(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空糸膜の膜壁に液体を透過させて、前記液体中に吸収されている気体を放散するための気体放散構造であって、
前記中空糸膜の束を備えた複数の膜ユニットは、放散後の前記液体及び前記気体を受け入れる槽に対して直管で接続されている、気体放散構造。
【請求項２】
前記槽は円筒状の側壁を有し、前記複数の膜ユニットは、前記側壁の外周側に前記槽を中心として放射状に配置されており、前記複数の膜ユニットから前記槽に放散後の前記液体及び前記気体を供給するための配管が、前記槽の前記側壁と、前記複数の膜ユニットの側壁とを連結している、請求項１記載の気体放散構造。
【請求項３】
気体を吸収している液体から前記気体を分離するための気液分離装置であって、
前記液体を請求項１又は２に記載の気体放散構造に通過させて、前記液体から前記気体を放散させる放散手段と、
前記気体を放散した前記液体と前記気体との混合物から前記気体を分別する分別手段と、
を備える気液分離装置。
【請求項４】
前記気体を前記液体と接触させて、前記液体に前記気体を吸収させる吸収手段、を更に備える請求項３記載の気液分離装置。
【請求項５】
前記分別手段は前記槽を含む、請求項４記載の気液分離装置。
【請求項６】
前記槽から前記分別手段が備える別の槽に、放散後の前記液体及び前記気体を供給するための配管が接続されている、請求項４記載の気液分離装置。
【請求項７】
前記気体は二酸化炭素であり、前記液体はアルカノールアミンを含む水溶液であり、前記吸収手段において前記水溶液に前記二酸化炭素を含む混合ガスを接触させる、請求項４
〜６のいずれか一項に記載の気液分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体放散構造及び気液分離装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、石油精製プラントや石油化学プラント等における水素製造プロセスとして、スチームリフォーミングプロセス、部分酸化プロセス、オートサーマルリフォーマー等が知られている。これらのプロセスでは、通常、二酸化炭素ガスを始めとする酸性ガスが副生される。副生された酸性ガスは化学吸収プロセス、物理吸収プロセス又は直接酸化プロセス等により除去される。これらの酸性ガス除去プロセスによると、除去された二酸化炭素は高純度のものである。高純度の二酸化炭素は様々な化学物質の原料として工業的に有用である。
【０００３】
一方、近年では、副生酸性ガスを除去するプロセスとして、ＰＳＡ（Pressure Swinging Adsorption）プロセスが採用されている（例えば非特許文献１参照）。ＰＳＡプロセスは、従来の化学吸収プロセスのようにアルカリ性廃液を排出しないこと、建設コストが比較的安価であること、並びに、石油精製プラントから排出される様々なオフガス中の水素ガスの回収も可能であること等の理由から、その需要が増大傾向にあり、現に水素製造にＰＳＡプロセスを利用した多くのプラントが建設されている。ところが、そのようなＰＳＡプロセスから排出されるオフガスは、二酸化炭素以外に水素を始めとするその他の軽質ガスも多く含んでおり、二酸化炭素の純度は、上述の従来の酸性ガス除去プロセスと比較すると低くなっている。そこで、ＰＳＡプロセスからのオフガスを化学物質の原料として用いるために、そのオフガスから二酸化炭素を高純度で分離し、かつ高い収率で回収する手段が要求されている。
【０００４】
ところで、石油精製プラントや石油化学プラントから排出される一般的なオフガスから二酸化炭素等の酸性ガスを分離する手法として、アルカノールアミンを含有する吸収液を利用した手法が知られている（例えば特許文献１参照）。この手法によると、吸収液に二酸化炭素を高選択的に吸収させた後、加熱により、その吸収液から二酸化炭素を放散させる。
【特許文献１】特開平８−１０５６５号公報
【非特許文献１】（社）石油学会編、「石油精製プロセス」、講談社、１９９８年５月２０日、ｐ３２４〜３２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水素製造装置にＰＳＡプロセスを応用した場合は、そのオフガスに水素が多く含まれているため、少なくとも水素及び二酸化炭素を含むオフガスから二酸化炭素を十分に高い純度で分離し、しかも高い収率で回収する必要がある。しかしながら、従来技術において、そのようなオフガスに含まれる二酸化炭素を分離する手法について十分に検討されたものはなかった。
【０００６】
オフガスに含まれる二酸化炭素を分離する手段の１つとして、アルカノールアミンに二酸化炭素を選択的に吸収させた後、そのアルカノールアミンを中空糸膜に透過して二酸化炭素を放散させた後、放散後のアルカノールアミンと二酸化炭素との混合物を分別する方法が考えられる。このように中空糸膜を用いて液体に吸収された気体を放散する場合、中空糸膜の束を備えた比較的小型の複数の膜ユニットに、気体を吸収している液体を並行に通過させることが有効であると、本発明者らは考えている。これは、系内における圧力損失を最小限に抑えるため、及び、中空糸膜を効率的に用いて放散性を向上させるためである。
【０００７】
膜ユニットは、例えば、工業用水中の不純物を濾過により除去する手段としても用いられている。このように膜ユニットを複数用いる場合、それらは通常、同一平面上で複数の直列に規則的に配置される。したがって、液体から気体を放散させるための膜ユニット（以下、「放散膜ユニット」という。）の配置方法についても、同様の態様で配置する方法が考えられる。
【０００８】
放散膜ユニットには、気体を吸収している液体を供給するための配管、放散後の気体を次のユニットに供給するための配管、放散後の液体を次のユニットに供給するための配管、並びに中空糸膜を透過しなかった液体を別のユニットに送液するための配管、と、１つの放散膜ユニット当たり最低４本の配管を接続する必要がある。また、放散膜ユニットは、直列に連結される濾過用の膜ユニットとは異なり、それぞれが並列に連結される。そのため、複数の放散膜ユニットから送出される気体及び液体は、他の膜ユニットを経由することなく、次の工程の装置に供給される。
【０００９】
この場合、例えば、複数の放散膜ユニットから次の工程の装置へ配管を接続しようとすると、次の工程の装置により近い位置にある放散膜ユニットが障害となって、より遠い位置にある放散膜ユニットからの配管を迂回させる必要がある。ところが、複数の放散膜ユニットが密接に設置されていると、迂回させる配管の空間を確保するのは困難となる。このように、複数の放散膜ユニットを同一平面上で複数の直列に規則的に配置しようとすると、配管の取り回しが極めて困難となる。また、配管の取り回しを可能にしようとすると、配管を迂回させる空間が必要となり、放散膜ユニットの集合体が占める土地は広大になるため、放散膜ユニットを設置する場所を確保することが困難となる。
【００１０】
そこで、本発明は上記事情にかんがみてなされたものであり、液体から気体を放散させるための膜ユニットを複数設置する場合に、省スペース化が十分に可能となる気体放散構造、及びその気体放散構造を備える気液分離装置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】
【００１１】
本発明は、中空糸膜の膜壁に液体を透過させて、液体中に吸収されている気体を放散するための気体放散構造であって、中空糸膜の束を備えた複数の膜ユニットは、放散後の液体及び気体を受け入れる槽に対して直管で接続されている気体放散構造を提供する。
【００１２】
本発明の気体放散構造によると、少なくとも、複数の膜ユニットのいずれからも、放散後の液体及び気体を受け入れる槽に直管状の配管を接続することができる。したがって、それらの配管を迂回させるための空間を確保する必要がなくなり、省スペース化が十分に可能となる。
【００１３】
また、膜ユニットと槽とを接続する配管の長さを短くすることができるので、配管における系内の圧力損失を抑制することが可能となる。
【００１４】
本発明の気体放散構造において、上記槽は円筒状の側壁を有し、複数の膜ユニットは、槽の側壁の外周側に上記槽を中心として放射状に配置されており、複数の膜ユニットから上記槽に放散後の液体及び気体を供給するための配管が、槽の側壁と、複数の膜ユニットの側壁とを連結していると好ましい。膜ユニットが槽を中心として放射状に配置されることで、更なる省スペース化が図れる。また、膜ユニットをこのように配置すると、配管の長さを一層短くすることが可能となるため、建設費の更なる削減が可能になるという利点も得られる。
【００１５】
本発明は、気体を吸収している液体から気体を分離するための気液分離装置であって、液体を上述の気体放散構造に通過させて、液体から気体を放散させる放散手段と、気体を放散した液体と気体との混合物から気体を分別する分別手段とを備える気液分離装置を提供する。この気液分離装置は、上述の気体放散構造を備えることにより、放散手段における省スペース化を図ることが可能となる。したがって、大容量の気体を分離する装置であっても、その装置を建設するための場所を容易に確保することができる。
【００１６】
本発明の気液分離装置は、液体に吸収されていない気体を液体と接触させて、その液体に当該気体を吸収させる吸収手段を更に備えてもよい。この吸収手段を備えると、本発明の気液分離装置は、気体の液体への吸収手段、液体からの気体の放散手段、及び液体と気体との分別手段を併有することになる。これにより、本発明の気液分離装置は、例えば混合ガスからの特定のガス成分の単離に用いることができる。
【００１７】
また、本発明の気液分離装置において、分別手段が上記槽を含んでもよく、上記槽から分別手段が備える別の槽に、放散後の液体及び気体を供給するための配管が接続されていてもよい。前者の場合、放散手段及び分別手段を極めて近接した位置に設置することが可能となるため、更なる省スペース化を実現することができる。また、後者の場合、気体及び液体を受け入れる上記槽は、放散手段と分別手段との間に位置する中間槽ともみなされる。
【００１８】
本発明の気液分離装置において、上述の気体は二酸化炭素であり、上記液体はアルカノールアミンを含む水溶液であり、吸収手段において上記水溶液に二酸化炭素を含む混合ガスを接触させてもよい。この気液分離装置は、混合ガスから二酸化炭素を選択的に分離する装置であり、石油プラントや石油化学プラントから排出されるオフガス中の二酸化炭素を分離する装置として有用である。本発明では、この装置を設置する際に十分な省スペース化を図ることができるので、ＰＳＡプラントから排出される大量のオフガスを集約して処理するのに、特に有利である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、液体から気体を放散させるための膜ユニットを複数設置する場合に、省スペース化が十分に可能となる気体放散構造を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
【００２１】
図１は、本発明の好適な第１の実施形態に係る気体放散構造を示す概略正面図であり、部分的に断面を示している。また、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。気体放散構造１００は、複数の膜ユニット１１０と、分別槽１２０とを備えている。膜ユニット１１０は、円筒状の側壁を有する分別槽１２０の外周側に上下２段で配置されており、各段１８個の膜ユニット１１０が、分別槽１２０を中心として放射状に具備されている。また、膜ユニット１１０は、円周上に配列して設けられている。なお、図１は、分別槽１２０の側壁を部分的に破断して、その内部を断面で示している。また図１において、分別槽１２０の、向かって前方に見えるべき膜ユニット１１０等は、説明の容易のため省略する。
【００２２】
膜ユニット１１０は、円筒状の側壁を有する耐圧槽内に、後述する１又は２以上の中空糸膜モジュールを設けてなるものである。この膜ユニット１１０は、その側壁のそれぞれ上部及び下部から側方に延びる直管状の配管Ｌ１１４及びＬ１１６、並びにその底部から延びるベンド配管Ｌ１１２により、分別槽１２０の円筒状の側壁に接続されている。
【００２３】
分別槽１２０は、その頂部に配管Ｌ１１９、底部に配管Ｌ１２０が接続されている。また、分別槽１２０の側壁の、下段の膜ユニット１１０に接続した配管Ｌ１１２よりも下方には、側方に延びる配管Ｌ１１０が接続されている。この配管Ｌ１１０は、分別槽１２０の内部に貫通しており、その内部で上方に曲げられた状態で延びている。配管Ｌ１１０は、上側のベンド配管Ｌ１１２が分別槽１２０に接続した位置よりも上方で閉じられている。
【００２４】
配管Ｌ１１１は、分別槽１２０内部における配管Ｌ１１０の側面から、分別槽１２０の内壁に向かって四方に水平に延びている。配管Ｌ１１１は、その中心が配管Ｌ１１２の分別槽１２０に対する接続部位の中心と一致するように、高さ位置が設定されている。なお、配管Ｌ１１０及びＬ１１１は、後述する放散後の液体及び気体が存在し得る空間に対して遮断されている。
【００２５】
配管Ｌ１１１及び配管Ｌ１１２は、環状の導液路Ｌ１５０を介して導通している。導液路Ｌ１５０は、分別槽１２０の内壁に沿って環状に形成されており、分別槽１２０内部において、後述する放散後の液体及び気体が存在し得る空間に対して遮断されている。導液路Ｌ１５０は、分別槽１２０の内壁側で配管Ｌ１１２に通じており、その反対側で配管Ｌ１１１に通じている。
【００２６】
複数の膜ユニット１１０の頂部からは、それぞれベンド配管Ｌ１１５が延びている。これらの配管Ｌ１１５は、分別槽１２０の外周に沿うようにして設けられた環状の配管Ｌ１１７とそれぞれ接続している。環状の配管Ｌ１１７は、更に配管Ｌ１１８に接続している。なお、図１において、分別槽１２０の、向かって前方に見えるべき下側の配管Ｌ１１７は、破線によって示されている。
【００２７】
また、全ての配管の径は、その中を流通する流体の種類及び実流量により、適宜決定される。
【００２８】
次に、この気体放散構造１００を用いた気体の放散及び分別について説明する。まず、予め気体を吸収した液体が、配管Ｌ１１０を通って、分別槽１２０内部に導入される。導入された液体は、配管Ｌ１１０から配管Ｌ１１１を経由して、導液路Ｌ１５０を流通する。導液路Ｌ１５０を流れた液体は、配管Ｌ１１２から、一旦分別槽１２０の外部に流通して膜ユニット１１０に供給される。
【００２９】
膜ユニット１１０は、耐圧槽内に１又は２以上の中空糸膜モジュールを設けてなるものである。中空糸膜モジュールは、公知の中空糸膜モジュールと同様の態様を有していてもよい。例えば、この中空糸膜モジュールは、円筒状に束ねられた複数の中空糸膜を、その円筒状の外径よりも僅かに大きな内径を有する円筒状の耐圧容器内に収容して形成されている。中空糸膜の膜壁の内径側から外径側に確実に液体を透過させるために、中空糸膜の束は、その両端における中空糸の内径側以外の部分で閉塞されている。また、この中空糸膜モジュールは、中空糸膜の軸方向を鉛直方向とほぼ合致させた状態で耐圧槽内に設置されている。中空糸膜モジュールは液体の流れに対し並列に接続されている。これにより、中空糸膜における圧力損失を考慮すると、処理量をより増大させることができる。
【００３０】
中空糸膜の材質は、プロセス条件における高い耐熱性、耐薬品性などの物理的・化学的特性を備えること、液体が膜壁を透過できるように、多孔質又は繊維状であって膜壁に細孔を有すること、並びに、透過した液体から吸収されていた気体が有効に放散できること、を同時に満足するものであれば特に限定されない。公知の中空糸膜の材質としては、例えば、アルミナ、窒化ケイ素、ポリエーテルスルホン及びポリスルホンが挙げられる。
【００３１】
中空糸膜の内径は０．５ｍｍ〜１０ｍｍであると好ましい。内径が上記下限値を下回ると送液の圧力損失が大きくなる傾向にある。また内径が上記上限値を下回ると中空糸膜モジュールの体積が大きくなり過ぎる傾向にある。
【００３２】
中空糸膜の膜厚は０．２ｍｍ〜２ｍｍであると好ましい。膜厚が上記下限値を下回ると耐圧性に劣る傾向にある。また膜厚が上記上限値を上回ると液透過性に劣る傾向にある。
【００３３】
中空糸膜における細孔径は０．０１μｍ〜１μｍであると好ましい。細孔径が上記下限値を下回ると液透過性に劣る傾向にある。また細孔径が上記上限値を下回ると液透過量の増大に伴い気体の放散量が低下する傾向にある。
【００３４】
配管Ｌ１１２から、膜ユニット１１０に供給された液体は、中空糸膜の下側開口部から、その内径側空間に流入し上方に向かって流動する。中空糸膜の内径側空間を流動する間、液体は、徐々に中空糸膜の膜壁の内径側から外径側に透過し、それと同時に気体を放散する。液体が中空糸膜の膜壁を透過する際には、圧力損失が生じるため、中空糸膜において上流側である内径側空間の方が下流側である外径側空間よりも高い圧力を有している。
【００３５】
中空糸膜の膜壁を透過し気体を放散した後の液体と、放散された気体との混合物は、中空糸膜の外径側空間から、配管Ｌ１１４及びＬ１１６を流動して、分別槽１２０内に供給される。この際、上側の配管Ｌ１１４には主として気体（揮発した液体を含む）が、下側の配管Ｌ１１６には主として液体が流通する。
【００３６】
なお、配管Ｌ１１２から膜ユニット１１０における中空糸膜の内径側空間に流入した液体の一部は、中空糸膜の膜壁を透過せずに中空糸膜の上側開口部からオーバーフローし、配管Ｌ１１５を経由して、配管Ｌ１１７、さらには配管Ｌ１１８を流通する。
【００３７】
分別槽１２０において、液体及びその液体から放散された気体が分離される。気体は分別槽１２０頂部に接続された配管Ｌ１１９から、液体は分別槽１２０底部に接続された配管Ｌ１２０から、それぞれ流出する。なお、分別槽１２０内部において、配管Ｌ１１０及びＬ１１１、並びに導液路Ｌ１５０は、放散前の液体と放散した後の気体及び液体とが直接接触しないように、その内外は遮断されている。
【００３８】
この気体放散構造１００によると、複数の膜ユニット１１０が分別槽１２０の外周側に放射状に並んでいるため、十分な省スペース化が可能となる。これは、全ての膜ユニット１１０が、分別槽１２０に対して、膜ユニット１１０から延びる直管である配管Ｌ１１４及びＬ１１６を接続可能なように配置されており、全ての膜ユニット１１０からの配管Ｌ１１４及びＬ１１６の長さを十分に短くすることができるためである。また、気体を吸収している液体を膜ユニット１１０に供給するための配管Ｌ１１０及びＬ１１１が、分別槽１２０内部に配置されているため、一層の省スペース化が実現されている。さらには、環状の配管Ｌ１１７が膜ユニット１１０の上方空間に配置されているため、更なる省スペース化が図れている。
【００３９】
気体放散構造１００は、膜ユニット１１０からの流体を、中間槽を介することなく、直接分別槽１２０に供給している。そのため、気体放散構造１００では中間槽を設ける必要がなくなり、一層の省スペース化が実現されている。
【００４０】
また、配管Ｌ１１４及びＬ１１６の長さを短くできるため、これらの配管内における圧力損失を低減することができる。さらには、放散後、分別前における気体及び液体の接触時間を短縮できるため、液体中への気体の再吸収を抑制することが可能となる。
【００４１】
次に、気体放散構造１００を具備した、本発明の好適な第２の実施形態に係る気液分離装置について説明する。理解の容易のため、ここでは、少なくとも水素及び二酸化炭素を含む混合ガスから二酸化炭素を分離するための装置としての気液分離装置について説明する。
【００４２】
図３は、第２の実施形態に係る気液分離装置である、二酸化炭素ガス分離装置を示すフロー図である。本実施形態に係る二酸化炭素ガス分離装置３００は、アルカノールアミンを含有する第１の吸収液に、水素及び二酸化炭素を含有する混合ガスを接触させて、その第１の吸収液に二酸化炭素を吸収させる第１吸収手段であるＣＯ２吸収塔３１０と、膜ユニット１１０において、二酸化炭素を吸収した第１の吸収液を中空糸膜の膜壁に透過させて、第１の吸収液から二酸化炭素を放散させると共に、分別槽１２０において、放散した二酸化炭素及び第１の吸収液の混合物から二酸化炭素を分別する第１放散分別手段である気体放散構造１００と、混合ガスのうち、第１の吸収液に吸収されなかったガス（以下、「未吸収ガス」という。）を、アルカノールアミンを含有する第２の吸収液に接触させて、その第２の吸収液に二酸化炭素を吸収させる第２吸収手段であるＣＯ２吸収塔３５０と、二酸化炭素を吸収した第２の吸収液を加熱して、第２の吸収液から二酸化炭素を放散させて分別する第２放散分別手段である放散分別塔３６０とを備える。
【００４３】
ＣＯ２吸収塔３１０は、従来のガス吸収塔と同様の、１又は２以上の棚段３１２を備える棚段塔であり、その底部側面には、混合ガスの供給ラインＬ１が接続されている。水素及び二酸化炭素を含有する混合ガスは、その供給ラインＬ１からＣＯ２吸収塔３１０に供給される。水素及び二酸化炭素を含有する混合ガスには、それらのガス成分以外のガス成分が含まれていてもよい。その混合ガスが水素製造装置のＰＳＡプロセスから排出されるオフガスである場合、二酸化炭素及び水素以外の主なガス成分として、通常メタン及び一酸化炭素が含まれている。
【００４４】
ＣＯ２吸収塔３１０の上部側面には、気体放散構造１００から流出した第１の吸収液であるリーン吸収液（以下、「第１リーン吸収液」という。）を供給するためのリーン吸収液供給ラインＬ１０が接続されている。ラインＬ１０の一部は上記配管Ｌ１２０である。第１リーン吸収液は、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）、ジエタノールアミン（ＤＥＡ）、ジイソプロパノールアミン（ＤＩＰＡ）及び／又はメチルジエタノールアミン（ＭＤＥＡ）に代表されるアルカノールアミンを含有する吸収液である。この第１リーン吸収液では、アルカノールアミンが水で希釈されている。
【００４５】
なお、本明細書では、理解を容易にするために、必要に応じて、二酸化炭素の含まれていない、あるいは二酸化炭素をほとんど含んでいない吸収液を「リーン吸収液」、二酸化炭素を多量に吸収した吸収液を「リッチ吸収液」と称する。
【００４６】
ＣＯ２吸収塔３１０の底部に供給された混合ガスは、塔内で、上側から落下してくる第１リーン吸収液と接触し、その中の二酸化炭素が選択的に第１リーン吸収液に吸収される。この際、ＣＯ２吸収塔３１０は棚段３１２を備えているため、第１リーン吸収液は混合ガスと効率よく接触でき、混合ガス中の二酸化炭素を十分に捕捉、吸収できる。棚段３１２の段数は特に限定されず、所望の二酸化炭素の第１リーン吸収液への吸収効率、及び混合ガスのＣＯ２吸収塔３１０への供給量などに基づき適宜決定すればよい。
【００４７】
混合ガスから第１リーン吸収液に吸収されなかった未吸収ガスは、ＣＯ２吸収塔３１０頂部に接続されている塔頂ガスラインＬ１２を経由して、ＣＯ２吸収塔３５０に供給される。この未吸収ガス中には混合ガスに含まれていた水素、メタン及び一酸化炭素の大部分、第１リーン吸収液に吸収されなかった少量の二酸化炭素、並びに揮発した少量の水が含まれる。一方、混合ガス中の二酸化炭素を選択的に吸収した第１の吸収液である第１リッチ吸収液は、ＣＯ２吸収塔３１０の底部に接続されたリッチ吸収液流出ラインＬ２から流出する。この第１リッチ吸収液に吸収されたガス成分は、そのほとんどが二酸化炭素であるが、僅かながらにメタン、水素及び一酸化炭素が含まれている場合もある。
【００４８】
ＣＯ２吸収塔３１０の底部温度は熱交換器Ｔ１により調整され、底部圧力は、混合ガスの供給ラインＬ１の前段に設置されているガス圧縮機（図示せず。）により調整される。
【００４９】
ＣＯ２吸収塔３１０から流出した第１リッチ吸収液は、好ましくはＣＯ２吸収塔３１０底部の液面高さに応じて弁開度を制御されるバルブＶ１を経由して、後に詳述する循環槽３４０底部から流出する第１リッチ吸収液と合流してラインＬ３を流通する。次いで、ラインＬ３からラインＬ４を通過して、気体放散構造１００に供給される。気体放散構造１００に接続したラインＬ４の配管は配管Ｌ１１０である。
【００５０】
気体放散構造１００では、配管Ｌ１１０、Ｌ１１１、Ｌ１５０及びＬ１１２を経て、膜ユニット１１０に第１リッチ吸収液が供給される。供給された第１リッチ吸収液は、中空糸膜の下側開口部から、その内径側空間に流入し上方に向かって流動する。中空糸膜の内径側空間を流動する間、第１リッチ吸収液は、徐々に中空糸膜の膜壁の内径側から外径側に透過し、それと同時に二酸化炭素を放散する。第１リッチ吸収液が中空糸膜の膜壁を透過する際には、圧力損失が生じるため、中空糸膜において上流側である内径側空間の方が下流側である外径側空間よりも高い圧力を有している。
【００５１】
中空糸膜の外径側空間は、後述する真空コンプレッサー（図示せず）により大気圧未満の圧力に調整されている。より詳細には、中空糸膜の外径側空間における圧力は、５０〜１５０ｍｍＨｇであると好ましい。この圧力が５０ｍｍＨｇを下回ると、分離した二酸化炭素に随伴する水の割合が著しく増大し、真空コンプレッサーの建設費及び電力消費が大きくなる傾向にあり、また、全体的に二酸化炭素ガス分離装置３００の体積が増えることにより、装置全体の建設コスト及び運転コストが増大し過ぎる傾向にある。この圧力が１５０ｍｍＨｇを超えると、膜ユニットにおける第１の吸収液からの二酸化炭素の放散が不十分となるため、吸収液循環量が著しく増大する傾向にある。中空糸膜の内径側空間と外径側空間との間の圧力差は大きい方が好ましいものの、中空糸膜の耐久圧力の限界値にもよる。
【００５２】
中空糸膜の膜壁を透過し二酸化炭素を放散した後の第１の吸収液、すなわち再生された第１リーン吸収液と、放散された二酸化炭素との混合物は、中空糸膜の外径側空間を流動する。中空糸膜の外径側空間は配管Ｌ１１４及びＬ１１６を介して分別槽１２０の内部空間に通じており、第１リーン吸収液及び二酸化炭素の混合物は、それらの配管Ｌ１１４及びＬ１１６を経て、分別槽１２０の内部空間に供給される。なお、第１の吸収液から一旦放散された二酸化炭素は、大気圧未満の圧力に調整されている系内を流動している間は、第１の吸収液に再吸収され難くなっている。
【００５３】
中空糸膜の内径側空間に流入した第１リッチ吸収液の一部は、中空糸膜の膜壁を透過せずに中空糸膜の上側開口部からオーバーフローし、配管Ｌ１１５及びＬ１１７、並びに配管Ｌ１１８を有するオーバーフローラインＬ６を経由して、循環槽３４０に供給される。循環槽３４０に供給された第１リッチ吸収液は、循環槽３４０の底部に接続している循環ラインＬ１１に設けられた循環ライン底部ポンプＰ２によって、循環ラインバルブＶ５を経由して送出され、リッチ吸収液流出ラインＬ２からの第１リッチ吸収液と合流してラインＬ３を流通する。
【００５４】
分別槽１２０の頂部には配管Ｌ１１９を有するＣＯ２回収ラインＬ９、底部には配管Ｌ１２０を有するリーン吸収液供給ラインＬ１０がそれぞれ接続されている。ＣＯ２回収ラインＬ９の途中には真空コンプレッサーが設けられている。リーン吸収液供給ラインＬ１０には気体放散構造１００（分別槽１２０）側からＣＯ２吸収塔３１０に向かって、リーン吸収液送出ポンプＰ１、熱交換器Ｔ１及びバルブＶ３がこの順で設けられている。
【００５５】
分別槽１２０の内部空間に供給された第１リーン吸収液及び二酸化炭素の混合物は、分別槽１２０底部に接続されたリーン吸収液供給ラインＬ１０から第１リーン吸収液が流出し、分別槽１２０頂部に接続されたＣＯ２回収ラインＬ９から二酸化炭素が流出することで分別される。分別槽１２０底部の第１リーン吸収液は、リーン吸収液送出ポンプＰ１の作動により、リーン吸収液供給ラインＬ１０に流出する。リーン吸収液送出ポンプＰ１を経由した第１リーン吸収液は、熱交換器Ｔ１を通過して適宜温度調整された後、バルブＶ３を介して、ＣＯ２吸収塔３１０に供給される。なお、熱交換器Ｔ１の熱源としては水蒸気又は他のプロセスの加熱流体などが用いられる。
【００５６】
第１リーン吸収液中のアルカノールアミンの種類は、水素及び二酸化炭素以外に混合ガスに含まれるガス成分の種類などにより適宜選択すればよい。混合ガスが水素製造装置のＰＳＡプロセスから排出されるオフガスであり、メタン及び一酸化炭素をも含有する場合、ＣＯ２吸収塔１０における二酸化炭素を高選択的に吸収できる観点から、ＭＥＡ、ＤＥＡ及び／又はＤＩＰＡが好ましく、ＭＥＡ及び／又はＤＥＡがより好ましい。また、膜ユニット１１０における二酸化炭素の放散効率の観点から、ＭＥＡ及び／又はＤＥＡが好ましく、ＤＥＡがより好ましい。以上を総合的に考慮すると、第１リーン吸収液中のアルカノールアミンとしては、ＭＥＡ及び／又はＤＥＡが好ましく、ＤＥＡがより好ましい。
【００５７】
ＣＯ２回収ラインＬ９には、二酸化炭素と共に、水蒸気が少量流出する。流出した水蒸気は凝縮器としての熱交換器（図示せず。）で水に凝縮され、還流ライン（図示せず。）から液体の状態で再び分別槽１２０に戻されてもよい。この場合、還流ラインには、ＣＯ２吸収塔３１０等から系外に排出された水を補充するために、補給水を供給するライン（図示せず。）が接続されていてもよい。
【００５８】
分別槽１２０内の圧力は、真空コンプレッサーにより大気圧未満に調整されている。分別槽１２０はリボイラーを備えていないため、その圧力は、第１リーン吸収液と二酸化炭素とをより確実に分別する観点、並びに上述の中空糸膜の外径側空間における好適な圧力を確保する観点から、（５０−α）ｍｍＨｇ〜（１５０−α）ｍｍＨｇであると好ましい。ここで、αは中空糸膜の外径側空間から分別槽１２０までの圧力損失（単位：ｍｍＨｇ）を示す。αは装置設計の際に建設費及び運転費のバランスを勘案して設定される。
【００５９】
ＣＯ２吸収塔３５０は、従来のガス吸収塔と同様の蒸留塔であり、１又は２以上の棚段を備える公知の棚段塔であってもよく、塔内に不規則充填物又は規則充填物等が充填された公知の充填式蒸留塔であってもよい。その底部側面には、未吸収ガスの供給ラインであるＣＯ２吸収塔３１０からの塔頂ガスラインＬ１２が接続されている。未吸収ガスは、その塔頂ガスラインＬ１２からＣＯ２吸収塔３５０に供給される。未吸収ガスには、混合ガスに含まれていた水素、メタン及び一酸化炭素の大部分と、第１リーン吸収液に吸収されなかった少量の二酸化炭素、並びに揮発した少量の水が含まれる。
【００６０】
ＣＯ２吸収塔３５０の上部側面には、後に詳述する放散分別塔３６０の底部から流出した第２の吸収液であるリーン吸収液（以下、「第２リーン吸収液」という。）を供給するためのリーン吸収液供給ラインＬ１９が接続されている。第２リーン吸収液は、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）、ジエタノールアミン（ＤＥＡ）、ジイソプロパノールアミン（ＤＩＰＡ）及び／又はメチルジエタノールアミン（ＭＤＥＡ）に代表されるアルカノールアミンを含有する吸収液である。この第２リーン吸収液では、アルカノールアミンが水で希釈されている。
【００６１】
ＣＯ２吸収塔３５０の底部に供給された未吸収ガスは、塔内で、上側から落下してくる第２リーン吸収液と接触し、その中の二酸化炭素が選択的に第２リーン吸収液に吸収される。この際、ＣＯ２吸収塔３５０は棚段及び／又は充填物を備えているため、第２リーン吸収液は未吸収ガスと効率よく接触でき、未吸収ガス中の二酸化炭素を十分に捕捉、吸収できる。
【００６２】
未吸収ガスから第２リーン吸収液に吸収されなかったガスは、ＣＯ２吸収塔３５０頂部に接続されている塔頂ガスラインＬ２０から排出される。このガス中には未吸収ガスに含まれていた水素、メタン及び一酸化炭素の大部分と、第２リーン吸収液に吸収されなかったごく僅かの二酸化炭素、並びに揮発した少量の水が含まれる。一方、未吸収ガス中の二酸化炭素を選択的に吸収した第２の吸収液である第２リッチ吸収液は、ＣＯ２吸収塔３５０の底部に接続されたリッチ吸収液流出ラインＬ１４から流出する。この第２リッチ吸収液に吸収されたガス成分は、そのほとんどが二酸化炭素であるが、僅かながらにメタン、水素及び一酸化炭素が含まれている場合もある。
【００６３】
ＣＯ２吸収塔３５０の底部温度は熱交換器Ｔ３により調整される。
【００６４】
ＣＯ２吸収塔３５０から流出した第２リッチ吸収液は、熱交換器Ｔ２を経由して、放散分別塔３６０に供給される。放散分別塔３６０は、従来のいわゆるガス再生塔と同様の蒸留塔であり、１又は２以上の棚段を備える公知の棚段塔であってもよく、塔内に不規則充填物又は規則充填物等が充填された公知の充填式蒸留塔であってもよい。その上部側面には、第２リッチ吸収液の供給ラインであるＣＯ２吸収塔３５０からのリッチ吸収液流出ラインＬ１４が接続されている。第２リッチ吸収液は、そのリッチ吸収液流出ラインＬ１４から放散分別塔３６０に供給される。
【００６５】
放散分別塔３６０に供給された第２リッチ吸収液は、塔内で加熱されて二酸化炭素を放散する。第２リッチ吸収液の加熱処理は、放散分別塔３６０の底部から、リボイラーとして機能する熱交換器Ｔ５に通過させて、リボイラーラインＬ１８により塔内に戻すことで行われる。熱交換器Ｔ５は、第２の吸収液を加熱するためのものであり、蒸気又は他のプロセスの加熱流体を熱源とする。熱源の流量や温度、並びに第２の吸収液の熱交換器Ｔ５での流通量を調整することにより、放散分別塔３６０内の温度が制御される。
【００６６】
加熱により第２リッチ吸収液から放散された二酸化炭素、及び水蒸気は、塔頂ラインＬ１５から抜き出される。これらのうち、水蒸気はコンデンサーＴ４によって水に凝縮し、ラインＬ１７を経由して放散分別塔３６０に戻される。コンデンサーＴ４における冷却方式としては、水冷又は空冷が用いられる。また、二酸化炭素はＣＯ２回収ラインＬ１６を通過して回収される。
【００６７】
放散分別塔３６０では、その塔内の加熱温度を制御することで、第２リッチ吸収液中の二酸化炭素を十分選択的に放散することができる。
【００６８】
放散分別塔３６０底部の第２リーン吸収液は、リーン吸収液送出ポンプＰ３の作動により、リーン吸収液供給ラインＬ１９に流出する。リーン吸収液送出ポンプＰ３を経由した第２リーン吸収液は、熱交換器Ｔ２を通過してある程度冷却され、更に熱交換器Ｔ３を通過して温度調整された後、ＣＯ２吸収塔３５０に供給される。熱交換器Ｔ２では第２リッチ吸収液が第２リーン吸収液に加熱されるため、リボイラーとして機能する熱交換器Ｔ５での加熱量を低減することができる。また熱交換器Ｔ３における冷媒としては、水又は他のプロセスの冷却流体が用いられる。
【００６９】
この気液分離装置３００によると、気体放散構造１００を備えることにより、この装置を設置する際に十分な省スペース化を図ることができるので、ＰＳＡプラントから排出される大量のオフガスを集約して処理するのに、特に有利である。
【００７０】
また、この気液分離装置３００は、特に配管Ｌ１１４及びＬ１１６の長さを一層短くすることが可能となるため、建設費の更なる削減が可能になる、という利点を有する。
【００７１】
次いで、本発明の好適な第３の実施形態に係る気体放散構造について説明する。図４は、第３の実施形態に係る気体放散構造を示す概略正面図である。気体放散構造４００は、複数の膜ユニット４１０と、緩衝槽４２０とを備えている。複数の膜ユニット４１０は、円筒状の側壁を有する緩衝槽４２０の外周側に、緩衝槽４２０を中心として放射状に配置されている。複数の膜ユニット４１０は、円周上に配列して設けられている。なお、図４では、膜ユニット４１０等によって隠れている部分を一部破線により示している。
【００７２】
膜ユニット４１０は、円筒状の側壁を有する耐圧槽内に、上述と同様の中空糸膜モジュールを設けてなるものである。この膜ユニット４１０は、その側壁のそれぞれ上部及び下部から側方に延びる直管状の配管Ｌ４１４及びＬ４１６により、緩衝槽４２０の円筒状の側壁に接続されている。
【００７３】
緩衝槽４２０は、その頂部に配管Ｌ４１９、底部に配管Ｌ４２０が接続されている。また、緩衝槽４２０の内部は空洞になっている。
【００７４】
複数の膜ユニット４１０の底部からは、それぞれ配管Ｌ４１２が下方に延びている。これらの配管Ｌ４１２は、緩衝槽４２０の外周に沿うようにして設けられた環状の配管Ｌ４１１とそれぞれ接続している。環状の配管Ｌ４１１は、側方に延びる配管Ｌ４１０に接続している。
【００７５】
複数の膜ユニット４１０の頂部からは、それぞれ配管Ｌ４１５が上方に延びている。これらの配管Ｌ４１５は、緩衝槽４２０の外周に沿うようにして設けられた環状の配管Ｌ４１７とそれぞれ接続している。環状の配管Ｌ４１７は、側方に延びる配管Ｌ４１８に接続している。
【００７６】
また、全ての配管の径は、その中を流通する流体の種類及び実流量により、適宜決定される。
【００７７】
次に、この気体放散構造４００を用いた気体の放散について説明する。まず、予め気体を吸収した液体が、配管Ｌ４１０を通り、更に配管Ｌ４１１及びＬ４１２を経由して、膜ユニット４１０に供給される。
【００７８】
膜ユニット４１０は、耐圧槽内に１又は２以上の中空糸膜モジュールを設けてなるものである。中空糸膜モジュールは、例えば、第１の実施形態と同様の態様を有している。また、中空糸膜の材質、内径、膜厚及び細孔径は、第１の実施形態と同様のものを採用すればよい。
【００７９】
配管Ｌ４１２から、膜ユニット４１０に供給された液体は、膜ユニット４１０内において、膜ユニット１１０内における作用と同様にして、気体を放散する。中空糸膜の膜壁を透過し気体を放散した後の液体と、放散された気体との混合物は、中空糸膜の外径側空間から、配管Ｌ４１４及びＬ４１６を流動して、緩衝槽４２０内に供給される。この際、上側の配管Ｌ４１４には主として気体（揮発した液体を含む）が、下側の配管Ｌ４１６には主として液体が流通する。
【００８０】
なお、配管Ｌ４１２から膜ユニット４１０における中空糸膜の内径側空間に流入した液体の一部は、中空糸膜の膜壁を透過せずに中空糸膜の上側開口部からオーバーフローし、配管Ｌ４１５を経由して、配管Ｌ４１７、さらには配管Ｌ４１８を介して流出する。
【００８１】
緩衝槽４２０は、主として、気体放散構造４００における運転条件の急激な変動に起因する、後段の機器の運転条件の変動を抑制するために設けられた中間槽である。この緩衝槽４２０では、液体及びその液体から放散された気体が一部分離される。気体の一部及びそれに同伴する液体は緩衝槽４２０頂部に接続された配管Ｌ４１９から、液体の大部分及び気体の一部は緩衝槽４２０底部に接続された配管Ｌ４２０から、それぞれ流出する。
【００８２】
この気体放散構造４００によっても、複数の膜ユニット４１０が緩衝槽４２０の外周側に放射状に並んでいるため、十分な省スペース化が可能となる。これは、全ての膜ユニット４１０が、緩衝槽４２０に対して、膜ユニット４１０から延びる直管である配管Ｌ４１４及びＬ４１６を接続可能なように配置されており、全ての膜ユニット４１０からの配管Ｌ４１４及びＬ４１６の長さを十分に短くすることができるためである。また、環状の配管Ｌ４１１が膜ユニット４１０の下方空間に、配管Ｌ４１７が膜ユニット４１０の上方空間にそれぞれ配置されているため、更なる省スペース化が図れている。
【００８３】
また、配管Ｌ４１４及びＬ４１６の長さを短くできるため、これらの配管内における圧力損失を低減することができる。さらには、放散後、分別前における気体及び液体の接触時間を短縮できるため、液体中への気体の再吸収を抑制することが可能となる。
【００８４】
次に、気体放散構造４００を具備した、本発明の好適な第４の実施形態に係る気液分離装置について説明する。理解の容易のため、ここでは、少なくとも水素及び二酸化炭素を含む混合ガスから二酸化炭素を分離するための装置としての気液分離装置について説明する。
【００８５】
図５は、第４の実施形態に係る気液分離装置である、二酸化炭素ガス分離装置を示すフロー図である。本実施形態に係る二酸化炭素ガス分離装置５００は、アルカノールアミンを含有する吸収液に、水素及び二酸化炭素を含有する混合ガスを接触させて、その吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収手段であるＣＯ２吸収塔５１０と、膜ユニット４１０において、二酸化炭素を吸収した吸収液を中空糸膜の膜壁に透過させて、吸収液から二酸化炭素を放散させる放散手段である気体放散構造４００と、放散した二酸化炭素及び吸収液の混合物から二酸化炭素を分別する分別手段である分別槽５３０とを備える。吸収液は第２の実施形態における第１の吸収液に相当する。
【００８６】
ＣＯ２吸収塔５１０は、第２の実施形態におけるＣＯ２吸収塔３１０に相当し、同様に機能する。その底部側面には、混合ガスの供給ラインＬ５０１が接続されている。水素及び二酸化炭素を含有する混合ガスは、その供給ラインＬ５０１からＣＯ２吸収塔５１０に供給される。水素及び二酸化炭素を含有する混合ガスの組成は、第２の実施形態における混合ガスと同様である。
【００８７】
ＣＯ２吸収塔５１０の上部側面には、分別槽５３０の底部から流出したリーン吸収液を供給するためのリーン吸収液供給ラインＬ５１０が接続されている。ラインＬ５１０の一部は上記配管Ｌ４２０である。
【００８８】
ＣＯ２吸収塔５１０において、混合ガスからリーン吸収液に吸収されなかった未吸収ガスは、ＣＯ２吸収塔５１０頂部に接続されている塔頂ガスラインＬ５１２から流出する。一方、混合ガス中の二酸化炭素を選択的に吸収した吸収液であるリッチ吸収液は、ＣＯ２吸収塔５１０の底部に接続されたリッチ吸収液流出ラインＬ５０２から流出する。
【００８９】
ＣＯ２吸収塔５１０の底部温度は熱交換器Ｔ５０１により調整され、底部圧力は、混合ガスの供給ラインＬ５０１の前段に設置されているガス圧縮機（図示せず。）により調整される。
【００９０】
ＣＯ２吸収塔５１０から流出したリッチ吸収液は、好ましくはＣＯ２吸収塔５１０底部の液面高さに応じて弁開度を制御されるバルブＶ５０１を経由して、循環槽５４０底部から流出するリッチ吸収液と合流してラインＬ５０３を流通する。次いで、ラインＬ５０３からラインＬ５０４を通過して、気体放散構造４００に供給される。気体放散構造４００に接続したラインＬ５０４の配管は配管Ｌ４１０である。
【００９１】
気体放散構造４００では、配管Ｌ４１０、Ｌ４１１及びＬ４１２を経て、膜ユニット４１０にリッチ吸収液が供給される。供給されたリッチ吸収液は、中空糸膜の下側開口部から、その内径側空間に流入し上方に向かって流動する。中空糸膜の内径側空間を流動する間、リッチ吸収液は、徐々に中空糸膜の膜壁の内径側から外径側に透過し、それと同時に二酸化炭素を放散する。リッチ吸収液が中空糸膜の膜壁を透過する際には、圧力損失が生じるため、中空糸膜において上流側である内径側空間の方が下流側である外径側空間よりも高い圧力を有している。中空糸膜の外径側空間は、第２の実施形態と同様に、真空コンプレッサーにより大気圧未満の圧力に調整されている。
【００９２】
中空糸膜の膜壁を透過し二酸化炭素を放散した後の吸収液、すなわち再生されたリーン吸収液と、放散された二酸化炭素との混合物は、中空糸膜の外径側空間を流動する。中空糸膜の外径側空間は配管Ｌ４１４及びＬ４１６を介して緩衝槽４２０の内部空間に通じており、リーン吸収液及び二酸化炭素の混合物は、それらの配管Ｌ４１４及びＬ４１６を経て、緩衝槽４２０の内部空間に供給される。なお、吸収液から一旦放散された二酸化炭素は、大気圧未満の圧力に調整されている系内を流動している間は、第１の吸収液に再吸収され難くなっている。
【００９３】
中空糸膜の内径側空間に流入したリッチ吸収液の一部は、中空糸膜の膜壁を透過せずに中空糸膜の上側開口部からオーバーフローし、配管Ｌ４１５及びＬ４１７、並びに配管Ｌ４１８を有するオーバーフローラインＬ５０６を経由して、そのオーバーフローラインＬ５０６に接続された循環槽５４０に供給される。循環槽５４０に供給されたリッチ吸収液は、循環槽５４０の底部に接続している循環ラインＬ５１１に設けられた循環ライン底部ポンプＰ５０２によって、循環ラインバルブＶ５０５を経由して送出され、リッチ吸収液流出ラインＬ５０２からのリッチ吸収液と合流してラインＬ５０３を流通する。
【００９４】
緩衝槽４２０の頂部には配管Ｌ４１９を有するガスラインＬ５０５、底部には配管Ｌ４２０を有する混合物ラインＬ５１５がそれぞれ接続されている。放散された二酸化炭素の一部及び揮発した水は、中空糸膜の外径側空間から分別槽５３０の側面上部に接続されたガスラインＬ５０５を経由して、分別槽５３０に供給される。一方、リーン吸収液及び二酸化炭素の混合物は、中空糸膜の外径側空間から分別槽５３０の側面下部に接続された混合物ラインＬ５１５を経由して分別槽５３０に供給される。これらガスラインＬ５０５及び混合物ラインＬ５１５は、いずれも大気圧未満の圧力に調整されている。
【００９５】
なお、気体放散構造４００は、所望の処理量に応じて、単独で設けられてもよく、あるいは複数を吸収液の流れに対して並行に設けられてもよい。
【００９６】
分別槽５３０の頂部にはＣＯ２回収ラインＬ５０９、底部にはリーン吸収液供給ラインＬ５１０がそれぞれ接続されている。ＣＯ２回収ラインＬ５０９の途中には真空コンプレッサー（図示せず。）が設けられている。リーン吸収液供給ラインＬ５１０には分別槽５３０側からＣＯ２吸収塔５１０に向かって、リーン吸収液送出ポンプＰ５０１、熱交換器Ｔ５０１及びバルブＶ５０３がこの順で設けられている。
【００９７】
分別槽５３０は、公知の気液分離器であってもよい。その側面上部には気体放散構造４００に導通しているガスラインＬ５０５、側面下部には同じく気体放散構造４００に導通している混合物ラインＬ５１５がそれぞれ接続されている。また、分別槽５３０の頂部にはＣＯ２回収ラインＬ５０９、底部にはリーン吸収液供給ラインＬ５１０がそれぞれ接続されている。ＣＯ２回収ラインＬ５０９の途中には真空コンプレッサー（図示せず。）が設けられている。リーン吸収液供給ラインＬ５１０には分別槽５３０側からＣＯ２吸収塔５１０に向かって、リーン吸収液送出ポンプＰ５０１、熱交換器Ｔ５０１及びバルブＶ５０３がこの順で設けられている。
【００９８】
分別槽５３０に供給されたリーン吸収液及び二酸化炭素の混合物は、分別槽５３０底部に接続されたリーン吸収液供給ラインＬ５１０からリーン吸収液が流出し、分別槽５３０頂部に接続されたＣＯ２回収ラインＬ５０９から二酸化炭素が流出することで分別される。分別槽５３０底部のリーン吸収液は、リーン吸収液送出ポンプＰ５０１の作動により、リーン吸収液供給ラインＬ５１０に流出する。リーン吸収液送出ポンプＰ５０１を経由したリーン吸収液は、熱交換器Ｔ５０１を通過して適宜温度調整された後、バルブＶ５０３を介して、ＣＯ２吸収塔５１０に供給される。なお、熱交換器Ｔ５０１の熱源としては水蒸気又は他のプロセスの加熱流体などが用いられる。
【００９９】
ＣＯ２回収ラインＬ５０９には、二酸化炭素と共に、水蒸気が少量流出する。流出した水蒸気は凝縮器としての熱交換器（図示せず。）で水に凝縮され、還流ライン（図示せず。）から液体の状態で再び分別槽５３０に戻されてもよい。また、還流ラインには、ＣＯ２吸収塔５１０等から系外に排出された水を補充するために、補給水を供給するライン（図示せず。）が接続されていてもよい。
【０１００】
分別槽５３０内の圧力は、真空コンプレッサーにより大気圧未満に調整されている。分別槽５３０はリボイラーを備えていないため、その圧力は、リーン吸収液と二酸化炭素とをより確実に分別する観点、並びに上述の中空糸膜の外径側空間における好適な圧力を確保する観点から、（５０−α）ｍｍＨｇ〜（１５０−α）ｍｍＨｇであると好ましい。ここで、αは中空糸膜の外径側空間から分別槽５３０までの圧力損失（単位：ｍｍＨｇ）を示す。αは装置設計の際に建設費及び運転費のバランスを勘案して設定される。
【０１０１】
この気液分離装置５００によると、気体放散構造４００を備えることにより、この装置を設置する際に十分な省スペース化を図ることができるので、ＰＳＡプラントから排出される大量のオフガスを集約して処理するのに有利である。
【０１０２】
以上説明した本発明の好適な実施形態によると、二酸化炭素などの気体を吸収した吸収液などの液体を、膜ユニットにおける中空糸膜の膜壁に透過させることにより、まず液体から気体を放散させる。更に、気体を放散した後の液体と気体との混合物を分別手段により分別する。この際、中空糸膜の外径側空間から分別手段までのプロセス圧力を大気圧未満の圧力に維持することにより、一旦放散された気体が液体に再吸収されることを十分に防止する。これらにより、液体を加熱しなくても、気体を十分に放散・分別することができる。中空糸膜の下流側を大気圧未満の圧力に減圧することによって、液体から気体を十分に放散できる要因は現在のところ詳細には明らかにされていない。しかしながら、本発明者らは、中空糸膜の微細構造（例えば細孔径）や、大気圧未満への減圧に伴う気体と液体との間の吸収平衡の変化などに、その要因があると考えている。ただし要因はこれに限定されない。
【０１０３】
また、リボイラーを備える再生塔で液体を加熱することにより、液体からの気体の放散及び分別を一度に行っていた従来の気液分離プロセスとは異なり、液体を加熱する必要がない。更に液体を加熱していなくても、液体中に吸収されている気体は少ない。そのため、液体の加熱に伴う変性や劣化が極めて生じ難く、変性、劣化した液体を系外に排出したり、新たな液体を系内に導入したりする必要はほとんどない。また、液体の劣化が十分に抑制されることにより、液体が流通したり滞留したりする配管機器における材質腐食が発生し難くなる。その結果、配管機器の材質腐食に伴うメンテナンス費用やその頻度を低減できる。また、配管機器の材質として、耐食性の高い高級な材質を選択する必要もないため、設備投資を低く抑えることができる。これらと本発明による省スペース化とが相俟って、本発明の好適な実施形態は、スループット（処理量）の大きな水素製造装置のＰＳＡプロセスから排出されたオフガスから二酸化炭素を分離する場合に、特に好適に用いられる。
【０１０４】
また、第２の実施形態では、ＣＯ２吸収塔３１０で第１リーン吸収液に吸収できなかった二酸化炭素を、ＣＯ２吸収塔３５０で第２リーン吸収液に吸収し、更に放散分別塔３６０で第２リッチ吸収液から放散して回収することにより、二酸化炭素を極めて高い収率で回収することができる。しかも、混合ガス中の大部分の二酸化炭素は、第１の吸収液側で吸収及び放散されて回収される。そのため、従来のオフガス回収プロセスにおいて用いられる吸収液に対して、装置全体におけるオフガス処理量当たりの熱負荷を低減することができる。このことは、吸収液の加熱に伴うエネルギー使用量の低下に繋がると共に、系内の配管機器の材質腐食や吸収液使用量の削減に寄与することを意味する。
【０１０５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、本発明による気体放散構造は、気体放散構造１００に代えて、図６に概略正面図、図７にそのＢ−Ｂ線に沿った断面図を示す気体放散構造６００であってもよい。
【０１０６】
気体放散構造６００は、複数の膜ユニット６１０と、分別槽６２０とを備えている。分別槽６２０は、円筒状の上側小径部６２２と、上側小径部６２２よりも大きな径を有した円筒状の側壁、ドーム状の頂壁及び底壁を有し、上側小径部６２２の下方に一体不可分に設けられた下側大径部６２４とからなる。膜ユニット６１０は、分別槽６２０の上側小径部６２２の外周側に、上側小径部６２２を中心として放射状に配置されている。なお、図６において、分別槽６２０の、向かって前方に見えるべき膜ユニット６１０等は、説明の容易のため省略する。
【０１０７】
膜ユニット６１０は、気体放散構造１００における膜ユニット１１０と同様のものである。この膜ユニット６１０は、その側壁のそれぞれ上部及び下部から側方に延びる直管状の配管Ｌ６１４及びＬ６１６により、上側小径部６２２の円筒状の側壁に接続されている。
【０１０８】
分別槽６２０は、その下側大径部６２４の頂壁に上方に延びる２本の配管Ｌ６１９ａ、ｂが接続されている。また、その底部に配管Ｌ６２０が接続されている。分別槽６２０の上側小径部６２２、並びに配管Ｌ６１９ａ、ｂは、その上端において、側方に延びる配管Ｌ６１９ｃと接続している。分別槽６２０の内部は空洞になっている。
【０１０９】
複数の膜ユニット６１０の底部からは、それぞれ配管Ｌ６１２が下方に延びている。これらの配管Ｌ６１２は、上側小径部６２２の外周に沿うようにして設けられた環状の配管Ｌ６１１とそれぞれ接続している。環状の配管Ｌ６１１は、側方に延びる配管Ｌ６１０に接続している。
【０１１０】
複数の膜ユニット６１０の頂部からは、それぞれ配管Ｌ６１５が上方に延びている。これらの配管Ｌ６１５は、上側小径部６２２の外周に沿うようにして設けられた環状の配管Ｌ６１７とそれぞれ接続している。環状の配管Ｌ６１７は、側方に延びる配管Ｌ６１８に接続している。
【０１１１】
また、全ての配管の径は、その中を流通する流体の種類及び実流量により、適宜決定される。
【０１１２】
次に、この気体放散構造６００を用いた気体の放散及び分別について説明する。まず、予め気体を吸収した液体が、配管Ｌ６１０を通り、更に配管Ｌ６１１及びＬ６１２を経由して、膜ユニット６１０に供給される。
【０１１３】
膜ユニット６１０は、耐圧槽内に１又は２以上の中空糸膜モジュールを設けてなるものである。中空糸膜モジュールは、例えば、第１の実施形態と同様の態様を有している。また、中空糸膜の材質、内径、膜厚及び細孔径は、第１の実施形態と同様のものを採用すればよい。
【０１１４】
配管Ｌ６１２から、膜ユニット６１０に供給された液体は、膜ユニット６１０内において、膜ユニット１１０内における作用と同様にして、気体を放散する。中空糸膜の膜壁を透過し気体を放散した後の液体と、放散された気体との混合物は、中空糸膜の外径側空間から、配管Ｌ６１４及びＬ６１６を流動して、上側小径部６２２内に供給される。この際、上側の配管Ｌ６１４には主として気体（揮発した液体を含む）が、下側の配管Ｌ６１６には主として液体が流通する。
【０１１５】
なお、配管Ｌ６１２から膜ユニット６１０における中空糸膜の内径側空間に流入した液体の一部は、中空糸膜の膜壁を透過せずに中空糸膜の上側開口部からオーバーフローし、配管Ｌ６１５を経由して、配管Ｌ６１７、さらには配管Ｌ６１８を介して流出する。
【０１１６】
分別槽６２０において、液体及びその液体から放散された気体が分離される。気体は、まず上側小径部６２２においてその一部が分離されて上方に流動した後、配管Ｌ６１９ｃを通過する。上側小径部６２２において下方に流動した液体及び気体の混合物は、下側大径部６２４において更に分離され、気体は上方に流動し、上側小径部６２２、並びに配管Ｌ６１９ａ、ｂを流通した後、配管Ｌ６１９ｃで合流して流出する。液体は分別槽６２０底部に接続された配管Ｌ６２０から流出する。
【０１１７】
この気体放散構造６００によると、膜ユニット６１０は、分別槽６２０の最大外周、すなわち下側大径部６２４の外周よりも内側に配置されているため、省スペース化の更なる向上が実現される。膜ユニット６１０をこのように配置すると、特に配管Ｌ６１４及びＬ６１６の長さを一層短くすることが可能となるため、建設費の更なる削減が可能になる、という利点を有する。
【０１１８】
（参考例）
また、参考例において、気体放散構造は、気体放散構造１００に代えて、図８に概略正面図、図９にそのＣ−Ｃ線に沿った断面図を示す気体放散構造８００であってもよい。
【０１１９】
気体放散構造８００は、複数の中空糸膜モジュール８１０と、それらの中空糸膜モジュール８１０を収容した分別槽８２０とを備えている。中空糸膜モジュール８１０は、円筒状に束ねた中空糸膜の束８１２の上端及び下端で、中空糸膜の束８１２の径よりも小さな内径を有するフランジ８１４ａ、ｂにより狭持した構造を有する。中空糸膜モジュール８１０は、中空糸膜の軸方向を鉛直方向とほぼ合致させた状態で分別槽８２０内に設置されている。また、中空糸膜の膜壁の内径側から外径側に確実に液体を透過させるために、中空糸膜の束８１２は、その両端における中空糸の内径側以外の部分で閉塞されている。
【０１２０】
また、分別槽８２０は、その内部に円板状の支持板８３０ａ、ｂを設けている。支持板８３０ａ、ｂは、分別槽８２０内部の側壁に、その周端を接合することにより固定されている。中空糸膜モジュール８１０は、支持板８３０ａ、ｂに設けられた孔に中空糸膜の束８１２を通し、支持板８３０ａの上面をフランジ８１４ａの下面と、支持板８３０ｂの下面をフランジ８１４ｂの上面と、それぞれ接するように配置されることにより、分別槽８２０内で固定されている。
【０１２１】
分別槽８２０は、その頂部に配管Ｌ８１９、底部に配管Ｌ８１０が接続されている。また、分別槽８２０側壁の、支持板８３０ａのやや下方には、その側方に延びる配管Ｌ８１４ａ、ｂが接続されている。分別槽８２０側壁の、支持板８３０ｂのやや上方には、その側方に延びる配管Ｌ８１６ａ、ｂが接続されている。
【０１２２】
また、全ての配管の径は、その中を流通する流体の種類及び実流量により、適宜決定される。
【０１２３】
次に、この気体放散構造８００を用いた気体の放散及び分別について説明する。まず、予め気体を吸収した液体が、配管Ｌ８１０を通って、分別槽８２０内部に流入する。流入した液体は、フランジ８１４ｂの内径側から中空糸膜の束８１２内に導入される。
【０１２４】
中空糸膜の束８１２内に導入された液体は、中空糸膜の下側開口部から、その内径側空間に流入し上方に向かって流動する。中空糸膜の内径側空間を流動する間、液体は、徐々に中空糸膜の膜壁の内径側から外径側に透過し、それと同時に気体を放散する。
【０１２５】
中空糸膜の膜壁を透過し気体を放散した後の液体は、中空糸膜の外径側空間を経由して、配管Ｌ８１６ａ、ｂから流出する。一方、中空糸膜の膜壁を透過した放散後の気体は、中空糸膜の外径側空間を経由して、配管Ｌ８１４ａ、ｂから流出する。
【０１２６】
なお、中空糸膜の内径側空間に導入された液体の一部は、中空糸膜の膜壁を透過せずに中空糸膜の上側開口部からオーバーフローし、フランジ８１４ａ及び分別槽８２０の上部空間を経由して、配管Ｌ８１９から流出する。
【０１２７】
分別槽８２０は、液体及び気体を十分に分離するために、支持板８３０ａ、ｂ間の空間容積をある程度大きくする必要がある。そのため、中空糸膜モジュール８１０を収容するための容器としては容積が大きくなってしまう。しかしながら、分別槽８２０は、液体及びその液体から放散された気体を分離する分別槽の役割と、中空糸膜モジュール８１０を収容するための容器の役割とを兼ねているため、これらの分別槽及び容器を合わせた容積を考慮すると、十分に省スペース化が実現されている。また、膜ユニットと分別槽とを連結する配管を省略できる観点からも、省スペース化の更なる向上が図れる。
【０１２８】
上述の実施形態のように、複数の膜ユニットを槽回りに放射状に配置する場合、その放射状を形成する膜ユニットの基数は、中心の円筒状の槽の外径を２Ｒ、円筒状の膜ユニットの外径を２ｒとすると、下記式（１）；
ｒ≧（Ｒ＋ｒ）×ｓｉｎ（１８０°／ｎ）      （１）
で表される条件を満足する最小のｎを上限とし、かつ２を下限とすることが好ましく、下限は５であるとより好ましい。膜ユニットが５基を下回ると、同一平面上で複数の直列に規則的に配置される場合と比較して、省スペース化の効果が低減する傾向にある。また、膜ユニットの基数が、上記式（１）で表される条件を満足する最小のｎよりも多くなると、放射状で一列に配置することが困難となるため、少なくとも一部の膜ユニットを槽から更に離して設置することとなり、省スペース化の効果が低減する傾向にある。
【０１２９】
また、気体放散構造１００において、膜ユニット１１０は上下２段の態様で設けられているが、それに代えて膜ユニットは１段又は３段以上の態様で設けられてもよい。さらに、放射状に配置された複数の膜ユニットの更に外側に、放射状に配置された別の複数の膜ユニットを設けてもよい。また、槽に対して放射状に配置された膜ユニットは、上述の実施形態のように、槽の全周を包囲していなくてもよく、例えば、槽の半周又は１／４周だけを包囲していてもよい。さらには、上述の実施形態では、槽が円筒状であって、複数の膜ユニットがその槽の外周側の円周上に配列しているが、それに代えて、槽が例えば角筒状であって、複数の膜ユニットがその槽の外周側に、槽の断面と同様の角状に配列していてもよい。
【０１３０】
さらには、上述の実施形態では、膜ユニットにおける液体の流通方式が、中空糸膜の下側開口部からその内径側空間に流入して、上方に向かって流通するアッパーフロー方式であるが、その逆に上部開口部からその内径側空間に流入して、下方に向かって流通するダウンフロー方式であってもよく、アッパーフロー方式とダウンフロー方式とを組み合わせたカウンターフロー方式であってもよい。ただし、ダウンフロー方式及びカウンターフロー方式では、下方に向かって流れる液体が、放散されたガス成分の流動を妨げる場合があるため、そのような現象の発生し難いアッパーフロー方式が好ましい。
【０１３１】
また、上述の実施形態において、ＣＯ２吸収塔は棚段塔であるが、それに代えて、塔内に不規則充填物又は規則充填物等が充填された公知の充填式蒸留塔を用いてもよい。この充填式蒸留塔は、プロセスの都合上、ＣＯ２吸収塔内における圧力損失を小さくしたい場合に有用である。ただし、処理量を多くする必要がある場合は、棚段塔が好ましい。
【０１３２】
また、上述の二酸化炭素ガス分離装置と同様のガス分離装置を複数、直列に接続し、それぞれのガス分離装置における中空糸膜の材質を適宜選択することにより、あるいは中空糸膜に代えてそれ以外の分離膜（平面膜、スパイラル膜など）を用いることにより、混合ガス中の二酸化炭素以外のガス成分を逐次単離することも可能である。それに加えて又はそれに代えて、吸収液中のアルカノールアミンを適宜選択することにより、あるいはアルカノールアミンに代えてその他のガス成分を吸収可能な有機溶剤を用いることにより、同様に混合ガス中の二酸化炭素以外のガス成分を逐次単離することも可能である。
【０１３３】
上述の実施形態では、中空糸膜の外径側空間から分別槽に亘る空間は、真空コンプレッサーにより大気圧未満の圧力に調整されているが、真空コンプレッサーに代えて、真空ポンプを用いて大気圧未満の圧力に調整されてもよい。
【０１３４】
なお、別の実施形態として、未吸収ガス中の二酸化炭素を放散・回収する手段として、上述の第２放散吸収手段に代えて、第１放散吸収手段と同様の手段を用いてもよい。これらの手段を用いても、二酸化炭素の収率を従来よりも十分に高めることができる。
【０１３５】
また、上述の実施形態では、分別槽は大気圧未満の圧力に調整されて、液体及び気体を分離可能にしているが、それに代えて、リボイラーを備えた加熱方式の分別槽を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】本発明の実施形態に係る気体放散構造を示す概略正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る気液分離装置を示す概略フロー図である。
【図４】本発明の実施形態に係る気体放散構造を示す概略正面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る気液分離装置を示す概略フロー図である。
【図６】本発明の実施形態に係る気体放散構造を示す概略正面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図８】実施形態に係る気体放散構造を示す概略正面図である。
【図９】図８のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【０１３７】
１００、４００、６００、８００…気体放散構造、１１０、４１０、６１０…膜ユニット、１２０…分別槽、３００、５００…気液分離装置（二酸化炭素ガス分離装置）、３１０、３５０…ＣＯ２吸収塔、３６０…放散分別塔、４２０…緩衝槽、５３０、６２０、８２０…分別槽、Ｌ１〜Ｌ４、Ｌ６、Ｌ９〜Ｌ１２、Ｌ１４〜Ｌ２０、Ｌ５０１〜Ｌ５０６、Ｌ５０９〜Ｌ５１２、Ｌ５１５…ライン、Ｌ１１０〜Ｌ１１２、Ｌ１１４〜Ｌ１２０、Ｌ４１０〜Ｌ４１２、Ｌ４１４〜Ｌ４２０、Ｌ６１０〜Ｌ６１２、Ｌ６１４〜Ｌ６２０、Ｌ８１０、Ｌ８１４、Ｌ８１６、Ｌ８１９…配管、Ｌ１５０…導液路、Ｐ１〜Ｐ３、Ｐ５０１、Ｐ５０２…ポンプ、Ｔ１〜Ｔ３、Ｔ５、Ｔ５０１…熱交換器、Ｔ４…コンデンサー。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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