JPS6054086B2 - 混合ガスを組成成分ガスに分離する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、質量の異なる成分を２種以上混在せる混合
ガスを、それぞれの組成成分に分離する方法に関する。

詳しくは、成分ガスの物性値の差を利用して混合ガスを
各成分ガスに分離するに際し、成分ガスの質量差を利用
して、ガスに一方向性の振動を与え、ガス粒子間の運動
慣性差衝突と、反発およびその際生ずるそれぞれの粒子
の方向と速さの差より組成の異なる混合ガス系に分離す
ることを特徴とする、混合ガスをそれぞれの組成成分に
分離する方法に関するものである。 現在ガスの取扱い
はあらゆる分野に及び、製造工業の範囲に於いても、石
油精製の際の低沸点炭化水素ガス（プロパンガス他）、
製鉄業に於ける純酸素吹錬に用いる為の大気中からの酸
素の製造、アンモニア合成に用いる窒素の同じく大気か
らの分離採取あるいは石炭乾溜によるコークスガスの製
造等、広範囲でかつ大量に製造し、又使用されている。
取扱われるガスの種類についても、プロパン、ブタン
、コークスガス等の燃料、窒素の様な不活性気体、又は
アンモニア合成の様に原料としてのもの、鉄の精錬用の
酸素、ネオンサイン用の希有気体、更に大気を汚染し生
体に害を与える、亜硫酸ガス、窒素化物等非常に多くの
ものがある。 これ等のガスを製造する方法の内、大気
中より窒素又は酸素を分離採取する様な混合気体より分
離採取する方法は従来は深冷分離法、すなわち、成分ガ
スの物性値の一つ、沸点（又は液化点）の差を利用する
方法、金属パラジユームを用いて水素を選択透過させる
様な粉子の大きさ、拡散速度差等を利用した方法などが
工業的に行なわれて来た。これらの方法による場合、前
者は、例えば酸素と窒素を分離する場合のように非常に
低温としなければならず、その為の設備の大型化、多量
の動力の消費が避けられない等の問題を有し、後者の方
法の場合、設備費の割には能力が小さく適用ガスにも限
定される等の問題を有している。 本発明はかかる従来
法の問題を解消し、高能率な全く新しい混合ガスからの
成分ガスの分離の方法を提供するものである。すなわち
本願発明は質量の異なる複数のガス成分よりなる混合ガ
スを一定空間を形成せる容器内に導びき、該容器内の一
側壁に形成した振動板によつて混合ガスに振動板と垂直
方向に超音波振動を与えることにより振動面近傍に質量
の小さいガス成分を、振動壁の他側の壁面近傍に質量の
大きいガス成分を分離させることを特徴とする混合ガス
を組成成分ガスに分離する方法である。一般的に２つ以
上の成分ガスよりなる混合ガスから、成分ガスを分離す
る手段としては、各々の成分ガスが有する物性値すなわ
ち沸点（又は液化点）、拡散速度、粒子の大きさ、液体
への溶解度、質量等の差を利用して行なうことが可能で
ある。

これら物性値の差を利用して分離する場合、まず注目す
べきことは、それぞれの成分ガスの物性値の差がどの物
性に於いて大きいかを認識することである。

そのやり方として、今Ａ．．Ｂ二成分よりなる混合ガス
をそれぞれの成分に分離する場合を考えそれぞれ、質量
Ｍ（Ａ）＝ｌへＭ（Ｂ）＝１飄沸点Ｂ．Ｐ．（Ａ）＝９
０ＫＢ．Ｐ．（Ｂ）＝８０Ｋだとするととなる、ここで
ＲＭ，．ＲＢ．，．を質量分離能指数、沸点分離能指数
と呼ふものとすれば、分離能指数の大きい物性の差すな
わち質量差を利用して成分ガスに分離するのが有効であ
るとする手法がとれる。

（但し、Ｒは常に１以上の値となる様に比をとるのがよ
い）三成分以上の混合ガスについても、同様に二つの成
分の組合せとして、それぞれ分離能指数を求め分離手段
を選定することができる。

物性としては沸点、質量の他に粒子の大きさ、拡散速度
等が考えられる。今Ａ成分に水素（Ｈ２）、Ｂ成分に炭
酸ガス（ＣＯ．）をとつて比較してみると、Ｍ（Ｈ２）
＝２、Ｍ（ＣＯ２）＝４眠Ｂ．Ｐ．（Ｈ２）＝１４′Ｋ
．．Ｂ．Ｐ．（ＣＯ，）＝１９４．αでありＲＭ＝坐、
ＲＢ．ｐ．＝１３．９となる。

即ち、沸点差を利用するよりも質量差を利用して分離す
る方が効果的であるといえる。

次にＡ成分に窒素（Ｎ２）、Ｂ成分に酸素（０．）をと
つて比較してみると、Ｍ（Ｎ２）＝２８、Ｍ（０２）＝
３２、Ｂ．Ｐ．（Ｎ２）＝７７．３Ｋ，．Ｂ．Ｐ．（０
２）＝９０ｘでありＲＭ＝１．１屯ＲＢ．ｐ．＝１．１
６となる。

即ち、沸点差を利用する方が効果的であるといえるがそ
の差は１．７％で殆んど同等である。ここで再び注目す
べきことは、その物性値の差を利用するにおいて、その
状態にする為に必要な補助的手段に関することがらであ
る。酸素と窒素を分離する場合に沸点分離能指数が若干
大きい値を示しているが、７７．３′Ｋ（−１９５．８
℃）迄の非常な低温にしなければならず前述したように
補助的な動力を必要とし、全体としての効率が低下する
。

以上の様な観点から本発明者は種々な混合ガスから成分
ガスを分離する手段として、質量差を利用することが、
非常に有効であつて、特にコークス炉ガス（ＣＯＧ）中
より水素ガス（Ｈ２）を分離する等質量比の大きいもの
に適用して効果が大きいことと、更に質量差を利用する
場合、温度、圧力等の条件に関しては広範囲な状態に適
用できる利点を有することがわかつた。

本発明は、上述したように分離能として非常に有効な物
性すなわち質量差を利用して分離する手段を提供しよう
とするものである。

質量差を利用して分離する手段は、例えば遠心分離機に
より油中から水分を除去す場合、液中の微細な固体粒子
を高速沈澱させる等の液体を媒体とした場合に多く用い
られている。

しかし、気体に対しては、ガス中のミスト、ダストの分
離以外にその例をみないが、それは通常の手段で付与で
きる回転数が、１０〜１０（１）回転／秒程度と低く、
混合ガス分離に関しては、分離効果とともに逆現象とし
ての混合効果が同程度に起つている為と考えられる。こ
れに対し本発明の基本的な作用効果は好ましくは１０Ｋ
Ｈｚ〜１０００ＫＨｚ程度の高周波の振動を与え分子に
高速運動を与えるとともに一方向成分を主体とした振動
を与えることにより、混合効果を低くして分離するもの
である。

而して本発明で言う一方向性の振動とは、平板に垂直な
軸方向に振巾を生ずる振動が継続して起ることをいう。

振動板の振動によつて起る作用効果としては本発明で用
いる分離効果と逆に一般的に起り易い混合効果があるが
、混合効果より分離効果を高めるためには振動板の有効
面積Ｓｖと容器胴部最大断面積ＳＴとの関係がＳＶ〉０
．５ＳＴとなることが必要で、好ましくはＳＶ〉０．８
Ｓ丁となることがよい。

又、容器へのガスの供給、排出の仕方は、実施例に示し
た様に連続して流しても、問けつ的に流してもよい。

分離ガスの取出口での流量比は原料ガス組成をもとに決
めればよい。

即ち、質量の小さいガス成分と大きいガス成分の組成比
が２：１の混合ガスを原料とする場合は、排出口イ，口
からのガス流量比を２：１を基準とし、採取目的とする
成分の取出し流量を若干少なくするのが好ましい。又、
分離に用いる振動数は、前述したように高い程よいが、
分離効果の得られる振動数は、被分離ガスの質量によつ
て異なるが、実用的には５０ＫＨｚ程度以上が好ましい
。第１図は、二成分よりなる混合ガスの質量分離能指数
に対する振動数と到達分離効果を示したグラフで１はＨ
２−ＣＯ２ＲＭ＝Ｎ２は鴇−０２ＲＭ＝１．１４尚分離
効果は、混合比１：１の混合ガスを容器内に収容し振動
を与え乍らｌ紛後に振動板に近い口の口よりサンプリン
グし、質量の小さい成分の濃度を測定表示したものであ
る。

又ＦＯは混合ガスを成分ガスに分離するに必要な最低振
動数で、主に被分離ガスの質量数Ｍ（Ｅ）（イ）℃、１
ａｔｍに於ける２２．４ｅの占めるガスの重量を無名数
で表示）で決まる。

ＦＯ：Ｋ／Ｍ（Ｅ）Ｋ＝ニ４００ＫＨｚ 以下本発明の詳細な説明に基づき説明する。

第２図は、本発明方法実施の装置の立断面、第３図は第
２図を上方より見た一部断面の平面図を示す。１は筒状
容器本体、２は容器の鏡板すなわち端部蓋で振動板７を
本体１との間に挾持するように締付けボルト装置１１で
一体的に固定している。

．３は容器の他端の蓋（底板）、４は電磁コイル５によ
り振動が励起され、蓋２を貫通して、振動板７に連結手
板６を介して振動を伝えるアマチュア、８は混合ガスを
容器内へ供給する為の通気（給気）管、９は比重の小さ
いガス成分組成の高．い（混合）ガスを取出すための通
気（排気）管で、振動板７の近傍に設けている。１０は
、比重の大きいガス成分組成の高い（混合）ガスを取り
出す通気（排気）管で振動板７の反対側の底板３の近傍
に設けられている。

これらの通気管の個数はそれぞれ１個の場合を示したが
それぞれ複数設けてもよい。

本発明に係る通気管については容器内部へ挿入した場合
も良く、又本体１の底部構造について振動板と対象の面
からの反射を防ぐため内張りを施した場合は、表面が荒
く軟かいゴム、布等を用いる。

第４図は容器内での乱流を抑制し、ガス振動の一方向性
を向上させるためにインサートを充填した場合の例で、
第４図ａにチューブ状のもの１７、第４図ｂに棒状のも
の１８、第４図ｃに板状のもの１９を示す。

第５図ａは密度の小さいガス成分を振動板を通”過させ
て採取する別の実施例で、第５図ｂは第５図ａの振動板
の断面図であつて穴のあいた振動板２０を示す。

第６図から第１２図は組成比が１：１の質量の異なるＡ
，．Ｂガス成分からなる混合ガスに振動を与えて、成分
ガスに分離できる作用効果を説明する図で、Ａ，ａ″は
質量の大きいＡ成分ガスの分子、Ｂ，ｂ″は質量の小さ
いＢ成分ガスの分子を示すもので、質量比が約２：１の
場合を示す。

最初容器内は任意な位置で粒子Ａ，ｂの分布の比率は１
：１である。第６図は振動板の振動により各粒子が振動
板に直角方向にはじき出される瞬間を示したものである
。

第７図は容器内の振動板に平行な任意な面Ｐに於ける平
均帯留粒子ａ″，ｂ″に衝突した瞬間の状態で、矢印は
衝突後動き出す方向を示すもので、図中１１の表示は、
振動板の方に向かう質量の小さい粒子の量を表示する数
で、以下分離効果指数と呼ぶ第７図に示す様な衝突のケ
ースを１１とする。

第８図は他のケースで同質量の粒子同志が出合う場合で
分離効果指数０すなわち分離しない。

第９図はそれぞれ質量数の異なる粒子同志が衝突するケ
ースで、分離効果指数は１２となる。衝突の形態は３つ
のケースでそれぞれの起こる確率がそれぞれ１１３づつ
であり、平均分離効果指数は８１となる。すなわち振動
板に近い部分と反対側の部分で、組成に差を生ずる。第
１０図は第７図の平均分離効果指数４１の衝突の後、質
量の小さい粒子ｂが振動板に近づいた状態を示すと同時
に振動板と反対側の領域ｑに於いては、粒子の組成がａ
：ｂ＝３：２と質量の大きい粒子ａの比率が増している
ことを示す。

第１１図及び第１２図は、振動板が反対に容器の外側に
振れる場合の移動の状態を示すもので、一定の力によつ
て動き出す粒子の速さは粒子の質量に反比例することか
ら、質量の小さい粒子ｂが、振動板に連れて速く移動す
ることを示している。本発明者はこれらの現象を、例え
ば超音波洗浄器に水を入れて用いる場合、水中の空気が
気泡となつて発生する事実と同等のものとして一種の分
離作用として理解している。

以上のような作用効果により組成に濃淡を生ずるもので
あるから、第１０図に於いて平均的ガス組成領域となる
容器のほぼ中央イ部に混合ガスを供給するとともに、振
動板近傍口部から質量の小さい成分の濃度の高いガスを
、又反対領域ハ部から質量の大きい成分の濃度の高いガ
スを間歇的あるいは連続的に取り出すことができる。

又適用できるガス成分系としては、特定なものに限定す
るものではないが、成分ガスの質量（すなわち分子量）
が異なることが必要条件であり、特りその質量の差が大
きいものほど効果的である。

又混合ガスの成分も二つ以上で特に制限するものではな
い。本装置を用い一成分の純度を高める手段としては、
本装置単体を何段階も用いればよい。

更に振動板に与える振動の周波数について述べれば、分
離対象が質量の非常に小さい気体粒子であることから、
周波数は高い程よく、３０ＫＨｚ程度以上が実用的に好
ましい。

又温度、圧力はその作用効果を大きく左右するものでは
なく広範囲な条件に適用できる。

第１３図は本発明の方法及び装置を用い分離後のガスを
再び分離装置に導き、分離成分ガス濃度を高めて行くや
り方を示した系統図で、図中２４〜３０は、原料、成品
、中間ガス貯槽で、３１は、原料ガス組成に近い、中間
分離生成ガスを原料ガス貯槽２４に返すためのブロワ装
置、３２はその輸送管を示す。

次に第２図に例示する本発明実施例装置を用いて、コー
クス水性ガス（Ｈ９．＋ＣＯ，）よりＨ２を分離採取し
た実施例を実施例１に、またＣＯＧ中より鴇を濃縮分離
採取した実施例を実施例２に示す。

実施例１ 本実施例では、二次分離（Ｂ），（Ｃ）後に取り出され
るハ″，口″ガスは中間組成ガスで原料ガスにその組成
が近似しているため、原料ガスへ返して分離処理を継続
している。

実施例２ Ｃ０Ｇの鴇を濃縮、装置１段

【図面の簡単な説明】

第１図は二成分よりなる混合ガスの質量分離能指数に対
する振動数と到達分離効果を示した図、第２図は本発明
実施例装置の側断面図、第３図は第２図の平面図、第４
図ａは本発明の他の実施例装置の説明図で、同Ｂ，ｃ，
ｄは第４図ａの実施例装置に於いて用いるインサートの
斜視図、第５図ａは本発明の他の実施例装置の側断面図
、同ｂは第５図ａの実施例装置に於いて用いる振動板の
説明図、第６図乃至第１２図は、本発明の作用効果の説
明図、第１３図は分離装置を２段階に構成した場合の系
統図である。 １・・・・・・容器本体、２・・・・・・鏡板、３・・
・・・・底板、４・・・・・アマチュア、５・・・・・
・コイル、６・・・・・・振動伝導板、７・・・・・・
振動板、８・・・・・・給気バイブ、９・・・・・・排
気バイブ、１０・・・・・・排気バイブ、１１・・・・
・・ボルト、１２・・・・・リード線、１３・・・・・
・給気バルブ、１４・・・・・・排気バルブ、１５・・
・・・・排気バルブ、１６・・・・・圧力計、１７・・
・・・バイブ、１８・・・・・・バー、１９・・・・プ
レート、２０・・・・・・振動板、２１，２２，２３・
・・・・・分離装置、２４〜３０・・・・・・貯槽、３
１・・・ブロワ、３２・・・・・・配管、イ・・・・・
・原料混合ガス入口、叫ハ・・・・・・分離ガス出口。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 質量の異なる複数のガス成分よりなる混合ガスを一
   定空間を形成せる容器内に導びき、該容器内の一側壁に
   形成した振動板によつて混合ガスに振動板と垂直方向に
   超音波振動を与えることにより振動面近傍に質量の小さ
   いガス成分を、振動壁の他側の壁面近傍に質量の大きい
   ガス成分を分離させることを特徴とする混合ガスを組成
   成分ガスに分離する方法。