JP7465126B2 - ガス分離装置、メタン製造装置、ガス分離方法、およびガス分離装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス分離装置、メタン製造装置、ガス分離方法、およびガス分離装置の制御方法に関する。

工場等から排出される混合ガスに含まれる二酸化炭素を分離回収して、回収した二酸化炭素を用いて燃料としてのメタンを製造するメタン製造装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたメタン製造装置は、吸着材に吸着された二酸化炭素を脱離させるために、メタン製造時に用いる水素をパージガスとして利用している。特許文献２に記載された一酸化炭素の製造方法は、一酸化炭素の元となる二酸化炭素等を吸着する吸着材を収容する分離器に対して、吸着開始時における分離器内の負圧を解消するために加圧している。

特開２０１９－１４２８０６号公報 特開平２－１２９０１４号公報

特許文献１に記載されたメタン製造装置が備える分離器では、吸着材が二酸化炭素を吸着する吸着工程後に、パージガスが供給されて二酸化炭素が吸着材から脱離する脱離工程が行われる。その後、吸着材が冷却される冷却工程が行われた後に、再び、吸着工程が行われる。このメタン製造装置では、冷却工程から吸着工程に切り替わる際に、分離器内が負圧になっているため、吸着工程開始時に分離器内に過剰な混合ガスが一時的に流入する。これにより、混合ガスに含まれる二酸化炭素が分離器から流出するおそれがある。

特許文献２に記載された製造方法では、分離器に他の分離器から排出されるガスの導入により負圧を解消しているが、ガスの導入はバルブの開閉で行われている。バルブの開閉のタイミングがずれてしまうと、分離器内が負圧のままであったり、分離器内の圧力を目標とする圧力よりも高い圧力に変化させてしまうおそれがある。吸着工程前の分離器内の圧力が高くなる、すなわち、混合ガスが供給される側の背圧が高くなると、混合ガスの供給が変動するため好ましくない。そのため、バルブの開閉には高精度の制度が要求されるが、特許文献２には、バルブの開閉について具体的な制御および分離器内に導入する排ガスの切り替えタイミング等が何ら記載されていない。よって、混合ガスから二酸化炭素を分離するため分離器を備える装置において、分離器から二酸化炭素が漏れ出すことを抑制したい課題があった。また、このような課題は、分離対象が二酸化炭素にかかわらず、混合ガスから特定のガスを分離するための装置全般に共通する課題であった。

本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、混合ガスから特定のガスを分離する際に、分離器から特定のガスが漏れ出すことを抑制することを目的とする。

本発明は、上述の課題を少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。ガス分離装置であって、混合ガスに含まれる特定のガスを吸着する吸着材を収容する分離器と、前記吸着材の温度を取得する温度取得部と、前記分離器で前記特定のガスに対して行われる各工程を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、ガス供給源から前記混合ガスを前記分離器へと供給させる吸着工程と、前記吸着材に吸着された前記特定のガスを脱離する脱離工程と、前記脱離工程後であって前記吸着工程前に、前記分離器の内部を昇圧する圧力回復工程と、を繰り返し実行し、前記圧力回復工程では、前記温度取得部により取得された前記吸着材の温度勾配を用いて、前記圧力回復工程の終了時期を判定する、ガス分離装置。そのほか、本発明は、以下の形態としても実現可能である。

（１）本発明の一形態によれば、ガス分離装置が提供される。このガス分離装置は、混合ガスに含まれる特定のガスを吸着する吸着材を収容する分離器と、前記吸着材の温度を取得する温度取得部と、前記分離器で前記特定のガスに対して行われる各工程を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、ガス供給源から前記混合ガスを前記分離器へと供給させる吸着工程と、前記吸着材に吸着された前記特定のガスを脱離する脱離工程と、を繰り返し実行し、さらに、前記脱離工程後であって前記吸着工程前に、前記分離器の内部を昇圧する圧力回復工程を実行し、前記圧力回復工程では、前記温度取得部により取得された前記吸着材の温度勾配を用いて、前記圧力回復工程の終了時期を判定する。

この構成によれば、吸着工程が開始される前の分離器内の圧力が、負圧から昇圧されている。これにより、昇圧されずに負圧の状態で吸着工程が開始された場合に、過剰な混合ガスが一時的に分離器へと流入して分離器から特定のガスが漏れ出してしまうことが抑制される。また、圧力回復工程の終了時期は、温度取得部により取得された温度勾配により判定されている。そのため、高精度な制御や高価な圧力センサ等を必要とせずに、圧力回復工程終了後の分離器内の圧力が、高すぎず低すぎない適切な圧力に制御される。

（２）上記形態のガス分離装置において、さらに、各前記分離器を冷却する熱媒が流れる熱媒配管を備え、前記制御部は、さらに、前記脱離工程後であって前記圧力回復工程前に、前記特定のガスを脱離した前記吸着材を、前記熱媒を用いて冷却する冷却工程を実行してもよい。
吸着材の温度が高いほど、吸着材に吸着された二酸化炭素が脱離しやすい。この構成によれば、分離器において圧力回復工程が冷却工程後に行われるため、脱離工程および冷却工程が行われる間に、吸着材から脱離する特定のガスの量が増加する。この結果、ガス分離装置の特定のガスの回収効率が向上する。

（３）上記形態のガス分離装置において、さらに、少なくとも２つの前記分離器と、各前記分離器間を連通するガス流路と、を備え、前記制御部は、前記冷却工程から前記圧力回復工程に切り替えた際に、前記吸着工程が行われている前記分離器から排出されている排出ガスを、前記ガス流路を介して切り替えた後の前記分離器に供給させてもよい。
この構成によれば、排出ガスは、吸着工程が行われている分離器内の吸着材により、特定のガスなどの吸着材が吸着可能なガスが吸着された後の混合ガスである。そのため、圧力回復工程が行われている分離器に排出ガスが供給されても、大気などの他の混合ガスが供給された場合と比較して、圧力回復工程が行われる分離器内の吸着材における他のガスの吸着が抑制される。この結果、吸着工程開始時に吸着材が特定のガス以外のガスを吸着していないため、より多くの特定のガスを吸着できる。

（４）上記形態のガス分離装置において、前記制御部は、前記圧力回復工程において、前記分離器の内部を大気に開放してもよい。
この構成によれば、圧力回復工程が行われている分離器内の圧力が、分離器に供給された排出ガスによって、大気圧より高く昇圧されない。これにより、吸着工程時の分離器の背圧が高くなり過ぎないため、混合ガスの供給に及ぼす影響が抑制される。

（５）上記形態のガス分離装置において、前記制御部は、前記圧力回復工程において前記排出ガスを前記分離器に供給している状態で、前記温度勾配の傾きが負であり、かつ、前記温度勾配が予め設定された閾値よりも小さい場合に、前記排出ガスの供給を停止して前記圧力回復工程を終了してもよい。
この構成によれば、圧力回復工程の終了判定に温度勾配のみが用いられることにより、簡便に終了時期が判定された上で、吸着工程が行われる前の分離器内の圧力が適切な圧力に制御される。また、制御部は、圧力回復工程の終了判定を高い精度で行わなくても、圧力回復工程が終了した分離器内の圧力を適切に制御できる。

（６）上記形態のガス分離装置において、前記制御部は、前記温度勾配の最大値と、前記圧力回復工程への切り替え時の前記温度勾配の値との差分の２０％を、前記最大値から差し引いた値を前記閾値として設定してもよい。
この構成によれば、閾値は、最大値ではなく、最大値から差分を余裕に持った値として設定されている。そのため、制御部による終了判定の誤作動が抑制される。

（７）上記形態のガス分離装置において、前記特定のガスは、二酸化炭素であってもよい。
この構成によれば、分離された二酸化炭素が他の装置等に用いられて、例えばメタンなどの燃料の製造に利用できる。

（８）本発明の他の一形態によれば、メタン製造装置が提供される。このメタン製造装置は、上記記載のガス分離装置と、水素を供給する水素供給部と、前記ガス分離装置により分離された二酸化炭素と、前記水素供給部により供給された水素とを用いて、メタン化反応を生じさせる反応器と、を備える。
この構成によれば、工場等の排ガスを用いて燃料として機能するメタンを、ガス分離装置により分離された二酸化炭素を用いて製造できる、すなわち、エネルギーの再利用が行われている。この結果、工場等およびメタン製造装置を含むシステムのエネルギー効率が向上する。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ガス分離装置、メタン製造装置、ガス分離方法、ガス分離装置の制御方法、メタン製造方法、メタン製造装置の制御方法、これら装置や方法を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、およびコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としてのガス分離装置の概略ブロック図である。 ガス分離装置の稼働時の一例についての説明図である。 分離器で圧力回復工程が行われている場合のガス分離装置の概略ブロック図である。 冷却工程および圧力回復工程が行われている分離器内の圧力変化を示すグラフである。 冷却工程および圧力回復工程が行われている分離器に収容されている吸着材の温度変化を示すグラフである。 ４つの各分離器で行われる工程のフローチャートである。 実施例の効果の説明図である。 第２実施形態のメタン製造装置の概略ブロック図である。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態としてのガス分離装置２００の概略ブロック図である。ガス分離装置２００は、工場などから排出される二酸化炭素（ＣＯ₂）を含む燃焼排ガス（以降、「混合ガス」とも呼ぶ）から、二酸化炭素を分離する。分離された二酸化炭素は、例えば、燃料としてのメタンの材料として利用される。

図１に示されるように、ガス分離装置２００は、二酸化炭素を吸着する吸着材１００ａ～１００ｄのそれぞれを収容している４つの分離器１０１ａ～１０１ｄと、各吸着材１００ａ～１００ｄの温度を取得する熱電対で構成された温度センサ（温度取得部）１８０ａ～１８０ｄと、工場などから供給される混合ガスが流れる排ガス供給路１１４と、排ガス供給路１１４から各分離器１０１ａ～１０１ｄへと接続されている流路を開閉する排ガス入口弁１２１～１２４と、各分離器１０１ａ～１０１ｄから排出された吸着オフガスが流れる吸着オフガス流路１１０と、吸着オフガス流路１１０の下流側に配置された逆止弁１１１と、吸着オフガス流路１１０と各分離器１０１ａ～１０１ｄに接続されている流路とを開閉する吸着オフガス出口弁１２５～１２８と、吸着オフガス出口弁１２５～１２８と各吸着材１００ａ～１００ｄとを結ぶ流路から分岐しているバイパス流路（ガス流路）１４１～１４４と、バイパス流路１４１～１４４の途中に配置された仕切弁１５１～１５４と、各分離器１０１ａ～１０１ｄに収容された吸着材１００ａ～１００ｄの加熱および冷却を行う熱媒が供給される熱媒入口（熱媒配管）１９１と、熱媒が各分離器１０１ａ～１０１ｄから排出される熱媒出口（熱媒配管）１９２と、を備えている。各弁の開閉制御および各分離器１０１ａ～１０１ｄで行われる各工程などの各種制御を行う制御部１６０と、を備えている。

本実施形態の分離器１０１ａ～１０１ｄのそれぞれは、円筒状の同じ形状を有している。分離器１０１ａ～１０１ｄの内部には、図１のハッチングで示される各吸着材１００ａ～１００ｄが収容されている。本実施形態の各吸着材１００ａ～１００ｄは、二酸化炭素を吸着するゼオライトで形成されている。図１には、熱媒入口１９１として分離器１０１ｂへの１つの供給路が破線で示されているが、ガス分離装置２００は、他の分離器１０１ａ，１０１ｃ，１０１ｄにも図示されていない熱媒入口を備えている。同じように、ガス分離装置２００は、分離器１０１ａからの熱媒出口１９２に加え、図示されていない各分離器１０１ｂ～１０１ｄからの熱媒出口を備えている。熱媒入口１９１および熱媒出口１９２を流れる熱媒は、循環しており、各分離器１０１ａ～１０１ｄの加熱時に図示されていないヒータによって加熱されている。また、熱媒は、大気によって常温まで冷却され、冷却後の熱媒が冷媒としても機能する。

また、図１に示されるように、ガス分離装置２００は、各分離器１０１ａ～１０１ｄにパージガスとしての水素を供給するためのパージガス流路１１３と、パージガス流路１１３から各分離器１０１ａ～１０１ｄへと接続されている流路を開閉するパージガス入口弁１３１～１３４と、各分離器１０１ａ～１０１ｄから排出された脱離ガスが流れる脱離ガス流路１１５と、脱離ガス流路１１５と各分離器１０１ａ～１０１ｄに接続されている流路とを開閉する脱離ガス出口弁１３５～１３８と、脱離ガス流路１１５の途中から分岐している減圧流路１０９と、減圧流路１０９に設けられた真空ポンプ１０６と、脱離ガス流路１１５を開閉する切替弁１０７と、減圧流路１０９を開閉する切替弁１０８と、を備えている。

制御部１６０は、各弁の開閉および熱媒の温度を制御することにより、４つの各分離器１０１ａ～１０１ｄにおいて、下記の４つの工程Ａ～Ｄを行う。
工程Ａ：吸着材に二酸化炭素を吸着させる吸着工程
工程Ｂ：二酸化炭素を吸着した吸着材を加熱する予熱工程
工程Ｃ：吸着材から二酸化炭素を脱離させる脱離工程
工程Ｄ：吸着材を冷却する冷却工程および分離器内を昇圧させる圧力回復工程
工程Ａ～Ｄの各サイクルタイムＣＴは同じであり、４つの各分離器１０１ａ～１０１ｄでは、互いに異なる工程Ａ～Ｄが順番に行われる。

図２は、ガス分離装置２００の稼働時の一例についての説明図である。図２には、分離器１０１ａで冷却工程が行われ、分離器１０１ｂで吸着工程が行われ、分離器１０１ｃで予熱工程が行われ、分離器１０１ｄで脱離工程が行われている状態のガス分離装置２００の概略ブロック図が示されている。この状態では、図２に示されるように、制御部１６０は、排ガス入口弁１２１、逆止弁１１１、吸着オフガス出口弁１２５、パージガス入口弁１３３、脱離ガス出口弁１３７、および切替弁１０７を開く。一方で、制御部１６０は、排ガス入口弁１２２～１２４、吸着オフガス出口弁１２６～１２８、パージガス入口弁１３１，１３２，１３４、脱離ガス出口弁１３５，１３６，１３８、仕切弁１５１～１５４、および切替弁１０８を閉じる。

この場合に、吸着工程が行われている分離器１０１ｂには燃焼排ガスが供給され、分離器１０１ｂ内の吸着材１００ｂが燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を吸着する。吸着材１００ｂを通過した窒素などを含む吸着オフガスは、吸着オフガス流路１１０を通って大気へと排出される。

吸着工程後に予熱工程が行われている分離器１０１ｃ内の吸着材１００ｃは、二酸化炭素を吸着している状態である。制御部１６０は、図示されていない熱媒のヒータを制御して、加熱した熱媒を分離器１０１ｃに供給することにより、分離器１０１ｃ内の吸着材１００ｃを加熱する。

予熱工程後に脱離工程が行われている分離器１０１ｄに、制御部１６０は、ガスパージ又は減圧によってＣＯ₂分圧を下げることにより、分離器１０１ｄ内の吸着材１００ｄから二酸化炭素を脱離させる。制御部１６０は、必要に応じて切替弁１０７，１０８の開閉を切り替えて真空ポンプ１０６を稼働させることにより、分離器１０１ｄ内のＣＯ₂分圧を下げている。分離器１０１ｄから排出される脱離ガスには、吸着材１００ｄから脱離した二酸化炭素と、パージガスである水素とが含まれている。脱離ガスは、図示されていない燃料化反応装置へと送られる。

脱離工程後に冷却工程が行われている分離器１０１ａに、制御部１６０は、図示されていない熱媒入口から常温の熱媒（冷媒）を供給し、分離器１０１ａ内の吸着材１００ａを冷却する。制御部１６０は、予め設定された所定の時間が経過すると、分離器１０１ａで行われる工程を、冷却工程から圧力回復工程へと切り替える。

図３は、分離器１０１ａで圧力回復工程が行われている場合のガス分離装置２００の概略ブロック図である。図３に示されるように、制御部１６０は、分離器１０１ａで圧力回復工程を開始する場合に、吸着オフガス出口弁１２５を開いたまま、さらに、仕切弁１５１および吸着オフガス出口弁１２８を開く。これにより、バイパス流路１４１を介して、分離器１０１ｂから排出される吸着オフガスが、圧力回復工程が行われている分離器１０１ａに供給される。すなわち、バイパス流路１４１は、異なる２つの分離器１０１ａ，ｂ間を連通している。吸着オフガスは、分離器１０１ａ内の圧力および温度を上昇させる。なお、吸着オフガスは、吸着工程が行われている分離器１０１ｂから排出される排出ガスに相当する。

制御部１６０は、温度センサ１８０ａから吸着材１００ａの温度を取得する。本実施形態の制御部１６０は、吸着材１００ａの温度勾配を用いて、分離器１０１ａで行われている圧力回復工程の終了時期を判定する。吸着オフガスが分離器１０１ａ内に供給された直後から、吸着材１００ａの温度は、上昇し始め、一定の温度に近づく。この場合に、吸着材１００ａの温度勾配の傾きは、正から負へと変化する。本実施形態の制御部１６０は、温度上昇により正の温度勾配の傾きが負になり、かつ、負に変わった温度勾配が予め設定された閾値Ｔｈよりも小さい場合に、分離器１０１ａへの吸着オフガスの供給を停止して、圧力回復工程を終了する。制御部１６０は、圧力回復工程を終了する場合に、開いていた仕切弁１５１と吸着オフガス出口弁１２８とを閉じる。なお、圧力回復工程が終了するまで、吸着オフガス出口弁１２８と逆止弁１１１が開いているため、分離器１０１ａの内部は、吸着オフガス流路１１０を介して大気に開放される。そのため、圧力回復工程が終了する時点では、分離器１０１ａ内の圧力は大気圧に近い圧力まで昇圧されている。

図４は、冷却工程および圧力回復工程が行われている分離器１０１ａ内の圧力変化を示すグラフである。図４に示されるように、時刻Ｔ１において、分離器１０１ａで行われる工程が冷却工程から圧力回復工程へと切り替わると、分離器１０１ａ内に供給される吸着オフガスによって、圧力回復工程が終了する時刻Ｔ２まで分離器１０１ａ内の温度は上昇する。

図５は、冷却工程および圧力回復工程が行われている分離器１０１ａに収容されている吸着材１００ａの温度変化を示すグラフである。圧力回復工程において、時刻Ｔ１から吸着オフガスが分離器１０１ａ内に供給されると、吸着オフガスによって分離器１０１ａ内の吸着材１００ａが加熱される。その結果、図５に示されるように、吸着材１００ａの温度勾配ＴＧは、時刻Ｔ１から上昇し始める。その後、吸着材１００ａの温度が吸着オフガスの温度に近づいてくると、温度勾配ＴＧは、最大値であるピークｐｋを取った後、減少し始める。制御部１６０は、減少し始めた温度勾配ＴＧが閾値Ｔｈまで下がると、分離器１０１ａでの圧力回復工程を終了する。なお、閾値Ｔｈは、予め設定された値であってもよい。本実施形態では、制御部１６０は、閾値Ｔｈとして、温度勾配ＴＧの最大値であるピークｐｋと、圧力回復工程への切り替え時の時刻Ｔ１の温度勾配ＴＧとの差分の２０％を、ピークｐｋから差し引いた値を用いている。

図６は、４つの各分離器１０１ａ～１０１ｄで行われる工程のフローチャートである。
吸着材１００ｂを通過した吸着オフガスは、吸着オフガス流路１１０を通って大気へと排出される。図６に示されるように、例えば、１つのサイクルタイムＣＴにおける工程１では、分離器１０１ｂで吸着工程が行われ、分離器１０１ｃで予熱工程が行われ、分離器１０１ｄで脱離工程が行われ、分離器１０１ａで冷却工程および圧力回復工程が行われている。このように、各分離器１０１ａ～１０１ｄでは、吸着工程、予熱工程、脱離工程、冷却および圧力回復工程が順番に繰り返し行われる。なお、図６では、「圧力回復工程」を単に「回復」と表している。

図７は、実施例の効果の説明図である。図７には、吸着工程が行われている実施例としての分離器１０１ｂから排出される吸着オフガスに含まれるＣＯ₂濃度Ｄ１が実線で示されている。また、図７には、吸着工程が行われている比較例の分離器から排出される吸着オフガスに含まれるＣＯ₂濃度Ｄ２が破線で示されている。比較例のガス分離装置では、実施例で行われる圧力回復工程が行われずに、圧力回復工程の代わりに冷却工程が、１サイクルタイムＣＴ間で継続的に行われている。

図７に示されるように、比較例の分離器で行われる工程が冷却工程から吸着工程に切り替わってしばらくすると、ＣＯ₂濃度Ｄ２は、高い値を示す。比較例では、冷却工程後の分離器内が負圧になっているため、二酸化炭素を含む排ガスが供給されると、過剰な排ガスが一時的に分離器内に流入する。この結果、分離器内の吸着材に吸着されなかった二酸化炭素が、吸着オフガスに含まれた状態で分離器から排出されてしまう。一方で、本実施例の分離器１０１ｂには過剰な排ガスが流入しないため、分離器１０１ｂから排出される吸着オフガスに含まれる二酸化炭素は極めて小さくなる。

以上説明したように、本実施形態のガス分離装置２００では、制御部１６０は、繰り返し実行される脱離工程後であって吸着工程前の分離器１０１ａ～１０１ｄに、分離器１０１ａ～１０１ｄの内部を昇圧する圧力回復工程を実行する。制御部１６０は、温度センサ１８０ａ～１８０ｄにより取得された吸着材１００ａ～１００ｄの温度の勾配を用いて、圧力回復工程の終了時期を判定している。そのため、本実施形態のガス分離装置２００では、吸着工程が開始される前の分離器１０１ａ～１０１ｄ内の圧力が、負圧から大気圧程度の圧力まで昇圧されている。これにより、吸着工程が開始された分離器１０１ａ～１０１ｄから、図３に示される比較例のＣＯ₂濃度Ｄ２のように、ＣＯ₂が漏れ出すことが抑制される。また、圧力回復工程の終了時期は、温度センサ１８０ａ～１８０ｄにより取得された温度勾配ＴＧにより判定されている。そのため、高精度な制御や高価な圧力センサ等を必要とせずに、圧力回復工程終了後の分離器１０１ａ～１０１ｄ内の圧力が、高すぎず低すぎない適切な圧力に制御される。

また、本実施形態の脱離工程後の分離器１０１ａ～１０１ｄは、熱媒入口１９１および熱媒出口１９２を流れる熱媒（冷媒）により冷却工程で冷却された後に、圧力回復工程を行う。吸着材１００ａ～１００ｄの温度が高いほど、吸着材１００ａ～１００ｄに吸着された二酸化炭素が脱離しやすい。本実施形態のガス分離装置２００によれば、分離器１０１ａ～１０１ｄにおいて圧力回復工程が冷却工程後に行われるため、脱離工程および冷却工程が行われる間に、吸着材１００ａ～１００ｄから脱離する二酸化炭素の量が増加する。この結果、ガス分離装置２００の二酸化炭素の回収効率が向上する。

また、本実施形態の制御部１６０は、分離器１０１ａで行われている工程を冷却工程から圧力回復工程に切り替えた際に、吸着工程が行われている分離器１０１ｂから排出される吸着オフガスを、バイパス流路１４１～１４４介して、圧力回復工程が行われる分離器１０１ａに供給する。吸着オフガスは、吸着工程が行われている分離器１０１ｂ内の吸着材１００ｂにより、二酸化炭素や水蒸気が吸着された後の混合ガスである。そのため、圧力回復工程が行われている分離器１０１ａに吸着オフガスが供給されても、大気が供給された場合と比較して、分離器１０１ａ内の吸着材１００ａが水蒸気等の吸着が抑制される。この結果、吸着工程開始時に吸着材１００ａが水蒸気等を吸着していないため、より多くの二酸化炭素を吸着できる。

また、本実実施形態の制御部１６０は、圧力回復工程において、分離器１０１ａの内部を、吸着オフガス流路１１０を介して、大気に開放する。そのため、圧力回復工程が行われている分離器１０１ａ内の圧力が、分離器１０１ａに供給された吸着オフガスによって、大気圧より高く昇圧されない。これにより、吸着工程時の分離器１０１ａの背圧が高くなり過ぎないため、燃焼排ガスの供給に及ぼす影響が抑制される。

また、本実施形態の制御部１６０は、圧力回復工程において吸着オフガスが分離器１０１ａに供給されている状態で、図５に示されるように、分離器１０１ａ内の吸着材１００ａの温度勾配ＴＧの傾きが負であり、かつ、温度勾配ＴＧが予め設定された閾値Ｔｈよりも小さい場合に圧力回復工程を終了する。圧力回復工程の終了判定に温度勾配ＴＧのみが用いられることにより、簡便に終了時期が判定された上で、吸着工程前の分離器１０１ａ～１０１ｄ内の圧力が適切な圧力に制御される。また、制御部１６０は、圧力回復工程の終了判定を高い精度で行わなくても、圧力回復工程が終了した分離器１０１ａ～１０１ｄ内の圧力を適切に制御できる。

また、本実施形態の制御部１６０は、閾値Ｔｈとして、温度勾配ＴＧの最大値であるピークｐｋ（図５）と、圧力回復工程への切り替え時の時刻Ｔ１の温度勾配ＴＧとの差分の２０％を、ピークｐｋから差し引いた値を用いる。本実施形態の閾値Ｔｈは、ピークｐｋではなく、ピークｐｋから差分を余裕に持った値として設定されている。そのため、制御部１６０による終了判定の誤作動が抑制される。

＜第２実施形態＞
図８は、第２実施形態のメタン製造装置３００の概略ブロック図である。メタン製造装置３００は、第１実施形態のガス分離装置２００により分離された二酸化炭素を用いて、燃料として利用されるメタンを製造する。図８に示されるように、メタン製造装置３００は、ガス分離装置２００と、水素を供給する水素供給部２１０と、ガス分離装置２００により分離された二酸化炭素と水素供給部２１０により供給された水素とを用いてメタン化反応を生じさせる反応器２２０と、ガス分離装置２００から反応器２２０へと供給される脱離ガスの流量を制御するマスフローコントローラＭＦＣ１と、水素供給部２１０から反応器２２０へと供給される水素の流量を制御するマスフローコントローラＭＦＣ２と、反応器２２０から排出されるメタンを含むガス中の水分を除去する凝縮器２３０と、を備えている。

反応器２２０内には、メタン化反応を生じさせるメタン化触媒が収容されている。メタン化触媒は、反応器２２０内の二酸化炭素および水素に対して、下記式（１）で示されるメタン化反応を生じさせることにより、メタンを生成する。メタン化触媒としては、ルテニウムを含む複合体などが挙げられる。
ＣＯ₂＋４Ｈ₂→ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ・・・（１）

ガス分離装置２００の制御部１６０は、マスフローコントローラＭＦＣ１，ＭＦＣ２を制御することにより、反応器２２０内の二酸化炭素と水素とのガス比を調整する。上記式（１）に示されるように、反応器２２０内の二酸化炭素と水素とのガス比は、１：４が好ましい。そのため、制御部１６０は、１：４のガス比になるように、マスフローコントローラＭＦＣ１，ＭＦＣ２を制御する。図８に示されるように、反応器２２０で製造されたメタンを含むガスは、水分（Ｈ₂Ｏ）とメタンとに分けられる。なお、マスフローコントローラＭＦＣ１，ＭＦＣ２を制御する制御部１６０は、ガス分離装置２００とは別の装置として構成されていてもよい。

以上説明したように、第２実施形態のメタン製造装置３００では、反応器２２０が、ガス分離装置２００から供給される二酸化炭素を含む脱離ガスと、水素供給部２１０から供給される水素とを用いてメタンを製造する。そのため、メタン製造装置３００は、工場等の排ガスを用いて燃料として機能するメタンを製造できる、すなわち、エネルギーの再利用が行われている。この結果、工場等およびメタン製造装置３００を含むシステムのエネルギー効率が向上する。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記第１実施形態のガス分離装置２００および第２実施形態のメタン製造装置３００は、一例であって、ガス分離装置２００およびメタン製造装置３００の構成等については、種々変形可能である。ガス分離装置２００は、４つの各分離器１０１ａ～１０１ｄを備えていたが、３つ以下の分離器を備えていてもよいし、５つ以上の分離器を備えていてもよい。また、分離器１０１ａ～１０１ｄの形状や材質は、異なっていてもよい。分離器１０１ａ～１０１ｄに収容される吸着材１００ａ～１００ｄの形状や材質が異なっていてもよい。

二酸化炭素を吸着する吸着材１００ａ～１００ｄの材質は、ゼオライトではなく、多孔体にアミンを担持させた個体吸収材で形成されていてもよい。また、吸着材１００ａ～１００ｄとして、当該固体吸収材で形成された吸着材と、ゼオライトで形成された吸着材とが混合されていてもよい。吸着材１００ａ～１００ｄは、分離器１０１ａ～１０１ｄに供給される混合ガスと、混合ガスから分離したい特定のガスとの関係によって、周知技術を元に選択されればよい。すなわち、ガス分離装置２００は、二酸化炭素以外の特定のガスを分離する装置であってもよい。吸着材１００ａ～１００ｄは、分離対象である特定のガスを吸着する材料が適宜選択されればよい。

吸着材１００ａ～１００ｄの温度を取得する温度センサ１８０ａ～１８０ｄは、熱電対以外の周知のセンサを採用できる。また、温度センサ１８０ａ～１８０ｄが配置される位置は、吸着材１００ａ～１００ｄの温度を取得できる範囲で変更可能である。なお、熱電対により吸着材１００ａ～１００ｄの温度を取得する場合には、温度センサ１８０ａ～１８０ｄは、各分離器１０１ａ～１０１ｄの下流側に配置されることが好ましい。

上記第１実施形態では、１サイクルタイムＣＴ内で、冷却工程と圧力回復工程とが行われたが、冷却工程と圧力工程とのそれぞれが１サイクルタイムＣＴで行われてもよい。なお、上記実施形態のように、１サイクルタイムＣＴ内で冷却工程と圧力回復工程とが行われる場合に、１サイクルタイムＣＴで行われる冷却工程が、圧力回復工程を含んでいるとも換言できる。

上記第１実施形態では、圧力回復工程を行う分離器１０１ａで負圧を解消するために供給されるガスが吸着オフガスであったが、供給されるガスは、変形可能である。例えば、吸着オフガスの代わりに、パージガスが分離器１０１ａに供給されてもよいし、大気が供給されてもよい。

上記第１実施形態では、圧力回復工程の終了判定の基となる閾値Ｔｈは、温度勾配ＴＧ（図５）の最大値であるピークｐｋと、圧力回復工程への切り替え時の時刻Ｔ１の温度勾配ＴＧとの差分の２０％を、ピークｐｋから差し引いた値であったが、種々変形可能である。閾値Ｔｈは、例えば、複数の各工程の実施から定められた値であってもよいし、第１実施形態の差分の２０％の代わりに差分の数十％であってもよいし、ピークｐｋ等を用いた何らかの関数から算出される値であってもよい。また、制御部１６０は、温度勾配ＴＧを用いた別の方法によって、圧力回復工程の終了時期を判定してもよい。

上記第２実施形態の図８に示されるメタン製造装置３００の構成は、一例であり、他の構成を備えてもよいし、例えば、マスフローコントローラＭＦＣ１，ＭＦＣ２および凝縮器２３０を備えていなくてもよい。メタン製造装置３００は、二酸化炭素や水素の濃度を検出する濃度検出部を備えていてもよい。この場合には、制御部１６０は、濃度検出部により検出された各ガスの濃度を用いて、マスフローコントローラＭＦＣ１，ＭＦＣ２を制御してもよい。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１００ａ～１００ｄ…吸着材
１０１ａ～１０１ｄ…分離器
１０６…真空ポンプ
１０７，１０８…切替弁
１０９…減圧流路
１１０…吸着オフガス流路
１１１…逆止弁
１１３…パージガス流路
１１４…排ガス供給路
１１５…脱離ガス流路
１２１～１２４…排ガス入口弁
１２５～１２８…吸着オフガス出口弁
１３１～１３４…パージガス入口弁
１３５～１３８…脱離ガス出口弁
１４１～１４４…バイパス流路（ガス流路）
１５１～１５４…仕切弁
１６０…制御部
１８０ａ～１８０ｄ…温度センサ（温度取得部）
１９１…熱媒入口（熱媒配管）
１９２…熱媒出口（熱媒配管）
２００…ガス分離装置
２１０…水素供給部
２２０…反応器
２３０…凝縮器
３００…メタン製造装置
ＣＴ…サイクルタイム
Ｄ１，Ｄ２…ＣＯ₂濃度
ＭＦＣ１，ＭＦＣ２…マスフローコントローラ
Ｔ１…圧力回復工程を開始する時刻
Ｔ２…圧力回復工程を終了する時刻
ＴＧ…温度勾配
Ｔｈ…閾値
ｐｋ…温度勾配のピーク

Claims (10)

1. ガス分離装置であって、
   混合ガスに含まれる特定のガスを吸着する吸着材を収容する分離器と、
   前記吸着材の温度を取得する温度取得部と、
   前記分離器で前記特定のガスに対して行われる各工程を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   ガス供給源から前記混合ガスを前記分離器へと供給させる吸着工程と、
   前記吸着材に吸着された前記特定のガスを脱離する脱離工程と、
   前記脱離工程後であって前記吸着工程前に、前記分離器の内部を昇圧する圧力回復工程と、を繰り返し実行し、
   前記圧力回復工程では、前記温度取得部により取得された前記吸着材の温度勾配を用いて、前記圧力回復工程の終了時期を判定する、ガス分離装置。
2. 請求項１に記載のガス分離装置であって、さらに、
   各前記分離器を冷却する熱媒が流れる熱媒配管を備え、
   前記制御部は、前記吸着工程と、前記脱離工程と、前記脱離工程後であって前記圧力回復工程前に、前記特定のガスを脱離した前記吸着材を、前記熱媒を用いて冷却する冷却工程と、前記圧力回復工程と、を繰り返し実行する、ガス分離装置。
3. 請求項２に記載のガス分離装置であって、さらに、
   少なくとも２つの前記分離器と、
   各前記分離器間を連通するガス流路と、
   を備え、
   前記制御部は、前記冷却工程から前記圧力回復工程に切り替えた際に、前記吸着工程が行われている前記分離器から排出されている排出ガスを、前記ガス流路を介して切り替えた後の前記分離器に供給させる、ガス分離装置。
4. 請求項３に記載のガス分離装置であって、
   前記制御部は、前記圧力回復工程において、前記分離器の内部を大気に開放する、ガス分離装置。
5. 請求項３または請求項４に記載のガス分離装置であって、
   前記制御部は、前記圧力回復工程において前記排出ガスを前記分離器に供給している状態で、前記温度勾配の傾きが負であり、かつ、前記温度勾配が予め設定された閾値よりも小さい場合に、前記排出ガスの供給を停止して前記圧力回復工程を終了する、ガス分離装置。
6. 請求項５に記載のガス分離装置であって、
   前記制御部は、前記温度勾配の最大値と、前記圧力回復工程への切り替え時の前記温度勾配の値との差分の２０％を、前記最大値から差し引いた値を前記閾値として設定する、ガス分離装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のガス分離装置であって、
   前記特定のガスは、二酸化炭素である、ガス分離装置。
8. メタン製造装置であって、
   請求項６に記載のガス分離装置と、
   水素を供給する水素供給部と、
   前記ガス分離装置により分離された二酸化炭素と、前記水素供給部により供給された水素とを用いて、メタン化反応を生じさせる反応器と、
   を備える、メタン製造装置。
9. ガス分離方法であって、
   混合ガスに含まれる特定のガスを吸着する吸着材を収容する分離器に、ガス供給源から前記混合ガスを供給する吸着工程と、
   前記吸着材に吸着された前記特定のガスを脱離する脱離工程と、
   前記脱離工程後であって前記吸着工程前に、前記分離器の内部を昇圧する圧力回復工程と、
   を備え、
   前記吸着工程と前記脱離工程と前記圧力回復工程とは、繰り返し実行され、
   前記圧力回復工程では、温度取得部により取得された前記吸着材の温度勾配を用いて、前記圧力回復工程の終了時期が判定される、ガス分離方法。
10. 混合ガスに含まれる特定のガスを吸着する吸着材を収容する分離器と、前記吸着材の温度を取得する温度取得部と、を備える、ガス分離装置の制御方法であって、
    ガス供給源から前記混合ガスを前記分離器に供給する吸着工程と、
    前記吸着材に吸着された前記特定のガスを脱離する脱離工程と、
    前記脱離工程後であって前記吸着工程前に、前記分離器の内部を昇圧する圧力回復工程と、
    を備え、
    前記吸着工程と前記脱離工程と前記圧力回復工程とは、繰り返し実行され、
    前記圧力回復工程では、前記温度取得部により取得された前記吸着材の温度勾配を用いて、前記圧力回復工程の終了時期が判定される、ガス分離装置の制御方法。

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