WO2002068094A1 - Dispositif de separation - Google Patents

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Takeshi Nagasawa
Noboru Yugami
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Definitions

  • the present invention relates to a gas separation device for separating a mixed gas composed of a plurality of gases.
  • An object of the present invention is to provide a gas separation device that does not have the above problems.
  • the present invention provides a helical claw provided inside a cylinder, an inner pipe taken out from the center of the cylinder, and a take-out part taken out from the periphery of the cylinder, and gas is introduced into the cylindrical space.
  • the gas ejects and causes the gas to rotate by the pawl.
  • the difference in the radius of rotation of the gas molecules caused by the difference in the mass of the gas components causes the light molecules to be deflected to the center and the heavy molecules to the periphery.
  • a gas separation device for separating gas constituent molecules.
  • the gas separation device includes: a discharge unit that decomposes gas by discharge; and a compression unit that compresses gas from the discharge unit and jets the gas to the gas separation device.
  • the present invention also provides a gas decomposition / separation apparatus characterized by performing separation. Such gas decomposition and separation equipment is connected in multiple stages in a cascade, The gas from the gas decomposing / separation unit is injected into the first stage, so that the gas can be decomposed and separated with high efficiency.
  • a second device equipped with a discharge decomposition unit and a filter is connected to the inner pipe of the cascade-connected gas decomposition / separation device at each stage. Gas from the inner tube of the separation device can be further decomposed by discharge and then removed through a filter.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a gas decomposition / separation device.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an electrode in the discharge unit of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the centrifugal force on a molecule.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between centrifugal force and speed.
  • FIG. 5 is a diagram showing a partial pressure distribution inside the separation section of FIG.
  • FIG. 6 is a diagram showing the configuration of a two-stage gas decomposition / separation apparatus.
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration of section II in FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a gas decomposition / separation apparatus 100.
  • the gas decomposition / separation device 100 is composed of three parts: a discharge unit 110, a compression unit 130, and a separation unit 140.
  • the discharge unit 110 is a unit for decomposing an organic gas or the like using discharge.
  • the discharge unit 110 is composed of an electrode 120 for discharging and a flange tube 112 containing the electrode.
  • the compression section 140 is provided to reduce the flow rate of the gas decomposed in the discharge section 110 and increase the flow rate in the next separation section 140.
  • the separation unit 140 a plurality of gas species are separated into two types according to the weight using the centrifugal force on the gas generated by the claws 142. The operation of these parts will be described in detail below.
  • the dimensions shown in FIG. 1 are examples, and the unit is mm.
  • the cylindrical pipes in each section are made of stainless steel (SUS).
  • a gas mainly composed of methane (CH 4 ) is injected into the gas decomposition / separation device 100, and hydrogen (H 2 ) and carbon are discharged from the discharge unit 110 using discharge.
  • FIG. 2 shows the configuration of the electrode 120 of the discharge unit 110 in FIG. 1 in detail.
  • the electrode 120 has a configuration in which two electrodes facing each other are combined. Each electrode protrudes a plurality of stainless steel screw (screw) electrodes 122 at approximately equal intervals from a square insulator 124 on a flat plate. Each screw electrode 122 is electrically insulated.
  • the pulse electrodes 15 2 are connected to one screw-shaped electrode, each of which has a diagonal relationship between the electrodes facing each other.
  • a mesh-like electrode 126 is provided below the electrode that performs this discharge.
  • a negative bias potential (V 0 ) is applied to the mesh-shaped electrode 122 with respect to the screw-shaped electrode 122 by a DC power supply 154.
  • a pulse-like voltage is applied from the pulse power source 152 to the screw-like electrode 122 to cause a discharge between the electrodes, thereby converting methane (CH 4 ) into hydrogen (H 2 ). And carbon (C).
  • This discharge occurs between the plurality of screw electrodes.
  • the carbon particles decomposed from the methane gas are dropped downward by their own weight as much as possible, and are removed at the discharge portion 110.
  • the bias voltage to the mesh electrodes 126 is adjusted to set the potential difference for guiding the carbon particles downward to an optimum value.
  • the mixed gas containing hydrogen generated from methane in the discharge unit 110 is compressed by the compression unit 13 It is led to the separation section 140 through 0.
  • the compression section 130 is composed of a hollow tube (pipe) obtained by narrowing the center of the hollow.
  • the mixed gas composed of multiple gas species flows through a hollow pipe (pipe), which is a nozzle, where the linear velocity of the gas flow is increased.
  • the flow rate of the mixed gas (mainly composed of CH 4 ) from the discharge section can be reduced by the compression section 140, and the flow rate in the next separation section 140 can be increased.
  • the mixed gas from the compression section 140 is jetted into the cylindrical space constituting the separation section 140. Still, at this stage, carbon remains as fine particles.
  • the separating portion 140 has a helical (spiral) rotary auxiliary wing (pawl) 144 around the periphery for applying a rotational force to the gas fluid.
  • a rotational force is applied to the mixed gas by the helical claws, the difference in the radius of gyration of the gas molecules based on the difference in the mass of the gas constituents causes Deflected to the periphery to separate gas constituent molecules.
  • the rear part of the separating part 140 has a double-pipe structure, and the inner inner pipe 144 is connected to the inner wall of the outer cylinder 144 in a mesh-like configuration 144. The gas at the center of the cylinder 144 is taken out from the inner tube 144.
  • the ratio of their centrifugal force to hydrogen is as follows.
  • FIG. 5 shows the partial pressure in the inner wall of the cylinder of the separation part 140.
  • the center ⁇ is the center of the cylinder 143 forming the separating section 140, and the inner wall of the cylinder 143 is located at an equal distance from the center.
  • hydrogen has a high density at the center and methane and carbon have a high density at the periphery.
  • the inner pipe 146 is provided via the mesh-like structure 145 so that only the gas at the center of the cylinder 143 is taken out from the end of the separation section 140. Then, by separating from the inner tube 146 as, a gas component of hydrogen, which is a light molecule, is obtained at a high concentration.
  • FIG. 6 shows the configuration of a gas decomposition and separation device in which the units shown in Fig. 1 are connected in two stages.
  • Sections I 222 and 232 are the units shown in Figure 1.
  • Methane gas is sent from the cylinder 210 for each section I 2 22,232. From the center Ii of each section I 222, 232, a gas with a high hydrogen concentration is captured and sent to the sections I 1224, 234.
  • FIG. 7 shows the structure of section II.
  • Section II includes a discharge section 320 and a palladium filter 340.
  • the discharge section 320 has the same configuration as the discharge section 110 shown in FIG. 2, and further decomposes the remaining methane gas to generate hydrogen.
  • the palladium filter 340 is a permeable membrane made of palladium (Pd) or palladium (Pd) -silver (Ag) alloy, and allows only hydrogen to pass.
  • pure hydrogen gas is obtained through the palladium filter 340 through the decomposition process of the discharge section 320.
  • FIG. 6 shows a configuration example in which two stages are cascaded, three or more stages of cascade connection may be used.
  • methane gas packed with normal grade was supplied at 200 m 1 / sec from the inlet of section I, first stage 222.
  • hydrogen gas highly purified by the Pd-Ag permeable membrane 340 was obtained.
  • the separation method of the present invention is advantageous for separation and purification of a large amount of gas because the higher the flow rate, the better the separation.

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Description

明 細 書 分 離 装 置 技術分野
本発明は、 複数のガスからなる混合ガスを分離するためのガス分離装置に関する。 背景技術
ガス成分の分離には化学的、 物理的手法がそれぞれ特徴に合わせて用いられてい る。 工業的に多量の分離を行うには、 液化蒸留などの大型プラントが用いられる。 しかし、 この大型プラントは、 高圧ガス設備であり、 設置場所が制限を受けるとい う問題があった。 また、 液化蒸留等の処理に関しては、 すべてをドライ 'プロセス にはできないという問題もある。 発明の開示
本発明の目的は、 上記の問題点がないガス分離装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、 本発明は、 円筒内部に備えたヘリカル状のつめと、 円筒の中心部から取り出す内管と、 円筒の周辺部から取り出す取り出し部とを備え、 ガスを円筒空間に噴出して、 前記つめによりガスに回転運動を行わせ、 ガス構成物 質の質量の差異による、 ガス分子のうける回転半径の差異から軽い分子を中心部に, 重い分子を周辺部に偏よらせて、 ガス構成分子を分離することを特徴とするガス分 離装置である。
また、 前記ガス分離装置と、 放電によりガスを分解する放電部と、 前記放電部か らのガスを圧縮して、 前記ガス分離装置に噴出する圧縮部とを備え、 注入されたガ スを分解して、 分離することを特徴とするガス分解 ·分離装置も本発明である。 この様なガス分解 ·分離装置を、 カスケードに多段接続するとともに、 最後の段 のガス分解 ·分離装置の取り出し部からのガスを、 最初の段に注入する構成とし、 ガスの分解、 分離を高能率で行うこともできる。 また、 カスケード接続された各段 階のガス分解 ·分離装置の内管に、 放電による分解部とフィルタ一を備えた第 2の 装置を接続し、 カスケ一ド接続された各段階のガス分解 ·分離装置の内管からのガ スを、 さらに放電により分解してから、 フィルタ一を介して取り出すこともできる c 図面の簡単な説明
第 1図はガス分解 ·分離装置の構成を示す図である。
第 2図は図 1の放電部における電極の構成を示す図である。
第 3図は分子に対する遠心力を説明する図である。
第 4図は遠心力と速度との関係を示す図である。
第 5図は図 1の分離部内部の分圧分布を示す図である。
第 6図は 2段階構成のガス分解 ·分離装置の構成を示す図である。
第 7図は図 5におけるセクシヨン I Iの構成を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明の実施形態を、 図面を参照して詳細に説明する。
図 1は、 ガス分解 ·分離装置 1 0 0の全体の構成を示す図である。
図 1に示すように、 ガス分解 .分離装置 1 0 0は、 放電部 1 1 0， 圧縮部 1 3 0， 分離部 1 4 0の 3つの部分から構成されている。 放電部 1 1 0は放電を利用して有 機ガス等を分解するための部分である。 放電部 1 1 0は、 放電を行う電極 1 2 0お よびそれを収納しているフランジ管 1 1 2で構成されている。
圧縮部 1 3 0では、 放電部 1 1 0で分解したガスの流速を落とし、 次の分離部 1 4 0における流速を上げるために設けられている。 分離部 1 4 0では、 つめ 1 4 2 によるガスに対する遠心力を用いて、 複数のガス種を重量に応じて 2種類に分離し ている。 これらの部分の働きを以下に詳しく説明する。 なお、 図 1に示した寸法は例示であり、 単位は mmである。 また、 各部の円筒管 等は、 ステンレス ' スチール （S U S ) で構成している。
<放電部 >
図 1では、 例としてメタン （C H4 ) を主とするガスを、 ガス分解 '分離装置 1 0 0に注入して、 放電部 1 1 0において、 放電を利用して水素 （H2 ) と炭素
( C) に分解している。 この放電部 1 1 0の働きを、 図 2を用いて詳しく説明する c 図 2は、 図 1における放電部 1 1 0の電極 1 2 0の構成を詳細に示したものであ る。 図 2において、 電極 1 2 0は、 向かい合った 2つの電極を組み合わせた構成で ある。 それぞれの電極は、 平板上の四角い絶縁物 1 2 4から、 ほぼ等間隔に複数の ステンレス製のビス (ねじ) 状の電極 1 2 2を突きだしている。 それぞれのビス状 電極 1 2 2は、 電気的に絶縁されている。 向かい合った電極の対角の関係にあるそ れぞれ 1本のビス状電極に、 パルス電極 1 5 2が接続されている。 また、 この放電 を行う電極の下部には、 メッシュ状の電極 1 2 6が設置されている。 メッシュ状の 電極 1 2 6には、 直流電源 1 5 4により、 ビス状電極 1 2 2に対して負のバイアス 電位 （V0 ) を付加している。
このような構成で、 ビス状電極 1 2 2に対して、 パルス電源 1 5 2からパルス状 の電圧を印加して電極間に放電を起こすことにより、 メタン （C H4 ) を水素 （H 2 ) および炭素 （C) に分解している。 この放電は、 複数のビス状電極間で起こる。 メタンガスから分解された炭素粒子は、 可能な限り、 自重等により下方へ落下さ せて、 この放電部 1 1 0の部分で除去している。 このために、 メッシュ状電極 1 2 6へのバイアス電圧を調節して、 炭素粒子を下方へ導くための電位差を最適な値に 設定する。
メ夕ンから水素および炭素への分解を促進するためには、 放電部をいくつかのセ クシヨンに分けることも有効である。 また、 ビス状電極に印加するパルスの周波数 や電流を、 アーク放電とならない程度に大きくすることも有効である。
放電部 1 1 0においてメタンから発生した水素を含んだ混合ガスは、 圧縮部 1 3 0を介して分離部 1 4 0へ導かれる。
ぐ圧縮部〉
圧縮部 1 3 0は、 中空の中央部を細く絞り込んだ中空管 （パイプ） で構成されて いる。 複数のガス種からなる混合ガスは、 ノズルである中空管 （パイプ） を流れ、 ここでガス流の線速度を高める。
圧縮部 1 3 0により、 放電部からの混合ガス （C H4が主成分） の流速を落とし、 次の分離部 1 4 0における流速を上げることができる。 圧縮部 1 3 0からの混合ガ スは、 分離部 1 4 0を構成する円筒空間内に噴出する。 まだ、 この段階では、 炭素 も細かい粒子として残っている。
く分離部 >
分離部 1 4 0は、 ガス流体に回転力を与えるための、 ヘリカル状 （スパイラル 状） の回転補助翼 （つめ） 1 4 2を周辺に有している。 このヘリカル状のつめ 1 4 2により、 混合ガスに対して回転力が与えられると、 ガス構成物質の質量の差異に 基づくガス分子のうける回転半径の差異から、 軽い分子を中心部に重い分子を周辺 部に偏よらせて、 ガス構成分子を分離する。 分離部 1 4 0の後部は、 二重管の構造 を有し、 内側の内管 1 4 6は、 メッシュ状の構成 1 4 5で外側の円筒 1 4 3の内壁 と結合されている。 内管 1 4 6から、 円筒 1 4 3の中心部分のガス を取り出し ている。
この分離部 1 4 0における分離の原理を、 図 3および図 4を用いて説明する。 まず、 スパイラル状のつめ 1 4 2により、 混合ガスに回転流を与える。 このとき に混合ガスに対する力学的関係を示したのが図 3である。
図 3に示すように、 半径 r。で速さ Vで回転するガスには、 遠心力 Fが生じる。 このとき、 メタン， 水素， 炭素では、 以下の式に示すように、 それそれ遠心力 Fra , FH , Fcを受ける。 なお、 mra , m„, mnは、 各分子の質量である。 m„v mHv
FH 二 mcv
.れらの遠心力の水素に対する比をとると、 次のようになる。
〜 mm 12 + 4
mH 一 2
〜 し 12
=— =6
一 mH 2 よって、 メタン （CH4) や炭素 （C) は水素より 8〜 6倍の遠心力を受ける可能 性がある。 図 4に各分子のうける遠心力と速度との関係をグラフに示す。
この図 4から分かるように、 速度が大きぐなると軽いガス分子 （H2 ) と重い分子 (C, CH4 ) との遠心力の差が大きくなる。 このため、 軽いガス分子 （H2 ) は 分離部 140の中心部に、 重いガス分子 （CH4 ) は外周部に偏よることになる。 その結果、 それぞれの分圧は、 図 5に示されるようになる。 図 5は、 分離部 140 の円筒内壁内の分圧を示している。 中心〇は、 分離部 140を構成している円筒 1 43の中心であり、 それから等距離に円筒 143の内壁が存在する。 円筒 143の 内壁の間に、 図 5に示すように、 水素は中心部にメタンや炭素は周辺部に密度が濃 く存在している。
従って、 図 1において、 分離部 140の終端部から円筒 143の中心部のガスの みを取り出すように、 メッシュ状の構成 145を介して、 内管 146を設けている。 そして、 内管 146から、 として分離すれば軽い分子である水素のガス成分が 高濃度で得られる。
ぐ多段接続〉 図 6は、 図 1に示すュニッ トを 2段接続したガス分解，分離装置の構成を示す。 セクション I 222, 232は、 図 1に示したュニッ トである。 各セクシヨン I 2 22, 232に対して、 メタンガスがボンべ 210から送られる。 各セクション I 222, 232の中心部 I iからは、 水素濃度の高いガスが捕捉され、 セクション I 1224, 234に送入される。
図 7は、 セクション I Iの構成を示している。 セクション I Iは、 放電部 320 と、 パラジウム ·フィルタ一 340とで構成されている。 放電部 320は、 図 2に 示す放電部 1 10と同様な構成であり、 まだ残っているメタンガスをさらに分解し て水素を発生させる。 パラジウム ·フィルター 340は、 パラジウム (P d) また はパラジウム （Pd) —銀 （Ag) 合金でできた透過膜であり、 水素のみを通過さ せる。 セクション I Iでは、 放電部 320の分解工程を経て、 パラジウム 'フィル タ一 340を通して、 純粋な水素ガスが得られる。
セクション I 232の周辺部やセクション 1 1224， 234からは、 水素濃度 の低いガス成分 12が集められ、 加圧ポンプ 240により加圧されて、 一段目のセ クシヨン I 222に再度給気される。 この様にして、 繰り返し分解 ·分離が行われ るようになっている。
なお、 図 6では 2段のカスケ一ド接続した構成例を示したが、 3段以上の多段の カスケード接続としてもよい。
く実施例 >
図 6に示した 2段接続構成の装置を用いた実施例を以下に示す。
ボンべ 210から、 通常グレードの詰められたメタンガスを 200m 1 /s e c で、 セクション Iの一段目 222の入口から給気した。 セクション Iの一段目 22 2の中心部直径 1 cm部分からガスを取り出したところ、 その成分比は水素：メタ ン =80 ： 20であった。 セクション Iの 2段目 232から取り出したガスの成分 比は、 水素： メタン =95 ： 5であった。 各セクシ.ヨン I I 224, 234からは、 P d— Ag透過膜 340で高度に精製された水素ガスが得られた。 産業上の利用可能性
この発明における分離法は、 流速を高めるとそれだけ分離の良さが高められるた め、 大量のガスの分離 '精製に有利である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 円筒内部に備えたヘリカル状のつめと、
円筒の中心部から取り出す内管と、
円筒の周辺部から取り出す取り出し部と
を備え、 ガスを円筒空間に噴出して、 前記つめによりガスに回転運動を行わせ、 ガス構成物質の質量の差異による、 ガス分子のうける回転半径の差異から軽い分子 を中心部に， 重い分子を周辺部に偏よらせて、 ガス構成分子を分離することを特徴 とするガス分離装置。
2 . 請求の範囲第 1項記載のガス分離装置と、
放電によりガスを分解する放電部と、
前記放電部からのガスを圧縮して、 前記ガス分離装置に噴出する圧縮部と を備え、 注入されたガスを分解して、 分離することを特徴とするガス分解 ·分離装
3 . 請求の範囲第 2項記載のガス分解 ·分離装置を、 カスケ一ドに多段接続すると ともに、 最後の段のガス分解 ·分離装置の取り出し部からのガスを、 最初の段に注 入する構成を有し、 ガスの分解、 分離を高能率で行うことを特徴とするガス分解 · 分離装置。
4. 請求の範囲第 3項記載のガス分解 ·分離装置において、
カスケ一ド接続された各段階のガス分解装置の内管に、 放電による分解部とフィ ルターを備えた第 2の装置を接続し、
カスケ一ド接続された各段階のガス分解 ·分離装置の内管からのガスを、 さらに 放電により分解してから、 フィルターを介して取り出すことを特徴とするガス分 解 ·分離装置。
PCT/JP2002/000929 2001-02-23 2002-02-05 Dispositif de separation Ceased WO2002068094A1 (fr)

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