温度湿度調節装置および二酸化炭素ガス分離システム
【課題】ガス体の温度および相対湿度を高精度に調節することができる温度湿度調節装置を提供する。
【解決手段】水蒸気を含むガス体を目標温度に調節するとともにガス体を目標相対湿度に調節する温度湿度調節装置１０であって、内部に水Ｗを収容し、ガス体Ｇ０を水に通して第一の温度調節ガス体Ｇ１とする収容部１１と、水の温度を調節する水温度調節部１２と、第一の温度調節ガス体を加熱して第二の温度調節ガス体Ｇ２とするガス体温度調節部１３と、水の温度を測定する水温度センサ１４および第二の温度調節ガス体の温度を測定するガス体温度センサ１５を有する制御部１６とを備え、制御部は、水温度センサで測定された温度が、目標温度および目標相対湿度におけるガス体の露点となるように水温度調節部を制御するとともに、ガス体温度センサで測定された温度が目標温度となるようにガス体温度調節部を制御する。
【解決手段】水蒸気を含むガス体を目標温度に調節するとともにガス体を目標相対湿度に調節する温度湿度調節装置１０であって、内部に水Ｗを収容し、ガス体Ｇ０を水に通して第一の温度調節ガス体Ｇ１とする収容部１１と、水の温度を調節する水温度調節部１２と、第一の温度調節ガス体を加熱して第二の温度調節ガス体Ｇ２とするガス体温度調節部１３と、水の温度を測定する水温度センサ１４および第二の温度調節ガス体の温度を測定するガス体温度センサ１５を有する制御部１６とを備え、制御部は、水温度センサで測定された温度が、目標温度および目標相対湿度におけるガス体の露点となるように水温度調節部を制御するとともに、ガス体温度センサで測定された温度が目標温度となるようにガス体温度調節部を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス体の温度と相対湿度を調節する温度湿度調節装置、およびこの温度湿度調節装置を備える二酸化炭素ガス分離システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、分離膜を用いた分離装置がめざましく発展してきている。
この分離装置の一つとして、たとえば、特許文献１に記載された炭酸ガスの分離装置が知られている。この分離装置は、化石燃料などを燃焼させて生じた燃焼排ガスから水を分離する除湿部と、水を分離された燃焼排ガスから二酸化炭素ガスを分離するＣＯ２分離部とを備えている。
除湿部には、Ｈ２Ｏの選択分離膜が設けられている。選択分離膜を挟んで燃焼排ガス側の圧力を高くすることで、選択分離膜から透過ガス（（Ｈ２Ｏ）４）が除去される。水を分離された燃焼排ガスはＣＯ２分離部に導かれる。ＣＯ２分離部には、ＣＯ２の選択分離膜が設けられている。選択分離膜を挟んで燃焼排ガス側の圧力を高くすることで、選択分離膜から透過ガス（（Ｃ２Ｏ）５）が除去される。
【０００３】
このように、従来の分離膜を用いた分離装置では、ＣＯ２の選択分離膜が水分に対して弱いので、分離膜でＣＯ２を分離する前に水分を除去することが行われている。
このような従来の分離膜には、一般的に分子の大きさ程度の孔が多数形成されていて、いわゆる分子篩を構成している。このため、小さい分子ほど分離膜により分離されやすくなり、大きさがほぼ等しい分子が複数種類ある場合には分離ガスの純度が低くなったり、大きさが小さくない分子を選択して分離することができないという問題がある。
【０００４】
これに対して、たとえば、特許文献２に記載された高分子膜（分離膜）は、二酸化炭素ガスだけを化学反応で選択的に透過させて分離するため、分離ガスの純度を高くできる特徴がある。その一方で、相対湿度が８０％前後とかなり高く、かつ、６０℃前後という比較的高い温度で二酸化炭素ガスの分離性能が高まるという特異な性質がある。このため、この高分子膜を用いた二酸化炭素ガス分離システムにおいては、原料ガス（ガス体）中の相対湿度と温度とを安定的に維持する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０４−６６１０７号公報
【特許文献２】特開平２０１０−１４９０２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に、原料ガス中の相対湿度を上げるために、原料ガス中に水蒸気を吹き込むことが行われている。しかしながら、この水蒸気を吹き込む方法では、相対湿度を高精度に調節するのは難しい。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、ガス体の温度および相対湿度を高精度に調節することができる温度湿度調節装置、およびこの温度湿度調節装置を備える二酸化炭素ガス分離システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の温度湿度調節装置は、水蒸気を含むガス体を目標温度に調節するとともに前記ガス体を目標相対湿度に調節する温度湿度調節装置であって、内部に水を収容し、前記ガス体を前記水に通して第一の温度調節ガス体とする収容部と、前記水の温度を調節する水温度調節部と、前記第一の温度調節ガス体を加熱して第二の温度調節ガス体とするガス体温度調節部と、前記水の温度を測定する水温度センサおよび前記第二の温度調節ガス体の温度を測定するガス体温度センサを有する制御部と、を備え、前記制御部は、前記水温度センサで測定された温度が、前記目標温度および前記目標相対湿度における前記ガス体の露点となるように前記水温度調節部を制御するとともに、前記ガス体温度センサで測定された温度が前記目標温度となるように前記ガス体温度調節部を制御することを特徴としている。
【０００９】
この発明によれば、目標温度および目標相対湿度におけるガス体の露点に調節された水をガス体が通ることで、第一の温度調節ガス体の温度はこの露点とほぼ等しくなるとともに、第一の温度調節ガス体はほぼ水分飽和する。この後で、第一の温度調節ガス体をガス体温度調節部により目標温度となるように加熱することで、第二の温度調節ガス体の相対湿度が目標相対湿度に調節される。
【００１０】
また、上記の温度湿度調節装置において、前記制御部は、前記第一の温度調節ガス体の露点である第一の露点を測定する露点測定部を有し、前記第一の露点が、前記目標温度および前記目標相対湿度における前記ガス体の露点である第二の露点より所定の値以上小さい場合には、前記第二の露点を所定の温度差分大きくすることがより好ましい。
また、上記の温度湿度調節装置において、前記収容部内の前記水を攪拌する攪拌部を備えることがより好ましい。
【００１１】
また、本発明の二酸化炭素ガス分離システムは、上記のいずれかに記載の温度湿度調節装置と、アミン化合物を有する分離膜と、二酸化炭素ガスを含む前記第二の温度調節ガス体を、前記分離膜の前記一方の面側の気圧を前記分離膜の他方の面側の気圧より高くした状態で、前記分離膜に沿って前記一方の面に供給するガス供給装置と、を備え、前記目標温度が５０℃以上１００℃以下、前記目標相対湿度が５０％以上１００％未満に設定されていることを特徴としている。この場合、分離膜のアミン化合物が効果的に二酸化炭素ガスと化学反応するようになる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明において、請求項１に記載の温度湿度調節装置によれば、収容部において第一の温度調節ガス体をほぼ水分飽和させてから、第一の温度調節ガス体の絶対湿度を維持しつつ第一の温度調節ガス体の温度を高めることで、第二の温度調節ガス体を目標温度および目標相対湿度に精度良く調節することができる。
請求項２に記載の温度湿度調節装置によれば、ガス体温度調節部に入ってくる第一の温度調節ガス体を確実に水分飽和とすることで、ガス体温度調節部において、第二の温度調節ガス体を目標相対湿度に調節する精度をさらに高めることができる。
また、請求項３に記載の温度湿度調節装置によれば、水の温度をより均一にして、第二の温度調節ガス体を目標温度および目標相対湿度に精度良く調節することができる。
請求項４に記載の二酸化炭素ガス分離システムによれば、第二の温度調節ガス体から二酸化炭素ガスを効率良く分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態の二酸化炭素ガス分離システムのブロック図である。
【図２】同二酸化炭素ガス分離システムにおける温度湿度調節装置の説明図である。
【図３】同二酸化炭素ガス分離システムの分離膜にガス体を透過させたときの、ガス体の温度に対する透過速度および選択性の関係を示す図である。
【図４】同二酸化炭素ガス分離システムの分離膜にガス体を透過させたときの、ガス体の相対湿度に対する選択性の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る二酸化炭素ガス分離システム（以下、「分離システム」とも称する。）の一実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。本分離システムは、分離膜を用いて二酸化炭素ガスを含むガス体から二酸化炭素ガスを分離する装置である。分離システムは、たとえば石炭ガス化プラントや天然ガス採掘プラントなどで二酸化炭素ガスを分離するために用いることができる。このような場合には、ガス体は、二酸化炭素ガス以外に、水蒸気、水素ガス、メタンガスなどを含む。
図１に示すように、本実施形態の分離システム１は、前処理装置６と、本発明の温度湿度調節装置１０と、分離膜６０と、分離膜６０にガス体Ｇ０を供給するガス供給装置７０とを備えている。
前処理装置６は、ガス体Ｇ０から硫化ガスなどの不要成分を除去するためのものである。
【００１５】
本温度湿度調節装置１０は、ガス体Ｇ０を目標温度に調節するとともにガス体Ｇ０を目標相対湿度に調節する装置である。この例では、分離膜６０を効果的に機能させるために、温度を調節する目標値である目標温度は５０℃以上１００℃以下に設定され、相対湿度を調節する目標値である目標相対湿度は５０％以上１００％未満に設定されている。
温度湿度調節装置１０は、図２に示すように、内部に水Ｗを収容するとともに、ガス体Ｇ０を水Ｗに通して第一の温度調節ガス体Ｇ１とする加湿槽（収容部）１１と、水Ｗの温度を調節する水温度調節部１２と、第一の温度調節ガス体Ｇ１を加熱して第二の温度調節ガス体Ｇ２とする熱交換器（ガス体温度調節部）１３と、水Ｗの温度を測定する水温度センサ１４および第二の温度調節ガス体Ｇ２の温度を測定するガス体温度センサ１５を有する制御部１６とを備えている。
【００１６】
第一の温度調節ガス体Ｇ１は、ガス体Ｇ０が水Ｗにより加熱または冷却されるとともに水分飽和に調湿されたものである。
加湿槽１１内には、加湿槽１１内にガス体Ｇ０を供給する第一の搬送管２１、および、加湿槽１１内から第一の温度調節ガス体Ｇ１を搬出する第二の搬送管２２が接続されている。また、加湿槽１１内には、前述の水温度センサ１４、および水Ｗを攪拌する攪拌部２３が設けられている。
【００１７】
加湿槽１１内に供給されるガス体Ｇ０は、後の工程で分離膜６０を透過させるために、ポンプや減圧弁などの圧力調節機により、たとえば、２．５〜４．０ＭＰａ程度の圧力に高められている。
水温度センサ１４としては、熱電対やサーミスタなどの公知のものを用いることができる。水温度センサ１４は、変換装置２４を介して制御部本体２５に接続されている。水温度センサ１４で電位差などとして測定された水Ｗの温度は、変換装置２４により所定の電気信号に変換されて制御部本体２５に送信される。
攪拌部２３は、本実施形態では加湿槽１１の底部に配置されたプロペラ２３ａをモータ２３ｂで回転させるものが用いられている。ただし、攪拌部２３としては、このいわゆるプロペラ式の撹拌装置以外にも、ポンプ式など様々な仕様のものを用いることができる。
加湿槽１１の外周面には、断熱部材１１ａが取り付けられている。
【００１８】
本実施形態では、水温度調節部１２および熱交換器１３の熱源として、水やガスなどの熱媒体および冷媒体が共通に用いられている。熱媒体としてはたとえば９０℃に調節された水（湯）、冷媒体としてはたとえば１０℃に調節された水を用いることができる。
熱媒体、冷媒体は、熱媒体供給管２８、冷媒体供給管２９によりそれぞれ供給される。熱媒体供給管２８には不図示の加熱装置が設けられていて、熱媒体は加熱装置により一定の温度に加熱されている。同様に、冷媒体供給管２９には不図示の冷却装置が設けられていて、冷媒体は冷却装置により一定の温度に冷却されている。
熱媒体供給管２８中の熱媒体の温度、および、冷媒体供給管２９中の冷媒体の温度は、冷媒温度計３０により測定されている。冷媒温度計３０による測定結果は、所定の電気信号に変換されて制御部本体２５に送信される。
【００１９】
水温度調節部１２は、熱媒体供給管２８の端部に接続され熱媒体流量調節バルブ３３が設けられた第一の熱媒体分岐管３４、および、冷媒体供給管２９の端部に接続され冷媒体流量調節バルブ３５が設けられた第一の冷媒体分岐管３６を有している。
第一の熱媒体分岐管３４および第一の冷媒体分岐管３６は、図示はしていないが加湿槽１１の外周面に巻きつけられていて、加湿槽１１と分岐管３４、３６との間で効果的に熱交換をすることができる。
流量調節バルブ３３、３５は、それぞれ制御部本体２５に接続されている。熱媒体流量調節バルブ３３は、制御部本体２５から送信される信号に基づいて第一の熱媒体分岐管３４を流れる熱媒体の流量を調節することができる。同様に、冷媒体流量調節バルブ３５は、制御部本体２５から送信される信号に基づいて第一の冷媒体分岐管３６を流れる冷媒体の流量を調節することができる。
【００２０】
第二の搬送管２２には、露点測定部３９が設けられている。露点測定部３９は、第二の搬送管２２により搬送される第一の温度調節ガス体Ｇ１の露点温度を、静電容量式や冷却式などの公知の方法により測定することができる。露点測定部３９による測定結果は、制御部本体２５に送信される。
【００２１】
第二の搬送管２２における加湿槽１１に接続されている側とは反対側の端部には、前述の熱交換器１３が接続されている。
熱媒体供給管２８における第一の熱媒体分岐管３４が接続されている端部には、熱媒体流量調節バルブ４２が設けられた第二の熱媒体分岐管４３が接続されている。同様に、冷媒体供給管２９における第一の冷媒体分岐管３６が接続されている端部には、冷媒体流量調節バルブ４４が設けられた第二の冷媒体分岐管４５が接続されている。
流量調節バルブ４２、４４は、それぞれ制御部本体２５に接続されている。熱媒体流量調節バルブ４２は、制御部本体２５から送信される信号に基づいて第二の熱媒体分岐管４３を流れる熱媒体の流量を調節することができる。同様に、冷媒体流量調節バルブ４４は、制御部本体２５から送信される信号に基づいて第二の冷媒体分岐管４５を流れる冷媒体の流量を調節することができる。
【００２２】
図示はしていないが、熱交換器１３内では、第二の熱媒体分岐管４３により搬送される熱媒体および第二の冷媒体分岐管４５により搬送される冷媒体と、第二の搬送管２２により搬送される第一の温度調節ガス体Ｇ１とが熱交換している。一般的に、液体の熱媒体および冷媒体の熱伝達率より、気体の第一の温度調節ガス体Ｇ１の熱伝達率の方が小さい。このため、熱交換器１３には、第一の温度調節ガス体Ｇ１と熱交換する側に熱交換面積を拡大するためのフィンが設けられたものを用いることが好ましい。
第一の温度調節ガス体Ｇ１が熱交換器１３により、絶対湿度が変わることなく温度を調節されたものが第二の温度調節ガス体Ｇ２である。
熱交換器１３は、圧力と温度とを適切に調節した恒温槽４７内に配置されている。恒温槽４７内は、圧力と温度が均一になるように、充分攪拌することが好ましい。
【００２３】
第一の熱媒体分岐管３４を流れる熱媒体は加湿槽１１と熱交換した後で、第二の熱媒体分岐管４３を流れる熱媒体は熱交換器１３で熱交換した後で、再び熱媒体供給管２８にそれぞれ搬送され、加熱装置により一定の温度に加熱される。第一の冷媒体分岐管３６を流れる冷媒体は加湿槽１１と熱交換した後で、第二の冷媒体分岐管４５を流れる冷媒体は熱交換器１３で熱交換した後で、再び冷媒体供給管２９にそれぞれ搬送され、冷却装置により一定の温度に冷却される。
【００２４】
熱交換器１３には第三の搬送管４８が接続されていて、熱交換器１３内で熱交換された第二の温度調節ガス体Ｇ２が第三の搬送管４８により搬送される。
第三の搬送管４８内には、前述のガス体温度センサ１５が設けられている。ガス体温度センサ１５としては、水温度センサ１４と同じ種類のものを用いることができる。
ガス体温度センサ１５は変換装置４９を介して制御部本体２５に接続されていて、ガス体温度センサ１５で測定された第二の温度調節ガス体Ｇ２の温度は制御部本体２５に送信される。
制御部本体２５には、メモリ２５ａ、ＣＰＵ２５ｂ、および入力部２５ｃが備えられている。メモリ２５ａには、圧力、温度、および相対湿度が定められたガス体Ｇ０の露点を求めるテーブルが記憶されている。このテーブルは、二酸化炭素ガス、水蒸気、水素ガス、メタンガスなどを所定の割合で含むガス体の相対湿度を変化させて冷却試験を行うことなどにより、容易に求めることができる。
ＣＰＵ２５ｂは、メモリ２５ａに記憶された上記のテーブルに基づいて、ガス体Ｇ０の露点を算出するとともに、流量調節バルブ３３、３５、４２、４４を制御する。
操作者は、入力部２５ｃから目標温度および目標相対湿度を入力することができる。
なお、温度センサ１４、１５、冷媒温度計３０、変換装置２４、４９、および露点測定部３９により、前述の制御部１６が構成される。
【００２５】
図１に示すように、分離膜６０は、支持膜６１上に機能膜６２を形成し、機能膜６２上に保護膜６３を形成した構成となっている。本実施形態では、分離膜６０は平らなシート状に形成されているが、中空糸状に形成することも可能である。
支持膜６１は、分離膜６０の両面で生じる圧力差を支えるためのもので、保護膜６３は、機能膜６２に及ぼす物理的または化学的な損傷から機能膜６２を保護するためのものである。
機能膜６２は、アミン化合物を有する高分子膜で、化学反応で二酸化炭素ガスを選択的に透過させる機能がある。
この機能膜６２としては、
式（１）
Ｍ（ＯＲ１）ｎ （１）
（式中、Ｍは三価以上の金属原子を示し、ｎは３〜６の整数を示し、Ｒ１は、炭素数１〜６のアルキル基、炭素数２〜６のアルケニル基、炭素数３〜１０のシクロアルキル基、炭素数３〜１０のシクロアルケニル基、炭素数６〜１０のアリール基、炭素数７〜１２のアラルキル基、炭素数２〜７のアシル基、式−ＮＨＲ２で示される基（式中、Ｒ２は、炭素数１〜６のアルキル基を示す。）、式−ＮＲ３Ｒ４で示される基（式中、Ｒ３およびＲ４は、独立に、同一又は異なって、炭素数１〜６のアルキル基を示す。）、式−Ｃ（Ｏ）−ＮＨＲ５で示される基（式中、Ｒ５は、同一又は異なって、炭素数１〜６のアルキル基を示す。）、式−Ｃ（Ｏ）−ＮＲ６Ｒ７で示される基（式中、Ｒ６およびＲ７は、独立に、同一または異なって、炭素数１〜６のアルキル基を示す。）、又は、１〜３個の酸素原子、窒素原子若しくは硫黄原子を含む５〜１０員複素環基を示し、これらは互いに結合して環構造を形成していてもよく、これらの基又は環は置換基を有していてもよい。）で示される架橋剤で架橋されてなる、架橋部分と結晶部分とを有するポリビニルアルコール内に、式（２）
【化１】
（式中、Ａ１は炭素数１〜３の二価有機残基を示し、ｐは０又は１の整数を示す。）で示される基、式（３）
【化２】
（式中、Ａ２は炭素数１〜３の二価有機残基を示し、ｑは０又は１の整数を示す。）で示される基、式（４）
【化３】
（式中、Ａ３およびＡ４は炭素数１〜３の二価有機残基を示し、ｒ及びｓは０又は１の整数を示す。）
で示される基、または式（５）
【化４】
（式中、Ａ５及びＡ６は炭素数１〜３の二価有機残基を示し、ｔは０又は１の整数を示す。）で示される基を有するアミン化合物が固定化されてなる高分子膜、を好適に用いることができる。
しかし、機能膜としてはこれに限ることなく、アミン化合物を有する高分子膜であれば、将来開発されるものも含めて用いることができる。
【００２６】
ガス供給装置７０は、箱状や筒状に形成されている。ガス供給装置７０の内面に分離膜６０の側面全周を気密に接続することで、ガス供給装置７０の内部空間を、分離膜６０の厚さ方向の両側に形成された第一の空間Ｓ１および第二の空間Ｓ２に分けることができる。この例では、分離膜６０の保護膜６３の表面（一方の面）６３ａが第一の空間Ｓ１に面していて、支持膜６１の表面（他方の面）６１ａが第二の空間Ｓ２に面している。
ガス供給装置７０における第一の空間Ｓ１側の分離膜６０に沿った一方側Ｄ１には、第三の搬送管４８が接続されている。ガス供給装置７０における第一の空間Ｓ１側の他方側Ｄ２には、搬送配管７６の一端が接続され、搬送配管７６の他端は脱湿装置７７に接続されている。ガス供給装置７０における第二の空間Ｓ２側の他方側Ｄ２には、搬送配管７８の一端が接続され、搬送配管７８の他端は脱湿装置７９に接続されている。
脱湿装置７７、７９では、膜分離法や冷却凝縮法などによりガス中の水蒸気が分離、回収される。なお、脱湿装置７７、７９は、分離されたガスの用途によっては必要でないこともある。
【００２７】
ここで、ガス供給装置７０内に取り付けられた分離膜６０の表面６３ａに、分離膜６０に沿って、水素ガスと二酸化炭素ガスから成る所定の圧力のガス体Ｇ０を供給し、分離膜６０の第一の空間Ｓ１側の気圧を第二の空間Ｓ２側の気圧より高くして測定した結果について説明する。
図３に、ガス体Ｇ０の温度に対する透過速度および選択性の関係を示す。
なお、ここで言う選択性とは、透過ガスにおける水素ガスに対する二酸化炭素ガスの選択性であり、値が大きい方が、分離膜６０を透過する水素ガスの物質量に比べて分離膜６０を透過する二酸化炭素ガスの物質量が増加していることを意味する。
図３において、実線は二酸化炭素ガスの透過速度、点線は水素ガスの透過速度、一点鎖線は選択性をそれぞれ示している。
ガス体Ｇ０の温度が５０℃以上のときに選択性の値が大きくなっていることが分かる。なお、機能膜６２は高分子膜であるため、温度が８０℃を超えると分子構造が壊れやすくなり、さらに１００℃を超えると急激に分子構造の分解が進むので好ましくない。
【００２８】
図４に、ガス体Ｇ０の相対湿度に対する選択性の関係を示す。
相対湿度が８０％のときに選択性が最も大きくなることが分かる。なお、相対湿度が１００％になると、分離膜６０に水滴が付着して分離膜６０が使用できなくなるため好ましくない。
アミン化合物において、相対湿度が５０％以上１００％未満という比較的高いときに選択性が大きくなるのは、水分子が膜中に多く存在する方が、アミン化合物と二酸化炭素ガスが反応してカーボネートやカルバネートなどを生じやすくなるためと考えられる。
このように、ガス体Ｇ０の相対湿度は５０％以上１００％未満が好ましく、さらに、図４から明らかなように、６０％以上１００％未満がより好ましい。
【００２９】
次に、以上のように構成された分離システム１の動作について説明する。以下では、アミン化合物が二酸化炭素ガスと効果的に化学反応して選択性が大きくなるように、目標温度を６０℃とし、目標相対湿度を８０％とした場合で説明する。
操作者が入力部２５ｃにガス体Ｇ０を調節したい目標温度および目標相対湿度を入力すると、ＣＰＵ２５ｂは、これらの値およびガス体Ｇ０の圧力から、メモリ２５ａに記憶されたテーブルを用いてガス体Ｇ０の露点（第二の露点）Ｔを求める。露点Ｔは、たとえば、５５℃程度の値となる。
そして、水温度調節部１２の流量調節バルブ３３、３５により熱媒体、冷媒体の流量をそれぞれ調節することで、水温度センサ１４で測定された水Ｗの温度が露点Ｔである５５℃となるように制御する。
加湿槽１１内の水Ｗは、攪拌部２３により攪拌されることで、水Ｗの温度がほぼ均一に保たれている。
【００３０】
図１に示すように、石炭ガス化プラントなどから供給されたガス体Ｇ０は、まず、前処理装置６で硫化ガスなどの不要成分を除去され、第一の搬送管２１により温度湿度調節装置１０に供給される。
第一の搬送管２１から水Ｗ内に送り出されたガス体Ｇ０は、圧力を一定に保たれた状態で水Ｗ内を通すことでほぼ飽和するとともに約５５℃に加熱されて第一の温度調節ガス体Ｇ１となる。
第一の温度調節ガス体Ｇ１は、第二の搬送管２２で搬送される際に露点測定部３９により、第一の温度調節ガス体Ｇ１の露点である第一の露点が測定される。ＣＰＵ２５ｂは、第一の露点が露点Ｔより所定の値以上小さい場合には、露点Ｔを所定の温度差分大きくして水温度調節部１２により水Ｗの温度を制御する。たとえば、第一の露点が露点Ｔより０．５℃以上低いときには、水温度調節部１２の露点Ｔを０．５℃高め、水温度センサ１４で測定される水Ｗの温度が５５．５℃となるように制御する。
このように制御することで、第一の温度調節ガス体Ｇ１が水Ｗによりさらに加熱されるようになり、露点測定部３９により測定される第一の露点が上昇する。
以上のように、本実施形態の温度湿度調節装置１０では、第一の温度調節ガス体Ｇ１が飽和するように水温度センサ１４および露点測定部３９でカスケード制御している。
【００３１】
第二の搬送管２２内で飽和した第一の温度調節ガス体Ｇ１は、熱交換器１３に搬送される。
ＣＰＵ２５ｂは、流量調節バルブ４２、４４により熱媒体、冷媒体の流量をそれぞれ調節することで、ガス体温度センサ１５で測定される温度が目標温度である６０℃となるように熱交換器１３を制御する。
これにより、熱交換器１３で加熱された後の第二の温度調節ガス体Ｇ２は、圧力を一定に保たれた状態で温度が目標温度である６０℃に調節されるとともに、相対湿度も目標相対湿度である８０％に正確に調節される。
温度および相対湿度を正確に調節された第二の温度調節ガス体Ｇ２は、第三の搬送管４８によりガス供給装置７０に搬送され、第一の空間Ｓ１の一方側Ｄ１から他方側Ｄ２に向けて流れる。第一の空間Ｓ１の気圧は第二の空間Ｓ２の気圧より高められ、さらに、第二の温度調節ガス体Ｇ２の温度と相対湿度がアミン化合物による選択性の値が大きくなるように調節されている。したがって、第二の温度調節ガス体Ｇ２中の二酸化炭素ガスが主に分離膜６０を透過して、第一の空間Ｓ１から第二の空間Ｓ２に移るように流れる。このとき、二酸化炭素ガスとともに一定量の水蒸気も第一の空間Ｓ１から第二の空間Ｓ２に透過する。
【００３２】
第二の空間Ｓ２に透過した二酸化炭素ガスおよび水蒸気は、搬送配管７８を通して脱湿装置７９に搬送され、二酸化炭素ガスと水蒸気とに分離される。分離された二酸化炭素ガスは、大気に放散されるか、地球温暖化対策として圧力を高めて地中に戻すなどの処置がされる。
分離膜６０を透過せずに第一の空間Ｓ１に残った第二の温度調節ガス体Ｇ２は、搬送配管７６を通して脱湿装置７７に搬送され、水素ガスおよびメタンガスなどと、水蒸気とに分離される。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態の温度湿度調節装置１０および分離システム１によれば、目標温度および目標相対湿度におけるガス体Ｇ０の露点Ｔに調節された水Ｗをガス体Ｇ０が通ることで、第一の温度調節ガス体Ｇ１の温度はこの露点Ｔとほぼ等しくなるとともに、第一の温度調節ガス体Ｇ１はほぼ水分飽和する。この後で、第一の温度調節ガス体Ｇ０を熱交換器１３により目標温度となるように加熱することで、第二の温度調節ガス体Ｇ２の相対湿度が目標相対湿度に調節される。
加湿槽１１において第一の温度調節ガス体Ｇ１をほぼ水分飽和させてから、第一の温度調節ガス体Ｇ１の絶対湿度を維持しつつ第一の温度調節ガス体Ｇ１の温度を高めることで、第二の温度調節ガス体Ｇ２を目標温度および目標相対湿度に精度良く調節することができる。
【００３４】
第一の温度調節ガス体Ｇ１を飽和させる、つまり、第一の温度調節ガス体Ｇ１の相対湿度を一度１００％にしてから低下させる相対湿度の調節方法は、目標相対湿度が高い場合には相対湿度を低下させる幅が小さいので効果的である。また、アミン化合物は、たとえば、相対湿度が５０％以上１００％未満と、比較的高いときに選択性の値が大きくなる。したがって、本発明の温度湿度調節装置１０を用いることで、アミン化合物を有する分離膜６０に目標相対湿度に精度良く調節した第二の温度調節ガス体Ｇ２を効果的に供給することができる。
【００３５】
制御部１６は、露点測定部３９を有するとともに、第一の温度調節ガス体Ｇ１が飽和するように水温度センサ１４および露点測定部３９でカスケード制御している。このため、熱交換器１３に入ってくる第一の温度調節ガス体Ｇ１を確実に水分飽和とすることで、熱交換器１３において、第二の温度調節ガス体Ｇ２を目標相対湿度に調節する精度をさらに高めることができる。
また、攪拌部２３を備えるため、水Ｗの温度をより均一にして、第二の温度調節ガス体Ｇ２を目標温度および目標相対湿度に精度良く調節することができる。
【００３６】
分離システム１は、温度湿度調節装置１０、分離膜６０、ガス供給装置７０を備え、目標温度が５０℃以上１００℃以下、目標相対湿度が５０％以上１００％未満に設定されている。したがって、分離膜６０のアミン化合物が効果的に機能するようになるため、第二の温度調節ガス体Ｇ２から二酸化炭素ガスを効率良く分離することができる。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更なども含まれる。
たとえば、前記実施形態では、露点測定部３９は必須の構成ではない。水温度調節部１２だけで水Ｗの温度を充分精度良く制御できる場合があるからである。
また、水Ｗ内におけるガス体Ｇ０の流れだけで水Ｗを充分に攪拌できる場合には、攪拌部２３は備えられなくてもよい。
【００３８】
本実施形態では、温度湿度調節装置１０の周囲の空気の温度が目標温度より充分低い場合には、冷媒体供給管２９、冷媒体分岐管３６、４５、および冷媒体流量調節バルブ３５、４４は備えず、熱媒体供給管２８で搬送される熱媒体だけで水Ｗおよび熱交換器１３の温度調節を行ってもよい。また、この場合には、水温度調節部およびガス体温度調節部はヒータであってもよい。
前記実施形態では、分離膜６０を筒状に形成してもよい。この場合、分離膜６０の内周面側から第二の温度調節ガス体Ｇ２を供給して分離膜６０の外周面側に二酸化炭素ガスを透過させてもよいし、分離膜６０の外周面側から第二の温度調節ガス体Ｇ２を供給して分離膜６０の内周面側に二酸化炭素ガスを透過させてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１ 分離システム（二酸化炭素ガス分離システム）
１０ 温度湿度調節装置
１１ 加湿槽（収容部）
１２ 水温度調節部
１４ 水温度センサ
１５ ガス体温度センサ
１６ 制御部
２３ 攪拌部
３９ 露点測定部
６０ 分離膜
６１ａ 表面（一方の面）
６３ａ 表面（他方の面）
７０ ガス供給装置
Ｇ０ ガス体
Ｇ１ 第一の温度調節ガス体
Ｇ２ 第二の温度調節ガス体
Ｗ 水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス体の温度と相対湿度を調節する温度湿度調節装置、およびこの温度湿度調節装置を備える二酸化炭素ガス分離システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、分離膜を用いた分離装置がめざましく発展してきている。
この分離装置の一つとして、たとえば、特許文献１に記載された炭酸ガスの分離装置が知られている。この分離装置は、化石燃料などを燃焼させて生じた燃焼排ガスから水を分離する除湿部と、水を分離された燃焼排ガスから二酸化炭素ガスを分離するＣＯ２分離部とを備えている。
除湿部には、Ｈ２Ｏの選択分離膜が設けられている。選択分離膜を挟んで燃焼排ガス側の圧力を高くすることで、選択分離膜から透過ガス（（Ｈ２Ｏ）４）が除去される。水を分離された燃焼排ガスはＣＯ２分離部に導かれる。ＣＯ２分離部には、ＣＯ２の選択分離膜が設けられている。選択分離膜を挟んで燃焼排ガス側の圧力を高くすることで、選択分離膜から透過ガス（（Ｃ２Ｏ）５）が除去される。
【０００３】
このように、従来の分離膜を用いた分離装置では、ＣＯ２の選択分離膜が水分に対して弱いので、分離膜でＣＯ２を分離する前に水分を除去することが行われている。
このような従来の分離膜には、一般的に分子の大きさ程度の孔が多数形成されていて、いわゆる分子篩を構成している。このため、小さい分子ほど分離膜により分離されやすくなり、大きさがほぼ等しい分子が複数種類ある場合には分離ガスの純度が低くなったり、大きさが小さくない分子を選択して分離することができないという問題がある。
【０００４】
これに対して、たとえば、特許文献２に記載された高分子膜（分離膜）は、二酸化炭素ガスだけを化学反応で選択的に透過させて分離するため、分離ガスの純度を高くできる特徴がある。その一方で、相対湿度が８０％前後とかなり高く、かつ、６０℃前後という比較的高い温度で二酸化炭素ガスの分離性能が高まるという特異な性質がある。このため、この高分子膜を用いた二酸化炭素ガス分離システムにおいては、原料ガス（ガス体）中の相対湿度と温度とを安定的に維持する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０４−６６１０７号公報
【特許文献２】特開平２０１０−１４９０２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に、原料ガス中の相対湿度を上げるために、原料ガス中に水蒸気を吹き込むことが行われている。しかしながら、この水蒸気を吹き込む方法では、相対湿度を高精度に調節するのは難しい。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、ガス体の温度および相対湿度を高精度に調節することができる温度湿度調節装置、およびこの温度湿度調節装置を備える二酸化炭素ガス分離システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の温度湿度調節装置は、水蒸気を含むガス体を目標温度に調節するとともに前記ガス体を目標相対湿度に調節する温度湿度調節装置であって、内部に水を収容し、前記ガス体を前記水に通して第一の温度調節ガス体とする収容部と、前記水の温度を調節する水温度調節部と、前記第一の温度調節ガス体を加熱して第二の温度調節ガス体とするガス体温度調節部と、前記水の温度を測定する水温度センサおよび前記第二の温度調節ガス体の温度を測定するガス体温度センサを有する制御部と、を備え、前記制御部は、前記水温度センサで測定された温度が、前記目標温度および前記目標相対湿度における前記ガス体の露点となるように前記水温度調節部を制御するとともに、前記ガス体温度センサで測定された温度が前記目標温度となるように前記ガス体温度調節部を制御することを特徴としている。
【０００９】
この発明によれば、目標温度および目標相対湿度におけるガス体の露点に調節された水をガス体が通ることで、第一の温度調節ガス体の温度はこの露点とほぼ等しくなるとともに、第一の温度調節ガス体はほぼ水分飽和する。この後で、第一の温度調節ガス体をガス体温度調節部により目標温度となるように加熱することで、第二の温度調節ガス体の相対湿度が目標相対湿度に調節される。
【００１０】
また、上記の温度湿度調節装置において、前記制御部は、前記第一の温度調節ガス体の露点である第一の露点を測定する露点測定部を有し、前記第一の露点が、前記目標温度および前記目標相対湿度における前記ガス体の露点である第二の露点より所定の値以上小さい場合には、前記第二の露点を所定の温度差分大きくすることがより好ましい。
また、上記の温度湿度調節装置において、前記収容部内の前記水を攪拌する攪拌部を備えることがより好ましい。
【００１１】
また、本発明の二酸化炭素ガス分離システムは、上記のいずれかに記載の温度湿度調節装置と、アミン化合物を有する分離膜と、二酸化炭素ガスを含む前記第二の温度調節ガス体を、前記分離膜の前記一方の面側の気圧を前記分離膜の他方の面側の気圧より高くした状態で、前記分離膜に沿って前記一方の面に供給するガス供給装置と、を備え、前記目標温度が５０℃以上１００℃以下、前記目標相対湿度が５０％以上１００％未満に設定されていることを特徴としている。この場合、分離膜のアミン化合物が効果的に二酸化炭素ガスと化学反応するようになる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明において、請求項１に記載の温度湿度調節装置によれば、収容部において第一の温度調節ガス体をほぼ水分飽和させてから、第一の温度調節ガス体の絶対湿度を維持しつつ第一の温度調節ガス体の温度を高めることで、第二の温度調節ガス体を目標温度および目標相対湿度に精度良く調節することができる。
請求項２に記載の温度湿度調節装置によれば、ガス体温度調節部に入ってくる第一の温度調節ガス体を確実に水分飽和とすることで、ガス体温度調節部において、第二の温度調節ガス体を目標相対湿度に調節する精度をさらに高めることができる。
また、請求項３に記載の温度湿度調節装置によれば、水の温度をより均一にして、第二の温度調節ガス体を目標温度および目標相対湿度に精度良く調節することができる。
請求項４に記載の二酸化炭素ガス分離システムによれば、第二の温度調節ガス体から二酸化炭素ガスを効率良く分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態の二酸化炭素ガス分離システムのブロック図である。
【図２】同二酸化炭素ガス分離システムにおける温度湿度調節装置の説明図である。
【図３】同二酸化炭素ガス分離システムの分離膜にガス体を透過させたときの、ガス体の温度に対する透過速度および選択性の関係を示す図である。
【図４】同二酸化炭素ガス分離システムの分離膜にガス体を透過させたときの、ガス体の相対湿度に対する選択性の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る二酸化炭素ガス分離システム（以下、「分離システム」とも称する。）の一実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。本分離システムは、分離膜を用いて二酸化炭素ガスを含むガス体から二酸化炭素ガスを分離する装置である。分離システムは、たとえば石炭ガス化プラントや天然ガス採掘プラントなどで二酸化炭素ガスを分離するために用いることができる。このような場合には、ガス体は、二酸化炭素ガス以外に、水蒸気、水素ガス、メタンガスなどを含む。
図１に示すように、本実施形態の分離システム１は、前処理装置６と、本発明の温度湿度調節装置１０と、分離膜６０と、分離膜６０にガス体Ｇ０を供給するガス供給装置７０とを備えている。
前処理装置６は、ガス体Ｇ０から硫化ガスなどの不要成分を除去するためのものである。
【００１５】
本温度湿度調節装置１０は、ガス体Ｇ０を目標温度に調節するとともにガス体Ｇ０を目標相対湿度に調節する装置である。この例では、分離膜６０を効果的に機能させるために、温度を調節する目標値である目標温度は５０℃以上１００℃以下に設定され、相対湿度を調節する目標値である目標相対湿度は５０％以上１００％未満に設定されている。
温度湿度調節装置１０は、図２に示すように、内部に水Ｗを収容するとともに、ガス体Ｇ０を水Ｗに通して第一の温度調節ガス体Ｇ１とする加湿槽（収容部）１１と、水Ｗの温度を調節する水温度調節部１２と、第一の温度調節ガス体Ｇ１を加熱して第二の温度調節ガス体Ｇ２とする熱交換器（ガス体温度調節部）１３と、水Ｗの温度を測定する水温度センサ１４および第二の温度調節ガス体Ｇ２の温度を測定するガス体温度センサ１５を有する制御部１６とを備えている。
【００１６】
第一の温度調節ガス体Ｇ１は、ガス体Ｇ０が水Ｗにより加熱または冷却されるとともに水分飽和に調湿されたものである。
加湿槽１１内には、加湿槽１１内にガス体Ｇ０を供給する第一の搬送管２１、および、加湿槽１１内から第一の温度調節ガス体Ｇ１を搬出する第二の搬送管２２が接続されている。また、加湿槽１１内には、前述の水温度センサ１４、および水Ｗを攪拌する攪拌部２３が設けられている。
【００１７】
加湿槽１１内に供給されるガス体Ｇ０は、後の工程で分離膜６０を透過させるために、ポンプや減圧弁などの圧力調節機により、たとえば、２．５〜４．０ＭＰａ程度の圧力に高められている。
水温度センサ１４としては、熱電対やサーミスタなどの公知のものを用いることができる。水温度センサ１４は、変換装置２４を介して制御部本体２５に接続されている。水温度センサ１４で電位差などとして測定された水Ｗの温度は、変換装置２４により所定の電気信号に変換されて制御部本体２５に送信される。
攪拌部２３は、本実施形態では加湿槽１１の底部に配置されたプロペラ２３ａをモータ２３ｂで回転させるものが用いられている。ただし、攪拌部２３としては、このいわゆるプロペラ式の撹拌装置以外にも、ポンプ式など様々な仕様のものを用いることができる。
加湿槽１１の外周面には、断熱部材１１ａが取り付けられている。
【００１８】
本実施形態では、水温度調節部１２および熱交換器１３の熱源として、水やガスなどの熱媒体および冷媒体が共通に用いられている。熱媒体としてはたとえば９０℃に調節された水（湯）、冷媒体としてはたとえば１０℃に調節された水を用いることができる。
熱媒体、冷媒体は、熱媒体供給管２８、冷媒体供給管２９によりそれぞれ供給される。熱媒体供給管２８には不図示の加熱装置が設けられていて、熱媒体は加熱装置により一定の温度に加熱されている。同様に、冷媒体供給管２９には不図示の冷却装置が設けられていて、冷媒体は冷却装置により一定の温度に冷却されている。
熱媒体供給管２８中の熱媒体の温度、および、冷媒体供給管２９中の冷媒体の温度は、冷媒温度計３０により測定されている。冷媒温度計３０による測定結果は、所定の電気信号に変換されて制御部本体２５に送信される。
【００１９】
水温度調節部１２は、熱媒体供給管２８の端部に接続され熱媒体流量調節バルブ３３が設けられた第一の熱媒体分岐管３４、および、冷媒体供給管２９の端部に接続され冷媒体流量調節バルブ３５が設けられた第一の冷媒体分岐管３６を有している。
第一の熱媒体分岐管３４および第一の冷媒体分岐管３６は、図示はしていないが加湿槽１１の外周面に巻きつけられていて、加湿槽１１と分岐管３４、３６との間で効果的に熱交換をすることができる。
流量調節バルブ３３、３５は、それぞれ制御部本体２５に接続されている。熱媒体流量調節バルブ３３は、制御部本体２５から送信される信号に基づいて第一の熱媒体分岐管３４を流れる熱媒体の流量を調節することができる。同様に、冷媒体流量調節バルブ３５は、制御部本体２５から送信される信号に基づいて第一の冷媒体分岐管３６を流れる冷媒体の流量を調節することができる。
【００２０】
第二の搬送管２２には、露点測定部３９が設けられている。露点測定部３９は、第二の搬送管２２により搬送される第一の温度調節ガス体Ｇ１の露点温度を、静電容量式や冷却式などの公知の方法により測定することができる。露点測定部３９による測定結果は、制御部本体２５に送信される。
【００２１】
第二の搬送管２２における加湿槽１１に接続されている側とは反対側の端部には、前述の熱交換器１３が接続されている。
熱媒体供給管２８における第一の熱媒体分岐管３４が接続されている端部には、熱媒体流量調節バルブ４２が設けられた第二の熱媒体分岐管４３が接続されている。同様に、冷媒体供給管２９における第一の冷媒体分岐管３６が接続されている端部には、冷媒体流量調節バルブ４４が設けられた第二の冷媒体分岐管４５が接続されている。
流量調節バルブ４２、４４は、それぞれ制御部本体２５に接続されている。熱媒体流量調節バルブ４２は、制御部本体２５から送信される信号に基づいて第二の熱媒体分岐管４３を流れる熱媒体の流量を調節することができる。同様に、冷媒体流量調節バルブ４４は、制御部本体２５から送信される信号に基づいて第二の冷媒体分岐管４５を流れる冷媒体の流量を調節することができる。
【００２２】
図示はしていないが、熱交換器１３内では、第二の熱媒体分岐管４３により搬送される熱媒体および第二の冷媒体分岐管４５により搬送される冷媒体と、第二の搬送管２２により搬送される第一の温度調節ガス体Ｇ１とが熱交換している。一般的に、液体の熱媒体および冷媒体の熱伝達率より、気体の第一の温度調節ガス体Ｇ１の熱伝達率の方が小さい。このため、熱交換器１３には、第一の温度調節ガス体Ｇ１と熱交換する側に熱交換面積を拡大するためのフィンが設けられたものを用いることが好ましい。
第一の温度調節ガス体Ｇ１が熱交換器１３により、絶対湿度が変わることなく温度を調節されたものが第二の温度調節ガス体Ｇ２である。
熱交換器１３は、圧力と温度とを適切に調節した恒温槽４７内に配置されている。恒温槽４７内は、圧力と温度が均一になるように、充分攪拌することが好ましい。
【００２３】
第一の熱媒体分岐管３４を流れる熱媒体は加湿槽１１と熱交換した後で、第二の熱媒体分岐管４３を流れる熱媒体は熱交換器１３で熱交換した後で、再び熱媒体供給管２８にそれぞれ搬送され、加熱装置により一定の温度に加熱される。第一の冷媒体分岐管３６を流れる冷媒体は加湿槽１１と熱交換した後で、第二の冷媒体分岐管４５を流れる冷媒体は熱交換器１３で熱交換した後で、再び冷媒体供給管２９にそれぞれ搬送され、冷却装置により一定の温度に冷却される。
【００２４】
熱交換器１３には第三の搬送管４８が接続されていて、熱交換器１３内で熱交換された第二の温度調節ガス体Ｇ２が第三の搬送管４８により搬送される。
第三の搬送管４８内には、前述のガス体温度センサ１５が設けられている。ガス体温度センサ１５としては、水温度センサ１４と同じ種類のものを用いることができる。
ガス体温度センサ１５は変換装置４９を介して制御部本体２５に接続されていて、ガス体温度センサ１５で測定された第二の温度調節ガス体Ｇ２の温度は制御部本体２５に送信される。
制御部本体２５には、メモリ２５ａ、ＣＰＵ２５ｂ、および入力部２５ｃが備えられている。メモリ２５ａには、圧力、温度、および相対湿度が定められたガス体Ｇ０の露点を求めるテーブルが記憶されている。このテーブルは、二酸化炭素ガス、水蒸気、水素ガス、メタンガスなどを所定の割合で含むガス体の相対湿度を変化させて冷却試験を行うことなどにより、容易に求めることができる。
ＣＰＵ２５ｂは、メモリ２５ａに記憶された上記のテーブルに基づいて、ガス体Ｇ０の露点を算出するとともに、流量調節バルブ３３、３５、４２、４４を制御する。
操作者は、入力部２５ｃから目標温度および目標相対湿度を入力することができる。
なお、温度センサ１４、１５、冷媒温度計３０、変換装置２４、４９、および露点測定部３９により、前述の制御部１６が構成される。
【００２５】
図１に示すように、分離膜６０は、支持膜６１上に機能膜６２を形成し、機能膜６２上に保護膜６３を形成した構成となっている。本実施形態では、分離膜６０は平らなシート状に形成されているが、中空糸状に形成することも可能である。
支持膜６１は、分離膜６０の両面で生じる圧力差を支えるためのもので、保護膜６３は、機能膜６２に及ぼす物理的または化学的な損傷から機能膜６２を保護するためのものである。
機能膜６２は、アミン化合物を有する高分子膜で、化学反応で二酸化炭素ガスを選択的に透過させる機能がある。
この機能膜６２としては、
式（１）
Ｍ（ＯＲ１）ｎ （１）
（式中、Ｍは三価以上の金属原子を示し、ｎは３〜６の整数を示し、Ｒ１は、炭素数１〜６のアルキル基、炭素数２〜６のアルケニル基、炭素数３〜１０のシクロアルキル基、炭素数３〜１０のシクロアルケニル基、炭素数６〜１０のアリール基、炭素数７〜１２のアラルキル基、炭素数２〜７のアシル基、式−ＮＨＲ２で示される基（式中、Ｒ２は、炭素数１〜６のアルキル基を示す。）、式−ＮＲ３Ｒ４で示される基（式中、Ｒ３およびＲ４は、独立に、同一又は異なって、炭素数１〜６のアルキル基を示す。）、式−Ｃ（Ｏ）−ＮＨＲ５で示される基（式中、Ｒ５は、同一又は異なって、炭素数１〜６のアルキル基を示す。）、式−Ｃ（Ｏ）−ＮＲ６Ｒ７で示される基（式中、Ｒ６およびＲ７は、独立に、同一または異なって、炭素数１〜６のアルキル基を示す。）、又は、１〜３個の酸素原子、窒素原子若しくは硫黄原子を含む５〜１０員複素環基を示し、これらは互いに結合して環構造を形成していてもよく、これらの基又は環は置換基を有していてもよい。）で示される架橋剤で架橋されてなる、架橋部分と結晶部分とを有するポリビニルアルコール内に、式（２）
【化１】
（式中、Ａ１は炭素数１〜３の二価有機残基を示し、ｐは０又は１の整数を示す。）で示される基、式（３）
【化２】
（式中、Ａ２は炭素数１〜３の二価有機残基を示し、ｑは０又は１の整数を示す。）で示される基、式（４）
【化３】
（式中、Ａ３およびＡ４は炭素数１〜３の二価有機残基を示し、ｒ及びｓは０又は１の整数を示す。）
で示される基、または式（５）
【化４】
（式中、Ａ５及びＡ６は炭素数１〜３の二価有機残基を示し、ｔは０又は１の整数を示す。）で示される基を有するアミン化合物が固定化されてなる高分子膜、を好適に用いることができる。
しかし、機能膜としてはこれに限ることなく、アミン化合物を有する高分子膜であれば、将来開発されるものも含めて用いることができる。
【００２６】
ガス供給装置７０は、箱状や筒状に形成されている。ガス供給装置７０の内面に分離膜６０の側面全周を気密に接続することで、ガス供給装置７０の内部空間を、分離膜６０の厚さ方向の両側に形成された第一の空間Ｓ１および第二の空間Ｓ２に分けることができる。この例では、分離膜６０の保護膜６３の表面（一方の面）６３ａが第一の空間Ｓ１に面していて、支持膜６１の表面（他方の面）６１ａが第二の空間Ｓ２に面している。
ガス供給装置７０における第一の空間Ｓ１側の分離膜６０に沿った一方側Ｄ１には、第三の搬送管４８が接続されている。ガス供給装置７０における第一の空間Ｓ１側の他方側Ｄ２には、搬送配管７６の一端が接続され、搬送配管７６の他端は脱湿装置７７に接続されている。ガス供給装置７０における第二の空間Ｓ２側の他方側Ｄ２には、搬送配管７８の一端が接続され、搬送配管７８の他端は脱湿装置７９に接続されている。
脱湿装置７７、７９では、膜分離法や冷却凝縮法などによりガス中の水蒸気が分離、回収される。なお、脱湿装置７７、７９は、分離されたガスの用途によっては必要でないこともある。
【００２７】
ここで、ガス供給装置７０内に取り付けられた分離膜６０の表面６３ａに、分離膜６０に沿って、水素ガスと二酸化炭素ガスから成る所定の圧力のガス体Ｇ０を供給し、分離膜６０の第一の空間Ｓ１側の気圧を第二の空間Ｓ２側の気圧より高くして測定した結果について説明する。
図３に、ガス体Ｇ０の温度に対する透過速度および選択性の関係を示す。
なお、ここで言う選択性とは、透過ガスにおける水素ガスに対する二酸化炭素ガスの選択性であり、値が大きい方が、分離膜６０を透過する水素ガスの物質量に比べて分離膜６０を透過する二酸化炭素ガスの物質量が増加していることを意味する。
図３において、実線は二酸化炭素ガスの透過速度、点線は水素ガスの透過速度、一点鎖線は選択性をそれぞれ示している。
ガス体Ｇ０の温度が５０℃以上のときに選択性の値が大きくなっていることが分かる。なお、機能膜６２は高分子膜であるため、温度が８０℃を超えると分子構造が壊れやすくなり、さらに１００℃を超えると急激に分子構造の分解が進むので好ましくない。
【００２８】
図４に、ガス体Ｇ０の相対湿度に対する選択性の関係を示す。
相対湿度が８０％のときに選択性が最も大きくなることが分かる。なお、相対湿度が１００％になると、分離膜６０に水滴が付着して分離膜６０が使用できなくなるため好ましくない。
アミン化合物において、相対湿度が５０％以上１００％未満という比較的高いときに選択性が大きくなるのは、水分子が膜中に多く存在する方が、アミン化合物と二酸化炭素ガスが反応してカーボネートやカルバネートなどを生じやすくなるためと考えられる。
このように、ガス体Ｇ０の相対湿度は５０％以上１００％未満が好ましく、さらに、図４から明らかなように、６０％以上１００％未満がより好ましい。
【００２９】
次に、以上のように構成された分離システム１の動作について説明する。以下では、アミン化合物が二酸化炭素ガスと効果的に化学反応して選択性が大きくなるように、目標温度を６０℃とし、目標相対湿度を８０％とした場合で説明する。
操作者が入力部２５ｃにガス体Ｇ０を調節したい目標温度および目標相対湿度を入力すると、ＣＰＵ２５ｂは、これらの値およびガス体Ｇ０の圧力から、メモリ２５ａに記憶されたテーブルを用いてガス体Ｇ０の露点（第二の露点）Ｔを求める。露点Ｔは、たとえば、５５℃程度の値となる。
そして、水温度調節部１２の流量調節バルブ３３、３５により熱媒体、冷媒体の流量をそれぞれ調節することで、水温度センサ１４で測定された水Ｗの温度が露点Ｔである５５℃となるように制御する。
加湿槽１１内の水Ｗは、攪拌部２３により攪拌されることで、水Ｗの温度がほぼ均一に保たれている。
【００３０】
図１に示すように、石炭ガス化プラントなどから供給されたガス体Ｇ０は、まず、前処理装置６で硫化ガスなどの不要成分を除去され、第一の搬送管２１により温度湿度調節装置１０に供給される。
第一の搬送管２１から水Ｗ内に送り出されたガス体Ｇ０は、圧力を一定に保たれた状態で水Ｗ内を通すことでほぼ飽和するとともに約５５℃に加熱されて第一の温度調節ガス体Ｇ１となる。
第一の温度調節ガス体Ｇ１は、第二の搬送管２２で搬送される際に露点測定部３９により、第一の温度調節ガス体Ｇ１の露点である第一の露点が測定される。ＣＰＵ２５ｂは、第一の露点が露点Ｔより所定の値以上小さい場合には、露点Ｔを所定の温度差分大きくして水温度調節部１２により水Ｗの温度を制御する。たとえば、第一の露点が露点Ｔより０．５℃以上低いときには、水温度調節部１２の露点Ｔを０．５℃高め、水温度センサ１４で測定される水Ｗの温度が５５．５℃となるように制御する。
このように制御することで、第一の温度調節ガス体Ｇ１が水Ｗによりさらに加熱されるようになり、露点測定部３９により測定される第一の露点が上昇する。
以上のように、本実施形態の温度湿度調節装置１０では、第一の温度調節ガス体Ｇ１が飽和するように水温度センサ１４および露点測定部３９でカスケード制御している。
【００３１】
第二の搬送管２２内で飽和した第一の温度調節ガス体Ｇ１は、熱交換器１３に搬送される。
ＣＰＵ２５ｂは、流量調節バルブ４２、４４により熱媒体、冷媒体の流量をそれぞれ調節することで、ガス体温度センサ１５で測定される温度が目標温度である６０℃となるように熱交換器１３を制御する。
これにより、熱交換器１３で加熱された後の第二の温度調節ガス体Ｇ２は、圧力を一定に保たれた状態で温度が目標温度である６０℃に調節されるとともに、相対湿度も目標相対湿度である８０％に正確に調節される。
温度および相対湿度を正確に調節された第二の温度調節ガス体Ｇ２は、第三の搬送管４８によりガス供給装置７０に搬送され、第一の空間Ｓ１の一方側Ｄ１から他方側Ｄ２に向けて流れる。第一の空間Ｓ１の気圧は第二の空間Ｓ２の気圧より高められ、さらに、第二の温度調節ガス体Ｇ２の温度と相対湿度がアミン化合物による選択性の値が大きくなるように調節されている。したがって、第二の温度調節ガス体Ｇ２中の二酸化炭素ガスが主に分離膜６０を透過して、第一の空間Ｓ１から第二の空間Ｓ２に移るように流れる。このとき、二酸化炭素ガスとともに一定量の水蒸気も第一の空間Ｓ１から第二の空間Ｓ２に透過する。
【００３２】
第二の空間Ｓ２に透過した二酸化炭素ガスおよび水蒸気は、搬送配管７８を通して脱湿装置７９に搬送され、二酸化炭素ガスと水蒸気とに分離される。分離された二酸化炭素ガスは、大気に放散されるか、地球温暖化対策として圧力を高めて地中に戻すなどの処置がされる。
分離膜６０を透過せずに第一の空間Ｓ１に残った第二の温度調節ガス体Ｇ２は、搬送配管７６を通して脱湿装置７７に搬送され、水素ガスおよびメタンガスなどと、水蒸気とに分離される。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態の温度湿度調節装置１０および分離システム１によれば、目標温度および目標相対湿度におけるガス体Ｇ０の露点Ｔに調節された水Ｗをガス体Ｇ０が通ることで、第一の温度調節ガス体Ｇ１の温度はこの露点Ｔとほぼ等しくなるとともに、第一の温度調節ガス体Ｇ１はほぼ水分飽和する。この後で、第一の温度調節ガス体Ｇ０を熱交換器１３により目標温度となるように加熱することで、第二の温度調節ガス体Ｇ２の相対湿度が目標相対湿度に調節される。
加湿槽１１において第一の温度調節ガス体Ｇ１をほぼ水分飽和させてから、第一の温度調節ガス体Ｇ１の絶対湿度を維持しつつ第一の温度調節ガス体Ｇ１の温度を高めることで、第二の温度調節ガス体Ｇ２を目標温度および目標相対湿度に精度良く調節することができる。
【００３４】
第一の温度調節ガス体Ｇ１を飽和させる、つまり、第一の温度調節ガス体Ｇ１の相対湿度を一度１００％にしてから低下させる相対湿度の調節方法は、目標相対湿度が高い場合には相対湿度を低下させる幅が小さいので効果的である。また、アミン化合物は、たとえば、相対湿度が５０％以上１００％未満と、比較的高いときに選択性の値が大きくなる。したがって、本発明の温度湿度調節装置１０を用いることで、アミン化合物を有する分離膜６０に目標相対湿度に精度良く調節した第二の温度調節ガス体Ｇ２を効果的に供給することができる。
【００３５】
制御部１６は、露点測定部３９を有するとともに、第一の温度調節ガス体Ｇ１が飽和するように水温度センサ１４および露点測定部３９でカスケード制御している。このため、熱交換器１３に入ってくる第一の温度調節ガス体Ｇ１を確実に水分飽和とすることで、熱交換器１３において、第二の温度調節ガス体Ｇ２を目標相対湿度に調節する精度をさらに高めることができる。
また、攪拌部２３を備えるため、水Ｗの温度をより均一にして、第二の温度調節ガス体Ｇ２を目標温度および目標相対湿度に精度良く調節することができる。
【００３６】
分離システム１は、温度湿度調節装置１０、分離膜６０、ガス供給装置７０を備え、目標温度が５０℃以上１００℃以下、目標相対湿度が５０％以上１００％未満に設定されている。したがって、分離膜６０のアミン化合物が効果的に機能するようになるため、第二の温度調節ガス体Ｇ２から二酸化炭素ガスを効率良く分離することができる。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更なども含まれる。
たとえば、前記実施形態では、露点測定部３９は必須の構成ではない。水温度調節部１２だけで水Ｗの温度を充分精度良く制御できる場合があるからである。
また、水Ｗ内におけるガス体Ｇ０の流れだけで水Ｗを充分に攪拌できる場合には、攪拌部２３は備えられなくてもよい。
【００３８】
本実施形態では、温度湿度調節装置１０の周囲の空気の温度が目標温度より充分低い場合には、冷媒体供給管２９、冷媒体分岐管３６、４５、および冷媒体流量調節バルブ３５、４４は備えず、熱媒体供給管２８で搬送される熱媒体だけで水Ｗおよび熱交換器１３の温度調節を行ってもよい。また、この場合には、水温度調節部およびガス体温度調節部はヒータであってもよい。
前記実施形態では、分離膜６０を筒状に形成してもよい。この場合、分離膜６０の内周面側から第二の温度調節ガス体Ｇ２を供給して分離膜６０の外周面側に二酸化炭素ガスを透過させてもよいし、分離膜６０の外周面側から第二の温度調節ガス体Ｇ２を供給して分離膜６０の内周面側に二酸化炭素ガスを透過させてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１ 分離システム（二酸化炭素ガス分離システム）
１０ 温度湿度調節装置
１１ 加湿槽（収容部）
１２ 水温度調節部
１４ 水温度センサ
１５ ガス体温度センサ
１６ 制御部
２３ 攪拌部
３９ 露点測定部
６０ 分離膜
６１ａ 表面（一方の面）
６３ａ 表面（他方の面）
７０ ガス供給装置
Ｇ０ ガス体
Ｇ１ 第一の温度調節ガス体
Ｇ２ 第二の温度調節ガス体
Ｗ 水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を含むガス体を目標温度に調節するとともに前記ガス体を目標相対湿度に調節する温度湿度調節装置であって、
内部に水を収容し、前記ガス体を前記水に通して第一の温度調節ガス体とする収容部と、
前記水の温度を調節する水温度調節部と、
前記第一の温度調節ガス体を加熱して第二の温度調節ガス体とするガス体温度調節部と、
前記水の温度を測定する水温度センサおよび前記第二の温度調節ガス体の温度を測定するガス体温度センサを有する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記水温度センサで測定された温度が、前記目標温度および前記目標相対湿度における前記ガス体の露点となるように前記水温度調節部を制御するとともに、
前記ガス体温度センサで測定された温度が前記目標温度となるように前記ガス体温度調節部を制御することを特徴とする温度湿度調節装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記第一の温度調節ガス体の露点である第一の露点を測定する露点測定部を有し、
前記第一の露点が、前記目標温度および前記目標相対湿度における前記ガス体の露点である第二の露点より所定の値以上小さい場合には、前記第二の露点を所定の温度差分大きくすることを特徴とする請求項１に記載の温度湿度調節装置。
【請求項３】
前記収容部内の前記水を攪拌する攪拌部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の温度湿度調節装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の温度湿度調節装置と、
アミン化合物を有する分離膜と、
二酸化炭素ガスを含む前記第二の温度調節ガス体を、前記分離膜の前記一方の面側の気圧を前記分離膜の他方の面側の気圧より高くした状態で、前記分離膜に沿って前記一方の面に供給するガス供給装置と、
を備え、
前記目標温度が５０℃以上１００℃以下、前記目標相対湿度が５０％以上１００％未満に設定されていることを特徴とする二酸化炭素ガス分離システム。
【請求項１】
水蒸気を含むガス体を目標温度に調節するとともに前記ガス体を目標相対湿度に調節する温度湿度調節装置であって、
内部に水を収容し、前記ガス体を前記水に通して第一の温度調節ガス体とする収容部と、
前記水の温度を調節する水温度調節部と、
前記第一の温度調節ガス体を加熱して第二の温度調節ガス体とするガス体温度調節部と、
前記水の温度を測定する水温度センサおよび前記第二の温度調節ガス体の温度を測定するガス体温度センサを有する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記水温度センサで測定された温度が、前記目標温度および前記目標相対湿度における前記ガス体の露点となるように前記水温度調節部を制御するとともに、
前記ガス体温度センサで測定された温度が前記目標温度となるように前記ガス体温度調節部を制御することを特徴とする温度湿度調節装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記第一の温度調節ガス体の露点である第一の露点を測定する露点測定部を有し、
前記第一の露点が、前記目標温度および前記目標相対湿度における前記ガス体の露点である第二の露点より所定の値以上小さい場合には、前記第二の露点を所定の温度差分大きくすることを特徴とする請求項１に記載の温度湿度調節装置。
【請求項３】
前記収容部内の前記水を攪拌する攪拌部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の温度湿度調節装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の温度湿度調節装置と、
アミン化合物を有する分離膜と、
二酸化炭素ガスを含む前記第二の温度調節ガス体を、前記分離膜の前記一方の面側の気圧を前記分離膜の他方の面側の気圧より高くした状態で、前記分離膜に沿って前記一方の面に供給するガス供給装置と、
を備え、
前記目標温度が５０℃以上１００℃以下、前記目標相対湿度が５０％以上１００％未満に設定されていることを特徴とする二酸化炭素ガス分離システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２０７８０２（Ｐ２０１２−２０７８０２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７１３７０（Ｐ２０１１−７１３７０）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
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