(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質の外側湾曲面と、入口端部から出口端部へと延在している複数のチャネルと、該チャネルの内側表面を被覆している１以上の多孔質層と、選択した長さとを有している、フロースルー基材の形を成した無機多孔質支持体、
前記無機多孔質支持体の前記入口端部の表面および前記出口端部の表面に取り付けられた、前記無機多孔質支持体の前記複数のチャネルに対応した開口を有するガスシールマスク、
前記入口端部の表面と前記ガスシールマスクの間、および前記出口端部の表面と前記ガスシールマスクの間に設けられた接着シール材、
第１端部および第２端部を有し、前記無機多孔質支持体の前記入口端部および前記出口端部に接続される、管継手、および
前記無機多孔質支持体の前記外側湾曲面と、前記管継手の前記第１端部または前記第２端部との間に設けられた接着剤シール、
を備えてなる装置。
【請求項２】
ガス流の成分を分離する方法において、
請求項１に記載の装置を提供するステップであって、該装置が、
前記無機多孔質支持体の前記入口端部で前記管継手に接続されている送出機器をさらに備えたものであり、
供給ガスを、前記送出機器を介して前記無機多孔質支持体内に導入するステップ、
残余ガスを収集するステップ、および、
透過ガスを収集するステップ、を含み、
該透過ガスが、前記無機多孔質支持体の前記外側湾曲面のコーティングされていない部分を通過したものであることを特徴とする方法。
【請求項３】
前記無機多孔質支持体の前記入口端部で前記管継手に接続されている送出機器をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記送出機器が前記管継手に接着シール材で取り付けられていることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記無機多孔質支持体が、ガス流入口およびガス流出口を有するエンクロージャ内に配されていることを特徴とする請求項１、３、または４記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００９年５月２８日に出願された、「ガス分離モジュール」と題する米国特許出願第１２／４７３，５０５号の利益を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、ガス分離モジュール、および、ガス分離モジュール内で使用される、両端部がシールされた多孔質構造体に関し、さらにはガス流の成分分離方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
モノリス型膜構造体は、平行でありかつ典型的には円筒状のチャネルアレイと、このチャネル壁の内側表面を被覆しているガス選択性薄膜とを有している、多孔質支持体を使用したものである。このモノリス型膜構造体によれば、単一のチャネルを有する同じ直径の管よりも表面部分の充填密度を高くし、透過流束の向上をもたらすことができる。これは、表面部分当たりの膜コストと、膜モジュールを組み立てて広い表面部分とするのに必要なエンジニアリングコストとの両方を、大幅に削減させる結果となる。この構造体は、重大なエネルギー問題および環境問題を解決するために使用することができ、例えば、廃ガス流からのＨ2の回収、燃料電池用途のための、製造用混合ガスからのＨ2の浄化、燃焼排気ガスから隔離するＣＯ2の捕捉、および他の分離などに使用することができる。これらの分離用途では、分離性能を高めるため、高温にすることを要することが多い。
【０００４】
分離対象の混合ガス流がモノリス型セラミック膜製品のチャネル内に供給されると、このガス流は、チャネル壁を被覆している薄膜を通り、その後膜の孔と支持体の孔を通過して外部空間へと流れ出ることにより分離される。流れに露出している支持体の両端部の表面部分、すなわち平坦な端部表面を含む部分と、支持体の外側湾曲面は、膜コーティングを有していない。したがって、処理中のガス流が、流れに露出している表面部分とその基材の孔を通過して棒状膜外へと流れ出てしまわないよう、シール材でシールする必要がある。分離機能は、端部部分のシールコーティングなしには達成され得なかった。分離が起こるためには、ガス流がチャネル内に入り、チャネル壁を通過し、さらに基材の外側多孔質壁を通って流れることが必要である。
【０００５】
エポキシやシリコーンなどの低温の封止材を使用する際には、封止材の劣化を防ぐため、棒状膜の両端部は低温領域まで延びていなければならない。このことは、膜のいくらかの部分が低温に曝されることを意味し、全体的な分離性能の低下に繋がる。特許文献１により開示されたのは、固体／液体分離用の、端部部分がシールされている多孔質ハニカム濾過構造体であり、ここではガラスベースのシール材がスポンジを使用したスタンピング機構を用いて平坦な端部表面にのみ適用されている。
【０００６】
別の手法には、支持体をシールするために、ステンレス鋼管または緻密質アルミナ管に高温シール材を使用するものがあり、このため膜全体を高温に曝すことができる。Ｈ．Ｌｕ他による非特許文献１では、ペロブスカイト膜ディスクをステンレス鋼管上にシールするために高温結合剤として特定の封止材を使用したものについて述べられている。Ｙ．Ｇｕ他による非特許文献２では、管状膜の２端部を、セラミック結合を用いて２つの緻密質アルミナ管でシールするものについて述べられており、一方Ｃ．Ｚｈａｎｇ他による非特許文献３では、銀のシール材が使用されている。Ｙ．Ｔｅｒａｏｋａ他による非特許文献４では、環状ガラスの使用に関して述べられているが、この方法はモノリス型の棒状膜、特に小さいサイズのチャネルを有するものへの適用は困難である。この手法は、支持体とステンレス鋼管または高密度セラミック管との間が永久接続であることから、柔軟性を欠いたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０１７３３３２号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Materials Science and Engineering B, 141（2007）５５〜６０頁
【非特許文献２】Journal of Membrane Science, 306（2007）２１６〜２２７頁
【非特許文献３】Journal of Membrane Science, 299（2007）２６１〜２６７頁
【非特許文献３】Solid State Ionics, 177（2006）２２４５〜２２４８頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の実施形態は、上述したような１以上のパッケージングシールに関する懸念に対処する技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本書において開示されるものは、ガス流の成分を分離するために使用し得るガス分離モジュールである。このモジュールは、例えば、高温ガス分離、融通性のある接続、さらに、層堆積および分離性能評価を便利に実行する能力、を提供する。この設計によれば、無機多孔質支持体全体を高温領域に露出することが可能となり、分離性能の向上に繋がる。記載されるような融通性のある接続により、ガス分離モジュールの組立てが容易になる。
【００１１】
一実施の形態は、選択した長さと、入口端部と、出口端部と、この入口端部および出口端部の間に多孔質の外側湾曲面とを有している、無機多孔質支持体であって、入口端部から出口端部へと延在している内側表面を有する複数のチャネルを備えた、フロースルー基材の形を成した無機多孔質支持体、この無機多孔質支持体のチャネルの内側表面を被覆している１以上の多孔質材料層、無機多孔質支持体の入口端部の表面および出口端部の表面をシールしている密封コーティング、および、無機多孔質支持体の外側湾曲面を、入口端部表面および出口端部表面の夫々から選択した距離までに亘ってシールしている密封コーティング、を備えている製品である。
【００１２】
別の実施形態は、多孔質の外側湾曲面と、入口端部から出口端部へと延在している複数のチャネルと、このチャネルの内側表面を被覆している１以上の多孔質層と、選択した長さとを有している、フロースルー基材の形を成した無機多孔質支持体、入口端部の表面と、出口端部の表面と、さらにこれら各端部表面から選択した距離までに亘る無機多孔質支持体の外側湾曲面とを、シールしている密封コーティング、第１端部および第２端部を有し、無機多孔質支持体の入口端部および出口端部に位置している、取外し可能な管継手、および、無機多孔質支持体の外側湾曲面上の密封コーティングと、取外し可能な管継手の第１端部または第２端部との間に設けられた黒鉛シール、を備えている装置である。
【００１３】
さらなる実施形態は、多孔質の外側湾曲面と、入口端部から出口端部へと延在している複数のチャネルと、このチャネルの内側表面を被覆している１以上の多孔質層と、選択した長さとを有している、フロースルー基材の形を成した無機多孔質支持体、入口端部の表面と出口端部の表面とをシールしている接着剤、第１端部および第２端部を有し、無機多孔質支持体の入口端部および出口端部に位置している管継手、および、無機多孔質支持体の外側湾曲面と、管継手の第１端部または第２端部との間に設けられた接着剤シール、を備えている装置である。
【００１４】
ガス流の成分を分離する方法は、上述した任意の実施形態を備え、供給ガスを無機多孔質支持体内に送出機器を介して導入し、残余ガスを収集し、さらに透過ガスを収集するものであり、このとき透過ガスが、無機多孔質支持体の外側湾曲面のコーティングされていない部分を通過したものであることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施の形態による、無機多孔質支持体の両端部の表面および外側湾曲面をシールした密封コーティングを有している、無機多孔質支持体の一端部を示す図
【図２】一実施の形態による、無機多孔質支持体の端部表面を示す図、および、チャネル壁の内部表面を被覆している複数の層を含む、無機多孔質支持体のチャネルの分解図
【図３】端部コーティング無機多孔質支持体の一実施の形態を、取外し可能な管継手と黒鉛シールとともに示す図
【図４】ガス流の成分分離に使用し得るモジュールを示す図
【図５】一実施の形態による、永久結合および接着剤シールを備えた無機多孔質支持体の一端部を示す図
【図６】ガスシールマスクの一実施の形態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
一実施の形態は、選択した長さと、入口端部と、出口端部と、この入口端部および出口端部の間に多孔質の外側湾曲面とを有している、無機多孔質支持体であって、入口端部から出口端部へと延在している内側表面を有する複数のチャネルを備えた、フロースルー基材の形を成した無機多孔質支持体、この無機多孔質支持体のチャネルの内側表面を被覆している１以上の多孔質材料層、無機多孔質支持体の入口端部の表面および出口端部の表面をシールしている密封コーティング、および、無機多孔質支持体の外側湾曲面を、入口端部表面および出口端部表面の夫々から選択した距離Ｌまでに亘ってシールしている密封コーティング、を備えている製品である。
【００１７】
別の実施形態では、入口端部表面および出口端部表面の夫々から０．５ｃｍ〜３ｃｍの距離に亘って、無機支持体の外側湾曲面はシールされる。別の実施形態では、入口端部表面および出口端部表面の夫々から１ｃｍ〜１．５ｃｍの距離に亘って、無機支持体の外側湾曲面はシールされる。
【００１８】
本書において使用される「フロースルー基材」という用語は、流体流を本体に通して流すことを可能とし得る真っ直ぐなまたは蛇行しているチャネルおよび／または多孔質網状組織などの通路を、内部に有している成形体を示す。フロースルー基材の流れ方向の寸法は、両端部の外側湾曲面上の密封コーティング間において、コーティングされていない多孔質の外側湾曲面が少なくとも１部得られるような寸法である。
【００１９】
図１は、コーティングされた無機多孔質支持体の一実施の形態１０を示し、無機多孔質支持体２０はハニカム基材の形を成したものである。一実施の形態において、無機多孔質支持体は、アルミナ、コージライト、αアルミナ、ムライト、チタン酸アルミニウム、チタニア、ジルコニア、ゼオライト、金属、ステンレス鋼、シリカカーバイド、セリア、またはこれらの混合物を含む。無機多孔質基材は、任意の適切な技術を用いて作製することができる。アルミナ、コージライト、チタン酸アルミニウム、ジルコニア、ゼオライト、またはシリカカーバイドから作られるハニカム基材は、例えば、バッチ材料を金型に通して押し出すことで製造することができる。例えばステンレス鋼で作られるものなどの、他のハニカム基材は、溶接やろう付けにより作製することができる。
【００２０】
ハニカム基材２０は、複数のチャネル１４、端部表面１２（図１には１つの端部表面のみが図示されている）、多孔質の外側湾曲面１８、そして端部表面１２に適用された密封コーティング１６ａ、および端部表面１２から選択した距離Ｌに亘って基材の外側湾曲面１８上に適用された密封コーティング１６ｂを有する。
【００２１】
無機多孔質支持体のチャネルは、用途に応じていかなる直径のものとしてもよい。いくつかの実施形態において、チャネルの内径中央値は０．５ｍｍ〜３ｍｍであり、例えば０．７ｍｍ〜０．８ｍｍである。チャネルの形状は任意の形状とすることができ、例えば、円形、四角形、六角形、または楕円形としてもよい。例示目的で、本出願の図面では円形のチャネルを示す。
【００２２】
無機多孔質支持体の多孔質壁は、例えば、１μｍから２５μｍの孔サイズ中央値を有するものでもよい。一実施の形態において、孔サイズ中央値は５μｍから１５μｍである。
【００２３】
無機支持体は、例えば、２０％から６５％の空隙率を有するものでもよく、一実施の形態では、空隙率は３５％から５０％である。
【００２４】
無機多孔質支持体内のチャネルの表面上を、１以上の多孔質材料層で被覆してもよい。この多孔質層も薄膜と称されることがある。多孔質層は、アルミナ、αアルミナ、γアルミナ、ゼオライト、チタニア、ジルコニア、ムライト、コージライト、金属、ペロブスカイト、パラジウム、セリア、シリカ、ゼオライト、またはこれらの混合物から選択してもよい。多孔質層の空隙率は、材料の格子構造体における、粒子間および／または空間間の間隔によるものとし得る。例えばゼオライトまたはシリカ層の孔は、その格子のチャネルから典型的には０．３ｎｍから０．８ｎｍの範囲内である。孔サイズが２ｎｍ未満の多孔質層は、高密度膜とも称され得る。多孔質層の孔サイズは、例えば１μｍから２００ｎｍ未満にまで及ぶもの、例えば、０．３ｎｍ〜０．８ｎｍや、あるいは０．３ｎｍ〜５ｎｍのものでもよい。ガス分離用途では、最も外側の多孔質層の孔サイズは５０ｎｍ以下である。
【００２５】
多孔質層をチャネルの表面に適用する際には、米国特許出願公開第２００８／０２３７９１９号明細書、同第２００９／００００４７５号明細書、および同第２００９／０１０７３３０号明細書に記述されている適用技術を含め、フローコーティング、化学蒸着、水熱成長、ゾルゲル法、またはこれらを組み合わせたものを用いてもよい。
【００２６】
複数の層で内側表面を被覆する場合、この複数の層の平均孔サイズは、チャネル壁の表面から最も外側の被覆層に向かって減少する。例えば、チャネル壁から離れて最も外側の被覆層へと向かうにつれて、多孔質層の平均孔サイズは１μｍから２００ｎｍ未満まで徐々に減少してもよい。
【００２７】
図２は、無機多孔質支持体の端部表面１２を示したものである。チャネル１４の分解図３０は、チャネル１４の内部を被覆している多孔質材料の複数の層３２、３４、３６、３８を示している。多孔質材料の各層の平均孔サイズは、チャネル壁４０の内側表面から、チャネル壁を被覆している多孔質材料の最も外側の層へと進むにつれて減少する。例えば、チャネル壁上の最初の多孔質層である多孔質層３２の平均孔サイズは、多孔質層３４のものよりも大きい。多孔質層３４の平均孔サイズは、多孔質層３６のものよりも大きい。多孔質層３６の平均孔サイズは、多孔質層３８のものよりも大きい。最も外側の多孔質層である多孔質層３８の平均孔サイズは、最も小さい。いくつかの実施形態において、多孔質層３２の平均孔サイズは、チャネル壁４０の内側表面の平均孔サイズよりも小さい。図２では４つの多孔質層が示されているが、実施形態は１以上の多孔質層を有することができる。
【００２８】
一実施の形態においては、密封コーティング１６ａ、１６ｂが、無機多孔質支持体の端部表面１２および外側湾曲面１８をシールする。密封コーティング１６ａは、チャネル壁の多孔質の端部表面のみをシールするものであり、チャネルの開口部を閉鎖またはシールするものではない。密封コーティング１６ｂは、無機多孔質支持体２０の各端部から距離Ｌに亘って、無機多孔質支持体２０の外側湾曲面をシールする。いくつかの実施形態では、密封コーティングがチャネル壁４０の内側表面の一部を、例えば、端部表面から最大で距離Ｌを含む位置までさらに覆ってもよい。密封コーティングはチャネル壁の内側表面に必ずしも必要なものではなく、チャネル壁の内側表面に密封コーティングがほとんど存在しない、また存在しないことが好ましい。存在する場合、チャネル壁４０の内側表面上の密封コーティングは、チャネル１４内へのガス流の移動を抑制するほどの厚さを有するものではなく、すなわち、チャネル１４へのガス流の流入および通過は妨害されない。
【００２９】
一実施の形態において、密封コーティングは、ガラス、ガラスセラミック、またはセラミック材料である。別の実施形態において、密封コーティングは、セラミック接着剤である。例えば２５０℃を超える高温用途で安定かつ非反応性の、任意の市販の接着剤を使用することができる。
【００３０】
密封コーティングは、例えば、スプレーコーティングまたはディップコーティングなどの任意の適切な技術を使用して、無機多孔性支持体に適用される。いくつかの実施形態では、コーティング適用の間に焼成ステップが必要となる。いくつかの実施形態では１回のコーティングの適用を必要とするが、他の実施形態では、２回以上、３回以上、４回以上、６回以上、８回以上、１０回以上のコーティングの適用を必要とする。コーティングされた無機多孔質支持体を、コーティングの適用と適用との間で、６００〜１４００℃の温度範囲で０．５〜２．０時間の間、焼成することがある。
【００３１】
別の実施形態は、多孔質の外側湾曲面と、入口端部から出口端部へと延在している複数のチャネルと、このチャネルの内側表面を被覆している１以上の多孔質層と、選択した長さとを有している、フロースルー基材の形を成した無機多孔質支持体、入口端部の表面と、出口端部の表面と、さらにこれら各端部表面から選択した距離までに亘る無機多孔質支持体の外側湾曲面とを、シールしている密封コーティング、第１端部および第２端部を有し、無機多孔質支持体の入口端部および出口端部に位置している、取外し可能な管継手、および、無機多孔質支持体の外側湾曲面上の密封コーティングと、取外し可能な管継手の第１端部または第２端部との間に設けられた黒鉛シール、を備えている装置である。
【００３２】
図３は、取外し可能な管継手５２と黒鉛シール６０とを備えた、端部コーティング無機多孔質支持体５０の実施形態を示したものである。密封コーティング１６ａ、１６ｂが、無機多孔質支持体２０の端部表面１２および外側湾曲面１８をシールしている。密封コーティング１６ｂは端部表面１２から一定距離だけ延在して、端部表面１２から黒鉛シール６０までシールされた外側湾曲面を生成する。図３にはさらにガスの流れ５４が示されている。流入流５４は取外し可能な管継手５２内に流入し、そして開口しているチャネル１４を通って無機多孔質支持体２０内に入る。密封コーティングされていることにより、流入ガス流５４はこの領域内でいずれの方向からも（外部から内部へ、または内部から外部へ）無機多孔質支持体の多孔質外側面を通過することはできない。ガスは一定距離を通過し、密封コーティング領域１６ａ、１６ｂと黒鉛シール６０とを越えて広がる。ガスは、チャネルを通ったり、チャネル壁から下方へ移動したり、あるいはこれらを両方組合せて移動したりすることができる。残余ガス５６はチャネル１４を通ってその経路を進み続け、一方透過ガス５８は、多孔質層、無機多孔質支持体の壁、および無機多孔質支持体２０のコーティングされていない外側湾曲面１８を通過する。
【００３３】
図４にはモジュール１００の一例が示されている。１以上の多孔質層と、入口端部表面、出口端部表面、および外側湾曲面をシールしている密封コーティング１６ａ、１６ｂとを含む無機多孔質支持体２０が、取外し可能な管継手５２を用いて内部管１０８に取り付けられている。無機多孔質支持体２０の一方の端部の分解図に示すように、黒鉛シール６０を使用して、取外し可能な管継手５２（第１端部および第２端部を有している）の一方の端部と無機多孔質支持体２０のコーティング面１６ｂとの間に気密シールを生成する。この分解図には、内部管１０８と取外し可能な管継手５２の他方の端部との間の黒鉛シール６０もさらに示されている。
【００３４】
無機多孔質支持体２０、取外し可能な管継手５２、および内部管１０８は、さらに大きな直径の外部容器すなわち外部管１１０に包囲されている。外部管１１０の両端部は、流入ガス流５４用ポート、キャリアガス１０４用ポート、透過ガス／キャリアガスの混合ガス１０６用ポート、および残余ガス５６用ポートを備えた、適切なサイズの取外し可能な管継手５３を用いてシールされる。
【００３５】
ステンレス鋼管、または高密度セラミック管、あるいはこれらを組み合わせたものを、流入ガス流、キャリアガス、透過ガス、および残余ガス用の送出機器として、および／またはこれらの封じ込め用に、使用してもよい。送出機器は、支持体、装置、またはモジュール内へ、およびこれらから、ガス流を送出するために使用される。一実施の形態においては、流入ガス５４が無機多孔質支持体またはモジュール内へ送出機器１０８を介して流入し、そして残余ガス５６が送出機器１０８を介して無機多孔質支持体またはモジュールから流出する。送出機器は、この用途に適した任意の適切な機器とすることができる。例示目的で、図４では送出機器を管１０８として示す。送出機器は、無機多孔質支持体の面と直接接触していない。送出機器は、任意の用途や圧力要求に対し、これに適したサイズとするべきである。送出機器は、キャリアガス導入のために、また透過ガス、キャリアガス、または透過ガスとキャリアガスの混合ガスの除去のためにも使用される。取外し可能な管継手が接続に使用されるのは、モジュール１００の構成要素間の接続に融通性を持たせることが可能になるためである。例えば、コーティングされた無機多孔質基材に接続された取外し可能な管継手を簡単に取り外して、この被コート無機多孔質基材を損傷することなく交換することができる。取外し可能な管継手を使用すれば、さらにモジュールの個別の構成要素を容易に変更または交換することができる。一例の取外し可能な管継手として、Ｓｗａｇｅｌｏｋ（登録商標）のステンレス鋼製チューブ継手が挙げられる。
【００３６】
モジュールは、管状炉内に、ステンレス鋼または高密度セラミック製の管１０８、１１０および関連する管継手５３と共に、炉領域から外側へと延びている状態で設置することができ、このとき無機多孔質支持体２０の全体は、関連する黒鉛シール６０、取外し可能な管継手５２、および管１０８の端部１０９と共に炉の内部に留まる。この設計によれば、無機多孔質支持体２０全体を高温領域内に曝すことが可能となり、ガス分離性能の向上に繋がる
取外し可能な管継手５２と無機多孔質支持体のコーティングされた外側湾曲面１６ｂとの間を気密シールすると有利である。取外し可能な管継手５２と無機多孔質支持体２０のコーティングされた外側湾曲面１６ｂとの間に気密シールを生成するために、黒鉛シール６０、例えば黒鉛フェラルが使用される。
【００３７】
さらなる実施形態は、多孔質の外側湾曲面と、入口端部から出口端部へと延在している複数のチャネルと、このチャネルの内側表面を被覆している１以上の多孔質層と、選択した長さとを有している、フロースルー基材の形を成した無機多孔質支持体、入口端部の表面と出口端部の表面とをシールしている接着剤、第１端部および第２端部を有し、無機多孔質支持体の入口端部および出口端部に位置している管継手、および、無機多孔質支持体の外側湾曲面と、管継手の第１端部または第２端部との間に設けられた接着剤シール、を備えている装置である。
【００３８】
一実施の形態においては、無機多孔質支持体２０の入口端部および出口端部で、図５に示したような接着剤による端部シール構造体２００が使用される。端部表面をシールし、かつガスシールマスク２０４を端部表面１２に取り付けるために、接着剤２０８が使用される。ガスシールマスク２０４は、図５に示すように、無機多孔質支持体２０の端部表面１２上に設置される。図６には、端部表面１２のチャネル１４に対応した開口２１４を有するガスシールマスク２０４が示されている。ガスシールマスク２０４は、本書で述べたようなシール材でもよい。他の実施形態では、ガスシールマスク２０４を、分離プロセスで使用される動作温度に耐え得るような材料、例えば、金属、ガラス、またはセラミックなどから製造したものとしてもよい。ガスシールマスク２０４の直径は無機多孔質支持体２０の直径と等しく、そしてガスシールマスク２０４を貫通している開口２１４は、ガスシールマスク２０４を通って無機多孔質支持体のチャネル１４へと流れるガスが妨げられないよう、無機多孔質支持体２０のチャネル１４に対応している。無機多孔質支持体２０よりも大きい直径を有する管継手２０６と接着剤２０８とが、端部シール構造体２００の組立てに使用される。無機多孔質支持体２０と管継手２０６との間に置かれた接着剤２０８で、無機多孔質支持体２０の外側湾曲面は接合部分２０２で密封シールされる。管継手は、任意の適切な非多孔質材料、例えば、緻密質アルミナ、金属、または高密度セラミックから作られたものでもよい。管継手は任意の適切な形状とすることができ、例えば、円形管としてもよい。管継手は、さらに連結される、例えば管などの送出機器にも接続させることができる。送出機器を管継手に取り付ける際にも、接着剤２０８が使用される。送出機器を、接着剤シールを使用せずに管継手と一体化させてもよく、これは、さらなる連結用の取外し可能な管継手を受け入れることができるような一個体を形成する際に必要とされる。接着剤で接続された全ての管継手は永久的に接続された管継手である。図５に管１０８で示したような送出機器の自由端は、さらなる連結のための取外し可能な管継手に対応し得る。
【００３９】
使用可能な接着剤の一例として挙げられるのは、市販されておりかつ最大１６００℃まで使用可能なＲｅｓｂｏｎｄ９２０である。接着剤を高温焼成すると、接着剤を表面に、より強力に結合させることができる場合がある。接着剤による端部シールによれば、室温での硬化が可能であり、室温から１６００℃まで適用することができ、さらに接着剤による多孔質層の汚染を皆無かあるいはそれに近いものとすることができる。
【００４０】
ガス流の成分を分離する方法は、上述した任意の実施形態を備え、供給ガスを無機多孔質支持体内に送出機器を介して導入し、残余ガスを収集し、さらに透過ガスを収集するものであり、このとき透過ガスが、無機多孔質支持体の外側湾曲面のコーティングされていない部分を通過したものであることを特徴とする。分離することが可能な例示的なガス成分としては、例えば、Ｈ2、ＣＯ2、ＣＨ4、Ｎ2、およびＡｒが挙げられる。
【００４１】
ガス分離の駆動力は圧力である。流入ガス流５４の圧力は、無機多孔質基材の外部の圧力よりも高い。これがガスを、多孔質層、チャネル壁、そして無機多孔質基材のコーティングされていない多孔質外側面に通して移動させる。
【００４２】
分離プロセス中、流入すなわち供給ガス流５４は、送出機器１０８を通って無機多孔質支持体２０のチャネル１４へと移動する。流入ガス流５４中の透過可能なガス分子は、１以上の多孔質層、チャネル壁、さらには無機多孔質支持体２０のコーティングされていない多孔質外側面１８を通過して、エンクロージャすなわち外部管１１０（図４参照）に囲まれた空間１１２へと流れる。透過可能なガスをモジュール１００から運び出すため、キャリアガス１０４を外部管１１０そして空間１１２内に導入してもよい。残りのガス分子、すなわち残余ガス５６は、無機多孔質支持体２０のチャネルを通過してモジュール１００から出る。
【００４３】
一例の分離プロセスにおいて、流入ガス流５４はガス分子ＡおよびＢを含む。透過可能なガス分子Ａは、多孔質層、チャネル壁、そして最終的にはコーティングされていない多孔質外側面を通過して流れる。残りのガス分子Ｂは、無機多孔質支持体のチャネルを通ってモジュールから出る。混合ガス、多孔質層の材料、および温度に応じて、Ｂ分子の中には多孔質層、チャネル壁、および支持体のコーティングされていない多孔質外側面を通過するものもあり得るし、および／または、Ａ分子の中には開口しているチャネルを下降してモジュールから出るものもあり得る。透過ガス５８はＡ分子とＢ分子の混合物を含有し得るが、透過混合ガス中のＢ分子の濃度は流入ガス流５４より低くなる。残余ガス５６はＡ分子とＢ分子の混合物を含有し得るが、残余ガス中のＡ分子の濃度は流入ガス流５４より低くなる。
【００４４】
本書において説明したモジュールは、供給ガスすなわちガス流から１つのガス分子を選択的に分離するために使用することができる。ガス流の例として、Ｎ2／Ｈ2、Ｎ2／ＣＯ2、Ｎ2／Ｏ2、Ａｒ／Ｈ2、Ｈ2／ＣＨ4／ＣＯ2、およびＣＨ4／ＣＯ2が挙げられる。流入ガス流５４は別の相を含有するものでもよく、例えば、ガス内の固体微粒子や、ガス流内の液体の液滴などが挙げられる。モジュールは、反応および分離が同時に起こる高温でのオンライン化学反応に使用することもできる。
【００４５】
ガス分離は任意の適切な条件の下で行ってもよい。供給ガスは、密封シール材、接着剤、または多孔質層に損傷を与えないようなものであるべきである。図４に示されているように延長した管を有しているモジュール１００は、例えば、２５０℃を超える高温での使用に適用可能であり、さらに最大４００℃、６００℃、１０００℃、および１６００℃の温度で使用し得る。一例では、４００℃〜６００℃でＣＯ2からＨ2を分離する。モジュールは室温でも使用可能である。
【００４６】
これまでの段落では、モジュールが図４に示したように外部管１１０と組み立てられる以前に、無機多孔質基材２０のチャネル壁が既に１以上の多孔質層で被覆されているようなモジュール１００について説明してきた。しかしながら、別の実施形態では、チャネル壁が被覆されていない無機多孔質基材２０を、上述のようにシールし、図４の分解図に示したように取外し可能な管継手５２と結合させ、さらに、取外し可能な管継手５３を有するエンクロージャすなわち外部管１１０内に設置してもよい。組立が完了すると、多孔質材料の蒸気を無機多孔質支持体２０に通過させて、無機多孔質支持体２０に多孔質層３２を形成することができる。この方法は、ガス分離性能、特にガス選択性を向上させるために、無機多孔質支持体２０のチャネル１４内に追加の多孔質層３４、３６、３８を設ける際にも使用することができる。
【００４７】
一実施の形態においては、無機多孔質支持体２０全体が高温（４００〜６００℃）に曝されている間に、シリカ前駆体の蒸気を含有している供給ガス流がチャネル１４内に導入され、一方キャリアガスが、外部管１１０に囲まれた空間１１２を通って流れる。シリカ前駆体が分解されて、チャネル壁４０の内側表面上にシリカ薄膜が堆積される。別の実施形態では、Ｈ2選択性のシリカ層をチャネル壁４０の内側表面上に堆積させ、現在のモジュール配列を使用し６００℃で分離性能を評価する。一実施の形態では、多孔質層の堆積を一時的に停止させて分離対象の混合ガスをモジュールに導入してもよく、こうして本書で説明したものと同じガス分離プロセスで分離性能を評価することができる。堆積プロセスは、分離性能評価後に再開させることができる。この堆積およびガス分離プロセスは、冷却、モジュールの分解、モジュールの再組立て、および要求される分離温度への加熱を必要とせず、同じ温度で行うことができる。温度の維持はエネルギーと時間の削減につながる。
【実施例１】
【００４８】
この例は、アルミナ多孔質支持体の内側表面上に２層の多孔質アルミナ層を含み、かつ両方の端部表面と各端部表面から一定距離までの間の外側湾曲面上とにセラミックシールのコーティングを有しているものである。この例で使用されるアルミナ多孔質支持体は、外径９．２ｍｍかつ長さ８０〜１５０ｍｍを有する、αアルミナ製のものであり、断面部分に亘って均一に分布している平均直径０．７５ｍｍの１９個の円形チャネルを含むものであった。水銀ポロシメータでの測定によれば、この多孔質支持体の孔サイズ中央値は８．７μｍであり、空隙率は４３．５％である。２つのアルミナ多孔質層はαアルミナから作られた。第１層は厚さ３０〜５０μｍ、孔サイズ中央値０．８μｍであり、第２層は厚さ１０〜２０μｍ、孔サイズ中央値０．１μｍであった。
【００４９】
セラミックシールコーティングには市販のセラミックスラリー（Duncan envision glazeの透明色（clear）ＩＮ１００１）を使用した。スプレーする前に元のスラリーを同重量の脱イオン（Ｄ．Ｉ．）水で希釈した。アルミナ多孔質支持体の外側面を、その２端部に夫々長さ１０ｍｍの包まない部分を残して、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）テープで包んだ。Paasche Airbrush Companyから市販されているＡＣ−２０エアブラシをサイズＨ−５のカラーパーツ（Color Part）とサイズＨＣ−５のエアキャップ（Aircap）とともに使用し、アルミナ多孔質支持体のＴｅｆｌｏｎテープで保護されていない部分、すなわち端部表面と両端部の外側湾曲面とを含むターゲット面上に、スラリーをスプレーした。空気圧は３５ｐｓｉ（約２４１．３ｋＰａ）に設定した。このアルミナ多孔質支持体を周囲条件で２時間乾燥させた後、箱型炉内に置き、１時間当たりの加熱速度１２０℃で１０１３℃まで加熱し、０．５時間加熱した。冷却速度は１時間当たり１２０℃であった。同様のスプレーおよび焼成プロセスをその後繰り返した。
【実施例２】
【００５０】
３層の多孔質アルミナ層で内側表面が被覆されているアルミナ多孔質支持体を、実施例１に記述した技術を用いて用意した。同様に実施例１で説明したようにして、ガラスベースのシールコーティングをアルミナ多孔質支持体の両端部表面と両端部の外側湾曲面とに適用した。
【００５１】
第１多孔質層は、孔サイズ中央値０．８μｍかつ厚さ３０〜５０μｍのαアルミナである。第２多孔質層は、孔サイズ中央値０．１μｍかつ厚さ５〜２０μｍのαアルミナである。第３多孔質層は、バレット‐ジョイナ‐ハレンダ（Barrett-Joyner-Halenda；ＢＪＨ）脱着による孔直径が４ｎｍ、かつ厚さ２μｍのγアルミナである。
【００５２】
ガラス粉末、フィラー、バインダ、および有機溶剤を含有しているガラスベースのシール材スラリーを、アルミナ多孔質支持体の両方の端部部分にスプレーした。この端部部分には、多孔質支持体の端部表面と、この端部表面から軸方向において１０ｍｍの長さを有する外側湾曲面とが含まれる。このシールコーティングを８００℃で１時間焼成した。
【実施例３】
【００５３】
３層の多孔質アルミナ層と１層の多孔質シリカ層とで内側表面が被覆されているアルミナ多孔質支持体を、実施例１に記述した技術を用いて用意した。同様に実施例１で説明したようにして、セラミックシールコーティングをアルミナ多孔質支持体の両端部表面と両端部の外側湾曲面とに適用した。
【００５４】
第１多孔質層は、孔サイズ中央値０．８μｍかつ厚さ３０〜５０μｍのαアルミナである。第２層は、孔サイズ中央値０．１μｍかつ厚さ５〜２０μｍのαアルミナである。第３層は、ＢＪＨ脱着による孔直径が４ｎｍ、かつ厚さ２μｍのγアルミナである。多孔質シリカの最上層の孔サイズは０．３ｎｍ前後であり、厚さは３０〜１００ｎｍである。セラミックシールコーティングが多孔質支持体の両方の端部部分を覆い、この端部部分には、平坦な端部表面と、この端部表面から軸方向において１０ｍｍの長さを有する外側湾曲面とが含まれる。
【実施例４】
【００５５】
２層の多孔質アルミナ層と１層の多孔質ゼオライト層とで内側表面が被覆されているアルミナ多孔質支持体を、実施例１に記述した技術を用いて用意した。同様に実施例１で説明したようにして、セラミックシールコーティングをアルミナ多孔質支持体の両端部表面と両端部の外側湾曲面とに適用した。
【００５６】
第１多孔質層は、孔サイズ中央値０．８μｍかつ厚さ３０〜５０μｍのαアルミナである。第２層は、孔サイズ中央値０．１μｍかつ厚さ５〜２０μｍのαアルミナである。最上層のゼオライトは高密度であり、ゼオライト層の孔はその格子状のチャネルから成るものであって、ガス分離用では通常０．３〜０．８ｎｍの範囲である。セラミックシールコーティングが多孔質支持体の両方の端部部分を覆い、この端部部分には、端部表面と、この端部表面から軸方向において１０ｍｍの長さを有する外側湾曲面とが含まれる。
【実施例５】
【００５７】
実施例１で記述したようなアルミナ多孔質支持体を使用した。市販のセラミック接着剤Ｒｅｓｂｏｎｄ９２０（接着剤）を２つの端部のシールに使用した。Ｒｅｓｂｏｎｄ９２０粉末を１８容積パーセントの水と混合して接着剤ペーストを用意した。このペーストを表面に塗布する前に、その表面を水に数分間浸した。接着剤ペーストで端部表面を覆った後、空気を用いて過剰な接着剤ペーストを無機多孔質基材から吹き飛ばした。ガスシールマスクで支持体の各端部をシールし、接着剤を硬化させた。表面を再び数分間水に浸し、今度はその外側湾曲面を接着剤ペーストで被覆して管継手と組み立てた。全ての部品を接着剤で接続させた後、シールされた多孔質支持体を室温で２４時間硬化させた。
【００５８】
本発明について、その特定の実例としての実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明はこれらに限定されると見なされるべきではなく、添付の請求項において画成されるような本発明の幅広い精神および範囲から逸脱することなく多くの変更が可能であることを理解されたい。
【００５９】
他に指示されていなければ、本明細書および請求項において用いられる全ての数値は、そう記載されているかどうかに拘わらず、全ての事例において「約」という用語に修飾されると理解されたい。本明細書および請求項において用いられている正確な数値は、本発明のさらなる実施形態を形成することも理解されたい。
【符号の説明】
【００６０】
１２    端部表面
１４    チャネル
１６ａ、１６ｂ    密封コーティング
１８    多孔質外側湾曲面
２０    無機多孔質支持体
４０    チャネル壁
５２    取外し可能な管継手
６０    黒鉛シール
１００    モジュール
１０８    送出機器
【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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