JP7360909B2 - 水素分離方法および水素分離装置 - Google Patents
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Description
また、光触媒と太陽エネルギーを用いて水を分解し、水素や酸素を製造する技術が注目されている。特許文献2は、光触媒を用いた光水分解反応を利用し、系内において水素と酸素とを同時に発生させている。
前記低圧蒸留塔は1.2~2.0bar(絶対圧、以下同様)に加圧され、前記高圧蒸留塔は5~12barに加圧され、前記高圧蒸留塔の塔頂部から得られる水素と窒素の混合気体の一部を前記自己熱交換器に供給し、残部と前記自己熱交換器で得られる非凝縮蒸気とを、水素と窒素の加圧混合気体として取り出し、前記自己熱交換器で得られる凝縮液体の一部を、前記高圧蒸留塔の塔頂部領域へ還流し、残部を水素と窒素の混合液体として取り出す。
このとき、前記自己熱交換器で得られる非凝縮蒸気と凝縮液体の割合を15~25mol%とし、前記自己熱交換器において温度交差が生じないようにする。
第1部:光触媒と太陽エネルギーを用いて水を分解するも、連鎖的な燃焼反応が生じないプロセス条件を維持しつつ系内において水素と酸素とを同時に発生させる方法および装置(水素製造装置)。
第2部:水素が所定濃度以上とされた水素と酸素と窒素とを主成分とする混合気体から、水素と窒素からなる混合物を分離する方法および装置(水素分離装置)。
図1は、本発明の一実施例にかかる水素製造装置の概略の説明図である。
本水素製造装置10は、水分解反応を促進する光触媒21を使用して水を分解して水素を発生させる水循環経路20を備える。
この光触媒21は、入水口21aと出水口21bとを備える管路であり、内部には光を利用して水分解反応を起こす光触媒シート21cが配設されるとともに、外部の光を透過させて前記光触媒シート21cに到達させるための透明窓21dが備えられている。入水口21aから注入される水の一部は、光触媒シート21cの表面に沿って流れる間に外部光が照射されることで水素と酸素に分解され、残りの液相の水内で気泡となる。そして、水素と酸素の気泡が混じりあった気液二相流は、出水口21bから吐出される。
気液分離器30の第2の出口33は、水ポンプ42を介して光触媒21の入水口21aに連結されている。水ポンプ42は気液分離器30の第2の出口33から吐出される液相の水を、そのまま光触媒21の入水口21aへと供給するものである。光触媒21においては、水分解反応によって水素と酸素の気泡が光触媒シート21cの表面から発生する。これらの気泡は水よりも密度が小さいために、気泡には水中を上昇する向きの浮力が働く。そのため、運転条件によっては光触媒21、および光触媒21から気液分離器30に至る経路において、装置上部に気泡が集まり気体の層が形成され得る。
さらに、水循環経路20には水供給路43が備えられている。水分解によって水素と酸素を得る分だけ水が減少する。この減少分を補う水を水供給路43が供給する。
気液分離器30における第1の入口31の流量をF31、第1の出口32の流量をF32、第2の出口33の流量をF33、第2の入口34の流量をF34とし、水素の発生量をFhとする。
第1の出口32の流量F32は、発生した水素と酸素の発生量と、送風機41で流入した空気の量F34である。従って、
F32=F34+Fh+1/2・Fh
=F34+3/2・Fh (1)式
F32・(4/100)=Fh (2)式
発生する水素と酸素の量は、温度、気圧、入射光の強さの影響を受けて変動する。従って、(1)式と(2)式とから水素と酸素の量に対応するFhを削除する。
F32=(100/94)・F34 (3)式
前記構成からなる本水素製造装置では、以下のようにして水素を製造する。
空気の主な組成を、酸素と窒素とその他とすると、混合空気の組成は、水素、酸素、窒素、その他となる。この水素の濃度は、空気中の濃度よりも多く、空気とは明らかに差別される濃度以上である。この混合空気は、水素分離装置60に供給される。
図3は、水素分離装置における要部の概略構成を示す図である。
同図に示すように、本水素分離装置60は、高圧蒸留塔61と、低圧蒸留塔62と、および前記高圧蒸留塔61のコンデンサーと前記低圧蒸留塔62のリボイラーを兼ねる自己熱交換器63とにより構成される蒸留塔設備を備えている。
原料は、水素と、酸素と、窒素とを主成分とする混合気体S0であり、高圧蒸留塔61の下方領域に供給されている。ここにおいて水素は空気中の所定濃度と比して十分に高い所定濃度以上であり、4mol%以下が好適である。
混合気体S0を前記高圧蒸留塔61の下方領域に供給することにより、当該高圧蒸留塔61の塔頂部からは水素と窒素の混合気体が得られる。この水素と窒素の混合気体の一部S14を前記自己熱交換器63に供給し、残部S15と前記自己熱交換器63で得られる非凝縮蒸気S4とを、水素と窒素の加圧混合気体(S7,S8,S15)として取り出している。
なお、前記自己熱交換器63で得られる非凝縮蒸気S4と凝縮液体S13の割合は15~25mol%とする。
このようにすることで、前記自己熱交換器63において温度交差が生ずることがなく、所定濃度以上とされた水素と、酸素と、窒素とを主成分とする混合気体から、水素と窒素からなる混合物を安全に分離することができる。
水素分離装置60は、高圧蒸留塔61と、低圧蒸留塔62と、前記高圧蒸留塔61のコンデンサーと前記低圧蒸留塔62のリボイラーを兼ねる自己熱交換器63を備えている。本実施例においては、前記低圧蒸留塔62が前記高圧蒸留塔61の上にスタックされ、前記低圧蒸留塔62の塔底部に前記自己熱交換器63が設置されている。
また、水素分離装置60は、その他の主要な構成要素として、対向式熱交換器64,65と、ポンプ66と、コンプレッサー67と、脱水装置68と、原料冷却器69とを備えている。
高圧蒸留塔61の塔頂部から取り出される水素と窒素の混合蒸気は、分岐Aにおいて、前記生成流S14と、生成流S15とに分岐される。生成流S14として自己熱交換器63に送る水素と窒素の混合気体の量は、自己熱交換器63での熱交換に影響を与える。すなわち、多ければ多くの熱量が交換され、少なければより少ない熱量が交換される。従って、自己熱交換器63で温度交差が生じない量となるように、分岐Aにおいて、生成流S14となる量を決めている。
ここで、分岐Gで決まる生成流S10および分岐Cで決まる生成流S26の流量は膨張タービン71での動力回収と、低圧蒸留塔62への還流S5および後述の高圧蒸留塔61へフィードさせるのに必要な生成流S12の流量により決定する。生成流S26は分岐Dを介してその一部の生成流S19が熱交換器65に供給されて冷却され、膨張タービン71による膨張減圧によって高圧蒸留塔61の動作圧力付近にまで降圧される。
分岐Dで分離された生成流S26の残りは熱交換器65を経て加圧混合気体S12となり、高圧蒸留塔61塔頂へ導入される。この加圧混合気体S12の流量は、高圧蒸留塔61塔頂の自己熱交換器63において温度交差しないような水素濃度となるように分岐Dで決定している。すなわち、加圧混合気体S12の流量が多すぎると高圧蒸留塔61の塔頂付近の温度低下を招くためである。
高圧蒸留塔61の塔底からは、酸素富化サンプ液が導管を介して第1液体フラクションS1として取り出され、熱交換器64を経由して放熱してから低圧蒸留塔62の中間領域に導入されている。
低圧蒸留塔62の塔底サンプ液の一部は所望の酸素製品純度となるよう自己熱交換器63に導かれて気化する。また、気化させない塔底サンプ液の一部S16はポンプ66にて熱交換器65に導かれ、冷熱回収した後、酸素製品S9として系外へ払い出す。
なお、以上において、高圧蒸留塔61および低圧蒸留塔62の物質交換要素は蒸留トレイあるいは充填物表面の気液接触によって形成される。
図5は、各生成流の圧力などを示す図である。本実施例においては、同図に示す圧力、温度、流量、組成であった。
しかし、一般の空気と比して所定濃度以上とされた水素と、酸素と、窒素とを主成分とする混合気体を原料としてこのような蒸留塔設備に供給する例はない。特に、水素の濃度が空気の濃度と比して十分に高い濃度、例えば4mol%前後の濃度である場合、高圧蒸留塔61の塔頂部領域の温度はより大きく温度低下する傾向を示すし、さらに上述の諸分岐点での流量比の新しい設定指針は水素が原料気体中に含まれている場合に特有のものであり、この新しい設定指針なしには、望ましい操作温度条件を実現することはできず、自己熱交換にて所定の熱交換量を確保することは到底できない。すなわち、所定濃度以上とされた水素と、酸素と、窒素とを主成分とする混合気体から、水素と窒素からなる混合物を工業的に分離することはできない。
・前記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること
・前記実施例の中で開示されていないが、公知技術であって前記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
・前記実施例の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が前記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
は本発明の一実施例として開示されるものである。
Claims (8)
- 高圧蒸留塔、低圧蒸留塔、および前記高圧蒸留塔のコンデンサーと前記低圧蒸留塔のリボイラーを兼ねる自己熱交換器より構成される蒸留塔設備により、所定濃度以上とされた水素と、酸素と、窒素とを主成分とする混合気体から、水素と窒素からなる混合物を分離する水素分離方法であって、
前記低圧蒸留塔は1.2~2.0barに加圧され、
前記高圧蒸留塔は5~12barに加圧され、
前記高圧蒸留塔の塔頂部から得られる水素と窒素の混合気体の一部を前記自己熱交換器に供給し、残部と前記自己熱交換器で得られる非凝縮蒸気とを、水素と窒素の加圧混合気体として取り出し、
前記自己熱交換器で得られる凝縮液体の一部を、前記高圧蒸留塔の塔頂部領域へ還流し、残部を水素と窒素の混合液体として取り出し、
前記自己熱交換器で得られる凝縮液体の流量を基準としたときの、前記自己熱交換器で得られる非凝縮蒸気の流量の割合を15~25mol%とし、
前記自己熱交換器において温度交差が生じないようにすることを特徴とする水素分離方法 。 - 前記低圧蒸留塔が前記高圧蒸留塔の上にスタックされ、前記低圧蒸留塔の底部に前記自己熱交換器が設置された請求項1に記載の水素分離方法。
- 前記高圧蒸留塔は9.5~11.0barに加圧されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の水素分離方法。
- 前記低圧蒸留塔は1.2~1.4barに加圧されることを特徴とする請求項1~請求項3のいずれかに記載の水素分離方法。
- 前記自己熱交換器で得られる凝縮液体の流量を基準としたときの、前記自己熱交換器で得られる非凝縮蒸気の流量の割合を16~18mol%とすることを特徴とする請求項1~請求項4のいずれかに記載の水素分離方法。
- 前記高圧蒸留塔の塔底から第1液体フラクションを取り出し、熱交換器にて放熱してから、前記低圧蒸留塔の中間領域に供給するとともに、
前記高圧蒸留塔の中間領域から第2液体フラクションを取り出し、熱交換器にて放熱してから、前記低圧蒸留塔における前記第1液体フラクションの供給領域よりも上方の領域に供給することを特徴とする請求項1~請求項5のいずれかに記載の水素分離方法。 - 前記水素と窒素の加圧混合気体の一部を加圧した後、前記自己熱交換器で得られた凝縮液体の一部とともに、前記高圧蒸留塔の塔頂部領域へ還流することを特徴とする請求項1~請求項6のいずれかに記載の水素分離方法。
- 高圧蒸留塔、低圧蒸留塔、および前記高圧蒸留塔のコンデンサーと前記低圧蒸留塔のリボイラーを兼ねる自己熱交換器より構成される蒸留塔設備により、水素が所定濃度以上とされた水素と酸素と窒素とを主成分とする混合気体から、水素と窒素からなる混合物を分離する水素分離装置であって、
前記低圧蒸留塔は1.2~2.0barに加圧され、
前記高圧蒸留塔は5~12barに加圧され、
前記高圧蒸留塔の塔頂部から得られる水素と窒素の混合気体の一部を前記自己熱交換器に供給し、残部と前記自己熱交換器で得られる非凝縮蒸気とを、水素と窒素の加圧混合気体として取り出し、前記自己熱交換器で得られる凝縮液体の一部を、前記高圧蒸留塔の塔頂部領域へ還流し、残部を水素と窒素の混合液体として取り出し、前記自己熱交換器で得られる凝縮液体の流量を基準としたときの、前記自己熱交換器で得られる非凝縮蒸気の流量の割合を15~25mol%とし、前記自己熱交換器において温度交差が生じないようにすることを特徴とする水素分離装置。
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007507682A (ja) | 2003-10-01 | 2007-03-29 | レール・リキード−ソシエテ・アノニム・ア・ディレクトワール・エ・コンセイユ・ドゥ・スールベイランス・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード | ガス混合物を低温分離するための装置および方法 |
JP2017124394A (ja) | 2015-07-31 | 2017-07-20 | Toto株式会社 | 光触媒材及びその製造方法 |
WO2017195079A1 (en) | 2016-05-12 | 2017-11-16 | Sabic Global Technologies B.V. | Process for separation of hydrogen and oxygen |
WO2018219855A1 (en) | 2017-05-30 | 2018-12-06 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Method of using an indirect heat exchanger and facility for processing liquefied natural gas comprising such heat exchanger |
JP2019137597A (ja) | 2018-02-14 | 2019-08-22 | 大陽日酸株式会社 | 水素濃縮方法及び装置 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2983393B2 (ja) * | 1991-10-15 | 1999-11-29 | レール・リキード・ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード | 高純度窒素の製造における極低温蒸留により水素を除去する方法 |
US5761927A (en) * | 1997-04-29 | 1998-06-09 | Air Products And Chemicals, Inc. | Process to produce nitrogen using a double column and three reboiler/condensers |
FR2775276B1 (fr) * | 1998-02-20 | 2002-05-24 | Air Liquide | Procede et installation de production de monoxyde de carbone et d'hydrogene |
-
2019
- 2019-11-18 JP JP2019207922A patent/JP7360909B2/ja active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007507682A (ja) | 2003-10-01 | 2007-03-29 | レール・リキード−ソシエテ・アノニム・ア・ディレクトワール・エ・コンセイユ・ドゥ・スールベイランス・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード | ガス混合物を低温分離するための装置および方法 |
JP2017124394A (ja) | 2015-07-31 | 2017-07-20 | Toto株式会社 | 光触媒材及びその製造方法 |
WO2017195079A1 (en) | 2016-05-12 | 2017-11-16 | Sabic Global Technologies B.V. | Process for separation of hydrogen and oxygen |
WO2018219855A1 (en) | 2017-05-30 | 2018-12-06 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Method of using an indirect heat exchanger and facility for processing liquefied natural gas comprising such heat exchanger |
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