JP2023140120A - ガス分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少ないエネルギー使用量で高濃度のＣＯ2を回収する。【解決手段】ガス分離装置１０は、それぞれ特定のガス成分を選択的に透過させる分離膜を有し、第１回収率で特定のガス成分を回収する第１分離モジュール１ａおよび第１回収率より低い第２回収率で特定のガス成分を回収する第２分離モジュール１ｂと、所定濃度以上の特定のガス成分を含む原料ガスを第１分離モジュール１ａに供給する第１供給ラインと、第１分離モジュール１ａから分離膜を透過した透過ガスを回収して第２分離モジュール１ｂに供給する第２供給ラインと、第２分離モジュール１ｂから分離膜を透過した透過ガスを回収して第１分離モジュール１ａに供給する第３供給ラインと、を備える。【選択図】図４

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、複数の膜分離モジュールを直列に接続し、ＣＯ₂の分離回収を多段階で行うことにより高濃度のＣＯ₂を回収する。

特開２０２０－１９５９６８号公報

しかしながら、上記特許文献１の装置のように分離回収を多段階で行うと、後段ほど供給ガス中のＣＯ₂分圧が低下し、透過の駆動力となるＣＯ₂分圧差が低下するため、少ないエネルギー使用量で高濃度のＣＯ₂を回収することが難しくなる。

本発明の一態様であるガス分離装置は、それぞれ特定のガス成分を選択的に透過させる分離膜を有し、第１回収率で特定のガス成分を回収する第１分離モジュールおよび第１回収率より低い第２回収率で特定のガス成分を回収する第２分離モジュールと、所定濃度以上の特定のガス成分を含む原料ガスを第１分離モジュールに供給する第１供給ラインと、第１分離モジュールから分離膜を透過した透過ガスを回収して第２分離モジュールに供給する第２供給ラインと、第２分離モジュールから分離膜を透過した透過ガスを回収して第１分離モジュールに供給する第３供給ラインと、を備える。

本発明によれば、少ないエネルギー使用量で高濃度のＣＯ₂を回収することができる。

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。 初期ＣＯ₂濃度ごとのＣＯ₂回収率と分離回収エネルギーとの関係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。 本発明の実施形態に係るガス分離装置の要部構成の別の例を概略的に示すブロック図。

以下、図１～図４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し、回収する。特に、高濃度の特定成分を分離回収する。以下では、高濃度（例えば１～１０ｖｏｌ％程度）のＣＯ₂を含む大気や工場排ガス等の原料ガスからＣＯ₂を分離回収する例を説明する。

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し、分圧差がなくなるまで進行する。

図２は、初期ＣＯ₂濃度（供給側ＣＯ₂濃度）ごとのＣＯ₂回収率と分離回収エネルギーとの関係について説明するための図である。ＣＯ₂回収率［％］は、原料ガス中のＣＯ₂量［ｔｏｎ－ＣＯ₂／ｄａｙ］に対する回収ＣＯ₂量［ｔｏｎ－ＣＯ₂／ｄａｙ］として算出される。

図２に示すように、初期ＣＯ₂濃度が比較的高い（例えば１０％以上の）原料ガスからＣＯ₂を分離回収する場合は、供給側ＣＯ₂分圧が比較的高いため、ＣＯ₂回収率を高めるために使用される分離回収エネルギー［ＧＪ／ｔｏｎ－ＣＯ₂］が比較的少なくなる。一方、初期ＣＯ₂濃度が比較的低い（例えば１０％未満の）原料ガスからＣＯ₂を分離回収する場合は、供給側ＣＯ₂分圧が比較的低いため、ＣＯ₂回収率を高めるために使用される分離回収エネルギーが極めて多くなる。

このような分離回収を多段階で行うと、装置全体のＣＯ₂回収率を高められるが、後段ほど供給側ＣＯ₂濃度が低下し、供給側ＣＯ₂分圧が低下するため、後段での回収率を高めるとエネルギー使用量が増大し、装置全体としてのエネルギー使用量が増大する。そこで本実施形態では、分離回収を多段で行うとともに最前段のみを高回収率に設定することで、少ないエネルギー使用量で高濃度のＣＯ₂を回収できるよう、以下のようにガス分離装置を構成する。

図３および図４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３，４に示すように、ガス分離装置１０は、直列に接続された複数の分離モジュール１（図では３つの分離モジュール１ａ～１ｃ）と、供給ラインＬ１（Ｌ１ａ～Ｌ１ｃ）と、回収ラインＬ２（Ｌ２ａ～Ｌ２ｃ）と、排気ラインＬ３（Ｌ３ａ～Ｌ３ｃ）とを備える。複数の分離モジュール１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、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。

最前段の分離モジュール１ａは、分離回収後の排気中のＣＯ₂を十分低濃度とするため、ＣＯ₂回収率が所定回収率以上（例えば９０％以上）となるように構成される。２段目以降の分離モジュール１ｂ，１ｃは、分離回収にかかるエネルギー使用量を十分小さくするため、ＣＯ₂回収率が低回収率（例えば１０％程度）となるように構成される。各分離モジュール１に採用される分離膜Ｍの膜性能（気体透過率、ＣＯ₂選択比）、膜面積、供給側圧力、透過側圧力、供給側流量（流速）、透過側流量などを調整することで、各分離モジュール１のＣＯ₂回収率を適宜な値に設定することができる。

供給ラインＬ１ａ～Ｌ１ｃは、それぞれ分離モジュール１ａ～１ｃの第１空間に混合ガスを供給する。供給ラインＬ１ａ～Ｌ１ｃには、供給ガスを圧送するコンプレッサや供給側流量を調整する調整弁などが設けられてもよい。

回収ラインＬ２ａ～Ｌ２ｃは、それぞれ分離モジュール１ａ～１ｃの第２空間から分離膜Ｍを透過した透過ガスを回収する。回収ラインＬ２ａ～Ｌ２ｃには、各分離モジュール１ａ～１ｃの第２空間を減圧する真空ポンプや透過側流量を調整する調整弁などが設けられてもよい。最後段の回収ラインＬ２ｃからは、ガス分離装置１０による分離回収後の最終的な回収ガスが得られる。

排気ラインＬ３ａ～Ｌ３ｃは、それぞれ分離モジュール１ａ～１ｃの第１空間からＣＯ₂が分離された後の空気を排気する。排気ラインＬ３ａ～Ｌ３ｃには、真空ポンプや排気流量を調整する調整弁などが設けられてもよい。最前段の排気ラインＬ３ａは大気開放され、高回収率に設定された最前段の分離モジュール１ａから十分低濃度となったＣＯ₂を含む排気を大気中に放出する。

供給ラインＬ１ａは、原料ガスを最前段の分離モジュール１ａに供給する原料供給ラインを構成する。回収ラインＬ２ａおよび供給ラインＬ１ｂは、分離モジュール１ａから透過ガスを回収して後段の分離モジュール１ｂに供給する中間供給ラインを構成する。回収ラインＬ２ｂおよび供給ラインＬ１ｃは、分離モジュール１ｂから透過ガスを回収して後段の分離モジュール１ｃに供給する中間供給ラインを構成する。

排気ラインＬ３ｂおよび供給ラインＬ１ａは、分離モジュール１ｂから透過ガスを回収して前段の分離モジュール１ａに供給する還流ラインを構成する。図３の例では、排気ラインＬ３ｃおよび供給ラインＬ１ｂは、分離モジュール１ｃから透過ガスを回収して前段の分離モジュール１ｂに供給する還流ラインを構成する。図４の例では、排気ラインＬ３ｃおよび供給ラインＬ１ａは、分離モジュール１ｃから透過ガスを回収して最前段の分離モジュール１ａに供給する還流ラインを構成する。

このように、低回収率に設定された後段の回収ガスを、それ以前の段に還流することで、ガス分離装置１０全体として少ないエネルギー使用量で高濃度のＣＯ₂を回収することができる（図３、図４）。また、後段の回収ガスを最前段に還流する場合は、最前段のエネルギー使用量を一層低減し、ガス分離装置１０全体として一層少ないエネルギー使用量で高濃度のＣＯ₂を回収することができる（図４）。

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、それぞれＣＯ₂を選択的に透過させる分離膜Ｍを有し、高回収率でＣＯ₂を回収する最前段の分離モジュール１ａおよび低回収率でＣＯ₂を回収する後段の分離モジュール１ｂと、所定濃度以上のＣＯ₂を含む原料ガスを最前段の分離モジュール１ａに供給する原料供給ライン（供給ラインＬ１ａ）と、最前段の分離モジュール１ａから透過ガスを回収して後段の分離モジュール１ｂに供給する中間供給ライン（回収ラインＬ２ａおよび供給ラインＬ１ｂ）と、後段の分離モジュール１ｂから透過ガスを回収して最前段の分離モジュール１ａに供給する還流ライン（排気ラインＬ３ｂおよび供給ラインＬ１ａ）と、を備える（図３、図４）。このように、最前段の分離モジュール１ａを高回収率、後段の分離モジュール１ｂを低回収率に設定し、後段の回収ガスを高回収率の最前段に還流することで、ガス分離装置１０全体として少ないエネルギー使用量で高濃度のＣＯ₂を回収することができる。

（２）ガス分離装置１０は、分離膜Ｍを有し、低回収率でＣＯ₂を回収する分離モジュール１ｃと、前段の分離モジュール１ｂから透過ガスを回収して後段の分離モジュール１ｃに供給する中間供給ライン（回収ラインＬ２ｂおよび供給ラインＬ１ｃ）と、後段の分離モジュール１ｃから透過ガスを回収して最前段の分離モジュール１ａまたは前段の分離モジュール１ｂに供給する還流ライン（排気ラインＬ３ｃおよび供給ラインＬ１ａまたは排気ラインＬ３ｃおよび供給ラインＬ１ｂ）と、をさらに備える（図３、図４）。このように、後段の分離モジュール１ｂ～１ｃを低回収率に設定し、後段の回収ガスをそれ以前の段に還流することで、ガス分離装置１０全体として少ないエネルギー使用量で一層高濃度のＣＯ₂を回収することができる。

（３）還流ライン（排気ラインＬ３ｃおよび供給ラインＬ１ａ）は、後段の分離モジュール１ｃから透過ガスを回収して最前段の分離モジュール１ａに供給する（図４）。このように、後段の分離モジュール１ｃを低回収率に設定し、後段の回収ガスを最前段に還流することで、最前段のエネルギー使用量を一層低減し、ガス分離装置１０全体として一層少ないエネルギー使用量で高濃度のＣＯ₂を回収することができる。

（４）原料ガスは、大気または工場排ガスである。高濃度のＣＯ₂を含む大気や工場排ガスを原料ガスとする最前段では、比較的少ないエネルギー使用量でも高い回収率でＣＯ₂を回収することができるため（図２）、ガス分離装置１０全体として少ないエネルギー使用量で高濃度のＣＯ₂を回収することができる。

上記実施形態では、図１等で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、工場排ガス中のＣＯ₂を分離する場合など、高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、１０ ガス分離装置、Ｌ１ａ～Ｌ１ｃ 供給ライン、Ｌ２ａ～Ｌ２ｃ 回収ライン、Ｌ３ａ～Ｌ３ｃ 排気ライン

Claims (4)

1. それぞれ特定のガス成分を選択的に透過させる分離膜を有し、第１回収率で前記特定のガス成分を回収する第１分離モジュールおよび前記第１回収率より低い第２回収率で前記特定のガス成分を回収する第２分離モジュールと、
   所定濃度以上の前記特定のガス成分を含む原料ガスを前記第１分離モジュールに供給する第１供給ラインと、
   前記第１分離モジュールから前記分離膜を透過した透過ガスを回収して前記第２分離モジュールに供給する第２供給ラインと、
   前記第２分離モジュールから前記分離膜を透過した透過ガスを回収して前記第１分離モジュールに供給する第３供給ラインと、を備えることを特徴とするガス分離装置。
2. 請求項１に記載のガス分離装置において、
   前記分離膜を有し、前記第１回収率より低い第３回収率で前記特定のガス成分を回収する第３分離モジュールと、
   前記第２分離モジュールから前記分離膜を透過した透過ガスを回収して前記第３分離モジュールに供給する第４供給ラインと、
   前記第３分離モジュールから前記分離膜を透過した透過ガスを回収して前記第１分離モジュールまたは前記第２分離モジュールに供給する第５供給ラインと、をさらに備えることを特徴とするガス分離装置。
3. 請求項２に記載のガス分離装置において、
   前記第５供給ラインは、前記第３分離モジュールから前記分離膜を透過した透過ガスを回収して前記第１分離モジュールに供給することを特徴とするガス分離装置。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のガス分離装置において、
   前記特定のガス成分は、二酸化炭素であり、
   前記原料ガスは、大気または工場排ガスであることを特徴とするガス分離装置。

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