(57)【要約】    【課題】炭素膜の欠陥の形成を抑制し、長期間安定して運転することができるガス分離システムを提供すること。    【解決手段】フィルターを有する前処理部および炭素膜を有するガス分離部を有するガス分離システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィルターを有する前処理部および炭素膜を有するガス分離部を有するガス分離システム。
【請求項２】
前記フィルターのＪＩＳ  Ｂ９９０８：２０１１の試験方法形式２に規定の０．４μｍ初期粒子捕集率が７０％以上である請求項１記載のガス分離システム。
【請求項３】
前記フィルターが高分子繊維から構成される請求項１または２記載のガス分離システム。
【請求項４】
前記高分子繊維が結晶性を有する高分子（以下、結晶性高分子、という）から構成される請求項３に記載のガス分離システム。
【請求項５】
前記結晶性高分子のガラス転移点温度が２００℃未満である請求項４記載のガス分離システム。
【請求項６】
前記結晶性高分子の融点が１５０℃以上である請求項４または請求項５に記載のガス分離システム。
【請求項７】
前記フィルターが無機多孔質体から構成される請求項１または２記載のガス分離システム。
【請求項８】
前記前処理部が複数のフィルターを有し、最も上流側のフィルターの０．４μｍ初期粒子捕集率よりも、最も下流側のフィルターの０．４μｍ初期粒子捕集率が高い請求項１〜７のいずれかに記載のガス分離システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のガス分離システムを用いて、前処理部において原料ガスから粒子を除去した後、ガス分離部において特定のガスを分離するガス分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス分離システムおよびガス分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種混合気体や混合液体から特定の成分を選択的に分離・精製する分離法として、膜分離法が知られている。膜分離法は、圧力差や濃度差を利用するため、他の分離法と比較して、熱エネルギーの使用量が少なく省エネルギーであることから注目されている。
【０００３】
発電所や製鉄所などから出る大量の二酸化炭素を分離・回収して貯留する二酸化炭素分離・貯蔵システム（ＣＣＳ）における有力な手段として、膜分離法が、近年特に注目されている。特に、炭素膜は、有機溶媒に対する耐久性やガス分離性能に優れることから注目されている。しかしながら、炭素膜は、一般に炭素化が進行すると脆く、取扱性に課題があった。そこで、柔軟性に優れた炭素膜として、例えば、ポリフェニレンオキサイドを用いた中空糸炭素膜前駆体を炭素化して得られる、破断伸度が１〜４％である、中空糸炭素膜が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、高圧条件下の分離・精製における破損を抑制した、耐圧性に優れた炭素膜として、例えば、共連続多孔構造を有するコア層と、前記コア層の周囲に形成された実質的に共連続多孔構造を有しないスキン層とを有する流体分離用炭素膜が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−７１０７３号公報
【特許文献２】国際公開第２０１６／１３６７６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの技術により、炭素膜の柔軟性や耐圧性は向上するものの、天然ガスから二酸化炭素やメタンなどを分離するガス分離システムに適用すると、天然ガス中に含まれる粒子により炭素膜表面に欠陥が形成されやすい課題があることがわかった。炭素膜表面の欠陥は、長期間の運転においてガスリークを引き起こすことから、かかる欠陥を抑制することが求められる。
【０００６】
そこで、本発明は、炭素膜の欠陥の形成を抑制し、長期間安定して運転することができる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】
【０００７】
上記課題を解決する本発明は、フィルターを有する前処理部および炭素膜を有するガス分離部を有するガス分離システムである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のガス分離システムは、炭素膜の欠陥の形成を抑制し、長期間安定して運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のガス分離システムを模式的に示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜ガス分離システム＞
本発明のガス分離システムは、フィルターを有する前処理部と、炭素膜を有するガス分離部とを有し、分離対象となるガスの上流側から、前処理部とガス分離部をこの順に有する。フィルターを有する前処理部は、ガス分離システムに供給されるガス流中に存在する粒子状物質を除去する作用を有し、ガス分離部は、前記前処理部から供給される粒子状物質を除去されたガス流から必要なガスを分離する作用を有する。前処理部によって粒子状物質を除去することにより、ガス分離部において粒子状物質が炭素膜に衝突することによる炭素膜表面の欠陥が抑制され、炭素膜からのガスリークを抑制して長期間安定してガス分離システムを運転することができる。さらに、前処理部とガス分離部を接続する配管、継ぎ手、バルブなどを有してもよい。また、圧力、温度、ガス組成などをモニターするための計測器を有してもよい。なお、本発明においては、ガス分離システムの全体を流れるガスをガス流、前処理部に供給されるガス流を原料ガス、前処理部を通過した後のガス流を処理後ガス、ガス分離部を通過し、炭素膜を透過したガス流を透過ガス、炭素膜を透過せず排出されるガス流を精製ガスと称する。
【００１１】
図１に、本発明のガス分離システムの模式的概略図を示す。図１（ａ）は、前処理部とガス分離部を１つずつ有する構成であり、原料ガス１は、前処理部２で処理後ガス３となり、その後ガス分離部４において透過ガス５と精製ガス６として取り出される。図１（ｂ）は、前処理部を直列に２つ有する構成であり、原料ガス１は、直列に接続された２つの前処理部２により処理後ガス３となり、ガス分離部４において透過ガス５と精製ガス６として取り出される。図１（ｃ）は、前処理部を並列に２つ有する構成であり、原料ガス１は、並列に接続された２つの前処理部２により同時に、またはいずれかにより処理後ガス３として取り出され、ガス分離部４において透過ガス５と精製ガス６として取り出される。
【００１２】
ガス分離システムは、主にプラントへ組み込まれて使用される。この場合、ガス分離システムには、必要に応じて他の機器や設備を設置してもよい。例えば、前処理部の上流側に、原料ガスの流量を計測する計量部（メータリング）や圧力計、組成分析用の計測器など、どれだけの量、どのようなガスを処理するかという観点で、適宜必要な設備を設置、導入することができる。一方、例えば、前処理部やガス分離部の下流側に、温度計、流量計、組成分析計などの計測器、タンク、乾燥器、加熱器、冷却器、熱交換器、加湿器、吸収塔など、得られた処理後ガスを次工程へ送るために何が必要であるかという観点で、適宜必要な設備を設置、導入することができる。前処理部とガス分離部との間に計測器を設けることにより、どのような組成の処理後ガスを処理するかモニターが可能になり、ガス分離システムの運転状態を把握することにより、安全に効率よくプラントを運転することができる。
【００１３】
本発明のガス分離システムは、天然ガスから二酸化炭素とメタンを分離するガス分離システムとして好適に用いることができる。
【００１４】
＜前処理部＞
前処理部は、フィルターを有する。さらに、フィルターを保持して原料ガスの流路を形成するフィルターハウジングを有することが好ましい。
【００１５】
前処理部は、複数のフィルターを有することが好ましい。複数のフィルターの配置は特に限定されず、直列に配置しても並列に配置してもよく、直列と並列を組み合わせて配置してもよい。複数のフィルターを直列に配置すると、上流側のフィルターにより粒子が捕集されない場合であっても、フィルターにより粒子の速度が低下することから、下流側のフィルターにより粒子を捕集しやすくなる。また、上流側のフィルターで粗大な粒子を先に捕集し、下流側のフィルターの目詰まりを抑制することができる。このため、全体の粒子捕集率を向上させることができる。一方、複数のフィルターを並列に配置すると、原料ガス流の体積流量に対する断面積が増大することから、一時的に原料ガス流の流速を低下させることができ、フィルターにより粒子を捕集しやすくすることができる。直列と並列を組み合わせる場合、上流側において並列、下流側において直列に配置してもよいし、上流側において直列、下流側において並列に配置してもよい。また、上流と下流の間に中流を設け、上流側と下流側において直列、中流側において並列に配置するなど、複数のフィルターを任意に配置、設計することができる。フィルター交換時に原料ガスを一旦停止させる観点から、前処理部におけるフィルター配置は、一部に並列部を設けて、フィルター交換時においても、フィルター交換のために一旦停止したライン以外のラインを活用して、ガス分離システムの運転を継続する仕組みを有することが好ましい。
【００１６】
前処理部には、さらに、粗精製用のフィルターを設けることも好ましい。非常に大きな粒子が前処理部のフィルターへ捕集されると、圧力損失の拡大が早期に発生する場合がある。粗精製用のフィルターにより、このような大きな粒子を先に捕集することにより、より条期間安定して運転することができる。
【００１７】
前処理部のフィルターの詳細については後述する。
【００１８】
フィルターハウジングの材質は、ガス分離システムの運転条件である圧力や温度、ガス組成に応じて適宜選択することが好ましい。また、特に１ＭＰａ以上の高圧でガス分離システムを運転する場合、耐圧性の観点から、フィルターハウジングは、少なくとも一部に円、楕円および／または円弧形状の部分を有することが好ましく、フィルターハウジングの内部は、パイプ状の構造を基本とした形状を有することが好ましい。フィルターハウジングの厚みは、ガス分離システムの運転条件によって安全上問題のない必要厚みが確保されていることが好ましく、強度計算されたものを使用することが好ましい。
【００１９】
＜フィルター＞
フィルターの形状としては、例えば、ガス流の上流側からみた時の形状が矩形、円形、多角形であるものなどが挙げられる。フィルターの製造しやすさの観点から、形状は矩形や多角形が好ましい。一方、原料ガスの偏流を抑制して均一に流れやすくする観点から、形状は円形が好ましい。フィルターの形状は、ガス分離システム全体の効率や運用コストに応じて、適宜選択することが好ましい。
【００２０】
フィルターの材質は、空隙や孔を有することが好ましく、空隙や孔により粒子を捕集することができる。例えば、繊維集合体や、粒子を連結した多孔質体などが挙げられる。繊維集合体とは、２以上の繊維が集合しているものを指し、繊維への粒子の衝突や、各繊維間の空隙における粒子の捕捉などにより、粒子を捕集することができる。粒子を連結した多孔質体は、粒子が連結された部分と、各粒子間の空隙を有し、各粒子間の空隙が多孔質を形成する。フィルターの材質は、ガス分離システムにより処理する原料ガスの種類や、原料ガスに含まれる粒子の形状・粒径などの条件により、適宜選択することが好ましい。
【００２１】
フィルターが繊維集合体により形成される場合、繊維集合体を構成する繊維は長繊維でも短繊維でもよく、その直径、断面形状なども特に限定されない。繊維としては、例えば、高分子繊維や無機繊維などが挙げられる。これらの中でも、成形性や柔軟性に優れる、高分子繊維が好ましい。さらに、高分子繊維は無機繊維に比べて柔軟であることから、フィルターから脱落した場合であっても、ガス分離部の破損などの欠陥をより抑制することができる。つまり本発明のガス分離システム中の前処理部のフィルターは、高分子繊維から構成されることが好ましい。一方、ガラス繊維や炭素繊維などの無機繊維は、フィルターの耐熱性や耐薬品性を向上させることができる点で好ましい。また、繊維集合体の形態としては、例えば、織物、編物、不織布などが挙げられる。繊維集合体の形成しやすさの観点から、不織布が好ましい。これら繊維集合体を構成する方法は特に限定されず、従来公知の方法を用いることができる。
【００２２】
高分子繊維のうち、汎用高分子繊維は運転費用を安価にすることができ、エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチック類を原料とする耐熱高分子繊維は、フィルターの耐熱性、耐薬品性を向上させることができる。ガス分離システムにより処理するガスの温度が１００℃未満であれば、汎用高分子繊維が好ましく、ガスの温度が１００℃以上であれば、耐熱高分子繊維が好ましい。一方、天然ガスを処理する場合には、地中から噴出する天然ガス中に含まれる不純物に対して耐性を持つ材質が好ましく、結晶性または半結晶性の高分子繊維が好ましい。
【００２３】
前記高分子繊維は、結晶性を持つものであると、不純物に対して結晶部分が溶解、膨潤を防止する機能を負担して、繊維の形態を保持することができることから、フィルターを構成する高分子繊維が結晶性を有する高分子（以下、結晶性高分子、という）から構成されることが好ましい。ここで「結晶性を有する」とは、１０℃／分の昇温速度で高分子を示差走査熱量測定した際に、融解時に吸熱ピークを有することをいう。
【００２４】
高分子繊維を構成する結晶性高分子は、前記特性を有するものであれば特に限定されない。また前記結晶性高分子は、ガラス転移点温度が２００℃未満であることが好ましい。ガラス転移点温度が２００℃未満であれば、結晶性高分子を構成する非晶部分の運動性が高く、原料ガス中に含まれる不純物の一種である粒子が繊維に衝突した際に、熱損失として粒子の運動エネルギーを効率よく分散させることが可能になる。この観点から、結晶性高分子のガラス転移点温度は、１５０℃未満であることが好ましく、１２０℃未満であることが更に好ましい。ガラス転移点温度の下限は特に限定されないが、運転温度での繊維形態保持を目的とした場合は高い方が好ましいため、５０℃以上であることが好ましい。なお、ガラス転移点温度は、先に記載の示差走査熱量測定時に観測される２次相転移に対応するベースラインの変化から解析される温度である。
【００２５】
また前記高分子繊維を構成する結晶性高分子の融点は、１５０℃以上であることが結晶部分の機能である耐熱性、耐薬品性を高いレベルで達成することが可能になるため好ましい。融点は高いほど耐熱性、耐薬品性を高いレベルに引き上げることが可能になるため好ましいが、一方で溶融紡糸などの成型加工時の温度を低温化してコストを安価に抑える観点からは、低い方が好ましい。これらの観点から融点は、１５０℃以上かつ３５０℃未満であることが好ましく、１８０℃以上かつ３００℃未満であることがより好ましい。なお結晶性高分子の融点は、前記示差走査熱量測定を行った際に観測される吸熱ピークのピークトップを示す温度をいう。
【００２６】
フィルターが多孔質体から形成される場合、多孔質体としては、高分子多孔質体や無機多孔質体などが挙げられる。高分子多孔質体を構成する高分子としては、例えば、汎用高分子や、エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチックなどの耐熱高分子の粒子が挙げられる。繊維集合体の場合と同様に、ガス分離システムが処理するガスの温度によって適宜材質を選択することが好ましい。一方、無機多孔質体を構成する無機材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ、カーボンなどの粒子が挙げられる。これらを２種以上用いてもよい。
【００２７】
これらのうち、無機多孔質体は耐熱性や耐薬品性に優れることから、フィルターの形状変化が少なく、長期間安定して粒子を除去することができる。このため、炭素膜の欠陥をより抑制し、より長期間安定してガス分離システムを運転することができる。特に、原料ガスが水分を含む場合、フィルターの劣化を抑制する観点から、アルミナ、ジルコニアがより好ましい。
【００２８】
多孔質体を構成する粒子の大きさ、形状等について特に限定されない。多孔質体を構成する粒子の平均直径は、大きいほど孔を大きくして圧力損失を低減することができることから、０．０５μｍ以上が好ましく、０．１μｍ以上がより好ましい。一方、多孔質体を構成する粒子の平均直径は、小さいほど孔を小さくして粒子をより捕集しやすくすることができることから、１，０００μｍ以下が好ましく、３００μｍ以下がより好ましい。粒子の平均直径は、粒子の破断面を形成し、電子顕微鏡を用いてその破断面を拡大観察し、無作為に選択した２０個の粒子の断面積を計測して相当する円の直径として測定し、その相加平均値を算出することにより測定することができる。
【００２９】
また、多孔質体の孔径は、大きいほど圧力損失を低減することができることから、０．１μｍ以上が好ましい。一方、多孔質体の孔径は、小さいほど粒子をより捕集しやすくすることができることから、１，０００μｍ以下が好ましく、３００μｍ以下がより好ましい。多孔質体の孔径は、０．２μｍ以下の場合には窒素吸着法により、０．２μｍ以上の場合にはＪＩＳ  Ｒ１６５５：２００３に規定の水銀圧入法により、測定することができる。窒素吸着法は、Barrett-Joyner-Halendaの標準モデルに従って円筒状と仮定した細孔の直径に対する細孔容積の分布を解析するＢＪＨ法を用いる（詳細はＪ．Ａｍｅｒ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，７３，３７３，１９５１等を参照）。
【００３０】
フィルターが多孔質体から形成される場合、特性を損なわない範囲で、さらにバインダーなどの添加物を含有してもよい。
【００３１】
フィルターのＪＩＳ  Ｂ９９０８：２０１１の試験方法形式２に規定の０．４μｍ初期粒子捕集率は、７０％以上が好ましい。本発明者らの検討により、直径０．４μｍ以上の大きな粒子は質量も大きいことから、炭素膜表面に衝突した場合の衝撃力が相対的に大きくなり、炭素膜の欠陥の発生を引き起こしやすい傾向にあることが分かった。そこで、本発明においては、０．４μｍ初期粒子捕集率に着目した。０．４μｍ初期粒子捕集率が高いほど捕集される粒子が多くなり、炭素膜への粒子衝突頻度を低減することができることから、炭素膜の欠陥の形成をより抑制し、ガス分離システムをより長期間安定して運転することができる。フィルターの０．４μｍ初期粒子捕集率は８０％以上がより好ましい。一方、０．４μｍ初期粒子捕集率が低いほどフィルターの圧力損失が低減し、ガス分離システムの運転効率を向上させることができる。フィルターの０．４μｍ初期粒子捕集率は９５％以下がより好ましく、９０％以下がさらに好ましい。なお、フィルターを複数有する場合には、少なくとも１つのフィルターの０．４μｍ初期粒子捕集率が上記範囲にあることが好ましい。
【００３２】
フィルターの０．４μｍ初期粒子捕集率は、例えば、繊維集合体の場合、繊維直径を細くすること、目付を大きくすること、繊維への表面処理などにより粒子を付着しやすくすることなどにより、高めることができる。繊維直径は、細いほどフィルターとしての圧力損失を低減し、０．４μｍ初期粒子捕集率を向上させることができる。繊維直径は、３００μｍ以下が好ましく、１００μｍ以下がより好ましい。一方、繊維直径は、太いほど強力が高くなり、運転中の繊維の破断を抑制することができる。繊維直径は、０．１μｍ以上が好ましい。また、フィルターの目付は、高いほど０．４μｍ初期粒子捕集率を高めることができる。フィルターの目付は、５０ｇ／ｍ２以上が好ましく、７０ｇ／ｍ２以上がより好ましい。一方、フィルターの目付は、低いほどフィルター前後における圧力損失を低減し、ガス分離システム全体の効率を高めることができる。フィルターの目付は、１，０００ｇ／ｍ２以下が好ましく、７００ｇ／ｍ２以下がより好ましい。
【００３３】
前処理部がフィルターを複数有する場合、最も上流側に位置するフィルターの０．４μｍ初期粒子捕集率よりも、最も下流側に位置するフィルターの０．４μｍ初期粒子捕集率が高いことが好ましい。粒径が大きい粒子は目の粗いフィルターに、粒径が小さいものは目の細かいフィルターに捕捉されるようにフィルターの構成を設定することにより、フィルターの閉塞に起因する圧力損失の拡大を抑制し、ガス分離システムをより長期間安定して運転することができる。これらの観点から、フィルターを複数有する場合のフィルターの０．４μ初期粒子捕集率は、上流側が７０〜８０％、下流側が８０％以上であることが好ましい。
【００３４】
また、前述の粗精製用のフィルターを有する場合、粗精製用フィルターの１００μｍ初期粒子捕集率は５０％以上が好ましく、７０％以上がより好ましい。
【００３５】
また、フィルターは、フィルターを通過した後のガス１ｍ３に残存する５μｍ以上の粒子数が３０万個以下となるものが好ましい。５μｍ以上の粒子は、ガス流に乗って炭素膜に衝突した際に、質量が大きく、衝撃力が高くなるため、５μｍ以上の粒子は前処理部において取り除かれていることが好ましい。このことから、フィルター通過後の５μｍ以上の粒子数は３万個以下が好ましく、１万個以下がより好ましく、３，０００個以下がさらに好ましい。なお、５μｍ以上の粒子数は、従来公知のパーティクルカウンター等を用いて計測することができる。５μｍ以上の粒子数を低減する手段としては、例えば、前述の好ましいフィルターを用いる方法、複数のフィルターを設ける方法などが挙げられる。
【００３６】
＜ガス分離部＞
本発明のガス分離システムは、分離膜である炭素膜を有するガス分離部を有する。ガス分離部は、さらに、ガス流路を制限するポッティング剤で固定された端部を有するエレメント、エレメントを収納する容器であるベッセルを有することが好ましい。
【００３７】
＜炭素膜＞
本発明における炭素膜とは、その構成元素の５０％以上が炭素からなる膜を指し、例えば、原料繊維を加熱して炭化した膜などが挙げられる。炭素膜は、支持体表面に形成されていてもよい。炭素量が多くなるほど膜性能や耐薬品性、耐熱性に優れる一方、炭素量が少なくなるほど柔軟で破壊に対する耐性が向上する。これらの特性をバランスさせる観点から、炭素量は５０〜９９％が好ましく、７０〜９０％がより好ましい。
【００３８】
炭素膜には、炭素以外の元素を含有してもよい。炭素以外の構成元素としては、例えば、水素、酸素、窒素、ホウ素、硫黄、珪素、アルカリ金属、アルカリ土類金属などが挙げられる。二酸化炭素を選択的に分離する場合には、窒素を０．１〜１０％含有することが好ましく、炭素膜と二酸化炭素との親和性を向上させることができる。窒素量は高いほど二酸化炭素との親和性が高くなる一方、低いほど炭素膜の耐熱性や耐薬品性を向上させることができる。これらのバランスから、窒素量は０．１〜５％がより好ましく、０．３〜３％がさらに好ましい。また、珪素を０．１〜５％含有することにより、時間経過に伴う膜性能の変化を小さくすることができる。珪素量は多いほど膜性能の変化を小さくできる一方、低いほど膜性能そのものを高くできる傾向にある。これらの観点から、珪素量は０．１〜３％がより好ましく、０．２〜１％がさらに好ましい。
【００３９】
本発明における上記元素量は、Ｘ線光電子分光分析により求めることができる。なお、上記元素量は基本的に炭素膜表面における値であるが、環境からのコンタミネーションを防止する観点から、アルゴンイオンビーム等を用いて炭素膜表面を１０ｎｍ程度クリーニングしてから測定することが好ましい。
【００４０】
＜エレメント＞
エレメントは、炭素膜と炭素膜を固定しつつガス流を制限するためのポッティング剤で固定された端部を少なくとも１箇所有する。さらに、炭素膜の破損をより抑制する観点で、テンションメンバーや外筒、内筒などの力学的に炭素膜を保護する部材や、ガス流を制限するためのシール部材などを有してもよい。
【００４１】
ポッティング剤としては、例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などの高分子が挙げられる。熱可塑性樹脂は一般に耐薬品性に優れることから、ガス分離システムが有機溶媒となりうる不純物を含む原料ガスを処理する場合に好適である。一方、熱硬化性樹脂は、硬化前の流動性が高い場合が多く、炭素膜と炭素膜との間や、炭素膜と他の部材の間に浸透されやすく、ガス流のリークをより抑制することができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリエーテル、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネートなどが挙げられる。これらを２種以上組み合わせてもよい。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが挙げられる。これらを２種以上組み合わせてもよい。
【００４２】
テンションメンバーは、炭素膜をポッティング剤で固定する場合に、２以上の固定端を持つエレメントとした場合、固定端と他の固定端までの炭素膜が引張によって破断することを抑制する作用を有する。例えば、針金、テグス、棒状、パイプ状、平板状などのものを選択することができる。入手が容易で、エレメント中の炭素膜量を高められることから、針金、テグスが好ましい。針金の材質としては、銅、鉄、ステンレスなどが例示され、耐薬品性と強度の観点から、ステンレスが好ましい。テグスの材質としては、例えば、ポリエステル、ポリアミドなどが挙げられる。
【００４３】
外筒や内筒は、炭素膜を保護する作用を有する。外筒を用いることにより、外力による炭素膜の破断をより抑制することができる。外筒の材質としては、例えば、金属や高分子、木材などが挙げられ、金属、高分子が好ましい。金属としては、例えば、銅、鉄、アルミニウム、ステンレスなどが例示され、加工性や入手性の観点から、アルミニウムが好ましい。高分子としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミドなどが挙げられる。耐薬品性、耐熱性の観点から、適宜選択することができる。
【００４４】
シール材は、本発明のガス分離システムが処理するガス流の種類に応じて適宜選択することが好ましい。ガス流に有機溶媒となる成分が不純物として含まれる場合には、耐薬品性を考慮してフッ素系樹脂を使用することが好ましい。
【００４５】
＜ベッセル＞
ベッセルの形状としては、例えば、円筒、二重円筒や、直方体、角柱などを含む多面体などが挙げられる。円筒や角柱は、ガス流路を制限しやすく、また、ベッセルを構成するパーツ間におけるシール性を確保しやすいことから好ましい。特に、円筒状でフランジシールされた形状が好ましく、施工、運用を容易にすることができる。
【００４６】
＜ガス分離方法＞
本発明のガス分離方法は、前述のガス分離システムを用いて、前処理部において原料ガスから粒子を除去した後、ガス分離部において特定のガスを分離する方法である。分離する原料ガスとしては、前処理部において粒子を除去することができるため、不純物として粒子を含有しやすい天然ガスが好ましく、天然ガスから二酸化炭素とメタンを分離する分離方法に好ましく用いることができる。
【実施例】
【００４７】
実施例および比較例における評価方法を以下に示す。
＜目付＞
各実施例および比較例に用いたフィルターについて、ＪＩＳ  Ｚ８９０８（１９９８）に従って、目付を測定した。
＜厚み＞
各実施例および比較例に用いたフィルターについて、ＪＩＳ  Ｚ８９０８（１９９８）に従って、厚みを測定した。
＜繊維直径＞
各実施例および比較例に用いたフィルターについて、フィルター繊維を無作為に２０本選択し、顕微鏡を用いて、直径を測定する繊維が視野の縦方向または横方向の長さの５０〜６０％を占めるように拡大観察し、測定する繊維に合わせて視野を変更しながら、それぞれの繊維の直径を計測し、得られた直径の数平均値を繊維直径とした。
【００４８】
＜０．４μｍ初期粒子捕集率＞
各実施例および比較例に用いたフィルターについて、
ＪＩＳ  Ｂ９９０８：２０１１の試験方法形式２に従い、０．４μｍ初期粒子捕集率を測定した。
【００４９】
＜炭素膜の欠陥＞
各実施例および比較例におけるガス分離システムに、ＪＩＳ−７種試験用粉体を、空気中の濃度７０±３０ｍｇ／ｍ３、風速２．５ｍ／ｓとなるように５時間供給しながら、ガス分離部の炭素膜を透過するガス濃度を計測した。初期のガス濃度と５時間経過後のガス濃度の変化量から、炭素膜欠陥の有無を評価した。
【００５０】
＜実施例１＞
融点２５８℃、ガラス転移点温度６８℃であるポリエステル不織布からなる繊維直径２．１μｍ、目付３００ｇ／ｍ２、厚み１００μｍ、０．４μｍ初期粒子捕集率７５％のフィルターをフィルターハウジングに固定し、前処理部に設置した。前処理部の下流にポリイミドを原料として相転換法により紡糸後、炭化した中空繊維状の炭素膜を有するガス分離部を設け、ガス分離システムを構成した。前記方法により炭素膜の欠陥を評価したところ、５時間経過後も炭素膜を透過するガス濃度は変化せず、安定した運転が可能であった。
【００５１】
＜実施例２＞
実施例１のフィルターの下流に、融点２５９℃、ガラス転移点温度６７℃であるポリエステル不織布からなる繊維直径２．１μｍ、目付３５０ｇ／ｍ２、厚み１００μｍ、０．４μｍ初期粒子捕集率８０％のフィルターをさらに設置した以外は、実施例１と同様にガス分離システムを構成した。前記方法により炭素膜の欠陥を評価したところ、５時間経過後も炭素膜を透過するガス濃度は変化せず、安定した運転が可能であった。
【００５２】
＜実施例３＞
不織布からなるフィルターにかえてアルミナ多孔質体からなる０．４μｍ初期粒子捕集率８０％のフィルターを用いた以外は、実施例１と同様にガス分離システムを構成した。前記方法により炭素膜の欠陥を評価したところ、５時間経過後も炭素膜を透過するガス濃度は変化せず、安定した運転が可能であった。
【００５３】
＜比較例１＞
前処理部にフィルターを設置しなかったこと以外は実施例１と同様にガス分離システムを構成し、評価を行った。５時間経過後に炭素膜を透過するガス濃度が変化し、炭素膜の破損が認められた。
【００５４】
＜実施例４＞
融点２２６℃、ガラス転移点温度４３℃のポリエステルを用いた以外は、実施例１と同様の方法でガス分離システムを構成した。前記方法により炭素膜の欠陥を評価したところ、５時間経過後も炭素膜を透過するガス濃度は変化せず、安定した運転が可能であった。
【００５５】
＜実施例５＞
融点２８４℃、ガラス転移点温度８９℃のポリフェニレンスルフィドを用いた以外は、実施例１と同様の方法でガス分離システムを構築した。前記方法により炭素膜の欠陥を評価したところ、５時間経過後も炭素膜を透過するガス濃度は変化せず、安定した運転が可能であった。
【００５６】
＜実施例６＞
融点１６７℃、ガラス転移点温度−１１℃のポリプロピレンを用いた以外は、実施例１と同様の方法でガス分離システムを構築した。前記方法により炭素膜の欠陥を評価したところ、５時間経過後には炭素膜を透過するガス濃度がわずかに変化したものの、比較的安定した運転が可能であった。
【００５７】
＜比較例２＞
融点１２７℃、ガラス転移点温度−６８℃の高密度ポリエチレンを用いた以外は、実施例１と同様の方法でガス分離システムを構築した。前記方法により炭素膜の欠陥を評価したところ、５時間経過後には炭素膜を透過するガス濃度が変化し、炭素膜の破損が認められた。
【符号の説明】
【００５８】
１：原料ガス
２：前処理部
３：処理後ガス
４：ガス分離部
５：透過ガス
６：精製ガス
【図１】
2020121300.tif 000003