(57)【要約】【課題】効率良く二酸化炭素の回収を行う。【解決手段】原料炭酸ガスを、酸化反応器３１で酸化させ、水素、一酸化炭素や炭化水素などのイナートガスを減少させ、炭酸ガスの割合を増大させる。炭酸ガスを精製する蒸留塔１０からのベントガスに含まれる炭酸ガスは、液化器１１で液化した後、プレヒータ３２で加熱して、膜分離器３３を透過させ、回収炭酸ガス管路３４を介して、原料炭酸ガスに混合させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物を含む原料炭酸ガスから二酸化炭素を回収する装置であって、
燃焼可能成分を酸化させる触媒が充填される酸化反応器と、
酸化反応器から得られる純度の低い炭酸ガスから炭酸ガスを分離する炭酸ガス分離設備と、
炭酸ガス分離設備で分離される炭酸ガスを液化する液化器と、
液化器から排出されるベントガスが導入され、炭酸ガスを選択的に透過させて分離する膜分離器と、
液化器から膜分離器にベントガスを導入する経路に設けられ、ベントガスを膜分離器保護に必要な温度まで昇温させる昇温器とを含み、
膜分離器によって分離される炭酸ガスを、原料炭酸ガスと混合して圧縮機に吸入させることを特徴とする二酸化炭素回収装置。
【請求項２】
前記原料炭酸ガスには、不純物中のＣＯとＨ２、メタノール、炭化水素を燃焼させる酸素を混合させることを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項３】
前記膜分離器は、前記ベントガス中に含まれる炭酸ガスの大部分とともに、酸素ガスを選択的に透過し、前記酸素として膜分離器を透過した酸素ガスを含むことを特徴とする請求項２記載の二酸化炭素回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不純物を含む原料炭酸ガスから二酸化炭素（ＣＯ２）を精製して回収する二酸化炭素回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、二酸化炭素は、液化炭酸ガスとしての液体やドライアイスの固体の形で、食品等の低温保存用や低温輸送用、冷却用、溶接用、鋳物工業用、飲料の発泡用、消火剤用などに広く用いられている。二酸化炭素は、炭素を（Ｃ）を燃焼させれば得られるが、工業的に精製するための原料としては、水素製造プラント、アンモニア（ＮＨ３）製造プラント、ビール製造プラント、製鉄プラントなどからの副生物の二酸化炭素が原料となる。
【０００３】
原料の炭酸ガスは、液化されて液化炭酸ガスとなり、液体の状態での利用や、プレス装置による固体化の原料として利用される。炭酸ガスの液化は、圧縮機による圧縮と、冷却とによって行われる。圧縮は高圧法と低圧法とに大別される。高圧法はゲージ圧で２．１〜３．０ＭＰａ程度（２０〜３０ｋｇｆ／ｃｍ２Ｇ）に、低圧法はゲージ圧で０．７９〜０．９８ＭＰａ程度（７〜９ｋｇｆ／ｃｍ２Ｇ）に、それぞれ圧縮する。高圧法で圧縮した炭酸ガスは、アンモニアやフロンなどを冷媒とする冷凍機で冷却されて液化する。低圧法で圧縮した炭酸ガスは、液化天然ガス（ＬＮＧ）で冷却されて液化する方法が一般的である。
【０００４】
原料となる炭酸ガスには、各種の不純物が含まれているので、液化する前の前処理によって、ある程度まで除去される。前処理としては、除塵、脱水、吸着等が行われる。前処理の組合せと設置場所とは、原料となる炭酸ガスの性状とプロセスの効率とから決定される。
【０００５】
図４は、従来からの二酸化炭素液化装置の概略的な構成を示す。原料炭酸ガスは、受入後、原料ＣＯ２冷却器２で冷却した後、圧縮機３で圧縮する。圧縮された炭酸ガスは、冷水冷却器４で冷却し、脱臭器５と乾燥器６とで脱臭と乾燥とを行い、フィルタ７で微量の固体粒子を除去し、熱交換器８およびリボイラ９を経て蒸留塔１０に導入する。蒸留塔１０では蒸留によって炭酸ガスの純度を高め、蒸留塔１０の頂部に溜る蒸発分に含まれる炭酸ガスは液化器１１で液化させ、蒸留塔１０に戻す。蒸留塔１０の底部に溜る液化炭酸ガスは、液化炭酸ガス中間タンク１２に貯留する。貯液されている液化炭酸ガスは、移送ポンプ１３で熱交換器８を経て液化炭酸ガス製品タンク１４に送り込まれる。液化炭酸ガス製品タンク１４からは、出荷ポンプ１５を介し、液化炭酸ガスが製品として出荷される。
【０００６】
液化炭酸ガスの一部は、バッファタンク１６に貯蔵され、プレス１７に送り込まれる。プレス１７では、液化炭酸ガスを膨張させながら固化させて成型する。プレス１７に供給する液化炭酸ガスは、蒸留塔１０で精製しないものを用いる場合もある。プレス１７では炭酸ガスの気体も発生するので、圧縮機の前流側に戻して、原料炭酸ガス中に混合回収させる。
【０００７】
蒸留塔１０に導入する炭酸ガスは、バルブ１８によって流量を制御する。移送ポンプ１３から送出される液化炭酸ガスのうち、液化炭酸ガス製品タンク１４に送る部分は、バルブ１９によって制御する。移送ポンプ１３からバッファタンク１６やプレス１７に送る液化炭酸ガスの流量は、バルブ２０によって制御する。液化器１１からのベントガスは、バルブ２１を介して排出する。プレス１７には、間欠的に液化炭酸ガスが噴出され、噴出時にはバッファタンク１６に一時的に貯留されている液化炭酸ガスも使用される。バッファタンク１６に貯留中の液化炭酸ガスから気化する炭酸ガスは、バルブ２２を介して液化炭酸ガス中間タンク１２に戻される。プレス１７で製造される二酸化炭素の固体は、包装設備２３で製品として包装され、保管設備２４で保管されて、需要に応じて出荷される。
【０００８】
原料炭酸ガス中に含まれる水分は、乾燥器６で低減される。不純物の一部は脱臭器５で除去される。蒸留塔１０は、液化炭酸ガス中に混入する微量の不純物を分離して除去する目的で設置される。蒸留塔１０には、分離性能を向上させるために、不規則充填物または規則充填物が充填されている。塔底には、リボイラ９が設けられ、塔底液の一部を蒸発させ、塔内での気液接触効率を向上させている。リボイラ９を設ける代りに、他所で蒸発した高純度炭酸ガスを供給する場合もある。蒸留塔１０の頂部には、コンデンサとして蒸発した炭酸ガスを液化する液化器１１が設けられる。液化器１１は、横型多管式熱交換器や、竪型多管式熱交換器、プレートフィン型熱交換器等を用いるのが一般的である。
【０００９】
原料炭酸ガス中に含まれるエチレンやアセトアルデヒド等の不純物は、酸化させることによって低減することができる。二酸化マンガンおよび酸化銅を含有する触媒と、白金触媒とで二段階に酸化させると、比較的低温である２９０℃程度の出口温度で、エチレンやアセトアルデヒド等を除去可能である（たとえば、特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開昭６１−１２７６１３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に開示されている酸化は、二酸化炭素精製のどの段階で行われるかは必ずしも明確ではないけれども、［問題点を解決するための手段］の欄に、「この接触酸化反応によりメタン以外の炭化水素が二酸化炭素へと酸化除去された粗二酸化炭素は蒸留、液化等の常法によってメタンを分離して極めて純度の高い精二酸化炭素へと精製される。」と記載されているので、液化する前であることが判る。またメタン（ＣＨ４）は、蒸留や液化の際に分離することも判る。
【００１２】
図４の蒸留塔１０の頂部には、原料炭酸ガス中の不純物に由来する水素（Ｈ２）ガス、酸素（Ｏ２）ガス、窒素（Ｎ２）ガス、一酸化炭素（ＣＯ）ガス、メタン等が濃縮されて含まれている。これらの不純物は、系外に排出される。しかしながら、系外に排出される不純物には、精製された炭酸ガスも混入しており、約５％程度のロスが生じてしまう。
【００１３】
本発明の目的は、効率良く二酸化炭素の回収を行うことができる二酸化炭素回収装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、不純物を含む原料炭酸ガスから二酸化炭素を回収する装置であって、
燃焼可能成分を酸化させる触媒が充填される酸化反応器と、
酸化反応器から得られる製品液化炭酸ガスより純度の低い炭酸ガスから炭酸ガスを分離する炭酸ガス分離設備と、
炭酸ガス分離設備で分離される炭酸ガスを液化する液化器と、
液化器から排出されるベントガスが導入され、炭酸ガスを選択的に透過させて分離する膜分離器と、
液化器から膜分離器にベントガスを導入する経路に設けられ、ベントガスを膜分離器保護に必要な温度まで昇温させる昇温器とを含み、
膜分離器によって分離される炭酸ガスを、原料炭酸ガスと混合して圧縮機に吸入させることを特徴とする二酸化炭素回収装置である。
【００１５】
本発明に従えば、二酸化炭素回収装置は、不純物を含む原料炭酸ガスから二酸化炭素を回収する装置として、圧縮機と、酸化反応器と、炭酸ガス分離設備と、液化器と、膜分離器と、昇温器とを含む。酸化反応器は、原料炭酸ガスを圧縮する圧縮機から吐出される原料炭酸ガス中に含まれる燃焼可能成分、たとえばＣＯとＨ２を触媒を用いて酸化させて、二酸化炭素と水とに変化させる。炭酸ガス分離設備で酸化反応器から得られる酸化物には炭酸ガスが多くなっているので、液化器に供給される炭酸ガスの割合も大きくすることができ、効率良く液化によって二酸化炭素を回収することができる。さらに液化器から排出されるベントガス中の炭酸ガスを膜分離器で選択的に透過して分離回収するので、炭酸ガスの排出量をより低減することができる。膜分離器によって分離する炭酸ガスは、原料炭酸ガスと混合して圧縮機に吸入させるので、膜での差圧を大きくして、炭酸ガスの透過速度を高めることができる。ベントガスは、昇温器で膜分離器保護に必要な温度まで昇温させるので、液化のために低温となっているベントガスが膜分離器を損傷させないようにして、効率良く炭酸ガスの分離を行わせることができる。
【００１６】
また本発明で、前記原料炭酸ガスには、不純物中のＣＯとＨ２、メタノール、炭化水素を燃焼させる酸素を混合させることを特徴とする。
【００１７】
本発明に従えば、原料炭酸ガスに含まれる不純物中のＣＯとＨ２を燃焼させるために必要な酸素が原料炭酸ガスに混合されるので、燃焼可能成分を確実に酸化させて、炭酸ガスの割合を大きくして回収することができる。
【００１８】
また本発明で、前記膜分離器は、前記ベントガス中に含まれる炭酸ガスの大部分とともに、酸素ガスを選択的に透過し、前記酸素として膜分離器を透過した酸素ガスを含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明に従えば、膜分離器は、ベントガス中に含まれる炭酸ガスの大部分とともに酸素ガスも選択的に透過する。炭酸ガスとともに膜分離器で分離された酸素ガスは、原料炭酸ガスに混合されるので、原料炭酸ガス中に含まれる不純物のうちのＣＯとＨ２を酸化させるために使用することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態である二酸化炭素液化装置３０の概略的な構成を示す。本実施形態の二酸化炭素液化装置３０で、図４に示す従来の装置と対応する部分には同一の参照符を付し、重複する説明を省略する。本実施形態の二酸化炭素液化装置３０では、酸化反応器３１、プレヒータ３２、膜分離器３３、および回収炭酸ガス管路３４を含む。酸化反応器３１は、燃焼生成分を除去するために乾燥器６よりも前流に設置する。たとえば圧縮機３の出口に酸化反応器３１を設置すると、圧縮機出口炭酸ガス温度が上昇するため、所定の温度までの昇温設備が不要となるメリットがある。
【００２１】
酸化反応器３１では、一酸化炭素（ＣＯ）や水素、メタノールを５０℃以上の温度域で酸化させる。３７０℃以上の温度では、メタンを酸化させる。触媒としては、白金（Ｐｔ）・パラジウム（Ｐｄ）系の触媒を使用する。このような触媒として、たとえばズードケミー触媒株式会社から発売されているＮ−２２０などを使用することができる。この製品は、活性アルミナ担体に白金を触媒成分として担持させ、５５０℃の耐熱温度を有している。メタンの酸化を行わない場合は、耐熱温度が２００℃程度の二酸化マンガンと酸化銅との混合ペレットも触媒として使用することができる。
【００２２】
酸化反応器３１は、ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２の反応で一酸化炭素を燃焼によって酸化させ、ＣｎＨｍ＋（ｎ＋１／４ｍ）Ｏ２→ｎＣＯ２＋１／２ｍＨ２Ｏの反応で炭素ｎと水素ｍとからなる炭化水素（ＣｎＨｍ）を燃焼によって酸化させる。このような反応を効率良く行うためには、圧力を、大気圧〜４．９ＭＰａＧ（５０ｋｇｆ／ｃｍ２Ｇ）、好ましくは大気圧〜２．９ＭＰａＧ（３０ｋｇｆ／ｃｍ２Ｇ）とする。温度は５０℃〜５００℃とする。５０℃以上でないと充分な酸化反応が起こらず、５００℃を超えると耐熱性が問題となるからである。
【００２３】
図２は、酸化反応器３１による原料炭酸ガスの酸化で、炭酸ガスの割合を大きくする効果を示す。たとえば（ａ）に示すように、酸化反応器３１による酸化を行わないときには、原料炭酸ガスのうちの７５％が炭酸ガスであり、残りの２５％がＨ２、ＣＯ、メタン、窒素、酸素等のイナートガスであるものとする。圧縮機３が低圧法によって前述のように約０．８９ＭＰａＧまで加圧するものとすれば、この圧力は、絶対圧で約０．９９ＭＰａとなり、炭酸ガスの分圧ＰＣＯ２は約０．７４ＭＰａ程度となる。
【００２４】
酸化反応器３１でＣＯ、Ｈ２などを酸化させると、イナートガス中のＣＯ、Ｈ２が減少するので、（ｂ）に示すように、たとえばイナートガスは５％となり、７５％が炭酸ガスとなる。この７５％の炭酸ガスは、５％のイナートガスと合わせた全体のうちからは７５÷（７５＋５）×１００＝９４（％）となる。二酸化炭素回収装置３０で循環させる炭酸ガスの分圧ＰＣＯ２を一定に保つためには、圧縮機３の吐出圧は、絶対圧のうちの９４％が約０．７４ＭＰａとなればよい。したがって、吐出圧は絶対圧で０．７４÷０．９４＝０．７９（ＭＰａ）となり、（ａ）に比較して絶対圧で０．２ＭＰａ低下させることができる。圧縮機３の吐出圧の低下により、消費電力を低減し、動力費を削減することができる。
【００２５】
図３は、（ａ）で膜分離器３３の基本的な構成を示し、（ｂ）で基本的な作用を示す。本実施形態の膜分離器３３は、たとえば宇部興産株式会社からガス分離膜モジュールとして販売されているものを使用する。膜分離器３３は、（ａ）に示すように、筒体４０の軸線方向の両側に透過ガス出口４１と非透過ガス出口４２とがそれぞれ設けられ、筒体４０内には多数の中空糸膜４３が収納される。筒体４０の外周には、原料ガス入口４４が設けられる。原料ガス入口４４から原料ガスが導入されると、炭酸ガスなどが選択的に中空糸膜４３の膜面を透過し、中空部を通って透過ガス出口４１に集る。中空糸膜４３の膜面を透過しないガスは、非透過ガス出口４２に集る。
【００２６】
（ｂ）に示すように、中空糸膜４３は、ガスの種類によって透過しやすいものと透過しにくいものとを分けることができる。このような分離の原理は、中空糸膜４３を形成する高分子素材が分子間にオングストロームオーダの空隙を有し、ガスの分子を選択的に透過させることによる。欠陥のない高分子膜を隔てて両側にガスが存在すれば、ガスは分圧の高い方から低い方に透過する。本実施形態では、水素や一酸化炭素は、酸化反応器３１で除去しており、炭酸ガスと窒素、メタンとを分離すればよい。膜分離器３３の原料ガス入口４４には、０．７９ＭＰａ程度のベントガスが５０℃程度で供給される。透過ガス出口４１は、回収炭酸ガス管路３４を介して、大気圧程度の原料炭酸ガスの受入側に接続される。この差圧によって、炭酸ガスとともに酸素も、ベントガスから効率良く分離することができる。
【００２７】
ベントガスの圧力は、０．４９〜４．９ＭＰａＧ（５〜５０ｋｇｆ／ｃｍ２Ｇ）の範囲とし、さらに０．５９〜２．９ＭＰａＧ（６〜３０ｋｇｆ／ｃｍ２Ｇ）の範囲とすることが好ましい。温度は、高分子の中空糸膜４３の耐温から決定される。ただし、蒸留塔１０や液化器１１では、−５０℃程度の低温となるので、プレヒータ３２を昇温器として用いて５０℃程度に昇温させることが好ましい。中空糸膜４３の保護のためである。
【００２８】
次の表１は、原料ガス入口４４に供給する原料ガス、透過ガス出口４１から得られる回収ガス、および非透過ガス出口から排出されるオフガスの間の物質収支の例を示す。ガス流量は、標準状態での流量（Ｎｍ３／ｈ）を示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
以上のように、本実施形態の二酸化炭素液化装置３０には、次のような特徴がある。
【００３１】
▲１▼原料炭酸ガスを圧縮する圧縮機３の吸入側に、不純物の燃焼可能成分の燃焼に必要な酸素を供給する。原料炭酸ガスと酸素とは、圧縮機で機械的に圧縮されるので、圧縮の過程で原料炭酸ガスと酸素ガスとを完全に混合させることができる。
【００３２】
▲２▼原料炭酸ガスを圧縮する圧縮機３の吐出側で、冷水冷却器４の前に、触媒を充填した酸化反応器３１が設けられる。圧縮機３で完全に酸素ガスが混合された原料炭酸ガスは、加圧されて温度も高くなっている状態で酸化反応器３１に導入され、不純物中の燃焼可能成分を確実に燃焼させることができる。
【００３３】
▲３▼液化器１１から排出されるベントガスは炭酸ガスが主成分であるので、液化器１１と同圧の状態で、プレヒータ３２で昇温させてから膜分離器３３に供給し、膜分離器３３で炭酸ガスを透過させて分離する。ベントガスは、液化炭酸ガスの温度である約−５０℃と同程度の低温であるので、プレヒータ３２で約５０℃に昇温させ、膜分離器３３の膜の保護を図っている。
【００３４】
▲４▼膜分離器３３には、炭酸ガスの大部分および酸素ガスの約半量を透過して、メタン、窒素ガス、酸素ガス等の不要なイナートガス成分の透過は微少となるタイプを使用する。
【００３５】
▲５▼膜分離器３３で、炭酸ガスや酸素ガスの透過に関して、膜の両面間に作用する差圧が大きい方が透過速度を大きくすることができるので、回収炭酸ガス管路３４を設け、透過した炭酸ガスおよび酸素ガスを原料炭酸ガスの受入側に混合させる。
【００３６】
本実施形態のような二酸化炭素液化装置３０は、炭酸ガスの排出規制の強化にしたがって必要性が高まる。触媒反応器と膜分離器を組合わせた本発明は、水素を製造するプラント、たとえばナフサの改質によって水素を圧力スイング（ＰＳＡ）などで製造する際にオフガスとして発生する炭酸ガスを有効に回収することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、酸化反応器で、原料炭酸ガス中に含まれる炭化水素などの燃焼可能成分を触媒を用いて酸化させて、二酸化炭素と水とに変化させる。炭酸ガス分離設備で分離される炭酸ガスの割合が多くなっているので、液化器に供給される炭酸ガスの割合も大きくすることができ、効率良く液化によって二酸化炭素を回収することができる。液化器から排出されるベントガスにも炭酸ガスの割合が大きくなっても、膜分離器で炭酸ガスを選択的に透過して分離させるので、炭酸ガスの排出量を低減することができる。膜分離器によって分離する炭酸ガスは、圧縮機に吸入させるので、膜での差圧を大きくして、炭酸ガスの透過速度を高めることができる。膜分離器には、昇温させたベントガスを導入するので、膜分離器を損傷させないようにして、効率良く炭酸ガスの分離を行わせることができる。
【００３８】
また本発明によれば、不純物中の燃焼可能成分を燃焼させるために必要な酸素を原料炭酸ガスに混合し、圧縮機で混合を完全にして、燃焼可能成分を酸化させ、炭酸ガスの割合を大きくして回収することができる。
【００３９】
また本発明によれば、膜分離器で炭酸ガスとともに酸素ガスも分離し、原料炭酸ガスに混合させて、不純物のうちの燃焼可能成分を酸化させるために使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である二酸化炭素液化装置３０の概略的な構成を示す配管系統図である。
【図２】図１の酸化反応器３１を設けることによって、圧縮機３の吐出圧を低下可能な考え方を示す図である。
【図３】図１の膜分離器３３の概略的な構成を示す断面図、および気体による透過性の違いを示す図である。
【図４】従来からの二酸化炭素液化装置の概略的な構成を示す配管系統図である。
【符号の説明】
３  圧縮機
１０  蒸留塔
１１  液化器
３０  二酸化炭素液化装置
３１  酸化反応器
３２  プレヒータ
３３  膜分離器
３４  回収炭酸ガス管路
【図１】
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【図２】
2004323263.tif 000005
【図３】
2004323263.tif 000006
【図４】
2004323263.tif 000007