the carbon film surface. It was found that there are issues that are easily formed. Defects on the surface of the carbon film cause gas leakage during long-term operation, and therefore it is required to suppress such defects.

そこで、本発明は、炭素膜の欠陥の形成を抑制し、長期間安定して運転することができるガス分離システムを提供することを目的とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a gas separation system that suppresses the formation of defects in a carbon film and can be stably operated for a long period of time.

上記課題を解決する本発明は、フィルターを有する前処理部および炭素膜を有するガス分離部を有するガス分離システムである。 The present invention which solves the above problems is a gas separation system having a pretreatment section having a filter and a gas separation section having a carbon membrane.

本発明のガス分離システムは、炭素膜の欠陥の形成を抑制し、長期間安定して運転することができる。 The gas separation system of the present invention can suppress the formation of defects in the carbon membrane and can operate stably for a long period of time.

本発明のガス分離システムを模式的に示した概略図である。It is the schematic which showed typically the gas separation system of this invention.

<ガス分離システム>
本発明のガス分離システムは、フィルターを有する前処理部と、炭素膜を有するガス分離部とを有し、分離対象となるガスの上流側から、前処理部とガス分離部をこの順に有する。フィルターを有する前処理部は、ガス分離システムに供給されるガス流中に存在する粒子状物質を除去する作用を有し、ガス分離部は、前記前処理部から供給される粒子状物質を除去されたガス流から必要なガスを分離する作用を有する。前処理部によって粒子状物質を除去することにより、ガス分離部において粒子状物質が炭素膜に衝突することによる炭素膜表面の欠陥が抑制され、炭素膜からのガスリークを抑制して長期間安定してガス分離システムを運転することができる。さらに、前処理部とガス分離部を接続する配管、継ぎ手、バルブなどを有してもよい。また、圧力、温度、ガス組成などをモニターするための計測器を有してもよい。なお、本発明においては、ガス分離システムの全体を流れるガスをガス流、前処理部に供給されるガス流を原料ガス、前処理部を通過した後のガス流を処理後ガス、ガス分離部を通過し、炭素膜を透過したガス流を透過ガス、炭素膜を透過せず排出されるガス流を精製ガスと称する。
<Gas separation system>
The gas separation system of the present invention has a pretreatment unit having a filter and a gas separation unit having a carbon membrane, and has a pretreatment unit and a gas separation unit in this order from the upstream side of the gas to be separated. The pretreatment unit having a filter has a function of removing particulate matter existing in the gas stream supplied to the gas separation system, and the gas separation unit removes the particulate matter supplied from the pretreatment unit. It has the effect of separating the required gas from the generated gas stream. By removing the particulate matter by the pretreatment section, defects on the surface of the carbon film due to collision of the particulate matter with the carbon film in the gas separation section are suppressed, and gas leakage from the carbon film is suppressed and stable for a long period of time. Can operate the gas separation system. Further, it may have a pipe, a joint, a valve or the like for connecting the pretreatment section and the gas separation section. Further, it may have a measuring device for monitoring the pressure, temperature, gas composition and the like. In the present invention, the gas flowing through the entire gas separation system is a gas flow, the gas flow supplied to the pretreatment unit is a source gas, and the gas flow after passing through the pretreatment unit is a treated gas, a gas separation unit. The gas flow passing through the carbon film and passing through the carbon film is called a permeating gas, and the gas flow discharged without passing through the carbon film is called a purified gas.

図1に、本発明のガス分離システムの模式的概略図を示す。図1(a)は、前処理部とガス分離部を1つずつ有する構成であり、原料ガス1は、前処理部2で処理後ガス3となり、その後ガス分離部4において透過ガス5と精製ガス6として取り出される。図1(b)は、前処理部を直列に2つ有する構成であり、原料ガス1は、直列に接続された2つの前処理部2により処理後ガス3となり、ガス分離部4において透過ガス5と精製ガス6として取り出される。図1(c)は、前処理部を並列に2つ有する構成であり、原料ガス1は、並列に接続された2つの前処理部2により同時に、またはいずれかにより処理後ガス3として取り出され、ガス分離部4において透過ガス5と精製ガス6として取り出される。 FIG. 1 shows a schematic diagram of the gas separation system of the present invention. FIG. 1A shows a configuration having one pretreatment section and one gas separation section, in which the raw material gas 1 becomes the post-treatment gas 3 in the pretreatment section 2, and then the permeated gas 5 and the purification gas in the gas separation section 4. It is taken out as gas 6. FIG. 1B shows a configuration having two pretreatment units in series, and the raw material gas 1 becomes the post-treatment gas 3 by the two pretreatment units 2 connected in series, and the permeated gas in the gas separation unit 4 5 and purified gas 6 are taken out. FIG. 1C shows a configuration having two pretreatment units in parallel, and the raw material gas 1 is taken out as a post-treatment gas 3 by the two pretreatment units 2 connected in parallel, or by either of them. In the gas separation part 4, the permeated gas 5 and the purified gas 6 are taken out.

ガス分離システムは、主にプラントへ組み込まれて使用される。この場合、ガス分離システムには、必要に応じて他の機器や設備を設置してもよい。例えば、前処理部の上流側に、原料ガスの流量を計測する計量部(メータリング)や圧力計、組成分析用の計測器など、どれだけの量、どのようなガスを処理するかという観点で、適宜必要な設備を設置、導入することができる。一方、例えば、前処理部やガス分離部の下流側に、温度計、流量計、組成分析計などの計測器、タンク、乾燥器、加熱器、冷却器、熱交換器、加湿器、吸収塔など、得られた処理後ガスを次工程へ送るために何が必要であるかという観点で、適宜必要な設備を設置、導入することができる。前処理部とガス分離部との間に計測器を設けることにより、どのような組成の処理後ガスを処理するかモニターが可能になり、ガス分離システムの運転状態を把握することにより、安全に効率よくプラントを運転することができる。 The gas separation system is mainly used by being installed in a plant. In this case, other equipment and facilities may be installed in the gas separation system as needed. For example, on the upstream side of the pretreatment unit, a metering unit (metering) that measures the flow rate of the raw material gas, a pressure gauge, a measuring instrument for composition analysis, etc. Then, it is possible to install and introduce necessary equipment as needed. On the other hand, for example, a thermometer, a flow meter, a measuring instrument such as a composition analyzer, a tank, a dryer, a heater, a cooler, a heat exchanger, a humidifier, and an absorption tower are provided on the downstream side of the pretreatment unit or the gas separation unit. From the viewpoint of what is required to send the obtained post-treatment gas to the next step, it is possible to appropriately install and introduce necessary equipment. By installing a measuring instrument between the pretreatment unit and the gas separation unit, it is possible to monitor what composition of gas is processed and to safely monitor the operation status of the gas separation system. The plant can be operated efficiently.

本発明のガス分離システムは、天然ガスから二酸化炭素とメタンを分離するガス分離システムとして好適に用いることができる。 The gas separation system of the present invention can be suitably used as a gas separation system for separating carbon dioxide and methane from natural gas.

<前処理部>
前処理部は、フィルターを有する。さらに、フィルターを保持して原料ガスの流路を形成するフィルターハウジングを有することが好ましい。
<Pre-processing unit>
The pretreatment unit has a filter. Furthermore, it is preferable to have a filter housing that holds the filter and forms the flow path of the source gas.

前処理部は、複数のフィルターを有することが好ましい。複数のフィルターの配置は特に限定されず、直列に配置しても並列に配置してもよく、直列と並列を組み合わせて配置してもよい。複数のフィルターを直列に配置すると、上流側のフィルターにより粒子が捕集されない場合であっても、フィルターにより粒子の速度が低下することから、下流側のフィルターにより粒子を捕集しやすくなる。また、上流側のフィルターで粗大な粒子を先に捕集し、下流側のフィルターの目詰まりを抑制することができる。このため、全体の粒子捕集率を向上させることができる。一方、複数のフィルターを並列に配置すると、原料ガス流の体積流量に対する断面積が増大することから、一時的に原料ガス流の流速を低下させることができ、フィルターにより粒子を捕集しやすくすることができる。直列と並列を組み合わせる場合、上流側において並列、下流側において直列に配置してもよいし、上流側において直列、下流側において並列に配置してもよい。また、上流と下流の間に中流を設け、上流側と下流側において直列、中流側において並列に配置するなど、複数のフィルターを任意に配置、設計することができる。フィルター交換時に原料ガスを一旦停止させる観点から、前処理部におけるフィルター配置は、一部に並列部を設けて、フィルター交換時においても、フィルター交換のために一旦停止したライン以外のラインを活用して、ガス分離システムの運転を継続する仕組みを有することが好ましい。 The pretreatment unit preferably has a plurality of filters. The arrangement of the plurality of filters is not particularly limited, and may be arranged in series or in parallel, or may be arranged in combination with series and parallel. When a plurality of filters are arranged in series, even if particles are not collected by the upstream filter, the speed of the particles is reduced by the filter, so that the particles are easily collected by the downstream filter. Further, it is possible to collect coarse particles first by the upstream filter and suppress clogging of the downstream filter. Therefore, the overall particle collection rate can be improved. On the other hand, when a plurality of filters are arranged in parallel, the cross-sectional area with respect to the volumetric flow rate of the raw material gas flow increases, so that the flow velocity of the raw material gas flow can be temporarily reduced, and the particles can be easily collected by the filter. be able to. When combining series and parallel, they may be arranged in parallel on the upstream side and in series on the downstream side, or may be arranged in series on the upstream side and parallel on the downstream side. Further, a plurality of filters can be arbitrarily arranged and designed by providing a middle stream between the upstream side and the downstream side and arranging them in series on the upstream side and the downstream side and in parallel on the middle stream side. From the viewpoint of temporarily stopping the raw material gas during filter replacement, the filter arrangement in the pre-treatment section is provided with a parallel part in part, and even during filter replacement, use lines other than the line that was temporarily stopped for filter replacement. Therefore, it is preferable to have a mechanism for continuing the operation of the gas separation system.

前処理部には、さらに、粗精製用のフィルターを設けることも好ましい。非常に大きな粒子が前処理部のフィルターへ捕集されると、圧力損失の拡大が早期に発生する場合がある。粗精製用のフィルターにより、このような大きな粒子を先に捕集することにより、より条期間安定して運転することができる。 It is also preferable to further provide a filter for rough purification in the pretreatment section. If very large particles are collected by the filter of the pretreatment section, the pressure loss may spread at an early stage. By collecting such large particles first with the filter for rough purification, stable operation can be performed for a longer period.

前処理部のフィルターの詳細については後述する。 Details of the filter of the preprocessing unit will be described later.

フィルターハウジングの材質は、ガス分離システムの運転条件である圧力や温度、ガス組成に応じて適宜選択することが好ましい。また、特に1MPa以上の高圧でガス分離システムを運転する場合、耐圧性の観点から、フィルターハウジングは、少なくとも一部に円、楕円および/または円弧形状の部分を有することが好ましく、フィルターハウジングの内部は、パイプ状の構造を基本とした形状を有することが好ましい。フィルターハウジングの厚みは、ガス分離システムの運転条件によって安全上問題のない必要厚みが確保されていることが好ましく、強度計算されたものを使用することが好ましい。 The material of the filter housing is preferably selected appropriately according to the operating conditions of the gas separation system such as pressure, temperature and gas composition. Further, particularly when the gas separation system is operated at a high pressure of 1 MPa or more, from the viewpoint of pressure resistance, the filter housing preferably has at least a part having a circular, elliptical, and/or arc-shaped portion. Preferably has a shape based on a pipe-shaped structure. As for the thickness of the filter housing, it is preferable that a necessary thickness that does not cause a safety problem is secured depending on the operating conditions of the gas separation system, and it is preferable to use the one whose strength has been calculated.

<フィルター>
フィルターの形状としては、例えば、ガス流の上流側からみた時の形状が矩形、円形、多角形であるものなどが挙げられる。フィルターの製造しやすさの観点から、形状は矩形や多角形が好ましい。一方、原料ガスの偏流を抑制して均一に流れやすくする観点から、形状は円形が好ましい。フィルターの形状は、ガス分離システム全体の効率や運用コストに応じて、適宜選択することが好ましい。
<Filter>
Examples of the shape of the filter include those having a rectangular, circular, or polygonal shape when viewed from the upstream side of the gas flow. From the viewpoint of ease of manufacturing the filter, the shape is preferably rectangular or polygonal. On the other hand, the shape is preferably circular from the viewpoint of suppressing uneven flow of the raw material gas and facilitating uniform flow. The shape of the filter is preferably selected as appropriate according to the efficiency of the gas separation system and the operating cost.

フィルターの材質は、空隙や孔を有することが好ましく、空隙や孔により粒子を捕集することができる。例えば、繊維集合体や、粒子を連結した多孔質体などが挙げられる。繊維集合体とは、2以上の繊維が集合しているものを指し、繊維への粒子の衝突や、各繊維間の空隙における粒子の捕捉などにより、粒子を捕集することができる。粒子を連結した多孔質体は、粒子が連結された部分と、各粒子間の空隙を有し、各粒子間の空隙が多孔質を形成する。フィルターの材質は、ガス分離システムにより処理する原料ガスの種類や、原料ガスに含まれる粒子の形状・粒径などの条件により、適宜選択することが好ましい。 The material of the filter preferably has voids or pores, and particles can be collected by the voids or pores. For example, a fiber aggregate or a porous body in which particles are connected may be used. The fiber aggregate refers to an aggregate of two or more fibers, and particles can be collected by collision of particles with the fibers, capture of particles in voids between the fibers, and the like. The porous body in which the particles are connected has a portion in which the particles are connected and voids between the particles, and the voids between the particles form porosity. The material of the filter is preferably selected as appropriate according to conditions such as the type of raw material gas processed by the gas separation system and the shape and particle size of the particles contained in the raw material gas.


フィルターが繊維集合体により形成される場合、繊維集合体を構成する繊維は長繊維でも短繊維でもよく、その直径、断面形状なども特に限定されない。繊維としては、例えば、高分子繊維や無機繊維などが挙げられる。これらの中でも、成形性や柔軟性に優れる、高分子繊維が好ましい。さらに、高分子繊維は無機繊維に比べて柔軟であることから、フィルターから脱落した場合であっても、ガス分離部の破損などの欠陥をより抑制することができる。つまり本発明のガス分離システム中の前処理部のフィルターは、高分子繊維から構成されることが好ましい。一方、ガラス繊維や炭素繊維などの無機繊維は、フィルターの耐熱性や耐薬品性を向上させることができる点で好ましい。また、繊維集合体の形態としては、例えば、織物、編物、不織布などが挙げられる。繊維集合体の形成しやすさの観点から、不織布が好ましい。これら繊維集合体を構成する方法は特に限定されず、従来公知の方法を用いることができる。

When the filter is formed of a fiber assembly, the fibers forming the fiber assembly may be long fibers or short fibers, and the diameter and cross-sectional shape thereof are not particularly limited. Examples of fibers include polymer fibers and inorganic fibers. Among these, polymer fibers, which are excellent in moldability and flexibility, are preferable. Further, since the polymer fiber is softer than the inorganic fiber, even when the polymer fiber is dropped from the filter, defects such as breakage of the gas separation portion can be further suppressed. That is, the filter of the pretreatment section in the gas separation system of the present invention is preferably composed of polymer fibers. On the other hand, inorganic fibers such as glass fibers and carbon fibers are preferable in that the heat resistance and chemical resistance of the filter can be improved. Examples of the form of the fiber assembly include woven fabric, knitted fabric, and non-woven fabric. A nonwoven fabric is preferable from the viewpoint of easy formation of the fiber aggregate. The method for forming these fiber aggregates is not particularly limited, and a conventionally known method can be used.

高分子繊維のうち、汎用高分子繊維は運転費用を安価にすることができ、エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチック類を原料とする耐熱高分子繊維は、フィルターの耐熱性、耐薬品性を向上させることができる。ガス分離システムにより処理するガスの温度が100℃未満であれば、汎用高分子繊維が好ましく、ガスの温度が100℃以上であれば、耐熱高分子繊維が好ましい。一方、天然ガスを処理する場合には、地中から噴出する天然ガス中に含まれる不純物に対して耐性を持つ材質が好ましく、結晶性または半結晶性の高分子繊維が好ましい。 Among polymer fibers, general-purpose polymer fibers can reduce operating costs, and heat-resistant polymer fibers made from engineering plastics and super-engineering plastics can improve heat resistance and chemical resistance of filters. You can When the temperature of the gas processed by the gas separation system is less than 100°C, general-purpose polymer fibers are preferable, and when the gas temperature is 100°C or higher, heat-resistant polymer fibers are preferable. On the other hand, when treating natural gas, a material having resistance to impurities contained in the natural gas ejected from the ground is preferable, and crystalline or semi-crystalline polymer fiber is preferable.

前記高分子繊維は、結晶性を持つものであると、不純物に対して結晶部分が溶解、膨潤を防止する機能を負担して、繊維の形態を保持することができることから、フィルターを構成する高分子繊維が結晶性を有する高分子(以下、結晶性高分子、という)から構成されることが好ましい。ここで「結晶性を有する」とは、10℃/分の昇温速度で高分子を示差走査熱量測定した際に、融解時に吸熱ピークを有することをいう。 When the polymer fiber has crystallinity, it has a function of preventing the crystal part from dissolving and swelling with respect to impurities, and can maintain the morphology of the fiber. It is preferable that the molecular fiber is composed of a polymer having crystallinity (hereinafter referred to as a crystalline polymer). Here, “having crystallinity” means having an endothermic peak upon melting when the polymer is subjected to differential scanning calorimetry at a temperature rising rate of 10° C./min.

高分子繊維を構成する結晶性高分子は、前記特性を有するものであれば特に限定されない。また前記結晶性高分子は、ガラス転移点温度が200℃未満であることが好ましい。ガラス転移点温度が200℃未満であれば、結晶性高分子を構成する非晶部分の運動性が高く、原料ガス中に含まれる不純物の一種である粒子が繊維に衝突した際に、熱損失として粒子の運動エネルギーを効率よく分散させることが可能になる。この観点から、結晶性高分子のガラス転移点温度は、150℃未満であることが好ましく、120℃未満であることが更に好ましい。ガラス転移点温度の下限は特に限定されないが、運転温度での繊維形態保持を目的とした場合は高い方が好ましいため、50℃以上であることが好ましい。なお、ガラス転移点温度は、先に記載の示差走査熱量測定時に観測される2次相転移に対応するベースラインの変化から解析される温度である。 The crystalline polymer that constitutes the polymer fiber is not particularly limited as long as it has the above characteristics. The crystalline polymer preferably has a glass transition temperature of less than 200°C. If the glass transition temperature is lower than 200°C, the amorphous part constituting the crystalline polymer has high mobility, and heat loss occurs when particles, which are a kind of impurities contained in the raw material gas, collide with the fiber. As a result, the kinetic energy of particles can be efficiently dispersed. From this viewpoint, the glass transition temperature of the crystalline polymer is preferably less than 150°C, more preferably less than 120°C. Although the lower limit of the glass transition temperature is not particularly limited, it is preferably 50° C. or higher because it is preferably high for the purpose of maintaining the fiber form at the operating temperature. The glass transition temperature is the temperature analyzed from the change in the baseline corresponding to the secondary phase transition observed during the differential scanning calorimetry described above.

また前記高分子繊維を構成する結晶性高分子の融点は、150℃以上であることが結晶部分の機能である耐熱性、耐薬品性を高いレベルで達成することが可能になるため好ましい。融点は高いほど耐熱性、耐薬品性を高いレベルに引き上げることが可能になるため好ましいが、一方で溶融紡糸などの成型加工時の温度を低温化してコストを安価に抑える観点からは、低い方が好ましい。これらの観点から融点は、150℃以上かつ350℃未満であることが好ましく、180℃以上かつ300℃未満であることがより好ましい。なお結晶性高分子の融点は、前記示差走査熱量測定を行った際に観測される吸熱ピークのピークトップを示す温度をいう。 Further, the melting point of the crystalline polymer constituting the polymer fiber is preferably 150° C. or higher because it is possible to achieve a high level of heat resistance and chemical resistance which are functions of the crystal part. The higher the melting point, the better the heat resistance and chemical resistance can be raised, but on the other hand, from the viewpoint of lowering the temperature during molding processing such as melt spinning and keeping the cost low, the lower melting point is preferable. Is preferred. From these viewpoints, the melting point is preferably 150° C. or higher and lower than 350° C., and more preferably 180° C. or higher and lower than 300° C. The melting point of the crystalline polymer means the temperature at which the peak top of the endothermic peak observed when the differential scanning calorimetry is performed is shown.

フィルターが多孔質体から形成される場合、多孔質体としては、高分子多孔質体や無機多孔質体などが挙げられる。高分子多孔質体を構成する高分子としては、例えば、汎用高分子や、エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチックなどの耐熱高分子の粒子が挙げられる。繊維集合体の場合と同様に、ガス分離システムが処理するガスの温度によって適宜材質を選択することが好ましい。一方、無機多孔質体を構成する無機材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ、カーボンなどの粒子が挙げられる。これらを2種以上用いてもよい。 When the filter is formed of a porous body, examples of the porous body include a polymer porous body and an inorganic porous body. Examples of the polymer that constitutes the polymer porous body include general-purpose polymers and particles of heat-resistant polymers such as engineering plastics and super engineering plastics. As in the case of the fiber assembly, it is preferable to appropriately select the material depending on the temperature of the gas processed by the gas separation system. On the other hand, examples of the inorganic material forming the inorganic porous body include particles of alumina, zirconia, silica, carbon and the like. You may use 2 or more types of these.

これらのうち、無機多孔質体は耐熱性や耐薬品性に優れることから、フィルターの形状変化が少なく、長期間安定して粒子を除去することができる。このため、炭素膜の欠陥をより抑制し、より長期間安定してガス分離システムを運転することができる。特に、原料ガスが水分を含む場合、フィルターの劣化を抑制する観点から、アルミナ、ジルコニアがより好ましい。 Among these, since the inorganic porous material is excellent in heat resistance and chemical resistance, the shape change of the filter is small and the particles can be stably removed for a long period of time. Therefore, defects in the carbon membrane can be further suppressed, and the gas separation system can be stably operated for a longer period of time. In particular, when the source gas contains water, alumina and zirconia are more preferable from the viewpoint of suppressing deterioration of the filter.

多孔質体を構成する粒子の大きさ、形状等について特に限定されない。多孔質体を構成する粒子の平均直径は、大きいほど孔を大きくして圧力損失を低減することができることから、0.05μm以上が好ましく、0.1μm以上がより好ましい。一方、多孔質体を構成する粒子の平均直径は、小さいほど孔を小さくして粒子をより捕集しやすくすることができることから、1,000μm以下が好ましく、300μm以下がより好ましい。粒子の平均直径は、粒子の破断面を形成し、電子顕微鏡を用いてその破断面を拡大観察し、無作為に選択した20個の粒子の断面積を計測して相当する円の直径として測定し、その相加平均値を算出することにより測定することができる。 The size, shape, etc. of the particles forming the porous body are not particularly limited. The average diameter of the particles forming the porous body is preferably 0.05 μm or more, and more preferably 0.1 μm or more, because the larger the diameter is, the larger the pores can be and the pressure loss can be reduced. On the other hand, the average diameter of the particles constituting the porous body is preferably 1,000 μm or less, more preferably 300 μm or less, because the smaller the diameter, the smaller the pores and the more easily the particles can be collected. The average diameter of the particles is measured as the diameter of the corresponding circle by forming a fractured surface of the particle, observing the fractured surface magnified using an electron microscope, and measuring the cross-sectional area of 20 randomly selected particles. However, it can be measured by calculating the arithmetic mean value thereof.

また、多孔質体の孔径は、大きいほど圧力損失を低減することができることから、0.1μm以上が好ましい。一方、多孔質体の孔径は、小さいほど粒子をより捕集しやすくすることができることから、1,000μm以下が好ましく、300μm以下がより好ましい。多孔質体の孔径は、0.2μm以下の場合には窒素吸着法により、0.2μm以上の場合にはJIS R1655:2003に規定の水銀圧入法により、測定することができる。窒素吸着法は、Barrett-Joyner-Halendaの標準モデルに従って円筒状と仮定した細孔の直径に対する細孔容積の分布を解析するBJH法を用いる(詳細はJ.Amer.Chem.Soc.,73,373,1951等を参照)。 Further, the larger the pore size of the porous body, the more the pressure loss can be reduced, so that the pore size is preferably 0.1 μm or more. On the other hand, the pore size of the porous body is preferably 1,000 μm or less, more preferably 300 μm or less, because the smaller the diameter, the easier the particles can be collected. The pore diameter of the porous body can be measured by a nitrogen adsorption method when it is 0.2 μm or less, and by a mercury intrusion method specified in JIS R1655:2003 when it is 0.2 μm or more. The nitrogen adsorption method uses the BJH method for analyzing the distribution of pore volume with respect to the diameter of pores assumed to be cylindrical according to the Barrett-Joyner-Halenda standard model (for details, see J. Amer. Chem. Soc., 73, 373, 1951 etc.).

フィルターが多孔質体から形成される場合、特性を損なわない範囲で、さらにバインダーなどの添加物を含有してもよい。 When the filter is formed of a porous material, it may further contain additives such as a binder, as long as the characteristics are not impaired.

フィルターのJIS B9908:2011の試験方法形式2に規定の0.4μm初期粒子捕集率は、70%以上が好ましい。本発明者らの検討により、直径0.4μm以上の大きな粒子は質量も大きいことから、炭素膜表面に衝突した場合の衝撃力が相対的に大きくなり、炭素膜の欠陥の発生を引き起こしやすい傾向にあることが分かった。そこで、本発明においては、0.4μm初期粒子捕集率に着目した。0.4μm初期粒子捕集率が高いほど捕集される粒子が多くなり、炭素膜への粒子衝突頻度を低減することができることから、炭素膜の欠陥の形成をより抑制し、ガス分離システムをより長期間安定して運転することができる。フィルターの0.4μm初期粒子捕集率は80%以上がより好ましい。一方、0.4μm初期粒子捕集率が低いほどフィルターの圧力損失が低減し、ガス分離システムの運転効率を向上させることができる。フィルターの0.4μm初期粒子捕集率は95%以下がより好ましく、90%以下がさらに好ましい。なお、フィルターを複数有する場合には、少なくとも1つのフィルターの0.4μm初期粒子捕集率が上記範囲にあることが好ましい。 The 0.4 μm initial particle collection rate defined in the test method type 2 of JIS B9908:2011 of the filter is preferably 70% or more. According to the studies made by the present inventors, since large particles having a diameter of 0.4 μm or more have a large mass, the impact force when they collide with the surface of the carbon film becomes relatively large, which tends to cause defects in the carbon film. I found out that Therefore, in the present invention, attention was paid to the 0.4 μm initial particle collection rate. The higher the 0.4 μm initial particle collection rate, the more particles will be collected, and the frequency of particle collisions with the carbon film can be reduced, so that the formation of defects in the carbon film can be further suppressed and the gas separation system can be used. It can be operated stably for a longer period of time. The 0.4 μm initial particle collection rate of the filter is more preferably 80% or more. On the other hand, as the 0.4 μm initial particle collection rate is lower, the pressure loss of the filter is reduced, and the operation efficiency of the gas separation system can be improved. The 0.4 μm initial particle collection rate of the filter is more preferably 95% or less, further preferably 90% or less. When a plurality of filters are provided, the 0.4 μm initial particle collection rate of at least one filter is preferably within the above range.

フィルターの0.4μm初期粒子捕集率は、例えば、繊維集合体の場合、繊維直径を細くすること、目付を大きくすること、繊維への表面処理などにより粒子を付着しやすくすることなどにより、高めることができる。繊維直径は、細いほどフィルターとしての圧力損失を低減し、0.4μm初期粒子捕集率を向上させることができる。繊維直径は、300μm以下が好ましく、100μm以下がより好ましい。一方、繊維直径は、太いほど強力が高くなり、運転中の繊維の破断を抑制することができる。繊維直径は、0.1μm以上が好ましい。また、フィルターの目付は、高いほど0.4μm初期粒子捕集率を高めることができる。フィルターの目付は、50g/m以上が好ましく、70g/m以上がより好ましい。一方、フィルターの目付は、低いほどフィルター前後における圧力損失を低減し、ガス分離システム全体の効率を高めることができる。フィルターの目付は、1,000g/m以下が好ましく、700g/m以下がより好ましい。 The 0.4 μm initial particle collection rate of the filter is, for example, in the case of a fiber assembly, by decreasing the fiber diameter, increasing the basis weight, and facilitating the adhesion of particles by surface treatment to the fiber, Can be increased. As the fiber diameter is smaller, the pressure loss as a filter can be reduced, and the 0.4 μm initial particle collection rate can be improved. The fiber diameter is preferably 300 μm or less, more preferably 100 μm or less. On the other hand, the thicker the fiber diameter, the higher the strength, and the breakage of the fiber during operation can be suppressed. The fiber diameter is preferably 0.1 μm or more. Further, the higher the basis weight of the filter, the higher the 0.4 μm initial particle collection rate can be. The basis weight of the filter is preferably 50 g/m 2 or more, more preferably 70 g/m 2 or more. On the other hand, the lower the basis weight of the filter, the more the pressure loss before and after the filter can be reduced, and the efficiency of the entire gas separation system can be increased. Basis weight of the filter is preferably from 1,000 g / m 2 or less, 700 g / m 2 or less is more preferable.

前処理部がフィルターを複数有する場合、最も上流側に位置するフィルターの0.4μm初期粒子捕集率よりも、最も下流側に位置するフィルターの0.4μm初期粒子捕集率が高いことが好ましい。粒径が大きい粒子は目の粗いフィルターに、粒径が小さいものは目の細かいフィルターに捕捉されるようにフィルターの構成を設定することにより、フィルターの閉塞に起因する圧力損失の拡大を抑制し、ガス分離システムをより長期間安定して運転することができる。これらの観点から、フィルターを複数有する場合のフィルターの0.4μ初期粒子捕集率は、上流側が70〜80%、下流側が80%以上であることが好ましい。 When the pretreatment unit has a plurality of filters, it is preferable that the 0.4 μm initial particle collection rate of the most downstream filter is higher than the 0.4 μm initial particle collection rate of the most upstream filter. .. By setting the filter configuration so that particles with a large particle size are captured by a coarse filter and particles with a small particle size are captured by a fine filter, the expansion of pressure loss due to blockage of the filter is suppressed. Therefore, the gas separation system can be stably operated for a longer period of time. From these points of view, the 0.4μ initial particle collection rate of the filter in the case of having a plurality of filters is preferably 70 to 80% on the upstream side and 80% or more on the downstream side.

また、前述の粗精製用のフィルターを有する場合、粗精製用フィルターの100μm初期粒子捕集率は50%以上が好ましく、70%以上がより好ましい。 Further, when the above-mentioned filter for rough purification is included, the 100 μm initial particle collection rate of the filter for rough purification is preferably 50% or more, more preferably 70% or more.

また、フィルターは、フィルターを通過した後のガス1mに残存する5μm以上の粒子数が30万個以下となるものが好ましい。5μm以上の粒子は、ガス流に乗って炭素膜に衝突した際に、質量が大きく、衝撃力が高くなるため、5μm以上の粒子は前処理部において取り除かれていることが好ましい。このことから、フィルター通過後の5μm以上の粒子数は3万個以下が好ましく、1万個以下がより好ましく、3,000個以下がさらに好ましい。なお、5μm以上の粒子数は、従来公知のパーティクルカウンター等を用いて計測することができる。5μm以上の粒子数を低減する手段としては、例えば、前述の好ましいフィルターを用いる方法、複数のフィルターを設ける方法などが挙げられる。 Further, the filter is preferably one in which the number of particles of 5 μm or more remaining in 1 m 3 of the gas after passing through the filter is 300,000 or less. Particles of 5 μm or more have a large mass and a high impact force when they collide with the carbon film while riding on a gas flow, and therefore particles of 5 μm or more are preferably removed in the pretreatment section. From this, the number of particles of 5 μm or more after passing through the filter is preferably 30,000 or less, more preferably 10,000 or less, and further preferably 3,000 or less. The number of particles of 5 μm or more can be measured using a conventionally known particle counter or the like. Examples of means for reducing the number of particles having a particle size of 5 μm or more include a method using the above-described preferable filter and a method of providing a plurality of filters.

<ガス分離部>
本発明のガス分離システムは、分離膜である炭素膜を有するガス分離部を有する。ガス分離部は、さらに、ガス流路を制限するポッティング剤で固定された端部を有するエレメント、エレメントを収納する容器であるベッセルを有することが好ましい。
<Gas separation part>
The gas separation system of the present invention has a gas separation unit having a carbon membrane that is a separation membrane. It is preferable that the gas separation unit further has an element having an end fixed with a potting agent that restricts a gas flow path, and a vessel that is a container for housing the element.

<炭素膜>
本発明における炭素膜とは、その構成元素の50%以上が炭素からなる膜を指し、例えば、原料繊維を加熱して炭化した膜などが挙げられる。炭素膜は、支持体表面に形成されていてもよい。炭素量が多くなるほど膜性能や耐薬品性、耐熱性に優れる一方、炭素量が少なくなるほど柔軟で破壊に対する耐性が向上する。これらの特性をバランスさせる観点から、炭素量は50〜99%が好ましく、70〜90%がより好ましい。
<Carbon film>
The carbon film in the present invention refers to a film in which 50% or more of its constituent elements are made of carbon, and examples thereof include a film obtained by heating and carbonizing raw material fibers. The carbon film may be formed on the surface of the support. As the amount of carbon increases, the film performance, chemical resistance, and heat resistance become better, while as the amount of carbon decreases, the film becomes softer and more resistant to breakage. From the viewpoint of balancing these characteristics, the amount of carbon is preferably 50 to 99%, more preferably 70 to 90%.

炭素膜には、炭素以外の元素を含有してもよい。炭素以外の構成元素としては、例えば、水素、酸素、窒素、ホウ素、硫黄、珪素、アルカリ金属、アルカリ土類金属などが挙げられる。二酸化炭素を選択的に分離する場合には、窒素を0.1〜10%含有することが好ましく、炭素膜と二酸化炭素との親和性を向上させることができる。窒素量は高いほど二酸化炭素との親和性が高くなる一方、低いほど炭素膜の耐熱性や耐薬品性を向上させることができる。これらのバランスから、窒素量は0.1〜5%がより好ましく、0.3〜3%がさらに好ましい。また、珪素を0.1〜5%含有することにより、時間経過に伴う膜性能の変化を小さくすることができる。珪素量は多いほど膜性能の変化を小さくできる一方、低いほど膜性能そのものを高くできる傾向にある。これらの観点から、珪素量は0.1〜3%がより好ましく、0.2〜1%がさらに好ましい。 The carbon film may contain an element other than carbon. Examples of constituent elements other than carbon include hydrogen, oxygen, nitrogen, boron, sulfur, silicon, alkali metals, and alkaline earth metals. In the case of selectively separating carbon dioxide, it is preferable to contain nitrogen in an amount of 0.1 to 10%, and the affinity between the carbon film and carbon dioxide can be improved. The higher the amount of nitrogen, the higher the affinity with carbon dioxide, while the lower the amount, the more improved the heat resistance and chemical resistance of the carbon film. From these balances, the amount of nitrogen is more preferably 0.1 to 5%, further preferably 0.3 to 3%. Further, by containing silicon in an amount of 0.1 to 5%, it is possible to reduce the change in film performance over time. The larger the amount of silicon, the smaller the change in film performance, while the lower the amount, the higher the film performance itself tends to be. From these viewpoints, the amount of silicon is more preferably 0.1 to 3%, further preferably 0.2 to 1%.

本発明における上記元素量は、X線光電子分光分析により求めることができる。なお、上記元素量は基本的に炭素膜表面における値であるが、環境からのコンタミネーションを防止する観点から、アルゴンイオンビーム等を用いて炭素膜表面を10nm程度クリーニングしてから測定することが好ましい。 The amount of the above element in the present invention can be determined by X-ray photoelectron spectroscopy analysis. Note that the above element amount is basically a value on the surface of the carbon film, but it may be measured after cleaning the surface of the carbon film by about 10 nm using an argon ion beam or the like from the viewpoint of preventing contamination from the environment. preferable.

<エレメント>
エレメントは、炭素膜と炭素膜を固定しつつガス流を制限するためのポッティング剤で固定された端部を少なくとも1箇所有する。さらに、炭素膜の破損をより抑制する観点で、テンションメンバーや外筒、内筒などの力学的に炭素膜を保護する部材や、ガス流を制限するためのシール部材などを有してもよい。
<Element>
The element has at least one end fixed with a carbon film and a potting agent for restricting the gas flow while fixing the carbon film. Further, from the viewpoint of further suppressing the damage of the carbon film, a member for mechanically protecting the carbon film such as a tension member, an outer cylinder, an inner cylinder, or a sealing member for restricting a gas flow may be provided. ..

ポッティング剤としては、例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などの高分子が挙げられる。熱可塑性樹脂は一般に耐薬品性に優れることから、ガス分離システムが有機溶媒となりうる不純物を含む原料ガスを処理する場合に好適である。一方、熱硬化性樹脂は、硬化前の流動性が高い場合が多く、炭素膜と炭素膜との間や、炭素膜と他の部材の間に浸透されやすく、ガス流のリークをより抑制することができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリエーテル、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネートなどが挙げられる。これらを2種以上組み合わせてもよい。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが挙げられる。これらを2種以上組み合わせてもよい。 Examples of the potting agent include polymers such as thermoplastic resins and thermosetting resins. Since the thermoplastic resin is generally excellent in chemical resistance, it is suitable for the case where the gas separation system processes a raw material gas containing impurities that can become an organic solvent. On the other hand, the thermosetting resin often has high fluidity before curing, and is easily penetrated between the carbon film and the carbon film or between the carbon film and other members, thereby further suppressing gas flow leakage. be able to. Examples of the thermoplastic resin include polyolefin such as polyethylene and polypropylene, polyether, polyester, polyamide, polyimide, polyetherimide, polyamideimide, polysulfone, polyethersulfone, and polycarbonate. You may combine 2 or more types of these. Examples of the thermosetting resin include epoxy resin, urethane resin, melamine resin, unsaturated polyester resin and the like. You may combine 2 or more types of these.

テンションメンバーは、炭素膜をポッティング剤で固定する場合に、2以上の固定端を持つエレメントとした場合、固定端と他の固定端までの炭素膜が引張によって破断することを抑制する作用を有する。例えば、針金、テグス、棒状、パイプ状、平板状などのものを選択することができる。入手が容易で、エレメント中の炭素膜量を高められることから、針金、テグスが好ましい。針金の材質としては、銅、鉄、ステンレスなどが例示され、耐薬品性と強度の観点から、ステンレスが好ましい。テグスの材質としては、例えば、ポリエステル、ポリアミドなどが挙げられる。 When fixing the carbon film with a potting agent, the tension member has an action of suppressing the carbon film from the fixed end to the other fixed end from being broken by tension when the element has two or more fixed ends. .. For example, a wire, a gut, a rod, a pipe, a flat plate, or the like can be selected. Wire and Tegus are preferable because they are easily available and can increase the amount of carbon film in the element. Examples of the material of the wire include copper, iron and stainless steel, and stainless steel is preferable from the viewpoint of chemical resistance and strength. Examples of the material of Tegus include polyester and polyamide.

外筒や内筒は、炭素膜を保護する作用を有する。外筒を用いることにより、外力による炭素膜の破断をより抑制することができる。外筒の材質としては、例えば、金属や高分子、木材などが挙げられ、金属、高分子が好ましい。金属としては、例えば、銅、鉄、アルミニウム、ステンレスなどが例示され、加工性や入手性の観点から、アルミニウムが好ましい。高分子としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミドなどが挙げられる。耐薬品性、耐熱性の観点から、適宜選択することができる。 The outer cylinder and the inner cylinder have a function of protecting the carbon film. By using the outer cylinder, breakage of the carbon film due to external force can be further suppressed. Examples of the material of the outer cylinder include metals, polymers and wood, and metals and polymers are preferable. Examples of the metal include copper, iron, aluminum, and stainless steel, and aluminum is preferable from the viewpoint of workability and availability. Examples of the polymer include polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polymethylmethacrylate, polyetheretherketone, polyamideimide, polyimide, polyetherimide and the like. It can be appropriately selected from the viewpoints of chemical resistance and heat resistance.

シール材は、本発明のガス分離システムが処理するガス流の種類に応じて適宜選択することが好ましい。ガス流に有機溶媒となる成分が不純物として含まれる場合には、耐薬品性を考慮してフッ素系樹脂を使用することが好ましい。 The sealing material is preferably selected appropriately according to the type of gas stream processed by the gas separation system of the present invention. When the gas stream contains a component that becomes an organic solvent as an impurity, it is preferable to use a fluororesin in consideration of chemical resistance.

<ベッセル>
ベッセルの形状としては、例えば、円筒、二重円筒や、直方体、角柱などを含む多面体などが挙げられる。円筒や角柱は、ガス流路を制限しやすく、また、ベッセルを構成するパーツ間におけるシール性を確保しやすいことから好ましい。特に、円筒状でフランジシールされた形状が好ましく、施工、運用を容易にすることができる。
<Vessel>
Examples of the shape of the vessel include a cylinder, a double cylinder, a rectangular parallelepiped, and a polyhedron including a prism. A cylinder or a prism is preferable because it is easy to limit the gas flow path and it is easy to secure the sealing property between the parts forming the vessel. In particular, a cylindrical shape and a flange-sealed shape are preferable, and construction and operation can be facilitated.

<ガス分離方法>
本発明のガス分離方法は、前述のガス分離システムを用いて、前処理部において原料ガスから粒子を除去した後、ガス分離部において特定のガスを分離する方法である。分離する原料ガスとしては、前処理部において粒子を除去することができるため、不純物として粒子を含有しやすい天然ガスが好ましく、天然ガスから二酸化炭素とメタンを分離する分離方法に好ましく用いることができる。
<Gas separation method>
The gas separation method of the present invention is a method of removing particles from a raw material gas in a pretreatment unit and then separating a specific gas in the gas separation unit by using the above-described gas separation system. Since the raw material gas to be separated can remove particles in the pretreatment section, natural gas that easily contains particles as impurities is preferable, and it can be preferably used in a separation method for separating carbon dioxide and methane from natural gas. ..

実施例および比較例における評価方法を以下に示す。
<目付>
各実施例および比較例に用いたフィルターについて、JIS Z8908(1998)に従って、目付を測定した。
<厚み>
各実施例および比較例に用いたフィルターについて、JIS Z8908(1998)に従って、厚みを測定した。
<繊維直径>
各実施例および比較例に用いたフィルターについて、フィルター繊維を無作為に20本選択し、顕微鏡を用いて、直径を測定する繊維が視野の縦方向または横方向の長さの50〜60%を占めるように拡大観察し、測定する繊維に合わせて視野を変更しながら、それぞれの繊維の直径を計測し、得られた直径の数平均値を繊維直径とした。
The evaluation methods in Examples and Comparative Examples are shown below.
<Unit weight>
With respect to the filters used in each example and comparative example, the basis weight was measured according to JIS Z8908 (1998).
<Thickness>
The thickness of the filters used in each of the examples and comparative examples was measured according to JIS Z8908 (1998).
<Fiber diameter>
For the filters used in each of the Examples and Comparative Examples, 20 filter fibers were randomly selected, and the fibers whose diameters were to be measured by using a microscope showed 50% to 60% of the longitudinal or lateral length of the visual field. The diameter of each fiber was measured while the field of view was changed according to the fiber to be measured, and the number average value of the obtained diameters was taken as the fiber diameter.

<0.4μm初期粒子捕集率>
各実施例および比較例に用いたフィルターについて、
JIS B9908:2011の試験方法形式2に従い、0.4μm初期粒子捕集率を測定した。
<0.4 μm initial particle collection rate>
Regarding the filters used in each Example and Comparative Example,
The 0.4 μm initial particle collection rate was measured according to the test method type 2 of JIS B9908:2011.

<炭素膜の欠陥>
各実施例および比較例におけるガス分離システムに、JIS−7種試験用粉体を、空気中の濃度70±30mg/m、風速2.5m/sとなるように5時間供給しながら、ガス分離部の炭素膜を透過するガス濃度を計測した。初期のガス濃度と5時間経過後のガス濃度の変化量から、炭素膜欠陥の有無を評価した。
<Defects of carbon film>
While supplying JIS-7 type test powder to the gas separation system in each Example and Comparative Example for 5 hours so that the concentration in air was 70±30 mg/m 3 and the wind speed was 2.5 m/s, The gas concentration passing through the carbon membrane of the separation part was measured. The presence or absence of carbon film defects was evaluated from the initial gas concentration and the amount of change in gas concentration after 5 hours had elapsed.

<実施例1>
融点258℃、ガラス転移点温度68℃であるポリエステル不織布からなる繊維直径2.1μm、目付300g/m、厚み100μm、0.4μm初期粒子捕集率75%のフィルターをフィルターハウジングに固定し、前処理部に設置した。前処理部の下流にポリイミドを原料として相転換法により紡糸後、炭化した中空繊維状の炭素膜を有するガス分離部を設け、ガス分離システムを構成した。前記方法により炭素膜の欠陥を評価したところ、5時間経過後も炭素膜を透過するガス濃度は変化せず、安定した運転が可能であった。
<Example 1>
A filter having a fiber diameter of 2.1 μm, a basis weight of 300 g/m 2 , a thickness of 100 μm and an initial particle collection rate of 75% made of a polyester nonwoven fabric having a melting point of 258° C. and a glass transition temperature of 68° C. is fixed to a filter housing, It was installed in the pretreatment section. A gas separation system was constructed by providing a gas separation unit having a carbon fiber in the form of hollow fiber carbonized after spinning by a phase conversion method using polyimide as a raw material, downstream of the pretreatment unit. When the defects of the carbon film were evaluated by the above method, the concentration of the gas passing through the carbon film did not change even after 5 hours, and stable operation was possible.

<実施例2>
実施例1のフィルターの下流に、融点259℃、ガラス転移点温度67℃であるポリエステル不織布からなる繊維直径2.1μm、目付350g/m、厚み100μm、0.4μm初期粒子捕集率80%のフィルターをさらに設置した以外は、実施例1と同様にガス分離システムを構成した。前記方法により炭素膜の欠陥を評価したところ、5時間経過後も炭素膜を透過するガス濃度は変化せず、安定した運転が可能であった。
<Example 2>
Downstream of the filter of Example 1, a fiber diameter of 2.1 μm made of a polyester nonwoven fabric having a melting point of 259° C. and a glass transition temperature of 67° C., a basis weight of 350 g/m 2 , a thickness of 100 μm, and a 0.4 μm initial particle collection rate of 80%. A gas separation system was constructed in the same manner as in Example 1 except that the filter of 1 was further installed. When the defects of the carbon film were evaluated by the above method, the concentration of the gas passing through the carbon film did not change even after 5 hours, and stable operation was possible.

<実施例3>
不織布からなるフィルターにかえてアルミナ多孔質体からなる0.4μm初期粒子捕集率80%のフィルターを用いた以外は、実施例1と同様にガス分離システムを構成した。前記方法により炭素膜の欠陥を評価したところ、5時間経過後も炭素膜を透過するガス濃度は変化せず、安定した運転が可能であった。
<Example 3>
A gas separation system was constructed in the same manner as in Example 1 except that a filter made of an alumina porous body and having a 0.4 μm initial particle collection rate of 80% was used instead of the filter made of a non-woven fabric. When the defects of the carbon film were evaluated by the above method, the concentration of the gas passing through the carbon film did not change even after 5 hours, and stable operation was possible.

<比較例1>
前処理部にフィルターを設置しなかったこと以外は実施例1と同様にガス分離システムを構成し、評価を行った。5時間経過後に炭素膜を透過するガス濃度が変化し、炭素膜の破損が認められた。
<Comparative Example 1>
A gas separation system was constructed and evaluated in the same manner as in Example 1 except that no filter was installed in the pretreatment section. After 5 hours, the concentration of gas passing through the carbon film was changed, and damage to the carbon film was observed.

<実施例4>
融点226℃、ガラス転移点温度43℃のポリエステルを用いた以外は、実施例1と同様の方法でガス分離システムを構成した。前記方法により炭素膜の欠陥を評価したところ、5時間経過後も炭素膜を透過するガス濃度は変化せず、安定した運転が可能であった。
<Example 4>
A gas separation system was constructed in the same manner as in Example 1 except that polyester having a melting point of 226°C and a glass transition temperature of 43°C was used. When the defects of the carbon film were evaluated by the above method, the concentration of the gas passing through the carbon film did not change even after 5 hours, and stable operation was possible.

<実施例5>
融点284℃、ガラス転移点温度89℃のポリフェニレンスルフィドを用いた以外は、実施例1と同様の方法でガス分離システムを構築した。前記方法により炭素膜の欠陥を評価したところ、5時間経過後も炭素膜を透過するガス濃度は変化せず、安定した運転が可能であった。
<Example 5>
A gas separation system was constructed in the same manner as in Example 1 except that polyphenylene sulfide having a melting point of 284° C. and a glass transition temperature of 89° C. was used. When the defects of the carbon film were evaluated by the above method, the concentration of the gas passing through the carbon film did not change even after 5 hours, and stable operation was possible.

<実施例6>
融点167℃、ガラス転移点温度−11℃のポリプロピレンを用いた以外は、実施例1と同様の方法でガス分離システムを構築した。前記方法により炭素膜の欠陥を評価したところ、5時間経過後には炭素膜を透過するガス濃度がわずかに変化したものの、比較的安定した運転が可能であった。
<Example 6>
A gas separation system was constructed in the same manner as in Example 1 except that polypropylene having a melting point of 167°C and a glass transition temperature of -11°C was used. When the defects of the carbon film were evaluated by the above method, the gas concentration passing through the carbon film slightly changed after 5 hours, but relatively stable operation was possible.

<比較例2>
融点127℃、ガラス転移点温度−68℃の高密度ポリエチレンを用いた以外は、実施例1と同様の方法でガス分離システムを構築した。前記方法により炭素膜の欠陥を評価したところ、5時間経過後には炭素膜を透過するガス濃度が変化し、炭素膜の破損が認められた。
<Comparative example 2>
A gas separation system was constructed in the same manner as in Example 1 except that high density polyethylene having a melting point of 127°C and a glass transition temperature of -68°C was used. When the defects of the carbon film were evaluated by the above method, the concentration of the gas passing through the carbon film was changed after 5 hours, and the damage of the carbon film was recognized.

1:原料ガス
2:前処理部
3:処理後ガス
4:ガス分離部
5:透過ガス
6:精製ガス
1: Raw material gas 2: Pretreatment part 3: Posttreatment gas 4: Gas separation part 5: Permeation gas 6: Purified gas

Claims (9)

フィルターを有する前処理部および炭素膜を有するガス分離部を有するガス分離システム。 A gas separation system having a pretreatment section having a filter and a gas separation section having a carbon membrane. 前記フィルターのJIS B9908:2011の試験方法形式2に規定の0.4μm初期粒子捕集率が70%以上である請求項1記載のガス分離システム。 The gas separation system according to claim 1, wherein the filter has a 0.4 μm initial particle collection rate of 70% or more specified in the test method type 2 of JIS B9908:2011 of the filter. 前記フィルターが高分子繊維から構成される請求項1または2記載のガス分離システム。 The gas separation system according to claim 1 or 2, wherein the filter is composed of polymer fibers. 前記高分子繊維が結晶性を有する高分子(以下、結晶性高分子、という)から構成される請求項3に記載のガス分離システム。 The gas separation system according to claim 3, wherein the polymer fiber is composed of a polymer having crystallinity (hereinafter, referred to as a crystalline polymer). 前記結晶性高分子のガラス転移点温度が200℃未満である請求項4記載のガス分離システム。 The gas separation system according to claim 4, wherein the glass transition temperature of the crystalline polymer is lower than 200°C. 前記結晶性高分子の融点が150℃以上である請求項4または請求項5に記載のガス分離システム。 The gas separation system according to claim 4 or 5, wherein the melting point of the crystalline polymer is 150°C or higher. 前記フィルターが無機多孔質体から構成される請求項1または2記載のガス分離システム。 The gas separation system according to claim 1, wherein the filter is made of an inorganic porous material. 前記前処理部が複数のフィルターを有し、最も上流側のフィルターの0.4μm初期粒子捕集率よりも、最も下流側のフィルターの0.4μm初期粒子捕集率が高い請求項1〜7のいずれかに記載のガス分離システム。 The pretreatment section has a plurality of filters, and the 0.4 μm initial particle collection rate of the most downstream filter is higher than the 0.4 μm initial particle collection rate of the most upstream filter. The gas separation system according to any one of 1. 請求項1〜8のいずれかに記載のガス分離システムを用いて、前処理部において原料ガスから粒子を除去した後、ガス分離部において特定のガスを分離するガス分離方法。 A gas separation method using the gas separation system according to claim 1, wherein particles are removed from the raw material gas in the pretreatment unit, and then a specific gas is separated in the gas separation unit.
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