(57)【要約】【課題】二成分以上のガスを含む混合ガスから、比較的簡単に、且つ、効率良く、少なくとも一つのガス成分と残りのガス成分とを分離する方法とそのための装置を提供すること。【解決手段】二成分以上のガスを含む混合ガスを、水を満たしたガス吸収塔中に導入し、少なくとも一つのガス成分を水に溶解させることによって、残りのガス成分と分離するガス分離装置であって、ガス吸収塔の下部に混合ガスを微細気泡化してガス吸収塔中に噴出させる手段が設置され、ガス吸収塔の上部に吸収されなかったガス成分を導出するための手段が設置されているガス分離装置。ガス吸収塔中に充填材を充填しておくと、ガスの吸収効率がより高くなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二成分以上のガスを含む混合ガスを、微細気泡化して水を満たしたガス吸収塔中に噴出し、少なくとも一つのガス成分を水に溶解させることによって、残りのガス成分と分離することを特徴とするガスの分離方法。
【請求項２】
ガス吸収塔が充填材を充填したものである請求項１記載のガスの分離方法。
【請求項３】
混合ガスが炭酸ガスを含むものである請求項１又は２記載のガスの分離方法。
【請求項４】
二成分以上のガスを含む混合ガスを、水を満たしたガス吸収塔中に導入し、少なくとも一つのガス成分を水に溶解させることによって、残りのガス成分と分離するガス分離装置であって、ガス吸収塔の下部に、混合ガスを微細気泡化してガス吸収塔中に噴出させる手段が設置され、ガス吸収塔の上部に、吸収されなかったガス成分を導出するための手段が設置されていることを特徴とするガス分離装置。
【請求項５】
ガス吸収塔に充填材が充填されていることを特徴とする請求項４記載のガス分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水によるガスの吸収を利用したガスの分離方法と、それに用いるガス分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス吸収は、古くから多く用いられてきた単位操作である。そして、一般的に、ガスの吸収・吸着装置としては、充填塔、気泡塔、段塔、気泡攪拌層、スプレー塔などが利用されており、それぞれの装置の特徴を生かした効率的な運転のための技術が開発されている。
【０００３】
近年、地球温暖化防止問題との関連などで、化学燃料の燃焼ガスから炭酸ガスを回収する技術や、下水処理中に発生する消化ガスから、炭酸ガスの分離除去など、多量のガスを分離除去する技術の開発が求められている。例えば、下水処理施設で発生する消化ガスは、成分の約40％が炭酸ガス、約60％がメタンであり、メタン発酵用ボイラーに用いられる以外では焼却処分されている。この消化ガス中の炭酸ガスを除去し、高純度(96%以上)のメタンを回収して、都市ガスなどに有効利用しようとする試みが行われている。しかし現時点では、炭酸ガスを高効率で除去することは困難である。
【０００４】
一方、火力発電所等の固定発生源から多量に排出される炭酸ガスを、地球環境保全のために海洋等に隔離するために、炭酸ガスをマイクロバブル化して水中に分散させ海洋又は地底に投棄する方法・装置が提案されている（特許文献１）。また、従来、微細気泡を効率よく生成させるための微細気泡発生装置も色々と提案されている（例えば、特許文献２）。更に、ガス吸収装置としても色々なタイプ、構造のものが考案されている（例えば、特許文献３と４）。しかしながら、これまでに、微細気泡発生装置とガス吸収塔を組合せ、炭酸ガス等を含む混合ガスを水中に導入し、炭酸ガス等を効率よく吸収させると共に他の有用なガスと分離する方法・装置は提案されたことがなかった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−５０１６７号公報
【特許文献２】特開２０００−４４７号公報
【特許文献３】特開平８−３２３１３５号公報
【特許文献４】特開平９−１５５１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、二成分以上のガスを含む混合ガスから、比較的簡単に、且つ、非常に効率良く、少なくとも一つのガス成分と残りのガス成分とを分離する方法とそのための装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の中方法の発明は、二成分以上のガスを含む混合ガスを、微細気泡化して水を満たしたガス吸収塔中に噴出し、少なくとも一つのガス成分を水に溶解させることによって、残りのガス成分と分離することを特徴とするガスの分離方法である。
【０００８】
そして、本発明の中装置の発明は、二成分以上のガスを含む混合ガスを、水を満たしたガス吸収塔中に導入し、少なくとも一つのガス成分を水に溶解させることによって、残りのガス成分と分離するガス分離装置であって、ガス吸収塔の下部に、混合ガスを微細気泡化してガス吸収塔中に噴出させる手段が設置され、ガス吸収塔の上部に、吸収されなかったガス成分を導出するための手段が設置されていることを特徴とするガス分離装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、微細気泡（マイクロバブル）を用いることにより気液接触面積は大幅に増加する。また、ガス吸収塔に充填された充填材のために、気泡の上昇は減速されるため、気液接触時間が更に増加するという特徴がある。この二つの効果のため、従来の方法に比べて、大幅な吸収効率の増加が可能となる。本発明において水に吸収されるガスとしては、特に炭酸ガスが適しているが、その他の水に対して溶解度の大きいガスを含む混合ガスの場合に、好ましい効果を期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、二成分以上のガスを含む混合ガスを、微細気泡化して水を満たしたガス吸収塔中に噴出し、少なくとも一つのガス成分を水に溶解させることによって、残りのガス成分と分離するものであるが、対象となる混合ガスとしては、例えば、炭酸ガス、一酸化炭素、窒素、酸素、亜硫酸ガス等のイオウ酸化物ガス、酸化窒素等の窒素酸化物ガス、硫化水素、メタン等の炭化水素ガス、水蒸気の二成分以上を含む混合ガスがある。炭酸ガスとメタンを主成分とする、下水処理操作で発生する消化ガスは、本発明において特に好ましい対象ガスである。この場合には、炭酸ガスが水に溶解し、ガス吸収塔から分離・精製されたメタンは有効に利用できる。
【００１１】
本発明において微細気泡とは、キャビテーションや分散器のせん断力で発生させる百数十ミクロン以下のサイズの気泡のことで、マイクロバブルあるいはマイクロナノバブルとも言われる。非常に微細なために長時間液中に滞留し、且つ気液接触面積が大きいという特徴がある。また、通常の気泡と異なり、マイクロバブルは、気泡内のガスの水中への溶解により小さくなり、液中に滞留している間に消滅してしまう場合もある。気泡内のガスが溶解しやすい要因としては、気液接触面積が大きいことの他に、気泡内のガス圧力に気液界面張力分が加わり増加するので、気泡内ガス圧力が高いということもある。通常の気泡では、気泡は合体により大きくなり、速やかに液体中を通り抜けてしまうが、マイクロバブルはむしろ小さくなる傾向があるので、そのガス溶解性は低下せずに、液体中で長く滞留するのである。本発明において好ましいマイクロバブルの大きさは、５０ミクロン以下、更に好ましくは３０ミクロン以下である。
【００１２】
混合ガスを微細気泡化し、水を満たしたガス吸収塔中に噴出するための方法・装置は特に限定されるものではない。混合ガスは、水を満たしたガス吸収塔の下方より、マイクロバブル状にして水中に噴出される。また、水は上部から連続的に供給し、高濃度にガスを溶解した水は下部より排出するようにするのが良い。微細気泡を用いることにより、気液接触面積は大幅に増加し、混合ガスの少なくとも一つの成分は、効率よく水に吸収される。
【００１３】
本発明において、ガス吸収塔に充填材を充填したものを用いると、微細気泡の上昇は充填材により減速されるため、気液接触時間が増加し、より効率的にガスが水に吸収される。充填材又は充填物としては、特に制限はなく、例えば、ラシヒリング、テラレットに代表されるような不規則型充填材や、メラパック等に代表される規則型充填材を用いることができる。てきるだけ表面積の大きいものが好ましい。
【００１４】
本発明の他の態様は、二成分以上のガスを含む混合ガスを、水を満たしたガス吸収塔中に導入し、少なくとも一つのガス成分を水に溶解させることによって、残りのガス成分と分離するガス分離装置において、ガス吸収塔の下部に、混合ガスを微細気泡化してガス吸収塔中に噴出させる手段が設置され、ガス吸収塔の上部に、吸収されなかったガス成分を導出するための手段が設置されているものである。ガス吸収塔は、通常、化学工学の分野で用いられている様なもので良いが、その中に、前記した様な充填材が充填されているものが好ましい。
【００１５】
混合ガスを微細気泡化してガス吸収塔中に噴出させる手段は、微細気泡を発生させガス吸収塔に噴出させる装置と、通常、液循環用ポンプが組み合わされたものである。ガス吸収塔の上部に設置された、水中に吸収されなかったガス成分を導出するための手段は、通常用いられるガス流量計付の導出管で良い。本発明のガス分離装置には、必要に応じて、混合ガスの貯蔵タンク、ガスの流量調節計、炭酸ガスの水中濃度を調べるための測定器、例えばｐＨメーター、水の導入・導出管等を設けることができるのは当然のことである。
【００１６】
本発明のガス分離装置を図を用いて説明する。図１は、本発明のガス分離装置の一例であって、１はガス吸収塔、２は微細気泡発生装置、３は液循環用ポンプ、４はガス導出管,５はガス流量調節器、６はガス流量計、７はガス貯蔵タンク、８は水の導入管、９は水の導出管、１０はガス吸収塔に満たされた水と充填材を示す。ガス貯蔵タンク７に貯められた混合ガスは、ガス流量調節器５を経て微細気泡発生装置２に導かれ、そこで微細気泡化されてガス吸収塔１の水中に噴出される。そして、混合ガス成分のうち少なくとも一つの成分は水に吸収・溶解し、吸収されなかったガス成分は、ガス導出管４とガス流量計６を経て系外に取り出される。ガスを吸収・溶解した水は、水の導出管９を経て系外に取り出される。ガス吸収塔への水の導入・導出は連続的に行うこともできる。以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【実施例】
【００１７】
［実施例１］炭酸ガスの水道水への吸収実験
図１に示したガス分離装置を用いて、水量、気泡の種類、充填材（充填物）及びガスの流入速度を変えて、炭酸ガスの吸収時間及び吸収量を測定し、吸収速度定数kを求めた。即ち、先ず、設定した水量の吸収液（水）を吸収塔内に導入した。次にガスフローコントローラー（山武社製）を用いてガス流入速度を設定し、炭酸ガスを供給管から直接気泡（以下SBとする）として塔底から吹き込んだ。また、炭酸ガスの微細気泡ガス（以下MBとする）の場合は、塔底から微細気泡発生装置（オーラテック社製、AURA JET）を通じて吹き込み、それと同時に液循環用ポンプを稼動させた。実験中、ガス流量計（KOFLOC社製）とpH計で、流出ガス量及び pH変化を測定した。充填材（テラレット約1.4kg）を塔内に詰めて行う実験も、上記と同様に行った。実験条件を表１に示した。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
図２にケース４で実験を行った場合の、水1 mlあたりの炭酸ガスの流入量と吸収量の関係を示した（ケース１、２、３でも同じ様な関係が得られる）。炭酸ガスの吹き込み開始直後は、ガス流入速度に関係なく、炭酸ガスの流入量の全てが吸収されている（この範囲をsection１とする）。しかし、時間の経過と共に炭酸ガスの流入量の一部が吸収されなくなり、ガス流入速度が高いほど徐々に流出ガス量が増加する（この範囲をsection２とする）。これは、吸収液の吸収能力が低下したことを意味している。その後、炭酸ガスが全く吸収されなくなるような定常状態に達する。ケース４における、飽和量に対する炭酸ガスの最終吸収率は98%となり、他のケース（ケース１; 65%、ケース２; 92%、ケース３; 95%）よりも吸収率が高いことが分かった。
【００２０】
次に測定結果より、各実験条件での吸収速度を比較するため、吸収速度定数kを求めた。ある時間における炭酸ガスの吸収速度は、炭酸ガス飽和量と溶存量の差に比例していると仮定すると、式(1)が得られる。吸収速度定数k は、得られた式(1)を積分した式(2)と実験結果から決定できる。結果を図３と図４に示した。
ｄＣｉ／ｄｔ＝−ｋ（Ｃｓ−Ｃｉ）・・・（１）
ln（１−Ｃｉ／Ｃｓ）＝−ｋｔ・・・・（２）
【００２１】
図３には、section１における吸収速度定数kを、図４には、section２におけるkを示した。Section１では、各ケースともガス流入速度が高くなるにつれ、吸収速度定数kが増加している。一方section２では、各ケースとも吸収速度定数kはガス流入速度に関係なくほぼ同じ値になった。また、section１とsection２のどちらも、充填材の有無による影響よりも、MBを用いることによる影響の方が、吸収速度定数kに与える影響が大きいことが分かった。
【００２２】
以上の結果をまとめると以下の様になる。ガス流入速度が速くなるほど、炭酸ガス吸収時間は短くなった。気泡を微細気泡にしたとき（ケース２と４）、気液接触面積が大きくなることで炭酸ガス吸収量は大幅に増加した。また、塔内に充填材を入れたときも（ケース３と４）、気泡の滞留時間が長くなることで炭酸ガス吸収量は増加した。吸収速度定数kは、気泡を微細気泡とし塔内に充填材を入れた条件（ケース４）で最も高い値となり、微細気泡と充填材が、炭酸ガス吸収量に大きく影響を与えることが認められた。
【００２３】
［実施例２］混合ガス（炭酸ガスと窒素）の水道水への吸収実験
図１のガス分離装置を用いて実験を行った。水道水（１４Ｌ）と充填材（テラレット約１．２５ｋｇ）を満たしたガス吸収塔へ、混合ガス（窒素ガス：炭酸ガス＝６．５：３．５）を、所定のガス流入速度で、塔底から微細気泡発生装置（オーラテック社製、AURA JET）を通じて吹き込んだ。ガスを流し始めると同時に液循環用ポンプを稼動させ、データロガーソフト（FLEX LOGGER社製）でガス流量計の流量（流入ガス量と排出ガス量）を測定した。実験中、pHの変化も測定し、 pHの値が安定した時点で測定を終了した。
【００２４】
図５に、混合ガス流入量を300cc/min(窒素ガス:炭酸ガス=6.5:3.5)で実験を行った時の、流入ガス量(cc)及び排出ガス量（cc）と時間(s)の関係を示した。実験開始から3000秒(50分)間は、窒素ガス流入量と排出ガス量のグラフが一致している。窒素ガスは水に溶け難いので、水に吸収されることなく全て排出されると仮定すると、実験開始から50分間に流入した炭酸ガス全てが、水に吸収されたと考えられる。50分経過後は、排出ガス量が窒素ガス流入量を上回っていることより、炭酸ガス流入量の一部が水に吸収されることなく、窒素ガスと共に排出されていると考えられ、50分経過後は炭酸ガス吸収率が低下する。
【００２５】
本実験は水を循環せずに長時間行ったため、ある程度炭酸ガスを吸収した水は、吸収能力が低下すると考えられる。しかし、50分経過後に水を入れ替える方式をとれば、高い吸収率を期待できると思われる。現在実用化されている装置の気液比が1.7〜1.73であるのに対して、本実験装置は、50分経過時の気液比が1.0であり、高成績であると言える。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の方法・装置は、石油、石炭等の化石燃料の燃焼ガスからの炭酸ガスの回収や、下水処理施設で発生する消化ガスからの、炭酸ガスの吸収除去に利用できる。特に、消化ガスから炭酸ガスを除去すると、メタン９０％以上のハイカロリーガスとなり、都市ガスとしての利用が可能になる。従って、本発明の方法・装置は、一般産業界で広く利用されると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のガス分離装置の一例を示す概略図である。
【図２】炭酸ガスの流入量と吸収量の関係を示す図である（ケース４の実験）。
【図３】図２のsection１における吸収速度定数kを示す図である。
【図４】図２のsection２における吸収速度定数kを示す図である。
【図５】混合ガスを用いた場合の、流入ガス量及び排出ガス量と時間の関係を示す図。
【符号の説明】
【００２８】
１  ガス吸収塔
２  微細気泡発生装置
３  液循環用ポンプ
４  ガス導出管
５  ガス流量調節器
６  ガス流量計
７  ガス貯蔵タンク
８  水の導入管
９  水の導出管
１０  水と充填材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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