JP6280474B2 - 気体分離装置及び気体分離方法 - Google Patents

Description

本発明は、混合気体から目的とする気体（以下「目的気体」という）を選択的に水和物により捕集することを通じて、混合気体から該目的気体を分離する装置及び方法に関する。

本発明において、次に掲げる用語の意味又は解釈は以下のとおりとする。この用語の意味又は解釈は、本発明の技術的範囲が均等の範囲にまで及ぶことを妨げるものではない。

（１）「水和物」とは、包接水和物の略称である。ホスト、ホスト物質又はホスト分子と呼ばれる水分子が構成するトンネル形、層状、網状、籠状などの構造（包接格子）内に、ゲスト物質、ゲスト分子又はゲスト化合物と呼ばれる他の分子が入り込む又は取り込まれることで形成され、生成される物質を包接水和物という。ゲスト物質の例としては、テトラｎブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏペンチルアンモニウム塩、トリｎブチル・ペンチルアンモニウム塩等のアルキルアンモニウム塩に代表される第四級アンモニウム塩、アルキルホスホニウム塩、アルキルスルホニウム塩などがある。本発明における「水和物」には、準包接水和物が含まれる。包接水和物を生成するゲスト物質を水和物生成物という。

（２）水和物のゲスト物質、すなわち、水和物生成物の水溶液、より詳しくは一種又は二種以上の水和物生成物を溶質とし、水を溶媒とする水溶液を、冷却すると水和物が生成される。また、本発明において、「水和物を生成する液体」とは、冷却されて水和物を生成する水和物生成物を含む液体をいう。水和物を生成する液体を冷却し水和物が生成されると、水和物と水和物を生成する液体の混合物となる。

（３）「水和物のスラリ」とは、水和物がそのゲスト物質の水溶液、すなわち、水和物生成物の水溶液又は水溶媒の中に分散又は懸濁してスラリ状を呈するに至ったものをいう。水和物が少量であっても（換言すれば水和物の存在比率が低くても）、また、水和物の量が多くても、該水溶液又は水溶媒に水和物が分散又は懸濁しているのであれば、それは「水和物のスラリ」に該当する。

目的気体と目的気体以外の気体から成る混合気体から目的気体を選択的に水和物により捕集し分離する技術は、アルキルアンモニウム塩、アルキルホスホニウム塩、アルキルスルホニウム塩などを水和物生成物とする水和物により目的気体を捕集分離する技術が好例となる（特許文献１参照）。この技術においては、いずれの目的気体の場合も、該水和物生成物の水溶液と、目的気体との混合物を冷却することにより、水和物を生成させるものである。

水和物により目的気体を分離するには、従来、水和物生成装置と水和物分解装置とを備える気体分離装置が用いられていた。

水和物生成装置では、水和物生成物の水溶液と目的気体を含む混合気体とを混合させた状態で冷却することで、目的気体を捕集した水和物を生成し、この水和物と水和物を生成する液体とで水和物スラリを形成する。水和物生成装置にて、水和物生成物の水溶液と目的気体を含む混合気体とが混合された状態で、冷媒体との熱交換可能に配置された生成管内を流送中に、該生成管の周囲の冷媒体により冷却されて水和物スラリが形成される。

目的気体を捕集した水和物を含む水和物スラリと目的気体以外の気体との混合物は、次に、分離器にて、常圧のもとで気液分離されて目的気体以外の気体を排出してから水和物分解装置へもたらされる。目的気体以外の気体が排除された水和物スラリは、しかる後、水和物分解装置で加熱されて、水和物が加熱により分解され水和物生成物の水溶液となり、水和物から捕集していた目的気体を放出する。放出された目的気体と水和物生成物の水溶液との混合物を次の分離器にて常圧のもとで気液分離して目的気体を抽出する。水和物分解装置での水和物の加熱による融解（分解）により、目的気体が抽出された後の水和物生成物の水溶液は、水溶液の状態で水和物生成装置へ帰還され、ここで、水和物の生成に適した温度まで冷却されて再利用される。

特開２０１２−７６０８０号公報

既述の従来の気体分離装置は、水和物分解装置で昇温して水和物が融解した水和物生成物の水溶液を、水和物生成装置にて水和物生成のための温度まで冷却しなくてはならないので、冷凍機などの規模の大きい冷却装置が必要である。また、水和物分解装置では、水和物を融解させるのに加熱装置が必要となる。したがって、気体分離装置としては、これらの冷却装置、加熱装置を要するので、装置が大がかりとなり設備費が嵩み、冷却と加熱のためのエネルギ消費が大きく運転費も嵩む。

さらに、水和物生成装置で水和物スラリを生成する際、水和物生成物の水溶液と目的気体を含む混合気体との混合物は、生成管内を流送されて、その流送中に生成管の周囲の冷媒体により冷却されるので、生成管内面に水和物が付着して、管路閉塞の問題が生じると共に、流送時の圧力損失が増大してしまい、混合物を流送するポンプ動力の増大、すなわち動力源のエネルギの消費が増大するという問題を生ずる。また、増大する圧力損失に対応できるようにポンプも大型化しなければならないという問題を生ずる。

本発明は、かかる事情に鑑み、水和物を生成するための大がかりな冷却装置や、水和物を融解するための加熱装置を要せず、エネルギ消費が小さくてすみ、装置が小規模で、さらには、水和物生成時の管路閉塞という問題も生じない気体分離装置及び気体分離方法を提供することを課題とする。

本発明によると、上述の課題は、以下のように構成される気体分離装置及び気体分離方法で解決される。

＜気体分離装置＞
目的気体を含有する混合気体と水和物スラリとを接触させて目的気体を分離する気体分離装置において、容器及び該容器に内圧を印加する加圧手段を備えていて、目的気体と他の気体とが混在している混合気体の供給そして水和物スラリの供給を容器内に受けて該混合気体と水和物スラリを互いに接触状態で加圧する加圧器と、該加圧器から加圧後の水和物スラリを受けてこれを減圧する減圧器とを有し、上記加圧器と減圧器は、加圧後の水和物スラリが減圧器で減圧された後に帰還路を経て加圧器へ帰還するように接続されており、加圧器が目的気体以外の気体の排気のための排出口、減圧器が目的気体を抽出するための目的気体取出口をそれぞれ設けていることを特徴とする気体分離装置。

かかる本発明において、加圧器は、容器内の水和物スラリ中に位置するように設けられた気体分散器を有し、加圧器に供給された混合気体が該気体分散器から容器内の水和物スラリに分散されるようにすることができる。

本発明において、加圧器の圧力は５０〜５００ｋＰａＧであり、減圧器の圧力は０〜５０ｋＰａＧであることが好ましい。

本発明において、帰還路は、減圧器からの水和物スラリを加圧器へ向け圧送するポンプと、ポンプでの加圧による昇温分だけ水和物スラリを降温させる冷却器とを有していることが好ましい。

＜気体分離方法＞
目的気体を含有する混合気体と水和物スラリとを接触させて目的気体を分離する気体分離方法において、目的気体と他の気体とが混在している混合気体そして水和物スラリを加圧器の容器内に供給して該混合気体と水和物スラリを互いに接触状態で加圧し、加圧後の水和物スラリを減圧器で減圧し、減圧器で減圧された後の水和物スラリを帰還路を経て加圧器へ帰還させて、加圧器から目的気体以外の気体を排気し、減圧器から目的気体を抽出することを特徴とする気体分離方法。

かかる本発明において、加圧器は、容器内の水和物スラリ中に位置するように設けられた気体分散器を有し、加圧器に供給された混合気体を該気体分散器から容器内の水和物スラリに分散することができる。

本発明において、加圧器の圧力は５０〜５００ｋＰａＧであり、減圧器の圧力は０〜５０ｋＰａＧであることが好ましい。

本発明において、減圧器からの水和物スラリを加圧器へ向けポンプで圧送し、ポンプでの加圧による昇温分だけ水和物スラリを冷却器で降温させることが好ましい。

以上のような、本発明装置及び方法では、加圧器の容器内で目的気体を含有する混合気体と水和物スラリを互いに接触状態で加圧することにより、水和物は目的気体を選択的に吸収捕集し、減圧器で目的気体を捕集している水和物を減圧することにより、水和物から目的気体が放出され、目的気体が混合気体から分離される。このように、減圧器で水和物スラリ中の水和物は融解されることなく減圧されるだけで目的気体が抽出された後、水和物スラリの状態を保って加圧器へ帰還され混合気体と接触し加圧されることで目的気体を捕集する。したがって、水和物の生成のための冷却、水和物から目的気体の取出し時に水和物の融解のための加熱を要しない。

本発明装置及び方法によれば、目的気体と他の気体とが混在している混合気体そして水和物スラリを加圧器の容器内に供給して該混合気体と水和物スラリを互いに接触状態で加圧し水和物が目的気体を選択的に捕集し、加圧後の水和物スラリを減圧器で減圧し水和物から目的気体を放出し、減圧器で減圧された後の水和物スラリを帰還路を経て加圧器へ帰還させて、加圧器から目的気体以外の気体を排気し、減圧器から目的気体を抽出することとしているので、水和物を生成するための冷却器、水和物を融解（分解）するための加熱器が不要であり、装置全体がコンパクトになり、冷熱エネルギ、加熱エネルギの必要がなく、加圧、減圧のためのエネルギは必要であるが、少ないエネルギで目的気体を分離することができる、という効果を得る。さらには、水和物生成物質の水溶液を冷却し水和物を生成することを行わないため、水和物生成のための生成管路を用いる必要がないため、管路での圧力損失増大や管路内閉塞等の問題が生じないという効果も得る。

本発明の一実施形態としての気体分離装置の概要構成図である。

以下、添付図面の図１にもとづき、本発明の一実施形態について説明する。

図１に示される本発明の一実施形態としての気体分離装置１は、水和物スラリ中の水和物に目的気体を加圧下で吸収捕集させる加圧器１１と、水和物スラリの減圧により水和物から捕集された目的気体を分離して取り出す減圧器１２とを主として有している。

かかる気体分離装置１について、加圧器１１、減圧器１２等の各構成装置の説明に先立ち、水和物生成物、水和物を生成する液体そして目的気体について説明する。

＜水和物生成物＞
水和物を生成するゲスト物質（水和物生成物）としては、第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩、第四級スルホニウム塩などを用いることができる。第四級アンモニウム塩としては、臭化テトラnブチルアンモニウム（ＴＢＡＢ）、臭化テトラｉｓｏペンチルアンモニウム（ＴｉＰＡＢ）、臭化トリｎブチルペンチルアンモニウム（ＴＢＰＡＢ）、フッ化テトラnブチルアンモニウム（ＴＢＡＦ）、塩化テトラｎブチルアンモニウム（ＴＢＡＣｌ）、ヨウ化テトラｎブチルアンモニウム（ＴＢＡＩ）などのテトラアルキルアンモニウム塩などが代表的な例として挙げられるが、これらに限定されるものではない。

＜水和物を生成する液体＞
水和物を生成する液体としての水和物生成物を含む水溶液としては、上記の水和物生成物を含む水溶液を用いることができる。また、水和物生成物を含む水溶液として、臭化テトラｉｓｏペンチルアンモニウム(ＴｉＰＡＢ)の水溶液が好ましい。臭化テトラｉｓｏペンチルアンモニウムの調和融点は３０℃であり、水溶液の濃度を調整して水和物生成温度を０〜３０℃の範囲に調整することが容易であるからである。

また、水和物生成物を含む水溶液として、臭化テトラｉｓｏペンチルアンモニウムを含むニ種以上の第四級アンモニウム塩の水溶液が好ましい。臭化テトラｉｓｏペンチルアンモニウム以外の第四級アンモニウム塩としては、臭化テトラｎブチルアンモニウムが好ましい。臭化テトラｎブチルアンモニウムは比較的安価で入手し易いので、臭化テトラｉｓｏペンチルアンモニウムと臭化テトラｎブチルアンモニウムとを適切に配合することにより、水和物生成温度を０〜３０℃の範囲に調整することが容易であるとともに経済的に優れた気体を捕集し放出して分離する装置、方法を構成することができる。

水和物を生成する液体の濃度、すなわち水和物生成物を含む水溶液の水和物生成物濃度は高いほど水和物スラリ中の水和物濃度が高く、水和物濃度が高いほど目的気体を捕集する量が多くなるので、水溶液の水和物生成物濃度が高いことが好ましい。

ゲスト物質が臭化テトラｉｓｏペンチルアンモニウムの場合、水溶液の濃度は０．１〜３５重量％が好ましく、１〜１５重量％がより好ましい。下限値より小さいと気体分離装置として水溶液量を多く要し過大な容量の容器が必要となり好ましくなく、上限値より大きいと水和物スラリ中の水和物濃度が高すぎ粘度が高くなり、水和物及び水和物を生成する液体と、目的気体との接触効率が低下するため好ましくない。

＜目的気体＞
混合気体から分離する目的気体としては、例えば、二酸化炭素、酸素、硫化水素、二酸化硫黄、メタンなどが挙げられる。

混合気体から目的気体を捕集して分離することの例として、メタンと二酸化炭素を含む混合気体から目的気体として二酸化炭素を分離しメタン含有率の高い燃料ガスを得ることや、燃焼排ガスなどの混合気体から二酸化炭素を分離し二酸化炭素濃縮ガスを得ること、空気から酸素を分離し酸素富化空気を得ることなどが挙げられる。また、化学原料ガス中に含まれる硫化水素を触媒の劣化防止を目的に除去すること、燃焼排ガス中の二酸化硫黄を環境保全の観点から分離することも好適な例である。

本実施形態装置において、加圧器１１は、上述の目的気体と目的気体以外の気体とが混在している混合気体Ａと、減圧器１２から帰還する水和物スラリとを受け、これらを接触状態のもとで加圧するものであり、容器１１Ａを有し、気体分散器１１Ｂが容器１１Ａの底部に配置されている。

容器１１Ａは、内圧を５０〜５００ｋＰａＧとして水和物スラリを加圧するように、図示しない加圧手段が設けられ、あるいは該加圧手段が接続されている。気体分離器１１Ｂは、例えば微小多孔が形成された管部材で作られていて、容器１１Ａ内に収容されている後述の水和物スラリ中に配されており、上記混合気体Ａを外部から送気管１３を経て受け入れ、上記微小多孔から混合気体Ａを容器１１Ａ内の水和物スラリ中へ気泡状に吹き出すようになっている。上記送気管１３には、圧縮機１４が設けられていて、外部からの混合気体Ａが上記気体分散器１１Ｂの微小多孔から吹き出すのに十分な圧力に上記圧縮機１４で加圧される。また、上記送気管１３には、冷却器１５が設けられていて、容器１１Ａ内の水和物スラリ中に混合気体Ａが吹き込まれることにより上記水和物スラリの温度が水和物の融解温度以上に上昇しないように混合気体Ａが上記冷却器１５で冷却される。

また、上記容器１１Ａは、その上部に容器１１Ａ内の水和物スラリの液面上の空間の気体（後述するがこれは目的気体以外の気体）を外部へ排気する排出口１６Ａが設けられ、ここに排気管１６Ｂが接続されている。

上記加圧器１１は、ポンプ１７を経て送液管１８により上記減圧器１２に接続されている。該減圧器１２は、加圧器１１から加圧下の水和物スラリを受けて、これを０〜５０ｋＰａＧに減圧するようになっている。上記減圧器１２は、該減圧器１２の容器内に送入された水和物スラリの液面より上方の空間の気体（後述するがこれは目的気体）を外部へ抽出する目的気体取出口１９Ａが設けられており、ここに目的気体取出管１９Ｂが接続されている。

上記減圧器１２には、その容器内の下部に、内部の水和物スラリを既出の加圧器１１へ帰還させる帰還路２０を形成する配管が接続されている。該帰還路２０は、加圧器１１の容器１１Ａへ帰還している。

上記帰還路２０には、ポンプ２１、攪拌器２２、冷却器２３が設けられている。ポンプ２１は減圧器１２からの水和物スラリを上記加圧器１１へ帰還させるように圧送し、攪拌器２２は帰還する水和物スラリの流れに乱れを生じさせる。また、冷却器２３は上記ポンプ２１での圧送そして攪拌器２２での攪拌により若干ながら昇温する分だけ水和物スラリを冷却する。

以上のような構成の本実施形態の気体分離装置１における混合気体からの目的気体の分離についてそのプロセスを、以下に説明する。

加圧器１１には、減圧器１２からの減圧後の水和物スラリが帰還路２０を経て帰還されており、該加圧器１１の容器１１Ａ内に収容されている。

外部の供給源（図示せず）から供給される目的気体と他の気体とが混在している混合気体Ａは、気体分散器１１Ｂの微小多孔から吹き出されるのに適切な程度に、圧縮機１４にて加圧された後、上記容器１１Ａ中の水和物スラリ中の水和物を融解してしまわない程度の温度にまで冷却器１５により冷却され、送気管１３を経て上記容器１１Ａの気体分散器１１Ｂへ圧送される。

加圧されている混合気体Ａは気体分散器１１Ｂの微小多孔から容器１１Ａ内の水和物スラリ中へ吹き出されて気泡となり分散・上昇するが、その際、水和物スラリと接触する。容器１１Ａ内は、図示しない加圧手段により加圧されているので、上記混合気体Ａの気泡と水和物スラリとはその加圧下のもとで接触することとなる。この加圧下のもとで混合気体Ａ中の目的気体が他の気体よりも選択的に水和物に吸収・捕集されて、目的気体以外の他の気体から分離される。この目的気体以外の他の気体は、水和物スラリ中を上昇し続けて、該水和物スラリの液面から上方の空間に達し貯留される。該空間内の目的気体以外の他の気体は排出口１６Ａから排気管１６Ｂを経て容器１１Ａ外に取り出される。

目的気体を捕集した水和物を含む水和物スラリはポンプ１７により送液管１８を経て減圧器１２に送り込まれる。加圧器１１で加圧されていた水和物スラリは、上記減圧器１２にて減圧される。減圧された水和物スラリ中の水和物は、捕集していた目的気体を放出する。放出された目的気体は減圧器１２の上部空間に貯留され、ここから目的気体取出口１９Ａそして目的気体取出管Ｂを経て抽出される。かくして、目的気体は混合気体Ａから分離して取り出される。

目的気体が抽出された後の水和物スラリは、帰還路２０を経て加圧器１１へ帰還され、該加圧器１１にて混合気体Ａから目的気体を捕集するのに再び利用される。帰還路２０では、水和物スラリはポンプ２１により圧送され、攪拌器２２により攪拌されることで流れに乱れを生じ、加圧器１１へ帰還した際には、水和物スラリは乱れを有しているため、目的気体との接触効率が増大することで水和物による目的気体の捕集能力が向上される。帰還路２０にて水和物スラリは、ポンプ２１そして攪拌器２２から入熱を受けるので、冷却器２３でその分だけ冷却され、水和物が融解することを防止されている。

かくして、帰還した水和物スラリは、水和物の融解が生じない温度にて加圧器１１に収容され、加圧下での混合気体との接触により、再び目的気体の吸収・捕集に供される。

１ 気体分離装置
１１ 加圧器
１１Ａ 容器
１１Ｂ 気体分散器
１２ 減圧器
１６Ａ 排出口
１９Ａ 目的気体取出口
２０ 帰還路
２１ ポンプ
２３ 冷却器
Ａ 混合気体

Claims (8)

1. 目的気体を含有する混合気体と水和物スラリとを接触させて目的気体を分離する気体分離装置において、
   容器及び該容器に内圧を印加する加圧手段を備えていて、目的気体と他の気体とが混在している混合気体の供給そして水和物スラリの供給を容器内に受けて該混合気体と水和物スラリを互いに接触状態で加圧する加圧器と、該加圧器から加圧後の水和物スラリを受けてこれを減圧する減圧器とを有し、上記加圧器と減圧器は、加圧後の水和物スラリが減圧器で減圧された後に帰還路を経て加圧器へ帰還するように接続されており、加圧器が目的気体以外の気体の排気のための排出口、減圧器が目的気体を抽出するための目的気体取出口をそれぞれ設けていることを特徴とする気体分離装置。
2. 加圧器は、容器内の水和物スラリ中に位置するように設けられた気体分散器を有し、加圧器に供給された混合気体が該気体分散器から容器内の水和物スラリに分散されるようになっていることとする請求項１に記載の気体分離装置。
3. 加圧器の圧力は５０〜５００ｋＰａＧであり、減圧器の圧力は０〜５０ｋＰａＧであることとする請求項１に記載の気体分離装置。
4. 帰還路は、減圧器からの水和物スラリを加圧器へ向け圧送するポンプと、ポンプでの加圧による昇温分だけ水和物スラリを降温させる冷却器とを有していることとする請求項１に記載の気体分離装置。
5. 目的気体を含有する混合気体と水和物スラリとを接触させて目的気体を分離する気体分離方法において、
   目的気体と他の気体とが混在している混合気体そして水和物スラリを容器内に供給して該混合気体と水和物スラリを互いに接触状態で加圧し、加圧後の水和物スラリを減圧器で減圧し、減圧器で減圧された後の水和物スラリを帰還路を経て加圧器へ帰還させて、加圧器から目的気体以外の気体を排気し、減圧器から目的気体を抽出することを特徴とする気体分離方法。
6. 加圧器は、容器内の水和物スラリ中に位置するように設けられた気体分散器を有し、加圧器に供給された混合気体を該気体分散器から容器内の水和物スラリに分散することとする請求項５に記載の気体分離方法。
7. 加圧器の圧力は５０〜５００ｋＰａＧであり、減圧器の圧力は０〜５０ｋＰａＧであることとする請求項５に記載の気体分離方法。
8. 減圧器からの水和物スラリを加圧器へ向けポンプで圧送し、ポンプでの加圧による昇温分だけ水和物スラリを冷却器で降温させることとする請求項５に記載の気体分離方法。

Images