特開 2024-170915 ガス分離装置

(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】P2024170915

(43)【公開日】2024-12-11

(54)【発明の名称】ガス分離装置

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/22 20060101AFI20241204BHJP

【ＦＩ】

B01D53/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023087680

(22)【出願日】2023-05-29

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】矢敷 達朗

(72)【発明者】

【氏名】石田 直行

(72)【発明者】

【氏名】河原 洋平

(72)【発明者】

【氏名】渡部 亜由美

(72)【発明者】

【氏名】金 恩敬

(72)【発明者】

【氏名】飯塚 秀宏

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 良平

【テーマコード（参考）】

4D006

【Ｆターム（参考）】

4D006GA41

4D006KA02

4D006KA15

4D006KA31

4D006KA52

4D006KA54

4D006KA55

4D006KA57

4D006KB30

4D006PA02

(57)【要約】

【課題】低コストで混合ガスから特定の取り出しガスを大流量かつ高濃度化して取り出す。
【解決手段】混合ガスから特定の取り出しガスを高濃度化して取り出すガス分離装置１００であって、分離室を直列に２段以上接続し、１段目の第１分離室１１１の第１分離膜１０１は、ガス温度が上昇すると取り出しガスに対する透過速度が大きくなる特性を持ち、２段目の第２分離室１１２の第２分離膜１０２は、ガス温度が低下すると取り出しガスに対するガス分離選択性が大きくなる特性を持ち、１段目の第１分離室１１１の入口にガス加熱手段１０３を設置してガスを加熱し、２段目の第２分離膜１０２入口にガス冷却手段１０４を設置してガスを冷却し、２段目以降の分離膜は、上流側分離膜の透過側ガスを流入させ、透過側の取り出しガスのガス濃度を上昇させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

混合ガスから特定の取り出しガスを高濃度化して取り出すガス分離装置であって、
直列に２段以上接続された分離室のうち、ガス温度が上昇するにつれて前記取り出しガスに対する透過速度が大きくなる特性を持つ分離膜を備える１段目の分離室と、
ガス温度が低下するにつれて前記取り出しガスに対するガス分離選択性が大きくなる特性を持つ分離膜を備える２段目以降の分離室と、
前記１段目の分離室の入口に設置されてガスを加熱する加熱手段と、
２段目の分離室の入口に設置されてガスを冷却する冷却手段と、
を備えることを特徴とするガス分離装置。

【請求項2】

前記２段目以降の分離室は、上流側の分離室の透過側ガスを流入させ、透過側の前記取り出しガスのガス濃度を上昇させる、
ことを特徴とする請求項１に記載のガス分離装置。

【請求項3】

混合ガスから特定の取り出しガスを高濃度化して取り出すガス分離装置であって、
直列に２段以上接続された分離室のうち、ガス温度が上昇するにつれて前記取り出しガス以外のその他ガスに対する透過速度が大きくなる特性を持つ分離膜を備える１段目の分離室と、
ガス温度が低下するにつれて前記その他ガスに対するガス分離選択性が大きくなる特性を持つ分離膜を備える２段目以降の分離室と、
前記１段目の分離室の入口に設置されてガスを加熱する加熱手段と、
２段目の分離室の入口に設置されてガスを冷却する冷却手段と、
を備えることを特徴とするガス分離装置。

【請求項4】

前記２段目以降の分離室は、上流側の分離室の未透過側ガスを流入させ、未透過側の前記取り出しガスのガス濃度を上昇させる、
ことを特徴とする請求項３に記載のガス分離装置。

【請求項5】

前記加熱手段は、冷媒の凝縮熱によりガスを加熱する凝縮器であり、
前記冷却手段は、前記冷媒の蒸発過程で熱を吸収することでガスを冷却する蒸発器である、
ことを特徴とする請求項１から４のうち何れか１項に記載のガス分離装置。

【請求項6】

前記凝縮器の下流に設置され、前記冷媒を膨張、減圧して前記蒸発器に流入させる膨張弁と、
前記蒸発器の下流に設置され、前記冷媒を圧縮、昇圧して前記凝縮器に流入させる圧縮機と、
を備えることを特徴とする請求項５に記載のガス分離装置。

【請求項7】

前記凝縮器と前記蒸発器は、単一の冷凍サイクルの一部を構成する、
ことを特徴とする請求項５に記載のガス分離装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス分離装置に関する。

【背景技術】

【0002】

複数種類のガスを含む混合ガスから特定のガスを分離する方法として、ガスを選択的に透過する分離膜を利用する方法がある。分離膜には、例えば、セラミック膜に代表される分子径の差により分離する分子ふるい膜や、膜へのガスの溶解性の差を利用した高分子膜等がある。これらの分離膜では、混合ガスに含まれるガスの分離膜に対する透過速度の差を利用して特定のガスを分離する。例えば、メタンと水素を含む混合ガスを、分離膜を用いて分離するケースを考える。メタンよりも水素の透過速度が大きい分離膜を用いると、分離膜では水素がより多く透過するため、透過側では水素濃度が上昇し、未透過側ではメタン濃度が上昇する。これにより透過側で水素を高濃度化して取り出し、未透過側でメタンを高濃度化して取り出すことができる。

【0003】

特許文献１には、空気から窒素を分離する方法として、分離膜を直列に２段接続し、１段目分離膜の未透過側で窒素を高濃度化して取り出し、取り出しガスを２段目分離膜に供給して、未透過側で更に窒素を高濃度化して取り出す方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平２－１９４８０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

混合ガスから透過側で特定のガスを大流量かつ高濃度化して取り出すケースを考える。
ガスを高濃度化するためには、取り出しガスに対する透過速度が大きく、その他ガスに対する透過速度が小さい分離膜を用いる。取り出しガスの透過速度とその他ガスの透過速度の比をガス分離選択性と呼ぶ。ガスを高濃度化するためには、ガス分離選択性の大きい膜を用いる。分離膜の一般的な特性として、ガス分離選択性が大きくなると、取り出しガスに対する透過速度そのものは小さくなる。そのため、大流量の高濃度ガスを取り出すには、分離膜のサイズを大きくして取り出しガスの透過流量を増加させる必要がある。分離膜サイズが大きくなると、分離膜の設置コストと運用コストが増え、ガスを取り出すためのコストが増えるという課題がある。

【0006】

混合ガスから未透過側で特定のガスを大流量かつ高濃度化して取り出すケースに対しても同様であり、特許文献１に記載されている取り出し方法で特定のガスを大流量かつ高濃度化して取り出す場合、分離膜サイズが大きくなり、ガスを取り出すためのコストが増えるという課題があった。

【0007】

そこで、本発明は、分離膜サイズを大きくすることなく低コストで混合ガスから特定の取り出しガスを大流量かつ高濃度化して取り出し可能なガス分離装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記した課題を解決するため、本発明のガス分離装置は、混合ガスから特定の取り出しガスを高濃度化して取り出すガス分離装置であって、直列に２段以上接続された分離室のうち、ガス温度が上昇するにつれて前記取り出しガスに対する透過速度が大きくなる特性を持つ分離膜を備える１段目の分離室と、ガス温度が低下するにつれて前記取り出しガスに対するガス分離選択性が大きくなる特性を持つ分離膜を備える２段目以降の分離室と、前記１段目の分離室の入口に設置されてガスを加熱する加熱手段と、２段目の分離室の入口に設置されてガスを冷却する冷却手段と、を備えることを特徴とする。

【0009】

本発明のガス分離装置は、混合ガスから特定の取り出しガスを高濃度化して取り出すガス分離装置であって、直列に２段以上接続された分離室のうち、ガス温度が上昇するにつれて前記取り出しガス以外のその他ガスに対する透過速度が大きくなる特性を持つ分離膜を備える１段目の分離室と、ガス温度が低下するにつれて前記その他ガスに対するガス分離選択性が大きくなる特性を持つ分離膜を備える２段目以降の分離室と、前記１段目の分離室の入口に設置されてガスを加熱する加熱手段と、２段目の分離室の入口に設置されてガスを冷却する冷却手段と、を備えることを特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、分離膜サイズを大きくすることなく、低コストで混合ガスから特定の取り出しガスを大流量かつ高濃度化して取り出すことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１の実施の形態に係るガス分離装置の概略構成図である。

【図2】本発明の第２の実施の形態に係るガス分離装置の概略構成図である。

【図3】本発明の第３の実施の形態に係るガス分離装置の概略構成図である。

【図4】本発明の第４の実施の形態に係るガス分離装置の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の各図において共通する構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

【実施例0013】

図１は本発明の第１の実施の形態に係るガス分離装置の概略構成図である。
図1に示すように、ガス分離装置１００は、第１分離膜１０１を備えた第１分離室１１１、第２分離膜１０２を備えた第２分離室１１２、ガス加熱手段１０３、ガス冷却手段１０４、混合ガス供給管１０５、第１透過ガス導出管１０６、第２透過ガス導出管１０７、第１未透過ガス導出管１０８、第２未透過ガス導出管１０９を備えている。ガス分離装置１００は、第１分離膜１０１を備えた第１分離室１１１と、第２分離膜１０２を備えた第２分離室１１２が直列に接続されて構成される。このガス分離装置１００は、混合ガスから透過側で特定の取り出しガスを高濃度化して取り出す装置である。

【0014】

１段目の第１分離室１１１に設置された第１分離膜１０１は、特定の取り出しガスを選択的に透過可能な分離膜であり、例えば高分子膜、セラミック膜等の分子ふるい膜の原理で分離する膜である。また、第１分離膜１０１は、ガス温度が上昇するにつれて、取り出しガスに対する透過速度が大きくなる特性をもつ。第１分離室１１１は、混合ガス供給管１０５から導かれた混合ガスを第１分離膜１０１で分離し、透過側ガスを第１透過ガス導出管１０６に導き、未透過側ガスを第１未透過ガス導出管１０８に導く。

【0015】

２段目の第２分離室１１２に設置された第２分離膜１０２は、特定の取り出しガスを選択的に透過可能な分離膜であり、例えば高分子膜、セラミック膜等の分子ふるい膜の原理で分離する膜である。また、第２分離膜１０２は、ガス温度が低下するにつれて、取り出しガスのガス分離選択性が大きくなる特性をもつ。第２分離室１１２は、第１透過ガス導出管１０６から導かれた混合ガスを第２分離膜１０２で分離し、透過側ガスを第２透過ガス導出管１０７に導き、未透過側ガスを第２未透過ガス導出管１０９に導く。
ガス加熱手段１０３は、第１分離室１１１に流入する混合ガスを加熱する装置であり、例えば熱交換器、あるいは電気ヒータである（加熱の原理は問わない）。ガス加熱手段１０３は、１段目の第１分離膜１０１の入口に設置されている。

【0016】

ガス冷却手段１０４は、第２分離室１１２に流入する第１分離室１１１の透過側ガスを冷却する装置であり、例えば冷却器、あるいは配管から大気への放熱による冷却機構である（冷却の原理は問わない）。ガス冷却手段１０４は、２段目の第２分離室１１２の入口に設置されている。

【0017】

混合ガス供給管１０５は、混合ガスをガス加熱手段１０３および第１分離室１１１に導くための配管である。
第１透過ガス導出管１０６は、第１分離室１１１の透過側ガスをガス冷却手段１０４および第２分離室１１２に導くための配管である。
第２透過ガス導出管１０７は、第２分離室１１２の透過側ガスを取り出すための配管である。

【0018】

第１未透過ガス導出管１０８は、第１分離室１１１の未透過側ガスと第２分離室１１２の未透過側ガスを合流させて、排出するための配管である。
第２未透過ガス導出管１０９は、第２分離室１１２の未透過側ガスを第１未透過ガス導出管１０８に導くための配管である。

【0019】

次に、ガス分離装置１００により、混合ガスから透過側で特定の取り出しガスを高濃度化して取り出す処理の内容を説明する。
混合ガス供給管１０５より供給される混合ガスは、ガス加熱手段１０３にて加熱されてガス温度が上昇し、第１分離室１１１に流入する。第１分離室１１１に流入する混合ガス温度が上昇することで、取り出しガスに対する第１分離膜１０１の透過速度が大きくなるため、第１分離膜１０１を透過する取り出しガス流量が増える。

【0020】

第１分離室１１１にて第１分離膜１０１を透過した透過側ガスは、ガス冷却手段１０４にて冷却されて温度が低下し、第２分離室１１２に流入する。第２分離室１１２に流入する混合ガス温度が低下することで、取り出しガスに対する第２分離膜１０２のガス分離選択性が大きくなる。ガス分離選択性が大きくなると、取り出しガスは第２分離膜１０２を透過するが、その他ガスに対する第２分離膜１０２の透過流量が抑えられるため、透過側の取り出しガスのガス濃度が上昇する。

【0021】

本実施形態では、混合ガスから透過側で特定の取り出しガスを高濃度化して取り出す処理において、ガス加熱手段１０３にて混合ガスを加熱することで、第１分離室１１１に流入するガス温度が上昇する。ガス温度の上昇に伴い、取り出しガスに対する第１分離膜１０１の透過速度が大きくなるため、第１分離膜１０１を透過する取り出しガス流量が増える。これにより、混合ガスを加熱しない場合と比較して、分離膜での単位面積当たりの取り出しガス透過流量が増えるため、分離膜のサイズを小さくできる。

【0022】

また、ガス冷却手段１０４にて第１分離膜１０１を透過した透過側ガスを冷却することで、第２分離室１１２に流入するガス温度が低下し、取り出しガスに対する第２分離膜１０２のガス分離選択性が大きくなる。ガス分離選択性が大きくなると、取り出しガスは第２分離膜１０２を透過するが、その他ガスに対する第２分離膜１０２の透過流量が抑えられるため、取り出しガスのガス濃度が上昇する。これにより、混合ガスを冷却しない場合と比較して、分離膜での単位面積当たりの取り出しガスの濃度上昇幅が大きくなるため、分離膜サイズを小さくできる。

【0023】

上述の通り、本実施形態では、分離膜のサイズを大きくすることなく低コストで混合ガスから透過側で特定の取り出しガスを大流量化かつ高濃度化して取り出すことができる。

【実施例0024】

図２は本発明の第２の実施の形態に係るガス分離装置の概略構成図である。
図２に示すように、ガス分離装置２００は、第１分離膜２０１を備えた第１分離室２１１、第２分離膜２０２を備えた第２分離室２１２、ガス加熱手段２０３、ガス冷却手段２０４、混合ガス供給管２０５、第１未透過ガス導出管２０６、第２未透過ガス導出管２０７、第１透過ガス導出管２０８、第２透過ガス導出管２０９を含んで構成される。ガス分離装置２００は、第１分離膜２０１を備えた第１分離室２１１と、第２分離膜２０２を備えた第２分離室２１２が直列に接続されて構成される。ガス分離装置２００は、混合ガスから未透過側で特定の取り出しガスを高濃度化して取り出す装置である。

【0025】

１段目の第１分離室１１１に設置された第１分離膜２０１は、特定の取り出しガス以外のその他ガスを選択的に透過可能な分離膜であり、例えば高分子膜、セラミック膜等の分子ふるい膜の原理で分離する膜である。また、第１分離膜２０１は、ガス温度が上昇するにつれて、取り出しガス以外のその他ガスに対する透過速度が大きくなる特性をもつ。第１分離室２１１は、混合ガス供給管２０５から導かれた混合ガスを第１分離膜１０１で分離し、未透過側ガスを第１未透過ガス導出管２０６に導き、透過側ガスを第１透過ガス導出管２０８に導く。

【0026】

２段目の第２分離室１１２に設置された第２分離膜２０２は、特定の取り出しガス以外のその他ガスを選択的に透過可能な分離膜であり、例えば高分子膜、セラミック膜等の分子ふるい膜の原理で分離する膜である。また、第２分離膜２０２は、ガス温度が低下するにつれて、取り出しガス以外のその他ガスに対するガス分離選択性が大きくなる特性をもつ。第２分離室２１２は、第１未透過ガス導出管２０６から導かれた混合ガスを第２分離膜１０２で分離し、未透過側ガスを第２未透過ガス導出管１０７に導き、透過側ガスを第２透過ガス導出管１０９に導く。

【0027】

ガス加熱手段２０３は、第１分離室２１１に流入する混合ガスを加熱する装置であり、例えば熱交換器、あるいは電気ヒータである。ガス加熱手段２０３は、１段目の第１分離膜２０１の入口に設置されている。
ガス冷却手段２０４は第２分離室２１２に流入する第１分離室２１１の未透過側ガスを冷却する装置であり、例えば冷却器、あるいは配管から大気への放熱による冷却機構である。ガス冷却手段１０４は、２段目の第２分離室１１２の入口に設置されている。

【0028】

混合ガス供給管２０５は混合ガスをガス加熱手段２０３および第１分離室２１１に導くための配管である。
第１未透過ガス導出管２０６は、第１分離室２１１の未透過側ガスをガス冷却手段２０４および第２分離室２１２に導くための配管である。
第２未透過ガス導出管２０７は、第２分離室２１２の未透過側ガスを取り出すための配管である。

【0029】

第１透過ガス導出管２０８は、第１分離室２１１の透過側ガスと第２分離室２１２の透過側ガスを合流させ、排出するための配管である。
第２透過ガス導出管２０９は、第２分離室２１２の透過側ガスを第１透過ガス導出管２０８に導くための配管である。

【0030】

次に、ガス分離装置２００により、混合ガスから未透過側で特定の取り出しガスを高濃度化して取り出す処理の内容を説明する。

【0031】

混合ガス供給管２０５より供給される混合ガスは、ガス加熱手段２０３にて加熱されてガス温度が上昇し、第１分離室２１１に流入する。第１分離室２１１に流入する混合ガス温度が上昇することで、取り出しガス以外のその他ガスに対する第１分離膜２０１の透過速度が大きくなるため、第１分離膜２０１を透過するその他ガス流量が増える。結果、未透過側のガスから取り除かれるその他ガス流量が増える。

【0032】

第１分離室２１１にて第１分離膜２０１を透過しなかった未透過側ガスは、ガス冷却手段２０４にて冷却されて温度が低下し、第２分離室２１２に流入する。第２分離室２１２に流入する混合ガス温度が低下することで、取り出しガス以外のその他ガスに対する第２分離膜２０２のガス分離選択性が大きくなる。ガス分離選択性が大きくなると、その他ガスは第２分離膜２０２を透過するが、取り出しガスに対する第２分離膜２０２の透過流量が抑えられるため、未透過側の取り出しガスのガス濃度が上昇する。

【0033】

本実施形態では、混合ガスから未透過側で特定の取り出しガスを高濃度化して取り出す処理において、ガス加熱手段２０３にて混合ガスを加熱することで、第１分離室２１１に流入するガス温度が上昇する。ガス温度の上昇に伴い、取り出しガス以外のその他ガスに対する第１分離膜２０１の透過速度が大きくなるため、第１分離膜２０１を透過するその他ガス流量が増える。これにより、混合ガスを加熱しない場合と比較して、分離膜での単位面積当たりの未透過側のガスから取り除かれるその他ガス流量が増えるため、分離膜サイズを小さくできる。

【0034】

また、ガス冷却手段２０４にて第１分離膜２０１を透過しなかった未透過側ガスを冷却することで、第２分離室２１２に流入するガス温度が低下し、取り出しガス以外のその他ガスに対する第２分離膜２０２のガス分離選択性が大きくなる。ガス分離選択性が大きくなると、その他ガスは第２分離膜２０２を透過するが、取り出しガスに対する第２分離膜２０２の透過流量が抑えられるため、未透過側の取り出しガスのガス濃度が上昇する。これにより、混合ガスを冷却しない場合と比較して、分離膜での単位面積当たりの取り出しガス濃度上昇幅が大きくなるため、分離膜サイズを小さくできる。

【0035】

上述の通り、本実施形態では、分離膜サイズを大きくすることなく低コストで混合ガスから未透過側で特定の取り出しガスを大流量かつ高濃度化して取り出すことができる。