JP6117027B2 - 微細流路を用いた吸収方法及び吸収装置 - Google Patents

Description

本発明は、微細流路を用いた吸収方法及び吸収装置に関する。

気体中の特定成分を分離する方法の１つに吸収操作がある。この吸収操作の方法には、大別して、気体中に吸収液を分散させる方法と、吸収液中に気体を分散させる方法とがある。前者の方法では、充填塔、スプレー塔等の吸収塔が用いられ、後者の方法では、棚段塔、気泡塔等の吸収塔が用いられる。尚、かかる吸収塔については、特許公報記載の技術としても公知である（例えば、特許文献１、２参照）。

特開昭５２−５４６８０号公報 特開昭６３−１７０２０６号公報

しかしながら、かかる吸収塔のような吸収装置では、吸収液と気体の接触効率が悪いため吸収速度が遅く、また、吸収液の単位体積あたりの吸収量を増加させることもできなかった。

本発明の目的は、気体中の特定成分を吸収液に吸収させる際に、吸収速度を速くすると共に吸収液の単位体積あたりの吸収量を増加させることにある。

かかる目的のもと、本発明は、被吸収成分を含む気体及び吸収液が流通することにより被吸収成分が吸収液に吸収される微細流路を用いた吸収方法であって、気体及び吸収液をそれぞれ第１及び第２の流体として微細流路に流通させるステップと、気体及び吸収液を微細流路に流通させた状態で、微細流路内の圧力を高くするための第３の流体を微細流路に流通させるステップとを含むことを特徴とする吸収方法を提供する。

ここで、第３の流体を流通させるステップでは、気体及び／又は吸収液に対して不溶性及び／又は不活性な流体である第３の流体を微細流路に流通させる、ものであってよい。

また、気体及び吸収液を流通させるステップでは、気体及び吸収液の微細流路からの排出に制限をかけない状態で、気体及び吸収液を微細流路に流通させ、第３の流体を流通させるステップは、気体及び吸収液の微細流路からの排出に制限をかけた状態で、第３の流体を微細流路に流通させ、第３の流体を流通させるステップが実行された後に、気体及び吸収液を流通させるステップが再び実行される、ものであってよい。

更に、気体及び吸収液を流通させるステップでは、気体及び吸収液を第１の微細流路に流通させ、第３の流体を流通させるステップでは、第３の流体を第１の微細流路とは異なる第２の微細流路に流通させ、気体及び吸収液を流通させるステップが実行されるのと並行して、第３の流体を流通させるステップが実行される、ものであってよい。

更にまた、第３の流体を微細流路に流通させた後に、気体、吸収液及び第３の流体の混合物を微細流路から排出するステップと、排出された混合物から第３の流体を分離するステップとを更に含み、第３の流体を流通させるステップでは、分離された第３の流体を微細流路に流通させる、ものであってよい。

一方、本発明は、被吸収成分を含む気体及び吸収液が流通することにより被吸収成分が吸収液に吸収される微細流路を用いた吸収装置であって、気体を第１の流体として供給する第１の供給部と、吸収液を第２の流体として供給する第２の供給部と、微細流路内の圧力を高めるための第３の流体を供給する第３の供給部と、各微細流路に対して、第１の供給部により供給された気体と、第２の供給部により供給された吸収液とが流通された状態で、第３の供給部により供給された第３の流体が流通される複数の微細流路とを備えたことを特徴とする吸収装置も提供する。

本発明によれば、気体中の特定成分を吸収液に吸収させる際に、吸収速度が速くなると共に吸収液の単位体積あたりの吸収量が増加する。

本実施の形態における微細流路装置の構成を示した図である。 本実施の形態における微細流路装置内の流体流路の一例について示した図である。 本実施の形態における微細流路装置内の流体流路の一例を表面から見た図である。 本実施の形態における微細流路装置内の流体流路の一例を裏面から見た図である。 本実施の形態における微細流路装置内の流体流路の別の例について示した図である。 本実施の形態における微細流路装置内の流体流路の別の例を表面から見た図である。 本実施の形態における微細流路装置内の流体流路の別の例を裏面から見た図である。 本実施の形態における微細流路装置内の温調流路について示した図である。 本実施の形態における微細流路装置の第１端面による断面図の一部を示した図である。 第１の実施の形態における吸収装置の構成例を示した図である。 第１の実施の形態における吸収装置が第１流体及び第２流体の流体流路への供給と第３流体の流体流路への供給を同時に行う際の動作について示した図である。 （ａ），（ｂ）は、第１の実施の形態における吸収装置が第１流体及び第２流体の流体流路への供給と第３流体の流体流路への供給を交互に行う際の動作について示した図である。 第２の実施の形態における吸収装置の構成例を示した図である。 第２の実施の形態における吸収装置が第１流体及び第２流体の流体流路への供給と第３流体の流体流路への供給を同時に行う際の動作について示した図である。 （ａ），（ｂ）は、第２の実施の形態における吸収装置が第１流体及び第２流体の流体流路への供給と第３流体の流体流路への供給を交互に行う際の動作について示した図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、本実施の形態で用いる微細流路装置について説明する。本実施の形態における微細流路装置は、複数の流体同士を合流させて相互作用を生じさせるために用いられるものである。例えば、マイクロリアクタ、熱交換器、抽出反応用の反応装置、エマルション化用の混合装置等に用いられる。

図１は、本実施の形態における微細流路装置１の構成を示した図である。

図示するように、本実施の形態における微細流路装置１は、本体部４と、第１流体用ヘッダ６と、第２流体用ヘッダ８と、第３流体用ヘッダ１０と、流体排出用ヘッダ１２と、温調流体用ヘッダ１４，１６とを備えている。

本体部４は、微細流路装置１の大部分を占めており、直方体状に形成されている。この本体部４は、その長手方向において一方側を向く端面である第１端面４ａと、その第１端面４ａと反対側を向く端面である第２端面４ｂとを有する。また、本体部４は、この本体部４の長手方向に直交する短手方向において一方側を向く端面である第３端面４ｃと、その第３端面４ｃと反対側を向く端面である第４端面４ｄとを有する。本体部４の長手方向は、微細流路装置１の長手方向と同じ方向であり、本体部４の短手方向は、微細流路装置１の短手方向と同じ方向であり、本体部４の厚み方向は、微細流路装置１の厚み方向と同じ方向である。

第１流体用ヘッダ６及び温調流体用ヘッダ１６は、本体部４の第１端面４ａに対向するように配置されて本体部４に結合される。流体排出用ヘッダ１２及び温調流体用ヘッダ１４は、本体部４の第２端面４ｂに対向するように配置されて本体部４に結合される。第２流体用ヘッダ８及び第３流体用ヘッダ１０は、本体部４の第３端面４ｃに対向するように配置されて本体部４に結合されるが、その際、第３流体用ヘッダ１０は第２流体用ヘッダ８よりも第１端面４ａから遠い位置に配置され結合される。

また、本実施の形態の微細流路装置１には、相互作用させる第１流体、第２流体及び第３流体を合流させて流通させるための複数の流体流路と、流体流路を流れる流体の温度を調節するための温調用流体を流すための複数の温調流路とが形成されている。そこで、この流体流路及び温調流路について説明する。

図２−１−１は、本実施の形態における微細流路装置１内の流体流路２の一例について示した図である。

図において、各流体流路２は、微小な流路径を有する所謂マイクロチャネルであり、微細流路の一例である。この流体流路２は、図示するように、第１流体が導入される第１導入路２ａと、第２流体が導入される第２導入路２ｂと、第３流体が導入される第３導入路２ｃと、それら導入路２ａ，２ｂ，２ｃに導入された両流体を合流させて流通させる合流流体流路２ｄとを有する。

第１導入路２ａは、本体部４の第１端面４ａの近傍で且つ第３端面４ｃ寄りの位置に配置されており、本体部４の長手方向に直線的に延びている。第１導入路２ａは、この第１導入路２ａに第１流体を導入するための第１導入口２ｅを有する。

第２導入路２ｂは、本体部４の第３端面４ｃ寄りの位置に配置されており、本体部４の短手方向における第３端面４ｃから第４端面４ｄへ向かって直線的に延びている。この第２導入路２ｂは、第１導入路２ａと直交する方向に延びている。また、第２導入路２ｂは、この第２導入路２ｂに第２流体を導入するための第２導入口２ｆを有する。

第３導入路２ｃも、本体部４の第３端面４ｃ寄りの位置に配置されており、本体部４の短手方向における第３端面４ｃから第４端面４ｄへ向かって直線的に延びている。この第３導入路２ｃも、第１導入路２ａと直交する方向に延びている。但し、第３導入路２ｃは、第２導入路２ｂよりも、本体部４の第１端面４ａから遠い位置に配置されている。また、第３導入路２ｃは、この第３導入路２ｃに第３流体を導入するための第３導入口２ｇを有する。

合流流体流路２ｄは、本体部４の長手方向において第１端面４ａ側へ直線的に延びる部分とその部分から折り返されて第２端面４ｂ側へ直線的に延びる部分とが交互に繋がる蛇行した形状に形成されている。具体的には、合流流体流路２ｄは、複数の直線流路部２ｈと、複数の第１折返し部２ｉと、複数の第２折返し部２ｊとを有する。

直線流路部２ｈは、合流流体流路２ｄのうち本体部４の長手方向に直線的に延びる部分を構成するものである。複数の直線流路部２ｈは、互いに平行に配置されており、本体部４の短手方向において間隔をあけて並ぶように配置されている。

第１折返し部２ｉは、合流流体流路２ｄのうち本体部４の長手方向において第１端面４ａ側へ直線的に延びる部分とその部分の下流側に配置されて第２端面４ｂ側へ直線的に延びる部分の第１端面４ａ側の端部同士を繋ぐ部分である。即ち、第１折返し部２ｉは、本体部４の短手方向において隣り合う直線流路部２ｈのうち第１端面４ａ側の端部同士を繋いでいる。この第１折返し部２ｉによって、この第１折返し部２ｉの上流側の第１端面４ａ側へ延びる直線流路部２ｈからこの第１折返し部２ｉの下流側の第２端面４ｂ側へ延びる直線流路部２ｈへ流路が折り返されている。

第２折返し部２ｊは、合流流体流路２ｄのうち本体部４の長手方向において第２端面４ｂ側へ直線的に延びる部分とその部分の下流側に配置されて第１端面４ａ側へ直線的に延びる部分の第２端面４ｂ側の端部同士を繋ぐ部分である。即ち、第２折返し部２ｊは、本体部４の短手方向において隣り合う直線流路部２ｈのうち第２端面４ｂ側の端部同士を繋いでいる。この第２折返し部２ｊによって、この第２折返し部２ｊの上流側の第２端面４ｂ側へ延びる直線流路部２ｈからこの第２折返し部２ｊの下流側の第１端面４ａ側へ延びる直線流路部２ｈへ流路が折り返されている。

また、合流流体流路２ｄは、この合流流体流路２ｄ内から流体を導出するための導出口２ｋを有する。この導出口２ｋは、合流流体流路２ｄの下流側の端部に設けられている。

また、微細流路装置１には、各流体流路２の第１導入路２ａの第１導入口２ｅに第１流体を分配して供給するための第１供給流路２ｍと、各流体流路２の第２導入路２ｂの第２導入口２ｆに第２流体を分配して供給するための第２供給流路２ｎと、各流体流路２の第３導入路２ｃの第３導入口２ｇに第３流体を分配して供給するための第３供給流路２ｏと、各流体流路２の合流流体流路２ｄの導出口２ｋから導出される流体を合流させて回収するための回収流路２ｐとが形成されている。具体的には、第１流体用ヘッダ６に第１供給流路２ｍが形成されており、第２流体用ヘッダ８に第２供給流路２ｎが形成されており、第３流体用ヘッダ１０に第３供給流路２ｏが形成されており、流体排出用ヘッダ１２に回収流路２ｐが形成されている。

第１供給流路２ｍは、第１供給穴２ｑと、第１供給流路接続部２ｒとを有する。第１供給穴２ｑは、微細流路装置１の厚み方向の一方の端面（第５端面とする）に開口し、その開口から微細流路装置１の厚み方向の他方の端面（第６端面とする）へ向かって複数の流体流路２のうち第６端面に最も近い流体流路２に対応する位置まで延びている。この第１供給穴２ｑには、図示しない第１供給側コネクタが接続されており、その第１供給側コネクタを通じて第１流体が供給される。第１供給流路接続部２ｒは、複数の流体流路２のうち微細流路装置１の第５端面に最も近い流体流路２に対応する位置から第６端面に最も近い流体流路２に対応する位置に亘って微細流路装置１の厚み方向に延びており、第１供給穴２ｑと連通するように形成されている。この第１供給流路接続部２ｒは、各流体流路２の第１導入口２ｅに接続され、第１供給穴２ｑに供給された第１流体を各第１導入口２ｅに分配する。

第２供給流路２ｎは、図示しない第２供給側コネクタが接続される第２供給穴２ｓと、各流体流路２の第２導入口２ｆに接続される第２供給流路接続部２ｔとを有する。この第２供給流路２ｎの第２供給穴２ｓと第２供給流路接続部２ｔの構成は、第１供給流路２ｍの第１供給穴２ｑと第１供給流路接続部２ｒの構成と同様である。

第３供給流路２ｏは、図示しない第３供給側コネクタが接続される第３供給穴２ｕと、各流体流路２の第３導入口２ｇに接続される第３供給流路接続部２ｖとを有する。この第３供給流路２ｏの第３供給穴２ｕと第３供給流路接続部２ｖの構成も、第１供給流路２ｍの第１供給穴２ｑと第１供給流路接続部２ｒの構成と同様である。

回収流路２ｐは、回収穴２ｗと、回収流路接続部２ｘとを有する。回収穴２ｗは、微細流路装置１の第５端面に開口し、その開口から微細流路装置１の第６端面へ向かって複数の流体流路２のうち第６端面に最も近い流体流路２に対応する位置まで延びている。この回収穴２ｗには、図示しない回収側コネクタが接続されている。回収流路接続部２ｘは、複数の流体流路２のうち微細流路装置１の第５端面に最も近い流体流路２に対応する位置から第６端面に最も近い流体流路２に対応する位置に亘って微細流路装置１の厚み方向に延びており、回収穴２ｗと連通するように形成されている。この回収流路接続部２ｘは、各流体流路２の導出口２ｋに接続され、導出口２ｋから導出される流体を合流させる。この回収流路接続部２ｘで合流された流体は、回収穴２ｗへ流れ、図示しない回収側コネクタを通じて導出される。

尚、図２−１−１では、合流流体流路２ｄと、第２導入路２ｂ及び第３導入路２ｃとを同じ平面上に示したが、実際には、合流流体流路２ｄと、第２導入路２ｂ及び第３導入路２ｃとは、厚み方向の位置が異なっている。図２−１−２は、微細流路装置１の本体部４を表面から見た図であり、図２−１−３は、微細流路装置１の本体部４を裏面から見た図である。図２−１−２に実線で、図２−１−３に破線で示すように、合流流体流路２ｄは微細流路装置１の表面にあり、図２−１−２に破線で、図２−１−３に実線で示すように、第２導入路２ｂ及び第３導入路２ｃは微細流路装置１の裏面にある。

また、図２−２−１は、本実施の形態における微細流路装置１内の流体流路２の別の例について示した図である。

この流体流路２は、図示するように、本体部４内においては、図２−１−１に示した第１導入路２ａ、第２導入路２ｂ、第３導入路２ｃ、合流流体流路２ｄ、第１導入口２ｅ、第２導入口２ｆ、第３導入口２ｇ、直線流路部２ｈ、第１折返し部２ｉ、第２折返し部２ｊ及び導出口２ｋのセットが、５個並列に配置されてなる。尚、並列に配置するセットの個数はここでは５個としたが、任意の個数でよい。また、第１流体用ヘッダ６、第２流体用ヘッダ８、第３流体用ヘッダ１０、流体排出用ヘッダ１２内においては、それぞれ、図２−１−１に示した第１供給流路２ｍ、第２供給流路２ｎ、第３供給流路２ｏ、回収流路２ｐが、５個並列に配置されたセットに対して共通に設けられている。尚、各構成要素については、図２−１−１を参照して説明したので、ここでの詳しい説明は省略する。

尚、図２−２−１でも、合流流体流路２ｄと、第２導入路２ｂ及び第３導入路２ｃとを同じ平面上に示したが、実際には、合流流体流路２ｄと、第２導入路２ｂ及び第３導入路２ｃとは、厚み方向の位置が異なっている。図２−２−２は、微細流路装置１の本体部４を表面から見た図であり、図２−２−３は、微細流路装置１の本体部４を裏面から見た図である。図２−２−２に実線で、図２−２−３に破線で示すように、合流流体流路２ｄは微細流路装置１の表面にあり、図２−２−２に破線で、図２−２−３に実線で示すように、第２導入路２ｂ及び第３導入路２ｃは微細流路装置１の裏面にある。

図３は、本実施の形態における微細流路装置１内の温調流路３について示した図である。

各温調流路３は、図示するように、並列に配置された複数の単位流路３ａからなる。各単位流路３ａは、本体部４の長手方向において第１端面４ａ側へ延びる部分とその部分から折り返されて第２端面４ｂ側へ延びる部分とが交互に繋がる蛇行した形状に形成されている。また、微細流路装置１には、各温調流路３に温調用流体を分配して供給するための温調供給流路３ｂと、各温調流路３から温調用流体を回収するための温調回収流路３ｃとが形成されている。

温調供給流路３ｂは、温調流体用ヘッダ１４に形成されており、温調供給穴３ｄと、複数の温調供給流路接続部３ｅとを有している。温調供給穴３ｄは、微細流路装置１の厚み方向の一方の端面（第５端面）に開口し、その開口から微細流路装置１の厚み方向の他方の端面（第６端面）へ向かって複数の温調流路３のうち第６端面に最も近い温調流路３に対応する位置まで延びている。この温調供給穴３ｄには、図示しない温調供給側コネクタが接続されており、その温調供給側コネクタを通じて温調用流体が供給される。温調供給流路接続部３ｅは、微細流路装置１の厚み方向において各温調流路３に対応する位置にそれぞれ形成されており、温調供給穴３ｄと各温調流路３の複数の単位流路３ａの上流側の端部とを繋いでいる。温調供給穴３ｄに供給された温調用流体は、各温調供給流路接続部３ｅを通じて各温調流路３の複数の単位流路３ａに分配される。

また、温調回収流路３ｃは、温調流体用ヘッダ１６に形成されており、温調回収穴３ｆと、複数の温調流路３の下流側の端部に繋がる複数の温調回収流路接続部３ｇとを有している。温調回収穴３ｆと温調回収流路接続部３ｇの構造は、温調供給穴３ｄと温調供給流路接続部３ｅの構造と同様である。温調回収穴３ｆには、図示しない温調回収側コネクタが接続されており、各温調流路３の複数の単位流路３ａの下流側端部から導出された温調用流体が各温調回収流路接続部３ｇから温調回収穴３ｆを通じ、温調回収側コネクタを通じて導出される。

そして、複数の流体流路２と複数の温調流路３とは、微細流路装置１の厚み方向に並ぶように微細流路装置１内に形成されている。具体的には、１つの流体流路２の各部分は、一平面上に形成されており、２つの温調流路３が、微細流路装置１の厚み方向（その一平面に対して垂直な方向）においてこの流体流路２の両側に分かれて配置されている。そして、この１つの流体流路２と２つの温調流路３とを１組の流路として、複数組の流路が微細流路装置１の厚み方向に並んで配置されている。

図４は、本実施の形態における微細流路装置１の第１端面４ａに平行で流体流路２及び温調流路３の折返し部を含まない任意の面による断面図の一部であり、微細流路装置１内の流体流路２及び温調流路３の厚み方向の配置を示した図である。

図示するように、流体流路２の複数の合流流体流路２ｄが、本体部４内において横方向に並べて配置されている。また、図示するように、温調流路３の複数の単位流路３ａが、本体部４内において各流体流路２に対してこの本体部４の厚み方向の一方側又は他方側に間隔をあけて配置されている。

即ち、本体部４は、複数の基板が積層されて互いに接合された部材から形成されている。各流体流路２は、基板の表面に流体流路２に対応した形状に形成された溝がその基板上に積層される別の基板で封止されることによって形成されている。また、各温調流路３は、基板の表面にその温調流路３に対応した形状に形成された溝がその基板上に積層される別の基板で封止されることによって形成されている。尚、図では、各流体流路２及び各温調流路３を、下側が開放された半円形の断面を持つものとしたが、この限りではない。例えば、上側が開放された半円形の断面を持つものとしてもよい。また、各流体流路２を、基板の表面に流体流路２に対応した形状に形成された溝と、その基板上に積層される別の基板の裏面にその溝と対称形となるように形成された溝とを重ね合わせることによって円形の断面を持つものとしてもよいし、各温調流路３を、基板の表面に温調流路３に対応した形状に形成された溝と、その基板上に積層される別の基板の裏面にその溝と対称形となるように形成された溝とを重ね合わせることによって円形の断面を持つものとしてもよい。

さて、本実施の形態では、このような微細流路装置１を用いて、気体中の特定成分を吸収液に吸収させる吸収操作を行う。具体的には、流体流路２に、第１供給穴２ｑから気体を流通させ、第２供給穴２ｓから吸収液を流通させると共に、温調流路３に冷媒を流通させながら、吸収操作を行う。

こうすることにより、微細流路に気体及び吸収液を流通させながら吸収操作を行うことができるため、従来の吸収装置に比べて気液接触面積が大きくなり吸収速度が速くなる。また、温調流路３に冷媒を流通させて流体流路２内の温度を制御することにより、吸収熱による温度上昇を抑制し吸収量の低下を防ぐことができると共に、吸収熱を回収して有効利用することができる。

加えて、本実施の形態では、第１流体として気体が流れ、第２流体として吸収液が流れている流体流路２に対し、第３供給穴２ｕから第３流体を供給する。

こうすることにより、流体流路２内の圧力を高くすることができるので、吸収液の単位体積あたりの吸収量が増加して吸収率が高くなる。また、流体流路２内で気体を圧縮することにより、流体流路２内では圧縮熱と吸収による吸収熱とが発生するため、流体流路２に供給する前に気体を圧縮する場合に比べて、より多くの熱を回収することができる。

ここで、第３流体としては、液体と気体とが考えられるので、以下、第３流体が液体である場合を第１の実施の形態として、第３流体が気体である場合を第２の実施の形態として、詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
第１の実施の形態では、気液二相流が形成されている流体流路２に、液体である第３流体を供給する。ここで、第３流体は、第１流体である気体及び第２流体である吸収液に対して不溶性かつ不活性であることが望ましい。但し、これは、第３流体が第１流体である気体及び第２流体である吸収液に対して可溶性であったり活性であったりすることを除外するものではない。例えば、第１流体を二酸化炭素含有ガスとし、第２流体を水とした場合、第３流体はデカン、ドデカン、ヘキサデカン等とすればよい。或いは、第１流体を二酸化炭素含有ガスとし、第２流体をアミン化合物を主成分とする吸収液とした場合も、第３流体はデカン、ドデカン、ヘキサデカン等としてよい。

図５は、第１の実施の形態における吸収装置２０の構成例を示した図である。図示するように、本実施の形態における吸収装置２０は、図１から図４で説明した流体流路２及び温調流路３を含む微細流路装置１を含む。ここでは、流体流路２に第１流体である気体及び第２流体である吸収液のみが流通している状態を縦縞模様で示している。尚、微細流路装置１は図４に示したように流体流路２及びその上下の温調流路３からなる層が複数積層されて構成されるが、ここでは簡単化するために、流体流路２及びその上下の温調流路３からなる１つの層のみを示している。また、微細流路装置１には、実際には、温調流路３に温調用流体を供給する機構及び温調流路３から温調用流体を回収する機構も接続されているが、これらの機構については図示を省略している。

吸収装置２０は、圧縮機２１と、逆止弁２２と、液ポンプ２３と、逆止弁２４とを含む。具体的には、圧縮機２１は逆止弁２２を介して微細流路装置１の第１供給穴２ｑに接続され、液ポンプ２３は逆止弁２４を介して微細流路装置１の第２供給穴２ｓに接続されている。

また、吸収装置２０は、気液分離器２５と、仕切弁２６と、背圧弁２７と、仕切弁２８と、液ポンプ３１と、仕切弁３２とを含む。具体的には、気液分離器２５は微細流路装置１の回収穴２ｗに接続され、仕切弁２６、背圧弁２７、仕切弁２８及び液ポンプ３１はそれぞれ気液分離器２５に接続され、液ポンプ３１は仕切弁３２を介して微細流路装置１の第３供給穴２ｕに接続されている。

圧縮機２１は、図示しない気体供給部から供給される気体を圧縮し、逆止弁２２を介して、微細流路装置１の第１供給穴２ｑから流体流路２へと気体を流通させる。本実施の形態では、第１の供給部の一例として、圧縮機２１を設けている。ここで、圧縮機２１としては、スクリュロータを回転させて圧縮するスクリュタイプ、ピストンの往復運動により圧縮するレシプロタイプ等の容積型圧縮機を用いてもよいし、羽根車の回転を使った遠心力により圧縮するターボタイプ等の遠心型圧縮機を用いてもよい。逆止弁２２は、後述するように第３流体が流体流路２に流通した際に第３流体が圧縮機２１へ逆流するのを防ぐために設けてある。

液ポンプ２３は、図示しない吸収液供給部から供給される吸収液を吸い込んで吐き出し、逆止弁２４を介して、微細流路装置１の第２供給穴２ｓから流体流路２へと吸収液を流通させる。本実施の形態では、第２の供給部の一例として、液ポンプ２３を設けている。ここで、液ポンプ２３としては、ローターや歯車の回転運動により吸込み及び吐出しを行う回転タイプ、ピストンやプランジャの往復運動により吸込み及び吐出しを行う往復タイプ等の容積型ポンプを用いてもよいし、羽根車の回転を使った遠心力により吸込み及び吐出しを行う遠心タイプ等のターボ型ポンプを用いてもよい。逆止弁２４は、後述するように第３流体が流体流路２に流通した際に第３流体が液ポンプ２３へ逆流するのを防ぐために設けてある。

気液分離器２５は、微細流路装置１の回収穴２ｗから排出されたオフガス及び吸収液を一時貯留する。気液分離器２５内のオフガスは、圧縮機２１が流体流路２に流通させた気体中の特定成分を、液ポンプ２３が流体流路２に流通させた吸収液で吸収した後の気体である。気液分離器２５は、上方の白色で示した部分にオフガスを一時貯留する。ここでは、気体中の特定成分が目的の成分であるものとし、気体中の特定成分を吸収液で吸収した後の気体をオフガスと称しているが、気体中の特定成分が不要な成分であるものとし、気体中の特定成分を吸収液で吸収した後の気体を目的の気体としてもよい。一方、気液分離器２５内の吸収液は、液ポンプ２３により流体流路２に流通させた吸収液に圧縮機２１により流体流路２に流通させた気体中の特定成分を吸収させた後の液体である。気液分離器２５は、下方の黒色で示した部分に吸収液を一時貯留する。そして、気液分離器２５は、一時貯留したオフガスと吸収液とを分離する。具体的には、気液分離器２５は、オフガスを、仕切弁２６又は背圧弁２７を介して排出する。仕切弁２６は、そのままオフガスを排出する制御を行うために設けてあり、背圧弁２７は、気液分離器２５内の圧力が上昇して一定の圧力になるとオフガスを排出する制御を行うために設けてある。一方、気液分離器２５は、吸収液を、仕切弁２８を介して排出する。仕切弁２８は、そのまま吸収液を排出する制御を行うために設けてある。

また、本実施の形態において、気液分離器２５は第３流体も一時貯留する。ここでは、第３流体を、オフガス及び吸収液に対して不溶性かつ不活性で、吸収液よりも比重が低いものとしているので、気液分離器２５は、オフガスが貯留されている白色の部分と、吸収液が貯留されている黒色の部分とに挟まれた斜線で示した部分に、第３流体を貯留している。そして、この第３流体は、気液分離器２５から液ポンプ３１へと供給され、液ポンプ３１は、第３流体を吸い込んで吐き出し、仕切弁３２を介して、微細流路装置１の第３供給穴２ｕから流体流路２へと第３流体を流通させる。本実施の形態では、第３の供給部の一例として、液ポンプ３１を設けている。ここで、液ポンプ３１としては、ローターや歯車の回転運動により吸込み及び吐出しを行う回転タイプ、ピストンやプランジャの往復運動により吸込み及び吐出しを行う往復タイプ等の容積型ポンプを用いてもよいし、羽根車の回転を使った遠心力により吸込み及び吐出しを行う遠心タイプ等のターボ型ポンプを用いてもよい。仕切弁３２は、第３流体を流体流路２に流通させる制御を行うために設けてある。尚、第３流体の比重が吸収液より高い場合は、気液分離器２５において、第３流体が貯留される斜線の部分が下側になり、吸収液が貯留される黒色の部分が上側になる。このようなことが想定される場合は、仕切弁２８は吸収液が貯留される上側の部分に接続し、液ポンプ３１は第３流体が貯留される下側の部分に接続しておくものとする。

次に、本実施の形態における吸収装置２０の動作について説明する。

図６は、第１流体である気体及び第２流体である吸収液の流体流路２への供給と第３流体の流体流路２への供給を同時に行う際の動作について示した図である。

図示するように、圧縮機２１が気体を流体流路２に供給し、液ポンプ２３が吸収液を流体流路２に供給するのと同時に、液ポンプ３１が、流体流路２内に斜線の４つの小さな矩形で示すように、第３流体を流体流路２に供給する。このとき、仕切弁２６を閉じ、流体流路２から排出されて気液分離器２５の上方に一時貯留するオフガスが、背圧弁２７の機能により流体流路２内の圧力が上昇して一定の圧力になるまでは背圧弁２７から抜け難くすることで、流体流路２内の圧力を高圧にする。これにより、気体中の特定成分の吸収液による吸収率が高まる。尚、流体流路２から排出された吸収液は気液分離器２５の下方に一時貯留される。また、流体流路２からは第３流体も排出されてくるが、これは、気体及び吸収液に対して不溶性かつ不活性で、比重が吸収液よりも低ければ、オフガスが貯留された部分と吸収液が貯留された部分とに挟まれた部分に一時貯留される。そして、この第３流体は液ポンプ３１に再び供給され、液ポンプ３１は第３流体を流体流路２に循環させる。このように第３流体を循環させることで、第３流体の使用量を減らすことができる。

図７（ａ），（ｂ）は、第１流体である気体及び第２流体である吸収液の流体流路２への供給と第３流体の流体流路２への供給を交互に行う際の動作について示した図である。各図において、太い矢印は、その矢印が示す経路に流体が流れていることを表している。

まず、図７（ａ）に示すように、圧縮機２１が気体を流体流路２に供給し、液ポンプ２３が吸収液を流体流路２に供給する。このとき、仕切弁２６を開け、背圧弁２７を閉じ、流体流路２から排出されて気液分離器２５の上方に一時貯留するオフガスがそのまま仕切弁２６から抜けるようにすることで、流体流路２内の圧力を低圧にしておく。尚、流体流路２から排出された吸収液は気液分離器２５の下方に一時貯留される。

次に、図７（ｂ）に示すように、液ポンプ３１が、流体流路２内の斜線の細長い矩形で示すように、第３流体を流体流路２に供給する。このとき、仕切弁２６を閉じ、流体流路２から排出されて気液分離器２５の上方に一時貯留するオフガスが、背圧弁２７の機能により流体流路２内の圧力が上昇して一定の圧力になるまでは背圧弁２７から抜け難くすることで、流体流路２内の圧力を高圧にする。これにより、気体中の特定成分の吸収液による吸収率が高まる。尚、流体流路２から排出された吸収液は気液分離器２５の下方に一時貯留される。また、流体流路２からは第３流体も排出されてくるが、これは、気体及び吸収液に対して不溶性かつ不活性で、比重が吸収液よりも低ければ、オフガスが貯留された部分と吸収液が貯留された部分とに挟まれた部分に一時貯留される。そして、この第３流体は液ポンプ３１に再び供給され、液ポンプ３１は第３流体を流体流路２に循環させる。

続けて、図７（ａ）に示すように、再び、圧縮機２１が気体を流体流路２に供給し、液ポンプ２３が吸収液を流体流路２に供給する。このとき、仕切弁２６を開け、背圧弁２７を閉じ、流体流路２から排出されて気液分離器２５の上方に一時貯留するオフガスがそのまま仕切弁２６から抜けるようにすることで、流体流路２内の圧力を低圧に戻す。尚、流体流路２から排出された吸収液は気液分離器２５の下方に一時貯留される。

次に、図７（ｂ）に示すように、液ポンプ３１が、流体流路２内の斜線の細長い矩形で示すように、第３流体を流体流路２に供給する。このとき、仕切弁２６を閉じ、流体流路２から排出されて気液分離器２５の上方に一時貯留するオフガスが、背圧弁２７の機能により流体流路２内の圧力が上昇して一定の圧力になるまでは背圧弁２７から抜け難くすることで、流体流路２内の圧力を再び高圧にする。これにより、再び、気体中の特定成分の吸収液による吸収率が高まる。尚、流体流路２から排出された吸収液は気液分離器２５の下方に一時貯留される。また、流体流路２からは第３流体も排出されてくるが、これは、気体及び吸収液に対して不溶性かつ不活性で、比重が吸収液よりも低ければ、オフガスが貯留された部分と吸収液が貯留された部分とに挟まれた部分に一時貯留される。そして、この第３流体は液ポンプ３１に再び供給され、液ポンプ３１は第３流体を流体流路２に循環させる。

そして、以降も、図７（ａ）の操作と図７（ｂ）の操作を繰り返す。尚、上記において、オフガスがそのまま仕切弁２６から抜けるようにすることは、オフガスの排出に制限をかけないことの一例であり、背圧弁２７の機能により流体流路２内の圧力が上昇して一定の圧力になるまではオフガスが背圧弁２７から抜け難くすることは、オフガスの排出に制限をかけることの一例である。

このように昇圧して吸収量を増加させる吸収操作を半連続的に行うことで、第３流体を連続的に供給する場合に比べて、流体流路２内の圧力を高くすることができ、吸収率を高くすることができる。

尚、図７（ａ），（ｂ）では、第１流体である気体及び第２流体である吸収液の流体流路２への供給と第３流体の流体流路２への供給を交互に行うものとして説明したが、複数の吸収装置２０を用いて、第１流体である気体及び第２流体である吸収液の流体流路２への供給と第３流体の流体流路２への供給を同時に行うことも可能である。具体的には、ある吸収装置２０において、図７（ｂ）に示すように流体流路２内を昇圧している時に、別の吸収装置２０において、図７（ａ）に示すように気体及び吸収液を流体流路２に流通させるようにしてよい。これにより、流体流路２内の昇圧時にも処理を継続することができる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、気液二相流が形成されている流体流路２に、気体である第３流体を供給する。ここで、第３流体は、第１流体である気体及び第２流体である吸収液に対して不活性であることが望ましい。但し、これは、第３流体が第１流体である気体及び第２流体である吸収液に対して活性であることを除外するものではない。また、第３流体は、気体中の目的の成分である特定成分と同じものであってもよい。例えば、第１流体を二酸化炭素含有ガスとし、第２流体を水とした場合、第３流体は窒素等とすればよい。或いは、第１流体を二酸化炭素含有ガスとし、第２流体をアミン化合物を主成分とする吸収液とした場合も、第３流体は窒素等としてよい。以下では、第３流体を所謂不活性ガスとして説明する。

図８は、第２の実施の形態における吸収装置２０の構成例を示した図である。図示するように、本実施の形態における吸収装置２０は、図１から図４で説明した流体流路２及び温調流路３を含む微細流路装置１を含む。ここでは、流体流路２に第１流体である気体及び第２流体である吸収液のみが流通している状態を縦縞模様で示している。尚、微細流路装置１は図４に示したように流体流路２及びその上下の温調流路３からなる層が複数積層されて構成されるが、ここでは簡単化するために、流体流路２及びその上下の温調流路３からなる１つの層のみを示している。また、微細流路装置１には、実際には、温調流路３に温調用流体を供給する機構及び温調流路３から温調用流体を回収する機構も接続されているが、これらの機構については図示を省略している。

吸収装置２０は、圧縮機２１と、逆止弁２２と、液ポンプ２３と、逆止弁２４とを含む。具体的には、圧縮機２１は逆止弁２２を介して微細流路装置１の第１供給穴２ｑに接続され、液ポンプ２３は逆止弁２４を介して微細流路装置１の第２供給穴２ｓに接続されている。

また、吸収装置２０は、気液分離器２５と、仕切弁２６と、背圧弁２７と、仕切弁２８と、仕切弁４０と、圧縮機４１と、仕切弁４２とを含む。具体的には、気液分離器２５は微細流路装置１の回収穴２ｗに接続され、仕切弁２６、背圧弁２７、仕切弁２８はそれぞれ気液分離器２５に接続され、圧縮機４１は背圧弁２７に接続され、仕切弁４０を介して図示しない不活性ガス供給部に接続されると共に、仕切弁４２を介して微細流路装置１の第３供給穴２ｕに接続されている。

圧縮機２１、逆止弁２２、液ポンプ２３及び逆止弁２４については、第１の実施の形態で説明したので、ここでの説明は省略する。

気液分離器２５は、微細流路装置１の回収穴２ｗから排出されたオフガス及び吸収液を一時貯留する。気液分離器２５内のオフガスは、圧縮機２１が流体流路２に流通させた気体中の特定成分を、液ポンプ２３が流体流路２に流通させた吸収液で吸収した後の気体である。気液分離器２５は、上方の白色で示した部分にオフガスを一時貯留する。ここでは、気体中の特定成分が目的の成分であるものとし、気体中の特定成分を吸収液で吸収した後の気体をオフガスと称しているが、気体中の特定成分が不要な成分であるものとし、気体中の特定成分を吸収液で吸収した後の気体を目的の気体としてもよい。一方、気液分離器２５内の吸収液は、液ポンプ２３により流体流路２に流通させた吸収液に圧縮機２１により流体流路２に流通させた気体中の特定成分を吸収させた後の液体である。気液分離器２５は、下方の黒色で示した部分に吸収液を一時貯留する。そして、気液分離器２５は、一時貯留したオフガスと吸収液とを分離する。具体的には、気液分離器２５は、オフガスを、仕切弁２６又は背圧弁２７を介して排出する。仕切弁２６は、そのままオフガスを排出する制御を行うために設けてあり、背圧弁２７は、気液分離器２５内の圧力が上昇して一定の圧力になるとオフガスを排出する制御を行うために設けてある。一方、気液分離器２５は、吸収液を、仕切弁２８を介して排出する。仕切弁２８は、そのまま吸収液を排出する制御を行うために設けてある。

また、本実施の形態において、気液分離器２５に一時貯留されたオフガスは第３流体である不活性ガスも含む。不活性ガスは、最初は、図示しない不活性ガス供給部からのみ圧縮機４１へと供給されるが、気液分離器２５に貯留された後は、気液分離器２５からも圧縮機４１へと供給され、何れの場合も、圧縮機４１は、不活性ガスを圧縮し、仕切弁４２を介して、微細流路装置１の第３供給穴２ｕから流体流路２へと不活性ガスを流通させる。本実施の形態では、第３の供給部の一例として、圧縮機４１を設けている。ここで、圧縮機４１としては、スクリュロータを回転させて圧縮するスクリュタイプ、ピストンの往復運動により圧縮するレシプロタイプ等の容積型圧縮機を用いてもよいし、羽根車の回転を使った遠心力により圧縮するターボタイプ等の遠心型圧縮機を用いてもよい。仕切弁４２は、不活性ガスを流体流路２に流通させる制御を行うために設けてある。

次に、本実施の形態における吸収装置２０の動作について説明する。

図９は、第１流体である気体及び第２流体である吸収液の流体流路２への供給と第３流体の流体流路２への供給を同時に行う際の動作について示した図である。

図示するように、圧縮機２１が気体を流体流路２に供給し、液ポンプ２３が吸収液を流体流路２に供給するのと同時に、圧縮機４１が、流体流路２内に斜線の４つの小さな矩形で示すように、不活性ガスを流体流路２に供給する。このとき、仕切弁２６を閉じ、流体流路２から排出されて気液分離器２５の上方に一時貯留するオフガスが、背圧弁２７の機能により流体流路２内の圧力が上昇して一定の圧力になるまでは背圧弁２７から抜け難くすることで、流体流路２内の圧力を高圧にする。これにより、気体中の特定成分の吸収液による吸収率が高まる。尚、流体流路２から排出された吸収液は気液分離器２５の下方に一時貯留される。また、流体流路２からは不活性ガスも排出されてくるが、これは、オフガスに含まれて気液分離器２５の上方に一時貯留される。そして、この不活性ガスは背圧弁２７を介して圧縮機４１に再び供給され、圧縮機４１は不活性ガスを流体流路２に循環させる。このように不活性ガスを循環させることで、不活性ガスの使用量を減らすことができる。

図１０（ａ），（ｂ）は、第１流体である気体及び第２流体である吸収液の流体流路２への供給と第３流体の流体流路２への供給を交互に行う際の動作について示した図である。各図において、太い矢印は、その矢印が示す経路に流体が流れていることを表している。

まず、図１０（ａ）に示すように、圧縮機２１が気体を流体流路２に供給し、液ポンプ２３が吸収液を流体流路２に供給する。このとき、仕切弁２６を開け、背圧弁２７を閉じ、流体流路２から排出されて気液分離器２５の上方に一時貯留するオフガスがそのまま仕切弁２６から抜けるようにすることで、流体流路２内の圧力を低圧にしておく。尚、流体流路２から排出された吸収液は気液分離器２５の下方に一時貯留される。

次に、図１０（ｂ）に示すように、圧縮機４１が、流体流路２内の斜線の細長い矩形で示すように、不活性ガスを流体流路２に供給する。このとき、仕切弁２６を閉じ、流体流路２から排出されて気液分離器２５の上方に一時貯留するオフガスが、背圧弁２７の機能により流体流路２内の圧力が上昇して一定の圧力になるまでは背圧弁２７から抜け難くすることで、流体流路２内の圧力を高圧にする。これにより、気体中の特定成分の吸収液による吸収率が高まる。尚、流体流路２から排出された吸収液は気液分離器２５の下方に一時貯留される。また、流体流路２からは不活性ガスも排出されてくるが、これは、オフガスに含まれて気液分離器２５の上方に一時貯留される。そして、この不活性ガスは背圧弁２７を介して圧縮機４１に再び供給され、圧縮機４１は不活性ガスを流体流路２に循環させる。

続けて、図１０（ａ）に示すように、再び、圧縮機２１が気体を流体流路２に供給し、液ポンプ２３が吸収液を流体流路２に供給する。このとき、仕切弁２６を開け、背圧弁２７を閉じ、流体流路２から排出されて気液分離器２５の上方に一時貯留するオフガスがそのまま仕切弁２６から抜けるようにすることで、流体流路２内の圧力を低圧に戻す。尚、流体流路２から排出された吸収液は気液分離器２５の下方に一時貯留される。

次に、図１０（ｂ）に示すように、圧縮機４１が、流体流路２内の斜線の細長い矩形で示すように、不活性ガスを流体流路２に供給する。このとき、仕切弁２６を閉じ、流体流路２から排出されて気液分離器２５の上方に一時貯留するオフガスが、背圧弁２７の機能により流体流路２内の圧力が上昇して一定の圧力になるまでは背圧弁２７から抜け難くすることで、流体流路２内の圧力を再び高圧にする。これにより、再び、気体中の特定成分の吸収液による吸収率が高まる。尚、流体流路２から排出された吸収液は気液分離器２５の下方に一時貯留される。また、流体流路２からは不活性ガスも排出されてくるが、これは、オフガスに含まれて気液分離器２５の上方に一時貯留される。そして、この不活性ガスは背圧弁２７を介して圧縮機４１に再び供給され、圧縮機４１は不活性ガスを流体流路２に循環させる。

そして、以降も、図１０（ａ）の操作と図１０（ｂ）の操作を繰り返す。尚、上記において、オフガスがそのまま仕切弁２６から抜けるようにすることは、オフガスの排出に制限をかけないことの一例であり、背圧弁２７の機能により流体流路２内の圧力が上昇して一定の圧力になるまではオフガスが背圧弁２７から抜け難くすることは、オフガスの排出に制限をかけることの一例である。

このように昇圧して吸収量を増加させる吸収操作を半連続的に行うことで、第３流体を連続的に供給する場合に比べて、流体流路２内の圧力を高くすることができ、吸収率を高くすることができる。

尚、図１０（ａ），（ｂ）では、第１流体である気体及び第２流体である吸収液の流体流路２への供給と第３流体の流体流路２への供給を交互に行うものとして説明したが、複数の吸収装置２０を用いて、第１流体である気体及び第２流体である吸収液の流体流路２への供給と第３流体の流体流路２への供給を同時に行うことも可能である。具体的には、ある吸収装置２０において、図１０（ｂ）に示すように流体流路２内を昇圧している時に、別の吸収装置２０において、図１０（ａ）に示すように気体及び吸収液を流体流路２に流通させるようにしてよい。これにより、流体流路２内の昇圧時にも処理を継続することができる。

以上述べたように、本実施の形態では、第１流体である気体及び第２流体である吸収液を流体流路２に流通させながら吸収操作を行う際に、第３流体を流体流路２に供給するようにした。これにより、吸収液の単位体積あたりの吸収量が増加し、吸収率が高くなる。

また、本実施の形態では、流体流路２内を低圧にした状態から第３流体を流体流路２に供給する際に出側の背圧弁２７により流体流路２内を昇圧し、その後、第３流体の供給を止めて出側の仕切弁２６で流体流路２内を低圧に戻して流体流路２内に第１流体である気体及び第２流体である吸収液を流通させ、再び第３流体を供給して流体流路２内を昇圧することを繰り返すようにした。これにより、昇圧して吸収量を増加させる吸収操作を半連続的に行うことができるので、第３流体を連続的に供給する場合に比べて、流体流路２内の圧力を高くすることができ、吸収率を高くすることができるようになる。

１…微細流路装置、２…流体流路、３…温調流路、２０…吸収装置、２１，４１…圧縮機、２２，２４…逆止弁、２３，３１…液ポンプ、２５…気液分離器、２６，２８，３２，４０，４２…仕切弁、２７…背圧弁

Claims (6)

1. 被吸収成分を含む気体及び吸収液が流通することにより当該被吸収成分が当該吸収液に吸収される微細流路を用いた吸収方法であって、
   前記気体及び前記吸収液をそれぞれ第１及び第２の流体として前記微細流路に流通させるステップと、
   前記気体及び前記吸収液を前記微細流路に流通させた状態で、当該微細流路内の圧力を高くするための流体であって、当該吸収液とは異なる流体である第３の流体を当該微細流路に流通させるステップと
   を含むことを特徴とする吸収方法。
2. 前記第３の流体を流通させるステップでは、前記気体及び／又は前記吸収液に対して不溶性及び／又は不活性な流体である当該第３の流体を前記微細流路に流通させることを特徴とする請求項１に記載の吸収方法。
3. 前記気体及び前記吸収液を流通させるステップでは、当該気体及び当該吸収液の前記微細流路からの排出に制限をかけない状態で、当該気体及び当該吸収液を当該微細流路に流通させ、
   前記第３の流体を流通させるステップは、前記気体及び前記吸収液の前記微細流路からの排出に制限をかけた状態で、当該第３の流体を当該微細流路に流通させ、
   前記第３の流体を流通させるステップが実行された後に、前記気体及び前記吸収液を流通させるステップが再び実行されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の吸収方法。
4. 前記気体及び前記吸収液を流通させるステップでは、当該気体及び当該吸収液を第１の微細流路に流通させ、
   前記第３の流体を流通させるステップでは、当該第３の流体を前記第１の微細流路とは異なる第２の微細流路に流通させ、
   前記気体及び前記吸収液を流通させるステップが実行されるのと並行して、前記第３の流体を流通させるステップが実行されることを特徴とする請求項３に記載の吸収方法。
5. 前記第３の流体を前記微細流路に流通させた後に、前記気体、前記吸収液及び前記第３の流体の混合物を当該微細流路から排出するステップと、
   排出された前記混合物から前記第３の流体を分離するステップと
   を更に含み、
   前記第３の流体を流通させるステップでは、分離された前記第３の流体を前記微細流路に流通させることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の吸収方法。
6. 被吸収成分を含む気体及び吸収液が流通することにより当該被吸収成分が当該吸収液に吸収される微細流路を用いた吸収装置であって、
   前記気体を第１の流体として供給する第１の供給部と、
   前記吸収液を第２の流体として供給する第２の供給部と、
   前記微細流路内の圧力を高めるための流体であって、前記吸収液とは異なる流体である第３の流体を供給する第３の供給部と、
   各微細流路に対して、前記第１の供給部により供給された前記気体と、前記第２の供給部により供給された前記吸収液とが流通された状態で、前記第３の供給部により供給された前記第３の流体が流通される複数の微細流路と
   を備えたことを特徴とする吸収装置。

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