JP7789306B2 - Gas Separation Method - Google Patents
Gas Separation MethodInfo
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Description
本発明はゲート現象を示す多孔性高分子錯体(以下、単に「ゲート型多孔性高分子錯体」ともいう)を用いたガス分離方法に関する。 The present invention relates to a gas separation method using a porous polymer complex that exhibits a gate phenomenon (hereinafter simply referred to as a "gate-type porous polymer complex").
酸素や窒素等の産業上、重要なガスを製造する方法として、固体吸着材を用いて、圧力スウィング吸着(PSA: Pressure Swing Adsorption)システムが広く普及している。これは、例えば、二種のガスの混合物からそれぞれのガスを分離する場合に、二種のガスに対する吸着力に差がある固体吸着材を吸着塔に充填し、混合ガスを導入すると一方のガスが選択的に吸着される。その結果、気相には、吸着されなかったガスが多く残るため、これを減圧して吸着されたガスを回収するという原理に基づいている。このためにはゼオライトや活性炭などの、いわゆる多孔体と呼ばれる固体吸着材が広く利用され、酸素生成PSA、窒素生成PSA他、広く普及している(特許文献1)。 Pressure Swing Adsorption (PSA) systems using solid adsorbents are widely used as a method for producing industrially important gases such as oxygen and nitrogen. For example, when separating two gases from a mixture, an adsorption tower is filled with solid adsorbents that have different adsorption capacities for the two gases. When the mixed gas is introduced, one gas is selectively adsorbed. As a result, a large amount of unadsorbed gas remains in the gas phase, and the adsorbed gas is recovered by depressurizing this. For this purpose, so-called porous solid adsorbents such as zeolite and activated carbon are widely used, and PSA for oxygen generation, PSA for nitrogen generation, and other applications are widely used (Patent Document 1).
一般に、ゼオライトや活性炭などの既存の多孔体は、いわゆるIUPACの吸着等温線の6分類で分類可能である。すなわち、既存の多孔体は、圧力上昇に応じてガス吸着力が増加する特性を有しており、既存のPSAシステムは、このような特性に最適化されている。一方で、IUPACの6分類では分類できない、特殊な吸着等温線を示す材料が発表されている。これらは、金属イオン、配位子から形成される多孔性高分子錯体(PCP: Porous Coordination Polymer)の一種で、ゲート型多孔性高分子錯体、柔軟性多孔性高分子錯体などと呼ばれ、これらが示す特殊なガス吸着挙動はゲート現象、ゲート吸着と呼ばれている。 Generally, existing porous materials such as zeolites and activated carbon can be classified into the six IUPAC adsorption isotherm categories. In other words, existing porous materials have the property that their gas adsorption capacity increases with increasing pressure, and existing PSA systems are optimized for this property. However, materials that exhibit unique adsorption isotherms that cannot be classified into the six IUPAC categories have been announced. These are types of porous coordination polymers (PCPs) formed from metal ions and ligands, and are known as gate-type porous polymer complexes or flexible porous polymer complexes. The unique gas adsorption behavior they exhibit is known as the gate phenomenon or gate adsorption.
ゲート現象とは、ゲート型多孔性高分子錯体を吸着材とした場合、主として、その構造が変化することで、ガスの吸着量が急激に変化する現象である。ガス圧が低圧の場合は、ゲート型多孔性高分子錯体はガスをほとんど吸着しないが、ガス圧が一定値(吸着開始ゲート圧と呼ばれる)に達すると、ゲート型多孔性高分子錯体の構造が変化(例えば、積層構造がずれる、層間が広がる等)して、ガス分子がその構造内に取り込まれる。このため、吸着開始ゲート圧を境にガス吸着量は急激に増加する。この現象は、吸着開始ゲート圧以下では、ゲート型多孔性高分子錯体とガス分子が別々に存在している方がエネルギー的に安定であるが、吸着開始ゲート圧以上では、ゲート型多孔性高分子錯体とガス分子が別々に存在しているよりも、ガス分子がゲート型多孔性高分子錯体の内部に取り込まれる方が、より安定な包摂体を形成し、エネルギー的に有利になるため為と考えられている。 The gate phenomenon occurs when a gate-type porous polymer complex used as an adsorbent undergoes a sudden change in gas adsorption, primarily due to a change in its structure. At low gas pressures, the gate-type porous polymer complex barely adsorbs gas. However, once the gas pressure reaches a certain value (called the adsorption initiation gate pressure), the structure of the gate-type porous polymer complex changes (e.g., the stacking structure shifts, the interlayer spaces widen, etc.), and gas molecules are incorporated into the structure. This results in a sudden increase in gas adsorption above the adsorption initiation gate pressure. This phenomenon is thought to occur because, below the adsorption initiation gate pressure, it is energetically more stable for the gate-type porous polymer complex and gas molecules to exist separately. However, above the adsorption initiation gate pressure, it is more energetically advantageous for the gas molecules to be incorporated into the gate-type porous polymer complex, forming a more stable inclusion complex than if the gate-type porous polymer complex and gas molecules existed separately.
ガス放出では逆の現象が生じる。すなわち、ガス圧が一定の圧(脱着開始ゲート圧)以下に下がると、ゲート型多孔性高分子錯体に取り込まれていたガス分子が放出され、元のゲート型多孔性高分子錯体の構造に戻ろうとする為、ガスの放出が急激に生じる。すなわち、このようなゲート現象は、ゲート型多孔性高分子錯体構造の柔軟性に基づいており、この様な柔軟性を有していない既存の多孔体であるゼオライトや活性炭等では、ゲート現象は生じない。ゲート現象は、ゲート型多孔高性分子錯体特有の現象である。 The opposite phenomenon occurs with gas release. That is, when the gas pressure drops below a certain pressure (desorption initiation gate pressure), the gas molecules trapped in the gate-type porous polymer complex are released and attempt to return to the original gate-type porous polymer complex structure, resulting in a sudden release of gas. In other words, this gating phenomenon is based on the flexibility of the gate-type porous polymer complex structure; the gating phenomenon does not occur with existing porous materials such as zeolite and activated carbon, which do not possess this flexibility. The gating phenomenon is unique to gate-type porous polymer complexes.
このゲート現象を、ガス分離に適用した場合、主として2つの大きなメリットがある。第1のメリットは、ガスの吸着、放出が急激に生じることによる、高効率のガス分離である。既存の多孔体は、ガス圧と吸着量が概ね比例する様な吸着等温線を示す。この様な吸着材に吸着されたガスを全量回収する為には、大きな圧力変動が必要となる。これに対し、ゲート現象を示すゲート型多孔性高分子錯体では、ゲート圧をまたいで圧力変動させることでガス回収ができるため、非常に小さな圧力変動で吸着されたガスを回収することができる(図1)。
吸着ガス回収の際の圧力変動は、使用する電力コストに直結している。すなわち、小さな圧力変動で吸着ガスを回収することができるゲート型多孔性高分子錯体は、低コストでガスを、分離することができる材料である。
When this gate phenomenon is applied to gas separation, there are two major advantages. The first advantage is highly efficient gas separation due to the rapid adsorption and desorption of gas. Existing porous materials exhibit adsorption isotherms in which the gas pressure is roughly proportional to the amount of adsorption. In order to recover the entire amount of gas adsorbed by such adsorbents, large pressure fluctuations are required. In contrast, with gate-type porous polymer complexes that exhibit the gate phenomenon, gas can be recovered by fluctuating the pressure across the gate pressure, so adsorbed gas can be recovered with very small pressure fluctuations (Figure 1).
Pressure fluctuations during adsorption gas recovery are directly linked to the cost of electricity used. In other words, the gate-type porous polymer complex, which can recover adsorbed gases with small pressure fluctuations, is a material that can separate gases at low cost.
第2のメリットは、ガス分離効率の高さである。前述の通り、ゲート型多孔性高分子錯体のガス吸着は、従来のような、吸着材の細孔の中に吸着されるガス分子が取りこまれるという単純なメカニズムでは無く、ゲート型多孔性高分子錯体と吸着されるガス分子が、一定ガス圧(吸着開始ゲート圧)以上で、ゲート型多孔性高分子錯体と安定な包摂体を形成するというメカニズムに基づいている。既存の多孔体吸着材の場合、二種類のガスと異なる親和性を有していても、細孔が存在している以上、親和性の低いガスも細孔内に取りこまれる共吸着現象が生じやすい。これに対し、ゲート型多孔性高分子錯体は、共吸着現象によって、親和性が低いガス分子も一緒に取りこむと、包摂体の安定性が低下するため、親和性が高いガスを選択的に取りこみ、より安定な包摂体を形成しようとする特性を有している。このため、ゲート型多孔性高分子錯体は、ガス選択性が高く、これをPSAシステムに適用した場合、高回収率、高効率で高純度な分離ガスを製造することができる。 The second benefit is its high gas separation efficiency. As mentioned above, gas adsorption by gate-type porous polymer complexes is not based on the simple mechanism of gas molecules being trapped in the pores of the adsorbent, as in conventional methods. Rather, it is based on a mechanism in which the gate-type porous polymer complex and the adsorbed gas molecules form stable inclusion complexes with the gate-type porous polymer complex when the gas pressure (adsorption onset gate pressure) is above a certain level. With existing porous adsorbents, even if two gases have different affinities, the presence of pores makes it easy for co-adsorption, in which the gas with lower affinity is also trapped within the pores. In contrast, gate-type porous polymer complexes have the property of selectively trapping gases with higher affinity, thereby forming more stable inclusion complexes, because the inclusion complex's stability decreases when gas molecules with lower affinity are also trapped due to co-adsorption. As a result, gate-type porous polymer complexes have high gas selectivity, and when applied to PSA systems, they can produce high-purity separated gases with high recovery rates and high efficiency.
しかし、実際にこのゲート型多孔性高分子錯体をPSAシステムに適用した場合、スリッピングオフ(slipping off)現象と呼ばれる問題が生じ、吸着対象ガスの回収率が低下することがある。スリッピングオフ現象とは、PSA装置にガスを圧入した際、吸着させたい成分がゲート型多孔性高分子錯体に吸着されずそのままPSA装置から流れ出てしまう現象を指す。これは、吸着対象ガスの分圧が低圧(吸着開始ゲート圧以下)の場合にそのガスをほとんど吸着しないというゲート型多孔性高分子錯体が有する特性に起因している。また、吸着対象ガスの分圧が吸着開始ゲート圧より高くても、吸着対象ガスの回収率が低い(約0.4)場合がある。これは、PSA装置のガス入口付近では、吸着対象ガスの分圧が高く(吸着開始ゲート圧以上)、ゲート吸着現象が生じるが、入口付近で吸着しきれなかった吸着対象ガスはガス出口に向かって流れる。この吸着しきれなかったガスは、入口付近で吸着されたガスの分だけ吸着対象ガスの分圧が低圧になり、吸着開始ゲート圧以下となるため、出口付近で吸着されることなくそのままPSA装置外へ流れ出る。このスリッピングオフ現象が生じると、結果として吸着されるべきガスが流出するため回収率が下がってしまう。 However, when this gate-type porous polymer complex is actually applied to a PSA system, a problem known as slipping-off can occur, resulting in a decrease in the recovery rate of the adsorbed gas. Slipping-off refers to the phenomenon in which, when gas is injected into a PSA unit, the components to be adsorbed are not adsorbed by the gate-type porous polymer complex and instead flow out of the PSA unit. This phenomenon is due to the gate-type porous polymer complex's characteristic of barely adsorbing a gas when the partial pressure of the adsorbed gas is low (below the adsorption initiation gate pressure). Furthermore, even when the partial pressure of the adsorbed gas is higher than the adsorption initiation gate pressure, the recovery rate of the adsorbed gas may be low (approximately 0.4). This occurs because the partial pressure of the adsorbed gas is high (above the adsorption initiation gate pressure) near the gas inlet of the PSA unit, causing the gate adsorption phenomenon, but the adsorbed gas that is not completely adsorbed near the inlet flows toward the gas outlet. This unadsorbed gas flows out of the PSA unit without being adsorbed near the outlet because the partial pressure of the gas to be adsorbed is lowered by the amount of gas adsorbed near the inlet, falling below the adsorption start gate pressure. When this slipping-off phenomenon occurs, the gas that should have been adsorbed ends up leaking out, resulting in a lower recovery rate.
このスリッピングオフ現象を解決するために、特許文献2では、吸着カラムを二つ直列に接続したPSAシステムを提案している。この二つのカラムのうち片方にはゲート型多孔性高分子錯体が、もう片方には既存の多孔体が充填されている。このシステムではゲート型多孔性高分子錯体が充填されたカラムからスリッピングオフ現象により流出した吸着されるべきガスを、既存の多孔体が充填されたカラムで吸着することによりガス流出を防いでいる。 To solve this slipping-off phenomenon, Patent Document 2 proposes a PSA system in which two adsorption columns are connected in series. One of the two columns is filled with a gate-type porous polymer complex, and the other with an existing porous material. In this system, gas to be adsorbed leaks from the column filled with the gate-type porous polymer complex due to slipping-off, but is adsorbed by the column filled with the existing porous material, thereby preventing gas leakage.
このシステムには次に示す問題がある。第1は設備コストの高さである。吸着カラムを二つ用意する必要があるため、一つのカラムで吸着を行う一般的なPSAシステムと比較して設備コストが大きくなることである。 This system has the following problems. The first is the high equipment cost. Because two adsorption columns are required, the equipment cost is higher than that of a typical PSA system that uses a single column for adsorption.
第2は設備耐用年数の低下問題である。二種の吸着材はそれぞれ耐用年数が異なるが、設備交換は耐用年数が低い方に合わせて行う必要があり、単一カラムで吸着を行うPSAシステムと比較して頻繁な交換が求められる。設備交換は生産システム全体を止めて行うことからコストが高く、頻繁な交換は生産性の低下に直結する。 The second issue is the shortened useful life of equipment. The two types of adsorbents have different useful lives, and equipment replacement must be carried out according to the material with the shorter useful life, which requires more frequent replacement than PSA systems that use a single column for adsorption. Equipment replacement is costly because it requires the entire production system to be shut down, and frequent replacement directly leads to reduced productivity.
第3は、既存の多孔体に吸着されたガスを脱着するためのエネルギーの増加である。スリッピングオフ現象は吸着開始ゲート圧以下の低濃度のガスが流出する現象である。このため、これを捕捉する既存の多孔体は強い吸着力を有していなければならない。このように吸着力が強い吸着剤から吸着されたガスを脱着するのにはエネルギーを多く消費することになる。この結果としてゲート型多孔性高分子錯体を用いるPSAシステムの特徴である省エネルギー性が損なわれる可能性がある。
このため、ゲート型多孔性高分子錯体を利用したPSAシステムは未だ実用化されておらず、本課題も解決されていない。
The third issue is the increased energy required to desorb gases adsorbed in existing porous materials. Slipping-off is a phenomenon in which low-concentration gases below the gate pressure at which adsorption begins leak out. For this reason, existing porous materials that capture gases must have strong adsorption power. Thus, a large amount of energy is consumed to desorb gases adsorbed from adsorbents with such strong adsorption power. As a result, the energy-saving feature of PSA systems using gate-type porous polymer complexes may be lost.
For this reason, a PSA system utilizing a gate-type porous polymer complex has not yet been put to practical use, and this problem remains unsolved.
本発明は、ゲート型多孔性高分子錯体を用いるPSAシステムにおけるスリッピングオフ現象を軽減して、ガス回収率を向上させ、高効率、高純度のガスを得るガス分離方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a gas separation method that reduces the slipping-off phenomenon in PSA systems using gated porous polymer complexes, improves gas recovery rates, and produces highly efficient, high-purity gas.
本発明者らは、前述のような問題点を解決すべく、ゲート型多孔性高分子錯体を用いるPSAシステムにおいて、以下に示す三点の手法によりスリッピングオフ現象を軽減し、ガス回収率を向上させることを検討した。 In order to solve the problems described above, the inventors investigated the following three methods to reduce the slipping-off phenomenon and improve gas recovery rates in PSA systems using gate-type porous polymer complexes.
第1の手法は、PSAシステムの吸着カラムのガス出口から流出するガスを回収し、これを入口側に戻して再度加圧を行い吸着させてガス回収率を高める手法である。 The first method involves recovering the gas flowing out from the gas outlet of the adsorption column of the PSA system, returning it to the inlet side, and re-pressurizing it to adsorb it, thereby increasing the gas recovery rate.
この手法によるガス分離装置は、図4に示すような出口ガスの再利用システムを有する。これは吸着カラムから排出される出口ガスをタンクに貯留し、それをコンプレッサーにより再度加圧して吸着カラム入口へフィードバックを行うことで吸着対象ガスを再吸着させる。これにより吸着カラム出口からの吸着対象ガスガス流出を防ぎ、吸着対象ガスの回収率を向上させることが可能となる。 A gas separation device using this method has an outlet gas recycling system, as shown in Figure 4. This stores the outlet gas discharged from the adsorption column in a tank, re-pressurizes it with a compressor, and feeds it back to the adsorption column inlet, thereby re-adsorbing the target gas. This prevents the target gas from leaking from the adsorption column outlet, making it possible to improve the recovery rate of the target gas.
ガス分離装置は図5に示す手順(1)~(4)の繰り返しにより運用される。なお点線は吸着カラム内における吸着対象成分のガス分圧の大きさを示す。まず手順(1)では、前サイクルの手順(3)でタンク内に貯蔵した低濃度ガスをコンプレッサーにより吸着カラムへ圧入する。この際、カラム内の一部(入口付近)でガス吸着が起きる。なお1サイクル目では手順(1)を行わない。次に手順(2)で原料ガスをカラムに圧入する。この際、出口からスリッピングオフによるガスの漏出が始まる頃に手順(3)に切り替える。手順(3)ではこの漏出ガスをタンクに貯蔵する。タンク内には手順(1)で使用する低濃度ガスが補給される。タンク内のガス吸着量が飽和に達する頃に手順(4)に移行する。ここではまず大気圧までカラムを減圧し、その後真空ポンプを用いてカラム内のガス圧がゲート圧以下になるまで減圧しガスの脱着を行う。ガスの脱着が完了し次第、手順(1)に戻る。
これは流出ガスを循環させる手法であるが、循環させることによりシステム全体が複雑になる。
The gas separation system is operated by repeating steps (1) to (4) shown in Figure 5. The dotted line indicates the magnitude of the gas partial pressure of the component to be adsorbed in the adsorption column. First, in step (1), the low-concentration gas stored in the tank in step (3) of the previous cycle is compressed into the adsorption column by a compressor. During this process, gas adsorption occurs in a portion of the column (near the inlet). Note that step (1) is not performed in the first cycle. Next, in step (2), the raw gas is compressed into the column. At this time, the system switches to step (3) just as gas begins to leak from the outlet due to slipping off. In step (3), this leaked gas is stored in the tank. The tank is replenished with the low-concentration gas used in step (1). When the amount of gas adsorbed in the tank reaches saturation, the system transitions to step (4). Here, the column is first depressurized to atmospheric pressure, and then a vacuum pump is used to reduce the gas pressure in the column to below the gate pressure, allowing the gas to be desorbed. Once gas desorption is complete, the system returns to step (1).
This is a method of circulating the effluent gas, but circulating it makes the entire system more complicated.
第2の手法は、PSAシステムを、ゲート型多孔性高分子錯体を含む第1、第2の2つの吸着カラムから構成し、第1吸着カラムを常温または加熱し、第2吸着カラムを冷却することで、ゲート圧を適切に制御する手法である。これは、第2カラムのゲート材を冷却することにより吸着性を高めて、流出ガス量を低減しようとするものである。 The second method consists of a PSA system consisting of two adsorption columns, the first and second, each containing a gate-type porous polymer complex. The first adsorption column is kept at room temperature or heated, and the second adsorption column is cooled, thereby appropriately controlling the gate pressure. This aims to increase adsorption capacity by cooling the gate material of the second column, thereby reducing the amount of gas that leaks out.
この手法によるガス分離装置は、加熱・冷却によりスリッピングオフ現象を軽減するシステムを有する。図6に示す装置は常温の吸着カラムAと低温高圧の吸着カラムBを接続した装置である。点線はカラム内の吸着対象ガスの分圧の大きさを示し、カラムAおよびBにおけるゲート圧をそれぞれ[Pgate,A]、[Pgate,B]とする。このとき、ゲート型多孔性高分子錯体のゲート圧は、低温で低下するため[Pgate,A]>[Pgate,B]となる。カラム内の吸着開始ゲート圧以上のガスは吸着されるため、カラムAから漏出するゲート圧[Pgate,A]より低い分圧の吸着対象ガスを、カラムBでは吸着対象ガスの分圧が[Pgate,B]になるまで吸着することができる。このため、カラムA一本のみでPSAを行うよりも、スリッピングオフするガス量を低減することができる。 Gas separation equipment using this method has a system that reduces slipping-off through heating and cooling. Figure 6 shows an apparatus that connects a room-temperature adsorption column A to a low-temperature, high-pressure adsorption column B. The dotted lines indicate the magnitude of the partial pressure of the gas to be adsorbed within the columns, with the gate pressures for columns A and B being [Pgate, A] and [Pgate, B], respectively. In this case, the gate pressure of the gate-type porous polymer complex decreases at low temperatures, resulting in [Pgate, A] > [Pgate, B]. Gas above the adsorption initiation gate pressure within the column is adsorbed, so that gas to be adsorbed leaking from column A at a partial pressure lower than the gate pressure [Pgate, A] can be adsorbed in column B until the partial pressure of the gas to be adsorbed reaches [Pgate, B]. This reduces the amount of gas that slips off compared to PSA using only column A.
またこの手法は圧力制御によってスリッピングオフ現象による流出ガスを軽減するシステムを有する。図6においては、カラムA、B間にコンプレッサーを設置し、カラムA出口のガスを再加圧してカラムBに流入させる操作を行うことで更にスリッピングオフするガス量を低減することが可能となる。 This method also includes a system that reduces gas leakage due to slipping-off through pressure control. In Figure 6, a compressor is installed between columns A and B, and the gas at the outlet of column A is repressurized and allowed to flow into column B, further reducing the amount of gas that slips off.
この手法は、前述の特許文献2の説明でも述べたように、吸着カラムを2つ用意し、これらに寿命が異なる吸着材を充填することは、設備コストが上昇すること、材の寿命が異なることに由来して設備全体の耐用年数の低下が生じる。 As explained in the aforementioned Patent Document 2, this method involves preparing two adsorption columns and filling them with adsorbents with different lifespans, which increases equipment costs and reduces the useful life of the entire equipment due to the different lifespans of the materials.
第3の手法は、PSAシステムのカラムの入口において、吸着対象ガスの分圧を吸着開始ゲート圧以上に高めることで、流入させるガスの全体量に対して流出するガス量を低下させる手法である。この手法を用いると、予想外にガスの回収率が上昇した。 The third method is to increase the partial pressure of the gas to be adsorbed at the inlet of the PSA system column above the adsorption start gate pressure, thereby reducing the amount of gas that flows out relative to the total amount of gas that flows in. Using this method, the gas recovery rate unexpectedly increased.
本発明は、以下のとおりである。
(1)ゲート型多孔性高分子錯体を含むガス吸着材を充填した吸着塔および複数種のガスを含む混合ガスを前記吸着塔に供給するガス供給手段を少なくとも含むガス分離装置を用いるガス分離方法において、
前記複数種のガス中の吸着対象ガスの吸着開始ゲート圧に対する前記吸着塔の入口での前記吸着対象ガスの分圧との比が、1.3より大きく、400以下であることを特徴とするガス分離方法。
(2)前記ゲート型多孔性高分子錯体の吸着完了ゲート圧と脱着完了ゲート圧の圧力差が、2kPa~8000kPaであることを特徴とする前記(1)に記載のガス分離方法。
(3)前記ゲート型多孔性高分子錯体が、ELM類、カゴメ類、MIL類、CID類であることを特徴とする前記(1)または(2)に記載のガス分離方法。
The present invention is as follows.
(1) A gas separation method using a gas separation apparatus including at least an adsorption tower packed with a gas adsorbent containing a gate-type porous polymer complex and a gas supply means for supplying a mixed gas containing a plurality of gases to the adsorption tower,
A gas separation method characterized in that the ratio of the partial pressure of the gas to be adsorbed among the plurality of gases at the inlet of the adsorption tower to the adsorption start gate pressure of the gas to be adsorbed is greater than 1.3 and less than 400.
(2) The gas separation method according to (1), wherein the pressure difference between the adsorption completion gate pressure and the desorption completion gate pressure of the gate-type porous polymer complex is 2 kPa to 8000 kPa.
(3) The gas separation method according to (1) or (2), wherein the gate-type porous polymer complex is an ELM, a Kagome, an MIL, or a CID.
本発明のガス分離方法は、ゲート型多孔性高分子錯体を用いたPSAシステムが従来抱えているスリッピングオフ現象による吸着対象ガスの回収率低下の問題を解決し、吸着対象ガスの高効率・高純度・高回収率を実現する。本発明に係るガス分離装置としては、圧力スイング吸着方式(PSA方式)のガス分離装置が挙げられる。具体的な方式としては真空スウィング吸着(VSA:Vacuum Swing Adsorption)または圧力スウィング吸着(PSA)いずれも好適に利用できる。 The gas separation method of the present invention solves the problem of reduced recovery rates of the adsorbed gas due to the slipping-off phenomenon that has traditionally been encountered in PSA systems using gated porous polymer complexes, achieving high efficiency, high purity, and high recovery rates of the adsorbed gas. Examples of gas separation devices according to the present invention include pressure swing adsorption (PSA) gas separation devices. Specifically, either vacuum swing adsorption (VSA) or pressure swing adsorption (PSA) can be suitably used.
本発明に係るゲート型多孔性高分子錯体は、ゲート型の等温線を示す材料である。ゲート型等温線とは、主として多孔性高分子錯体の構造変化により、図2に示すような変曲点を示す吸着等温線および脱着等温線を意味する。ゲート型多孔性高分子錯体の等温線は、図2に示すように、吸着開始ゲート圧力、吸着完了ゲート圧力、ゲート吸着量、脱着開始ゲート圧力、脱着完了ゲート圧力、ゲート脱着量で定義される。 The gate-type porous polymer complex of the present invention is a material that exhibits a gate-type isotherm. A gate-type isotherm refers to an adsorption isotherm and desorption isotherm that show inflection points as shown in Figure 2, primarily due to structural changes in the porous polymer complex. As shown in Figure 2, the isotherm of a gate-type porous polymer complex is defined by the adsorption start gate pressure, adsorption completion gate pressure, gate adsorption amount, desorption start gate pressure, desorption completion gate pressure, and gate desorption amount.
吸着開始ゲート圧力とは、吸着工程において、吸着初期の吸着量-圧力の比例関係が急激に大きくなる(ガスの圧力増分に対し、吸着量増分が急に大きくなる)圧力である。吸着完了ゲート圧力とは、吸着工程において吸着開始ゲート圧力以降の吸着量-圧力の比例関係が急激に小さくなる(ガスの圧力増分に対し、脱着量増分が急に小さくなる)圧力である。ゲート吸着量とは、吸着開始ゲート圧から、吸着完了ゲート圧力の間の吸着量である。また、脱着開始ゲート圧力とは、脱着工程に於いて脱着初期の吸着量-圧力の比例関係が急激に大きくなる(ガスの圧力増分に対し、脱着量増分が急に大きくなる)圧力である。脱着完了ゲート圧力とは、脱着工程に於いて脱着開始ゲート圧力以降の吸着量-圧力の比例関係が急激に小さくなる(ガスの圧力増分に対し、脱着量増分が急に小さくなる)圧力であるである。ゲート脱着量とは、脱着開始ゲート圧力以降、脱着完了ゲート圧力までの脱着量である。吸着開始ゲート圧力、脱着開始ゲート圧力とも、吸着材料と吸着対象ガスとの親和性で変化する、すなわち、親和性が高ければ小さく、低ければ大きくなる。また温度が低ければ親和性が高まるのでゲート圧は低くなる。よって、吸着材料、ガス種、温度により変動するため一義的に圧力を決めることはできない。 The adsorption start gate pressure is the pressure at which the proportional relationship between the adsorption amount and pressure in the initial stage of adsorption in the adsorption process suddenly increases (the adsorption amount increment suddenly increases relative to the gas pressure increment). The adsorption completion gate pressure is the pressure at which the proportional relationship between the adsorption amount and pressure after the adsorption start gate pressure suddenly decreases (the desorption amount increment suddenly decreases relative to the gas pressure increment). The gate adsorption amount is the adsorption amount between the adsorption start gate pressure and the adsorption completion gate pressure. The desorption start gate pressure is the pressure at which the proportional relationship between the adsorption amount and pressure in the initial stage of desorption in the desorption process suddenly increases (the desorption amount increment suddenly increases relative to the gas pressure increment). The desorption completion gate pressure is the pressure at which the proportional relationship between the adsorption amount and pressure after the desorption start gate pressure suddenly decreases (the desorption amount increment suddenly decreases relative to the gas pressure increment). The gate desorption amount is the desorption amount from the desorption start gate pressure to the desorption completion gate pressure. Both the adsorption start gate pressure and desorption start gate pressure vary depending on the affinity between the adsorption material and the gas to be adsorbed; that is, the higher the affinity, the lower the pressure, and the lower the affinity, the higher the gate pressure. Also, at lower temperatures, affinity increases, so the gate pressure decreases. Therefore, the pressure cannot be determined uniquely as it varies depending on the adsorption material, gas type, and temperature.
また、ゲート型多孔性高分子錯体の吸着特性および脱着特性は、以下の2式で定義することができる。 Furthermore, the adsorption and desorption characteristics of the gate-type porous polymer complex can be defined by the following two equations:
式1:吸着ゲート係数=(吸着完了ゲート圧での吸着量-吸着開始ゲート圧での吸着量)/(吸着完了ゲート圧-吸着開始ゲート圧)
式2:脱着ゲート係数=(脱着開始ゲート圧での吸着量-脱着完了ゲート圧での吸着量)/(脱着開始ゲート圧-脱着完了ゲート圧)
注)吸着量は測定ガスの測定温度における吸着量で単位はm(STP)L/gである。
注)圧力はkPaである。
Equation 1: Adsorption gate coefficient = (adsorption amount at adsorption completion gate pressure - adsorption amount at adsorption start gate pressure) / (adsorption completion gate pressure - adsorption start gate pressure)
Equation 2: Desorption gate coefficient = (adsorption amount at desorption start gate pressure - adsorption amount at desorption completion gate pressure) / (desorption start gate pressure - desorption completion gate pressure)
Note: The adsorption amount is the amount of adsorption of the gas to be measured at the measurement temperature, and is expressed in m(STP)L/g.
Note: Pressure is in kPa.
ゲート型多孔性高分子錯体として、現在知られているものは、ELM(Elastic Layer-structured metal organic frameworks)類、カゴメ類、MIL類、CID類、その他がある。これらのゲート型多孔性高分子錯体の文献は以下の通りである。ELMは、上代らの、Int. J. Mol. Sci. 2010, 11,3803の文献に示されている。カゴメ類は、佐藤らの、SCIENCE(2014)343、167、及びZaworotkoらの、Chem. Commun., 2004, 2534の文献に示されている。MIL類は、Fereyら、Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 1380の文献に示されている。CID類は、Inubushiら、Chem. Commun., 2010, 46, 9229、及びNakagawaら、Chem. Commun., 2010, 46, 4258の文献に示されている。その他の例は、Kitauraら、Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 428の文献に示されている。これらの中でもELM類、カゴメ類、MIL類、CID類が、ゲート現象が明確であり、本発明の効果が高い点で好ましい。 Currently known gate-type porous polymer complexes include ELMs (Elastic Layer-structured metal organic frameworks), Kagome complexes, MILs, CIDs, and others. The literature on these gate-type porous polymer complexes is as follows: ELMs are described in Ueshiro et al., Int. J. Mol. Sci. 2010, 11, 3803; Kagome complexes are described in Sato et al., SCIENCE (2014) 343, 167, and Zaworotko et al., Chem. Commun., 2004, 2534; MILs are described in Ferey et al., Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 1380. CIDs are described in Inubushi et al., Chem. Commun., 2010, 46, 9229, and Nakagawa et al., Chem. Commun., 2010, 46, 4258. Other examples are described in Kitaura et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 428. Of these, ELMs, Kagome compounds, MILs, and CIDs are preferred because they exhibit a clear gate phenomenon and are highly effective in the present invention.
ELM-11を例にして、ゲート係数を、図3を用いて説明する。ELM-11の273Kにおける二酸化炭素の吸脱着等温線は図3に示す通りである。x軸が、圧力(kPa)であり、y軸が、吸着量(mL(STP)/g)である。この場合、各等温線は、以下の点を通ることから、それらの等温線は下記の式で近似できる。 The gate coefficient will be explained using Figure 3, using ELM-11 as an example. The carbon dioxide adsorption/desorption isotherm for ELM-11 at 273 K is shown in Figure 3. The x-axis is pressure (kPa) and the y-axis is adsorption amount (mL (STP)/g). In this case, each isotherm passes through the following points, and therefore these isotherms can be approximated by the following formula:
吸着ゲート前吸着等温線:
代表的な通過点1:x=5.23,y=0.188;通過点2:x=27.4,y=0.665であり、近似式y=0.022x+0.0753である。
吸着ゲート後吸着等温線:
代表的な通過点3:x=34.2,y=23.3;通過点4:x=35.2,y=50.7であり、近似式y=27.4x-913である。
Adsorption isotherm before the adsorption gate:
Representative waypoint 1: x = 5.23, y = 0.188; waypoint 2: x = 27.4, y = 0.665, and the approximate equation is y = 0.022x + 0.0753.
Adsorption isotherm after adsorption gate:
Representative waypoint 3 : x = 34.2, y = 23.3; waypoint 4 : x = 35.2, y = 50.7, and the approximate equation is y = 27.4x - 913.
上記連立方程式を解いて、x(「吸着開始ゲート圧」)=33.4kPa(ゲート前吸着量は1.1mL(STP)/g)である。
同様に等温線から算出された「吸着完了ゲート圧」は、36.0kPaであり、その時点での吸着量は74.4mLである。
上記から吸着ゲート係数=(77.4-1.1)/(36.0-33.4)=29.3と算出される。
同様に脱着開始ゲート圧=28.41kPa(吸着量は75.2mL(STP)/g)である。また、脱着完了ゲート圧=26.20kPa(吸着量は2.71mL(STP)/g)である。
上記から脱着ゲート係数=(75.2-2.71)/(28.41-26.20)=32.8と算出される。
By solving the above simultaneous equations, x ("adsorption start gate pressure") = 33.4 kPa (the amount of adsorption before the gate is 1.1 mL (STP)/g).
Similarly, the "adsorption completion gate pressure" calculated from the isotherm was 36.0 kPa, and the amount of adsorption at that time was 74.4 mL.
From the above, the adsorption gate coefficient is calculated as follows: (77.4-1.1)/(36.0-33.4)=29.3.
Similarly, the desorption start gate pressure is 28.41 kPa (the adsorption amount is 75.2 mL (STP)/g), and the desorption completion gate pressure is 26.20 kPa (the adsorption amount is 2.71 mL (STP)/g).
From the above, the desorption gate coefficient is calculated as (75.2-2.71)/(28.41-26.20)=32.8.
本発明のガス分離方法に用いることができるゲート型多孔性高分子錯体は、吸着ゲート係数が0.7~75で、脱着ゲート係数が0.4~80であることが好ましい。
吸着ゲート係数が0.7未満である場合は、圧力変動に対する吸着量の変動量が小さすぎ、一般的な吸着材との明確な差が得られず、ゲート型挙動とは言いがたい。また吸着ゲート係数75を超える場合は、圧力変動に対する吸着量の変動量が急峻過ぎ、急激な吸着熱の発生や、急激な特定ガスの吸着による混合ガスの濃度比の急激な変化があり、ガス分離材料としては実用的に使いづらい(制御しづらい)。脱着ゲート係数が0.4未満である場合は、圧力変動に対する吸着量の変動量が小さすぎ、一般的な吸着材との明確な差が得られず、ゲート型挙動とは言いがたい。また脱着ゲート係数が80を超える場合は、圧力変動に対する脱着量の変動量が急峻過ぎ、急激な脱着熱による温度低下や、急激な特定ガスの放出による混合ガスの濃度比の急激な変化があり、ガス分離材料としては実用的に使いづらい(制御しづらい)。
The gate-type porous polymer complex that can be used in the gas separation method of the present invention preferably has an adsorption gate coefficient of 0.7 to 75 and a desorption gate coefficient of 0.4 to 80.
When the adsorption gate coefficient is less than 0.7, the variation in adsorption amount with respect to pressure fluctuation is too small, and no clear difference is obtained from general adsorbents, making it difficult to say that the behavior is gate-type. Furthermore, when the adsorption gate coefficient exceeds 75, the variation in adsorption amount with respect to pressure fluctuation is too steep, resulting in the rapid generation of adsorption heat and a sudden change in the concentration ratio of the mixed gas due to the rapid adsorption of a specific gas, making it difficult to practically use (control) as a gas separation material. When the desorption gate coefficient is less than 0.4, the variation in adsorption amount with respect to pressure fluctuation is too small, and no clear difference is obtained from general adsorbents, making it difficult to practically use (control) as a gas separation material. Furthermore, when the desorption gate coefficient exceeds 80, the variation in desorption amount with respect to pressure fluctuation is too steep, resulting in a sudden drop in temperature due to the rapid heat of desorption and a sudden change in the concentration ratio of the mixed gas due to the rapid release of a specific gas, making it difficult to practically use (control) as a gas separation material.
本発明のガス分離方法に用いることができるゲート型多孔性高分子錯体では、吸着完了ゲート圧と脱着完了ゲート圧の圧力差が、2kPa~8000kPaであることが好ましい。吸着完了ゲート圧と脱着完了ゲート圧の圧力差が2kPa未満である場合は、吸着圧力と脱着圧力が近接しすぎており、PSA装置で制御仕切れない。一方、8000kPaを超える場合は、吸着圧力と脱着圧力が離れすぎており、このような材料から吸着されたガスを回収するためには非常に大きな圧力変動を行う必要があり、このための電力コストおよび操作時間が大きく、ゲート現象をガス分離に使うメリットが無い。
本発明のガス分離方法に用いることができる特に好ましいゲート型多孔性高分子錯体はELM類、カゴメ類、MIL類、CID類を挙げることができる。
In the gate-type porous polymer complex that can be used in the gas separation method of the present invention, the pressure difference between the adsorption completion gate pressure and the desorption completion gate pressure is preferably 2 kPa to 8,000 kPa. If the pressure difference between the adsorption completion gate pressure and the desorption completion gate pressure is less than 2 kPa, the adsorption pressure and the desorption pressure are too close to each other and cannot be fully controlled by the PSA device. On the other hand, if the pressure difference exceeds 8,000 kPa, the adsorption pressure and the desorption pressure are too far apart, and recovering the gas adsorbed from such a material requires very large pressure fluctuations, which increases the power cost and operation time, eliminating the benefit of using the gating phenomenon for gas separation.
Particularly preferred gate-type porous polymer complexes that can be used in the gas separation method of the present invention include ELMs, Kagomes, MILs, and CIDs.
これら種々のゲート型多孔性高分子錯体は固有の吸着開始ゲート圧を有し、さらにその吸着開始ゲート圧は温度により変動し得る。ただしスリッピングオフの現象は、吸着塔内で吸着対象ガス分圧が吸着開始ゲート圧以下に低下する現象であることから、これを防止するためには、吸着対象ガスの分圧を、吸着開始ゲート圧よりも一定以上高く設定することでスリッピングオフ現象は軽減が可能である。すなわち、前記の吸着開始ゲート圧が異なる各材料に対しても、吸着開始ゲート圧に対する前記吸着塔の入口での前記吸着対象ガスの分圧との比が、1.3より大きく、400以下であれば、吸着対象ガスに対して優れた回収率を実現することが可能である。 These various gate-type porous polymer complexes each have their own specific adsorption initiation gate pressure, which can vary with temperature. However, since slipping-off occurs when the partial pressure of the gas to be adsorbed within the adsorption tower drops below the adsorption initiation gate pressure, slipping-off can be prevented by setting the partial pressure of the gas to be adsorbed at a certain level higher than the adsorption initiation gate pressure. In other words, even for materials with different adsorption initiation gate pressures, excellent recovery rates for the gas to be adsorbed can be achieved as long as the ratio of the partial pressure of the gas to be adsorbed at the inlet of the adsorption tower to the adsorption initiation gate pressure is greater than 1.3 and less than 400.
本発明に係るゲート型多孔性高分子錯体を充填して成る装置は、様々なガスの分離に適用することができる。ガス種としては、例えば、酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、アルカン類、アルケン類、アルキン類等が挙げられる。本発明のゲート型多孔性高分子錯体を充填して成る装置をガス分離に適用した場合は、ゲート現象を利用して容易かつ高回収率、高効率で高純度のガスを分離することができる。 Devices packed with the gate-type porous polymer complex of the present invention can be used to separate a variety of gases. Examples of gas species include oxygen, nitrogen, argon, carbon dioxide, carbon monoxide, hydrogen, alkanes, alkenes, and alkynes. When a device packed with the gate-type porous polymer complex of the present invention is used for gas separation, it is possible to easily separate high-purity gases with high recovery rates and high efficiency by utilizing the gate phenomenon.
本発明に係るゲート型多孔性高分子錯体を充填して成るガス分離装置における、容器形状や容器材質、ガスバルブの種類などに関しては、特に特別の装置を用いなくてもよく、ガス分離装置に用いられているものを用いることができる。ただし、各種装置の改良を排除するものではなく、いかなる装置を用いたとしても、本発明のガス高分子金属錯体を用いている限りにおいて、本発明の技術的範囲に包含されるものである。 In a gas separation device filled with the gate-type porous polymer complex of the present invention, the container shape, container material, and type of gas valve do not need to be particularly special equipment; those used in gas separation devices can be used. However, this does not exclude improvements to various devices, and any device used is within the technical scope of the present invention as long as it uses the gas polymer metal complex of the present invention.
本発明に係るゲート型多孔性高分子錯体を充填してなるガス分離装置を用いるガス分離方法は、複数種のガス中の吸着対象ガスの吸着開始ゲート圧に対する吸着塔の入口での吸着対象ガスの分圧との比が、1.3より大きく、400以下となる分離方法である。吸着開始ゲート圧に対する入口での吸着対象ガスの分圧比が1.3を下回る場合、ゲート吸着現象が生じても、吸着塔内でのスリッピングオフ現象のために、ガス分離を行うことができない。一方、400を超える場合は混合ガスを非常に高圧にする必要があり、電力コストおよび設備コストが大きくなってしまう。
本発明のガス分離方法において、吸着対象ガスの吸着開始ゲート圧に対する吸着塔の入口での吸着対象ガスの分圧との比を、1.3より大きくするための具体的な手段は、吸着塔内のガス圧コントロールに用いられる通常の手段を用いることができる。
The gas separation method using a gas separation apparatus packed with a gate-type porous polymer complex according to the present invention is a separation method in which the ratio of the partial pressure of the gas to be adsorbed at the inlet of the adsorption tower to the adsorption initiation gate pressure of the gas to be adsorbed among a plurality of gases is greater than 1.3 and not greater than 400. If the partial pressure ratio of the gas to be adsorbed at the inlet to the adsorption initiation gate pressure is less than 1.3, even if gate adsorption occurs, gas separation cannot be performed due to slipping-off in the adsorption tower. On the other hand, if it exceeds 400, the mixed gas must be pressurized very high, resulting in high power and equipment costs.
In the gas separation method of the present invention, the specific means for making the ratio of the partial pressure of the gas to be adsorbed at the inlet of the adsorption tower to the adsorption start gate pressure of the gas to be adsorbed greater than 1.3 can be any means commonly used for controlling the gas pressure in an adsorption tower.
吸着開始ゲート圧に対する吸着ガス分圧の比と、ガス回収率の変化を、下記の表1に示す。これは二酸化炭素20%、窒素80%の混合気体を温度25℃で供給する、ELM-11を用いるPSAシステムをシミュレートした結果である。ただし、吸着等温モデルに関してはHeftiらが提案したモデル(Faraday Discuss(2016), pp.153~179、 Adsorption 20, 359-371 (2014))を、動的モデルに関してはKoらが用いたモデル(Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44, 21, 8084-8094)を用いた。 Table 1 below shows the ratio of adsorbed gas partial pressure to the adsorption initiation gate pressure, and the change in gas recovery rate. This is the result of simulating a PSA system using an ELM-11, supplying a gas mixture of 20% carbon dioxide and 80% nitrogen at a temperature of 25°C. The adsorption isotherm model used was that proposed by Hefti et al. (Faraday Discuss (2016), pp. 153-179, Adsorption 20, 359-371 (2014)), and the dynamic model used was that used by Ko et al. (Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44, 21, 8084-8094).
二酸化炭素と、それ以外のガスの混合ガスの場合、二酸化炭素以外のガスが酸素、アルゴン、ヘリウム、水素、メタンの1種あるいはそれ以上であっても、ELM-11はこれらのガスを吸着しないことは多くの文献により報じられている。よって、これらのガスと二酸化炭素のガスの分離を考える場合も、二酸化炭素と窒素の混合ガスの分離と同様の結果が得られる。 In the case of a mixture of carbon dioxide and other gases, it has been reported in many publications that ELM-11 does not adsorb these gases, even if the gases other than carbon dioxide are one or more of oxygen, argon, helium, hydrogen, and methane. Therefore, when considering the separation of these gases from carbon dioxide, the same results can be obtained as when separating a mixture of carbon dioxide and nitrogen.
吸着開始ゲート圧に対する吸着CO2分圧の比は、表1の例A~例Gにおいて、それぞれ4.87、2.43、1.22、5.73、1.72、4.65、1.55であり、それに対する回収率は、それぞれ、0.863、0.710、0.337、0.890、0.574、0.853、0.498である。この結果より吸着開始ゲート圧に対する吸着ガス分圧の比が大きければ回収率が高まることが確認できる。例Cは、回収率が0.4を下回っているので、比較例とした。 The ratios of adsorbed CO2 partial pressure to adsorption initiation gate pressure for Examples A to G in Table 1 were 4.87, 2.43, 1.22, 5.73, 1.72, 4.65, and 1.55, respectively, and the corresponding recovery rates were 0.863, 0.710, 0.337, 0.890, 0.574, 0.853, and 0.498, respectively. These results confirm that the recovery rate increases as the ratio of adsorbed gas partial pressure to adsorption initiation gate pressure increases. Example C was selected as a comparative example because its recovery rate was below 0.4.
(注)
回収率:投入CO2量に対する回収CO2量の割合であり、以下の式で表される:
Rは、気体定数[J/(kg・K)]、Tは、入口における温度[K]、feed stepは原料ガスをカラムに入れる過程、exhaust stepはCO2をカラムから抜き出す過程を示す。
純度:回収したCO2ガスの純度であり、以下の式で表される:
Power Consumption:単位量あたりのCO2を回収するために使用するエネルギー量であり、以下の式で表される:
Capture rate: The ratio of the amount of CO2 captured to the amount of CO2 input, expressed by the following formula:
R is the gas constant [J/(kg·K)], T is the temperature at the inlet [K], the feed step is the process of introducing the raw gas into the column, and the exhaust step is the process of extracting CO2 from the column.
Purity: The purity of the recovered CO2 gas, expressed by the following formula:
Power Consumption: The amount of energy used to capture a unit of CO2 , expressed as follows:
二酸化炭素40%、窒素60%の混合気体を温度25℃で供給するPSAシステムをシミュレートした結果を表2に示す。 Table 2 shows the results of simulating a PSA system supplying a mixture of 40% carbon dioxide and 60% nitrogen at a temperature of 25°C.
表1から分かるように、例A(発明例)では、入口吸着CO2分圧を2.0[105Pa](入口吸着CO2分圧/吸着開始ゲート圧=4.87)の条件で、回収ガスの純度の顕著な低下はないままに、例C(比較例)よりも、回収率を2.56倍に向上させられることがわかった。また、BSF(一定のCO2回収量を得るために必要な材料の量)も80%近く低下させることができた。すなわち、多量のガスが回収可能となり、分離効率が大幅に向上する効果が確認できた。このことは、スリッピングオフが軽減されていることを示している。 As can be seen from Table 1, in Example A (invention example), under the condition of an inlet adsorption CO2 partial pressure of 2.0 [ 105 Pa] (inlet adsorption CO2 partial pressure/adsorption start gate pressure = 4.87), it was found that the recovery rate was improved by 2.56 times compared to Example C (comparison example) without a significant decrease in the purity of the recovered gas. In addition, the BSF (the amount of material required to obtain a certain amount of CO2 recovery) was also reduced by nearly 80%. In other words, it was confirmed that a large amount of gas could be recovered and separation efficiency was significantly improved. This indicates that slipping-off was reduced.
ガスの分離、特にCO2分離は数百万トン/年規模での実施が想定される場合も多い。すなわち、分離コストは高額となり、装置は大型で敷地面積も大きくなる。例えばアミン液を利用する化学吸収法の分離コストは5000円/トン-CO2とも言われるが、100万トンの分離のコストは50億円にもなる。このためCO2分離で分離効率が向上すれば、大幅なコスト削減が見込まれ、また装置が小型化すれば大幅な敷地面積削減が見込まれる。本技術は上記表1の様に回収率やBSFを劇的に改善し、コスト削減や敷地面積削減に寄与する技術と言える。 Gas separation, particularly CO2 separation, is often expected to be carried out on a scale of several million tons per year. This means that separation costs are high, the equipment is large, and the site area required is large. For example, the separation cost for chemical absorption using an amine solution is said to be 5,000 yen/ton- CO2 , but the cost of separating 1 million tons would be as much as 5 billion yen. Therefore, if the separation efficiency of CO2 separation can be improved, significant cost reductions are expected, and if the equipment is made smaller, significant site area reductions are expected. This technology dramatically improves recovery rates and BSF, as shown in Table 1 above, and can be said to contribute to cost reductions and site area reductions.
表1に示すシミュレーション結果は、以下のようにして計算した。
例A(発明例)入口吸着CO
2
分圧4.00[10
5
Pa]
本例ではラボスケールの単カラム装置を用いたプロセスを想定する。カラム長は1m、カラム管半径は1.1cmとする。またペレット粒径は3mmで、空隙率34.8%となるよう充填されるものとする。ペレットはELM-11をセルロースに担持させたものであり、その重量比は3:1で、ELM-11の重量は0.293Kgとする。なお管外の気温は298.15Kとする。
The simulation results shown in Table 1 were calculated as follows.
Example A (invention example) Inlet adsorption CO 2 partial pressure 4.00 [10 5 Pa]
In this example, a lab-scale process using a single column apparatus is assumed. The column length is 1 m, and the column tube radius is 1.1 cm. The pellet diameter is 3 mm, and the pellets are packed to give a porosity of 34.8%. The pellets are ELM-11 supported on cellulose, with a weight ratio of 3:1, and the weight of ELM-11 is 0.293 kg. The temperature outside the tube is 298.15 K.
プロセスの操作手順を図7に示す。まず(a)加圧過程ではカラム出口が封鎖され、入口から排ガスを圧入する。入口圧力は0.25[105Pa]から40秒間をかけて徐々に加圧され20[105Pa]に至る。流入するガスの温度は298.15Kであり、モル分率はCO2が20%、N2が80%とする。この過程は40秒間継続される。次に(b)吸着過程ではカラム出口を開放し、入口からはガスの圧入を続ける。ガス温度およびモル分率は(a)と同様であり、ガス流速は秒速0.302mとする。この過程は84.4秒間継続される。(c)減圧過程ではカラム出口を閉鎖し、入口から減圧およびCO2ガスの回収を行う。入口の圧力は120秒間かけて徐々に0.25[105Pa]まで減圧される。この過程は120秒間継続される。(d)脱着過程では0.25[105Pa]の減圧状態を維持し、入口からCO2ガスの回収を行う。この過程は250秒間継続される。上記の(a)~(d)の操作を10サイクル分繰り返したものをシミュレーション結果とする。 The process procedure is shown in Figure 7. First, in the (a) pressurization process, the column outlet is closed and exhaust gas is injected through the inlet. The inlet pressure is gradually increased from 0.25 [10 5 Pa] to 20 [10 5 Pa] over 40 seconds. The temperature of the inflowing gas is 298.15 K, and the molar fraction is 20% CO 2 and 80% N 2 . This process continues for 40 seconds. Next, in the (b) adsorption process, the column outlet is opened and gas continues to be injected through the inlet. The gas temperature and molar fraction are the same as in (a), and the gas flow rate is 0.302 m/s. This process continues for 84.4 seconds. In the (c) depressurization process, the column outlet is closed, and the column is depressurized and CO 2 gas is recovered through the inlet. The inlet pressure is gradually reduced to 0.25 [10 5 Pa] over 120 seconds. This process continues for 120 seconds. (d) During the desorption process, the pressure is maintained at 0.25 [10 5 Pa] and CO 2 gas is collected from the inlet. This process continues for 250 seconds. The simulation results are obtained by repeating the above operations (a) to (d) for 10 cycles.
例B(発明例)入口吸着CO 2 分圧2.00[10 5 Pa]
本例では例Aと同じプロセスに対し以下2点の操作条件を変更したものである。1点目は加圧・吸着過程におけるCO2分圧であり、4.00[105Pa]から2.00[105Pa]へ置き換えた。2点目は吸着過程にかける時間であり、84.4秒から169秒に置き換えた。
Example B (invention example) Inlet adsorption CO 2 partial pressure 2.00 [10 5 Pa]
In this example, the process was the same as in Example A, but with the following two changes to the operating conditions: The first change was the CO2 partial pressure during the pressurization and adsorption process, which was changed from 4.00 [ 105 Pa] to 2.00 [ 105 Pa], and the second change was the time required for the adsorption process, which was changed from 84.4 seconds to 169 seconds.
例C(比較例)入口吸着CO 2 分圧1.00[10 5 Pa]
本例は例Bと同様に、例Aと同じプロセスに対し操作条件を変更したものである。加圧・吸着過程における入口吸着CO2分圧を4.00[105Pa]から1.00[105Pa]へ置き換えた。
Example C (Comparative Example) Inlet adsorption CO 2 partial pressure 1.00 [10 5 Pa]
Like Example B, this example is the same process as Example A, but with modified operating conditions. The inlet adsorption CO 2 partial pressure during the pressurization and adsorption process was changed from 4.00 [10 5 Pa] to 1.00 [10 5 Pa].
D~Mの例では、例A、B,Cと同様に、入口吸着CO2分圧、原料ガスの温度変えてシミュレートを行った。
例に用いたパラメータをまとめたものを表3に示す。
In Examples D to M, similar to Examples A, B, and C, simulations were performed by changing the inlet adsorption CO 2 partial pressure and the temperature of the raw material gas.
The parameters used in the example are summarized in Table 3.
上記のシミュレーションにおける吸着等温モデルに関してはJossらが提案したモデル(Energy Procedia(2017), 114, 2271-2278)を用いた。本手法について以下に示す。ELM-11のCO2吸着は、フレームワーク周りへの吸着とフレームワーク内への吸着の二つから成る。ここで、これらの吸着挙動を表現する以下二つの仮想的な吸着等温式があることを想定する。具体的には圧力に依らず全てのゲートが閉じた状態の吸着等温式をnL、圧力に依らず全てのゲートが開いた状態における吸着等温式をnUとする。ここでELM-11がゲート吸着を行う際、開ゲートの数がCO2分圧に依存して大きくなると仮定すると、実際の吸脱着等温式はnUとnLの間に存在するはずである。この仮定の下、ELM-11の吸脱着等温式は式1で表される(図8)。なおwjは0~1の値をとる重みであり、全体のゲート数に対して開いたゲートの割合を示す。 The adsorption isotherm model used in the above simulation was that proposed by Joss et al. (Energy Procedia (2017), 114, 2271-2278). This method is described below. CO2 adsorption by ELM-11 consists of two processes: adsorption around the framework and adsorption within the framework. Here, we assume two hypothetical adsorption isotherms that represent these adsorption behaviors. Specifically, nL denotes the adsorption isotherm when all gates are closed regardless of pressure, and nU denotes the adsorption isotherm when all gates are open regardless of pressure. If we assume that the number of open gates increases depending on the CO2 partial pressure when ELM-11 performs gate adsorption, the actual adsorption/desorption isotherm should lie between nU and nL . Under this assumption, the adsorption/desorption isotherm for ELM-11 is expressed as Equation 1 (Figure 8). Note that wj is a weight that ranges from 0 to 1 and indicates the proportion of open gates relative to the total number of gates.
ここで、jは吸脱着のいずれの過程であるかを示す。nUとnLは式2および式3に示すラングミュア式で表される。 Here, j indicates whether the process is adsorption or desorption. nU and nL are expressed by the Langmuir equations shown in Equations 2 and 3.
また、重み関数wjは式4で表される。 The weighting function w j is expressed by Equation 4.
また、ヒステリシス現象により吸脱着等温線が圧力操作条件によって変化する際のモデリングは以下の論文を参考にして行った(Hefti et al. Adsorption 20.2-3 (2014): 359-371)。本モデルでは図9に示すように、操作切り替え時の吸着量のnswitch飽和吸着量nsatに対する比率で、式1に示す等温式を縮小したものを切り替え後の等温式とする。具体的には脱着から吸着へ切り替わる場合の吸着量をnads→des、吸着から脱着へ切り替わる場合の吸着量をndes→adsと定義すると、これらはそれぞれ式7、式8で表わされる。 Furthermore, modeling of changes in adsorption/desorption isotherms due to hysteresis caused by pressure operation conditions was performed with reference to the following paper (Hefti et al. Adsorption 20.2-3 (2014): 359-371). In this model, as shown in Figure 9, the isotherm after switching is a scaled-down version of the isotherm shown in Equation 1, calculated as the ratio of the adsorption amount at operation switching to the saturated adsorption amount n sat (n switch) . Specifically, if the adsorption amount when switching from desorption to adsorption is defined as n ads→des and the adsorption amount when switching from adsorption to desorption is defined as n des→ads , these can be expressed by Equations 7 and 8, respectively.
シミュレーションに用いた動的モデルに関しては、ゼオライト13Xを用いたCO2回収プロセスに対しKoらが用いたモデル(Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44, 21, 8084-8094)を使用した。ただし、吸脱着の方向および速度を決定する線形駆動力モデルにおける駆動力q*を本案では式9で表す。 The dynamic model used in the simulation was the same as that used by Ko et al. for the CO2 capture process using zeolite 13X (Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44, 21, 8084-8094), except that the driving force q * in the linear driving force model, which determines the direction and rate of adsorption and desorption, is expressed as Equation 9 in this study.
式9中のmodeはバイナリ変数であり、加圧・吸着過程では1になり減圧・脱着過程では0となる。これは式10で表される。 The mode in Equation 9 is a binary variable that is 1 during the pressurization/adsorption process and 0 during the depressurization/desorption process. This is expressed in Equation 10.
また、上記のシミュレーションを実施する上で用いた過程を以下に示す。
1. ガスは理想気体である。
2. 管径方向への温度や圧力、濃度変化は考慮しない。
3. 吸着速度は線形駆動力(LDF)モデルで求められる。
4. 吸着材の密度等の物理的性質は温度により変化しない。
5. 圧力損失はエルガンの式に準じる。
6. 流速変化は全物質収支式により求められる。
The process used to carry out the above simulation is shown below.
1. The gas is an ideal gas.
2. Temperature, pressure, and concentration changes in the pipe diameter direction are not taken into consideration.
3. The adsorption rate is calculated using the linear driving force (LDF) model.
4. The physical properties of the adsorbent, such as its density, do not change with temperature.
5. Pressure loss follows the Elgin formula.
6. The change in flow rate can be calculated using the total mass balance equation.
Claims (4)
前記加圧過程では、前記吸着塔の出口を閉鎖した状態で前記複数種のガスを含む混合ガスを前記吸着塔の入口から圧入して、前記吸着塔の入口の圧力を、前記吸着塔の入口での前記複数種のガス中の吸着対象ガスの分圧が、前記複数種のガス中の吸着対象ガスの吸着開始ゲート圧よりも大きい所定の圧力となるまで加圧し、
前記吸着過程では、前記吸着塔の出口を開放し、前記所定の圧力で前記複数種のガスを含む混合ガスの前記吸着塔の入口からの圧入を継続して、前記複数種のガス中の吸着対象ガスを前記ガス吸着材に吸着し、
前記減圧過程では、前記吸着塔内の圧力を減圧し、前記脱着過程では、前記減圧の状態を維持して、前記ガス吸着材に吸着した吸着対象ガスを回収し、
前記複数種のガス中の吸着対象ガスの吸着開始ゲート圧に対する前記吸着塔の入口での前記吸着対象ガスの分圧との比が、1.3より大きく、400以下であることを特徴とするガス分離方法。 A gas separation method using a gas separation apparatus including at least an adsorption tower packed with a gas adsorbent containing a gate-type porous polymer complex and a gas supply means for supplying a mixed gas containing a plurality of gases to the adsorption tower, the method comprising the steps of a pressurization step, an adsorption step, a depressurization step, and a desorption step in this order :
In the pressurization process, a mixed gas containing the plurality of gases is injected into the adsorption tower through an inlet of the adsorption tower with the outlet of the adsorption tower closed, and the pressure at the inlet of the adsorption tower is increased until a partial pressure of the gas to be adsorbed among the plurality of gases at the inlet of the adsorption tower reaches a predetermined pressure that is higher than an adsorption start gate pressure of the gas to be adsorbed among the plurality of gases;
In the adsorption process, the outlet of the adsorption tower is opened, and the mixed gas containing the plurality of gases is continuously injected into the inlet of the adsorption tower at the predetermined pressure, thereby adsorbing the adsorption target gas among the plurality of gases onto the gas adsorbent;
In the depressurization step, the pressure in the adsorption tower is reduced, and in the desorption step, the reduced pressure state is maintained, and the adsorption target gas adsorbed by the gas adsorbent is recovered;
A gas separation method characterized in that the ratio of the partial pressure of the gas to be adsorbed among the plurality of gases at the inlet of the adsorption tower to the adsorption start gate pressure of the gas to be adsorbed is greater than 1.3 and less than 400.
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