JP7362818B2

JP7362818B2 - ガス分離装置

Info

Publication number: JP7362818B2
Application number: JP2022045993A
Authority: JP
Inventors: 嘉則鶴貝; 賢哉井垣; 祐生相羽
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2023-10-17
Anticipated expiration: 2042-03-22
Also published as: CN116785898B; JP2023140119A; CN116785898A

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。

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、大気圧の空気を膜分離モジュールに供給し、真空ポンプを用いて膜分離モジュールの透過側を減圧することで、分離膜を透過したＣＯ₂を回収する。

特開２０２０－１９５９６８号公報

上記特許文献１の装置では、透過側を減圧するほどＣＯ₂の透過量が増え、回収ガス中のＣＯ₂濃度が高まる。しかしながら、減圧によるエネルギー使用量とＣＯ₂の透過量とはトレードオフの関係にあるため、過剰に減圧を行うと装置全体の効率が低下する。

本発明の一態様であるガス分離装置は、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有し、内部空間が分離膜により第１空間と第２空間とに仕切られた分離モジュールと、第１空間に第１所定圧の混合ガスを供給する供給ラインと、真空ポンプと、一端が第２空間に接続されるとともに他端が真空ポンプに接続されることで第２所定圧まで減圧され、分離膜を透過した透過ガスを回収する回収ラインと、を備える。第２所定圧は、透過ガス中の特定の成分の濃度と真空ポンプのポンプ効率との積が最大となるように定められる。

本発明によれば、効率よくガスを分離することができる。

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について説明するための図。供給側圧力と透過側圧力との差と、透過側ＣＯ₂濃度との関係について説明するための図。透過側圧力と透過側ＣＯ₂濃度およびポンプ効率との関係について説明するための図。透過側圧力と、透過側ＣＯ₂濃度とポンプ効率との積との関係について説明するための図。透過側圧力と、透過側流量との関係について説明するための図。図１の分離膜の膜性能について説明するための図。本発明の実施形態に係るガス分離装置の要部構成の一例を概略的に示すブロック図。

以下、図１～図７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する。以下では、大気中のＣＯ₂を分離する例を説明する。

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する。ＣＯ₂分圧の差は、大気圧（約１０１ｋＰａ）に相当する供給側圧力Ｐｉと、大気中のＣＯ₂濃度（約０．０４％）に相当する供給側ＣＯ₂濃度ｘｉと、透過側圧力Ｐｏと、透過側ＣＯ₂濃度ｘｏとを用いて下式(i)で表される。
ＣＯ₂分圧差＝Ｐｉｘｉ－Ｐｏｘｏ・・・(i)

ＣＯ₂の透過は、分圧差がなくなるまで進行する。
Ｐｉｘｉ＝Ｐｏｘｏ・・・(ii)
したがって、透過側ＣＯ₂濃度ｘｏ（最大値）は、下式(iii)で表される。
ｘｏ＝Ｐｉｘｉ／Ｐｏ・・・(iii)

図２は、供給側圧力Ｐｉと透過側圧力Ｐｏとの差（Ｐｉ－Ｐｏ）と、透過側ＣＯ₂濃度ｘｏとの関係について説明するための図である。図２では、コンプレッサにより供給側を加圧したときの透過側ＣＯ₂濃度ｘｏの変化を右側に破線で示し、真空ポンプにより透過側を減圧したときの透過側ＣＯ₂濃度ｘｏの変化を左側に実線で示す。

図２に示すように、大気中のＣＯ₂を分離する場合など、低圧の混合ガスから低濃度の特定成分を分離する場合には、供給側を加圧するよりも透過側を減圧する方がより高濃度の対象ガス（ＣＯ₂）を得ることができる。すなわち、供給側圧力Ｐｉを大気圧から１００ｋＰａ加圧して式(iii)の分子側を約２倍にするよりも、透過側圧力Ｐｏを大気圧から１００ｋＰａ減圧して透過側を真空状態に近づけ、式(iii)の分母側を"０"に近づけた方が透過側ＣＯ₂濃度ｘｏを高められる。

図３は、透過側圧力Ｐｏと透過側ＣＯ₂濃度ｘｏおよびポンプ効率ηとの関係について説明するための図であり、透過側を減圧する場合における真空ポンプのポンプ効率ηの一例を示す。ポンプ効率ηは、モータ等の動力源の仕事量に対する真空ポンプの仕事量を表す。図２および図３に示すように、透過側ＣＯ₂濃度ｘｏは透過側が真空状態に近づくほど上昇する一方、図３に示すように、真空状態に近づくほどポンプ効率ηは低下する。このように、透過側ＣＯ₂濃度ｘｏとポンプ効率ηとは、いわゆるトレードオフの関係にある。膜分離によるＣＯ₂回収量あたりのエネルギー使用量が最小となるように運転条件を設定することで、効率よく膜分離を行うことができる。

図４は、透過側圧力Ｐｏと、透過側ＣＯ₂濃度ｘｏとポンプ効率ηとの積ｘｏηとの関係について説明するための図である。透過側圧力Ｐｏを所定圧力ａに設定することで、透過側ＣＯ₂濃度ｘｏとポンプ効率ηとの積ｘｏηが最大となる。この場合、膜分離によるＣＯ₂回収量あたりのエネルギー使用量を最小限にすることができる。

図５は、透過側圧力Ｐｏと、透過側流量ｕｏとの関係について説明するための図であり、真空ポンプのポンプ性能（排気速度曲線）の一例を示す。このようなポンプ性能に基づいて、透過側圧力Ｐｏが所定圧力ａとなる透過側流量ｕｏ（所定透過流量ｂ）、すなわち真空ポンプの排気速度（所定排気速度ｂ）を決定することができる。

図６は、分離膜Ｍ（図１）の膜性能について説明するための図であり、膜性能の異なる分離膜Ｍ１～Ｍ４の膜面積Ｓと透過側流量ｕｏとの関係の一例を示す。各分離膜Ｍの膜性能は、気体透過率（透過率）と選択比とで表される。

透過率は、膜面積Ｓ、時間ｔ、圧力差（分圧差）ΔＰあたりの透過量Ｖである。透過率は、例えば膜面積Ｓ［ｃｍ²］、時間ｔ［ｓｅｃ］、分圧差ΔＰ［ｃｍＨｇ］あたりの透過量Ｖ［ｃｍ³（ｓｔｐ）］を示すＧＰＵ（Gas Permeation Unit）等の単位を用いて表される。混合ガスの透過率は、混合ガスの各成分の透過率の合計値となる。

選択比は、各成分の透過比率であり、各成分の透過率の比率として下式(iv)，(v)により算出することができる。
ＣＯ₂／Ｎ₂選択比＝ＣＯ₂透過率［ＧＰＵ］／Ｎ₂透過率［ＧＰＵ］・・・(iv)
ＣＯ₂／Ｏ₂選択比＝ＣＯ₂透過率［ＧＰＵ］／Ｏ₂透過率［ＧＰＵ］・・・(v)

一般に、透過率が高くなるほど選択比が低くなる。図６の分離膜Ｍ１～Ｍ４の透過率は、分離膜Ｍ４が最も高く、分離膜Ｍ１が最も低い。分離膜Ｍ１～Ｍ４の選択比は、分離膜Ｍ１が最も高く、分離膜Ｍ４が最も低い。

図６に示すように、所定透過流量ｂを確保可能な分離膜Ｍ２～Ｍ４のうち、例えば選択比が最も高い分離膜Ｍ２を選択し、必要となる膜面積Ｓ（所定膜面積ｃ）を決定する。装置全体の大きさに制約がある場合など膜面積Ｓに制約がある場合には、採用可能な膜面積Ｓの範囲内で所定透過流量ｂを確保可能な分離膜Ｍを選択し、必要となる膜面積Ｓを決定してもよい。真空ポンプを複数台使用する場合は、使用台数に応じ、所定透過流量ｂの整数倍（２ｂ，３ｂ，…）を確保可能な分離膜Ｍを選択し、必要な膜面積Ｓを決定してもよい。

図７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７に示すように、ガス分離装置１０は、互いに並列に設けられた複数の分離モジュール１（図７では３つの分離モジュール１ａ～１ｃ）と、供給ラインＬ１と、回収ラインＬ２（Ｌ２ａ～Ｌ２ｃ）と、排気ラインＬ３と、圧力センサ２と、真空ポンプ３とを備える。ガス分離装置１０は、単一の分離モジュール１により構成されてもよく、単一また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。

分離モジュール１は、所定膜面積ｃの分離膜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。

供給ラインＬ１は、一端が大気開放されるとともに他端が各分離モジュール１の第１空間に接続され、各分離モジュール１に大気圧（供給側圧力Ｐｉ）の空気を供給する。供給ラインＬ１にコンプレッサが設けられてもよい。

回収ラインＬ２は、一端が各分離モジュール１の第２空間に接続されるとともに他端が真空ポンプ３に接続されることで所定圧力ａ（透過側圧力Ｐｏ）まで減圧され、各分離モジュール１から透過ガスを回収する。図７の例では、複数の分離モジュール１ａ～１ｃのそれぞれから透過ガスを回収する複数の回収ラインＬ２ａ～Ｌ２ｃが設けられる。

排気ラインＬ３は、一端が各分離モジュール１における分離膜Ｍの供給側（図１）に接続されるとともに他端が大気開放され、各分離モジュール１からＣＯ₂が分離された後の空気を排気する。排気ラインＬ３に真空ポンプが設けられてもよい。

回収ラインＬ２には、回収ラインＬ２の圧力（透過側圧力）Ｐｏを検出する圧力センサ２が設けられる。また、分離モジュール１ａ～１ｂと並列に設けられた分離モジュール１ｃの回収ラインＬ２ｃには、開閉弁４が設けられる。換言すると、並列に接続されたｎ個の分離モジュール１のうちの１つの回収ラインＬ２ｎに開閉弁４が設けられる。開閉弁４は、圧力センサ２により検出された透過側圧力Ｐｏに基づいて開閉される。

すなわち、大気圧に相当する供給側圧力Ｐｉが変化すると、供給側圧力Ｐｉと透過側圧力Ｐｏとの圧力差が変化し、分離膜Ｍ（図１）を透過するガスの透過量が変化するため、透過側圧力Ｐｏを所定圧力ａ（図４）に維持できなくなる。このため、開閉弁４を開放した状態でガス分離装置１０を運転中、圧力センサ２により検出される実際の透過側圧力Ｐｏを監視し、透過側圧力Ｐｏを所定圧力ａに維持できなくなった場合には、開閉弁４を閉鎖する。

開閉弁４を閉鎖することで、分離モジュール１ａ～１ｃによる並列３段（並列ｎ段）から分離モジュール１ａ～１ｂによる並列２段（並列（ｎ－１）段）に切り替えることができる。この場合、透過側圧力Ｐｏを所定圧力ａに維持するために必要となる真空ポンプ３の排気速度（透過側流量）ｕｏが図６の"３ｂ"から“２ｂ”に低下（“ｎｂ”から“（ｎ－１）ｂ”に低下）するため、透過側圧力Ｐｏを所定圧力ａに維持しやすくなる。これにより、透過側圧力Ｐｏを所定圧力ａに維持し、膜分離によるＣＯ₂回収量あたりのエネルギー使用量が最小となる最適な運転条件を維持するができる。

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、空気中のＣＯ₂を選択的に透過させる分離膜Ｍを有し、内部空間が分離膜Ｍにより供給側の第１空間と透過側の第２空間とに隔てられた分離モジュール１と、第１空間に大気圧の空気を供給する供給ラインＬ１と、真空ポンプ３と、一端が第２空間に接続されるとともに他端が真空ポンプ３に接続されることで所定圧力ａまで減圧され、分離膜Ｍを透過した透過ガスを回収する回収ラインＬ２と、を備える（図１、図７）。所定圧力ａは、透過側ＣＯ₂濃度ｘｏと真空ポンプ３のポンプ効率ηとの積ｘｏηが最大となるように定められる（図４）。このように透過側圧力Ｐｏを設定することで、膜分離によるＣＯ₂回収量あたりのエネルギー使用量を最小限にし、効率よく膜分離を行うことができる。

（２）真空ポンプ３の排気速度（透過側流量）ｕｏは、所定圧力ａに基づいて所定排気速度ｂに定められる（図５）。分離膜Ｍの気体透過率および膜面積Ｓは、所定排気速度ｂに基づいて定められる（図６）。すなわち、ポンプ性能に基づいてＣＯ₂回収量あたりのエネルギー使用量を最小限にできる所定排気速度ｂを決定し、そのような所定排気速度ｂを確保可能な膜性能を有する適切な分離膜Ｍを選択し、必要な膜面積Ｓを決定することができる。

（３）ガス分離装置１０は、回収ラインＬ２の圧力（透過側圧力）Ｐｏを検出する圧力センサ２をさらに備える（図７）。分離モジュール１は、互いに並列に設けられた分離モジュール１ａ～１ｂと分離モジュール１ｃとを含む（図７）。回収ラインＬ２は、分離モジュール１ａ～１ｂから透過ガスを回収する回収ラインＬ２ａ～Ｌ２ｂと、分離モジュール１ｃから透過ガスを回収する回収ラインＬ２ｃと、を含む（図７）。回収ラインＬ２ｃには、開閉弁４が設けられる（図７）。開閉弁４は、所定圧力ａと圧力センサ２により検出された透過側圧力Ｐｏとに基づいて開閉される。これにより、透過側圧力Ｐｏを所定圧力ａに維持し、膜分離によるＣＯ₂回収量あたりのエネルギー使用量が最小となる最適な運転条件を維持するができる。

上記実施形態では、図１等で大気中の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混合ガスや特定の成分は、このようなものに限らない。ガス分離装置は、大気中のＣＯ₂を分離する場合など、低圧の混合ガスから低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。

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。

１，１ａ～１ｃ分離モジュール、２圧力センサ、３真空ポンプ、４開閉弁、１０ガス分離装置、Ｌ１供給ライン、Ｌ２，Ｌ２ａ～Ｌ２ｃ回収ライン、Ｌ３排気ライン

Claims

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有し、内部空間が前記分離膜により第１空間と第２空間とに隔てられた分離モジュールと、
前記第１空間に第１所定圧の前記混合ガスを供給する供給ラインと、
真空ポンプと、
一端が前記第２空間に接続されるとともに他端が前記真空ポンプに接続されることで第２所定圧まで減圧され、前記分離膜を透過した透過ガスを回収する回収ラインと、を備え、
前記第２所定圧は、前記透過ガス中の前記特定の成分の濃度と前記真空ポンプのポンプ効率との積が最大となるように定められることを特徴とするガス分離装置。
請求項１に記載のガス分離装置において、
前記真空ポンプの排気速度は、前記第２所定圧に基づいて所定排気速度に定められ、
前記分離膜の気体透過率および膜面積は、前記所定排気速度に基づいて定められることを特徴とするガス分離装置。
請求項１または２に記載のガス分離装置において、
前記回収ラインの圧力を検出する検出部をさらに備え、
前記分離モジュールは、互いに並列に設けられた第１分離モジュールと第２分離モジュールとを含み、
前記回収ラインは、前記第１分離モジュールから透過ガスを回収する第１回収ラインと、前記第２分離モジュールから透過ガスを回収する第２回収ラインと、を含み、
前記第２回収ラインには、開閉弁が設けられ、
前記開閉弁は、前記第２所定圧と前記検出部により検出された前記回収ラインの圧力とに基づいて開閉されることを特徴とするガス分離装置。