JP2023140120A - Gas separator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、混合ガスから特定の成分を分離するガス分離装置に関する。 The present invention relates to a gas separation device that separates specific components from a mixed gas.
この種の装置として、空気中の二酸化炭素(CO2)を選択的に透過させる分離膜を用いて高濃度のCO2を回収するようにした装置が知られている(例えば特許文献1参照)。この特許文献1記載の装置では、複数の膜分離モジュールを直列に接続し、CO2の分離回収を多段階で行うことにより高濃度のCO2を回収する。
As this type of device, a device is known that recovers high-concentration CO 2 using a separation membrane that selectively permeates carbon dioxide (CO 2 ) in the air (see, for example, Patent Document 1). . In the apparatus described in
しかしながら、上記特許文献1の装置のように分離回収を多段階で行うと、後段ほど供給ガス中のCO2分圧が低下し、透過の駆動力となるCO2分圧差が低下するため、少ないエネルギー使用量で高濃度のCO2を回収することが難しくなる。
However, when separation and recovery are performed in multiple stages as in the apparatus of
本発明の一態様であるガス分離装置は、それぞれ特定のガス成分を選択的に透過させる分離膜を有し、第1回収率で特定のガス成分を回収する第1分離モジュールおよび第1回収率より低い第2回収率で特定のガス成分を回収する第2分離モジュールと、所定濃度以上の特定のガス成分を含む原料ガスを第1分離モジュールに供給する第1供給ラインと、第1分離モジュールから分離膜を透過した透過ガスを回収して第2分離モジュールに供給する第2供給ラインと、第2分離モジュールから分離膜を透過した透過ガスを回収して第1分離モジュールに供給する第3供給ラインと、を備える。 A gas separation device that is one aspect of the present invention includes a first separation module that has separation membranes that selectively transmit specific gas components, and that collects specific gas components at a first recovery rate; a second separation module that recovers a specific gas component at a lower second recovery rate; a first supply line that supplies a raw material gas containing a specific gas component at a predetermined concentration or higher to the first separation module; and a first separation module. a second supply line that collects the permeate gas that has permeated the separation membrane from the second separation module and supplies it to the second separation module; and a third supply line that collects the permeation gas that has permeated the separation membrane from the second separation module and supplies it to the first separation module. A supply line.
本発明によれば、少ないエネルギー使用量で高濃度のCO2を回収することができる。 According to the present invention, highly concentrated CO 2 can be recovered with a small amount of energy consumption.
以下、図1~図4を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係るガス分離装置は、混合ガス中の特定の成分を選択的に透過させる分離膜を用いて混合ガスから特定の成分を分離し、回収する。特に、高濃度の特定成分を分離回収する。以下では、高濃度(例えば1~10vol%程度)のCO2を含む大気や工場排ガス等の原料ガスからCO2を分離回収する例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 4. A gas separation device according to an embodiment of the present invention separates and recovers a specific component from a mixed gas using a separation membrane that selectively permeates a specific component in the mixed gas. In particular, high concentration specific components are separated and recovered. In the following, an example will be described in which CO 2 is separated and recovered from a raw material gas such as the atmosphere or factory exhaust gas containing a high concentration of CO 2 (for example, about 1 to 10 vol %).
図1は、本発明の実施形態に係るガス分離装置に用いられる分離膜Mについて説明するための図である。図1に示すように、分離膜Mは、例えばポリジメチルシロキサン(PDMS)の薄膜として構成され、窒素(N2)、酸素(O2)、CO2等を含む空気のうち、CO2を選択的に透過させる。CO2の透過は、供給側のCO2分圧と透過側のCO2分圧との分圧差を駆動力として進行し、分圧差がなくなるまで進行する。 FIG. 1 is a diagram for explaining a separation membrane M used in a gas separation device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the separation membrane M is configured as a thin film of polydimethylsiloxane (PDMS), for example, and selects CO 2 from among air containing nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), CO 2 , etc. transparently. The permeation of CO 2 proceeds using the partial pressure difference between the CO 2 partial pressure on the supply side and the CO 2 partial pressure on the permeation side as a driving force, and continues until the partial pressure difference disappears.
図2は、初期CO2濃度(供給側CO2濃度)ごとのCO2回収率と分離回収エネルギーとの関係について説明するための図である。CO2回収率[%]は、原料ガス中のCO2量[ton-CO2/day]に対する回収CO2量[ton-CO2/day]として算出される。 FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship between the CO 2 recovery rate and the separation and recovery energy for each initial CO 2 concentration (supply-side CO 2 concentration). The CO 2 recovery rate [%] is calculated as the amount of CO 2 recovered [ton-CO 2 /day] with respect to the amount of CO 2 [ton-CO 2 /day] in the source gas.
図2に示すように、初期CO2濃度が比較的高い(例えば10%以上の)原料ガスからCO2を分離回収する場合は、供給側CO2分圧が比較的高いため、CO2回収率を高めるために使用される分離回収エネルギー[GJ/ton-CO2]が比較的少なくなる。一方、初期CO2濃度が比較的低い(例えば10%未満の)原料ガスからCO2を分離回収する場合は、供給側CO2分圧が比較的低いため、CO2回収率を高めるために使用される分離回収エネルギーが極めて多くなる。 As shown in Figure 2, when CO 2 is separated and recovered from a raw material gas with a relatively high initial CO 2 concentration (for example, 10% or more), the CO 2 partial pressure on the supply side is relatively high, so the CO 2 recovery rate is The separation and recovery energy [GJ/ton-CO 2 ] used to increase the CO 2 is relatively small. On the other hand, when CO 2 is separated and recovered from a raw material gas with a relatively low initial CO 2 concentration (for example, less than 10%), CO 2 partial pressure on the supply side is relatively low, so CO 2 is used to increase the CO 2 recovery rate. The amount of separation and recovery energy required becomes extremely large.
このような分離回収を多段階で行うと、装置全体のCO2回収率を高められるが、後段ほど供給側CO2濃度が低下し、供給側CO2分圧が低下するため、後段での回収率を高めるとエネルギー使用量が増大し、装置全体としてのエネルギー使用量が増大する。そこで本実施形態では、分離回収を多段で行うとともに最前段のみを高回収率に設定することで、少ないエネルギー使用量で高濃度のCO2を回収できるよう、以下のようにガス分離装置を構成する。 If such separation and recovery is performed in multiple stages, the CO 2 recovery rate of the entire device can be increased . Increasing the rate increases energy usage, which increases the energy usage of the device as a whole. Therefore, in this embodiment, by performing separation and recovery in multiple stages and setting only the first stage to a high recovery rate, the gas separation device is configured as follows so that highly concentrated CO 2 can be recovered with less energy consumption. do.
図3および図4は、本発明の実施形態に係るガス分離装置10の要部構成の一例を概略的に示すブロック図である。図3,4に示すように、ガス分離装置10は、直列に接続された複数の分離モジュール1(図では3つの分離モジュール1a~1c)と、供給ラインL1(L1a~L1c)と、回収ラインL2(L2a~L2c)と、排気ラインL3(L3a~L3c)とを備える。複数の分離モジュール1は、互いに並列に設けられた複数の分離モジュール1を直列に接続して構成されてもよい。
FIGS. 3 and 4 are block diagrams schematically showing an example of the configuration of main parts of the
分離モジュール1は、分離膜M(図1)を用いた中空糸膜モジュールやスパイラル型モジュール等として構成される。分離モジュール1の内部空間は、分離膜Mを隔壁として供給側の第1空間と、透過側の第2空間とに隔てられる。
The
最前段の分離モジュール1aは、分離回収後の排気中のCO2を十分低濃度とするため、CO2回収率が所定回収率以上(例えば90%以上)となるように構成される。2段目以降の分離モジュール1b,1cは、分離回収にかかるエネルギー使用量を十分小さくするため、CO2回収率が低回収率(例えば10%程度)となるように構成される。各分離モジュール1に採用される分離膜Mの膜性能(気体透過率、CO2選択比)、膜面積、供給側圧力、透過側圧力、供給側流量(流速)、透過側流量などを調整することで、各分離モジュール1のCO2回収率を適宜な値に設定することができる。
The first-
供給ラインL1a~L1cは、それぞれ分離モジュール1a~1cの第1空間に混合ガスを供給する。供給ラインL1a~L1cには、供給ガスを圧送するコンプレッサや供給側流量を調整する調整弁などが設けられてもよい。
The supply lines L1a to L1c supply the mixed gas to the first spaces of the
回収ラインL2a~L2cは、それぞれ分離モジュール1a~1cの第2空間から分離膜Mを透過した透過ガスを回収する。回収ラインL2a~L2cには、各分離モジュール1a~1cの第2空間を減圧する真空ポンプや透過側流量を調整する調整弁などが設けられてもよい。最後段の回収ラインL2cからは、ガス分離装置10による分離回収後の最終的な回収ガスが得られる。
The recovery lines L2a to L2c recover the permeated gas that has passed through the separation membrane M from the second spaces of the
排気ラインL3a~L3cは、それぞれ分離モジュール1a~1cの第1空間からCO2が分離された後の空気を排気する。排気ラインL3a~L3cには、真空ポンプや排気流量を調整する調整弁などが設けられてもよい。最前段の排気ラインL3aは大気開放され、高回収率に設定された最前段の分離モジュール1aから十分低濃度となったCO2を含む排気を大気中に放出する。
The exhaust lines L3a to L3c exhaust air after CO 2 has been separated from the first spaces of the
供給ラインL1aは、原料ガスを最前段の分離モジュール1aに供給する原料供給ラインを構成する。回収ラインL2aおよび供給ラインL1bは、分離モジュール1aから透過ガスを回収して後段の分離モジュール1bに供給する中間供給ラインを構成する。回収ラインL2bおよび供給ラインL1cは、分離モジュール1bから透過ガスを回収して後段の分離モジュール1cに供給する中間供給ラインを構成する。
The supply line L1a constitutes a raw material supply line that supplies raw material gas to the
排気ラインL3bおよび供給ラインL1aは、分離モジュール1bから透過ガスを回収して前段の分離モジュール1aに供給する還流ラインを構成する。図3の例では、排気ラインL3cおよび供給ラインL1bは、分離モジュール1cから透過ガスを回収して前段の分離モジュール1bに供給する還流ラインを構成する。図4の例では、排気ラインL3cおよび供給ラインL1aは、分離モジュール1cから透過ガスを回収して最前段の分離モジュール1aに供給する還流ラインを構成する。
The exhaust line L3b and the supply line L1a constitute a reflux line that recovers the permeated gas from the
このように、低回収率に設定された後段の回収ガスを、それ以前の段に還流することで、ガス分離装置10全体として少ないエネルギー使用量で高濃度のCO2を回収することができる(図3、図4)。また、後段の回収ガスを最前段に還流する場合は、最前段のエネルギー使用量を一層低減し、ガス分離装置10全体として一層少ないエネルギー使用量で高濃度のCO2を回収することができる(図4)。
In this way, by refluxing the recovered gas in the later stages set to a low recovery rate to the earlier stages, high-concentration CO 2 can be recovered with less energy consumption in the
本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
(1)ガス分離装置10は、それぞれCO2を選択的に透過させる分離膜Mを有し、高回収率でCO2を回収する最前段の分離モジュール1aおよび低回収率でCO2を回収する後段の分離モジュール1bと、所定濃度以上のCO2を含む原料ガスを最前段の分離モジュール1aに供給する原料供給ライン(供給ラインL1a)と、最前段の分離モジュール1aから透過ガスを回収して後段の分離モジュール1bに供給する中間供給ライン(回収ラインL2aおよび供給ラインL1b)と、後段の分離モジュール1bから透過ガスを回収して最前段の分離モジュール1aに供給する還流ライン(排気ラインL3bおよび供給ラインL1a)と、を備える(図3、図4)。このように、最前段の分離モジュール1aを高回収率、後段の分離モジュール1bを低回収率に設定し、後段の回収ガスを高回収率の最前段に還流することで、ガス分離装置10全体として少ないエネルギー使用量で高濃度のCO2を回収することができる。
According to this embodiment, the following effects can be achieved.
(1) The
(2)ガス分離装置10は、分離膜Mを有し、低回収率でCO2を回収する分離モジュール1cと、前段の分離モジュール1bから透過ガスを回収して後段の分離モジュール1cに供給する中間供給ライン(回収ラインL2bおよび供給ラインL1c)と、後段の分離モジュール1cから透過ガスを回収して最前段の分離モジュール1aまたは前段の分離モジュール1bに供給する還流ライン(排気ラインL3cおよび供給ラインL1aまたは排気ラインL3cおよび供給ラインL1b)と、をさらに備える(図3、図4)。このように、後段の分離モジュール1b~1cを低回収率に設定し、後段の回収ガスをそれ以前の段に還流することで、ガス分離装置10全体として少ないエネルギー使用量で一層高濃度のCO2を回収することができる。
(2) The
(3)還流ライン(排気ラインL3cおよび供給ラインL1a)は、後段の分離モジュール1cから透過ガスを回収して最前段の分離モジュール1aに供給する(図4)。このように、後段の分離モジュール1cを低回収率に設定し、後段の回収ガスを最前段に還流することで、最前段のエネルギー使用量を一層低減し、ガス分離装置10全体として一層少ないエネルギー使用量で高濃度のCO2を回収することができる。
(3) The reflux line (exhaust line L3c and supply line L1a) collects the permeate gas from the latter
(4)原料ガスは、大気または工場排ガスである。高濃度のCO2を含む大気や工場排ガスを原料ガスとする最前段では、比較的少ないエネルギー使用量でも高い回収率でCO2を回収することができるため(図2)、ガス分離装置10全体として少ないエネルギー使用量で高濃度のCO2を回収することができる。
(4) The raw material gas is the atmosphere or factory exhaust gas. In the first stage, which uses atmospheric air or factory exhaust gas containing high concentrations of CO 2 as raw material gas, CO 2 can be recovered with a high recovery rate even with relatively low energy consumption (Figure 2), so the entire
上記実施形態では、図1等でCO2を分離する例を説明したが、ガス分離装置による分離の対象となる特定の成分は、このようなものに限らない。ガス分離装置は、工場排ガス中のCO2を分離する場合など、高濃度の特定成分を分離する場合に好適に適用することができる。 In the embodiment described above, an example in which CO 2 is separated is explained with reference to FIG. 1 and the like, but the specific components to be separated by the gas separation device are not limited to these. The gas separation device can be suitably applied when separating a high concentration specific component, such as when separating CO 2 from factory exhaust gas.
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の1つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。 The above description is merely an example, and the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications as long as the characteristics of the present invention are not impaired. It is also possible to arbitrarily combine the above embodiment and one or more of the modifications, and it is also possible to combine the modifications.
1,1a~1c 分離モジュール、10 ガス分離装置、L1a~L1c 供給ライン、L2a~L2c 回収ライン、L3a~L3c 排気ライン 1, 1a to 1c separation module, 10 gas separation device, L1a to L1c supply line, L2a to L2c recovery line, L3a to L3c exhaust line
Claims (4)
所定濃度以上の前記特定のガス成分を含む原料ガスを前記第1分離モジュールに供給する第1供給ラインと、
前記第1分離モジュールから前記分離膜を透過した透過ガスを回収して前記第2分離モジュールに供給する第2供給ラインと、
前記第2分離モジュールから前記分離膜を透過した透過ガスを回収して前記第1分離モジュールに供給する第3供給ラインと、を備えることを特徴とするガス分離装置。 A first separation module, each having a separation membrane that selectively permeates a specific gas component, recovers the specific gas component at a first recovery rate, and a second separation module that recovers the specific gas component at a second recovery rate lower than the first recovery rate. a second separation module for recovering gas components;
a first supply line that supplies a source gas containing the specific gas component at a predetermined concentration or higher to the first separation module;
a second supply line that collects permeated gas that has permeated the separation membrane from the first separation module and supplies it to the second separation module;
A gas separation device comprising: a third supply line that collects permeated gas that has permeated through the separation membrane from the second separation module and supplies it to the first separation module.
前記分離膜を有し、前記第1回収率より低い第3回収率で前記特定のガス成分を回収する第3分離モジュールと、
前記第2分離モジュールから前記分離膜を透過した透過ガスを回収して前記第3分離モジュールに供給する第4供給ラインと、
前記第3分離モジュールから前記分離膜を透過した透過ガスを回収して前記第1分離モジュールまたは前記第2分離モジュールに供給する第5供給ラインと、をさらに備えることを特徴とするガス分離装置。 The gas separation device according to claim 1,
a third separation module having the separation membrane and recovering the specific gas component at a third recovery rate lower than the first recovery rate;
a fourth supply line that collects the permeated gas that has permeated the separation membrane from the second separation module and supplies it to the third separation module;
A gas separation apparatus further comprising: a fifth supply line that collects permeated gas that has permeated through the separation membrane from the third separation module and supplies it to the first separation module or the second separation module.
前記第5供給ラインは、前記第3分離モジュールから前記分離膜を透過した透過ガスを回収して前記第1分離モジュールに供給することを特徴とするガス分離装置。 The gas separation device according to claim 2,
The gas separation device is characterized in that the fifth supply line collects the permeated gas that has permeated the separation membrane from the third separation module and supplies it to the first separation module.
前記特定のガス成分は、二酸化炭素であり、
前記原料ガスは、大気または工場排ガスであることを特徴とするガス分離装置。 In the gas separation device according to any one of claims 1 to 3,
The specific gas component is carbon dioxide,
A gas separation device characterized in that the raw material gas is the atmosphere or factory exhaust gas.
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