JP2005329348A

JP2005329348A - 浸漬型ｃｏ２分離装置

Info

Publication number: JP2005329348A
Application number: JP2004151434A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Nakatsuka; 修志中塚
Original assignee: Daicel Chemical Industries Ltd
Current assignee: Daicel Corp
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】ＣＯ_２の分離回収効率の良い浸漬型ＣＯ_２分離装置の提供。
【解決手段】ガス導入ライン33からＣＯ_２を含むガスを導入し、散気装置31、多孔板32の作用で、分離槽11内に入ったＣＯ_２吸収剤水溶液への分散溶解を促進する。その後、外圧型中空糸膜装置21により、ＣＯ_２を含むＣＯ_２吸収剤水溶液と他を含むガス水溶液に分離し、ＣＯ_２を回収する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＣＯ_２を含むガスからＣＯ_２を分離するために使用する浸漬型ＣＯ_２分離装置に関する。

各種工場、各種燃焼機関から発生される多量のＣＯ_２が地球温暖化の大きな要因となっており、ＣＯ_２の削減は世界的な解決課題となっている。しかし、これまでに提案された様々なＣＯ_２の除去技術は、技術的な観点、経済性、除去効果等の理由から、実用化には至っていない。

非特許文献１には、中空糸膜を利用して、混合ガスからＣＯ_２を分離回収する方法が提案されており、実用化が期待されている。
Separation and Purification Technology 30(2003)215-227

ＣＯ_２が地球温暖化の大きな要因となっている現状を考えれば、ＣＯ_２の分離回収効率（所要エネルギーに対するＣＯ_２の回収量）の良い回収方法の実用化が重要である。

本発明は、ＣＯ_２を含む混合ガスから、効率よくＣＯ_２を分離回収できる浸漬型ＣＯ_２分離装置を提供することを課題とする。

本発明は、課題の解決手段として、ＣＯ_２吸収剤水溶液が入った分離槽と、分離槽のＣＯ_２吸収剤水溶液中に浸漬された外圧型中空糸膜を備えており、分離槽外からＣＯ_２を含むガスを分離槽内に導入し、中空糸膜を介してＣＯ_２を含む吸収剤水溶液を透過しつつ、濃縮されたＣＯ_２を分離する浸漬型ＣＯ_２分離装置を提供するものである。

外圧型中空糸膜及びＣＯ_２吸収剤水溶液を組み合わせて使用することにより、より小さいエネルギーでＣＯ_２を分離回収することができる。

本発明の浸漬型ＣＯ_２分離装置は、分離槽内において、中空糸膜が設置された膜分離部と、ＣＯ_２を含むガスを導入するガス導入部が設けられており、ガス導入部において、導入されたＣＯ_２を含むガスのＣＯ_２吸収剤水溶液への分散を促進させるための分散促進手段が設けられているものにすることができる。

また、膜分離部とガス導入部は、分離槽内のＣＯ_２吸収剤水溶液が移動可能なように仕切り板で分離されていてもよい。

分散促進手段としては、分離槽外部からＣＯ_２を含むガスを導入する経路と直結された散気装置、及び分離槽内部に導入されたＣＯ_２を含むガスを通過させる多孔体のいずれか一方又は両方を使用することができる。

分散促進手段を設置することにより、ＣＯ_２を含むガスのＣＯ_２吸収剤水溶液への分散溶解が促進されるので、中空糸膜による分離も容易になり、分離回収効率も高められる。

中空糸膜としては、ポリエーテルスルホン系の限外濾過膜が好ましく、運転時における中空糸膜の吸引圧は５〜８０ｋＰａであることが好ましく、より好ましくは１０〜５０ｋＰａである。

本発明の浸漬型ＣＯ_２分離装置によれば、外圧型中空糸膜及びＣＯ_２吸収剤水溶液を使用するため、ＣＯ_２の分離回収効率が良く、実用化による環境問題解決への寄与が大きい。

図１により、本発明の実施の形態を説明する。図１は浸漬型ＣＯ_２分離装置１０の概略断面図である。浸漬型ＣＯ_２分離装置１０は、密閉系でも開放系でもよい。

分離槽１１内には、所要量のＣＯ_２吸収剤水溶液が入っている。ＣＯ_２吸収剤水溶液は、ＣＯ_２のキャリアとなるものであり、ＣＯ_２を吸収できるものであれば特に制限されるものではないが、好ましくはＣＯ_２吸収剤として周知であるモノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン等を挙げることができ、その他、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノール等も用いることができる。これらは単独で、２種類を混合して又は３種類以上を混合して用いることができる。

外圧型中空糸膜装置２１は、所要本数の中空糸膜束２２と、中空糸膜束２２の上端を固定保持する上部保持具２３と、中空糸膜束２２の下端を固定保持する下部保持具２４とを有している。

中空糸膜束２２は、多数本（例えば、数百本程度）の中空糸膜の束からなるものであり、必要に応じて、中央部を適当な締付具（ゴムバンド等）で締め付けて固定してもよい。

中空糸膜の材質としては、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、テトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール等を挙げることができるが、これらの中でも、耐熱性及び耐溶剤性が優れており、ＣＯ_２吸収剤の濡れ性が高いポリエーテルスルホンが好ましい。分画分子量は特に制限されるものでないが、１０〜５０万程度に設定することができる。

中空糸膜の内径及び外径は特に制限されるものではないが、内径が好ましくは０．５〜２．０ｍｍ、より好ましくは０．８〜１．５ｍｍであり、外径が好ましくは１．０〜３．０ｍｍ、より好ましくは１．０〜２．０ｍｍの範囲から選択することができる。

中空糸膜の長さは特に制限されるものではないが、余り長くなりすぎると濾過時の圧力損失が大きくなるため、０．８〜２．０ｍ程度の範囲から選択することができる。中空糸膜は、均一微細構造であるものが好ましい。

上部保持具２３は、中空糸膜束２２全体の側面上端にエポキシ樹脂接着剤等で接着固定されたものであり、ポンプ２６を備えた吸引ライン（透過液ライン）２５に接続されている。一方、下部保持具２４は、中空糸膜束２２全体の側面下端にエポキシ樹脂接着剤等で接着固定されたものであり、ポンプ２８を備えた引抜ライン（濃縮液ライン）２７に接続されている。

外圧型中空糸膜装置２１の直下には、導入されたＣＯ_２を含むガスのＣＯ_２吸収剤水溶液への分散を促進させるための分散促進手段として散気装置３１が設けられている。

散気装置３１は、分離槽１１外部からのＣＯ_２を含むガスの導入ライン３３に直結されており、導入されたＣＯ_２を含むガスを拡散する装置で、例えば、ガス放出面が無数の孔を有するものであり、必要に応じて独自の動力源（ポンプ）を備えていてもよい。

吸引ライン２５には、中空糸膜装置２１により分離したＣＯ_２を含む吸収剤水溶液からＣＯ_２を分離する装置４０を設置することができる。この装置としては、例えば、常温かつ減圧状態で、ＣＯ_２を含有する吸収剤水溶液を脱気する装置を使用できる。

次に、図１に示す浸漬型ＣＯ_２分離装置の運転による、ＣＯ_２を含むガスからのＣＯ_２の分離回収方法について説明する。

まず、ＣＯ_２吸収剤水溶液が満たされた分離槽１１内に、ガスの導入ライン３３からＣＯ_２を含むガスを導入する。ガスの導入ライン３３は、開閉弁付きの連結管を介して、各種工場等のガス排出部（煙突等）に接続されていてもよいし、大気中（例えば、大気汚染地域の開放空間）に開放されていてもよい。またガスの導入ライン３３には、必要に応じて、固形微粒子等を除去するためのプレフィルターが設けられていてもよい。

ガスの導入ライン３３から導入されたＣＯ_２を含むガスは、散気装置３１により、分離槽１１内に満たされたＣＯ_２吸収剤水溶液に分散放出され、分散溶解される。このように散気装置３１を外圧型中空糸膜装置２１の直下に配置することで、ＣＯ_２を含むガスのＣＯ_２吸収剤水溶液への溶解が促進されるため、外圧型中空糸膜装置２１による分離も容易となり、分離回収効率も高められる。

次に、外圧型中空糸膜２１により、ＣＯ_２を含むガスが分散溶解されたＣＯ_２吸収剤水溶液から、ＣＯ_２を含む吸収剤水溶液と他のガス（Ｎ_２、ＮＯｘ、Ｏ_２等）を含有する水溶液が分離される。

この分離操作は、ポンプ２６を作動させることにより、中空糸膜束２２の外から内にＣＯ_２を含む吸収剤水溶液を濾過する外圧濾過法が適用される。このときの吸引圧は５〜８０ｋＰａが好ましく、１０〜５０ｋＰａがより好ましい。

外圧型中空糸膜装置２１において分離されたＣＯ_２を含む吸収剤水溶液は、吸引ライン（透過液ライン）２５を通って回収され、脱気装置４０により、ＣＯ_２と吸収剤水溶液に分離される。

運転の継続により、外圧型中空糸膜装置２１の中空糸膜束２２間に濃縮液が溜まった場合には、ポンプ２８を作動させ、引抜ライン２７から濃縮液を引き抜き、再度分離槽１１内に返送する。

このような一連の濾過運転を繰り返すことで、低エネルギーで、かつ高い回収率でＣＯ_２を分離回収することができる。

次に、図２により、別形態について説明する。図２は、浸漬型ＣＯ_２分離装置１０の概略断面図である。浸漬型ＣＯ_２分離装置１０は、密閉系でも開放系でもよい。

分離槽１１内には、図１の形態と同様に所要量のＣＯ_２吸収剤水溶液が入っている。分離槽１１内は、仕切り板１２により、外圧型中空糸膜装置２１が設置された膜分離部２０と、ＣＯ_２を含むガスを導入するガス導入部３０に分けられている。仕切り板１２の高さは、分離槽１１の壁面高さよりも低く、ＣＯ_２吸収剤水溶液の液面は仕切り板１２よりも高いので、ＣＯ_２吸収剤水溶液は、膜分離部２０とガス導入部３０との間で移動可能である。

外圧型中空糸膜装置２１は、図１のものと同様（構造、膜素材及び分離運転条件が同様）のものであり、所要本数の中空糸膜束２２と、中空糸膜束２２の上端を固定保持する上部保持具２３と、中空糸膜束２２の下端を固定保持する下部保持具２４とを有している。

ガス導入部３０には、導入されたＣＯ_２を含むガスのＣＯ_２吸収剤水溶液への分散を促進させるための分散促進手段として散気装置３１と金属製の多孔板３２が設けられている。

散気装置３１は、分離槽１１外部からのＣＯ_２を含むガスの導入ライン３３に直結されており、導入されたＣＯ_２を含むガスを拡散する装置で、例えば、ガス放出面が無数の孔を有するものであり、必要に応じて独自の動力源（ポンプ）を備えていてもよい。また、散気装置３１は、外圧型中空糸膜装置２１の直下に設置してもよい。

金属製の多孔板３２は、複数の細孔を有する金属板であり、散気装置３１の直上（散気装置がない場合は、ガスの導入ライン３３出口の直上）に設置されている。細孔の径、総数、密度を調整することにより、ＣＯ_２を含むガスのＣＯ_２吸収剤水溶液への分散溶解状態を制御することができる。

次に、図２に示す浸漬型ＣＯ_２分離装置の運転による、ＣＯ_２を含むガスからのＣＯ_２の分離回収方法について説明する。

ガスの導入ライン３３から導入されたＣＯ_２を含むガスは、散気装置３１により、ガス導入部３０内に満たされたＣＯ_２吸収剤水溶液に分散放出された後、更に多孔板３２の微細孔を通過することで、ＣＯ_２吸収剤水溶液に分散溶解される。このように散気装置３１及び多孔板３２を組み合わせて配置することで、ＣＯ_２を含むガスのＣＯ_２吸収剤水溶液への溶解が促進されるため、外圧型中空糸膜装置２１による分離も容易となり、分離回収効率も高められる。

本発明の浸漬型ＣＯ_２分離装置を用いて回収したＣＯ_２は、高濃度であるため、工業用原料として使用するか、吸着固定等することで、大気中への再放出を抑制することができるので、ＣＯ_２の増加による地球温暖化問題の解決に寄与できる。

図１の分離槽に相当する容器内に３０質量％のモノエタノールアミン水溶液を満たし、ポリエーテルスルホン中空糸膜（内径０．８ｍｍ、外径１．３ｍｍ、分画分子量１５万）を完全に浸漬した。次に、容器底部側からＣＯ_２／Ｎ_２（５０／５０vol％）の混合ガスを注入し、中空糸膜の端部から吸引圧３０ｋＰａで吸引した。中空糸膜を透過した濃縮ＣＯ_２ガスは注入量の８０vol％となり、十分なＣＯ_２の濃縮分離が確認された。

浸漬型ＣＯ_２分離装置の概略断面図。浸漬型ＣＯ_２分離装置の概略断面図。

符号の説明

１０浸漬型ＣＯ_２分離装置
１１分離槽
１２仕切り板
２０分離部
２１外圧型中空糸膜
２２中空糸膜束
３０ガス導入部
３１散気装置
３２多孔板

Claims

ＣＯ_２吸収剤水溶液が入った分離槽と、分離槽のＣＯ_２吸収剤水溶液中に浸漬された外圧型中空糸膜を備えており、分離槽外からＣＯ_２を含むガスを分離槽内に導入し、中空糸膜を介してＣＯ_２を含む吸収剤水溶液を透過しつつ、濃縮されたＣＯ_２を分離する浸漬型ＣＯ_２分離装置。
分離槽内において、中空糸膜が設置された膜分離部と、ＣＯ_２を含むガスを導入するガス導入部が設けられており、ガス導入部において、導入されたＣＯ_２を含むガスのＣＯ_２吸収剤水溶液への分散を促進させるための分散促進手段が設けられている請求項１記載の浸漬型ＣＯ_２分離装置。
分散促進手段が、分離槽外部からＣＯ_２を含むガスを導入する経路と直結された散気装置、及び分離槽内部に導入されたＣＯ_２を含むガスを通過させる多孔体のいずれか一方である請求項２記載の浸漬型ＣＯ_２分離装置。
中空糸膜がポリエーテルスルホン系の限外濾過膜である請求項１〜３のいずれかに記載の浸漬型ＣＯ_２分離装置。
運転時における中空糸膜の吸引圧が５〜８０ｋＰａである請求項１〜４のいずれかに記載の浸漬型ＣＯ_２分離装置。