KR102268367B1 - 가스 분리 장치 및 가스 분리 방법 - Google Patents

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오사무 오카다
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노부아키 하나이
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스미또모 가가꾸 가부시키가이샤
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Abstract

가스 분리 장치는, 하우징 내에 적어도 하나의 가스 분리막 엘리먼트를 구비한 분리막 모듈과, 외기를 차단하기 위한 케이스와, 케이스 내를 채우는 열매체의 온도를 조정하기 위한 열원부를 구비한다. 케이스는, 그 내부에 분리막 모듈을 적어도 2기 이상 수용하고 있다.

Description

가스 분리 장치 및 가스 분리 방법
본 발명은 가스 분리 장치 및 가스 분리 방법에 관한 것이다.
액체나 기체 등의 원료 유체로부터 특정 성분을 분리하기 위해서, 특정 성분을 선택적으로 투과시키는 분리 필터를 하우징 내에 장착한 분리막 모듈을 이용하는 것이 알려져 있다(예컨대, 일본 특허 공개 제2009-39654호 공보(특허문헌 1), 일본 특허 공개 제2015-208714호 공보(특허문헌 2), 일본 특허 공개 제2002-282640호 공보(특허문헌 3), 일본 특허 공개 평성 제7-80252호 공보(특허문헌 4)). 분리막 모듈에서는, 운전 시나 운전 개시 시, 운전 정지 시에 분리 필터의 가온 또는 냉각을 행하는 경우가 있다.
예컨대, 특허문헌 1 및 2에는, 주위에 가열 수단을 설치한 분리막 엘리먼트를, 하우징 내에 복수 배치한 분리막 모듈이 기재되어 있다. 특허문헌 3에는, 하우징 내에 가스 분리 필터를 장착한 가스 분리 모듈이 기재되어 있고, 하우징의 외주부 또는 내부에 가열원을 설치하여, 가스 분리 필터를 가온하는 것이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 4에는, 침투 기화막에 접하는 액을 냉각하기 위한 냉각 재킷을 설치한 막 모듈이 기재되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2009-39654호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2015-208714호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 제2002-282640호 공보 특허문헌 4: 일본 특허 공개 평성 제7-80252호 공보
본 발명은 분리막 모듈 내를 유통하는 가스의 온도를 소정의 온도로 유지하기 위해서 요하는 에너지량의 저감이 가능한 가스 분리 장치 및 가스 분리 방법을 제공한다.
〔1〕 하우징 내에 적어도 하나의 가스 분리막 엘리먼트를 구비한 분리막 모듈과,
외기를 차단하기 위한 케이스와,
상기 케이스의 내부를 채우는 열매체의 온도를 조정하기 위한 열원부를 갖고,
상기 케이스는, 그 내부에 상기 분리막 모듈을 2기 이상 수용하고 있는, 가스 분리 장치.
〔2〕 상기 열원부는, 상기 케이스의 내부 및 상기 케이스의 외부 중 적어도 한쪽에 설치되어 있는, 〔1〕에 기재된 가스 분리 장치.
〔3〕 상기 케이스를 구성하는 층은, 열저항값이 0.1 ㎡·K/W 이상인, 〔1〕 또는 〔2〕에 기재된 가스 분리 장치.
〔4〕 상기 케이스를 구성하는 층 중 적어도 하나의 층을 이루는 재료는, 열전도율이 1 W/(m·K) 이하인, 〔1〕∼〔3〕 중 어느 하나에 기재된 가스 분리 장치.
〔5〕 상기 분리막 모듈은, 상기 하우징 내에 2기 이상의 가스 분리막 엘리먼트를 구비하는, 〔1〕∼〔4〕 중 어느 하나에 기재된 가스 분리 장치.
〔6〕 또한, 상기 분리막 모듈에 원료 가스를 공급하기 위한 원료 가스 유통 배관과, 상기 분리막 모듈로부터 배출 가스를 배출하기 위한 배출 가스 유통 배관을 구비하는, 〔1〕∼〔5〕 중 어느 하나에 기재된 가스 분리 장치.
〔7〕 상기 원료 가스 유통 배관은, 상기 분리막 모듈의 각각에 상기 원료 가스를 분배하여 공급하기 위한 분기부를 갖고,
상기 배출 가스 유통 배관은, 상기 분리막 모듈의 각각이 배출한 상기 배출 가스를 집약하여 배출하기 위한 집합부를 가지며,
상기 분기부 및 상기 집합부 중 적어도 한쪽은, 상기 케이스의 내부에 설치되어 있는, 〔6〕에 기재된 가스 분리 장치.
〔8〕 상기 가스 분리막 엘리먼트에 공급되는 원료 가스는, 적어도 수증기를 포함하는, 〔1〕∼〔7〕 중 어느 하나에 기재된 가스 분리 장치.
〔9〕 상기 가스 분리막 엘리먼트는, 친수성 수지 조성물층을 구비하는 가스 분리막을 갖는, 〔1〕∼〔8〕 중 어느 하나에 기재된 가스 분리 장치.
〔10〕 상기 친수성 수지 조성물층은, 친수성 수지, 및 산성 가스와 가역적으로 반응하는 물질을 포함하는, 〔9〕에 기재된 가스 분리 장치.
〔11〕 상기 가스 분리막 엘리먼트는, 스파이럴형 가스 분리막 엘리먼트인, 〔1〕∼〔10〕 중 어느 하나에 기재된 가스 분리 장치.
〔12〕 〔1〕∼〔11〕 중 어느 하나에 기재된 가스 분리 장치를 이용한 가스 분리 방법으로서,
상기 열원부를 이용하여 상기 열매체의 온도를 소정 온도로 유지하도록 조정하는 온도 조정 공정과,
상기 분리막 모듈에 원료 가스를 공급하여 가스 분리 처리를 행하는 공정을 갖는, 가스 분리 방법.
본 발명에 따른 가스 분리 장치 및 가스 분리 방법은, 분리막 모듈 내를 유통하는 가스의 방열량을 억제하여, 상기 가스의 온도를 유지하기 위해서 요하는 에너지량을 저감하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 가스 분리 장치의 일례를 도시한, 일부 절결 부분을 형성한 개략의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 가스 분리막 엘리먼트의 일례를 전개하여 도시한, 일부 절결 부분을 형성한 개략의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 가스 분리막 엘리먼트의 일례를 도시한, 일부 전개 부분을 형성한 개략의 사시도이다.
도 4(a)∼(d)는 하우징 내의 가스 분리막 엘리먼트의 배치의 일례를 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 가스 분리 장치의 다른 예를 도시한, 일부 절결 부분을 형성한 개략의 사시도이다.
<가스 분리 장치>
도 1에, 본 실시형태의 가스 분리 장치(10)의 개략을 도시한 일부 절결 부분을 형성한 사시도를 도시한다. 본 실시형태의 가스 분리 장치(10)는, 원료 가스를, 가스 분리막 엘리먼트를 구비한 분리막 모듈(M)에 공급하여, 원료 가스 중 특정 가스를 투과시키는 가스 분리막 엘리먼트를 투과한 투과 가스와, 원료 가스 중 가스 분리막 엘리먼트를 투과하지 않은 비투과 가스를 분리하여 취출할 수 있다.
본 실시형태의 가스 분리 장치(10)는,
하우징 내에 적어도 하나의 가스 분리막 엘리먼트를 구비한 분리막 모듈과,
외기를 차단하기 위한 케이스와,
상기 케이스의 내부를 채우는 열매체의 온도를 조정하기 위한 열원부를 갖고,
상기 케이스는, 그 내부에 상기 분리막 모듈을 2기 이상 수용하고 있다.
가스 분리 장치(10)는, 원료 가스, 분리막 모듈(M) 내의 가스 분리막 엘리먼트를 투과한 투과 가스, 및 가스 분리막 엘리먼트를 투과하지 않은 비투과 가스의 각각이, 분리막 모듈(M) 내에 유통하기 위한 배관을 가질 수 있다. 구체적으로는, 케이스(11) 내의 분리막 모듈(M)과 접속되는 배관으로서, 분리막 모듈(M) 내에 구비되는 가스 분리막 엘리먼트에 원료 가스를 공급하기 위한 원료 가스 유통 배관(17)과, 가스 분리막 엘리먼트에 구비되는 가스 분리막을 투과한 투과 가스를 배출하기 위한 투과 가스 유통 배관(배출 가스 유통 배관)(18)과, 가스 분리막 엘리먼트에 구비되는 가스 분리막을 투과하지 않은 비투과 가스를 배출하기 위한 비투과 가스 유통 배관(배출 가스 유통 배관)(19)을 구비할 수 있다. 이하에서는, 투과 가스 유통 배관(18)과 비투과 가스 유통 배관(19)을 통합하여, 배출 가스 유통 배관이라고 하는 경우가 있다.
이하, 가스 분리 장치(10)의 각부에 대해 설명한다.
〔가스 분리막 엘리먼트〕
가스 분리 장치(10)의 분리막 모듈(M)에 구비되는 가스 분리막 엘리먼트로서는, 공지된 가스 분리막 엘리먼트를 이용할 수 있고, 예컨대 스파이럴형, 중공사형, 튜브형, 플레이트 앤드 프레임형, 모놀리스형 등을 들 수 있다. 가스 분리막 엘리먼트는, 예컨대 복수 종의 가스를 포함하는 원료 가스로부터, 특정 가스를 투과시켜 분리하는 분리막을 포함하는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 특정 가스로서는, 무기 가스(질소, 산소 등), 가연성 가스(수소, 메탄 등), 수증기, 및 산성을 나타내는 산성 가스(이산화탄소, 황화수소, 황화카르보닐, 황산화물(SOx), 질소 산화물(NOx), 염화수소 등의 할로겐화수소 등) 등을 들 수 있다.
가스 분리막 엘리먼트로서, 스파이럴형 가스 분리막 엘리먼트를 이용하는 경우를 예로 들어 설명한다. 도 2에, 스파이럴형의 가스 분리막 엘리먼트를 전개하여 도시한, 일부 절결 부분을 형성한 개략의 사시도를 도시한다. 스파이럴형의 가스 분리막 엘리먼트는,
특정 가스를 포함하는 원료 가스가 흐르는 공급측 유로 부재(3)와,
공급측 유로 부재(3)를 흐르는 원료 가스에 포함되는 특정 가스를 선택적으로 분리하여 투과시키는 가스 분리막(2)과,
가스 분리막(2)을 투과한 특정 가스를 포함하는 투과 가스가 흐르는 투과측 유로 부재(4)와,
원료 가스와 투과 가스의 혼합을 방지하기 위한 밀봉부와,
투과측 유로 부재(4)를 흐르는 투과 가스를 수집하는 중심관(5)을 갖고,
공급측 유로 부재(3)와, 가스 분리막(2)과, 투과측 유로 부재(4)를 각각 적어도 1 이상 적층한 적층체가, 중심관(5)에 권취된 권취체를 구비할 수 있다. 권취체는, 원통형, 각통형 등의 임의의 형상이어도 좋다.
가스 분리막 엘리먼트(1)는, 또한, 권취체의 되감김이나 권취 붕괴를 방지하기 위해서, 외주 테이프나 텔레스코프 방지판 등의 고정 부재(도시하지 않음)를 구비하고 있어도 좋고, 가스 분리막 엘리먼트(1)에 가해지는 내압 및 외압에 의한 부하에 대한 강도를 확보하기 위해서, 권취체의 최외주에 아우터 랩(보강층)을 갖고 있어도 좋다.
공급측 유로 부재(3) 및 투과측 유로 부재(4)는, 원료 가스 및 가스 분리막(2)을 투과한 투과 가스의 난류(막면의 표면 갱신)를 촉진하여, 원료 가스 중 투과 가스의 막투과 속도를 증가시키는 기능과, 공급되는 원료 가스 및 가스 분리막(2)을 투과한 투과 가스의 압력 손실을 가능한 한 작게 하는 기능을 갖고 있는 것이 바람직하다. 공급측 유로 부재(3) 및 투과측 유로 부재(4)는, 원료 가스 및 투과 가스의 유로를 형성하는 스페이서로서의 기능과, 원료 가스 및 투과 가스에 난류를 발생시키는 기능을 구비하고 있는 것이 바람직하기 때문에, 그물코형(네트형, 메시형 등)의 것이 적합하게 이용된다. 그물코의 단위 격자의 형상은, 그물코의 형상에 의해 가스의 유로가 변화하기 때문에, 목적에 따라, 예컨대, 정사각형, 직사각형, 마름모형, 평행 사변형 등의 형상에서 선택되는 것이 바람직하다. 공급측 유로 부재(3) 및 투과측 유로 부재(4)의 재질로서는, 특별히 한정되지 않으나, 가스 분리 장치(10)가 사용되는 온도 조건에 견딜 수 있는 내열성을 갖는 재료가 바람직하다.
가스 분리막 엘리먼트(1)로서는, 산성 가스를 포함하는 원료 가스로부터 산성 가스를 분리하기 위한 산성 가스 분리막 엘리먼트를 이용할 수 있다. 가스 분리막 엘리먼트(1)에 이용하는 가스 분리막(2)으로서는, 원료 가스에 포함되는 가스 분자의 사이즈 및 형상의 차이를 이용하여 특정한 분자를 분리하는 분자 체 기구, 원료 가스에 포함되는 가스 성분의 막재에의 용해도의 차와 막 중의 확산 계수의 차를 이용하여 특정 가스를 분리하는 용해 확산 기구, 원료 가스에 포함되는 특정한 가스 성분과 가역적으로 반응하는 캐리어를 막재 중에 함유시킴으로써, 특정 가스의 투과를 촉진하는 촉진 수송 기구 등을 이용한 분리막을 들 수 있다. 특히, 촉진 수송 기구를 이용하여 특정 가스를 분리하는 경우, 가스 분리막 엘리먼트(1)는, 후술하는 바와 같이 친수성 수지를 이용한 가스 분리막을 갖는 것이 바람직하다.
가스 분리막 엘리먼트(1)가, 적어도 산성 가스를 포함하는 원료 가스로부터 산성 가스를 분리하기 위한 산성 가스 분리막 엘리먼트인 경우, 가스 분리막(2)은, 공급측 유로 부재(3)를 흐르는 원료 가스에 포함되는 산성 가스를 선택적으로 투과시키기 위해서, 산성 가스가 투과하기 쉽고, 다른 가스가 투과하기 어려운 가스 선택 투과성을 가질 수 있다. 가스 분리막(2)이, 산성 가스와 가역적으로 반응하는 산성 가스 캐리어를 함유하는 분리막인 경우에는, 상기한 용해 확산 기구에 더하여, 원료 가스에 포함되는 산성 가스와 막재 중에 포함되는 산성 가스 캐리어와의 반응 생성물을 형성하여 산성 가스의 투과를 촉진하는 촉진 수송 기구에 의해, 산성 가스의 높은 선택 투과성을 실현할 수 있다.
하기 반응식 (1)은, 산성 가스가 CO2이고, 산성 가스 캐리어(CO2 캐리어)로서 탄산세슘(Cs2CO3)을 사용한 경우에 있어서의, CO2와 CO2 캐리어와의 반응을 나타내고 있다. 한편, 반응식 (1) 중의 기호 「⇔」는, 이 반응이 가역 반응인 것을 나타내고 있다.
CO2+Cs2CO3+H2O⇔2CsHCO3 (1)
상기 반응식 (1)에 나타내는 바와 같이, CO2와 CO2 캐리어와의 가역 반응에는 수분이 필요하다. 즉, 산성 가스가 CO2인 가스 분리막(2)에서는, 상기 반응식 (1)에 나타내는 바와 같이, 막재 중의 수분에 의해 산성 가스의 투과량이 변화하고, 막재 중의 수분이 높을수록 산성 가스의 투과량이 많아진다.
산성 가스 분리막으로서의 가스 분리막(2)에서는, 상기 반응식 (1)에 나타내는 바와 같이, 산성 가스와 산성 가스 캐리어와의 가역 반응에는 수분이 필요해진다. 그 때문에, 가스 분리막(2)은, 수산기나 이온 교환기 등의 친수성 기를 갖는 친수성 수지를 포함하는 겔상의 친수성 수지 조성물층을 갖는 것이 바람직하다. 친수성 수지를 형성하는 중합체는, 예컨대, 아크릴산알킬에스테르, 메타크릴산알킬에스테르, 지방산의 비닐에스테르, 또는 이들의 유도체에서 유래하는 구조 단위를 갖고 있는 것이 바람직하다.
친수성 수지는, 친수성 수지의 분자쇄끼리가 가교에 의해 그물코 구조를 가짐으로써 높은 보수성(保水性)을 나타내는 가교형 친수성 수지를 포함하는 것이 보다 바람직하다. 산성 가스가 가스 분리막(2)을 투과하기 위한 추진력으로서 큰 압력차가 인가되기 때문에, 가스 분리막(2)에 요구되는 내압 강도의 관점에서도, 가교형 친수성 수지를 포함하는 친수성 수지를 이용하는 것이 바람직하다. 가교형 친수성 수지는, 친수성을 나타내는 중합체를 가교제와 반응시켜 조제해도 좋고, 친수성을 나타내는 중합체의 원료가 되는 단량체와 가교성 단량체를 공중합시켜 조제해도 좋다. 가교제 또는 가교성 단량체로서는 특별히 한정되지 않고, 종래 공지된 가교제 또는 가교성 단량체를 사용할 수 있다. 가교제 및 가교 방법은, 종래 공지된 방법을 채용할 수 있다.
산성 가스 캐리어는, 원료 가스 중의 산성 가스와 가역적으로 반응하는 물질이다. 산성 가스 캐리어를 가스 분리막(2)에 함유시킴으로써, 산성 가스를 포함하는 원료 가스가 공급측 유로 부재(3)로부터 공급되는 가스 분리막(2)에 있어서, 산성 가스의 투과를 촉진시킬 수 있다. 산성 가스 캐리어는, 가스 분리막(2)에 있어서의 친수성 수지를 포함하는 친수성 수지 조성물층에 존재하고, 이 친수성 수지 조성물층 내에 존재하는 물에 용해한 산성 가스와 가역적으로 반응함으로써, 산성 가스를 선택적으로 투과시킨다. 산성 가스 캐리어로서는, Na, K, Rb, 및 Cs로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 알칼리 금속의 탄산염, 중탄산염 또는 수산화물인 것이 바람직하고, 이들 중 1종 또는 2종 이상을 이용할 수 있다.
가스 분리막(2)의 친수성 수지 조성물층에는, 상기한 친수성 수지, 산성 가스 캐리어 외에, 예컨대 산성 가스의 수화 반응 촉매나 계면 활성제 등이 첨가제로서 포함되어 있어도 좋다.
밀봉부는, 원료 가스와 투과 가스의 혼합을 방지하기 위해서 설치되고, 예컨대 투과측 유로 부재(4) 및 가스 분리막(2)에 밀봉 재료가 침투하여 경화됨으로써 형성할 수 있다. 밀봉부는, 통상, 권취체의 중심관(5)의 축에 평행한 방향의 양단에 위치하는 단부, 및 중심관(5)의 축에 직교하는 방향의 양단에 위치하는 단부 중, 중심관(5)과 단부와의 거리가 긴 측의 단부에 설치되고, 이른바 엔벨로프 형상을 이룰 수 있다. 밀봉부는, 일반적으로 접착제로서 이용되는 재료를 이용할 수 있고, 예컨대, 에폭시계 수지 등을 이용할 수 있다.
중심관(5)은, 가스 분리막(2)을 투과한 투과 가스를 수집하여, 가스 분리막 엘리먼트(1)로부터 배출하기 위한 도관이다. 중심관(5)은, 가스 분리 장치(10)가 사용되는 온도 조건에 견딜 수 있는 내열성을 갖고, 적층체의 휘감김에 견딜 수 있는 기계적 강도를 갖는 재료인 것이 바람직하다. 중심관(5)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 그 외주면에 투과측 유로 부재(4)로 형성되는 투과 가스의 유로 공간과 중심관(5) 내부의 중공 공간을 연통(連通)시키는 복수의 구멍(30)을 갖고 있다.
〔분리막 모듈〕
분리막 모듈(M)은, 하우징(15) 내에, 적어도 하나의 가스 분리막 엘리먼트(1)를 구비하여 이루어진다. 도 3에, 가스 분리막 엘리먼트(1)를 도시한, 일부 전개 부분을 형성한 개략의 사시도를 도시한다. 도 4에, 가스 분리막 엘리먼트(1)를 하우징(15) 내에 배치한 분리막 모듈(M)의 모식도를 도시한다.
하우징(15)은, 분리막 모듈(M) 내를 유통하는 원료 가스를 봉입하기 위한 공간을 형성할 수 있다. 하우징(15)은, 예컨대 스테인리스 등의 통형 부재와, 이 통형 부재의 축 방향 양단을 폐색하기 위한 폐색 부재를 갖고 있어도 좋다(도 4(a)∼(d)). 폐색 부재는, 통형 부재의 축 방향 양단을 폐색할 수 있으면 특별히 한정되지 않고, 예컨대, O링이나 개스킷 등의 밀봉 부재를 구비한 통형 부재의 직경보다 큰 플랜지 덮개(도 4(a)∼(d)의 분리막 모듈(M)의 양단을 참조)여도 좋다. 하우징(15)은, 원통형, 각통형 등의 임의의 통형 형상이어도 좋으나, 가스 분리막 엘리먼트(1)는 통상, 원통형이기 때문에, 원통형인 것이 바람직하다.
하우징(15)은, 원료 가스용의 입구(도 3에 도시된 공급측 단부(31)와 연통되는 부분), 가스 분리막 엘리먼트(1)에 구비된 가스 분리막(2)을 투과한 투과 가스용의 출구(도 3에 도시된 배출구(32)와 연통되는 부분), 및 가스 분리막 엘리먼트(1)에 구비된 가스 분리막(2)을 투과하지 않은 비투과 가스의 출구(도 3에 도시된 배출측 단부(33)와 연통되는 부분)를 가질 수 있다. 또한, 하우징(15)의 내부에는, 공급측 단부(31)에 공급되는 원료 가스와, 가스 분리막 엘리먼트(1)에 구비된 가스 분리막(2)을 투과하지 않은 비투과 가스의 혼합을 방지하기 위한 칸막이를 설치할 수 있다.
분리막 모듈(M)은, 하우징(15) 내에 적어도 하나의 가스 분리막 엘리먼트(1)를 구비하고 있으면 되고, 바람직하게는 하우징(15) 내에 2 이상의 가스 분리막 엘리먼트(1)를 구비한다. 하우징(15) 내에 구비되는 가스 분리막 엘리먼트(1)의 수의 상한값은 특별히 한정되지 않으나, 통상 100 이하인 것이 바람직하다. 도 4(a)에, 하우징(15) 내에 하나의 가스 분리막 엘리먼트(1)를 구비한 예를 도시하고, 도 4(b)에, 하우징(15) 내에 2개의 가스 분리막 엘리먼트(1)를 구비한 예를 도시하며, 도 4(c)에, 하우징(15) 내에 4개의 가스 분리막 엘리먼트(1)를 구비한 예를 도시하고, 도 4(d)에, 하우징(15) 내에 3개의 가스 분리막 엘리먼트(1)를 구비한 예를 도시하고 있다. 하우징(15) 내에 배치되는 가스 분리막 엘리먼트(1)의 배열 및 개수는, 예컨대 가스 분리막 엘리먼트(1)가 산성 가스 분리막 엘리먼트인 경우, 가스 분리막 엘리먼트(1)를 투과하는 투과 가스 중에 포함되는 산성 가스의 회수율에 따라 선택할 수 있다. 여기서, 산성 가스의 회수율이란, 하기 식:
산성 가스의 회수율=(투과 가스 중의 산성 가스의 유량/원료 가스 중의 산성 가스의 유량)×100
으로 산출되는 값이다.
하우징(15) 내에 2 이상의 가스 분리막 엘리먼트(1)를 배치하는 경우에는, 하우징(15) 내에 가스 분리막 엘리먼트(1)를 직렬로 배치해도 좋고(도 4(b), (c)), 하우징(15) 내에 병렬로 배치해도 좋으며(도 4(d)), 이들을 조합해도 좋다.
하우징(15) 내에 2 이상의 가스 분리막 엘리먼트(1)를 배치하는 경우, 각 가스 분리막 엘리먼트(1)에 공급되는 원료 가스는, 병렬로 공급되어도 좋고, 직렬로 공급되어도 좋다. 여기서, 원료 가스를 병렬로 공급한다는 것은, 적어도 원료 가스를 분배하여 복수의 가스 분리막 엘리먼트에 도입하는 것을 말하고, 원료 가스를 직렬로 공급한다는 것은, 적어도 전단의 가스 분리막 엘리먼트(1)로부터 배출된 투과 가스 및/또는 비투과 가스를, 후단의 가스 분리막 엘리먼트(1)에 도입하는 것을 말한다.
예컨대, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 하우징(15) 내에 외관상, 2개의 가스 분리막 엘리먼트(1)를 직렬로 배치하고, 이 2개의 가스 분리막 엘리먼트(1)에, 원료 가스를 병렬로 공급하는 경우에는, 하우징(15)에 형성한 입구로부터 원료 가스를 2개의 가스 분리막 엘리먼트(1)에 병렬로 공급한다. 그리고, 각 가스 분리막 엘리먼트(1)에 구비된 가스 분리막(2)을 투과한 투과 가스를, 하우징(15)에 형성한 투과 가스용의 2개의 출구로부터 각각 배출하고, 각 가스 분리막 엘리먼트(1)에 구비된 가스 분리막(2)을 투과하지 않은 비투과 가스를, 하우징(15)에 형성한 비투과 가스용의 출구로부터 배출하면 된다. 이 경우, 하우징(15)에 형성하는 원료 가스의 입구와 비투과 가스의 출구는, 가스 분리막 엘리먼트(1)마다 각각 형성해도 좋고, 2개의 가스 분리막 엘리먼트(1)에서 공유하도록 해도 좋다. 혹은, 원료 가스가 공급되는 입구를 하나로 하고, 비투과 가스의 출구를 가스 분리막 엘리먼트(1)마다 형성하여, 출구를 2개로 해도 좋고, 이와는 반대로, 원료 가스가 공급되는 입구를 가스 분리막 엘리먼트(1)마다 형성하여, 입구를 2개로 하고, 비투과 가스의 출구를 하나로 해도 좋다.
〔케이스〕
도 1에 도시된 바와 같이, 가스 분리 장치(10)는, 외기를 차단하기 위한 케이스(11)를 구비하고, 케이스(11)는, 그 내부에 복수의 분리막 모듈(M)을 수용할 수 있다. 본 실시형태의 가스 분리 장치(10)는, 케이스(11) 내에 수용된 복수의 분리막 모듈(M)을 집적하여 배치하는 것이다. 그 때문에, 예컨대 대유량의 원료 가스에 대해 가스 분리 처리를 행할 필요가 있는 경우, 분리막 모듈(M)의 집적수를 늘린다고 하는 간편한 방법에 의해, 가스 분리 처리의 처리량을 증가시킬 수 있다. 한편, 가스 분리 처리의 처리량을 증가시키는 방법으로서, 분리막 모듈(M) 내에 배치하는 분리막 엘리먼트를 늘리는 것도 고려되지만, 통상 하우징(15)의 용적에는 제약이 있기 때문에, 이 방법에 의해 가스 분리 처리의 처리량을 증가시키는 것은 어렵다.
케이스(11)를 구성하는 층의 두께(다층 구조의 경우에는 총 두께)는, 1.0 m 이하인 것이 바람직하고, 0.6 m 이하인 것이 보다 바람직하며, 0.3 m 이하인 것이 더욱 바람직하다. 케이스(11)의 형상이나, 케이스(11)를 구성하는 층을 이루는 재료는, 외기를 차단할 수 있으면 특별히 한정되지 않는다. 케이스(11)의 형상은, 분리막 모듈(M)의 크기나 집적수에 따라 적절히 선정하면 되고, 직육면체 형상, 정육면체 형상, 원통형 형상 등의 임의의 형상으로 할 수 있으나, 집적 효율을 높이는 점에서는 직육면체 형상 또는 정육면체 형상인 것이 바람직하다.
케이스(11)를 구성하는 층을 이루는 재료로서는, 케이스(11) 내의 열매체를 외기로부터 차단할 수 있는 재료를 이용할 수 있고, 예컨대, 수지, 강화 유리, 세라믹스, 금속, 목재 등을 이용할 수 있다. 케이스(11)를 구성하는 층은, 열저항값이 0.1 ㎡·K/W 이상인 것이 바람직하고, 1 ㎡·K/W 이상인 것이 보다 바람직하며, 통상 1000 ㎡·K/W 이하이다. 한편, 케이스(11)를 구성하는 층의 열저항값은, 케이스(11)가 1층 구조인 경우에는, 케이스(11)를 구성하는 층의 두께[m]를, 케이스(11)를 구성하는 층을 이루는 재료의 열전도율[W/(m·K)]로 나눈 값(층의 두께/층을 이루는 재료의 열전도율)이다. 케이스(11)가 복수의 층을 포함하는 다층 구조인 경우에는, 각 층마다 열저항값을 산출하고, 산출한 각 층의 열저항값의 합을, 케이스(11)를 이루는 재료의 열저항값으로 한다. 한편, 열전도율은, JIS A1412-2에 따라 측정된 값이다. 한편, 열전도율 측정 시의 케이스(11)를 이루는 재료의 평균 온도는 23±1℃로 한다.
케이스(11) 내를 채우는 열매체가 갖는 열이, 케이스(11)의 외표면으로부터 방열되는 것을 억제하여, 케이스(11) 내의 열매체의 보온 효율을 높이기 위해서는, 단열 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 단열 재료로서 이용할 수 있는 재료는, 열전도율이 1 W/(m·K) 이하인 것이 바람직하고, 0.1 W/(m·K) 이하인 것이 보다 바람직하며, 통상 0.001 W/(m·K)를 초과하는 값이다. 단열 재료로서는, 구체적으로는, 천연 섬유, 합성 섬유, 광물 섬유(록 울), 유리 섬유 등으로 형성된 섬유 집적물, 발포체, 부직포, 무기 다공질 보온재 등을 들 수 있다.
케이스(11)를 구성하는 층은, 상기한 단열 재료로 형성되어 있어도 좋고, 상기한 단열 재료 이외의 재료로 형성된 층을, 상기한 단열 재료로 덮어도 좋다. 또한, 케이스(11)가 다층 구조를 갖는 경우, 케이스(11)는, 상기한 단열 재료 이외의 재료로 형성된 층을 복수 적층한 적층체, 상기한 단열 재료로 형성된 층을 복수 적층한 적층체, 및 상기한 단열 재료 이외의 재료로 형성된 층과 상기한 단열 재료로 형성된 층을 조합하여 적층한 적층체 중 적어도 하나를 이용하여 형성되어 있어도 좋으나, 적어도 하나의 층이 단열 재료로 형성되어 있는 적층체인 것이 바람직하다. 또한, 케이스(11)를 형성하기 위해서 이용되는 적층체에는, 강우나 강설 시에 케이스(11)를 구성하는 층의 내부로 물이 침입하는 것을 방지하기 위한 층이나, 케이스(11)의 형상이나 기계적 강도를 확보하기 위한 층이 포함되어 있어도 좋다. 또한, 케이스(11)의 형상을 유지하기 위한 재료로서, 기둥형 또는 판형의 구조물을 포함하는 것이어도 좋다.
후술하는 바와 같이, 케이스(11)의 바닥면, 측벽면, 천장면 등에는, 케이스(11) 내의 열매체의 온도를 조정하는 열원부(13)가 설치되는 경우가 있다. 이 경우, 케이스(11) 중, 열원부(13)가 설치되는 바닥면, 측벽면, 천장면 등의 설치면은, 상이한 재료로 형성된 적층체로 형성되는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 열원부(13)와 접하는 측에 열전도율이 큰 금속층을 갖고, 이 금속층의 열원부(13)와 접하는 측과는 반대측에, 예컨대 단열 재료 등의 금속층보다 열전도율이 작은 재료의 층을 적어도 1층 갖는 적층체인 것이 바람직하다. 열전도율이 큰 금속층을 이루는 금속 재료로서는, 예컨대, 구리, 알루미늄, 철, 스테인리스 등을 들 수 있다.
예컨대, 케이스(11)는, 3개의 상이한 재료를 조합한 3층 구조의 적층체로 형성할 수 있다. 이러한 적층체로서, 알루미늄 패널, 록 울(예컨대, MG 보드 080(니치아스 가부시키가이샤 제조) 등), 도금 강판이 이 순서로 적층된 구조를 들 수 있고, 알루미늄 패널측을 케이스(11)의 내면(케이스(11)의 내부 공간과 접하는 측의 표면)에 배치할 수 있다. 케이스(11)가 알루미늄 패널, 록 울, 도금 강판의 3층 구조의 적층체인 경우, 알루미늄 패널에 있어서의 케이스(11)의 내부 공간과 접하는 표면에는, 후술하는 열원부(13)인 예컨대 구리제의 트레이스 배관을 배치함으로써, 케이스(11)의 내부 공간을 채우는 열매체(후술)에의 열의 수수(授受)를 효율적으로 행할 수 있다.
케이스(11)는, 밀폐 공간을 형성할 수 있는 것이 바람직하다. 예컨대, 케이스(11)에, 배관[원료 가스 유통 배관(17), 투과 가스 유통 배관(18), 비투과 가스 유통 배관(19)] 등을 배치하기 위한 관통 구멍을 형성한 경우나, 케이스(11)가 복수의 패널로 구성되는 경우에는, 케이스(11)와 배관의 이음매부나, 케이스(11)를 이루는 복수의 패널 사이의 이음매부에 단열 재료나 밀봉제를 도포, 충전 또는 첩부(貼付)하여, 케이스(11)의 내부 공간으로의 외기의 침입이나, 케이스(11) 내의 열매체가 케이스(11) 밖으로 새어 나오는 것을 억제하는 것이 바람직하다.
케이스(11)의 내부 공간은 열매체로 채워져 있고, 이 열매체를, 분리막 모듈(M)의 내부를 유통하는 가스의 온도를 유지하기 위해서 이용한다. 케이스(11) 내의 열매체는, 후술하는 바와 같이 열원부(13)에 의해 가열 또는 냉각하는 것이 바람직하다. 케이스(11) 내의 열매체는 유체이고, 열매체로서는, 공기, 질소, 헬륨, 수증기, 이산화탄소, 유기계 열매(熱媒) 등의 기체나, 물, 오일 등의 유기계 매체 등의 액체를 이용해도 좋으나, 기체를 이용하는 것이 바람직하고, 공기를 이용하는 것이 보다 바람직하다.
도 1에 도시된 가스 분리 장치(10)에서는, 예컨대, 케이스(11) 내에 설치된 유지 프레임(12)에 분리막 모듈(M)을 설치함으로써, 수평 방향 및 연직 방향으로 분리막 모듈(M)을 집적할 수 있다. 분리막 모듈(M)은, 케이스(11) 내의 바닥면에 접지시켜 설치하는 것이 아니라, 케이스(11)의 바닥면과의 사이에 공간이 형성되도록, 유지 프레임(12) 등에 유지하여 설치하는 것이 바람직하다. 한편, 도 1에는, 상세한 것을 생략하여 도시하고 있으나, 유지 프레임(12)은, 각 분리막 모듈(M)을 지지하여 고정할 수 있는 구조를 갖고 있는 것이 바람직하다. 또한, 각 분리막 모듈(M)의 케이스(11) 내에서의 위치를 고정하기 위해서, 수평 방향, 연직 방향 및 비스듬한 방향 중 적어도 일방향으로 인접하는 분리막 모듈(M)을, 하우징(15)에 설치한 접속부로 서로 접속하여 고정하는 것이 바람직하다. 한편, 케이스(11)의 바닥면 상에 유지 프레임(12)을 설치할 때에는, 유지 프레임(12)으로부터 바닥면으로의 전열을 억제하기 위해서, 유지 프레임(12)과 케이스(11)의 바닥면 사이에 열전도나 열전달을 억제하는 재료를 설치해도 좋고, 유지 프레임(12)을 열전도나 열전달을 억제하는 재료로 피복해도 좋다. 열전도나 열전달을 억제하는 재료로서는, 예컨대, 유리 섬유와 수지의 혼합재(예컨대, 레지술(REGISUL) K(니치아스 가부시키가이샤 제조) 등) 등을 이용할 수 있다.
도 1에 도시된 가스 분리 장치(10)에서는, 수평 방향으로 분리막 모듈(M)을 5기 설치한 것(이하, 「수평 방향의 분리막 모듈군」이라고 하는 경우가 있다.)을, 연직 방향으로 5단 겹쳐 쌓아 배치한 예를 도시하고 있다. 수평 방향으로 배치되는 분리막 모듈(M)의 수, 및 수평 방향의 분리막 모듈군의 단수는, 이것에 한정되지 않고, 케이스(11)의 내부 공간의 크기 및 분리막 모듈(M)의 크기에 따라 적절히 선택할 수 있다. 분리막 모듈(M)의 집적 효율의 점에서, 케이스(11) 내에 가능한 한 많은 분리막 모듈(M)을 집적하는 것이 바람직하고, 케이스(11)의 방열 면적(케이스의 외표면의 면적)을 저감하여 케이스(11) 내의 보온 효율의 점에서, 집적하는 분리막 모듈(M)이 수용 가능한 범위에서 가능한 한 작은 내부 공간을 갖는 케이스(11)인 것이 바람직하다. 예컨대, 직경 5∼50 ㎝, 길이 0.5∼5 m의 분리막 모듈(M)을 이용하는 경우, 수평 방향으로 분리막 모듈(M)을 2∼20기 구비하는 것이 바람직하고, 연직 방향으로 2∼20단으로 하는 것이 바람직하다.
수평 방향의 분리막 모듈군에 있어서의 분리막 모듈(M)의 배치는 특별히 한정되지 않으나, 집적 효율을 높이는 점에서 서로 평행하게 배치되는 것이 바람직하다. 도 1에는, 분리막 모듈(M)의 축 방향으로, 1기의 분리막 모듈(M)을 배치하는 예를 도시하고 있으나, 분리막 모듈(M)의 축 방향으로, 2기 이상의 분리막 모듈(M)을 직렬로 배치해도 좋다. 또한, 도 1에는, 수평 방향 및 연직 방향의 어느 쪽에 있어서도, 분리막 모듈(M)의 축 방향이 평행하게 되도록 분리막 모듈(M)을 배치하는 예를 도시하고 있으나, 연직 방향으로 인접하는 수평 방향의 분리막 모듈군의 축 방향은, 서로 평행해도 좋고, 서로 교차하고 있어도 좋다. 또한, 도 1에 기재된 바와 같이, 수평 방향 및 연직 방향의 어느 쪽에 있어서도, 분리막 모듈(M)의 축 방향이 평행하게 되도록 분리막 모듈(M)을 배치하는 경우, 분리막 모듈(M)의 축 방향에 직교하는 단면에 있어서, 분리막 모듈(M)이 지그재그 형상이 되도록 배치해도 좋다.
케이스(11) 내에 배치되는 분리막 모듈(M)은, 후술하는 필요한 배관이 배치 가능하고, 또한, 분리막 모듈(M)과 이것에 접속되어 있는 배관의 보수 관리가 가능해지는 범위에서, 가능한 한 분리막 모듈(M) 사이의 거리를 작게 설정하여 배치하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 분리막 모듈(M) 사이의 거리를 크게 한 경우와 비교하여, 케이스(11) 내의 분리막 모듈(M)의 수를 증가시켜 배치할 수 있다. 또한, 케이스(11) 내에서의 분리막 모듈(M)의 배치는, 케이스(11) 내의 열매체의 대류가 효과적으로 발생하도록 설정하는 것이 보다 바람직하다.
케이스(11)에 수용되는 분리막 모듈(M) 내의 가스 분리막 엘리먼트(1)는, 그 사용 수명 등에 따라 적절한 타이밍에서 교환된다. 그 때문에, 분리막 모듈(M) 자체를 케이스(11)에 착탈 가능하게 설치하여, 분리막 모듈(M)을 교환 가능하게 해도 좋다. 혹은, 분리막 모듈(M)의 하우징(15) 내의 가스 분리막 엘리먼트(1)를 교환하도록 해도 좋다. 하우징(15)은, 케이스(11) 내에 착탈 가능하게 부착해도 좋고, 고정하여 부착해도 좋다. 분리막 모듈(M)과 비교하여 경량인 가스 분리막 엘리먼트(1)를 교환함으로써, 가스 분리막 엘리먼트(1)의 교환 작업의 부담을 억제할 수 있다. 케이스(11) 내에 분리막 모듈(M) 또는 가스 분리막 엘리먼트(1)를 교환 가능하게 부착한 경우에는, 교환 작업의 부담을 경감할 수 있도록, 케이스(11) 내에 있어서의 분리막 모듈(M)의 배치나 케이스(11)의 형상을 설정하는 것이 바람직하다. 예컨대, 분리막 모듈(M)의 하우징(15)이 통형 부재와 통형 부재의 축 방향 양단을 폐색하기 위한 폐색 부재를 포함하는 경우에는, 하우징(15)의 폐색 부재를 떼어내고, 가스 분리막 엘리먼트(1)를 하우징(15)의 통형 부재의 축 방향으로 삽입 및 분리함으로써 가스 분리막 엘리먼트(1)를 착탈해도 좋다. 이 경우, 가스 분리막 엘리먼트(1)를 축 방향으로 삽입 및 분리 가능해지도록, 통형 부재의 축 방향과 교차하는 케이스(11)의 일부의 면만을 떼어낼 수 있도록 해도 좋다. 케이스(11)로부터 떼내어지는 일부의 면은, 1장의 패널로서 떼내어져도 좋고, 착탈이나 운반의 간편성을 고려하여 2장 이상의 패널로 분할하여 떼어낼 수 있도록 해도 좋다.
케이스(11) 내의 열매체의 효과적인 대류, 및 가스 분리막 엘리먼트(1)의 교환 작업의 관점에서, 케이스(11) 내에 집적하는 분리막 모듈(M)의 외용적 효율은, 50% 이하인 것이 바람직하고, 25% 이하인 것이 보다 바람직하다. 외용적 효율은, 다음 식:
외용적 효율=(분리막 모듈(M)의 외용적/케이스(11)의 외용적)×100
으로 산출된다. 단, 외용적 효율이 지나치게 작으면 케이스(11)의 사이즈가 지나치게 커져, 분리막 모듈(M)의 집적 효율이 저하되기 때문에, 외용적 효율은 5% 이상인 것이 바람직하다. 여기서, 분리막 모듈(M)의 외용적이란, 가스 분리막 엘리먼트(1)를 배치하기 위한 공간을 형성하는 하우징(15)의 동체 부분에 있어서의 외용적이고, 하우징(15)이 통형 부재 및 통형 부재의 축 방향 양단에 폐색 부재를 포함하는 경우에는, 통형 부재의 외용적이다.
〔열원부〕
가스 분리 장치(10)는, 케이스(11)의 내부 공간의 온도를 조정하기 위한 열원부(13)를 가질 수 있다. 열원부(13)는, 케이스(11)의 열매체를 가열하기 위한 가열부나, 케이스(11)의 열매체를 냉각하기 위한 냉각부나, 케이스(11)의 열매체를 가열하는 기능과 냉각하는 기능을 겸비하는 가열 냉각부를 들 수 있다. 열원부(13)를 설치함으로써, 케이스(11)의 내부 공간을 채우는 열매체를 가열 또는 냉각하여, 케이스(11) 내에 배치된 분리막 모듈(M)의 하우징(15)이나, 분리막 모듈(M) 내의 가스 분리막 엘리먼트(1) 및 분리막 모듈(M) 내를 유통하는 가스 등을, 가스 분리 처리를 행할 때에 필요해지는 온도까지 가온 또는 냉각하고, 가스 분리 처리 중의 분리막 모듈(M) 내를 유통하는 가스를 목적의 온도로 유지할 수 있다. 케이스(11)에는, 열원부(13)로서 가열부 및 냉각부 중 한쪽을 설치해도 좋으나, 케이스(11) 내의 열매체에 대해 가열 및 냉각을 행할 수 있도록, 가열부 및 냉각부의 양방을 설치해도 좋고, 가열 냉각부를 설치해도 좋다.
도 1에 도시된 가스 분리 장치(10)에서는, 열원부(13)를 케이스(11) 내의 바닥면 상에 설치하는 예를 도시하고 있다. 열원부(13)는, 케이스(11)의 내부의 임의의 위치에 설치하면 되고, 도 1에 도시된 바닥면 상 외에, 케이스(11)의 측벽면 상이나 천장면 상, 인접하는 분리막 모듈(M) 사이, 케이스(11)의 바닥면, 측벽면 또는 천장면과, 이들 면에 가장 근접하는 분리막 모듈(M) 사이의 공간에 설치해도 좋고, 이들을 임의로 조합해도 좋다. 열원부(13)는, 예컨대 케이스(11) 내의 바닥면 상 및 측벽면 상에 설치할 수 있다. 한편, 케이스(11) 내의 분리막 모듈 내를 유통하는 가스의 온도를 유지하기 쉽게 하기 위해서, 열원부(13)는, 분리막 모듈(M)의 하우징(15)의 외벽면이나, 배관[원료 가스 유통 배관(17), 투과 가스 유통 배관(18), 비투과 가스 유통 배관(19)]의 외벽면에 직접 접하는 일이 없도록 설치하는 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 가스 분리 장치(10)에서는, 케이스(11)의 내부에 열원부(13)를 설치하는 예를 나타내었으나, 이것에 한하지 않고, 열원부(13)는, 케이스(11)의 외부에 설치되어도 좋고, 케이스(11)의 내부 및 외부의 양방에 설치해도 좋다. 단, 케이스(11) 내의 열매체의 온도 조정을 행하기 위해서 필요해지는 에너지량의 관점에서, 케이스(11)의 내부에 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 인접하는 분리막 모듈(M) 사이에 열원부(13)를 설치한 경우, 분리막 모듈(M)의 집적도가 저하되고, 케이스(11)의 사이즈도 커져 가스 분리 장치(10)의 사이즈가 커질 가능성이 있기 때문에, 케이스(11)의 바닥면 상, 측벽면 상, 천장면 상에 열원부(13)를 설치하여, 가스 분리 장치(10)를 컴팩트화하는 것이 바람직하다.
열원부(13)로서는, 분리막 모듈(M) 내를 유통하는 가스를 목적으로 하는 온도로 조정할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 가스 분리 장치(10)가 산성 가스 분리막 엘리먼트를 갖는 경우, 케이스(11) 내의 열매체의 온도는, 통상 0∼150℃로 유지되는 것이 바람직하기 때문에, 이 온도를 실현할 수 있도록, 열원부(13)의 종류, 전열 면적, 배치 등을 선정하는 것이 바람직하다. 또한, 케이스(11) 내의 열매체도, 상기 온도에 따라 선정하는 것이 바람직하다.
열원부(13)가 케이스(11)의 내부에 설치되는 경우에는, 열원부(13)로서, 예컨대, 재킷 히터, 트레이스 배관이나 핀 튜브, 저항 발열체, 유도 가열 장치, 마이크로파 조사, 서모 쿨러 등을 이용하면 되고, 이들은 단독으로 또는 조합하여 이용할 수 있다. 열원부(13)가 케이스(11)의 외부에 설치되는 경우에는, 예컨대, 케이스(11)의 외부에 설치한 열교환기로 소정의 온도로 조정한 공기나 증기 발생기 등으로 발생시킨 스팀 등의 열매체를 블로어 등을 이용하여 케이스(11) 내에 공급하거나, 블로어 등을 이용하여 케이스(11)의 내부 공간 중의 열매체를 케이스(11)의 외부에 설치한 열교환기에 공급하여 소정의 온도로 조정하고, 온도 조정한 열매체를 케이스(11)에 공급하며, 케이스(11) 내의 열매체를 순환시키는 등에 의해 행하면 되고, 이들을 단독으로 또는 조합하여 행하면 된다. 재킷 히터, 트레이스 배관, 핀 튜브, 열교환기 등에 유통시키는 매체로서는, 물이나 오일 등의 액체나, 수증기나 가열 공기 등의 기체를 이용할 수 있다. 또한, 이 매체로서, 원료 가스 및/또는 투과 가스 및/또는 비투과 가스의 전처리·후처리 공정에 있어서의 프로세스 가스를 이용해도 좋고, 매체의 온도를 조정하는 열원으로서 프로세스 가스, 프로세스 중에 발생하는 배출 가스의 폐열(廢熱)을 이용해도 좋으며, 상기 전처리·후처리 공정에 있어서의 프로세스 가스의 폐열을 이용해도 좋다.
한편, 열원부(13)로서 트레이스 배관을 이용하는 경우, 트레이스 배관을 연장하기 위해서 복수의 트레이스 배관끼리를 접속하면, 트레이스 배관 내를 유통하는 유체가 누설될 우려가 있다. 그 때문에, 트레이스 배관의 접속 부분이 가능한 한 적어지도록, 트레이스 배관의 길이나 트레이스 배관의 배치를 선정하는 것이 바람직하다. 또한, 트레이스 배관을 시공할 때에는, 트레이스 배관의 굽힘 공정에서 트레이스 배관에 파손이나 파단 등이 발생하는 것을 회피하기 위해서, 굽힘 가공이 적은 트레이스 배관을 설치하는 것이 바람직하다. 트레이스 배관은, 인접하는 트레이스 배관끼리의 간격이 0.05 m 이상 0.3 m 이하, 예컨대 0.1 m 간격이 되도록 배치하는 것이 바람직하고, 트레이스 배관을 동일 평면 상에 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 트레이스 배관은, 열전도율이 높은 구리제인 것이 바람직하고, 내경이 6 ㎜ 이상이고, 두께가 2 ㎜ 이상인 것이 바람직하며, 예컨대 내경 10 ㎜, 두께 2 ㎜로 할 수 있다. 트레이스 배관 내를 유통하는 유체로서 수증기를 이용하는 경우, 수증기의 공급구에는 수증기가 응축함으로써 응축수가 부착될 우려가 있기 때문에, 수증기의 공급구는, 응축수가 자중에 의해 배출되는 위치에 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 트레이스 배관 내의 압력을 저하시키지 않고 응축수를 배출하기 위해서, 응축수의 배출구에는 스팀 트랩을 형성하는 것이 바람직하다.
열원부(13)는, 케이스(11) 내의 열매체의 온도 불균일을 억제하여 가열 또는 냉각할 수 있도록 설치하는 것이 바람직한데, 케이스(11) 내의 온도 불균일을 저감하기 위해서 케이스(11) 내의 열매체를 유동시키기 위한 팬 등을 설치해도 좋다. 케이스(11) 내의 열매체를 효율적으로 가열 또는 냉각하여 보온하고, 케이스(11) 내의 열매체의 온도 불균일을 저감하는 관점에서는, 케이스(11)의 바닥면 및 측벽면에 열원부(13)를 따르게 하여 설치하는 것이 바람직하다.
〔배관〕
도 1에 도시된 가스 분리 장치(10)는, 분리막 모듈(M)에 원료 가스를 공급하기 위한 배관이나, 분리막 모듈(M)로부터 배출된 투과 가스나 비투과 가스를 배출하기 위한 배관을 설치할 수 있다. 구체적으로는, 가스 분리 장치(10)는, 원료 가스 유통 배관(17), 투과 가스 유통 배관(배출 가스 유통 배관)(18) 및 비투과 가스 유통 배관(배출 가스 유통 배관)(19)을 가질 수 있다. 이들 배관은, 예컨대, 케이스(11) 하부(바닥면측)를 관통하여 케이스(11)의 내부 및 외부에 배치된다. 한편, 도 1에서는, 후술하는 분기부(20) 및 집합부(21)에 대해, 작도의 형편상, 도면 중에 존재하는 일부의 분기부 및 집합부에 대해서만 부호를 붙이고 있다.
원료 가스 유통 배관(17)은, 케이스(11)의 외부로부터 케이스(11)의 내부에 수용되어 있는 분리막 모듈(M)에 원료 가스를 공급하기 위한 배관으로서 이용할 수 있다. 원료 가스 유통 배관(17)은, 분리막 모듈(M)의 축 방향의 일단(도 1 중의 우측)으로부터, 케이스(11) 내의 모든 분리막 모듈(M)에 원료 가스를 분배하여 공급할 수 있도록, 원료 가스를 공급하는 배관이 갈라진 분기부(20)를 가질 수 있다.
도 1에 도시된 가스 분리 장치(10)에서는, 원료 가스 유통 배관(17)의 분기부(20)의 일부가 케이스(11)의 외부에 설치되는 경우를 도시하고 있으나, 후술하는 도 5에 도시된 바와 같이, 원료 가스 유통 배관(17)의 분기부(20)의 전부를 케이스(11)의 내부에 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 원료 가스 유통 배관(17)과 각 분리막 모듈(M)의 접속부도, 케이스(11)의 외부에 설치해도 좋으나, 도 1에 도시된 바와 같이 케이스(11) 내에 설치하는 것이 바람직하다. 이 분기부(20) 및 접속부는, 플랜지 등이 존재함으로써 외표면의 형상에 기복이 커서, 열원부로 직접 덮는 것이 어려워, 쿨 스폿이나 핫 스폿이 되기 쉽다. 그 때문에, 이 분기부(20) 및 접속부를 케이스(11) 내에 배치하고, 케이스(11) 내에서 분리막 모듈(M)과 함께 가온 또는 냉각함으로써, 분리막 모듈(M) 내를 유통하는 가스의 온도에 변동이나 불균일이 발생하는 것을 억제하는 것이 바람직하다.
투과 가스 유통 배관(18)은, 케이스(11)의 내부에 수용되어 있는 분리막 모듈(M)로부터 케이스(11)의 외부로 투과 가스를 배출하기 위한 배관으로서 이용할 수 있다. 투과 가스 유통 배관(18)은, 케이스(11) 내의 모든 분리막 모듈(M)의 축 방향의 타단(도 1 중의 좌측)으로부터, 원료 가스 중 가스 분리막 엘리먼트(1)의 가스 분리막(2)을 투과한 투과 가스를 집약하여 배출할 수 있도록, 투과 가스를 배출하는 배관이 합류하는 집합부(21)를 가질 수 있다.
도 1에 도시된 가스 분리 장치(10)에서는, 투과 가스 유통 배관(18)의 집합부의 일부가 케이스(11)의 외부에 설치되는 경우를 도시하고 있으나, 후술하는 도 5에 도시된 바와 같이, 투과 가스 유통 배관(18)의 집합부(21)의 전부를 케이스(11)의 내부에 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 투과 가스 유통 배관(18)과 각 분리막 모듈(M)의 접속부도, 케이스(11)의 외부에 설치해도 좋으나, 도 1에 도시된 바와 같이 케이스(11) 내에 설치하는 것이 바람직하다. 이 집합부(21) 및 접속부는, 플랜지 등이 존재함으로써 외표면의 형상에 기복이 커서, 열원부로 직접 덮는 것이 어려워, 쿨 스폿이나 핫 스폿이 되기 쉽다. 그 때문에, 이 집합부(21) 및 접속부를 케이스(11) 내에 배치하고, 케이스(11) 내에서 분리막 모듈(M)과 함께 가온 또는 냉각함으로써, 분리막 모듈(M)의 가스 분리막(2)을 투과한 투과 가스의 온도에 변동이나 불균일이 발생하는 것을 억제하는 것이 바람직하다.
비투과 가스 유통 배관(19)은, 케이스(11)의 내부에 수용되어 있는 분리막 모듈(M)로부터 케이스(11)의 외부로 비투과 가스를 배출하기 위한 배관으로서 이용할 수 있다. 비투과 가스 유통 배관(19)은, 케이스(11) 내의 모든 분리막 모듈(M)로부터, 원료 가스 중 가스 분리막 엘리먼트(1)의 가스 분리막(2)을 투과하지 않은 비투과 가스를 집약하여 배출할 수 있도록, 비투과 가스를 배출하는 배관이 합류하는 집합부(21)를 가질 수 있다.
도 1에 도시된 가스 분리 장치(10)에서는, 비투과 가스 유통 배관(19)의 집합부(21)의 일부가 케이스(11)의 외부에 설치되는 경우를 도시하고 있으나, 후술하는 도 5에 도시된 바와 같이, 비투과 가스 유통 배관(19)의 집합부(21)의 전부를 케이스(11)의 내부에 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 비투과 가스 유통 배관(19)과 각 분리막 모듈(M)의 접속부도, 케이스(11)의 외부에 설치해도 좋으나, 도 1에 도시된 바와 같이 케이스(11) 내에 설치하는 것이 바람직하다. 이 집합부(21) 및 접속부는, 플랜지 등이 존재함으로써 외표면의 형상에 기복이 커서, 열원부로 직접 덮는 것이 어려워, 쿨 스폿이나 핫 스폿이 되기 쉽다. 그 때문에, 이 집합부(21) 및 접속부를 케이스(11) 내에 배치하고, 케이스(11) 내에서 분리막 모듈(M)과 함께 가온 또는 냉각함으로써, 분리막 모듈(M)의 가스 분리막(2)을 투과하지 않은 비투과 가스의 온도에 변동이나 불균일이 발생하는 것을 억제하는 것이 바람직하다.
분기부(20), 집합부(21) 및 접속부를 케이스(11) 내에 배치함으로써, 상기한 배관[원료 가스 유통 배관(17), 투과 가스 유통 배관(18) 및 비투과 가스 유통 배관(19)]을 유통하는 가스에 수증기 등의 응축성 성분이 포함되는 경우, 이 응축성 성분의 응축을 억제할 수 있다. 또한, 상기한 배관은, 응축성 성분이 응축한 응축액을 배출하기 위한 응축액 배출부를 갖고 있어도 좋다. 응축액 배출부는, 케이스(11) 내의 최하단의 분리막 모듈(M)의 바닥면보다 낮은 위치에 설치하고, 응축액 배출부에는, 상기 배관 내에서 발생한 응축액이 그 자중에 의해 배출되도록 상기한 배관에 경사를 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 응축액 배출부를 설치하지 않는 경우에는, 케이스(11) 내의 최하단의 분리막 모듈(M)의 바닥면보다 낮은 위치에, 상기한 배관이 케이스(11)를 관통하고 있는 것이 바람직하고, 이 경우, 가스 분리 장치(10)의 외부에 응축액 배출부를 설치하는 것이 바람직하다. 응축액 배출부로부터 배출되는 응축수는 연속적 또는 간헐적으로 외부로 배출되는 것이 바람직하다.
원료 가스 유통 배관(17), 투과 가스 유통 배관(18) 및 비투과 가스 유통 배관(19)의 수, 배치는, 분리막 모듈(M)의 배치나 수, 분리막 모듈(M) 내에 구비되는 가스 분리막 엘리먼트(1)의 배치나 수에 따라 선정하면 된다. 또한, 도 1에 도시된 가스 분리 장치(10)에서는, 원료 가스 유통 배관(17), 투과 가스 유통 배관(18) 및 비투과 가스 유통 배관(19)을 각각 하나 설치하고, 각 배관이, 케이스(11) 내의 모든 분리막 모듈(M)에 접속되어 있는 경우에 대해 설명하였으나, 예컨대, 케이스(11) 내의 분리막 모듈(M)을 그룹으로 나누고, 그룹마다 원료 가스 유통 배관(17), 투과 가스 유통 배관(18) 및 비투과 가스 유통 배관(19)을 각각 복수 설치하도록 해도 좋다.
도 1에 도시된 가스 분리 장치(10)에서는, 케이스(11) 내에 집적된 복수의 분리막 모듈(M)에 가스를 병렬로 공급 또는 배출하는 배관[원료 가스 유통 배관(17), 투과 가스 유통 배관(18) 및 비투과 가스 유통 배관(19)]을 도시하고 있으나, 이들 이외의 배관을 갖고 있어도 좋다. 예컨대, 케이스(11) 내에 집적된 복수의 분리막 모듈(M)에 원료 가스를 직렬로 공급하기 위한 배관을 설치하도록 해도 좋다. 즉, 케이스(11) 내의 분리막 모듈(M)로부터 배출된 투과 가스 및/또는 비투과 가스를, 케이스(11) 내의 다른 분리막 모듈(M)에 공급하기 위한 배관을 설치해도 좋다.
예컨대, 도 5에 도시된 바와 같은 다른 가스 분리 장치를 이용해도 좋다. 도 5는 가스 분리 장치의 다른 예를 도시한, 일부 절결 부분을 형성한 개략의 사시도이다. 도 5에 도시된 가스 분리 장치(10a)는, 케이스(11) 내에 집적된 복수의 분리막 모듈(Ma)에 가스를 병렬로 공급 또는 배출하는 배관의 구조에 있어서, 도 1에 도시된 가스 분리 장치(10)와 특히 상이하다. 또한, 가스 분리 장치(10a)에서는, 케이스(11) 내의 분리막 모듈(Ma)의 하우징(15)에는, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 2개의 가스 분리막 엘리먼트(1)가 직렬로 배치되어 있다. 또한, 가스 분리 장치(10a)에서는, 원료 가스 유통 배관(17a)의 분기부(20a)의 전부, 투과 가스 유통 배관(18a, 18b)의 집합부(21a, 21b)의 전부, 및 비투과 가스 유통 배관(19a, 19b)의 집합부(21a, 21b)의 전부를 케이스(11)의 내부에 배치하고 있는 점에서도, 도 1에 도시된 가스 분리 장치(10)와 상이하다. 한편, 도 5에서는, 분기부(20a) 및 집합부(21a, 21b)에 대해, 작도의 형편상, 도면 중에 존재하는 일부의 분기부 및 집합부에 대해서만 부호를 붙이고 있다.
도 5에 도시된 가스 분리 장치(10a)에서는, 분리막 모듈(Ma) 내의 2개의 가스 분리막 엘리먼트(1)의 각각에 원료 가스를 공급하기 위해서, 분리막 모듈(Ma)의 축 방향의 중앙부에 원료 가스 유통 배관(17a)이 설치되어 있다. 또한, 분리막 모듈(Ma)의 축 방향의 양단에는 각각, 투과 가스 유통 배관(18a, 18b) 및 비투과 가스 유통 배관(19a, 19b)이 설치되어 있다. 원료 가스 유통 배관(17a)이 분기부(20a)를 갖는 것, 투과 가스 유통 배관(18a, 18b) 및 비투과 가스 유통 배관(19a, 19b)이 집합부(21a, 21b)를 갖는 것은, 원료 가스 유통 배관(17), 투과 가스 유통 배관(18) 및 비투과 가스 유통 배관(19)의 설명과 동일하다. 또한, 원료 가스 유통 배관(17a), 투과 가스 유통 배관(18a, 18b) 및 비투과 가스 유통 배관(19a, 19b)이 케이스(11) 하부(바닥면측)를 관통하여 케이스(11)의 내부 및 외부에 배치되는 것에 대해서도, 원료 가스 유통 배관(17), 투과 가스 유통 배관(18) 및 비투과 가스 유통 배관(19)의 설명과 동일하다.
가스 분리 장치(10a)에서는, 원료 가스 유통 배관(17a)의 모든 분기부(20a), 투과 가스 유통 배관(18a, 18b)의 모든 집합부(21a, 21b), 및 비투과 가스 유통 배관(19a, 19b)의 모든 집합부(21a, 21b)가, 케이스(11)의 내부에 설치되어 있는 점에 있어서, 도 1에 도시된 가스 분리 장치(10)와는 상이하다. 그 때문에, 가스 분리 장치(10a)에서는, 이들 분기부(20a), 집합부(21a, 21b), 상기한 접속부의 전부를 케이스(11) 내에 배치하고, 케이스(11) 내에서 분리막 모듈(M)과 함께 가온 또는 냉각함으로써, 이들을 케이스(11)의 외부에 배치하는 경우와 비교하여, 분리막 모듈(M)의 가스 분리막(2)을 유통하는 가스의 온도에 변동이나 불균일이 발생하는 것을 보다 한층 억제할 수 있다.
가스 분리 장치(10a)에서는, 원료 가스 유통 배관(17a)으로부터 원료 가스가, 각 분리막 모듈(Ma) 내의 2개의 가스 분리막 엘리먼트(1)에 병렬로 공급된다. 각 분리막 모듈(Ma) 내의 2개의 가스 분리막 엘리먼트(1)의 가스 분리막(2)을 투과한 투과 가스는, 투과 가스 유통 배관(18a, 18b)을 통해 배출되고, 가스 분리막(2)을 투과하지 않은 비투과 가스는, 비투과 가스 유통 배관(19a, 19b)을 통해 배출된다.
〔그 외의 장치〕
가스 분리 장치(10)는, 압력 조정부를 갖고 있어도 좋다. 압력 조정부는, 케이스(11) 내를 채우는 열매체가 수증기인 경우에, 케이스(11) 내를 가압 또는 감압할 수 있다. 이에 의해, 케이스(11) 내의 열매체인 수증기의 온도를 조정할 수 있다. 또한, 열매체로서 수증기 등의 응축성 성분을 포함하는 경우, 케이스(11) 내에서 응축한 응축액을 케이스(11) 내로부터 배출하기 위한 배출 기구를 갖고 있는 것이 바람직하고, 예컨대, 케이스(11) 하부(바닥면측)를 관통하여 케이스(11) 내로부터 응축액을 외부로 배출하는 응축액 배출부를 설치할 수 있다. 응축액 배출부로부터 배출되는 응축수는 연속적 또는 간헐적으로 외부로 배출되는 것이 바람직하다.
또한, 가스 분리 장치(10)는, 온도 측정부를 갖고 있어도 좋다. 온도 측정부는, 케이스(11) 내의 열매체에 부여하는 가열량 및 냉각량을 조정하기 위해서, 상기한 열원부(13)와 연동하여 기능하는 것이다. 온도 측정부는, 케이스(11) 내의 열매체, 분리막 모듈(M) 내의 가스, 분리막 모듈(M)에 접속되어 있는 배관 내의 가스, 케이스(11)를 이루는 층의 내부 또는/및 표면, 케이스(11)의 내부에 설치된 배관의 표면, 분리막 모듈(M)의 하우징(15)의 표면, 및 케이스(11)의 외부의 외기 중 적어도 하나의 온도를 측정할 수 있도록, 임의의 위치에 설치할 수 있고, 1 또는 2 이상의 위치에 설치해도 좋다. 한편, 케이스(11) 내의 열매체의 온도를 측정하는 경우, 온도 측정부는, 열원부(13)로부터 충분히 떨어진 위치에 설치하여, 열원부(13)의 온도 변화에 직접 영향을 받지 않도록 하는 것이 바람직하다.
케이스(11) 내의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부는, 예컨대, 케이스(11)의 바닥면의 중앙부 부근 및 천장면의 중앙부 부근의 내부 공간 중의 2개소에, 분리막 모듈(M)이나 케이스(11)에 접하지 않도록 설치할 수 있다. 또한, 원료 가스의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부는, 예컨대, 원료 가스 유통 배관(17) 중, 케이스(11)를 관통하는 부분의 배관 내, 및 케이스(11) 내의 분리막 모듈(M)과의 접속부 부근의 배관 내의 2개소에 설치할 수 있다.
또한, 가스 분리 장치는, 열원부(13)와는 별도로 초기 온도 조정부를 갖고 있어도 좋다. 초기 온도 조정부는, 가스 분리 처리 개시 전에, 케이스(11) 내에 배치된 분리막 모듈(M)의 하우징(15)이나, 분리막 모듈(M) 내의 가스 분리막 엘리먼트(1) 및 분리막 모듈(M)을 유통하는 가스 등을, 가스 분리 처리를 행할 때에 필요해지는 온도로 조정하는 것이다. 초기 온도 조정부를 설치함으로써, 가스 분리 처리 개시 전에 행해지는 상기한 온도 조정에 필요한 시간을 단축할 수 있다. 초기 온도 조정부는, 상기한 열원부(13)와 동일한 것을 이용할 수 있으나, 케이스(11)의 사이즈가 커지지 않는 것을 선정하는 것이 바람직하다. 예컨대, 초기 온도 조정부로서, 분리막 모듈(M)의 외벽면에 설치한 트레이스 배관을 이용할 수 있다.
<가스 분리 방법>
본 실시형태의 가스 분리 방법은,
상기한 가스 분리 장치를 이용한 가스 분리 방법으로서,
열원부(13)를 이용하여, 케이스(11)를 채우는 열매체의 온도를 소정 온도로 유지하도록 조정하는 온도 조정 공정과,
분리막 모듈(M)에 원료 가스를 공급하여 가스 분리 처리를 행하는 공정을 갖는다.
온도 조정 공정은, 케이스(11)의 내부 공간의 열매체를 가열하는 공정, 및 케이스(11)의 내부 공간의 열매체를 냉각하는 공정 중 적어도 한쪽을 포함하고, 양방의 공정을 포함하고 있어도 좋다.
이하에서는, 가스 분리 장치(10)에 있어서, 상기한 산성 가스용의 스파이럴형 가스 분리막 엘리먼트를 이용하여, 원료 가스로부터, 산성 가스로서 CO2를 분리하는 경우의 가스 분리 방법을 예로 들어 설명한다.
가스 분리 장치(10)에서는, 가스 분리 처리가 개시되기 전에, 하우징(15) 내에 1 이상의 가스 분리막 엘리먼트(1)를 구비한 분리막 모듈(M)을, 케이스(11)에 수용한 후, 열원부(13)에 의해 케이스(11)의 내부 공간의 열매체를 가열 또는 냉각하여, 케이스(11) 내의 열매체를 목적으로 하는 온도로 유지해 두는 것이 바람직하다. 케이스(11) 내가 목적으로 하는 온도에 도달하고, 케이스(11)의 열매체의 온도가 정상 상태가 된 후에, CO2와 수증기를 포함하는 원료 가스를 원료 가스 유통 배관(17)에 공급하여 가스 분리 처리를 개시할 수 있다. 원료 가스 유통 배관(17)에 공급되는 원료 가스는, 미리 열교환기, 기액 분리기, 압축기, 수분 추가 장치, 감압기 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 가습 또는 제습을 행하는 조습(調濕) 장치에 의해, 온도의 조절 및 습도의 조절이 행해지고 있는 것이 바람직하다.
원료 가스 유통 배관(17)에 공급된 원료 가스는, 케이스(11) 내에 수용되어 있는 각 분리막 모듈(M)에 분배되어 공급된다. 분리막 모듈(M)에서는, 도 3에 도시된 공급측 단부(31)로부터, 가스 분리막 엘리먼트(1)의 공급측 유로 부재(3)에 연속적으로 공급되고(도 3의 화살표 a), 공급측 유로 부재(3)를 흐르는 원료 가스에 포함되는 CO2가 가스 분리막(2)을 투과한다. 가스 분리막(2)을 투과한 투과 가스는, 투과측 유로 부재(4) 내를 흐르고, 구멍(30)으로부터 중심관(5)에 공급된다. 중심관(5)의 배출측에 접속되고 하우징(15)에 형성된 배출구(32)를 지나 연속적으로 수집되고(도 3의 화살표 b), 투과 가스 유통 배관(18)에 공급된다. 한편, 가스 분리막(2)을 투과하지 않은 비투과 가스는, 분리막 모듈(M)의 배출측 단부(33)로부터 연속적으로 배출되고(도 3의 화살표 c), 비투과 가스 유통 배관(19)에 공급된다. 이에 의해, 원료 가스로부터, CO2를 분리할 수 있다.
상기와 같은 가스 분리 처리가 행해지고 있는 동안, 케이스(11)의 내부 공간은, 케이스(11)의 외부의 외기로부터 차단된 상태로 되어 있기 때문에, 열원부(13)에 의해 케이스(11) 내의 열매체를 효율적으로 가열 또는 냉각하여 목적의 온도로 유지할 수 있다.
분리막 모듈(M)의 집적에는, 집적용의 유지 프레임(12)에 분리막 모듈(M)을 고정하기 위한 고정부나, 분리막 모듈(M)끼리 또는 분리막 모듈(M)과 배관을 접속하기 위한 접속부 등이 설치되는 경우가 있다. 본 실시형태의 가스 분리 장치(10)에서는, 재킷 히터 등의 열원부로 직접 덮는 것이 어렵다고 여겨지는 고정부나 접속부도 케이스(11) 내에 설치되어 있다. 그 때문에, 가스 분리 장치(10)에서는, 집적된 모든 분리막 모듈(M)에 더하여, 분리막 모듈(M)에 부착되는 고정부나 접속부도, 케이스(11) 내의 열매체에 의해 보온할 수 있기 때문에, 분리막 모듈(M)이나 배관에 발생하는 핫 스폿이나 쿨 스폿을 억제하여, 분리막 모듈(M) 내를 유통하는 가스의 온도에 변동이나 불균일이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
특히, 본 실시형태의 가스 분리 장치(10)에서는, 가스 분리막 엘리먼트를 구비한 분리막 모듈(M)의 집적수를 늘린 경우에도, 케이스(11) 내의 열매체에 의해, 집적된 분리막 모듈(M)을 보온하기 때문에, 각 분리막 모듈(M)이나 배관에 발생하는 핫 스폿이나 쿨 스폿을 억제하면서, 대량의 원료 가스의 가스 분리 처리를 행할 수 있다.
일반적으로, 가스 분리막 엘리먼트에서는, 원료 가스의 온도가 높을수록 투과 성능을 향상시킬 수 있는 경향이 있다. 또한, 촉진 수송 기구를 이용한 가스 분리막을 포함하는 가스 분리막 엘리먼트에서는, 원료 가스의 온도에 더하여, 원료 가스의 습도가 높을수록 투과 성능을 향상시킬 수 있는 경향이 있다. 원료 가스의 습도는 원료 가스의 수증기량과 온도의 밸런스로 결정된다. 그 때문에, 원료 가스의 온도를 정밀도 좋게 관리하는 것이 바람직하다. 상기한 바와 같이, 분리막 모듈(M)이나 배관에 발생하는 핫 스폿이나 쿨 스폿을 억제함으로써, 분리막 모듈(M) 내를 유통하는 가스의 온도에 변동이나 불균일이 발생하는 것을 억제하는 것을 기대할 수 있기 때문에, 가스 분리 성능을 안정화할 수 있는 것을 기대할 수 있다.
예컨대 산성 가스용의 스파이럴형 가스 분리막 엘리먼트에서는, 원료 가스가 CO2 및 수증기를 포함하고, 가스 분리막(2)에 친수성 수지가 이용되기 때문에, 가스 분리 처리에 있어서 온도 불균일이 발생하면, 온도가 저하된 영역에서 수증기가 응축할 우려가 있다. 수증기가 응축함으로써 발생한 응축수는, 가스 분리막 엘리먼트(1)의 막 성능을 저하시켜, 안정된 가스 분리 성능을 유지하는 것을 곤란하게 할 가능성이 있다. 본 실시형태의 가스 분리 장치(10)에서는, 케이스(11) 내에 집적한 분리막 모듈(M) 전체를, 고정부나 접속부도 포함하여 보온할 수 있기 때문에, 분리막 모듈(M)이나 배관에 발생하는 핫 스폿이나 쿨 스폿을 억제하여, 분리막 모듈(M) 내를 유통하는 가스의 온도에 변동이나 불균일이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 이들 원료 가스, 투과 가스 및 비투과 가스에 포함되는 수증기가 응축하는 것을 억제하고, 가스 분리막 엘리먼트(1)의 막 성능의 저하를 억제하여, 안정된 가스 분리 성능을 유지하는 것을 기대할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 가스 분리 장치(10)는, 특히, 분리막 모듈(M)을 고밀도로 집적하는 경우에, 에너지 효율을 향상시키는 효과도 기대할 수 있다. 예컨대, 분리막 모듈(M)의 외벽면에 히트 재킷 등의 열원부를 설치하고, 분리막 모듈(M)과 열원부를 일체화하여, 분리막 모듈(M)을 개개로 가열 또는 냉각하는 경우, 분리막 모듈(M)의 집적수의 증가에 따라 외기와 접하는 표면적이 증가하여 방열 면적이 증가하기 때문에, 각 분리막 모듈(M) 내를 유통하는 가스의 온도를 유지하기 위해서 필요한 에너지가 커진다. 이에 대해, 본 실시형태의 가스 분리 장치(10)에서는, 케이스(11) 내에 분리막 모듈(M)을 집적하여 설치할 수 있고, 열원부(13)에 의해 온도 조정이 이루어지는 케이스(11) 내의 열매체의 방열량은, 케이스(11)의 외표면의 면적에 의존한다. 따라서, 케이스(11)의 외표면의 면적을, 케이스(11) 내에 집적되는 분리막 모듈(M)의 표면적의 총합과 비교하여 작게 할 수 있을 정도로 분리막 모듈을 고밀도로 집적하는 경우에는, 분리막 모듈(M) 내를 유통하는 가스의 온도를 유지하기 위해서 필요한 에너지를 억제하여 에너지 효율을 높일 수 있다.
이하에, 집적한 분리막 모듈(M)을, 케이스(11) 내에 수용한 경우의 방열 면적, 방열량 및 외용적 효율의 계산 결과(실시예 1∼5)와, 케이스(11) 내에 수용하지 않은 경우의 방열 면적 및 방열량의 계산 결과(비교예 1∼5)를 대비하여 나타낸다.
계산 시에 이용한 조건은 이하와 같다. 한편, 분리막 모듈, 케이스, 및 배관의 외표면이 단열 재료를 포함하는 복합 재료로 덮여 있는 경우, 실시예와 비교예를 비교하기 쉽도록, 이들의 복합 재료로서, 총괄 전열 계수 및 두께가 동일한 복합 재료를 적용하고 있다.
[분리막 모듈의 타입]
·분리막 모듈 M1:
통형 부재: 직경 23 ㎝, 길이 1.6 m, 판 두께 0.6 ㎝의 스테인리스제 원통
폐색 부재: 직경 38 ㎝, 판 두께 4.1 ㎝의 스테인리스제 판(통형 부재의 양단부)
표면적: 1.38 ㎡(통형 부재 및 폐색 부재를 포함한다)
가스 분리막 엘리먼트의 수용수: 1기(도 4(a)를 참조)
·분리막 모듈 M2:
통형 부재: 직경 23 ㎝, 길이 2.9 m, 판 두께 0.6 ㎝의 스테인리스제 원통
폐색 부재: 직경 38 ㎝, 판 두께 4.1 ㎝의 스테인리스제 판(통형 부재의 양단부)
표면적: 2.32 ㎡(통형 부재 및 폐색 부재를 포함한다)
가스 분리막 엘리먼트의 수용수: 2기(도 4(b)를 참조)
·분리막 모듈 M3:
통형 부재: 직경 23 ㎝, 길이 5.5 m, 판 두께 0.6 ㎝의 스테인리스제 원통
폐색 부재: 직경 38 ㎝, 판 두께 4.1 ㎝의 스테인리스제 판(통형 부재의 양단부)
표면적: 4.20 ㎡(통형 부재 및 폐색 부재를 포함한다)
가스 분리막 엘리먼트의 수용수: 4기(도 4(c)를 참조))
·분리막 모듈 M4:
　분리막 모듈은 통형 부재의 외표면을 덮도록 재킷이 설치되어 있고, 상기 재킷 및 폐색 부재의 외표면은 단열 재료를 포함하는 복합 재료로 덮여 있는 것 이외에는, 분리막 모듈 M1과 동일하다. 단, 통형 부재의 외표면에 재킷이 설치됨으로써, 통형 부재 및 폐색 부재의 직경이 분리막 모듈 M1의 1.5배가 된다.
표면적: 5.37 ㎡(재킷 및 폐색 부재의 외표면을 덮는 복합 재료의 외표면)
재킷 및 폐색 부재의 외표면을 덮는 복합 재료의 총괄 전열 계수: 0.44 W/(㎡·K)
재킷 및 폐색 부재의 외표면을 덮는 복합 재료의 두께: 21 ㎝
·분리막 모듈 M5:
　분리막 모듈은 통형 부재의 외표면을 덮도록 재킷이 설치되어 있고, 상기 재킷 및 폐색 부재의 외표면은 단열 재료를 포함하는 복합 재료로 덮여 있는 것 이외에는, 분리막 모듈 M2와 동일하다. 단, 통형 부재의 외표면에 재킷이 설치됨으로써, 통형 부재 및 폐색 부재의 직경이 분리막 모듈 M2의 1.5배가 된다.
표면적: 8.49 ㎡(재킷 및 폐색 부재의 외표면을 덮는 복합 재료의 외표면)
재킷 및 폐색 부재의 외표면을 덮는 복합 재료의 총괄 전열 계수: 0.44 W/(㎡·K)
재킷 및 폐색 부재의 외표면을 덮는 복합 재료의 두께: 21 ㎝
·분리막 모듈 M6:
　분리막 모듈은 통형 부재의 외표면을 덮도록 재킷이 설치되어 있고, 상기 재킷 및 폐색 부재의 외표면은 단열 재료를 포함하는 복합 재료로 덮여 있는 것 이외에는, 분리막 모듈 M3과 동일하다. 단, 통형 부재의 외표면에 재킷이 설치됨으로써, 통형 부재 및 폐색 부재의 직경이 분리막 모듈 M3의 1.5배가 된다.
표면적: 14.74 ㎡(재킷 및 폐색 부재의 외표면을 덮는 복합 재료의 외표면)
재킷 및 폐색 부재의 외표면을 덮는 복합 재료의 총괄 전열 계수: 0.44 W/(㎡·K)
재킷 및 폐색 부재의 외표면을 덮는 복합 재료의 두께: 21 ㎝
[집적 형태]
·집적 형태 (1):
분리막 모듈(M)의 배열: 수평 방향으로 5기×연직 방향으로 5단
분리막 모듈(M)의 총수: 25기
·집적 형태 (2):
분리막 모듈(M)의 배열: 수평 방향으로 10기×연직 방향으로 5단
분리막 모듈(M)의 총수: 50기
[케이스]
·케이스 M1-(1):
케이스의 사이즈: 세로 2.46 m, 가로 2.96 m, 높이 3.54 m(직육면체)
케이스의 외표면적: 52.98 ㎡
케이스를 구성하는 층의 두께: 21 ㎝
케이스를 구성하는 층을 이루는 재료의 총괄 전열 계수: 0.44 W/(㎡·K)
분리막 모듈의 집적 형태: 집적 형태 (1)
수용하는 분리막 모듈(M)의 타입: 분리막 모듈 M1
·케이스 M2-(1):
케이스의 사이즈: 세로 3.76 m, 가로 2.96 m, 높이 3.54 m(직육면체)
케이스의 외표면적: 69.89 ㎡
케이스를 구성하는 층의 두께: 21 ㎝
케이스를 구성하는 층을 이루는 재료의 총괄 전열 계수: 0.44 W/(㎡·K)
분리막 모듈의 집적 형태: 집적 형태 (1)
수용하는 분리막 모듈(M)의 타입: 분리막 모듈 M2
·케이스 M1-(2):
케이스의 사이즈: 세로 2.46 m, 가로 5.92 m, 높이 3.54 m(직육면체)
케이스의 외표면적: 88.52 ㎡
케이스를 구성하는 층의 두께: 21 ㎝
케이스를 구성하는 층을 이루는 재료의 총괄 전열 계수: 0.44 W/(㎡·K)
분리막 모듈의 집적 형태: 집적 형태 (2)
수용하는 분리막 모듈(M)의 타입: 분리막 모듈 M1
·케이스 M2-(2):
케이스의 사이즈: 세로 3.76 m, 가로 5.92 m, 높이 3.54 m(직육면체)
케이스의 외표면적: 113.13 ㎡
케이스를 구성하는 층의 두께: 21 ㎝
케이스를 구성하는 층을 이루는 재료의 총괄 전열 계수: 0.44 W/(㎡·K)
분리막 모듈의 집적 형태: 집적 형태 (2)
수용하는 분리막 모듈(M)의 타입: 분리막 모듈 M2
·케이스 M3-(2):
케이스의 사이즈: 세로 6.36 m, 가로 5.92 m, 높이 3.54 m(직육면체)
케이스의 외표면적: 162.34 ㎡
케이스를 구성하는 층의 두께: 21 ㎝
케이스를 구성하는 층을 이루는 재료의 총괄 전열 계수: 0.44 W/(㎡·K)
분리막 모듈의 집적 형태: 집적 형태 (2)
수용하는 분리막 모듈(M)의 타입: 분리막 모듈 M3
[배관]
·배관 1-(1)
분리막 모듈의 집적 형태: 집적 형태 (1)
원료 가스 유통 배관: 직경 11.40 ㎝, 길이 0.83 m
　 직경 6.00 ㎝, 길이 0.67 m
투과 가스 유통 배관: 직경 11.40 ㎝, 길이 0.83 m
　 직경 6.00 ㎝, 길이 0.67 m
비투과 가스 유통 배관: 직경 11.40 ㎝, 길이 0.83 m
직경 6.00 ㎝, 길이 0.67 m
표면적: 1.27 ㎡(전체 배관의 외표면적)
·배관 2-(1)
　배관의 외표면을 덮도록 재킷이 설치되어 있고, 상기 재킷의 외표면은 단열 재료를 포함하는 복합 재료로 덮여 있는 것 이외에는, 배관 1-(1)과 동일하다. 단, 배관의 외표면에 재킷이 설치됨으로써, 배관의 직경이 배관 1-(1)의 1.5배가 된다.
표면적: 7.85 ㎡(배관 외표면의 재킷을 덮는 복합 재료의 외표면)
배관의 외표면을 덮는 복합 재료의 총괄 전열 계수: 0.44 W/(㎡·K)
배관의 외표면을 덮는 복합 재료의 두께: 21 ㎝
·배관 1-(2)
분리막 모듈의 집적 형태: 집적 형태 (2)
원료 가스 유통 배관: 직경 11.40 ㎝, 길이 1.67 m
　 직경 6.00 ㎝, 길이 1.33 m
투과 가스 유통 배관: 직경 11.40 ㎝, 길이 1.67 m
　직경 6.00 ㎝, 길이 1.33 m
비투과 가스 유통 배관: 직경 11.40 ㎝, 길이 1.67 m
직경 6.00 ㎝, 길이 1.33 m
표면적: 2.54 ㎡(전체 배관의 외표면적)
·배관 2-(2)
　배관의 외표면을 덮도록 재킷이 설치되어 있고, 상기 재킷의 외표면은 단열 재료를 포함하는 복합 재료로 덮여 있는 것 이외에는, 배관 1-(2)와 동일하다. 단, 배관의 외표면에 재킷이 설치됨으로써, 배관의 직경이 배관 1-(2)의 1.5배가 된다.
표면적: 15.69 ㎡(배관 외표면의 재킷을 덮는 복합 재료의 외표면)
배관의 외표면을 덮는 복합 재료의 총괄 전열 계수: 0.44 W/(㎡·K)
배관의 외표면을 덮는 복합 재료의 두께: 21 ㎝
[조건]
외기온을 20℃로 하고, 원료 가스를 110℃의 온도에서 분리막 모듈(M)에 공급했을 때의 방열량을, 상기 분리막 모듈(M) 및 배관의 표면적 및 총괄 전열 계수와, 각 케이스 및 각 배관의 외표면적 및 총괄 전열 계수에 기초하여 산출하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
한편, 총괄 전열 계수의 산출 시에, 분리막 모듈(M) 내 및 배관 내를 유통하는 가스의 온도를 유지하기 위한 열매체는 공기로 하고, 분리막 모듈(M)은, 서로 접하지 않으며, 유지 프레임을 이용하지 않고 집적되어 있는 형태로 하였다.
케이스를 이용하는 경우에는, 케이스의 내부 공간은 공기로 채워지고, 케이스 내에 열원부를 설치하는 것으로 하며, 케이스로부터 방열하는 열량을 보충하여, 케이스의 내부 공간을 채우는 공기의 온도가 원료 가스의 온도와 동일하게 되도록 열원부로의 가열을 행하는 것으로 하였다. 또한, 케이스 내의 온도는 전체에 걸쳐 균일하다고 하였다.
또한, 케이스를 이용하지 않고 각 분리막 모듈(M)의 외표면을 덮는 재킷을 설치한 경우에는, 재킷 내를 공기가 유통하고 있는 것으로 하고, 재킷의 외표면으로부터 방열하는 열량을 보충하여, 각 분리막 모듈(M) 내에 공급되는 원료 가스의 온도를 유지하도록, 재킷 내에 가열한 공기를 공급하는 것으로 하였다. 또한, 재킷의 내부의 온도는 전체에 걸쳐 균일하다고 하였다.
외용적 효율은, 하기 식:
외용적 효율=(분리막 모듈의 외용적/케이스의 외용적)×100에 기초하여 산출하였다. 한편, 분리막 모듈의 외용적은, 통형 부재의 외용적으로 하였다.
Figure 112019118131650-pct00001
표 1로부터, 실시예 1∼5(집적한 분리막 모듈을 케이스 내에 수용한 경우)는, 비교예 1∼5(집적한 분리막 모듈을 외기에 노출시킨 경우)보다 방열 면적을 저감하여, 방열량을 억제할 수 있는 것을 예상할 수 있다. 따라서, 실시예 1∼5와 같이 분리막 모듈을 집적하여 케이스 내에 수용한 경우에는, 케이스를 설치하지 않는 경우와 비교하여, 분리막 모듈 내를 유통하는 가스의 온도를 유지하기 위해서 필요한 에너지를 억제할 수 있다고 생각된다.
1: 가스 분리막 엘리먼트 2: 가스 분리막
3: 공급측 유로 부재 4: 투과측 유로 부재
5: 중심관 10: 가스 분리 장치
10a: 가스 분리 장치 11: 케이스
12: 유지 프레임 13: 열원부
15: 하우징 17: 원료 가스 유통 배관
17a: 원료 가스 유통 배관 18: 투과 가스 유통 배관
18a: 투과 가스 유통 배관 18b: 투과 가스 유통 배관
19: 비투과 가스 유통 배관 19a: 비투과 가스 유통 배관
19b: 비투과 가스 유통 배관 20: 분기부
20a: 분기부 21: 집합부
21a: 집합부 21b: 집합부
30: 구멍 31: 공급측 단부
32: 배출구 33: 배출측 단부
M: 분리막 모듈 Ma: 분리막 모듈

Claims (12)

  1. 하우징 내에 적어도 하나의 가스 분리막 엘리먼트를 구비한 분리막 모듈과,
    외기를 차단하기 위한 케이스와,
    상기 케이스의 내부를 채우는 열매체의 온도를 조정하기 위한 열원부를 갖고,
    상기 케이스는, 그 내부에 상기 분리막 모듈을 2기 이상 수용하고 있으며,
    식(A)에 의해 산출되는, 상기 케이스의 내부에 수용된 상기 분리막 모듈의 외용적 효율이 5% 이상 50% 이하인 가스 분리 장치.
    외용적 효율=(분리막 모듈의 외용적/케이스의 외용적)Х100 (A)
  2. 제1항에 있어서, 상기 열원부는, 상기 케이스의 내부 및 상기 케이스의 외부 중 적어도 한쪽에 설치되어 있는 가스 분리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 케이스를 구성하는 층은, 열저항값이 0.1 ㎡·K/W 이상인 가스 분리 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 케이스를 구성하는 층 중 적어도 하나의 층을 이루는 재료는, 열전도율이 1 W/(m·K) 이하인 가스 분리 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분리막 모듈은, 상기 하우징 내에 2기 이상의 가스 분리막 엘리먼트를 구비하는 가스 분리 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 또한, 상기 분리막 모듈에 원료 가스를 공급하기 위한 원료 가스 유통 배관과, 상기 분리막 모듈로부터 배출 가스를 배출하기 위한 배출 가스 유통 배관을 구비하는 가스 분리 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 원료 가스 유통 배관은, 상기 분리막 모듈의 각각에 상기 원료 가스를 분배하여 공급하기 위한 분기부를 갖고,
    상기 배출 가스 유통 배관은, 상기 분리막 모듈의 각각이 배출한 상기 배출 가스를 집약하여 배출하기 위한 집합부를 가지며,
    상기 분기부 및 상기 집합부 중 적어도 한쪽은, 상기 케이스의 내부에 설치되어 있는 가스 분리 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스 분리막 엘리먼트에 공급되는 원료 가스는, 적어도 수증기를 포함하는 가스 분리 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스 분리막 엘리먼트는, 친수성 수지 조성물층을 구비하는 가스 분리막을 갖는 가스 분리 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 친수성 수지 조성물층은, 친수성 수지, 및 산성 가스와 가역적으로 반응하는 물질을 포함하는 가스 분리 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스 분리막 엘리먼트는, 스파이럴형 가스 분리막 엘리먼트인 가스 분리 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 기재된 가스 분리 장치를 이용한 가스 분리 방법으로서,
    상기 열원부를 이용하여 상기 열매체의 온도를 소정 온도로 유지하도록 조정하는 온도 조정 공정과,
    상기 분리막 모듈에 원료 가스를 공급하여 가스 분리 처리를 행하는 공정을 갖는 가스 분리 방법.
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