特開 2022-97832 ガス分離システム、および炭化水素製造システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022097832

(43)【公開日】2022-07-01

(54)【発明の名称】ガス分離システム、および炭化水素製造システム

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/04 20060101AFI20220624BHJP

   C07C 1/12 20060101ALI20220624BHJP

   C07C 9/04 20060101ALI20220624BHJP

   C07B 61/00 20060101ALI20220624BHJP

【ＦＩ】

B01D53/04 230

C07C1/12

C07C9/04

C07B61/00 300

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020211017

(22)【出願日】2020-12-21

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(71)【出願人】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(74)【代理人】

【識別番号】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(74)【代理人】

【識別番号】100144510

【弁理士】

【氏名又は名称】本多 真由

(72)【発明者】

【氏名】小宅 教文

(72)【発明者】

【氏名】廣田 靖樹

(72)【発明者】

【氏名】山本 征治

(72)【発明者】

【氏名】神谷 隆太

(72)【発明者】

【氏名】永田 哲治

(72)【発明者】

【氏名】堀部 伸光

(72)【発明者】

【氏名】山本 佳道

【テーマコード（参考）】

4D012

4H006

4H039

【Ｆターム（参考）】

4D012BA01

4D012BA02

4D012BA03

4D012CA03

4D012CB16

4D012CD01

4D012CD04

4D012CD07

4D012CE01

4D012CF10

4D012CG01

4D012CH03

4D012CH10

4D012CJ02

4D012CJ05

4H006AA02

4H006AB84

4H006AC29

4H006BA61

4H006BC13

4H006BD84

4H006BE20

4H006BE41

4H039CA11

4H039CB20

(57)【要約】

【課題】 ガス分離システムにおいて、パージガスによる二酸化炭素の脱離効率を向上させる技術を提供する。
【解決手段】 複数の吸着器を備えるガス分離システムは、複数の吸着器のうち、第１吸着器と第２吸着器とを直列に接続可能な接続流路と、第１吸着器にパージガスを供給可能なパージガス供給流路と、第１吸着器と第２吸着器に二酸化炭素が吸着された状態で、パージガス供給流路を介して、第１吸着器にパージガスを供給させ、第１吸着器から二酸化炭素を脱離させる第１脱離工程と、接続流路を介して第１吸着器に第２吸着器を接続させ、第１吸着器内を流通したパージガスを、接続流路を介して第２吸着器に流入させ、第２吸着器から二酸化炭素を脱離させる第２脱離工程を、同時に実行可能な制御部と、を備える。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

二酸化炭素を吸着可能な吸着材を内部に収容する複数の吸着器を備えるガス分離システムであって、
前記複数の吸着器のうち、第１吸着器と第２吸着器とを直列に接続可能な接続流路と、
前記第１吸着器にパージガスを供給可能なパージガス供給流路と、
前記第１吸着器と前記第２吸着器に二酸化炭素が吸着された状態で、前記パージガス供給流路を介して、前記第１吸着器に前記パージガスを供給させ、前記第１吸着器から二酸化炭素を脱離させる第１脱離工程と、前記接続流路を介して前記第１吸着器に前記第２吸着器を接続させ、前記第１吸着器内を流通したパージガスを、前記接続流路を介して前記第２吸着器に流入させ、前記第２吸着器から二酸化炭素を脱離させる第２脱離工程を、同時に実行可能な制御部と、
を備える、
ガス分離システム。

【請求項2】

請求項１に記載のガス分離システムであって、
二酸化炭素を含有する二酸化炭素含有ガスを、前記第１吸着器および前記第２吸着器と異なる第３吸着器に供給可能な、二酸化炭素含有ガス供給流路をさらに備え、
前記制御部は、
前記二酸化炭素含有ガス供給流路を介して、前記第３吸着器に前記二酸化炭素含有ガスを供給させて、二酸化炭素を吸着させる吸着工程を、前記第１脱離工程と同時に実行可能であり、
同時に実行される前記第１脱離工程、前記第２脱離工程、および前記吸着工程を含む吸脱着工程を、前記第１脱離工程、前記第２脱離工程、および前記吸着工程のそれぞれが実行される前記第１吸着器、前記第２吸着器、および前記第３吸着器を変更して繰り返し実行可能である、
ガス分離システム。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載のガス分離システムであって、
前記制御部は、
前記第２脱離工程の一部の期間において、前記第１吸着器内を流通したパージガスを、前記接続流路を介して前記第２吸着器に流入させる、
ガス分離システム。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガス分離システムであって、
前記パージガスは、水素である、
ガス分離システム。

【請求項5】

炭化水素製造システムであって、
請求項４に記載のガス分離システムと、
前記ガス分離システムと接続され、前記ガス分離システムにより分離された二酸化炭素と、前記パージガスとして用いられた水素との混合ガスを用いて、炭化水素化合物を生成する炭化水素生成部と、を備える、
炭化水素製造システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するガス分離システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、二酸化炭素と水素からメタンを製造するメタン製造装置において、二酸化炭素吸着性能を有する吸着材を収容する吸着塔を２つ備え、それぞれの吸着塔が二酸化炭素の吸着・脱離を繰り返して、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離し、分離された二酸化炭素と離脱の際に用いられた水素とを用いてメタンを製造する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１４２８０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の技術によれば、水素で吸着塔内部をパージして二酸化炭素を脱離させ、その後に、パージで用いられた水素を利用してメタンを生成するため、パージに用いられる水素の量が限られる。そのため、パージガスによる吸着塔からの二酸化炭素の脱離効率を十分に得ることができない場合がある。このような問題は、パージガスとして水素を利用するメタン製造装置に限らず、吸着材を用いて二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離システムに共通する課題である。

【0005】

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、ガス分離システムにおいて、パージガスによる二酸化炭素の脱離効率を向上させる技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上述の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、以下の形態として実現することが可能である。

【0007】

（１）本発明の一形態によれば、二酸化炭素を吸着可能な吸着材を内部に収容する複数の吸着器を備えるガス分離システムが提供される。このガス分離システムは、前記複数の吸着器のうち、第１吸着器と第２吸着器とを直列に接続可能な接続流路と、前記第１吸着器にパージガスを供給可能なパージガス供給流路と、前記第１吸着器と前記第２吸着器に二酸化炭素が吸着された状態で、前記パージガス供給流路を介して、前記第１吸着器に前記パージガスを供給させ、前記第１吸着器から二酸化炭素を脱離させる第１脱離工程と、前記接続流路を介して前記第１吸着器に前記第２吸着器を接続させ、前記第１吸着器内を流通したパージガスを、前記接続流路を介して前記第２吸着器に流入させ、前記第２吸着器から二酸化炭素を脱離させる第２脱離工程を、同時に実行可能な制御部と、を備える。

【0008】

この構成によれば、第１吸着器を通過したパージガスを吸着器に流入させることができるため、第２吸着器も同時に脱離させることができる。第１吸着器内の二酸化炭素を脱離させたパージガスを含む混合ガスは、脱離工程開始直後は二酸化炭素の濃度が高いが、その後徐々に二酸化炭素濃度が下がる。この混合ガスを第２吸着器に流入させると、第２吸着器内の二酸化炭素も脱離が可能になる。そのため、パージガスによる二酸化炭素の脱離効率を向上させることができる。

【0009】

（２）上記形態のガス分離システムであって、二酸化炭素を含有する二酸化炭素含有ガスを、前記第１吸着器および前記第２吸着器と異なる第３吸着器に供給可能な、二酸化炭素含有ガス供給流路をさらに備え、前記制御部は、前記二酸化炭素含有ガス供給流路を介して、前記第３吸着器に前記二酸化炭素含有ガスを供給させて、二酸化炭素を吸着させる吸着工程を、前記第１脱離工程と同時に実行可能であり、同時に実行される前記第１脱離工程、前記第２脱離工程、および前記吸着工程を含む吸脱着工程を、前記第１脱離工程、前記第２脱離工程、および前記吸着工程のそれぞれが実行される前記第１吸着器、前記第２吸着器、および前記第３吸着器を変更して繰り返し実行可能であってもよい。

【0010】

この構成によれば、第３吸着器に二酸化炭素含有ガスを供給して、第３吸着器に二酸化炭素を吸着させている間に、第１吸着器および第２吸着器内に吸着された二酸化炭素を脱離させることができる。すなわち、吸着工程の時間の間に、第１吸着器および第２吸着器の脱離工程を行うため、疑似的にパージガス量を増やし、脱離時間も長くすることが可能になる。その結果、限られた量のパージガスにより、限られた時間における二酸化炭素の脱離効率を向上させることができる。

【0011】

（３）上記形態のガス分離システムであって、前記制御部は、前記第２脱離工程の一部の期間において、前記第１吸着器内を流通したパージガスを、前記接続流路を介して前記第２吸着器に流入させてもよい。このようにすると、例えば、第１吸着器から排出される混合ガスの二酸化炭素濃度が低く、第１吸着器内を流通したパージガスによる第２吸着器の二酸化炭素脱離が十分に行われると予想される期間にのみ、１吸着器内を流通したパージガスを、第２吸着器に流入させる等、適切にパージガスの再利用を行うことができる。

【0012】

（４）上記形態のガス分離システムであって、前記パージガスは、水素でもよい。このようにすると、例えば、吸着器から出てきたパージガスとしての水素と、脱離された二酸化炭素とを用いて、炭化水素を製造することができる。このようにすると、他のパージガスを用いる場合と比較して、炭化水素の純度を向上させることができる。

【0013】

（５）本発明の別の形態によれば、炭化水素製造システムが提供される。この炭化水素製造システムは、上記形態のガス分離システムと、前記ガス分離システムと接続され、前記ガス分離システムにより分離された二酸化炭素と、前記パージガスとして用いられた水素との混合ガスを用いて、炭化水素化合物を生成する炭化水素生成部と、を備える。この構成によれば、炭化水素生成部は、二酸化炭素と水素の濃度が高い混合ガスを用いて炭化水素化合物を生成することができる。これにより、純度の高い炭化水素化合物を生成することができる。また、ガス分離システムは、パージガスを再利用することによりパージガスによる二酸化炭素の脱離効率が向上されているため、炭化水素生成部における炭化水素生成効率を向上させることができる。また、炭化水素生成部のメタンの生成における余剰の水素量を低減させることができる。

【0014】

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、ガス分離方法、炭化水素製造方法、ガス分離システムの制御方法、炭化水素製造システムの制御方法、これらの制御方法をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム、そ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、その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、二酸化炭素循環システム、炭化水素を燃料とする燃料製造システムなどの形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１実施形態のガス分離システムの概略構成を示す説明図である。

【図2】ガス分離システムにおける吸着器の切替タイミングの説明図である。

【図3】ガス分離システムにおける工程１の説明図である。

【図4】ガス分離システムにおける工程２の説明図である。

【図5】ガス分離システムにおける工程３の説明図である。

【図6】工程１～工程３の開始時の二酸化炭素の吸着量を概念的に示す説明図である。

【図7】比較例のガス分離システムの概略構成を示す説明図である。

【図8】比較例のガス分離システムにおける吸着器の切替タイミングの説明図である。

【図9】第１実施形態のガス分離システムの脱離工程における二酸化炭素吸着量の変化を示す図である。

【図10】比較例のガス分離システムの脱離工程における二酸化炭素吸着量の変化を示す図である。

【図11】第２実施形態のガス分離システムの概略構成を示す説明図である。

【図12】第２実施形態のガス分離システムにおける吸着器の切替タイミングの説明図である。

【図13】第２実施形態のガス分離システムにおける工程１Ａの説明図である。

【図14】第３実施形態のガス分離システムにおける吸着器の切替タイミングの説明図である。

【図15】第３実施形態の工程１Ｂの第２脱離工程の説明図である。

【図16】第４実施形態のガス分離システムの概略構成を示す説明図である。

【図17】第４実施形態のガス分離システムにおける吸着器の切替タイミングの説明図である。

【図18】第４実施形態の工程１Ｃの第２脱離工程の説明図である。

【図19】第５実施形態の炭化水素製造システムの概略構成を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態のガス分離システム１の概略構成を示す説明図である。ガス分離システム１は、燃焼炉や内燃機関などから排出される排ガスに含まれる二酸化炭素を、分離し、回収する。ガス分離システム１は、複数の吸着器１１、１２、１３（吸着器１１、１２、１３を区別しない場合は、単に、吸着器１０とも呼ぶ）と、二酸化炭素含有ガス供給流路２０と、パージガスとしての水素を供給するパージガス供給流路７０と、２つの吸着器１０を直列に接続する接続流路８０（接続流路８１、接続流路８２、および接続流路８３）と、熱媒流路３０と、混合ガス流路６０と、サージタンク４０と、制御部５５とを備える。

【0017】

複数の吸着器１１、１２、１３は、筒状に形成され、それぞれの内部に吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａが収容されている。吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａは、二酸化炭素吸蔵性能を有する材料、例えば、ゼオライト、活性炭、シリカゲルなどである。吸着器１１、１２、１３のそれぞれには、二酸化炭素含有ガス供給流路２０と、パージガス供給流路７０と、混合ガス流路６０と、熱媒流路３０と、が接続されている。複数の吸着器１１、１２、１３のそれぞれには、図示しない冷媒流路も形成されている。

【0018】

二酸化炭素含有ガス供給流路２０は、二酸化炭素含有ガスとしての排ガスを排出する外部の排ガス供給装置（例えば、燃焼炉や内燃機関など）に接続されており、排ガス供給装置が排出する排ガスが流れる。二酸化炭素含有ガス供給流路２０を流れる排ガスは、排ガス分流路２１、２２、２３を介して、吸着器１１、１２、１３に供給される。排ガス分流路２１、２２、２３には、排ガス入口弁２１ａ、２２ａ、２３ａが、それぞれ、設けられている。排ガス入口弁２１ａ、２２ａ、２３ａのそれぞれは、制御部５５の指令に応じて、吸着器１１、１２、１３の内部への排ガスの供給を制御する。本実施形態において、二酸化炭素含有ガスとして、排ガスを例示しているが、二酸化炭素含有ガスは、排ガスでなくてもよい。

【0019】

混合ガス流路６０は、図１に示すように、混合ガス分流路６１、６２、６３を介して、吸着器１１、１２、１３のそれぞれに接続されている。混合ガス流路６０には、吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａから脱離した二酸化炭素と、パージガスとしての水素を含む混合ガスが流れる。混合ガスには、例えば、窒素、酸素等が含まれる場合がある。混合ガス分流路６１、６２、６３には、混合ガス出口弁６１ａ、６２ａ、６３ａが設けられている。混合ガス出口弁６１ａ、６２ａ、６３ａのそれぞれは、制御部５５の指令に応じて、吸着器１１、１２、１３からの混合ガスの流れを制御する。

【0020】

パージガス供給流路７０は、吸着器１１、１２、１３の内部に、パージガスを供給する。外部のパージガス供給部（例えば、水素タンク）に接続しているパージガス供給流路７０には、制御部５５の指令に応じて、パージガス供給流路７０を流れる水素の流量を調整する流量制御器７０ａが設けられている。パージガス供給流路７０を流れる水素は、パージガス分流路７１、７２、７３を介して、吸着器１１、１２、１３に供給される。パージガス分流路７１、７２、７３には、それぞれ、パージガス入口弁７１ａ、７２ａ、７３ａが設けられている。パージガス入口弁７１ａ、７２ａ、７３ａのそれぞれは、制御部５５の指令に応じて、吸着器１１、１２、１３の内部への水素の流れを制御する。

【0021】

接続流路８０は、２つの吸着器１０を直列に接続し、一方の吸着器１０から排出される混合ガス（パージガスと二酸化炭素を含む混合ガス）を他方の吸着器１０に供給する。詳しくは、接続流路８１は、混合ガス分流路６１とパージガス分流路７２とを接続して、吸着器１１と吸着器１２とを直列に接続する。接続流路８２は、混合ガス分流路６２とパージガス分流路７３とを接続して、吸着器１２と吸着器１３とを直列に接続する。接続流路８３は、混合ガス分流路６３とパージガス分流路７１とを接続して、吸着器１３と吸着器１１とを直列に接続する。すなわち、接続流路８０はバイパス流路である。接続流路８１、８２、８３には、それぞれ、接続流路弁８１ａ、８２ａ、８３ａが設けられている。接続流路弁８１ａ、８２ａ、８３ａのそれぞれは、制御部５５の指令に応じて、接続流路８０内のガスの流れを制御する。

【0022】

熱媒流路３０は、図示せざる熱媒タンクに接続され、熱媒流路３０内を熱媒が流れる。熱媒流路３０を流れる熱媒は、熱媒分流路３１、３２、３３を介して、吸着器１１、１２、１３に供給される。これにより、熱媒により吸着器１１、１２、１３に熱が投入される。熱媒流路３０には、熱媒を加熱するヒータ３０ａが設けられており、制御部５５がヒータ３０ａを制御することにより、熱媒の温度が制御される。本実施形態では、熱媒としてオイルを用いているが、他の実施形態では、水、スチーム、およびガスなどを用いてもよい。

【0023】

熱媒分流路３１、３２、３３には、熱媒入口弁３１ａ、３２ａ、３３ａが設けられている。熱媒入口弁３１ａ、３２ａ、３３ａのそれぞれは、制御部５５の指令に応じて、吸着器１１、１２、１３への熱媒の流れを制御する。本実施形態における吸着器１１、１２、１３は、二重殻タンク（二重管）であり、熱媒は、外殻と内殻との間の間隙に流入する。これにより、熱媒により熱が吸着器１１、１２、１３内に投入される。他の実施形態では、例えば、熱媒分流路３１、３２、３３が、それぞれ、吸着器１１、１２、１３の外周に巻き付けられていてもよい。このようにしても、熱媒により吸着器１１、１２、１３内に熱を投入することができる。他の実施形態では、吸着器１０に設けられたヒータ（例えば、電熱線、温風、光照射等）を用いて、吸着器１０を加熱してもよい。

【0024】

サージタンク４０には、混合ガス流路６０が接続されている。サージタンク４０は、混合ガス流路６０を流れる混合ガスを貯蔵する。

【0025】

制御部５５は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、ＣＰＵを含んで構成されるコンピュータであり、後述するガス分離処理における吸着器１１、１２、１３の切り替えや、弁の開閉制御など、ガス分離システム１の全体の制御をおこなう。制御部５５の制御内容の詳細は、後述する。

【0026】

上述のガス分離処理を実現するプログラムは、制御部５５に、予め記憶されていてもよい。また、プログラムはプログラム提供者側から通信ネットワークを介して、提供されてもよい。また、プログラムは、市販され、流通している可搬型記憶媒体に格納されていてもよい。この場合、この可搬型記憶媒体は外付け又は内蔵の読取装置にセットされて、制御部５５によってそのプログラムが読み出されて、実行されてもよい。可搬型記憶媒体としてはＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、フレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＵＳＢメモリ装置など様々な形式の記憶媒体を使用することができる。このような記憶媒体に格納されたプログラムが読取装置によって読み取られる。

【0027】

図２は、本実施形態のガス分離システム１における吸着器１０の切替タイミングの説明図である。本実施形態のガス分離処理では、図示するように、工程１、工程２、および工程３を１サイクルとして、このサイクルが、複数回繰り返される。各工程では、吸着工程、第２脱離工程（加熱＋脱離）、および第１脱離工程のそれぞれが、３つの吸着器１１、１２、および１３のいずれかにおいて実行される。具体的には、工程１では、吸着器１３において吸着工程が実行され、吸着器１１において第１脱離工程が実行され、吸着器１２において第２脱離工程が実行される。工程２では、吸着器１１において吸着工程が実行され、吸着器１２において第１脱離工程が実行され、吸着器１３において第２脱離工程が実行される。工程３では、吸着器１２において吸着工程が実行され、吸着器１３において第１脱離工程が実行され、吸着器１１において第２脱離工程が実行される。本実施形態のガス分離システム１では、このようにして、いずれか１つの吸着器において排ガス中の二酸化炭素を吸着すると同時に、他の２つの吸着器において、吸着された二酸化炭素を脱離する。これにより、定常的に、二酸化炭素含有ガス（排ガス）を供給することが可能である。本実施形態における工程１、２、３のそれぞれを「吸脱着工程」とも呼ぶ。

【0028】

１つの吸着器１０に注目すると、吸着工程、第２脱離工程、第１脱離工程が、この順に繰り返し行われる。以下に、吸着器１３を例に、説明する。吸着工程では、吸着器１３に二酸化炭素含有ガスとしての排ガスが供給されると共に、冷媒が供給される。吸着器１３を冷却することにより、排ガス中の二酸化炭素が吸着材１３ａに吸着される。所定の吸着時間が経過すると、第２脱離工程に移行する。本実施形態において、吸着時間は、吸着器１３の吸着材１３ａに満量の二酸化炭素が吸着されるのに要する時間に設定されている。吸着時間は、実験的、計算、シミュレーション等によって、求めることができる。本実施形態のガス分離処理において、各工程の長さは、同一の吸着時間に設定されている。

【0029】

第２脱離工程では、吸着器１３に熱媒が供給されると共に、パージガスとしての水素が供給される。吸着器１３に熱媒が供給され、吸着材１３ａが昇温されると、吸着材１３ａにトラップされている二酸化炭素が吸着材１３ａから脱離しやすくなる。第２脱離工程では、第１脱離工程が行われている吸着器１２（図２の工程２）から排出された二酸化炭素とパージガス（本実施形態では水素）とを含む混合ガスが吸着器１３に供給される。すなわち、接続流路８２（図１）を介してパージガスが供給される。吸着器１３にパージガスを含む混合ガスが供給されると、吸着器１３の内部の二酸化炭素の分圧が低下するため、吸着材１３ａに吸着されている二酸化炭素が吸着材１３ａから脱離する。吸着時間が経過すると、第１脱離工程に移行する。

【0030】

第１脱離工程では、吸着器１３に、パージガス供給流路７０を介してパージガスが供給される。すなわち、第１脱離工程では、外部のパージガス供給部（例えば、水素タンク）からパージガスが供給される。吸着器１３は、第２脱離工程において加熱されているため（図２）、吸着材１３ａから二酸化炭素が脱離しやすい状態になっている。吸着器１３にパージガスが供給されると、吸着器１３の内部の二酸化炭素の分圧が低下するため、吸着材１３ａに吸着されている二酸化炭素が吸着材１３ａから脱離する。吸着時間が経過すると、吸着工程に戻る。

【0031】

図３は、ガス分離システム１における工程１の説明図であり、図４は、ガス分離システム１における工程２の説明図であり、図５は、ガス分離システム１における工程３の説明図である。ガス分離システム１では、３つの吸着器１１、１２、１３のそれぞれに、順番に排ガス（二酸化炭素含有ガス）を供給することにより、排ガスから二酸化炭素を分離する。ガス分離システム１では、２つの吸着器１０が、接続流路８０を介して直列に接続される。そして、第１脱離工程が実行される吸着器１０を流通したパージガスが第２脱離工程が実行される吸着器１０に供給される。ここで、第２脱離工程の吸着器１０では、熱媒が供給されて加熱されると共に、パージガス（混合ガス）が供給される。図３～５において、排ガス、熱媒、パージガス(水素)の流れを太い実線で示している。

【0032】

図３に示すように、工程１（図２）では、吸着器１３で吸着工程が行われ、吸着器１３に排ガスが供給される。具体的には、制御部５５により排ガス入口弁２３ａが開弁されると共に、排ガス入口弁２１ａおよび排ガス入口弁２２ａが閉弁され、二酸化炭素含有ガス供給流路２０および排ガス分流路２３を介して、吸着器１３に排ガスが供給される。吸着器１３では、排ガスに含まれる二酸化炭素が吸着材１３ａによってトラップされ、吸着材１３ａにトラップされなかった窒素や水分などの大部分のガスは、オフガスとして、ガス分離システム１の外部、例えば、大気に放出される。

【0033】

吸着器１１で第１脱離工程が行われ、吸着器１１にパージガスが供給される。具体的には、制御部５５によりパージガス入口弁７１ａが開弁されると共に、パージガス入口弁７２ａおよびパージガス入口弁７３ａが閉弁され、パージガス供給流路７０およびパージガス分流路７１を介して、吸着器１１にパージガスが供給される。吸着器１１においてパージガスが供給されると、吸着材１１ａに吸着されている二酸化炭素が吸着材１１ａから脱離する。吸着材１１ａから脱離した二酸化炭素は、吸着器１１の内部においてパージガス(水素)と混合される。工程１において、混合ガス出口弁６１ａが閉弁されると共に、接続流路弁８１ａが開弁されているため、吸着器１１から排出される混合ガスは、混合ガス分流路６１、接続流路８１、およびパージガス分流路７２を通って、吸着器１２に流入する。

【0034】

吸着器１２で第２脱離工程が行われ、吸着器１２に熱媒と上述の混合ガスが供給される。具体的には、制御部５５により熱媒が所定の温度（投入熱量）になるようにヒータ３０ａが制御されると共に、熱媒入口弁３２ａが開弁される。これにより、熱媒流路３０を流れる熱媒は、熱媒分流路３２を介して、吸着器１２に供給される。吸着器１２において、熱媒が供給されると共に、パージガスを含む混合ガスが供給されると、吸着材１２ａに吸着されている二酸化炭素が吸着材１２ａから脱離する。吸着材１２ａから脱離した二酸化炭素は、吸着器１２の内部においてパージガスを含む混合ガスと混合される。工程１において、混合ガス出口弁６２ａが開弁されているため、吸着器１２から排出される混合ガスは、混合ガス分流路６２および混合ガス流路６０を通ってサージタンク４０に貯留される。第１脱離工程が行われる吸着器１０を「第１吸着器」、第２脱離工程が行われる吸着器１０を「第２吸着器」、吸着工程が行われる吸着器１０を「第３吸着器」と呼ぶとき、工程１において、吸着器１１が「第１吸着器」、吸着器１２が「第２吸着器」、吸着器１３が「第３吸着器」である。

【0035】

図４に示すように、工程２では、吸着器１１で吸着工程が行われ、吸着器１１に、二酸化炭素含有ガス供給流路２０および排ガス分流路２１を介して、排ガスが供給される。吸着器１２で第１脱離工程が行われ、吸着器１２には、パージガス供給流路７０およびパージガス分流路７２を介してパージガスが供給される。吸着器１３で第２脱離工程が行われ、吸着器１３に、混合ガス分流路６２、接続流路８２、およびパージガス分流路７３を介して、吸着器１２から排出される二酸化炭素とパージガスを含む混合ガスが、供給される。吸着器１３から排出される混合ガスは、混合ガス分流路６３および混合ガス流路６０を通ってサージタンク４０に貯留される。工程２において、吸着器１１が「第３吸着器」、吸着器１２が「第１吸着器」、吸着器１３が「第２吸着器」である。

【0036】

図５に示すように、工程３では、吸着器１２で吸着工程が行われ、吸着器１２に、二酸化炭素含有ガス供給流路２０および排ガス分流路２２を介して、排ガスが供給される。吸着器１３で第１脱離工程が行われ、吸着器１３には、パージガス供給流路７０およびパージガス分流路７３を介してパージガスが供給される。吸着器１１で第２脱離工程が行われ、吸着器１１には、混合ガス分流路６３、接続流路８３、およびパージガス分流路７１を介して、吸着器１３から排出される二酸化炭素とパージガスを含む混合ガスが供給される。吸着器１１から排出される混合ガスは、混合ガス分流路６１および混合ガス流路６０を通ってサージタンク４０に貯留される。工程３において、吸着器１１が「第２吸着器」、吸着器１２が「第３吸着器」、吸着器１３が「第１吸着器」である。すなわち、本実施形態のガス分離システム１において、制御部５５は、第１吸着器、第２吸着器、および第３吸着器を変更して、吸脱着工程を繰り返し実行している。

【0037】

図６は、工程１～工程３の開始時の二酸化炭素の吸着量を概念的に示す説明図である。図６では、二酸化炭素の吸着量をドットハッチングを付して示している。図６において、吸着器１０の全体にハッチングが付してあると、二酸化炭素の吸着量が１００％であることを示し、吸着器１０にハッチングが付してないと、二酸化炭素の吸着量が０％であることを示す。ここで、１００％とは、吸着工程終了時時に吸着器１０に吸着されている量である。上述の通り、本実施形態のガス分離システム１では、１つの吸着器１０に注目してみると、吸着工程→第２脱離工程→脱離工程を１サイクルとして、複数サイクルが繰り返される(図２)。図６では、複数サイクルが行われた後の１サイクルを例示している。

【0038】

図６（Ａ）に示すように、工程１の開始時、吸着器１３の吸着材１３ａには二酸化炭素が吸着されておらず（二酸化炭素の吸着量０％）、吸着器１１の吸着材１１ａと吸着器１２の吸着材１２ａには二酸化炭素が吸着されている。吸着器１２における二酸化炭素の吸着量は１００％であり、吸着器１１における吸着量は、吸着器１２より少ない（例えば、１０％程度)。吸着器１１は直前の工程３で第２脱離工程が行われており、吸着材１１ａが昇温された状態で、かつ一部の二酸化炭素が脱離された状態である。

【0039】

工程１では、吸着器１１にパージガスが供給され、吸着器１３に二酸化炭素含有ガスが供給される。吸着器１１と吸着器１２が直列に接続されており、吸着器１１内を流通したパージガスと、吸着器１１内の吸着材１１ａから脱離した二酸化炭素を含む混合ガスが、吸着器１２に流入する。

【0040】

工程１において、吸着器１１の吸着材１１ａに吸着されている二酸化炭素が全て脱離されるため、工程２の開始時、吸着器１１における二酸化炭素の吸着量は０％である。すなわち、吸着器１１には二酸化炭素が吸着されていない(図６（Ｂ））。また、工程１において吸着器１２に供給される混合ガスにはパージガスが含まれおり、工程１において吸着器１２の吸着材１２ａに吸着されている二酸化炭素の一部が脱離されるため、工程２の開始時、吸着器１２における二酸化炭素の吸着量は少量（例えば、１０％程度）である（図６（Ｂ））。また、工程１では、吸着器１３に二酸化炭素含有ガスが供給され、吸着材１３ａに二酸化炭素が吸着されるため、工程２の開始時、吸着器１３における二酸化炭素の吸着量は１００％である（図６（Ｂ））。

【0041】

図６（Ｂ）に示すように、工程２では、吸着器１２にパージガスが供給され、吸着器１１に二酸化炭素含有ガスが供給される。吸着器１２と吸着器１３が直列に接続されており、吸着器１２内を流通したパージガスと、吸着器１２内の吸着材１２ａから脱離した二酸化炭素を含む混合ガスが、吸着器１３に流入する。

【0042】

工程２において、吸着器１２の吸着材１２ａに吸着されている残りの二酸化炭素の全てが脱離されるため、工程３の開始時、吸着器１１における二酸化炭素の吸着量は０％である。すなわち、吸着器１１には二酸化炭素が吸着されていない(図６（Ｃ））。また、工程２において吸着器１３に供給される混合ガスにはパージガスが含まれおり、工程２において吸着器１３の吸着材１３ａに吸着されている二酸化炭素の一部が脱離されるため、工程３の開始時、吸着器１３における二酸化炭素の吸着量は少量（例えば、１０％程度）である（図６（Ｃ））。また、工程２では、吸着器１１に二酸化炭素含有ガスが供給され、吸着材１１ａに二酸化炭素が吸着されるため、工程３の開始時、吸着器１１における二酸化炭素の吸着量は１００％である（図６（Ｃ））。

【0043】

このように、工程１、２、３を１サイクルとして繰り返すことにより、各吸着器１０において、吸着工程→第２脱離工程（加熱＋脱離）→第１脱離工程が繰り返し行われる。上述の通り、第２脱離工程（加熱＋脱離）において、吸着器１０に吸着された二酸化炭素の多くを脱離させることができ、続く第１脱離工程により、残りの二酸化炭素を脱離させることができるため、各吸着材に吸着された二酸化炭素の全てを脱離させることができる。

【0044】

以上説明したように、本実施形態のガス分離システム１では、２つの吸着器１０を直列に接続し、１つの吸着器１０内を流通して二酸化炭素を脱離させたパージガスを用いて、後段の吸着器１０内の二酸化炭素を脱離させている。すなわち、パージガスを再利用しているため、パージガスによる二酸化炭素脱離効率を向上させることができる。

【0045】

次に、本実施形態の効果について、比較例と比較して説明する。
図７は、比較例のガス分離システム１Ｐの概略構成を示す説明図である。比較例のガス分離システム１Ｐは、本実施形態のガス分離システム１における接続流路８０（接続流路８１、８２、８３）を有さない。ガス分離システム１Ｐは、他の構成は本実施形態のガス分離システム１と同一である。以下、ガス分離システム１と同一の構成には同一の符号を付し、先行する説明を参照する。

【0046】

図８は、比較例のガス分離システム１Ｐにおける吸着器１０の切替タイミングの説明図である。比較例のガス分離処理では、上記実施形態と同様に、工程１Ｐ、工程２Ｐ、および工程３Ｐを１サイクルとして、このサイクルが、複数回繰り返される。比較例のガス分離システム１Ｐにおいて行われる各工程では、吸着工程、加熱工程、および脱離工程のそれぞれが、３つの吸着器１１、１２、および１３のいずれかにおいて実行される。具体的には、工程１Ｐでは、吸着器１３において吸着工程が実行され、吸着器１２において加熱工程が実行され、吸着器１１において脱離工程が実行される。工程２Ｐでは、吸着器１１において吸着工程が実行され、吸着器１３において加熱工程が実行され、吸着器１２において脱離工程が実行される。工程３Ｐでは、吸着器１２において吸着工程が実行され、吸着器１１において加熱工程が実行され、吸着器１３において脱離工程が実行される。比較例のガス分離システム１Ｐでは、このようにして、いずれか１つの吸着器１０において二酸化炭素含有ガス（排ガス）中の二酸化炭素を吸着すると同時に、他の１つの吸着器１０を加熱して吸着材を昇温させ、加熱済みの他の１つの吸着器１０において、吸着された二酸化炭素を脱離する。

【0047】

図９は、本実施形態のガス分離システム１の脱離工程における二酸化炭素吸着量の変化を示す図である。図９では、図２に示す工程１における吸着器１１（第１脱離工程）と、吸着器１２（第２脱離工程）における二酸化炭素吸着量を例示する。図９において、第１脱離工程を実線で示し、第２脱離工程を破線で示す。この例では、１工程の時間を２０００秒として設計している。吸着器１２は、前の工程（工程３）において、吸着工程が行われているため、図９に示す工程１の開始時の吸着量は、１００％である。吸着器１１は、前の工程（工程３）において、第２脱離工程（加熱＋脱離）が行われており、９０％程度が脱離されているため、二酸化炭素吸着量は、１０％程度である。この例では、吸着器１１に、満量の二酸化炭素と過不足なく反応する量のパージガスを流入させた。吸着器１１と吸着器１２とを直列に接続し、吸着器１１から排出された混合ガスを吸着器１２に供給し、排出させた。その結果、図示するように、吸着器１１の二酸化炭素吸着量は、ほぼ０になり、吸着器１２の二酸化炭素吸着量は、約１０％になった。

【0048】

このように、吸着器１１における二酸化炭素の脱離に用いられたパージガスを再利用して吸着器１２内の二酸化炭素を脱離させることにより、全ての二酸化炭素を吸着器１２から脱離させることができた。

【0049】

図１０は、比較例のガス分離システム１Ｐの脱離工程における二酸化炭素吸着量の変化を示す図である。図１０では、図８に示す工程１Ｐにおける吸着器１１の二酸化炭素吸着量を例示する。この例でも、図９に示す例と同様に、１工程の時間を２０００秒として設計している。吸着器１１は、工程２において吸着工程が行われた後、工程３において加熱工程が行われており、図１０に示す工程１の開始時の吸着量は、１００％であり、二酸化炭素が脱離しやすい状態になっている。この例では、吸着器１１に、満量の二酸化炭素と過不足なく反応する量のパージガスを、１工程の時間（２０００秒）で流入させ、引き続き、１工程の時間（２０００秒）、同量のパージガスを流して、排出させた。図示するように、吸着器１１の二酸化炭素吸着量は、３５００秒から４０００秒で０％になるものの、２０００秒（１工程終了時）では、７％程度の二酸化炭素が残留している。上記の通り、比較例のガス分離システム１Ｐは、各吸着器１０において、１～３工程が順次実行されるため（図８）、脱離工程の時間を延長することができない。そのため、脱離工程の終了時、吸着器１０には７％程度の二酸化炭素が残留する。１工程の時間を変更せず、脱離工程において全ての二酸化炭素を脱離させるには、例えば、外部から吸着器１０を加熱するエネルギーを増加させる、吸着器１０の出口を真空ポンプにつなぐ等、さらに外部エネルギーを投入して脱離を早めなければならない。

【0050】

以上説明したように、本実施形態のガス分離システム１によれば、１つの吸着器１０を通過したパージガスを再利用して、別の吸着器１０に流入させることができるため、２つの吸着器１０を、同時に脱離させることができる。１つめの吸着器１０内の二酸化炭素を脱離させて排出された、パージガスと二酸化炭素を含む混合ガスは、脱離工程開始直後は二酸化炭素の濃度が高いが、その後徐々に二酸化炭素濃度が下がる。この混合ガスを２つめの吸着器１０に流入させると、２つめの吸着器１０内の二酸化炭素も脱離が可能になる。１つの吸着器１０に注目すると、第２脱離工程と第１脱離工程の２工程で二酸化炭素の脱離を行うことにより、疑似的にパージガス量を増やし、脱離時間を長くすることができた。本実施形態のガス分離システム１において、実際には、パージガス量も１工程の時間も比較例と同じであるため、比較例と比べてパージガスによる二酸化炭素の脱離効率を向上させることができたといえる。

【0051】

また、本実施形態のガス分離システム１によれば、２つの吸着器１０を接続し、パージガスを再利用することにより、外部から吸着器１０を加熱するエネルギーを増加させる、吸着器１０の出口を真空ポンプにつなぐ等、追加で外部エネルギーを投入することなく、二酸化炭素の脱離効率を向上させることができるため、エネルギー効率の低下を抑制することができる。

【0052】

本実施形態のガス分離システム１によれば、限られた量のパージガスを用いて、二酸化炭素の脱離を効率的かつ短時間で終わらせることができるため、ガス分離システム１のサイズの小型化、省エネルギー化を実現することができる。

【0053】

＜第２実施形態＞
図１１は、第２実施形態のガス分離システム１Ａの概略構成を示す説明図である。本実施形態のガス分離システム１Ａは、第１実施形態のガス分離システム１の構成に加え、さらに２つの吸着器１４、１５と、２つの接続流路８４、８５を備える。吸着器１４、１５は、吸着器１１～１３と同様の構成を有する。吸着器１３は接続流路８３を介して吸着器１４と接続され、吸着器１４は接続流路８４を介して吸着器１５と接続され、吸着器１５は接続流路８５を介して吸着器１１と接続される。以下に説明する実施形態において、ガス分離システム１と同一の構成には同一の符号を付し、先行する説明を参照する。

【0054】

図１２は、第２実施形態のガス分離システム１Ａにおける吸着器１０の切替タイミングの説明図である。本実施形態のガス分離処理では、図示するように、工程１Ａ、工程２Ａ、工程３Ａ、工程４Ａ、および工程５Ａを１サイクルとして、このサイクルが、複数回繰り返される。各工程では、吸着工程、加熱工程、第１脱離工程、第２脱離工程、および冷却工程のそれぞれが、５つの吸着器１１、１２、１３、１４、および１５のいずれかにおいて実行される。本実施形態における工程１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａおよび５Ａのそれぞれを「吸脱着工程」とも呼ぶ。また、第１脱離工程が行われる吸着器１０を「第１吸着器」、第２脱離工程が行われる吸着器１０を「第２吸着器」、吸着工程が行われる吸着器１０を「第３吸着器」とも呼ぶ。

【0055】

具体的には、工程１Ａでは、吸着器１１において吸着工程が実行され、吸着器１２において加熱工程が実行され、吸着器１３において第１脱離工程が実行され、吸着器１４において第２脱離工程が実行され、吸着器１５において冷却工程が実行される。工程２Ａ、３Ａ、４Ａおよび５Ａでは、吸着工程、加熱工程、第１脱離工程、第２脱離工程、および冷却工程のそれぞれが対象とする吸着器１０を変更して、吸脱着工程が行われる。本実施形態のガス分離システム１Ａでは、いずれか１つの吸着器１０において排ガス中の二酸化炭素を吸着すると同時に、他の１つの吸着器１０を加熱し、他の２つの吸着器１０において、吸着された二酸化炭素を脱離し、他の１つの吸着器１０を冷却する。

【0056】

１つの吸着器１０に注目すると、吸着工程、加熱工程、第１脱離工程、第２脱離工程、冷却工程が、この順に繰り返し行われる。本実施形態では、加熱工程が脱離工程と独立して設けられており、第２脱離工程では、加熱は行われない。また、冷却工程が吸着工程と独立して設けられている。

【0057】

図１３は、ガス分離システム１Ａにおける工程１Ａの説明図である。ガス分離システム１Ａでは、５つの吸着器１１、１２、１３、１４、１５のそれぞれに、順番に排ガス（二酸化炭素含有ガス）を供給することにより、排ガスから二酸化炭素を分離する。ガス分離システム１Ａでも、第１実施形態と同様に、２つの吸着器１０が、接続流路８０を介して直列に接続され、第１脱離工程が実行される第１吸着器としての吸着器１０を流通したパージガスが、第２脱離工程が実行される第２吸着器としての吸着器１０に供給される。図１３において、排ガス、熱媒、パージガス(水素)の流れを太い実線で示している。

【0058】

図１３に示すように、工程１Ａ（図１２）では、吸着器１１で吸着工程が行われ、吸着器１１に排ガスが供給される。具体的には、制御部５５により排ガス入口弁２１ａが開弁されると共に、排ガス入口弁２２ａ～２５ａが閉弁され、二酸化炭素含有ガス供給流路２０および排ガス分流路２１を介して、吸着器１１に排ガスが供給される。吸着器１１では、排ガスに含まれる二酸化炭素が吸着材１１ａによってトラップされ、吸着材１１ａにトラップされなかった窒素や水分などの大部分のガスは、オフガスとして、ガス分離システム１の外部、例えば、大気に放出される。

【0059】

吸着器１２で加熱工程が行われ、吸着器１２に熱媒が供給される。具体的には、制御部５５により熱媒が所定の温度（投入熱量）になるようにヒータ３０ａが制御されると共に、熱媒入口弁３２ａが開弁され、熱媒入口弁３１ａ、３３ａ、３４ａおよび３５ａが閉弁され、熱媒が供給される。これにより、熱媒流路３０を流れる熱媒は、熱媒分流路３２を介して、吸着器１２に供給される。吸着器１２において、熱媒が供給されると吸着材１２ａの温度が上昇し、吸着材１２ａに吸着された二酸化炭素が脱離しやすい状態になる。

【0060】

吸着器１３で第１脱離工程が行われ、吸着器１３にパージガスが供給される。具体的には、制御部５５によりパージガス入口弁７３ａが開弁されると共に、パージガス入口弁７１ａ、７２ａ、７４ａおよび７５ａが閉弁され、パージガス供給流路７０およびパージガス分流路７３を介して、吸着器１３にパージガスが供給される。吸着器１３にパージガスが供給されると、吸着材１３ａに吸着されている二酸化炭素が吸着材１３ａから脱離する。吸着材１３ａから脱離した二酸化炭素は、吸着器１３の内部においてパージガス(水素)と混合される。工程１Ａにおいて、混合ガス出口弁６３ａが閉弁されると共に、接続流路弁８３ａが開弁されているため、吸着器１３から排出される混合ガスは、混合ガス分流路６３、接続流路８３、およびパージガス分流路７４を通って、吸着器１４に流入する。

【0061】

吸着器１４で第２脱離工程が行われ、吸着器１４に上述の混合ガスが供給される。吸着器１４にパージガスを含む混合ガスが供給されると、吸着材１４ａに吸着されている二酸化炭素が吸着材１４ａから脱離する。吸着材１４ａから脱離した二酸化炭素は、吸着器１４の内部においてパージガスを含む混合ガスと混合される。工程１Ａにおいて、混合ガス出口弁６４ａが開弁されているため、吸着器１４から排出される混合ガスは、混合ガス分流路６４および混合ガス流路６０を通ってサージタンク４０に貯留される。

【0062】

吸着器１５で冷却工程が行われ、吸着器１５に冷媒が供給される（不図示）。比較的温度が低い熱媒体が吸着器１５の熱媒体流路に供給されると、吸着材１５ａが冷却され、１５ａの温度が低下する。これにより、吸着材１５ａは、二酸化炭素を吸着しやすい状態となる。本実施形態の工程１Ａにおいて、吸着器１１が「第３吸着器」、吸着器１３が「第１吸着器」、吸着器１３が「第２吸着器」である。本実施形態のガス分離システム１Ａにおいても、制御部５５は、第１吸着器、第２吸着器、および第３吸着器を変更して、吸脱着工程を繰り返し実行している。

【0063】

以上説明したように、本実施形態のガス分離システム１Ａによっても、１つの吸着器１０を通過したパージガスを再利用して、別の吸着器１０に流入させることができるため、パージガスによる二酸化炭素の脱離効率を向上させることができる。

【0064】

＜第３実施形態＞
第３実施形態のガス分離システムは、第２実施形態のガス分離システム１Ａと同じ構成であるものの、制御部５５によるガス分離処理が第２実施形態と異なる。

【0065】

図１４は、第３実施形態のガス分離システムにおける吸着器１０の切替タイミングの説明図である。本実施形態のガス分離処理では、第２実施形態と同様に、工程１Ｂ、工程２Ｂ、工程３Ｂ、工程４Ｂ、および工程５Ｂを１サイクルとして、このサイクルが、複数回繰り返される。各工程では、吸着工程、加熱工程、第１脱離工程、第２脱離工程、および冷却工程のそれぞれが、５つの吸着器１１、１２、１３、１４、および１５のいずれかにおいて実行される。本実施形態における工程１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、４Ｂおよび５Ｂのそれぞれを「吸脱着工程」とも呼ぶ。また、第１脱離工程が行われる吸着器１０を「第１吸着器」、第２脱離工程が行われる吸着器１０を「第２吸着器」、吸着工程が行われる吸着器１０を「第３吸着器」とも呼ぶ。

【0066】

本実施形態のガス分離処理が第２実施形態のガス分離処理と異なる点は、第２脱離工程の一部の期間において、第１吸着器内を流通したパージガスを、接続流路８０を介して第２吸着器に流入させる点である。本実施形態では、第２脱離工程の後半のみ、第１吸着器内を流通したパージガスを、接続流路８０を介して第２吸着器に流入させている。図１４では、第２脱離工程の前半に「非接続」と図示しており、第１吸着器と第２吸着器とが接続されておらず、第２吸着器にパージガスが供給されないことを示している。また、第２脱離工程の後半に「接続」と図示しており、第１吸着器と第２吸着器とが接続され、第２吸着器にパージガスが供給されることを示している。

【0067】

図１５は、第３実施形態の工程１Ｂの第２脱離工程の説明図である。図１５では、第３実施形態のガス分離システムの一部を図示している。図１５（Ａ）は、第２脱離工程の前半（非接続工程）を図示し、図１５（Ｂ）は第２脱離工程の後半（接続工程）を図示している。図１５において、パージガス(水素)の流れを太い実線で示している。

【0068】

図１４に示すように、工程１Ｂでは、吸着器１３で第１脱離工程が行われ、吸着器１４で第２脱離工程が行われる。第２実施形態と同様に、吸着器１３にパージガスが供給される（図１５）。吸着器１３にパージガスが供給されると、吸着材１３ａに吸着されている二酸化炭素が吸着材１３ａから脱離し、吸着材１３ａから脱離した二酸化炭素は、吸着器１３の内部においてパージガス(水素)と混合される。図１５（Ａ）に示すように、工程１Ｂの第２脱離工程の前半では、混合ガス出口弁６３ａが開弁されると共に、接続流路弁８３ａが閉弁されている。すなわち、第１吸着器としての吸着器１３と第２吸着器としての吸着器１４とが接続されていないため、吸着器１３から排出される混合ガスは、混合ガス分流路６３、および混合ガス流路６０を通って、サージタンク４０に貯留される。

【0069】

工程１Ｂにおいて、所定の時間が経過すると第２脱離工程の接続工程に移行する。図１５（Ｂ）に示すように、工程１Ｂの第２脱離工程の後半では、混合ガス出口弁６３ａが閉弁されると共に、接続流路弁８３ａが開弁されている。すなわち、第１吸着器としての吸着器１３と第２吸着器としての吸着器１４とが接続されているため、吸着器１３から排出される混合ガスは、混合ガス分流路６３、接続流路８３、およびパージガス分流路７４を通って、吸着器１４に流入する。吸着器１４にパージガスを含む混合ガスが供給されると、吸着材１４ａに吸着されている二酸化炭素が吸着材１４ａから脱離され、吸着器１４の内部においてパージガスを含む混合ガスと混合される。工程１Ｂの後半において、混合ガス出口弁６４ａが開弁されているため、吸着器１４から排出される混合ガスは、混合ガス分流路６４および混合ガス流路６０を通ってサージタンク４０に貯留される。

【0070】

第１脱離工程の前半は、第１吸着器から排出される混合ガスの二酸化炭素濃度が高いため、混合ガスを第２吸着器に流しても、二酸化炭素の脱離効果が小さい。そのため、本実施形態のガス分離処理のように、第２脱離工程の前半では、第１吸着器と第２吸着器とを接続せず、二酸化炭素濃度が高い混合ガスをサージタンク４０に貯留し、第１吸着器から排出される混合ガスの二酸化炭素濃度が低下した後半において第１吸着器と第２吸着器とを接続し、パージガスを再利用してもよい。このようにしても、パージガスによる二酸化炭素の脱離効率を向上させることができる。

【0071】

＜第４実施形態＞
図１６は、第４実施形態のガス分離システム１Ｃの概略構成を示す説明図である。本実施形態のガス分離システム１Ｃは、第２実施形態のガス分離システム１Ａの構成に加え、真空ポンプ４５を備える。以下に説明する実施形態において、ガス分離システム１、１Ａと同一の構成には同一の符号を付し、先行する説明を参照する。

【0072】

真空ポンプ４５は、吸着器１５とサージタンク４０との間の混合ガス流路６０に両端が接続する減圧流路４６に、設けられている。減圧流路４６には、制御部５５の指令に応じて、減圧流路４６の流れを制御する切換弁４７が設けられている。また、図１６に示すように、混合ガス流路６０の、減圧流路４６の両端が接続する間には、制御部５５の指令に応じて、混合ガス流路６０の流れを制御する切換弁４８が設けられている。真空ポンプ４５は、切換弁４８が閉じられ、切換弁４７が開かれているとき、制御部５５の指令に応じて駆動し、吸着器１０の内部を減圧する。本実施形態のガス分離システム１Ｃでは、第２脱離工程の一部の期間において、真空ポンプ４５による吸着器１０内の減圧が行われる。

【0073】

第４実施形態では、第３実施形態と同様に、第２脱離工程の一部の期間において、第１吸着器内を流通したパージガスを、接続流路８０を介して第２吸着器に流入させる。本実施形態では、第３実施形態と異なり、第２脱離工程の前半のみ、第１吸着器内を流通したパージガスを、接続流路８０を介して第２吸着器に流入させている。

【0074】

図１７は、第４実施形態のガス分離システムにおける吸着器１０の切替タイミングの説明図である。本実施形態のガス分離処理では、第３実施形態と同様に、工程１Ｃ、工程２Ｃ、工程３Ｃ、工程４Ｃ、および工程５Ｃを１サイクルとして、このサイクルが、複数回繰り返される。各工程では、吸着工程、加熱工程、第１脱離工程、第２脱離工程、および冷却工程のそれぞれが、５つの吸着器１１、１２、１３、１４、および１５のいずれかにおいて実行される。本実施形態における工程１Ｃ、２Ｃ、３Ｃ、４Ｃおよび５Ｃのそれぞれを「吸脱着工程」とも呼ぶ。また、第１脱離工程が行われる吸着器１０を「第１吸着器」、第２脱離工程が行われる吸着器１０を「第２吸着器」、吸着工程が行われる吸着器１０を「第３吸着器」とも呼ぶ。

【0075】

図１７では、図１４と同様に、第２吸着器にパージガスが供給される工程に「接続」と図示し、第２吸着器にパージガスが供給されない工程に「非接続」と図示している。本実施形態では、上述の通り、第２脱離工程の前半に第１吸着器と第２吸着器とが接続されて、第２吸着器にパージガスが供給される。このとき、真空ポンプ４５は駆動されない。第２脱離工程の後半は第１吸着器と第２吸着器とが接続されておらず、第２吸着器にパージガスが供給されない。このとき、真空ポンプ４５が駆動される。このように、本実施形態では、第２脱離工程の前半は真空ポンプ４５が駆動されず、第２脱離工程の後半に真空ポンプ４５が駆動される。

【0076】

図１８は、第４実施形態の工程１Ｃの第２脱離工程の説明図である。図１８では、ガス分離システム１Ｃの一部を図示している。図１８（Ａ）は、第２脱離工程の前半（接続工程）を図示し、図１８（Ｂ）は第２脱離工程の後半（非接続工程）を図示している。図示するように、第２脱離工程の前半では、真空ポンプ４５が駆動されず、第２脱離工程の後半では、真空ポンプ４５が駆動される。図１８において、パージガス(水素)の流れを太い実線で示している。

【0077】

図１７に示すように、工程１Ｃでは、吸着器１３で第１脱離工程が行われ、吸着器１４で第２脱離工程が行われる。第２実施形態と同様に、吸着器１３にパージガスが供給される（図１８）。吸着器１３にパージガスが供給されると、吸着材１３ａに吸着されている二酸化炭素が吸着材１３ａから脱離し、吸着材１３ａから脱離した二酸化炭素は、吸着器１３の内部においてパージガス(水素)と混合される。図１８（Ａ）に示すように、工程１Ｃの第２脱離工程の前半では、混合ガス出口弁６３ａが閉弁されると共に、接続流路弁８３ａが開弁されている。また、切換弁４７が閉弁され、真空ポンプ４５が停止されており、切換弁４８が開弁されている。すなわち、第１吸着器としての吸着器１３と第２吸着器としての吸着器１４とが接続されているため、吸着器１３から排出される混合ガスは、混合ガス分流路６３、接続流路８３、およびパージガス分流路７４を通って、吸着器１４に流入する。吸着器１４にパージガスを含む混合ガスが供給されると、吸着材１４ａに吸着されている二酸化炭素が吸着材１４ａから脱離され、吸着器１４の内部においてパージガスを含む混合ガスと混合される。工程１Ｃの前半において、混合ガス出口弁６４ａが開弁されているため、吸着器１４から排出される混合ガスは、混合ガス分流路６４および混合ガス流路６０を通ってサージタンク４０に貯留される。

【0078】

工程１Ｃにおいて、所定の時間が経過すると第２脱離工程の接続工程に移行する。図１８（Ｂ）に示すように、工程１Ｃの第２脱離工程の後半では、混合ガス出口弁６３ａが開弁されると共に、接続流路弁８３ａが閉弁されている。また、切換弁４７が開弁され、真空ポンプ４５が駆動され、切換弁４８が閉弁されている。すなわち、第１吸着器としての吸着器１３と第２吸着器としての吸着器１４とが接続されていないため、吸着器１３から排出される混合ガスは、混合ガス分流路６３、混合ガス流路６０、減圧流路４６を通って、サージタンク４０に貯留される。

【0079】

本実施形態において、第２脱離工程の後半では、真空ポンプ４５を用いて二酸化炭素の脱離をアシストしている。この場合に、吸着器１３と吸着器１４とを接続すると、第２吸着器としての吸着器１４における二酸化炭素の脱離をアシストすることになり、第１吸着器としての吸着器１３における二酸化炭素の脱離を効率的に行うことができない。本実施形態では、第２脱離工程の前半では、第１吸着器と第２吸着器とを接続して、パージガスを再利用してパージガスによる二酸化炭素の脱離効率を向上させ、第２脱離工程の後半では、第１吸着器と第２吸着器とを接続せず、真空ポンプ４５を用いて第１吸着器の二酸化炭素脱離率を向上させている。このようにしても、パージガスによる二酸化炭素の脱離効率を向上させることができる。

【0080】

＜第５実施形態＞
図１９は、第５実施形態の炭化水素製造システム５の概略構成を示す説明図である。本実施形態の炭化水素製造システム５は、二酸化炭素（ＣＯ₂）と水素（Ｈ₂）との混合ガスを用いて、メタン（ＣＨ₄）を製造する装置であり、ガス分離システム１と炭化水素生成部８を備える。なお、本実施形態は、メタン以外の炭化水素化合物を製造する炭化水素製造装置にも適用可能であり、例えば、エタンやプロパンなどの炭素と水素とから構成される化合物やメタノールなどの主に炭素と水素とから構成される化合物を「炭化水素化合物」として製造する「炭化水素製造装置」にも適用可能である。

【0081】

本実施形態において、サージタンク４０は、混合ガス流路６０を流れる混合ガスを一時的に貯蔵する。サージタンク４０に貯蔵された混合ガスは、炭化水素生成部８に送られる。炭化水素生成部８は、サージタンク４０が供給する二酸化炭素と水素との混合ガスを用いて、メタンを生成する。生成されたメタンは、炭化水素製造システム５の外部の装置に供給される。

【0082】

以上説明したように、本実施形態の炭化水素製造システム５は、ガス分離システム１を備え、ガス分離システム１によって排ガスから分離された二酸化炭素と、パージガスとしての水素を用いて、炭化水素としてのメタンを生成している。そのため、純度の高い炭化水素化合物を生成することができる。また、上述の通り、ガス分離システム１は、パージガスを再利用することによりパージガスによる二酸化炭素の脱離効率が向上されているため、炭化水素生成部８における炭化水素生成効率を向上させることができる。また、炭化水素生成部８のメタンの生成における余剰の水素量を低減させることができる。

【0083】

＜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。

【0084】

・上記実施形態において、パージガスとして、水素以外のガスを用いてもよい。例えば、ヘリウム、ネオン等の希ガス、水蒸気、メタン、およびそれらの少なくとも一つを含む混合ガス等を用いることができる。第５実施形態の炭化水素製造システム５においてパージガスとして水素以外のガスを用いる場合には、炭化水素生成部８に水素を供給する水素供給部を備えればよい。但し、パージガスとして水素を用いると、炭化水素生成部８において高純度の炭化水素を生成することができるため、好ましい。

【0085】

・吸着器１０の数は、上記実施形態に限定されず、４つ以下でもよいし、６つ以上でもよい。

【0086】

・上記実施形態において、第１吸着器にパージガスが供給され、第１吸着器から排出されるパージガスと二酸化炭素を含む混合ガスが第２吸着器に供給され、第２吸着器から排出される混合ガスがサージタンク４０に貯留される例を示したが、第２吸着器にさらに複数の吸着器が直列に接続される構成にしてもよい。例えば、第２吸着器の後段に、第４吸着器、第５吸着器、および第６吸着器を直列に接続した場合、第２吸着器から排出された混合ガスが第４吸着器に供給され、第４吸着器において脱離された二酸化炭素を含み第４吸着器から排出される混合ガスが第５吸着器に供給され、第５吸着器において脱離された二酸化炭素を含み第５吸着器から排出される混合ガスが第６吸着器に供給され、第６吸着器において脱離された二酸化炭素を含み第６吸着器から排出される混合ガスがサージタンク４０に貯留される。このようにすると、後段になるほど、１工程における二酸化炭素脱離量は少なくなるものの、パージガスを再利用して吸着器１０内の二酸化炭素を脱離することができるため、パージガスによる二酸化炭素の脱離効率を向上させることができる。但し、上段の吸着器１０から排出される混合ガスが二酸化炭素で飽和状態である場合には、後段の吸着器１０において、二酸化炭素の脱離ができないため、脱離工程において直列に接続する吸着器１０の数は、パージガスの供給量、１工程の時間に応じて、後段の吸着器１０においても二酸化炭素を脱離可能なように、適宜設定することが好ましい。

【0087】

・上記実施形態において、パージガスを流すことに加えて、吸着材の温度を上昇させる、いわゆる温度スイングを行って、二酸化炭素を脱離させる例を示したが、温度スイングを行わず、パージガスを流すことのみで二酸化炭素の脱離を行ってもよい。また、パージガスの供給に加えて、真空ポンプを用いて減圧してもよいし、さらに、温度スイングを行ってもよい。

【0088】

・上記第３実施形態において、第２脱離工程の後半において、第１吸着器内を流通したパージガスを、接続流路を介して第２吸着器に流入させる例を示し、上記第４実施形態において、第２脱離工程の前半において、第１吸着器内を流通したパージガスを、接続流路を介して第２吸着器に流入させる例を示したが、第１吸着器と第２吸着器とを接続してパージガスを再利用する期間は、上記実施形態に限定されない。例えば、第２脱離工程を、前期、中期、後期の３つの期間に分け、前期では、第１吸着器と第２吸着器とを接続せず、第１吸着器のみで二酸化炭素の脱離を行い、中期で第１吸着器と第２吸着器とを接続して（多段化し）、第１吸着器および第２吸着器で二酸化炭素の脱離を行い、後期で再び第１吸着器と第２吸着器との接続を解除して、第１吸着器のみで二酸化炭素の脱離を行ってもよい。

【0089】

・上記第３、４実施形態では、第２脱離工程における吸着器の接続有無を、時間の経過に応じて切替える例を示したが、これに限定されない。例えば、第１吸着器から排出される混合ガスの二酸化炭素濃度が低いときに接続する（多段化する）等、第１吸着器から排出される混合ガスの二酸化炭素濃度に応じて接続有無を切替えてもよい。また、吸着器からの二酸化炭素の脱離速度が速いときに接続を解除する（単一吸着器）等、二酸化炭素の脱離速度に応じて接続有無を切替えてもよい。

【0090】

・上記実施形態では、混合ガス分流路とパージガス分流路とをバイパス流路としての接続流路８０により接続する例をしめしたが、接続流路は上記実施形態に限定されない。例えば、接続流路８０を、混合ガス分流路とパージガス分流路と別個に設けてもよい。接続流路８０を、混合ガス分流路とパージガス分流路と別個に設ける場合、上記実施形態と同様に、第１吸着器内のパージガスの流通方向と第２吸着器内のパージガスの流通方向とが同じになるように接続してもよいし（例えば、第１吸着器と第２吸着器の図面下側を接続流路８０によって接続する）、第１吸着器内のパージガスの流通方向と第２吸着器内のパージガスの流通方向とが異なり、ターンするように接続してもよい（例えば、第１吸着器の図面下側と、第２吸着器の図面下側を接続流路８０により接続する）。

【0091】

・上記実施形態におけるサージタンクを備えなくてもよい。サージタンクがある場合、混合ガスの水素と二酸化炭素の比率を安定させることができるほか、水素の流量を逐次調整しなくても水素と二酸化炭素の比率を目標の範囲内とすることができるため、好ましい。

【0092】

・他の実施形態として、二酸化炭素循環システムや、炭化水素を燃料とする燃料製造システムを構成してもよい。例えば、二酸化炭素循環システムは、上記第５実施形態の炭化水素製造システム５と、炭化水素製造システム５の炭化水素生成部８から供給されるメタンと、炭化水素製造システム５のサージタンク４０から供給される二酸化炭素と、大気中の空気とを用いる燃焼器を備え、燃焼器から排出される排ガスを炭化水素製造システム５に供給することにより、二酸化炭素を循環させる。また、燃料製造システムは、上記第５実施形態の炭化水素製造システム５と、燃料製造部を備え、炭化水素製造システム５により製造された炭化水素を用いて、燃料を製造する。

【0093】

以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、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、本発明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。

【符号の説明】

【0094】

１、１Ａ、１Ｃ、１Ｐ…ガス分離システム
５…炭化水素製造システム
８…炭化水素生成部
１０、１１、１２、１３、１４、１５…吸着器
１１ａ、１２、１３ａ、１４ａ、１５ａ…吸着材
２０…二酸化炭素含有ガス供給流路
２１、２２、２３…排ガス分流路
２１ａ、２２ａ、２３ａ…排ガス入口弁
３０…熱媒流路
３０ａ…ヒータ
３１、３２…熱媒分流路
３１ａ、３２ａ…熱媒入口弁
４０…サージタンク
４５…真空ポンプ
４６…減圧流路
４７、４８…切換弁
５５…制御部
６０…混合ガス流路
６１、６２、６３、６４…混合ガス分流路
６１ａ、６２ａ、６３ａ、６４ａ…混合ガス出口弁
７０…パージガス供給流路
７０ａ…流量制御器
７１、７２、７３、７４…パージガス分流路
７１ａ、７２ａ、７３ａ…パージガス入口弁
８０、８１、８２、８３、８４、８５…接続流路
８１ａ、８２ａ、８３ａ、８４ａ、８５ａ…接続流路弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】