JPH06178909A - ガス分離装置 - Google Patents

ガス分離装置

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JPH06178909A
JPH06178909A JP3008746A JP874691A JPH06178909A JP H06178909 A JPH06178909 A JP H06178909A JP 3008746 A JP3008746 A JP 3008746A JP 874691 A JP874691 A JP 874691A JP H06178909 A JPH06178909 A JP H06178909A
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哲也 阿部
Seiji Hiroki
成治 廣木
Yoshio Murakami
義夫 村上
Masanori Hamazaki
正則 浜崎
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 混合ガス中より特定のガス成分を分離するガ
ス分離装置1が、回転体5と、この回転体5を回転可能
に支持するための軸受7a,bおよび回転させるための
駆動源8と、分離ガスの排出口13、電磁波発生器1
4、シール隔壁15および圧力シール16を備えた蓋4
と、混合ガスの吸入口12、分離ガスの排出口13、電
磁波発生器14およびリース隔壁16を備えたハウジン
グ2と、ガスおんど調節パネル18と、ポンプ20とか
らなるガス分離装置。 【効果】 混合ガスの各ガス成分を、各々の分子量に関
係なく、しかも連続的に分離することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、ガス分離装置に関す
るものである。さらに詳しくは、この発明は、二つ以上
のガス成分で構成される混合ガスの中から特定のガス成
分を高効率に連続して分離することができるガス分離装
置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、混合ガスを各成分毎に分離す
る装置として、ガス吸着装置やガス遠心分離装置が知ら
れている。このうち、ガス吸着装置は、特定のガス成分
に対してのみ吸着能を有する吸着剤を用いることによっ
て、混合ガス中より特定のガス成分を吸着分離する。一
方、ガス遠心分離装置は、混合ガスを高速回転させたと
き個々のガス成分の分子量の違いによって、遠心力に差
が生じ空間的に各ガス成分が分離することを利用して特
定のガス成分を分離するようにしている。
【0003】なお、これら従来のガス吸着装置およびガ
ス遠心分離装置については、たとえば[改訂四版 化学
工学便覧]化学工学協会編、(1984年)(丸善株式会社
発行)第847頁−第967頁に詳細に記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、たとえ
ば従来のガス吸着装置の場合には、一般的に混合ガスの
吸着分離操作において、吸着剤の吸着能が吸着分離すべ
き特定ガス成分の吸着によって飽和してしまうと、もは
や混合ガスの吸着分離が不可能となり、そのため吸着分
離操作を一旦打ち切って吸着剤の再生を行ない、それか
ら再度吸着分離操作を行わなければならないという、連
続的な分離操作に比較して煩雑な操作を必要とするとい
う欠点を有している。
【0005】一方、ガス遠心分離装置の場合には、連続
的なガスの分離が可能ではあるものの、混合ガスを構成
する各ガス成分の分子量が接近していると、これらの遠
心力の差が小さくなるため、分離すべき特定ガス成分の
分離効率が低下してしまう。この発明は、以上の通りの
事情に鑑みてなされたものであり、従来のガス分離装置
の欠点を解消し、混合ガス中から特定ガス成分を連続的
に分離し、かつ混合ガスを構成する各成分ガスの分子量
が接近している場合にも効率よく特定ガス成分を分離す
ることのできる新しいガス分離装置を提供することを目
的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、混合ガス中より特定のガス成分
を分離するガス分離装置が、吸着剤を有する回転体と、
この回転体を回転可能に支持するための軸受および回転
させるための駆動源と、分離ガスの排出口、電磁波発生
器、シール隔壁および圧力シールを備えた蓋と、混合ガ
スの吸入口、分離ガスの排出口、電磁波発生器およびシ
ール隔壁を備えたハウジングと、ガス温度調節パネル
と、ポンプとからなることを特徴とするガス分離装置を
提供する。
【0007】またこの発明のガス分離装置においては、
回転体が、吸着剤から構成され、一端が開放された状態
で他端が封止されている中空形状であり、圧力シール
が、回転体に対して相対向して配置され、さらに蓋およ
びハウジングの各々に備えられた電磁波発生器およびシ
ール隔壁が、回転体を挟んで相対向して配設され、ガス
温度調節パネルが吸入口に接続され、さらにポンプが、
排出口に接続されることを好ましい態様としてもいる。
【0008】この発明は、吸着剤とガス成分との組み合
わせを適当に選択するならば、混合ガス中から特定のガ
ス成分のみを吸着剤に選択吸着させて分離でき、また、
吸着剤に選択吸着した特定ガス成分に対して特定ガス成
分と吸着剤間の吸着エネルギーより大きいエネルギーを
持った電磁波を外部から照射印加すると、吸着している
特定ガス成分が容易に吸着剤より脱着できるとの知見に
基づいて完成されたものである。
【0009】以下、この発明のガス分離装置について、
その構成および作用、効果を、添付した図面に沿ってさ
らに詳しく説明する。図1は、この発明のガス分離装置
の一例を示した切欠断面斜視図であり、図2はその縦断
面図、図3は図2のA−A横断面図である。なお、これ
らの図中ならびに以下の説明では、多成分からなる混合
ガスのうち、分離する特定ガス成分、すなわち吸着剤に
吸着させるガス成分をG1、その他の非吸着ガス成分を
一括してG2と記載する。
【0010】たとえばこの図1および図2に示したよう
に、ガス分離装置(1)は、中空円筒形のハウジング
(2)と、このハウジング(2)の底部を保持する台座
(3)および上部を封止する蓋(4)とからなり、ハウ
ジング(2)の内部には、同じく中空円筒形で、上端部
が開放状、下端部が封止状の回転体(5)を配設してい
る。この回転体(5)は、その底面に回転軸(6)を有
しており、この回転軸(6)は、台座(3)内部の軸受
(7a)、(7b)および駆動源(8)に焼き嵌め等に
より固設されている。なお、軸受(7a)、(7b)
は、公知の転がり軸受、磁気軸受、または気体軸受等の
いずれか一種、あるいはこれらを組み合わせたものから
構成し、回転体(5)を回転可能に支持することができ
る。また、駆動源(8)は、たとえば電動モーターやガ
スタービン等の公知のものを使用し、回転体(5)を任
意の回転速度で回転させるようにしている。
【0011】回転体(5)自体は、図3に例示したよう
に、全体が二重壁(9)からなり、内部には、混合ガス
(G1+G2)のうちG1(図中、黒矢印)に対しての
み吸着能を有し、G2(図中、白抜矢印)に対しては吸
着能を持たない吸着剤(10)を保持している。また、
二重壁(9)の壁面には、吸着剤(10)が脱落しない
程度の孔径を有するガス流通貫通孔を多数設けており、
混合ガス(G1+G2)が回転体(5)の外壁側から内
壁側の分離空間(11)へと、吸着剤(10)と効率よ
く接触しながら速やかに流れ込むようにしている。
【0012】ハウジング(2)の外側面には、混合ガス
(G1+G2)の吸入口(12)と、分離ガス(G1)
の排出口(13a)、および電磁波発生器(14a)を
配しており、蓋(4)には、分離ガス(G1)および
(G2)の各々の排出口(13b)および(13c)
と、電磁波発生器(14b)を配している。また、蓋
(4)の内側には、圧力シール(15)と、2枚のシー
ル隔壁(16a)および(16b)を配設しており、こ
のうち、圧力シール(15)はその凹部内に回転体
(5)の上端部が、所要の気密性を有し、かつ回転自在
な状態となるように挿入されている。したがって、この
ような回転自在性と気密性が確保できるのであれば、圧
力シール(15)の凹部と回転体(5)の上端部とは接
触あるいは非接触のいずれの状態であってもよい。ただ
し、非接触状態の場合には、気密性を確保するため挿入
部分の相互間隔を極力狭くするのが望ましい。
【0013】一方、シール隔壁(16a)、(16b)
は、図3にも例示したように、回転体(5)の内側の分
離空間(11)を遮断し、その内部に電磁波発生器(1
4b)が位置するような脱着空間(17a)を形成して
いる。さらに、ハウジング(2)の内側面には、上記シ
ール隔壁(16a)および(16b)と、回転体(5)
の二重壁(9)を挟んで相対向するシール隔壁(16
c)および(16d)が配設されており、その内部に電
磁波発生器(14a)が位置するような脱着空間(17
b)を形成している。なお、この場合に回転体(5)が
回転自在で、かつ分離したガス成分同士が相互に流通混
合しないように、分離空間(11)および脱着空間(1
7a)、(17b)を形成する回転体(5)とシール隔
壁(16a)、(16b)、(16c)、(16d)と
の間には、回転自在性と共に所要の気密性を持たせてい
る。したがって、これらの回転自在性と気密性が確保で
きるのであれば、回転体(5)とシール隔壁(16
a)、(16b)、(16c)、(16d)との間は、
接触あるいは非接触のいずれの状態でもよいが、非接触
状態とする場合には、気密性を確保するため、それぞれ
の相互間隔を極力狭くすることが望ましい。
【0014】脱着空間(17a)、(17b)内に配設
する電磁波発生器(14a)および(14b)は、吸着
剤(10)に対するG1の吸着エネルギー以上の電磁波
エネルギーを照射できるものを使用し、たとえば公知の
熱フィラメント、赤外線発生器、遠赤外線発生器、ハロ
ゲンランプ、高圧水銀ランプ、低圧水銀ランプ、高周波
発生器、マイクロ波発生器、X線発生器等のなかから適
宜選択し、それらを単独もしくは二種以上組み合わせて
構成することができる。
【0015】さらに、図1に例示したように、吸入口
(12)には、混合ガス(G1+G2)中の特定ガス成
分(G1)を吸着剤(10)に選択吸着するに当って必
要な最適温度に混合ガス温度を調節するため、加熱ヒー
ターおよび冷却器を備えたガス温度調節パネル(18)
を接続し、排出口(4a)、(4b)および(4c)に
は、処理する混合ガス量によって決まる所要のコンダク
タンス、排気速度および排気容量等を有する公知のバル
ブ(19a)、(19b)、(19c)およびポンプ
(20a)、(20b)、(20c)を各々連結するこ
とができる。また、以上に説明したこの発明のガス分離
装置(1)は、使用材料を指定した構成部品を除いて、
たとえばステンレス鋼、高強度セラミックス(窒化珪
素、アルミナ、炭化珪素)、FRM,FRP,FRC等
の、耐腐食性で、半径および同方向引張強度の高い材料
により構成することができる。
【0016】次に、このような構成からなるガス分離装
置(1)におけるガス分離の原理、方法について、さら
に詳しく説明する。まず、ガス分離装置(1)の排出口
(13a)、(13b)および(13c)の各々に接続
したポンプ(20a)、(20b)および(20c)を
作動させ、これら排出口(13a)、(13b)および
(13c)側の圧力を吸入口(12)側より低くし、そ
の結果生じる差圧によって、混合ガス(G1+G2)を
吸入口(12)からハウジング(2)内へと連続的に導
入する。このハウジング(2)内で、混合ガス(G1+
G2)は、回転体(5)に接触し、特定ガス成分(G
1)はその二重壁(9)内部の吸着剤(10)に選択吸
着され、分離する。一方、非吸着のガス成分(G2)
は、吸着剤(10)を通過して、回転体(5)の内側の
分離空間(11)内に入り、ここから蓋(4)に配設し
た排出口(13c)およびバルブ(19c)を経由して
ポンプ(20c)により分離排出される。
【0017】これに対して、回転体(5)内の吸着剤
(10)に吸着した特定ガス成分(G1)は、回転体
(5)の回転に伴って脱着空間に導かれ、ここで電磁波
発生器(14a)および(14b)からの電磁波により
脱着空間(17a)または(17b)内に脱着放出され
る。このうち、脱着空間(17a)に放出された特定ガ
ス成分(G1)は、蓋(4)に配設した排出口(13
b)から、また脱着空間(17b)に放出された特定ガ
ス成分(G1)はハウジング(2)に配設した排出口
(13a)から、それぞれバルブ(19b)、(19
a)およびポンプ(20b)、(20a)を経由して排
出分離される。このようにして特定ガス成分(G1)を
その吸着剤(10)から脱着した回転体(5)は、回転
により脱着空間(17a)、(17b)を通過し、再度
特定ガス成分(G1)の選択吸着からはじまる一連の分
離動作を繰り返す。
【0018】このように、この発明のガス分離装置
(1)においては、回転体(5)を一定の速度で連続的
に回転させながら、上述の分離動作を行なうため、混合
ガス(G1+G2)から各成分への分離が連続的に実施
できる。また、混合ガス(G1+G2)から特定ガス成
分(G1)のみを選択分離できるか否かは、吸着剤(1
0)と特定ガス成分(G1)の化学的性質とによっての
み決定する選択的吸着能にだけ依存しており、各々のガ
ス成分の分子量は無関係であることは言うまでもない。
なお、各種ガス成分とこれに対して吸着能を有する吸着
剤(17)との組み合わせに関しては、たとえば[吸
着]慶伊富長 著、(1967年)(共立出版株式会社)第
58頁−第94頁および第192頁−第204頁に詳細に記載
されている。
【0019】
【実施例】以下、水素(H2)+ヘリウム(He)から
なる混合ガスをそれぞれの成分に分離した実施例を示
し、この発明をさらに具体的に説明する。なお、この実
施例においては、H2 ガスを特定ガス成分(G1)と
し、Heガスを非吸着ガス成分(G2)とした。また、
ガス分離装置(1)は、図1〜図3に例示したのを用
い、次の通りの運転条件により作動させた。
【0020】まず、バルブ(19a)、(19b)、
(19c)を開けながらポンプ(20a)、(20
b)、(20c)を作動させるとともに、100W低圧水
銀ランプからなる電磁波発生器(14a)および(14
b)を作動させて、各々、6.7eVおよび4.9eVのエネルギ
ーを有する電磁波を脱着空間(17a)および(17
b)に発射し、さらに軸受(7a)、(7b)により回
転体(5)を浮上させ、駆動源(8)によって回転体
(5)を所要の回転数まで昇速させる。次いで、ガス圧
力(全圧)10-3PaのH2+He混合ガスを、ガス温度
調節パネル(18)で25℃付近の温度に調節しながら
吸気口(12)からハウジング(2)内へ導入する。導
入された混合ガスは、H2ガス成分(G1)に対しての
み吸着能を有するアルミニウム(A1)薄膜/ステンレ
ス鋼(SUS304)基材からなる吸着剤(10)を保持する
回転体(5)と接触し、H2ガス成分(G1)が、この
吸着剤(10)に選択的に吸着固定する(この場合のH
2の吸着エネルギーは、ファンデルワールス力程度のエ
ネルギーであり、1eV以下の連続エネルギー帯域内の値
を持つ)。これに対して、非吸着成分であるHeガス
(G2)は、吸着剤(10)に吸着することなく回転体
(5)のガス流通貫通孔を通過して、図中白抜き矢印で
示したように分離空間(11)に入り、排出口(13
c)およびバルブ(19c)を経由してポンプ(20
c)により排出分離される。
【0021】一方、吸着剤(10)に吸着固定されたH
2ガスは、回転体(5)の回転により脱着空間(17
a)および(17b)内に導かれ、H2の吸着エネルギ
ーより高いエネルギーを持った低圧水銀ランプからの電
磁波照射を受けて吸着剤(10)から脱着、放出され、
図中黒矢印で示したように、排出口(13a)、(13
b)およびバルブ(19a)、(19b)を経由してポ
ンプ(20a)、(20b)により排出分離される。
【0022】以上の一連の動作を、回転体(5)を連続
的に回転させることにより繰り返し実施したところ、H
2+He混合ガス中からH2とHeの各成分を、別々にか
つ連続的に分離することができた。なお、この実施例で
用いた吸着剤(10)によって吸着分離したH2の分離
分子数は、真空天秤を用いて測定したところ、吸着剤
(10)の単位面積当たり約7×1019(H2)分子cm
-2であった。
【0023】もちろんこの発明は以上の例によって限定
されるものではなく、分離する特定ガス成分(G1)
は、吸着剤(10)および電磁波発生器(14a)、
(14b)等を選択することにより適宜とすることがで
きる。たとえば、吸着剤(10)としては、公知の活性
炭、シリカゲル、活性アルミナ、活性白土、モレキュラ
シーブ、周期律表上の金属、半金属、半導体元素などが
あり、それらを適宜単独あるいは二種以上組み合わせて
構成することができる。また、吸着剤(10)の形態と
しては、二重壁(9)内に保持され回転体(5)を形成
できるものであれば、顆粒状、板状、縮れ毛状等のいず
れでもよく、その形態を問わない。
【0024】さらに、この発明のガス分離装置(1)に
おいては、分離する特定ガス成分(G1)の分離処理
量、すなわち混合ガスの分離処理量は、原理的に吸着剤
(10)の表面積の大きさによって決定されるため、処
理すべき混合ガス中に含まれる特定ガス成分(G1)量
に対応して吸着剤(10)の表面積を適宜変更さえすれ
ば、事実上、処理できる混合ガス量に特別な制限はな
い。
【0025】
【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って混合ガスを構成している各々のガス成分の分子量に
無関係に混合ガスを各成分ガスに分離することができ、
特に、分子量が近接しているガス成分から構成される混
合ガスの分離に対しては、その分離動作の原理上、本質
的な有利・有効性を有するガス分離装置が提供される。
また、このガス分離装置は、一連のガス分離操作を連続
的に行え得るのでガス分離操作の低コスト化が実現でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のガス分離装置の一実施例を示した切
欠断面斜視図である。
【図2】図1に示したガス分離装置の縦断面図である。
【図3】図2のA−A横断面図である。
【符号の説明】
1 ガス分離装置 2 ハウジング 3 台 座 4 蓋 5 回転体 6 回転軸 7a,7b 軸 受 8 駆動源 9 二重壁 10 吸着剤 11 分離空間 12 吸気口 13a,13b,13c 排出口 14a,14b 電磁波発生器 15 圧力シール 16a,16b,16c,16d シール隔壁 17a,17b 脱着空間 18 ガス温度調節パネル 19a,19b,19c バルブ 20a,20b,20c ポンプ
【手続補正書】
【提出日】平成3年10月28日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0009
【補正方法】変更
【補正内容】
【0009】以下、この発明のガス分離装置について、
その構成および作用、効果を、添付した図面に沿ってさ
らに詳しく説明する。図1は、この発明のガス分離装置
の一例を示した切欠断面斜視図であり、図2はその縦断
面図、図3は図2のA−A横断面図である。なお、これ
らの図中ならびに以下の説明では、多成分からなる混合
ガスのうち、吸着剤に吸着させて分離する特定ガス成分
をG1、その他の非吸着ガス成分を一括してG2と記載
する。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0015
【補正方法】変更
【補正内容】
【0015】さらに、図1に例示したように、吸入口
(12)には、混合ガス(G1+G2)中の特定ガス成
分(G1)を吸着剤(10)に選択吸着するに当って必
要な最適温度に混合ガス温度を調節するため、加熱ヒー
ターおよび冷却器を備えたガス温度調節パネル(18)
を接続し、排出口(13a)、(13b)および(13
c)には、処理する混合ガス量によって決まる所要のコ
ンダクタンス、排気速度および排気容量等を有する公知
のバルブ(19a)、(19b)、(19c)およびポ
ンプ(20a)、(20b)、(20c)を各々連結す
ることができる。また、以上に説明したこの発明のガス
分離装置(1)は、使用材料を指定した構成部品を除い
て、たとえばステンレス鋼、高強度セラミックス(窒化
珪素、アルミナ、炭化珪素)、FRM,FRP,FRC
等の、耐腐食性で、半径および周方向引張強度の高い材
料により構成することができる。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0017
【補正方法】変更
【補正内容】
【0017】これに対して、回転体(5)内の吸着剤
(10)に吸着した特定ガス成分(G1)は、回転体
(5)の回転に伴って脱着空間に導かれ、ここで電磁波
発生器(14a)および(14b)からの電磁波により
脱着空間(17a)および(17b)内に脱着放出され
る。このうち、脱着空間(17a)に放出された特定ガ
ス成分(G1)は、蓋(4)に配設した排出口(13
b)から、また脱着空間(17b)に放出された特定ガ
ス成分(G1)はハウジング(2)に配設した排出口
(13a)から、それぞれバルブ(19b)、(19
a)およびポンプ(20b)、(20a)を経由して排
出分離される。このようにして特定ガス成分(G1)を
その吸着剤(10)から脱着した回転体(5)は、回転
により脱着空間(17a)、(17b)を通過し、再度
特定ガス成分(G1)の選択吸着からはじまる一連の分
離動作を繰り返す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浜崎 正則 茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の1 日本原子力研究所那珂研究所内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 混合ガス中より特定のガス成分を分離す
    るガス分離装置が、吸着剤を有する回転体と、この回転
    体を回転可能に支持するための軸受および回転させるた
    めの駆動源と、分離ガスの排出口、電磁波発生器、シー
    ル隔壁および圧力シールを備えた蓋と、混合ガスの吸入
    口、分離ガスの排出口、電磁波発生器およびシール隔壁
    を備えたハウジングと、ガス温度調節パネルと、ポンプ
    とからなることを特徴とするガス分離装置。
  2. 【請求項2】 回転体は、その一端が開放され、他端が
    封止された中空形状である請求項1記載のガス分離装
    置。
  3. 【請求項3】 圧力シールが、回転体に対して相対向し
    て配置され、さらに、蓋およびハウジングの各々に備え
    られた電磁波発生器およびシール隔壁が、回転体を挟ん
    で相対向して配設されている請求項1記載のガス分離装
    置。
  4. 【請求項4】 ガス温度調節パネルが吸入口に、ポンプ
    が排出口に接続されている請求項1記載のガス分離装
    置。
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