特開 2024-115206 ガス処理方法及びガス処理装置

(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】P2024115206

(43)【公開日】2024-08-26

(54)【発明の名称】ガス処理方法及びガス処理装置

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/14 20060101AFI20240819BHJP

   B01D 53/40 20060101ALI20240819BHJP

   B01D 53/78 20060101ALI20240819BHJP

   C07C 1/12 20060101ALI20240819BHJP

   C07C 9/04 20060101ALI20240819BHJP

   C07C 31/04 20060101ALI20240819BHJP

   C07C 31/08 20060101ALI20240819BHJP

   C07C 29/152 20060101ALI20240819BHJP

   C07B 61/00 20060101ALN20240819BHJP

【ＦＩ】

B01D53/14 220

B01D53/40 200

B01D53/78 ZAB

C07C1/12

C07C9/04

C07C31/04

C07C31/08

C07C29/152

C07B61/00 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023020773

(22)【出願日】2023-02-14

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り １．学会での発表 開催日：令和４年１０月２６日 集会名：１６ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ Ｇａｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（第１６回 温室効果ガス制御技術国際会議） 開催場所：Ｃｉｔｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅ Ｃｅｎｔｒｅ ｄｅ Ｃｏｎｇｒｅｓ ｄｅ Ｌｙｏｎ （５０ Ｑｕａｉ Ｃｈａｒｌｅｓ ｄｅ Ｇａｕｌｌｅ ６９４６３ Ｌｙｏｎ Ｃｅｄｅｘ ０６，Ｆｒａｎｃｅ） （リヨン国際会議場、フランス国 ６９４６３ リヨン セデックス０６ シャルル・ド・ゴール通り ５０） ２．予稿集への掲載 ウェブサイトの掲載日：令和４年１１月２８日 ウェブサイトのアドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｐａｐｅｒｓ．ｓｓｒｎ．ｃｏｍ／ｓｏｌ３／ｐａｐｅｒｓ．ｃｆｍ？ａｂｓｔｒａｃｔ＿ｉｄ＝４２８５２２０

(71)【出願人】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(71)【出願人】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100137143

【弁理士】

【氏名又は名称】玉串 幸久

(72)【発明者】

【氏名】岸本 啓

(72)【発明者】

【氏名】前田 基秀

(72)【発明者】

【氏名】吉澤 舞

(72)【発明者】

【氏名】町田 洋

(72)【発明者】

【氏名】則永 行庸

【テーマコード（参考）】

4D002

4D020

4H006

【Ｆターム（参考）】

4D002AA02

4D002AA04

4D002AA09

4D002AA19

4D002AB01

4D002AC10

4D002BA02

4D002CA13

4D002DA31

4D002DA32

4D002DA35

4D002EA08

4D002HA08

4D020AA03

4D020AA06

4D020AA10

4D020BA16

4D020BA19

4D020BA23

4D020BB03

4D020BB04

4D020BC01

4D020CC09

4H006AA02

4H006AA04

4H006AC41

4H006AC90

4H006BD10

4H006BD84

4H006BE20

4H006BE41

4H006FE11

(57)【要約】

【課題】処理液の再生に要するエネルギーを効果的に低減できるようにする。
【解決手段】ガス処理装置１０は、二酸化炭素を含む被処理ガスと処理液とを接触させて、被処理ガスに含まれる二酸化炭素を前記処理液に吸収させる吸収器２１と、二酸化炭素を吸収した処理液を加熱して、当該処理液から二酸化炭素を分離する再生器２２と、再生器２２において処理液から分離され且つ二酸化炭素を含むガスを用いて、メタンを合成する反応器１４と、処理液からの二酸化炭素の分離を促進させる分離促進ガスを再生器２２に導入する導入路５２と、を備える。導入路５２は、反応器１４において発生する熱を熱源として、再生器２２への導入前に分離促進ガスを予熱する伝熱路５２ｂを有している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水への溶解で酸を生じる酸性化合物を含む被処理ガスと、処理液とを、吸収器内で接触させて、前記被処理ガスに含まれる前記酸性化合物を前記処理液に吸収させる吸収工程と、
前記酸性化合物を吸収した前記処理液を再生器において加熱して、当該処理液から前記酸性化合物を分離する再生工程と、
前記再生工程で前記処理液から分離され且つ前記酸性化合物を含むガスを用いて、合成反応を起こさせる反応工程と、
を備え、
前記再生工程において、前記処理液からの前記酸性化合物の分離を促進させる分離促進ガスを導入し、
前記分離促進ガスを、前記再生器に導入する前に、前記反応工程で発生する熱を熱源として予熱する、ガス処理方法。

【請求項2】

前記処理液は、前記酸性化合物の吸収により相分離する処理液であり、
前記分離促進ガスは、前記処理液にほぼ溶解しないガス、水蒸気、又は水蒸気と前記処理液にほぼ溶解しないガスとの混合ガスである、請求項１に記載のガス処理方法。

【請求項3】

前記反応工程は、メタンを合成する工程、メタノールを合成する工程、エタノールを合成する工程のいずれかである、請求項１又は２に記載のガス処理方法。

【請求項4】

前記再生工程で生じたガスを、前記反応工程で利用する前に、前記反応工程で予熱された前記分離促進ガスにより予熱する、請求項１又は２に記載のガス処理方法。

【請求項5】

水への溶解で酸を生じる酸性化合物を含む被処理ガスと処理液とを接触させて、前記被処理ガスに含まれる前記酸性化合物を前記処理液に吸収させる吸収器と、
前記酸性化合物を吸収した前記処理液を加熱して、当該処理液から前記酸性化合物を分離する再生器と、
前記再生器において前記処理液から分離され且つ前記酸性化合物を含むガスを用いて、合成反応を起こさせる反応器と、
前記処理液からの前記酸性化合物の分離を促進させる分離促進ガスを前記再生器に導入する導入路と、を備え、
前記導入路は、前記反応器において発生する熱を熱源として、前記再生器への導入前に前記分離促進ガスを予熱する伝熱路を有している、ガス処理装置。

【請求項6】

前記処理液は、前記酸性化合物の吸収により相分離する処理液であり、
前記分離促進ガスは、前記処理液にほぼ溶解しないガス、水蒸気、又は水蒸気と前記処理液にほぼ溶解しないガスとの混合ガスである、請求項５に記載のガス処理装置。

【請求項7】

前記反応器は、メタンを合成する反応器、メタノールを合成する反応器、エタノールを合成する反応器のいずれかである、請求項５又は６に記載のガス処理装置。

【請求項8】

前記再生器で生じ且つ前記反応器に導入される前のガスを、前記反応器で発生する熱を熱源として予熱する予熱器をさらに備えている、請求項５又は６に記載のガス処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス処理方法及びガス処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、被処理ガスに含まれる酸性化合物を処理液と接触させることによって、酸性化合物を分離させるガス分離方法が知られている。この種のガス分離方法では、吸入器において、被処理ガスと処理液とを接触させて、被処理ガス中の酸性化合物を処理液に吸収させる一方で、再生器において、処理液を加熱することにより、処理液から酸性化合物を分離させる。一方、下記特許文献１には、ＣＯ２分離装置に加えて、メタネーション反応装置が設けられたシステムが開示されており、このシステムでは、メタネーション反応装置で生じた熱をＣＯ２分離装置における再生部での処理液の再生に利用している。また、下記特許文献２においても、メタン製造設備で生じた反応熱を、ＣＯ２分離回収装置におけるリボイラに供給することが開示されている。

【0003】

下記非特許文献１には、酸性化合物の含有率が高い第１相部分（例えばアミン相）と酸性化合物の含有率が低い第２相部分（例えばエーテル相）とに液相分離する処理液を用いることにより、処理液の再生エネルギーを下げることが可能になることが開示されている。また、下記非特許文献２には、吸収液から酸化性化合物を脱離して処理液を再生する際に、水素ガスを吹き込むことにより、吸収液の再生促進ができて、再生温度の低温化を図れることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５－５１９０１号公報

【特許文献2】特開２０２０－６３２０６号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｍａｃｈｉｄａ ｅｔ ａｌ．，“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｓｏｌｖｅｎｔ ｆｏｒ ＣＯ２ ｃａｐｔｕｒｅ ｂｙ ａｑｕｅｏｕｓ（ａｍｉｎｅ＋ｅｔｈｅｒ） ｓｏｌｕｔｉｏｎ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ，（米），Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｌｔｄ．，２０１７，Ｖｏｌ．１１３，ｐ．６４－７０

【非特許文献2】Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｍａｃｈｉｄａ ｅｔ ａｌ．，“Ｅｎｅｒｇｙ－Ｓａｖｉｎｇ ＣＯ２ Ｃａｐｔｕｒｅ ｂｙ Ｈ２ Ｇａｓ Ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ＣＯ２ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ” ＡＣＳ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｃｈｅｍ． Ｅｎｇ． ２０２０，８，２３，８７３２－８７４０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１及び２に示されているように、メタネーション反応装置で生じた熱をＣＯ２分離装置での処理液の再生に利用すれば、処理液の再生に要するエネルギーを低減することができる。また、非特許文献２に開示されているように、処理液の再生時に水素を介在させることによっても、処理液の再生に要するエネルギーを低減することができる。このため、メタネーション反応装置で生じた熱を処理液の再生工程で利用するだけでなく、この再生工程を実施する再生器に水素ガスを導入すれば、さらなる再生エネルギーの低減を図ることが期待できる。しかしながら、再生器に水素ガスを導入したとしても、メタネーション反応装置からの熱が水素ガスの加熱用に消費されてしまうため、メタネーション反応装置で生じた熱を再生器に導入したとしても、この熱を処理液の再生に有効に利用できるとは限らない。

【0007】

そこで、本発明は、前記従来技術を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、処理液の再生に要するエネルギーを効果的に低減できるようにすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記の目的を達成するため、本発明に係るガス処理方法は、水への溶解で酸を生じる酸性化合物を含む被処理ガスと、処理液とを、吸収器内で接触させて、前記被処理ガスに含まれる前記酸性化合物を前記処理液に吸収させる吸収工程と、前記酸性化合物を吸収した前記処理液を再生器において加熱して、当該処理液から前記酸性化合物を分離する再生工程と、前記再生工程で前記処理液から分離され且つ前記酸性化合物を含むガスを用いて、合成反応を起こさせる反応工程と、を備える。前記再生工程において、前記処理液からの前記酸性化合物の分離を促進させる分離促進ガスを導入し、前記分離促進ガスを、前記再生器に導入する前に、前記反応工程で発生する熱を熱源として予熱する。

【0009】

本発明では、再生工程において分離促進ガスが用いられるため、処理液から酸性化合物を分離し易くすることができる。このため、再生器での再生温度として、より低い温度を設定することができ、かつより低いエネルギーで酸性化合物を分離することが可能となる。しかも、分離促進ガスを再生器に導入する前に、反応工程で発生する熱を熱源として分離促進ガスを予熱するため、再生工程で処理液の再生のために用いられるべき熱が分離促進ガスを加熱するのに消費されてしまうことを抑制できる。したがって、処理液からの酸性化合物の分離効率が低下することを抑制できる。また、反応工程で発生する熱を有効利用するため、分離促進ガスを予熱するための熱源を別途用意する必要もない。

【0010】

前記処理液は、前記酸性化合物の吸収により相分離する処理液であってもよい。この場合、前記分離促進ガスは、前記処理液にほぼ溶解しないガス、水蒸気、又は水蒸気と前記処理液にほぼ溶解しないガスとの混合ガスであってもよい。この態様では、再生工程において、処理液にほぼ溶解しないガスである分離促進ガスを処理液に接触させるだけでなく、酸性化合物の含有率の低い相部分を介在させた状態で、処理液から酸性化合物を分離する。このため、より一層、処理液の再生に要するエネルギーを低減することができる。また水蒸気や、水蒸気と処理液にほぼ溶解しないガスとの混合ガスの場合においても、再生工程において、水蒸気が処理液に接触することにより、再生に要するエネルギーを低減できる。

【0011】

前記反応工程は、メタンを合成する工程、メタノールを合成する工程、エタノールを合成する工程のいずれかであってもよい。この態様では、処理液から分離されたガスに含まれる酸性化合物を利用してメタン、メタノール又はエタノールが合成される。

【0012】

前記再生工程で生じたガスを、前記反応工程で利用する前に、前記反応工程で予熱された前記分離促進ガスにより予熱してもよい。

【0013】

この態様では、再生工程で生じたガスが、反応工程で利用される前に加熱されるため、再生工程での再生温度が低い場合においても、ガスを反応工程で効率的に利用できる。しかも、反応工程で生じた熱を分離促進ガスを介して再生工程で利用するため、熱収支をより高めることができる。

【0014】

本発明に係るガス処理装置は、水への溶解で酸を生じる酸性化合物を含む被処理ガスと処理液とを接触させて、前記被処理ガスに含まれる前記酸性化合物を前記処理液に吸収させる吸収器と、前記酸性化合物を吸収した前記処理液を加熱して、当該処理液から前記酸性化合物を分離する再生器と、前記再生器において前記処理液から分離され且つ前記酸性化合物を含むガスを用いて、合成反応を起こさせる反応器と、前記処理液からの前記酸性化合物の分離を促進させる分離促進ガスを前記再生器に導入する導入路と、を備える。前記導入路は、前記反応器において発生する熱を熱源として、前記再生器への導入前に前記分離促進ガスを予熱する伝熱路を有している。

【0015】

本発明では、導入路を通して再生器に分離促進ガスが導入されるため、処理液から酸性化合物を分離し易くすることができる。このため、再生器での再生温度として、より低い温度を設定することができ、かつより低いエネルギーで酸性化合物を分離することが可能となる。しかも、分離促進ガスを再生器に導入する前に、反応器で発生する熱を熱源として分離促進ガスを予熱するため、再生器で処理液の再生のために用いられるべき熱が分離促進ガスを加熱するのに消費されてしまうことを抑制できる。したがって、処理液からの酸性化合物の分離効率が低下することを抑制できる。また、反応器で発生する熱を有効利用するため、分離促進ガスを予熱するための熱源を別途用意する必要もない。

【0016】

前記処理液は、前記酸性化合物の吸収により相分離する処理液であってもよい。この場合、前記分離促進ガスは、前記処理液にほぼ溶解しないガス、水蒸気、又は水蒸気と処理液にほぼ溶解しないガスとの混合ガスであってもよい。この態様では、再生器内において、処理液にほぼ溶解しないガスである分離促進ガスを処理液に接触させるだけでなく、酸性化合物の含有率の低い相部分を介在させた状態で、処理液から酸性化合物を分離する。このため、より一層、処理液の再生に要するエネルギーを低減することができる。また水蒸気や、水蒸気と処理液にほぼ溶解しないガスとの混合ガスの場合においても、再生器内において、水蒸気が処理液に接触することにより、再生に要するエネルギーを低減できる。

【0017】

前記反応器は、メタンを合成する反応器、メタノールを合成する反応器、エタノールを合成する反応器のいずれかであってもよい。

【0018】

前記ガス処理装置は、前記再生器で生じ且つ前記反応器に導入される前のガスを、前記反応器で発生する熱を熱源として予熱する予熱器をさらに備えていてもよい。

【0019】

この態様では、再生器で生じたガスが、反応器に導入される前に加熱されるため、再生器における再生工程での処理液の再生温度が低い場合においても、ガスを反応器で効率的に利用できる。しかも、反応器で生じた熱を再生器で利用するため、熱収支をより高めることができる。

【発明の効果】

【0020】

以上説明したように、本発明によれば、処理液の再生に要するエネルギーを効果的に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】第１実施形態に係るガス処理装置を概略的に示す図である。

【図2】第１実施形態の変形例に係るガス処理装置を概略的に示す図である。

【図3】第１実施形態の変形例に係るガス処理装置を概略的に示す図である。

【図4】第２実施形態に係るガス処理装置を概略的に示す図である。

【図5】第２実施形態の変形例に係るガス処理装置を概略的に示す図である。

【図6】第２実施形態の変形例に係るガス処理装置を概略的に示す図である。

【図7】第２実施形態の変形例に係るガス処理装置を概略的に示す図である。

【図8】第２実施形態の変形例に係るガス処理装置を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

【0023】

（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態に係るガス処理装置１０は、処理液を用いて酸性化合物を含む被処理ガスから酸性化合物を分離するために利用されるガス分離装置１２と、ガス分離装置１２で得られたガスを用いて、合成反応を起こさせる反応器１４と、を備えている。本実施形態では、酸性化合物は二酸化炭素であり、反応器１４は、ガス分離装置１２で分離された二酸化炭素を含むガスを用いて炭化水素であるメタンを合成するように構成されている。したがって、ガス処理装置１０は、炭化水素ガスを生成するガス生成装置としても機能する。

【0024】

本実施形態のガス処理装置１０は、炭化水素ガスを生成するための装置として構成されるため、酸性化合物としての二酸化炭素を処理対象としている。ただし、ガス分離装置１２が分離する酸性化合物としては、水溶液が酸性となるものであれば特に限定されず、例えば塩化水素、二酸化炭素、二酸化硫黄、二硫化炭素等が挙げられる。酸性化合物を含む被処理ガスとしては、例えば産業排ガス、精製時に生ずるプロセスガス、天然ガス等が挙げられる。

【0025】

ガス分離装置１２は、吸収器２１と、再生器２２と、循環路２４と、熱交換器２６とを備えている。循環路２４は、吸収器２１から処理液（リッチ液）を抜き出して再生器２２に導入させる第１流路２４ａと、再生器２２から処理液（リーン液）を抜き出して吸収器２１に還流させる第２流路２４ｂとを含む。

【0026】

熱交換器２６は、第１流路２４ａ及び第２流路２４ｂに接続され、第１流路２４ａを流れる処理液と第２流路２４ｂを流れる処理液との間で熱交換させる。なお、熱交換器２６は省略することが可能である。

【0027】

吸収器２１には、被処理ガスを供給する導入路３１と、処理後のガスを排出するガス排出路３２と、処理液を再生器２２に送るための第１流路２４ａと、再生器２２から処理液を吸収器２１に戻すための第２流路２４ｂと、が接続されている。導入路３１は、吸収器２１の下端部に接続され、ガス排出路３２は、吸収器２１の上端部に接続されている。第１流路２４ａは、吸収器２１の下端部又は下端部近傍に接続されている。すなわち、第１流路２４ａは、吸収器２１内に溜まった処理液を抜き出すことができる位置に接続されている。第２流路２４ｂは、吸収器２１の上端部又は上端部近傍に接続されている。すなわち、第２流路２４ｂは、再生器２２から還流された処理液を上から流下させることができる位置に接続されている。

【0028】

吸収器２１は、被処理ガスと処理液とを接触させることにより、被処理ガス中の酸性化合物を処理液に吸収させ、酸性化合物が除去されたガスを排出する。このような吸収器２１としては、被処理ガスと処理液とを連続的に接触させられるものであればよい。なお、吸収器２１における酸性化合物の吸収は発熱反応である。酸性化合物が二酸化炭素である場合、二酸化炭素の吸収量１ｔ当たりの発熱量は約１．８ＧＪである。吸収器２１において発生するこの反応熱は、被処理ガス及び処理液の温度を上昇させる。

【0029】

再生器２２には、第１流路２４ａと、第２流路２４ｂとが接続されている。第１流路２４ａは、再生器２２の上部に接続されており、酸性化合物を吸収し吸収器２１から導出された処理液を再生器２２内に導入させる。第１流路２４ａには、ポンプ３４が設けられている。第２流路２４ｂは、再生器２２の下端部又は下端部近傍に接続されており、再生器２２内に貯留された処理液を導出させる。第２流路２４ｂには、ポンプ３６が設けられている。

【0030】

再生器２２は、酸性化合物を吸収した処理液が貯留され、この貯留された処理液を加熱することによって、酸性化合物を処理液から脱離させる。この処理液からの酸性化合物の脱離は、吸熱反応である。再生器２２は、処理液を加熱すると、酸性化合物が脱離するだけでなく、処理液中の水が蒸発する。

【0031】

再生器２２には、加熱流路４２と供給路４０とが接続されている。加熱流路４２は、再生器２２内の処理液を加熱するための流路であり、熱源から熱を受け取るリボイラ４６が設けられている。加熱流路４２は、再生器２２から処理液を流出させてリボイラ４６において処理液を加熱し、再生器２２内における底部に戻す。なお、リボイラ４６は、後述の反応器１４からの回収熱を熱源としてもよいが、これ以外に、例えば電気、蒸気、バーナー等任意の熱源を用いて、直接的又は間接的に処理液を加熱する構成であってもよい。

【0032】

加熱流路４２の一端部は再生器２２の下部に接続されている。加熱流路４２の他端部は第２流路２４ｂに接続されているが、再生器２２の下端部又は下端部近傍に接続されていてもよい。

【0033】

供給路４０は、再生器２２内で得られた酸性化合物を含むガスを反応器１４に供給する。供給路４０には、処理液から蒸発した酸性化合物のガスと水蒸気との混合気体を冷却するためのコンデンサ４４が設けられている。混合気体は冷却されると、水蒸気が凝縮するので、水蒸気を分離することができる。分離された水蒸気は再生器２２に還流される。コンデンサ４４としては、川水等の安価な冷却水を用いた熱交換器を用いることができる。

【0034】

反応器１４は、再生器２２において処理液から分離され且つ酸性化合物を含むガスを用いて、合成反応を起こさせる。すなわち、反応器１４では、二酸化炭素を含むガスと、後述の導入路５２を通して供給される水素ガスとを用いてメタンが合成される。具体的に、反応器１４では、二酸化炭素と水素とによる逆シフト反応も進行し、これにより、一酸化炭素と水素とが生成される。

【0035】

【数1】

【0036】

この反応式（１）による反応は高温であるほど右側（一酸化炭素が生成される側）に平衡が偏るため、高温下で反応が行われる。また、逆シフト反応で生成された一酸化炭素と水素とからメタンが生成されるとともに、二酸化炭素と水素とからもメタンが生成される。

【0037】

【数2】

【0038】

この反応式（２）による反応は、発熱反応である。また、この反応は平衡反応であるため、生成物にはメタン、水素及び二酸化炭素が含まれる。

【0039】

ガス処理装置１０は、再生器２２に、酸性化合物の分離を促進するためのガス（以下、分離促進ガスと称する）を供給する導入路５２を備えている。導入路５２は、分離促進ガスを流すための流路であり、下流端は、再生器２２の下端部又は下端部近傍に接続されている。

【0040】

導入路５２によって再生器２２に供給される分離促進ガスは、処理液にほぼ溶解しないガスである。つまり、分離促進ガスは処理液にほぼ吸収されない。分離促進ガスとして、水素ガス、酸素ガス、メタンガス等の炭化水素ガスを挙げることができるが、本実施形態では水素ガスが用いられる。また、分離促進ガスとして、水蒸気、又は水蒸気と処理液にほぼ溶解しないガスとの混合ガスを挙げることもできる。処理液にほぼ溶解しないガス、水蒸気、又は水蒸気と処理液にほぼ溶解しないガスとの混合ガスを再生器２２に供給することにより、再生器２２内における酸性化合物のガス分圧を下げることができて、再生器２２における処理液からの酸性化合物の分離を促進することができる。ここで、処理液に「ほぼ溶解しない」は、処理液への溶解度が所定値以下であることを表していてもよい。分離促進ガスは、例えば、ヘンリーの法則に従うガスであって、０℃、１００ｋＰａの条件下において、処理液１００ｇに対する溶解度が１ｍｏｌ以下の溶解度であるガスであればよい。なお、水に対する酸素の溶解度は、１．３×１０^－４ｍｏｌ／１００ｇ、水に対するメタンの溶解度は、８×１０^－４ｍｏｌ／１００ｇ、水に対する水素の溶解度は、９．５×１０^－５ｍｏｌ／１００ｇである。これに対し、水に対するアンモニアの溶解度は、６ｍｏｌ／１００ｇであるので、アンモニアは分離促進ガスに該当しない。

【0041】

導入路５２は、反応器１４を経由しており、導入路５２の分離促進ガスは、反応器１４で発生する熱（反応熱）を受け取って、この熱を再生器２２に導入する。導入路５２は、分離促進ガスの供給源に繋がる上流路５２ａと、上流路５２ａに繋がり反応器１４内に位置する伝熱路５２ｂと、伝熱路５２ｂに繋がるとともに再生器２２に繋がる下流路５２ｃと、を含む。供給源は、例えば、再生可能エネルギーを用いて水素を製造できるように構成された水電解装置によって構成されていてもよい。

【0042】

伝熱路５２ｂが反応器１４内に配置されているため、導入路５２を流れる分離促進ガスは、反応器１４で発生する熱（反応熱）を伝熱路５２ｂにおいて受け取ることができる。言い換えると、分離促進ガスは、再生器２２に導入される前に、反応器１４で発生する熱を熱源として、導入路５２において予熱される。なお、伝熱路５２ｂは、反応器１４内を通過する構成に限られず、反応器１４を構成する容器に接触するように配置されていてもよい。

【0043】

導入路５２には、上流路５２ａに繋がり、上流路５２ａを流れる分離促進ガスである水素ガスの一部を反応器１４内に導入させる分岐路５２ｄが設けられている。なお、水素ガスが導入路５２を通して反応器１４内に流入する構成が限られるものではなく、導入路５２とは別個の流路を通して水素ガスが反応器１４内に供給されてもよい。この場合、分岐路５２ｄが省略される。

【0044】

導入路５２における下流路５２ｃには、予熱器５０が配置されている。予熱器５０は、反応器１４で生じた熱を受けて加熱（予熱）された分離促進ガスにより、供給路４０を通して反応器１４に導入されるガスを、反応器１４に流入する前に予熱するために設けられている。予熱器５０は、導入路５２における下流路５２ｃを流れる分離促進ガスと、供給路４０を流れるガスとを熱交換させ、供給路４０を流れるガスを昇温させる構成である。

【0045】

本実施形態においては、ガス処理装置１０に用いる処理液（吸収剤）として、酸性化合物を可逆的に吸収脱離することが可能な吸収剤が用いられている。処理液は、例えば、水、アミン化合物及び有機溶剤を含むアルカリ性の吸収剤である。アミン化合物は３０ｗｔ％、有機溶剤は６０ｗｔ％、水は１０ｗｔ％としてもよい。処理液は、水への溶解で酸を生じる酸性化合物の吸収により相分離するのが好ましいが、これに限られるものではない。例えば、有機溶剤を用いないで、アミン化合物の水溶液とした処理液であってもよい。また、処理液は、アミン化合物、有機溶媒、イオン液体やそれらの混合物、水溶液などであってもよい。

【0046】

アミン化合物としては、例えば、２－アミノエタノール（ＭＥＡ：溶解度パラメータ＝１４．３（ｃａｌ／ｃｍ^３）^１／２）、２－（２－アミノエトキシ）エタノール（ＡＥＥ：溶解度パラメータ＝１２．７（ｃａｌ／ｃｍ^３）^１／２）等の１級アミン、例えば２－（メチルアミノ）エタノール（ＭＡＥ）、２－（エチルアミノ）エタノール（ＥＡＥ）、２－（ブチルアミノ）エタノール（ＢＡＥ）等の２級アミン、例えばトリエタノールアミン（ＴＥＡ）、Ｎ－メチルジエタノールアミン（ＭＤＥＡ）、テトラメチルエチレンジアミン（ＴＥＭＥＤ）、ペンタメチルジエチレントリアミン（ＰＭＤＥＴＡ）、ヘキサメチルトリエチレンテトラミン、ビス（２－ジメチルアミノエチル）エーテル等の３級アミンなどが挙げられる。

【0047】

有機溶剤としては、例えば１－ブタノール（溶解度パラメータ＝１１．３（ｃａｌ／ｃｍ^３）^１／２）、１－ペンタノール（溶解度パラメータ＝１１．０（ｃａｌ／ｃｍ^３）^１／２）、オクタノール、ジエチレングリコールジエチルエーテル（ＤＥＧＤＥＥ）、ジエチレングリコールジメチルエーテル（ＤＥＧＤＭＥ）等が挙げられ、複数種を混合して用いてもよい。

【0048】

アミン化合物及び有機溶剤のそれぞれの溶解度パラメータが所定範囲に収まっている場合、処理液は、酸性化合物の吸収により酸性化合物の含有率が高い相と酸性化合物の含有率が低い相とに二相分離される。ここで、溶解度パラメータは、以下の式（３）で示される。

【0049】

【数3】

【0050】

ΔＨはモル蒸発潜熱、Ｒはガス定数、Ｔは絶対温度、Ｖはモル体積である。

【0051】

【表1】

【0052】

表１に示すように、水、アミン化合物及び有機溶剤を含む吸収剤において、アミン化合物の溶解度パラメータから有機溶剤の溶解度パラメータを減じた値が１．１（ｃａｌ／ｃｍ^３）^１／２以上４．２（ｃａｌ／ｃｍ^３）^１／２以下となるように、アミン化合物及び有機溶剤の組合せを選択することによって、酸性化合物の吸収により酸性化合物の含有率が高い相と酸性化合物の含有率が低い相とに二相分離される。溶解度パラメータの差分の値が前記下限値に満たない場合、処理液が酸性化合物を吸収しても二相に分離しないおそれがある。一方、溶解度パラメータの差分の値が前記上限値を超える場合、処理液が酸性化合物を吸収する前から二相に分離し、処理液を酸性化合物を含む被処理ガスに接触させる工程において、処理液と被処理ガスとの接触状態が不均一となり、吸収効率が低下するおそれがある。なお、表１における「良好」とは、二酸化炭素の吸収前は単一液相であり、二酸化炭素の吸収により二液相に分離したことを意味する。また、表１における「混和せず」とは、二酸化炭素の吸収前から二液相状態であり、単一液相を形成しなかったことを意味する。また、表１における「分離せず」とは、二酸化炭素の吸収後でも単一液相であったことを意味する。

【0053】

吸収器２１における吸収条件を、処理液が二相に分離しながら二酸化炭素が多く溶解する領域に設定し、再生器２２における再生条件を、処理液が二相分離せず二酸化炭素があまり溶解しない領域に設定することが望ましい。すなわち、温度によって二酸化炭素の吸収度合いが変化して相分離し易さが変わることによって二酸化炭素吸収濃度の平衡がずれることを利用しているため、再生温度と吸収温度との温度差を低く抑えることが可能となる。加えて、再生器２２に、分離促進ガスを供給するため、再生温度をより低く抑えることができる。

【0054】

ここで、第１実施形態に係るガス処理装置１０を使用したガス処理方法について説明する。ガス処理方法は、吸収工程と、再生工程と、反応工程と、を含む。

【0055】

吸収工程は、吸収器２１において被処理ガスと処理液とを接触させる工程である。吸収器２１には、導入路３１を通して少なくとも二酸化炭素を含む被処理ガスが供給される。また、吸収器２１には、循環路２４の第２流路２４ｂを通して処理液が導入される。被処理ガスは、例えば、４０℃、３０ｋＰａＧの温度及び圧力を有してもよい。処理液は、被処理ガスに含まれる二酸化炭素と接触して該二酸化炭素を吸収する。二酸化炭素を放出した被処理ガスは、例えば、５０℃、１０ｋＰａＧとなる。吸収器２１内には、二酸化炭素を吸収した処理液が貯留される。相分離する処理液が用いられている場合には、二酸化炭素と接触した処理液は、二酸化炭素の含有率が高い第１相部分と二酸化炭素分離の含有率が低い第２相部分とに相分離する。

【0056】

吸収器２１内に貯留された処理液は、再生器２２に送られる。このとき、第１流路２４ａを流れる処理液は、熱交換器２６において、第２流路２４ｂを流れる処理液によって加熱され、その上で再生器２２内に導入される。

【0057】

再生工程は、再生器２２内に導入された処理液を加熱することにより、処理液から二酸化炭素を分離する工程である。再生器２２内の処理液は６０～９０℃程度に加熱されている。導入路５２を通して再生器２２内に流入した分離促進ガスは、処理液に接触する。再生器２２内において、分離促進ガスを介在させた状態で処理液が加熱されるため、二酸化炭素の再生温度を低く抑えることができる。

【0058】

再生器２２内において、処理液が加熱されると処理液から蒸発した水蒸気が得られることがある。処理液から分離された二酸化炭素及び水蒸気は、供給路４０を流れる。再生器２２から供給路４０に流出するガスは、例えば５０℃の温度、８５０ｋＰａＧ以下の圧力を有する。供給路４０において、水蒸気はコンデンサ４４で凝縮し、再生器２２に戻される。

【0059】

再生器２２内に貯留された処理液は、第２流路２４ｂを流れて吸収器２１に還流する。処理液は、例えば、６５℃の温度、８５０ｋＰａＧ以下の圧力を有する。なお、処理液は、熱交換器２６において、第１流路２４ａを流れる処理液を加熱するので、温度が下がる。

【0060】

供給路４０を流れる二酸化炭素を含むガスは、予熱器５０において、導入路５２を流れる分離促進ガスによって加熱される。すなわち、供給路４０を流れるガスは、予熱器５０において、反応器１４において加熱された分離促進ガスと熱交換し、加熱される。予熱器５０で加熱されたガスは、例えば、２５０～５００℃の温度、８５０ｋＰａＧ以下の圧力を有する。この加熱（予熱）された二酸化炭素を含むガスは、反応器１４に流入する。

【0061】

反応器１４において反応工程が行われる。反応工程では、供給路４０を通して導入された二酸化炭素及び水素と、導入路５２の分岐路５２ｄを通して導入された水素とを用いて、メタンの合成反応が起こる。すなわち、導入路５２を流れる水素の一部が反応工程で利用される。反応器１４には、二酸化炭素を含むガスが予熱器５０で予熱された上で導入されるため、メタネーション反応を促進できる。このメタネーション反応によって、反応器１４内は昇温するため、導入路５２の伝熱路５２ｂを流れる分離促進ガスは、この反応器１４での熱を熱源として加熱される。導入路５２の分岐路５２ｄを通して反応器１４に導入される分離促進ガス（水素ガス）は、例えば、２５℃の温度、８５０ｋＰａＧ以下の圧力を有し、導入路５２を流れて反応器１４を通過した分離促進ガスは、約４００℃の温度、８５０ｋＰａＧ以下の圧力を有する。一方、反応器１４で生成されたメタンガスは、２５０～５００℃の温度、８５０ｋＰａＧ以下の圧力を有する。このメタンガスは、反応器１４の上部に接続された導出路５５を通して、反応器１４から導出される。

【0062】

導入路５２の伝熱路５２ｂを流れる分離促進ガス（水素ガス）は、反応器１４で生ずる反応熱を受け取って加熱され、この加熱された分離促進ガスは導入路５２の下流路５２ｃを流れ、予熱器５０で二酸化炭素及び水素を含むガスを加熱した上で再生器２２に導入される。再生器２２に導入される分離促進ガスは、例えば、６０℃の温度、８５０ｋＰａＧ以下の圧力を有する。つまり、再生器２２に導入される分離促進ガスの温度は、処理液の再生温度と同程度となっている。したがって、再生器２２において、リボイラ４６から供給される熱が分離促進ガスの加熱に用いられることを抑制できる。

【0063】

以上説明したように、本実施形態では、導入路５２を通して再生器２２に分離促進ガスが導入されるため、処理液から酸性化合物を分離し易くすることができる。このため、再生器２２での再生温度として、より低い温度を設定することができ、かつより低いエネルギーで酸性化合物を分離することが可能となる。しかも、分離促進ガスを再生器２２に導入する前に、反応器１４で発生する熱を熱源として分離促進ガスを予熱するため、再生器２２で処理液の再生のために用いられるべき熱が分離促進ガスを加熱するのに消費されてしまうことを抑制できる。したがって、処理液からの酸性化合物の分離効率が低下することを抑制できる。また、反応器１４で発生する熱を有効利用するため、分離促進ガスを予熱するための熱源を別途用意する必要もない。

【0064】

また、再生器２２で生じた二酸化炭素を含むガスが、反応器１４に導入される前に予熱器５０において加熱されるため、再生器２２における再生工程での処理液の再生温度が低い場合においても、ガスを反応器１４での反応に効率的に利用できる。しかも、反応器１４で生じた熱を分離促進ガスを介して再生器２２で利用するため、熱収支をより高めることができる。

【0065】

なお、本実施形態では、リボイラ４６が、再生器２２の外側に配置されて、例えば電気、蒸気、バーナー等任意の熱源により直接又は間接的に処理液を加熱するように構成されているが、この構成に限られない。例えば、図２に示すようにリボイラ４６は、導入路５２の下流路５２ｃに接続されるとともに、再生器２２の中（又は再生器２２に接触するよう）に配置されていてもよい。この場合、反応器１４で加熱された分離促進ガスがリボイラ４６に流れるため、反応器１４で生じた熱をリボイラ４６の熱源として利用することができる。

【0066】

本実施形態では、反応器１４が、メタンを合成する反応器として構成されているが、これに代え、図３に示すように、反応器１４は、メタノールやエタノールを合成する反応器として構成されてもよい。この場合、反応器１４は、触媒の存在下で二酸化炭素の水素化反応を進行させてメタノールやエタノールを合成するように構成されてもよく、あるいは、触媒の存在下で、一酸化炭素に水素を反応させてメタノールやエタノールを合成するように構成されてもよい。一酸化炭素を用いる場合には、反応式（１）のように逆シフト反応によって一酸化炭素を生成するようにしてもよい。

【0067】

また、本実施形態では、予熱器５０が設けられているが、予熱器５０を省略してもよい。

【0068】

（第２実施形態）
第１実施形態では、分離促進ガスを再生器２２に導入するための導入路５２が反応器１４を通過し、分離促進ガスを予熱する伝熱路５２ｂが反応器１４内に設けられている。これに対し、第２実施形態では、図４に示すように、導入路５２が反応器１４を通過しておらず、伝熱路５２ｂは、反応器１４の外部に設けられている。具体的に、伝熱路５２ｂは、反応器１４においてメタネーション反応によって生じた高温のガス（メタンガス）を反応器１４から導出させる導出路５５に設けられ、導出路５５を介して反応器１４の熱を受け取る。すなわち、伝熱路５２ｂは、反応器１４からの高温のガスと導入路５２を流れる分離促進ガスとを熱交換させる予熱器５１に設けられている。

【0069】

反応器１４においてメタンを生成する反応は発熱反応である。反応器１４において安定した運転を行うためには、反応器１４の温度を一定の温度に調整しながら反応を起こさせることが必要である。このため、分離促進ガスを反応器１４に導入する構成では、分離促進ガスによって反応器１４の温度を調整することが難しい場合もあるため、本実施形態では、分離促進ガスを予熱するための伝熱路５２ｂを、反応器１４とは別のところに配置している。なお、反応器１４の温度調整を、水や油などで行ってもよいが、反応器１４から流出する反応後のガスの温度は約４００℃となるため、反応器１４で生ずる熱を有効利用できるようにするのが好ましい。

【0070】

第２実施形態では、図４に示すように、反応器１４から反応後のガス（メタンガス）を導出させる導出路５５が反応器１４の上部に接続されている。この導出路５５には、予熱器５０、リボイラ４６及び伝熱路５２ｂ（予熱器５１）が設けられている。反応器１４は、メタネーション反応を促進させるため、例えば約４００℃の温度に調整されている。このため、反応器１４で生成されて導出路５５を通して反応器１４から導出されるメタンガスは、例えば、約４００℃の温度、８５０ｋＰａＧ以下の圧力を有する。この反応器１４で生成されたメタンガスは、まず予熱器５０において、供給路４０を流れるガス（再生器２２内で得られた酸性化合物を含むガス）を加熱し、その後、リボイラ４６において、処理液を加熱し、さらに、伝熱路５２ｂにおいて、分離促進ガスを加熱する。したがって、導出路５５を流れるメタンガスは、予熱器５０、リボイラ４６及び伝熱路５２ｂ（予熱器５１）を通過するたびに温度が下がり、伝熱路５２ｂ（予熱器５１）から流出するときには、１００℃未満となっている。伝熱路５２ｂでは、約２５℃の水素ガス等の分離促進ガスが加熱されて、約９０℃未満の温度まで昇温する。この昇温した分離促進ガスが再生器２２に導入される。すなわち、反応器１４での発熱反応の熱を熱源として、供給路４０を流れる水素ガス及び二酸化炭素ガスの予熱、再生器２２で必要となる吸熱反応のためのリボイラ４６での加熱、また、導入路５２での水素ガスの予熱を行っている。したがって、熱の有効利用を図ることが出来る。なお、水素ガスの供給源は、例えば、再生可能エネルギーを用いて水素を製造できるように構成された水電解装置によって構成されていてもよい。

【0071】

図４に示す構成では、導出路５５が加熱流路４２のリボイラ４６も通過する構成としている。これに対し、図５に示す構成では、加熱流路４２のリボイラ４６が、反応器１４からのガスの熱ではなく任意の熱源によって処理液を加熱するように構成されており、その一方で、導出路５５が、再生器２２内に設けられた熱交換器５７にも接続されている。この熱交換器５７は、再生器２２内の処理液を加熱するリボイラ（第２のリボイラ）として機能する。熱交換器５７は、導出路５５において、伝熱路５２ｂ（予熱器５１）よりも上流側に配置されている。すなわち、予熱器５０を通過したメタンガスは、第２のリボイラである熱交換器５７において、処理液を加熱し、その後、伝熱路５２ｂ（予熱器５１）において分離促進ガスを加熱する。

【0072】

図５の構成では、リボイラ４６が設けられているが、リボイラとして機能する熱交換器５７が再生器２２内に配置されているため、図６に示すように、加熱流路４２及びリボイラ４６を省略することも可能である。なお、リボイラとして機能する熱交換器５７が再生器２２内に配置される場合には、第１流路２４ａは、再生器２２において熱交換器５７よりも上側の部位に接続されているのが好ましい。また、第２流路２４ｂは、再生器２２において、熱交換器５７よりも下側の部位に接続されているのが好ましい。

【0073】

図７に示すように、予熱器５０は、反応器１４内に配置されていてもよい。すなわち、供給路４０が反応器１４の内側を通過しており（又は反応器１４に接触するように配置されており）、この反応器１４の内側を通過する部分（又は反応器１４に接触する部分）に予熱器５０が設けられていてもよい。反応器１４内での反応後のガスによって加熱された予熱器５０内の水素及び二酸化炭素を含むガスは、供給路４０を通して予熱器５０から流出した後、反応器１４内に導入されて、メタネーション反応に供される。メタネーション反応によって生成された高温のメタンガスは、導出路５５を通して伝熱路５２ｂに送られて、促進分離ガスを加熱する。

【0074】

図７の構成では、リボイラ４６が再生器２２及び反応器１４とは別個に配置されているが、これに代え、図８に示す構成では、リボイラ４６が反応器１４の中に配置されている（又は反応器１４に接触するように配置されている）。すなわち、リボイラ４６は、反応器１４内での発熱反応で生じた熱を熱源として利用してもよい。この場合、予熱器５０は図８の位置ではなく、図６の位置であってもよい。

【0075】

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。

【符号の説明】

【0076】

１０ ：ガス処理装置
１４ ：反応器
２１ ：吸収器
２２ ：再生器
５０ ：予熱器
５２ ：導入路
５２ｂ ：伝熱路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】