JP5817780B2 - Gas dehumidifier - Google Patents
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本発明は、省エネルギーかつ安価であり、高効率に水分を除去できる気体脱湿装置に関する。特に計装機器、製品乾燥等に用いられる空気に対して好適な気体脱湿装置に関する。
The present invention is energy saving and cheaper relates to a gas removal ShimeSo location which can remove moisture efficiently. In particular instrumentation relates to suitable gas leaving ShimeSo location with respect to the air used for product drying.
計測装置、計測制御装置などの計装機器は、その精度が高く求められるため、これに用いられる空気は、不純物や水分が含まれない純度の高いものが要求される。また、カーボンブラックやシリケートなどの水分を吸着しやすい製品を製造する分野においては、製品乾燥に用いる空気は、極度に水分量が少ないものであることが要求される。例えば、空気の乾燥程度を示す指標として露点が用いられることがあるが、計装機器に用いられる空気は、概ね露点が−１０〜−５０℃のものが、カーボンブラックやシリケートなどの製品乾燥に用いられる空気は、概ね露点が−５０℃以下のものが使用される。なお、露点とは大気圧下の露点を意味し、以後、特筆しないかぎり露点とは大気圧下での露点を意味する。 Instrumentation equipment such as a measurement device and a measurement control device is required to have high accuracy, and thus air used for this is required to have high purity without impurities and moisture. Further, in the field of producing a product that easily adsorbs moisture such as carbon black and silicate, the air used for product drying is required to have an extremely small amount of moisture. For example, the dew point may be used as an index indicating the degree of air drying, but the air used for instrumentation has a dew point of -10 to -50 ° C for drying products such as carbon black and silicate. The air used has a dew point of approximately −50 ° C. or lower. The dew point means a dew point under atmospheric pressure. Hereinafter, unless otherwise specified, the dew point means a dew point under atmospheric pressure.
従来、このような空気の脱湿は水洗により不純物を除去した後、クーラー等の冷却機で露点以下に冷却することにより水分を除去し、その後、ＰＳＡ等の吸着器により更に水分を除去する方法が用いられていた。
しかしながら、前記の従来技術においては、以下の複数の問題があった。
（ｉ）エネルギー消費量および水分除去効率の問題
冷却機による冷却は、エネルギーを多大に消費する上、水分除去効率が十分ではなかった。
（ｉｉ）吸着器内のＰＳＡ等の吸着材料の回収率の問題
前記冷却機による水分除去効率が十分でないことから、吸着器に用いられる吸着材料に負荷がかかり、劣化しやすくなっていた。そのため再利用できる吸着材料の回収率が向上しないという問題があった。
（ｉｉｉ）装置全体のコストの問題
冷却機の使用、冷却によるエネルギーコスト、吸着材料の回収率の低さなどから、装置全体として高コストであった。
Conventionally, such dehumidification of air is a method in which impurities are removed by washing with water, then moisture is removed by cooling to a dew point or lower with a cooler such as a cooler, and then moisture is further removed with an adsorber such as PSA. Was used.
However, the above prior art has the following problems.
(I) Problem of energy consumption and water removal efficiency Cooling by a cooler consumes a lot of energy and water removal efficiency is not sufficient.
(Ii) Problem of recovery rate of adsorbent material such as PSA in adsorber Since the water removal efficiency by the cooler is not sufficient, the adsorbent material used in the adsorber is loaded and easily deteriorated. Therefore, there has been a problem that the recovery rate of the adsorbing material that can be reused is not improved.
(Iii) Problem of the cost of the entire device The cost of the entire device was high due to the use of a cooler, the energy cost of cooling, the low recovery rate of the adsorbed material, and the like.
一方、上記の脱湿技術とは別に、水分除去を除湿のレベルで行う技術分野において、中空糸分離膜を用いて空気を乾燥させる方法、および装置が特許文献１，２に開示されている。
特許文献１には、一般の気体作動機器に用いられる、中空糸膜の束からなる分離膜モジュールを内蔵する除湿装置を効率的に使用するシステムが開示されている。このシステムでは、加圧空気は当該除湿装置を経て除湿された後、気体作動機器に使用される。作動機器で用いられた空気はさらにパージガスとして使用されている。
On the other hand, Patent Documents 1 and 2 disclose a method and an apparatus for drying air using a hollow fiber separation membrane in a technical field in which moisture removal is performed at a dehumidifying level apart from the above dehumidifying technique.
Patent Document 1 discloses a system that efficiently uses a dehumidifying device that incorporates a separation membrane module made of a bundle of hollow fiber membranes, which is used in a general gas operating device. In this system, the pressurized air is dehumidified through the dehumidifying device and then used for gas-operated equipment. The air used in the operating equipment is further used as a purge gas.
特許文献２には、発電所などの施設の所内で使用される、圧縮空気中の湿分を除去する除湿装置を備えた圧縮空気供給装置が開示されている。この装置では、空気圧縮機から供給された空気は、冷却器および気水分離器、空気貯槽を経て、中空糸分離膜型の除湿装置で除湿された後、計装用の圧縮空気配管路に供給されている。 Patent Document 2 discloses a compressed air supply device including a dehumidifying device for removing moisture in compressed air, which is used in a facility such as a power plant. In this device, the air supplied from the air compressor is dehumidified by a hollow fiber separation membrane type dehumidifier after passing through a cooler, an air-water separator, and an air storage tank, and then supplied to a compressed air piping for instrumentation. Has been.
上述のように、水洗、冷却、吸着器を用いた従来の水分除去方法においては、複数の問題があった。一方、特許文献１，２に開示される除湿装置は中空糸分離膜を用いたものであるが、計装機器によっては、不純物、水分が更に少ない空気を必要とするものもあり、システムとしてはさらに高効率が求められる場合があった。また、前述の通りカーボンブラックやシリケートなどの製品乾燥に用いられる空気は、計装機器用途のものよりさらに低い露点のものが使用されるので、特許文献１、２に開示される除湿装置では脱湿技術の分野においては十分な水分除去が担保できなかった。 As described above, the conventional water removal method using water washing, cooling, and an adsorber has a plurality of problems. On the other hand, the dehumidifying devices disclosed in Patent Documents 1 and 2 use a hollow fiber separation membrane, but some instrumentation devices require air with less impurities and moisture. In some cases, higher efficiency is required. In addition, as described above, air used for drying products such as carbon black and silicate has a dew point lower than that used for instrumentation equipment. In the field of wet technology, sufficient water removal could not be guaranteed.
特許文献１、２の発明を用いて上述の製品乾燥空気用途のレベルにまで水分除去を行おうとすると、中空糸膜に過度な負担がかかる、多数の中空糸分離膜を用いることによって高コストになる、多大な膜面積が必要となる、などの可能性がある。また、中空糸分離膜は、それ自体、露点の低い乾燥空気を製造するための脱湿装置への適用には、以下の課題を有していた。
（ｉ）高圧条件下において長期間使用すると、硬直・収縮する可能性がある。
（ｉｉ）一般に中空糸分離膜は加水分解する性質がある。
（ｉｉｉ）空気の含水率が低い場合、特に露点−２０℃程度以下の環境では、その水分除去性能が急激に下がる傾向がある。
Using the inventions of Patent Documents 1 and 2 to remove moisture to the level of the above-mentioned product dry air application, an excessive burden is placed on the hollow fiber membrane, and a high cost can be achieved by using a large number of hollow fiber separation membranes. There is a possibility that a large film area is required. Further, the hollow fiber separation membrane itself has the following problems in application to a dehumidifying device for producing dry air having a low dew point.
(I) When used under a high pressure condition for a long time, there is a possibility of being stiff and shrinking.
(Ii) Generally, the hollow fiber separation membrane has a property of hydrolyzing.
(Iii) When the moisture content of air is low, especially in an environment having a dew point of about −20 ° C. or lower, the water removal performance tends to drop sharply.
本発明者は、上記課題に鑑み鋭意検討を行った結果、空気脱湿装置として、無機分離膜、特にゼオライトを含む無機分離膜を用いることが、従来技術のあらゆる課題を解決できるものとして有効であることを見出した。すなわち、特許文献１，２における中空糸膜では、低い露点であることを有する製品乾燥用空気を製造する空気脱湿装置に用いるにはさらに改善の余地があったが、ゼオライト分離膜などを用いることによってこれを改善することが可能となった。 As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventor has found that using an inorganic separation membrane, particularly an inorganic separation membrane containing zeolite, as an air dehumidifying device is effective as a solution to all the problems of the prior art. I found out. That is, in the hollow fiber membranes in Patent Documents 1 and 2, there was room for further improvement for use in an air dehumidifier for producing product drying air having a low dew point, but a zeolite separation membrane or the like is used. It became possible to improve this.
また、本発明者らは、気体脱湿装置の構造についても検討した結果、水洗工程、冷却工程、吸着器を経る水分除去方法について、冷却工程の冷却機の代わりに分離膜を用いることにより上記の問題を全て解決できることを見出した。すなわち、水洗装置、分離膜、吸着器（または冷凍機）を備えた気体脱湿装置および気体脱湿方法の有効性を見出した。
なお、上述の様に、特許文献１，２は除湿装置に分離膜を用いるという技術で完結しており、これ以上の課題については示唆もない。従って、冷却工程の冷却機の代わりに分離膜を用いることを目的として前述の水洗、冷却、吸着器を経る従来の水分除去方法に組み入れる動機付けは存在しない。さらに、当然のことながら水洗、冷却、吸着器を経る従来の水分除去方法のどの部分に分離膜を組み入れるかを想到し得るものではない。さらに本発明者らは、この気体脱湿装置および気体脱湿方法においても分離膜として、無機分離膜を用いることがさらに有効であることを見出した。
以上の検討によりなされた本発明の要旨は、以下の通りである。
〔１〕 水蒸気を含んだ気体から当該水蒸気を除去する分離膜モジュールを有する気体脱湿装置であって、
該気体は、気体を水洗する水洗装置を経て、分離膜モジュールを通過し、
該水洗装置の前および後のいずれか一方または両方に加圧装置を有し、
該分離膜モジュールは、気体から水蒸気を分離できる無機分離膜から構成され、
該無機分離膜は、Ａ型、Ｙ型、Ｘ型、モルデナイト型、ＭＦＩ型のいずれか１以上のゼオライトを含む膜であり、
該無機分離膜モジュールを通過した気体の水分を除去する吸着器および冷凍機のいずれかまたは両方を有し、
該吸着器または冷凍機を通過した気体の一部を、スイープガスとして前記無機分離膜の透過側に通過させる気体配管を有することを特徴とする、気体脱湿装置。
〔２〕 前記無機分離膜が、支持体を含む２層以上の構造を有する、〔１〕に記載の気体脱湿装置。
〔３〕 前記気体配管が加圧装置を有する、〔１〕または〔２〕に記載の気体脱湿装置。〔４〕 前記気体配管に代えて、前記無機分離膜の透過側を真空にする手段を有する、〔１〕または〔２〕に記載の気体脱湿装置。
〔５〕 露点が−１０℃以下の気体を製造する装置である、〔１〕〜〔４〕のいずれか一項に記載の気体脱湿装置。
〔６〕 脱湿された気体が計装機器または製品乾燥に用いられる、〔１〕〜〔５〕のいずれか一項に記載の気体脱湿装置。
In addition, as a result of examining the structure of the gas dehumidifying device, the present inventors have also used a separation membrane instead of a cooler in the cooling step for the water removal step through the water washing step, the cooling step, and the adsorber. It was found that all the problems can be solved. That is, the effectiveness of the gas dehumidification apparatus and gas dehumidification method provided with the water washing apparatus, the separation membrane, and the adsorber (or refrigerator) was discovered.
As described above, Patent Documents 1 and 2 are completed by the technique of using a separation membrane in the dehumidifying device, and there is no suggestion about further problems. Therefore, there is no motivation to be incorporated into the conventional water removal method through the above-described water washing, cooling, and adsorber for the purpose of using a separation membrane instead of the cooling machine in the cooling process. Furthermore, it is naturally not conceivable in which part of the conventional water removal method that passes through water washing, cooling and adsorber, the separation membrane is incorporated. Furthermore, the present inventors have found that it is more effective to use an inorganic separation membrane as the separation membrane also in this gas dehumidifying apparatus and gas dehumidifying method.
The gist of the present invention made by the above examination is as follows.
[1] A gas dehumidification device having a separation membrane module for removing water vapor from a gas containing water vapor ,
The gas passes through the separation membrane module through a water washing device for washing the gas,
Having a pressurizing device either before or after the water-washing device or both,
The separation membrane module is composed of an inorganic separation membrane capable of separating water vapor from a gas,
The inorganic separation membrane is a membrane containing one or more zeolites of A type, Y type, X type, mordenite type, and MFI type ,
Having either or both of an adsorber and a refrigerator for removing moisture from the gas that has passed through the inorganic separation membrane module ;
A gas dehumidifying device comprising a gas pipe for passing a part of the gas that has passed through the adsorber or refrigerator as a sweep gas to the permeation side of the inorganic separation membrane.
[2] The gas dehumidification device according to [1], wherein the inorganic separation membrane has a structure of two or more layers including a support.
[ 3 ] The gas dehumidifying device according to [1] or [2] , wherein the gas pipe has a pressurizing device. [ 4 ] The gas dehumidification device according to [1] or [ 2], having means for evacuating the permeation side of the inorganic separation membrane instead of the gas pipe .
[5] The gas dehumidification device according to any one of [1] to [4], which is a device for producing a gas having a dew point of −10 ° C. or lower.
[6] The gas dehumidification device according to any one of [1] to [5], wherein the dehumidified gas is used for instrumentation or product drying.
本発明によれば、省エネルギーであり、高効率に水分を除去でき、吸着材料の回収率を低減し得る安価な気体脱湿装置および気体脱湿方法を提供することができる。本発明は、特に、不純物や湿度の管理が重要である計装機器や露点の低いこと（即ち水分含有量が極度に少ないこと）が要求される製品乾燥空気の製造等に用いられる空気の脱湿に対して高い効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to provide an inexpensive gas dehumidification apparatus and gas dehumidification method that are energy saving, can remove moisture with high efficiency, and can reduce the recovery rate of the adsorbent material. The present invention is particularly applicable to instrumentation equipment in which the management of impurities and humidity is important, and the removal of air used in the manufacture of product dry air that requires a low dew point (ie, extremely low moisture content). Highly effective against moisture.
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内であれば、種々に変更して実施することができる。
まず、第一の本発明の空気脱湿装置は、無機分離膜を有することが大きな特徴である。また、第二の本発明の気体脱湿装置は、前記気体を水洗する水洗装置（ａ）と、前記水洗装置（ａ）により水洗された気体が透過するように設けられた分離膜（ｂ）と、前記分離膜（ｂ）に透過された気体の水分を除去する吸着器（ｃ１）および冷凍機（ｃ２）のいずれかまたは両方を、有することを特徴とする。以下、本発明の空気脱湿装置、気体脱湿装置、および気体脱湿方法の詳細を説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
First, the air dehumidifying device of the first aspect of the present invention is characterized by having an inorganic separation membrane. Moreover, the gas dehumidifying device of the second aspect of the present invention includes a water washing device (a) for washing the gas, and a separation membrane (b) provided so that the gas washed by the water washing device (a) can pass therethrough. And either or both of an adsorber (c1) and a refrigerator (c2) for removing moisture in the gas permeated through the separation membrane (b). Hereinafter, the details of the air dehumidifying device, the gas dehumidifying device, and the gas dehumidifying method of the present invention will be described.
［１］無機分離膜
前述の通り、第一の本発明の空気脱湿装置は、無機分離膜を有することが大きな特徴である。また、第二の本発明の気体脱湿装置においても分離膜（ｂ）は無機分離膜を用いることが好ましい。無機分離膜は、従来技術の中空糸分離膜と比べると、以下の点で有効である。
（ｉ）高圧条件下においても安定である。
（ｉｉ）加水分解する問題がない。
（ｉｉｉ）空気の含水率が低い場合においても水分除去性能が低下するといった問題もない。
（ｉｖ）耐熱性が高いため、通常８０℃以上、好ましくは１００℃以上のいわゆる熱風空気を脱湿する場合においても有効である。
（ｖ）化学的に安定なため、化学物質を含むガスの乾燥にも用いることができる。
このような無機分離膜としては、シリカ膜、炭素膜などを挙げることができるが、化学的、強度的安定性、親水性などの諸特性を総合的に鑑みた実用性、および経済性等の観点からゼオライト含む膜（ゼオライト膜）が好ましい。
[1] Inorganic separation membrane As described above, the air dehumidifying device of the first aspect of the present invention is characterized by having an inorganic separation membrane. In the gas dehumidifying device of the second aspect of the present invention, it is preferable to use an inorganic separation membrane for the separation membrane (b). The inorganic separation membrane is effective in the following points as compared with the conventional hollow fiber separation membrane.
(I) It is stable even under high pressure conditions.
(Ii) There is no problem of hydrolysis.
(Iii) Even when the moisture content of air is low, there is no problem that the water removal performance is lowered.
(Iv) Since the heat resistance is high, it is effective even when dehumidifying so-called hot air at a temperature of usually 80 ° C. or higher, preferably 100 ° C. or higher.
(V) Since it is chemically stable, it can also be used for drying a gas containing a chemical substance.
Examples of such inorganic separation membranes include silica membranes, carbon membranes, etc., such as practicality and economical efficiency in view of various characteristics such as chemical, strength stability, and hydrophilicity. From the viewpoint, a membrane containing zeolite (zeolite membrane) is preferable.
なお、従来、ゼオライト膜は脱湿用途としては空気（気体）と水蒸気の分離性能が比較的低いという理由から、実用性がなく、脱湿装置に用いるには不向きと考えられていた。しかしながら、本発明者の検討の結果、以下の通り十分な実用性を備えていることが分かった。また、以下に示す第二の本発明の脱湿装置に組み込むことで、よりその実用性を高めることができることが分かった。 Conventionally, zeolite membranes were considered impractical and unsuitable for use in dehumidifiers because of their relatively low separation performance of air (gas) and water vapor for dehumidification purposes. However, as a result of the study by the present inventors, it has been found that the present invention has sufficient practicality as follows. Moreover, it turned out that the practicality can be improved more by incorporating in the dehumidification apparatus of 2nd this invention shown below.
従来、ゼオライト膜が脱湿装置という分野に用いられるには不向きであると考えられていた理由は、１）ゼオライトは、その孔の大きさの性質から、窒素、酸素などのガス分子を吸着、透過させる性質を持ち、２）さらにガスの通路となるゼオライト結晶間の間隙（粒界）が比較的大きく、水蒸気のみならず空気も漏れる虞があると考えられていたためである。 Conventionally, the reason why zeolite membranes were considered unsuitable for use in the field of dehumidification devices is that 1) zeolite adsorbs gas molecules such as nitrogen and oxygen due to the nature of its pore size. This is because it has a property of permeating, and 2) the gaps (grain boundaries) between zeolite crystals serving as gas passages are relatively large, and it is thought that not only water vapor but also air may leak.
しかしながら、本発明者らは、種々の実験により、水洗工程後に分離膜が設置されていると、予想に反して空気の漏れがないことを見出した。この理由は明らかではないが、以下のように推察される。すなわち、
（ｉ）水洗工程を経た空気は飽和水蒸気を含む。
（ｉｉ）親水性ゼオライトは水の吸着量が大きい。
（ｉｉｉ）吸着した水分子はゼオライト孔やゼオライト結晶間の間隙に吸着し、それらの孔・間隙は水分子で充填され、
（ｉｖ）その結果、水で充填された孔・間隙を空気が透過することが阻害、阻止され（吸着水分子によるブロック効果）、水蒸気と空気が高い効率で分離される。
（ｖ）同時に、ゼオライト膜による分離工程で、空気が飽和水蒸気を含むため、比較的多量の水蒸気がゼオライト膜を透過することとなる。
（ｖｉ）この吸着水分子によるブロック効果は、供給湿り空気中の水分圧が高いほど効果的に働くので、水洗工程後、さらに高圧力条件下のプロセスで行うことで高い効果を奏する。
However, the present inventors have found through various experiments that if a separation membrane is installed after the water washing step, there is no air leakage contrary to expectation. The reason for this is not clear, but is presumed as follows. That is,
(I) The air that has undergone the water washing step contains saturated water vapor.
(Ii) Hydrophilic zeolite has a large amount of water adsorption.
(Iii) The adsorbed water molecules are adsorbed in the gaps between the zeolite pores and the zeolite crystals, and the pores / gap are filled with water molecules,
(Iv) As a result, air is inhibited and prevented from passing through the pores and gaps filled with water (blocking effect by adsorbed water molecules), and water vapor and air are separated with high efficiency.
(V) At the same time, in the separation step using a zeolite membrane, air contains saturated water vapor, so that a relatively large amount of water vapor passes through the zeolite membrane.
(Vi) Since the blocking effect by the adsorbed water molecules works more effectively as the moisture pressure in the supply humid air is higher, it is more effective when performed in a process under higher pressure conditions after the water washing step.
このような観点から、ゼオライト膜を用いる場合は、親水性ゼオライト膜が好ましく、例えばＡ型、Ｙ型、Ｘ型、モルデナイト型、ＭＦＩ型など種々のものを単独で、または組み合わせて用いることができる。
ゼオライト膜の選択としては、水分の吸着力の高さによる脱湿性能、および経済性の観点からは、Ａ型ゼオライトを用いることができるが、脱湿性能を総合的に鑑み、Ａ型、Ｙ型、Ｘ型、モルデナイト型、ＭＦＩ型をその目的に応じて選択することが好ましい。なお、ＭＦＩ型はアルミナ成分に富むものが好ましく、Ｓｉ／Ａｌ比が通常２以上であり、通常１００以下、好ましくは５０以下、更に好ましくは２０以下である。
From this point of view, when a zeolite membrane is used, a hydrophilic zeolite membrane is preferable, and various types such as A type, Y type, X type, mordenite type, MFI type can be used alone or in combination. .
As the selection of the zeolite membrane, from the viewpoint of dehumidification performance due to the high moisture adsorbing power and economical efficiency, A-type zeolite can be used. It is preferable to select the type, the X type, the mordenite type, and the MFI type according to the purpose. The MFI type is preferably rich in alumina component, and the Si / Al ratio is usually 2 or more, usually 100 or less, preferably 50 or less, more preferably 20 or less.
ゼオライト膜は、通常支持体を含む２層以上の構造を有する。支持体としては、多孔質のものを用いるのが好ましく、通常ゼオライト分離膜に用いる種々のものを用いることができる。
支持体の形状は特に限定されず、管状、平板状、ハニカム状、中空糸状、ペレット状等、種々の形状のものを使用できる。例えば管状の場合、多孔質基体の大きさは特に限定されないが、実用的には長さ２〜２００ｃｍ程度、内径０．５〜２ｃｍ、厚さ０．５〜４ｍｍ程度である。
A zeolite membrane usually has a structure of two or more layers including a support. As the support, a porous material is preferably used, and various materials usually used for zeolite separation membranes can be used.
The shape of the support is not particularly limited, and various shapes such as a tubular shape, a flat plate shape, a honeycomb shape, a hollow fiber shape, and a pellet shape can be used. For example, in the case of a tubular shape, the size of the porous substrate is not particularly limited, but is practically about 2 to 200 cm in length, 0.5 to 2 cm in inner diameter, and about 0.5 to 4 mm in thickness.
また、支持体は、単層からなるもの（いわゆる対称膜）、基層と下地層からなる２層構造の多孔質基体（いわゆる非対称膜）のいずれを用いてもよい。さらに３層以上の構造の多孔質基体を用いることも可能である。
材料としては、通常セラミックス、有機高分子又は金属からなるものを用いることができるが、高圧条件にも耐えられる強度の高いセラミックスなどの材料からなるものが好ましい。セラミックスとしては、ムライト、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等が好ましい。中でも化学的に安定なアルミナなどを用いるのが好ましい。
The support may be either a single layer (so-called symmetric membrane) or a two-layered porous substrate (so-called asymmetric membrane) consisting of a base layer and an underlayer. It is also possible to use a porous substrate having a structure of three or more layers.
As the material, materials made of ceramics, organic polymers or metals can be used, but materials made of ceramics having high strength that can withstand high pressure conditions are preferred. As the ceramic, mullite, alumina, silica, titania, zirconia and the like are preferable. Of these, it is preferable to use chemically stable alumina.
［２］気体脱湿装置および気体脱湿方法
次に、第二の本発明の気体脱湿装置について説明する。第二の本発明の気体脱湿装置は、前記気体を水洗する水洗装置（ａ）と、前記水洗装置（ａ）により水洗された気体が透過するように設けられた分離膜（ｂ）と、前記分離膜（ｂ）を通過した気体の水分を除去する吸着器（ｃ１）および冷凍機（ｃ２）のいずれかまたは両方を、有することを特徴とする。
[2] Gas Dehumidifying Device and Gas Dehumidifying Method Next, the gas dehumidifying device of the second aspect of the present invention will be described. The gas dehumidifying device of the second aspect of the present invention includes a water rinsing device (a) for rinsing the gas, a separation membrane (b) provided so that the gas washed with the water rinsing device (a) can pass through, It has either or both of an adsorber (c1) and a refrigerator (c2) for removing the moisture of the gas that has passed through the separation membrane (b).
また、脱湿効率向上の観点から、前記水洗装置（ａ）と前記分離膜（ｂ）の間に加圧装
置（ｄ）を有することが好ましい。
また、同様に脱湿効率向上の観点から、前記吸着器（ｃ１）または冷凍機（ｃ２）を通過した空気の一部を、スイープガスとして前記分離膜（ｂ）に通過させる気体配管（ｅ）を有することが好ましい。さらに、前記気体配管（ｅ）が加圧装置を有することが好ましい。また、前記気体配管（ｅ）、加圧装置に代えて、分離膜の透過側を真空にする手段（ｆ）を有していてもよい。以下、実施形態の一例を挙げて詳述する。
Moreover, it is preferable to have a pressurization apparatus (d) between the said water washing apparatus (a) and the said separation membrane (b) from a viewpoint of a dehumidification efficiency improvement.
Similarly, from the viewpoint of improving the dehumidification efficiency, a gas pipe (e) that allows a part of the air that has passed through the adsorber (c1) or the refrigerator (c2) to pass through the separation membrane (b) as a sweep gas. It is preferable to have. Furthermore, it is preferable that the gas pipe ( e ) has a pressurizing device. Moreover, it may replace with the said gas piping (e) and a pressurization apparatus, and may have a means (f) which makes the permeation | transmission side of a separation membrane a vacuum. Hereinafter, an exemplary embodiment will be described in detail.
図１は、本発明の気体脱湿装置の実施形態の一例を表す概略図である。本実施形態は、空気の脱湿装置として説明がなされているが、空気以外の気体についても用いることができ、本発明の要旨を損なわない範囲で当業者の設計変更による部分的な修正・変更・追加は可能である。
本実施形態の空気脱湿装置は、図１に示すように、吸入スタック１、フィルタ２、加圧装置３、水洗装置４、加圧装置５、分離膜モジュール６、吸着器７で構成されている。吸入スタック１とフィルタ２、フィルタ２と加圧装置３、加圧装置３と水洗装置４、水洗装置４と加圧装置５、加圧装置５と分離膜モジュール６、分離膜モジュール６と吸着器７は、それぞれ空気配管１０、１１、１２、１３、１４、１５により接続されている。吸着器７は、乾燥製品空気として各部に供給されるための空気配管１６、およびスイープガスとして分離膜モジュール６に供給されるための空気配管１７に接続されている。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of an embodiment of a gas dehumidifying device of the present invention. Although this embodiment has been described as an air dehumidifying device, it can also be used for gases other than air, and can be partially modified / changed by a person skilled in the art within a range that does not impair the gist of the present invention.・ Addition is possible.
As shown in FIG. 1, the air dehumidifying device of the present embodiment includes an intake stack 1, a filter 2, a pressurizing device 3, a water washing device 4, a pressurizing device 5, a separation membrane module 6, and an adsorber 7. Yes. Suction stack 1 and filter 2, filter 2 and pressurizing device 3, pressurizing device 3 and rinsing device 4, rinsing device 4 and pressurizing device 5, pressurizing device 5 and separation membrane module 6, separation membrane module 6 and adsorber 7 are connected by
まず、吸入スタック１に取り込まれた大気は空気配管１０を通ってフィルタ２を通り、ゴミなどの不純物が除去される。不純物が除去された空気は空気配管１１を経て加圧装置３に供給される。
加圧装置３は、空気を圧縮・貯蔵し、空気配管１２を通って水洗装置４以降の各部位に空気を供給するための装置である。加圧装置１における空気の圧力は、通常０．２ＭＰａ以上、好ましくは０．５ＭＰａ以上であり、通常１０ＭＰａ以下、好ましくは５ＭＰａ以下である。
First, the air taken into the suction stack 1 passes through the
The pressurizing device 3 is a device for compressing and storing air and supplying the air to each part after the water washing device 4 through the
加圧装置３から送り出された空気は、空気配管１２を経て水洗装置４に供給される。水洗装置４は、空気中に含まれる二酸化炭素や埃などの不純物を水に溶解させ、空気中から除去する装置である。このような水洗装置４としては、通常、シャワー装置等を挙げることができる。また、水洗装置４の後に、ミストセパレータ（図示せず）を設置してミストを除去することは、脱湿効率の観点から好ましい。
The air sent out from the pressurizing device 3 is supplied to the water washing device 4 through the
水洗装置４から取り出された空気は、空気配管１３を経て加圧装置５に供給される。加圧装置５は、加圧装置３と同様の目的の他に、分離膜モジュール６に供給される前に、空気の露点を下げる目的で設置される。これにより、分離膜モジュール６の分離膜の負担を少なくし、効率的に空気を脱湿することができる。加圧装置５における空気の圧力は、通常０．２ＭＰａ以上、好ましくは０．５ＭＰａ以上であり、通常１０ＭＰａ以下、好ましくは５ＭＰａ以下である。 The air taken out from the water washing device 4 is supplied to the pressurizing device 5 through the air pipe 13. The pressurizing device 5 is installed for the purpose of lowering the dew point of air before being supplied to the separation membrane module 6 in addition to the same purpose as the pressurizing device 3. Thereby, the burden of the separation membrane of the separation membrane module 6 can be reduced, and air can be efficiently dehumidified. The pressure of the air in the pressurizing device 5 is usually 0.2 MPa or more, preferably 0.5 MPa or more, and usually 10 MPa or less, preferably 5 MPa or less.
加圧装置５から送り出された空気は、空気配管１４を経て分離膜モジュール６に供給される。分離膜モジュール６は、水洗装置４を経て水蒸気を含んだ空気から当該水蒸気を除去するために用いられる。分離膜モジュール６は、分離膜から構成されるものであり、通常管状の分離膜を複数並列に、または直列に、または並列と直列を組み合わせてモジュール化して用いられる。分離膜は、空気から水蒸気を分離できるものであれば特に限定はないが、前述した通り、種々の観点から無機分離膜を用いることが好ましい。
なお、分離膜モジュール６の前後に冷却機（図示せず）が設けられていてもよい。すなわち、冷却機と分離膜モジュール６の併用により、水分除去効果をさらに高めることができる。
The air sent out from the pressurizing device 5 is supplied to the separation membrane module 6 through the
A cooler (not shown) may be provided before and after the separation membrane module 6. That is, the combined use of the cooler and the separation membrane module 6 can further enhance the moisture removal effect.
このようにして分離膜モジュールを通過する工程において、空気の水蒸気量を通常３０ｇ／ｍ２以下、好ましくは１０ｇ／ｍ２以下とする。
分離膜モジュール６を透過した空気は、空気配管１５を経て吸着器７に供給される。吸着器７は、分離膜モジュール６においてある程度水分除去ができた空気の水分をさらに低減させるために用いられる。かかる吸着器７を最終段階で設置することにより、精度の要求される計装機器に用いることが可能な水分含量の少ない空気を得ることができる。吸着器７に用いられる吸着材料としては、通常ゼオライト、活性炭、シリカゲル、モレキュラーシーブ、ガラス、高分子化合物、金属等が用いられる。中でも再生利用、長期間の使用などの観点から、ゼオライト、シリカゲルが好ましい。吸着剤の使用については、吸着剤の再生利用の観点から、ＰＳＡ（圧力スウィング吸着）、ＴＳＡ（熱スウィング吸着）などを用いることができる。
Thus, in the process of passing through the separation membrane module, the amount of water vapor is usually 30 g / m 2 or less, preferably 10 g / m 2 or less.
The air that has passed through the separation membrane module 6 is supplied to the adsorber 7 through the air pipe 15. The adsorber 7 is used to further reduce the moisture of air that has been able to remove moisture to some extent in the separation membrane module 6. By installing such an adsorber 7 in the final stage, it is possible to obtain air with a low water content that can be used for instrumentation that requires high accuracy. As the adsorbing material used for the adsorber 7, usually zeolite, activated carbon, silica gel, molecular sieve, glass, polymer compound, metal or the like is used. Among these, zeolite and silica gel are preferable from the viewpoints of recycling and long-term use. As for the use of the adsorbent, PSA (pressure swing adsorption), TSA (thermal swing adsorption), etc. can be used from the viewpoint of recycling of the adsorbent.
吸着器７は、再生利用されるものであるので、連続的に動作させるためには、複数の吸着器７を並列に接続し、使用バッチ、再生バッチを設けてメリーゴーランド式に交替させて用いることが好ましい。
吸着器７から取り出した空気は空気配管１６を通り、製品乾燥用の空気として所定の場所に供給されるか、各計装機器に供給される。
Since the adsorber 7 is reclaimed, in order to operate continuously, a plurality of adsorbers 7 are connected in parallel, and a use batch and a regeneration batch are provided and used in a merry-go-round manner. Is preferred.
The air taken out from the adsorber 7 passes through the
また、吸着器７から取り出した空気の一部をスイープガスとして空気配管１７を通って分離膜モジュール６の分離膜の透過側に供給されることも好ましい。
分離膜の透過側とは、例えば分離膜が管状である場合は、管内部がこれに該当する。スイープガスとして分離膜の透過側（例えば管内部）を通過した空気は、分離膜モジュール６で吸着された水分を含んで（スイープして）、分離膜モジュール６の系外に出される。これにより、分離膜モジュールの水分除去効率を高めることができる。また、空気配管１７に加圧装置を設けることにより、分離膜モジュール６を通過する空気と分離膜の管内部を通過するスイープガスとの供給側と透過側の水蒸気の圧力差を大きくすることができ、これを利用して効率的に運転することができる。また、このような圧力差を設けることができる観点からも、分離膜として無機分離膜を用いることが好ましく、支持体、およびゼオライト膜で構成される無機分離膜は更に好ましい。
It is also preferable that a part of the air taken out from the adsorber 7 is supplied as a sweep gas to the permeation side of the separation membrane of the separation membrane module 6 through the air pipe 17.
For example, when the separation membrane is tubular, the permeation side of the separation membrane corresponds to the inside of the tube. The air that has passed through the permeation side of the separation membrane (for example, the inside of the tube) as a sweep gas contains moisture adsorbed by the separation membrane module 6 (sweep) and is discharged out of the system of the separation membrane module 6. Thereby, the water | moisture-content removal efficiency of a separation membrane module can be improved. Further, by providing a pressurizing device in the air pipe 17, it is possible to increase the pressure difference between the supply side and the permeate side water vapor between the air passing through the separation membrane module 6 and the sweep gas passing through the inside of the separation membrane tube. It is possible to operate efficiently using this. Also, from the viewpoint of providing such a pressure difference, an inorganic separation membrane is preferably used as the separation membrane, and an inorganic separation membrane composed of a support and a zeolite membrane is more preferable.
また、分離膜モジュール６の分離膜の透過側にスイープガスを供給する手段に代えて、分離膜の透過側を真空にする手段（図示せず）を有していてもよい。これにより、透過側の蒸気圧を低くして、水透過の駆動力を実現することができる。このような手段としては
、例えば真空ポンプなどの減圧装置等を挙げることができる。この場合においても、前記スイープガスを供給する手段と同様、圧力差を設けることができる観点から、分離膜として無機分離膜を用いることが好ましく、支持体、およびゼオライト膜で構成される無機分離膜は更に好ましい。
Further, instead of the means for supplying the sweep gas to the permeation side of the separation membrane module 6, a means (not shown) for evacuating the permeation side of the separation membrane may be provided. Thereby, the vapor pressure on the permeate side can be lowered, and the driving force for water permeation can be realized. Examples of such means include a decompression device such as a vacuum pump. Also in this case, it is preferable to use an inorganic separation membrane as the separation membrane from the viewpoint that a pressure difference can be provided, like the means for supplying the sweep gas, and an inorganic separation membrane composed of a support and a zeolite membrane. Is more preferable.
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、それらは本発明の説明を目的とするものであって、本発明をこれらの態様に限定することを意図したものではない。
[１]実験方法
長さ１ｍ、外径１．６ｃｍ（内径１．２ｃｍ）の多孔質のアルミナ支持管の表面にＡ型ゼオライト膜を結晶成長させた分離膜（膜面積４６８ｃｍ２）を用いて脱湿を行った。実験装置の模式図を図２に示す。実験は空気のかわりとして、模擬ガスとして窒素ガスを用いた。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, they are for the purpose of explaining the present invention, and are not intended to limit the present invention to these embodiments.
[1] Experimental method
Dehumidification was performed using a separation membrane (membrane area 468 cm 2 ) in which an A-type zeolite membrane was grown on the surface of a porous alumina support tube having a length of 1 m and an outer diameter of 1.6 cm (inner diameter 1.2 cm). . A schematic diagram of the experimental apparatus is shown in FIG. In the experiment, nitrogen gas was used as a simulation gas instead of air.
高圧窒素ボンベ２０３から０．７ＭＰａＧの圧力に制御した窒素ガスをバブリング用水容器２０４を用いて水２２２と接触させ、大気圧露点−７．３℃の湿度の高い窒素ガスをつくり、膜エレメントモジュール２０６に供給した。供給する窒素ガス流量は、流量制御バルブ２２１で、毎分５Ｌから２５Ｌの間で制御された。膜エレメントモジュール２０６の供給側２２３の出口には背圧弁２２７を設置し圧力を０．６ＭＰａＧに制御した。
Nitrogen gas controlled to a pressure of 0.7 MPaG from a high-
供給した湿り窒素ガスの湿度は膜分離を行わない状態で、一方、膜分離を経た乾燥製品窒素ガスの湿度は分離を行った状態で、モジュール製品出口で湿度計２２８により測定した。膜エレメントモジュール２０６の透過側２２５は真空ポンプ２３１を用いて５ｔｏｒｒ以下の真空度を実現した。分離膜２２４を透過した水蒸気２２６は、冷媒を用いたトラップ２３０で液化、捕集された。捕集された水は秤量され、分離膜２２４の透過流束が決定された。窒素ガスの供給側２２３から透過側２２５への透過量は、透過側２２５を大気圧として、分離膜２２４を透過する窒素ガス流量をガスフローメーターで測定した。
The humidity of the supplied wet nitrogen gas was measured with a
［２］実験結果
２０℃の室温で行った脱湿分離実験の製品窒素生産量、製品窒素湿度、および製品大気圧露点を表1に示す。製品生産量が２５Ｌ／分の時、製品の大気圧露点は−１３．２℃であ
り、製品生産量が減少するに従い製品の大気圧露点は低下（より低い湿度）に製品精度が向上し、生産量が５Ｌ／分の時、製品の大気圧露点は−２１．３℃であった。これら一連の透過実験において、透過側への窒素ガスの透過は３ｃｃ／分以下であった。
なお、上記実施例は、実験用に規模を比較的小さなものとしているが、実用に用いられる大型プラントへの設計時において、吸着器やその他構成要件を修正・変更・追加等することにより、その性能を向上させることが可能であり、大気圧露点が−５０℃以下の気体を製造する装置を提供することが可能である。
[2] Experimental results Table 1 shows the product nitrogen production, product nitrogen humidity, and product atmospheric pressure dew point in a dehumidification separation experiment conducted at room temperature of 20 ° C. When the product production volume is 25L / min, the atmospheric dew point of the product is -13.2 ° C, and as the product production volume decreases, the product atmospheric pressure dew point decreases (lower humidity), and the product accuracy improves. When the production amount was 5 L / min, the atmospheric dew point of the product was −21.3 ° C. In these series of permeation experiments, the permeation of nitrogen gas to the permeate side was 3 cc / min or less.
In addition, although the said Example is made into the comparatively small scale for experiment, at the time of designing to the large plant used for practical use, by adhering and changing / adding an adsorber and other structural requirements, The performance can be improved, and an apparatus for producing a gas having an atmospheric dew point of −50 ° C. or less can be provided.
本発明は、上述の様に、省エネルギーであり、高効率に水分を除去でき、吸着材料の回収率を低減し得る安価な脱湿装置を提供するものであり、特に、露点が通常−１０℃以下、好ましくは−２０℃程度以下、更に好ましくは−５０℃以下の気体を製造する脱湿技術の分野において産業上の利用可能性が極めて高い。なお、脱湿の対象となる気体としては、空気の他、天然ガスやエチレン等の有機物を含むガスなどを挙げることができる。 As described above, the present invention provides an inexpensive dehumidifying device that is energy-saving, can remove moisture with high efficiency, and can reduce the recovery rate of the adsorbent material. In particular, the dew point is usually −10 ° C. Hereinafter, the industrial applicability is extremely high in the field of dehumidification technology for producing a gas of preferably −20 ° C. or lower, more preferably −50 ° C. or lower. Note that examples of the gas to be dehumidified include air, natural gas, and gas containing an organic substance such as ethylene.
１ 吸入スタック
２ フィルタ
３ 加圧装置
４ 水洗装置
５ 加圧装置
６ 分離膜モジュール
７ 吸着器
１０〜１７ 空気配管
２０３ 高圧窒素ボンベ
２０４ バブリング用水容器
２０６ 膜エレメントモジュール
２１２ 窒素の流れ方向
２２１ 供給窒素の圧力レギュレーターと流量制御バルブ
２２２ 水
２２３ 供給側
２２４ ゼオライト分離膜
２２５ 透過側
２２６ 膜透過水蒸気および膜透過窒素
２２７ 背圧弁
２２８ 湿度計
２３０ 冷媒トラップ
２３１ 真空ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Suction stack 2 Filter 3 Pressurization apparatus 4 Flushing apparatus 5 Pressurization apparatus 6 Separation membrane module 7 Adsorber 10-17 Air piping 203 High
Claims (6)
該気体は、気体を水洗する水洗装置を経て、分離膜モジュールを通過し、
該水洗装置の前および後のいずれか一方または両方に加圧装置を有し、
該分離膜モジュールは、気体から水蒸気を分離できる無機分離膜から構成され、
該無機分離膜は、Ａ型、Ｙ型、Ｘ型、モルデナイト型、ＭＦＩ型のいずれか１以上のゼオライトを含む膜であり、
該無機分離膜モジュールを通過した気体の水分を除去する吸着器および冷凍機のいずれかまたは両方を有し、
該吸着器または冷凍機を通過した気体の一部を、スイープガスとして前記無機分離膜の透過側に通過させる気体配管を有することを特徴とする、気体脱湿装置。 A gas dehumidifying device having a separation membrane module for removing water vapor from a gas containing water vapor,
The gas passes through the separation membrane module through a water washing device for washing the gas,
Having a pressurizing device either before or after the water-washing device or both,
The separation membrane module is composed of an inorganic separation membrane capable of separating water vapor from a gas,
The inorganic separation membrane is a membrane containing one or more zeolites of A type, Y type, X type, mordenite type, and MFI type,
Having either or both of an adsorber and a refrigerator for removing moisture from the gas that has passed through the inorganic separation membrane module ;
A gas dehumidifying device comprising a gas pipe for passing a part of the gas that has passed through the adsorber or refrigerator as a sweep gas to the permeation side of the inorganic separation membrane.
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