(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一層容易に吸着される成分及び一層吸着されにくい成分を含む流体混合物から、前記一層容易に吸着される成分に富む重生成物流体と、前記一層容易に吸着される成分が無く、かつ前記一層吸着されにくい成分に富む軽生成物流体とを分離するための回転圧力スイング吸着装置であって、以下を具備するモジュールを有する回転圧力スイング吸着装置：
それぞれが複数個の吸着体素子を有し、３６０°／Ｍの角度だけ角度的に離間して存在するＭ組の吸着体の組、ここで前記吸着体素子は、前記流体混合物を受け取るために第１マニホールドに順次的に流体連結し、かつＭは２〜２０の整数である；
前記流体混合物を前記吸着体素子の第１端に導入するための複数個の流体導入ポートと、前記重生成物流体を排出するための複数個の排出ポートと、前記軽生成物流体を送出するための複数個の送出ポートとを画成するステータ；
前記導入ポートに隣接する前記吸着体素子を回転させるための、前記ステータに対し回転運動をするロータ；
前記吸着体素子の第１端に、前記流体導入ポートを通じて間けつ的に流体連結すると共に、前記流体混合物を受け取る前記第１マニホールド；及び
前記複数個の排出ポートを通じて、また前記第１マニホールドに貫入する流体導管を通じて、前記吸着体素子の前記第１端から前記重生成物流体を受け取るために、前記吸着体素子の第１端に間けつ的に流体連結する第２マニホールドであって、前記第１マニホールドに隣接して位置する第２マニホールド。
【請求項２】
各前記吸着体の組がそれぞれ６個の吸着体素子を有する請求項１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項３】
３組の吸着体の組を前記モジュールが有する請求項１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項４】
６組の吸着体の組を前記モジュールが有する請求項１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項５】
前記供給流体が空気であり、前記吸着体素子は窒素選択ゼオライトを有し、前記排出流体が窒素である請求項１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項６】
前記モジュール内の前記吸着体素子が、前記ロータの回転軸線の周りに環状に配置されている請求項１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項７】
前記モジュールが回転吸着体モジュールである請求項１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項８】
前記第１マニホールド、及び第２マニホールドが環状である請求項１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項９】
前記モジュールが前記第１マニホールド、及び第２マニホールドの他に少なくとも１個の追加マニホールドを具える請求項１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項１０】
前記第１マニホールド、及び前記第２マニホールドが環状であって、一方が他方の上に同軸に配置されている請求項１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項１１】
前記ステータは第１弁面、及び第２弁面を有し、前記流体送出ポートは前記ロータの回転軸線の周りに円周方向に離間し、前記弁面の大部分にわたっている請求項８に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項１２】
前記流体導入ポートが、前記ロータの回転軸線の周りに円周方向に離間し、前記弁面の大部分にわたっている請求項１１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項１３】
３６０°／ｃの角度間隔でｃ個の流体送出ポートが存在する請求項１１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項１４】
前記ステータは第１弁面、及び第２弁面を有し、前記流体排出ポートは前記ロータの回転軸線の周りに円周方向に離間し、前記弁面の大部分にわたっている請求項１に記載の回転圧力スイング装置。
【請求項１５】
前記ステータは第１弁面、及び第２弁面を有し、前記吸着装置に通る流体の流れは軸線方向であり、前記第１弁面、及び第２弁面に垂直である請求項１４に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項１６】
前記第１マニホールドが圧縮機に連結されている請求項１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項１７】
前記第２マニホールドが流体排出手段に連結されている請求項１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項１８】
前記第１マニホールドが圧縮機に連結されており、前記第２マニホールドが流体排出手段に連結されており、前記圧縮機と、前記流体排出手段とが作動できるよう、モータに連結されている請求項１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項１９】
一層容易に吸着される成分及び一層吸着されにくい成分を含む流体混合物から、前記一層容易に吸着される成分に富む重生成物流体と、前記一層容易に吸着される成分が無く、かつ前記一層吸着されにくい成分に富む軽生成物流体とを分離するための回転圧力スイング吸着装置であって、以下を具備するモジュールを有する回転圧力スイング吸着装置：
それぞれが複数個の吸着体素子を有し、３６０°／Ｍの角度だけ角度的に離間して存在するＭ組の吸着体の組、ここで前記吸着体素子は、前記流体混合物を受け取るために第１マニホールドに順次的に流体連結し、かつＭは２〜２０の整数である；
前記流体混合物を前記吸着体素子の第１端に導入するための複数個の流体導入ポートを画成する第１ステータ；
前記吸着体素子の第１端に、前記流体導入ポートを通じて間けつ的に流体連結し、前記流体混合物を受け取る前記第１マニホールド；
圧力スイング吸着サイクルセクタを具える第２ステータであって、前記セクタは、前記軽生成物流体を送出するための軽生成物送出ポート、前記吸着体素子から、前記一層吸着されにくい成分に富み、かつ前記一層容易に吸着される成分が無い軽還流流体を引き出すための軽還流引出しポート、及び前記引き出した軽還流流体を前記吸着体素子へと復帰させるための軽還流復帰ポートによってそれぞれ画成されている、第２ステータ；
前記導入ポートに隣接する前記吸着体素子を回転させるための、前記ステータに対し回転運動をするロータ；及び
前記吸着体素子の前記第１端から前記重生成物流体を受け取るための、前記吸着体素子の第１端に間けつ的に流体連結する第２マニホールド。
【請求項２０】
前記第１マニホールド、及び第２マニホールドは相互に貫入する層状のマニホールドである請求項１９に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項２１】
前記マニホールドがほぼ平坦な層状のマニホールドである請求項１９に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項２２】
前記マニホールドは相互に貫入している請求項２１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項２３】
前記第１及び第２マニホールドは、同心の、層状の環状マニホールドである請求項１９に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項２４】
前記マニホールドは相互に貫入している請求項２３に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項２５】
前記第２マニホールドは前記第１マニホールドに貫入する第１導管を通じて、空気を受け取る請求項２０に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項２６】
流体漏洩を最少にするのに有効なように位置する前記第１ステータ及び第２ステータの弁面にシールを更に有する請求項１９に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項２７】
前記吸着体素子の端部は流体をシールするように直接、前記ステータに接触している請求項１９に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項２８】
流体漏洩を減少させるのに有効なように位置し、前記第１ステータ、及び前記吸着体素子の第１端に隣接して設置されたシールを有し、前記吸着体素子の第２端は流体をシールするように直接、前記第２ステータに接触している請求項１９に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項２９】
前記吸着体素子の端部はステータ弁面の１０ミクロンから、５０ミクロンまでに、位置している請求項１９に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項３０】
前記吸着体素子の端部はステータ弁面の０ミクロンから、１０ミクロンまでに、位置している請求項１９に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項３１】
前記吸着体素子は第１端と、第２端と、これ等の第１端と第２端との間にフローチャネルを画成するスペーサとを有し、少なくとも１個の前記吸着体素子は前記第１端、及び第２端の少なくとも一方に隣接する前記フローチャネルの一部に充填材を有する請求項１９に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項３２】
複数個の吸着体素子が前記第１端、及び第２端の少なくとも一方に隣接して充填材を有している請求項３１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項３３】
吸着体素子が前記第１端、及び第２端の両方に隣接して充填材を有している請求項３１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項３４】
セラミックス、金属、プラスチック、及びこれ等の組合わせから成る群から前記充填材を選択した請求項３１に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項３５】
前記圧力スイング吸着サイクルセクタ内に３個の吸着体素子が存在し、その各吸着体素子が異なる吸着体の組に属している請求項１９に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項３６】
前記軽還流引出しポートは、前記ロータの回転方向に対して角度的に位相が遅れている軽還流復帰ポートに間けつ的に流体連結するよう構成されている請求項３５に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項３７】
前記吸着体素子の第２端が前記軽生成物送出ポート、軽還流引出しポート、及び軽還流復帰ポートに間けつ的に、順次、流体連結するよう前記流体ポートを配置した請求項１９に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項３８】
各前記圧力スイング吸着サイクルセクタが、以下を具える請求項１９に記載の回転圧力スイング吸着装置：
軽生成物流体を送出するための軽生成物送出ポート
前記吸着体素子から、前記一層吸着されにくい成分に富み、かつ前記一層容易に吸着される成分が無い軽還流流体を引き出すための第１軽還流引出しポート
前記吸着体素子から、前記一層吸着されにくい成分に富み、かつ前記一層容易に吸着される成分が無い軽還流流体を引き出すための第２軽還流引出しポート
前記吸着体素子から、前記一層吸着されにくい成分に富み、かつ前記一層容易に吸着される成分が無い軽還流流体を引き出すための第３軽還流引出しポート
前記引き出した軽還流流体を前記吸着体素子へと復帰させるための第３軽還流復帰ポート
前記引き出した軽還流流体を前記吸着体素子へと復帰させるための第２軽還流復帰ポート；及び
前記引き出した軽還流流体を前記吸着体素子へと復帰させるための第１軽還流復帰ポート。
【請求項３９】
前記第１軽還流引出しポート、第２軽還流引出しポート、第３軽還流引出しポート、第３軽還流復帰ポート、第２軽還流復帰ポート、及び第１軽還流復帰ポートにシールするように連結する複数個の流体導管を更に具える請求項３８に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項４０】
前記第１軽還流引出しポートを前記第１軽還流復帰ポートに流体連結し、前記第２軽還流引出しポートを緩衝室に流体連結し、続いてこの緩衝室を前記第２軽還流復帰ポートに流体連結し、前記第３軽還流引出しポートを前記第３軽還流復帰ポートに流体連結している請求項３９に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項４１】
前記第１生成物送出ポート、第１軽還流引出しポート、第２軽還流引出しポート、第３軽還流引出しポート、第３軽還流復帰ポート、第２軽還流復帰ポート、及び第１軽還流復帰ポートに、前記吸着体の組の前記第２端が順次、流体連結するよう、前記流体ポートを配置した請求項３８に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項４２】
一層容易に吸着される成分及び一層吸着されにくい成分を含む流体混合物から、前記一層容易に吸着される成分に富む重生成物流体と、前記一層容易に吸着される成分が無く、かつ前記一層吸着されにくい成分に富む軽生成物流体とを分離するための、以下を具備する回転圧力スイング吸着装置：
第１端及び第２端を有する複数個の吸着体素子をそれぞれが有し、３６０°／Ｍの角度だけ角度的に離間して存在するＭ組の吸着体の組、ここで前記吸着体素子の少なくとも一部は、前記第１端、前記第２端、又はその両方に隣接して補強材料を有し、かつ前記吸着体素子は前記流体導入ポートに直接、流体連結しており、かつ前記吸着体素子は、前記流体混合物を受け取るために第１環状マニホールドに順次的に流体連結し、かつＭは２〜２０の整数である；
前記流体混合物を前記吸着体素子の第１端に導入するための複数個の流体導入ポートと、前記重生成物流体を排出するための複数個の排出ポートとを画成するステータ；
前記導入ポートに隣接する前記吸着体素子を回転させるための、前記ステータに対し回転運動をするロータ；
前記導入流体ポートを通じて、前記吸着体素子の第１端に間けつ的に流体連結し、前記流体混合物を受け取る前記第１還状マニホールド；及び
前記排出ポートを通じて、更に、前記第１環状マニホールドに貫入する流体導管を通じて、前記吸着体素子の前記第１端から、重生成物流体を受け取るための、前記吸着体素子の第１端に間けつ的に流体連結する第２環状マニホールド。
【請求項４３】
回転毎に複数の圧力スイング吸着サイクルを行う回転圧力スイング吸着装置であって、以下を具備するモジュールを有する回転圧力スイング吸着装置：
第１弁面を有し、複数個の機能ポートを画成する第１ステータ；
第１弁面を有し、複数個の機能ポートを画成する第２ステータ；
前記第１ステータと前記第２ステータとの間に位置する、それぞれが複数個の吸着体素子有し、３６０°／Ｍの角度だけ角度的に離間して存在するＭ組の吸着体の組、ここで前記吸着体素子は、前記流体混合物を受け取るために第１マニホールドに順次的に流体連結し、かつＭは２〜２０の整数である；
前記導入ポートに隣接する前記吸着体素子を回転させるための、前記第１ステータ及び前記第２ステータに対し回転運動をするロータ；
前記機能ポートを通じて、前記吸着体素子の第１端に、前記流体混合物を送出するための前記第１マニホールド、
ここで前記流体混合物は、前記吸着体素子内で圧力スイング吸着作用を受け、これにより
第１組の吸着体の第１吸着体素子の第２端を出る前記軽生成物流体の一部は、生成物ポートを通じて送出され、
前記軽生成物流体の第２部分は、前記ロータの回転方向に対して前記第１組の吸着体より位相が遅れる第３組の吸着体の第１吸着体素子に流体連通する第１軽還流ポートを通じて第１軽還流部として送出され、
前記軽生成物流体の第３部分は、第２軽還流部として緩衝室に送出され、
前記軽生成物流体の第４部分は、前記ロータの回転方向に対して位相が先行する第２組の吸着体の第１吸着体素子に流体連結する第３軽還流ポートを通じて、第３軽還流部として引き出され、
かつこれにより
第３組の吸着体の最後の吸着体素子によって送出される前記軽生成物流体の一部は、第３軽還流ポートを通じて第１組の吸着体の前記第１吸着体素子の第２端に送出され、
第３組の吸着体の前記最後の吸着体素子によって送出される前記軽生成物流体の一部は、前記第１組の吸着体の前記第１吸着体素子の第２端に第２軽還流ポートを通じて緩衝室から送出され、
第２組の吸着体の最後の吸着体素子によって送出される前記軽生成物流体の一部は、第１軽還流復帰ポートを通じて、第１軽還流部を前記第１組の吸着体の前記第１吸着体素子の第２端に送出することを特徴とする回転圧力スイング吸着装置。
【請求項４４】
前記吸着体素子は螺旋状に巻いた吸着剤シートから成る請求項４２に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項４５】
フローチャネルを画成する螺旋状に巻いた吸着剤シートの間に配置された半径方向に延びるスペーサを更に具える請求項４４に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項４６】
前記吸着体素子は第１端と、第２端とを具え、これ等第１端、及び第２端は補強されている請求項４２に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項４７】
前記吸着体素子は補強された前記第１端と第２端との間に配置された第１帯域、及び第２帯域を具え、前記第１帯域は乾燥剤を有し、前記第２帯域はゼオライトを有している請求項４６に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項４８】
複数個の環状の層になった相互貫入マニホールドを具える請求項４３に記載の回転圧力スイング吸着装置。
【請求項４９】
請求項１〜４８のいずれか一項に記載の回転圧力スイング吸着装置を用いて、一層容易に吸着される成分及び一層吸着されにくい成分を含む流体混合物から、前記一層容易に吸着される成分に富む重生成物流体と、前記一層容易に吸着される成分が無く、かつ前記一層吸着されにくい成分に富む軽生成物流体とを分離する方法であって、以下の工程を含む方法：
前記吸着体素子を十分に一層高い圧力まで加圧するために流体混合物を供給する工程；
前記十分に一層高い圧力で軽生成物流体を送出する工程；
軽還流流体を引き出す工程；
前記吸着装置の異なる部分に前記引き出された軽還流流体を移送する工程；
十分に一層低い圧力で前記重生成物流体を排出する工程；及び
前記吸着装置の異なる部分から、軽還流流体を受け取る工程、
ここでは、複数の位置で、同時に、このプロセスを行い；前記ロータの回転毎に、多数の圧力スイング吸着プロセスを行い；かつ前記軽還流流体は、前記一層吸着されにくい成分に富み、かつ前記一層容易に吸着される成分が無い。
【請求項５０】
前記引き出された軽還流流体が第１部分、第２部分、及び第３部分から成る請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記第１軽還流流体を前記ロータの回転方向に対して位相が遅れている吸着体の組の吸着体素子の第２端に移送する請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記第２軽還流流体を前記吸着装置の等圧化部分に移送する請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
前記第３軽還流流体を前記ロータの回転方向に対して位相が先行する吸着体の組の吸着体素子の第２端に移送する請求項５０に記載の方法。
【請求項５４】
受け取った軽還流流体が第１部分、第２部分、及び第３部分から成る請求項４９に記載の方法。
【請求項５５】
前記第１軽還流流体を前記ロータの回転方向に対して位相が先行する吸着体の組の吸着体素子の第２端から受け取る請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記第２軽還流流体を前記吸着装置の等圧化部分から受け取る請求項５０に記載の方法。
【請求項５７】
前記第３軽還流流体を前記ロータの回転方向に対して位相が遅れている吸着体の組の吸着体素子の第２端から受け取る請求項５４に記載の方法。
【請求項５８】
前記軽還流流体を引き出すことによって、前記吸着体素子を一部減圧する請求項４９に記載の方法。
【請求項５９】
軽還流流体を復帰させることによって、前記吸着体素子をパージし、一部、再加圧する請求項４９に記載の方法。
【請求項６０】
前記吸着装置の回転毎に、２回〜１０回の圧力スイング吸着サイクルを各吸着体素子が受ける請求項４９に記載の方法。
【請求項６１】
前記吸着装置の回転毎に、６回の圧力スイング吸着サイクルを各吸着体素子が受ける請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
請求項１〜４８のいずれか一項に記載の回転圧力スイング吸着装置を使用して、流体混合物から少なくとも１個の流体を分離する、以下の工程を含む方法：
一層低い作動圧力と一層高い作動圧力との間の中間圧力で、第１吸着体素子の第１端に前記流体混合物を導入する工程；
圧力スイング吸着サイクル時間をＴとすると、プロセスの開始からＴ／６までの時間ｔにわたり、前記第１吸着体素子を一層高い作動圧力まで加圧する工程；
Ｔ／６からＴ／３までの間の時間（Ｔ／６＜ｔ＜Ｔ／３）である時間ｔにわたり、一層高い作動圧力で前記軽生成物流体を引き出す工程；
Ｔ／３からＴ／２までの間の時間（Ｔ／３＜ｔ＜Ｔ／２）である時間ｔにわたり、吸着体素子を第２中間圧力に向け減圧するよう第２軽還流部分を引き出す工程；
Ｔ／２において、他の吸着体の組の吸着体素子をパージするために、第３軽還流部分を引き出す工程；
Ｔ／２から５Ｔ／６までの間の時間（Ｔ／２＜ｔ＜５Ｔ／６）である時間ｔにわたり、前記重生成物流体を排出し、かつ吸着体素子を減圧する工程；
５Ｔ／６からＴまでの間の時間（５Ｔ／６＜ｔ＜Ｔ）である時間ｔにわたり、前記第２軽還流流体を吸着体素子の第２端に移送することにより、吸着体素子を一層低い圧力から第１中間圧力まで再加圧することを特徴とする流体混合物からの流体分離方法。
【請求項６３】
Ｔ／３の時間において、第１軽還流部分を引き出す工程、及び前記吸着体素子を前記第１中間圧力まで加圧するため、吸着体素子の前記第２端に第１軽還流流体の流れを導入する工程を更に含む、請求項６２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】発明の分野
開示する本発明の実施例は装置の高いサイクル周期数（単位時間内に繰り返されるサイクル数）で作動するコンパクトな回転圧力スイング吸着装置のように、層マニホールドを有する流体分離装置を使用して、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）によって行われる空気からの酸素の分離、又は水素の精製のように、流体混合物から流体を分離することに関するものである。圧力スイング吸着装置の種々の実施例に使用するのが望ましい吸着体であって、弁面に直接掛合するように補強された狭いチャネル吸着体についても記載する。
【発明の背景】
【０００２】  I 一般の圧力スイング吸着プロセス
圧力スイング吸着によって、流体混合物から流体を分離することは流体混合物の中の一層吸着されにくい成分に対し、一層容易に吸着される成分を優先的に吸着する吸着体に、周期的な圧力変動と、流れの反転とを調整することによって達成される。吸着体を通じて、吸着体の第１端から第２端への方向に、流体を流す時間の間、全体の圧力を上昇させ、反対方向に流体を流す時間の間、全体の圧力を低下させる。このサイクルを繰り返すと、一層吸着されにくい成分は第１方向に集中すると共に、一層容易に吸着される成分は反対方向に集中する。
【０００３】  従って、一層容易に吸着される成分が無く、一層吸着されにくい成分に富む「軽」生成物は吸着体の第２端から送出される。一層強力に吸着される成分に富む「重」生成物は吸着体の第１端から排出される。窒素選択ゼオライト吸着剤での酸素分離、及び水素精製の重要な例におけるように、通常、軽生成物は精製すべき希望する生成物である。これに反し、窒素選択ゼオライト吸着剤での、窒素分離の例では、重生成物は希望する生成物である。通常、流体供給混合物を吸着体の第１端に導入し、吸着体内の圧力が一層高い操作圧力まで上昇した時、吸着体の第２端から軽生成物を送出する。一層低い操作圧力で、重生成物を吸着体の第１端から排出する。高い純度の軽生成物を得るため、圧力降下後、軽生成物、又は一層吸着されにくい成分に富む流体の一部を「軽還流」流体として、吸着体に戻して、再循環させ、例えば、パージ、等圧化、又は再加圧の工程を行う。
【０００４】  圧力スイング吸着により流体を分離するための従来のプロセスは２個、又はそれ以上の個数の吸着体を並列に使用し、各吸着体の各端部で方向を切り換えるようにし、吸着体を圧力源と、低圧側とに順次、交互に連結し、操作圧力と、流れの方向とを変えている。基本的な圧力スイング吸着プロセスは加えられたエネルギーを効率悪く使用している。これは、吸着体を高圧と低圧とに切り換えているが、弁を介する膨張が非可逆的なためである。また、一層複雑な従来の圧力スイング吸着装置は多数の「軽還流」工程を使用することや、他のプロセスの改良によって、効率の若干の改善は達成しているものの、通常の２方向弁に基づく弁作用の複雑性は著しく増大している。その結果、装置のサイクル周期数は低く、毎分１サイクルは普通であり、毎分５サイクル以上の高いサイクル周期数の市販されている装置は皆無である。更に、従来の弁、及び粒状の吸着剤を使用する際のサイクル周期数をあまり増大できないため、大量の吸着剤が必要になる。従って、従来の圧力スイング吸着プラントは大型で、重厚であるため、一層コンパクトな圧力スイング吸着技術が必要である。
【０００５】  II  回転圧力スイング吸着技術
Siggelinの（米国特許第3176446 号）、Mattiaの（米国特許第4452612 号）、Davidson、及びLywoodの（米国特許第4758253 号）、Boudet等の（米国特許第5133784 号）、Petit 等の（米国特許第5441559 号)、Keefer 等の（米国特許第6051050 号）、及びWestmeier 等の（旧東ドイツ特許DD259794A1号）は回転吸着剤ベッドの形態を使用した圧力スイング吸着装置を開示している。ロータ組立体に取り付けられた多数の角度をなして分離された吸着剤ベッドのためのポートは供給流体の受入れ、生成物の送出、廃出物の排出、及び等圧化の機能のための固定機能ポートを擦過する。これ等の装置は全て、同一サイクルに順次作用する多段吸着剤ベッドを使用しており、吸着剤ベッドに向け、吸着剤ベッドから、及び吸着剤ベッド間の流体の流れを制御するため、多数のポートを有する分散回転弁を有している。
【０００６】  先行技術には並列に作動する３個の吸着体を有する圧力スイング吸着装置、及び真空スイング吸着装置の多数の例がある。Hay （米国特許第4969935 号）、及びKumar 等（米国特許第5328503 号）は真空吸着システムを開示しているが、３個の吸着体の１個に、常時、連結された圧縮機、及び真空ポンプを連続的に作動させることはできない。このような作動はTagawa等（米国特許第4781735 号）、Hay （米国特許第5246676 号）、及びWatson等（米国特許第5411528 号）の他の３個の吸着体の例において達成されているが、これ等３個の各例においては、軽生成物引出し工程、及び軽還流工程の順序に、若干の好ましくない逆転があるため、プロセスの効率を犠牲にしている。並列の６個の吸着体を有する水素精製のための回転弁により制御される圧力スイング吸着の例はKeefer（米国特許第6063161 号）によって提供されている。
【０００７】  Westmeier 等（旧東ドイツ特許DD259794A1号）、及びKeefer等（米国特許第6051050 号）によって開示された若干の回転圧力スイング吸着の実施例はサイクル周期の整数倍「Ｍ」である回転周期を有する（Ｍ＞１）。各機能のための固定機能ポートはサイクル周期によって割った回転周期の整数商に、数字上等しい同一倍数「Ｍ」に設ける必要があり、回転軸線の周りに、等しい角度間隔で位置していることが必要である。この対策は弁面上の圧力負荷をバランスさせ、ロータの軸受負荷を減少させ、弁面の摺動シ−ル面の摩擦を減少させる。ロータを駆動するために必要な摩擦トルク、及び動力は少なくとも係数「１／Ｍ」によって減少する。これは角速度は同一の係数によって減少し、バランスされたシ−ルの接触圧力負荷も同様に減少するからである。摩擦が減少すれば、シ−ルの寿命も延びる。従って、（例えば水素精製の場合）、一層高い圧力の適用がこのような回転圧力スイング吸着装置にとって、一層、実用的であり、可能になる。これは、摺動角度（ここでは、減少を反映している「１／Ｍ」の係数により、又は同じ係数による回転周期数によって減少している）と、接触圧力との積によって、シ−ル寿命は通常、制御されるからである。しかし、この対策は次のような問題に直面する。
【０００８】  所定の圧力スイング吸着サイクルに対して、吸着体の数は係数「Ｍ」によって増大させる必要がある。従って、同一の係数「Ｍ」によって、各吸着体の角度幅を減少させる必要があり、吸着体が別々の製造組立体であれば、費用と複雑性とが増大する。回転圧力スイング吸着システムにおける圧力の抑制、吸着体間の静的シ−ル、及び弁面への吸着体のポートの開口は非常に多くの数の別々の吸着体があるため、困難である。更に、基本の圧力スイング吸着プロセスが非常に多くの工程を有していて、米国特許第6051050 号におけるように、多数の吸着体が同時に各工程を受けることを思い浮かべる時、この考えは一層きわどいものになってしまう。
【０００９】  更に、各圧力スイング吸着サイクルに割り当てられた角度セクタは３６０°／Ｍであるから、圧力スイング吸着サイクル工程間の角度圧力勾配はＭ＞１の時の係数「Ｍ」によって、急激な勾配になる。このことは弁面のシ−ルを一層困難にし、そのため、隣接する圧力スイング吸着工程間を横切って生ずる漏洩の可能性が増大する。Ｍ＞１による摺動摩擦の減少に起因する効率の改善が漏洩による効率の減少と相殺してしまうから、重要な対策としては漏洩を減少させることになる。
【００１０】  また、各機能を行う複数個の固定ポート間に均一な流れの分布を維持しながら、弁ポートによる各プロセスの機能を行うため、「Ｍ」組の吸着体に複雑で高価な外部配管連結を装置の両側に設ける必要がある。このことは、米国特許第6051050 号に開示されたような供給加圧、向流ブローダウン、及び軽還流を行うための非常に多くの別個の工程を有する圧力スイング吸着サイクルにとって、非常に、一層困難である。
【００１１】  更に、米国特許第6051050 号に開示されているように、多段回転圧力スイング吸着モジュールを並列に作動させる時、Ｍ＞１であると、外部の配管連結のマニホールドは一層複雑で高価である。このような配管連結の複雑性と費用とについて、直ちに非常に深刻な困難が生じ、並列に作動している全てのモジュールの間に、各プロセス工程（又は機能）のために流れを等しく分割するために必要な圧力降下をバランスさせる問題も発生する。このような困難性は単一の圧縮機列によって、数個以上のモジュールを並列に作動させるように分岐するのを不可能にし、有利な経済規模の非常に大きな圧力スイング吸着プロセスに拡大することを厳しく制約してしまう。
【００１２】  III   従来の吸着剤、及び吸着剤支持体
吸着剤を支持する従来の方法も問題があった。粒状吸着剤の欠点を解消することができ、しかも著しく高いサイクル周期数が可能な剛強で、広い表面積の吸着剤支持体が必要である。通常、積重ねた組立体として、又は螺旋状のロールとして形成され、隣接するシート間にフローチャネルを画成するよう、スペーサによって分離された薄いシートに支持された吸着剤を有し、広い表面積の積層吸着体がKeefer（ここに援用する米国特許第4968329 号、及び第5082473 号）によって開示されている。隣接するシート間にフローチャネルを画成するようスペーサによって分離された薄いシート内に吸着剤を支持し、唯１つの移動部片を有する圧力スイング吸着プロセス用弁を生ずるようロータ内にこの吸着剤を取り付けて、広い表面積の積層吸着剤を作動させることにより、ここに援用するKeefer等の米国特許第6051050 号に開示された非常にコンパクトな装置により、高いサイクル周期数の圧力スイング吸着サイクルを行うことができる。
【００１３】  熱スイング吸着(TSA) プロセスに使用する回転吸着体ホイールは波形の層になったロータボスの周りに、吸着剤シート材料（例えば、吸着剤含浸紙）を螺旋状に巻くことによって、通常、造られる。螺旋状ロールの中の隣接する層は波形部分によって、分離されている。この波形部分はホイールの２個の表面の間に、非常に多くの別々のフローチャネルを画成しており、これ等フローチャネルはシ−ル隔壁によって、分離された別々の角度セクタ内で供給帯域、及び再生帯域に接触する。このフローチャネルは代表的に、横断面の高さ、及び幅が数ｍｍである。各フローチャネルは螺旋状に巻いたロータ内の隣接する吸着剤シート間に、延在する波形部によって、隣接するフローチャネルから分離されている個別の吸着体として作用する。この構成はサイクル周期数が低く、供給帯域と再生帯域との間の圧力差が最小であるように作動する熱スイング吸着(TSA)プロセスには成功している。
【００１４】  高い性能の圧力スイング吸着プロセスに使用すべき回転吸着体ホイールは高圧吸着帯域と低圧再生帯域との間に大きな圧力勾配を生ずる。空気から濃縮酸素を得る時のように大形の分離の用途において、望ましい高いサイクル周期数を達成するためには、フローチャネルを非常に狭くする必要があり、例えば、サイクル周期が１秒間の場合には横断面の高さを0.5mm以下、好ましくは約0.2mmにする必要がある。チャネルはチャネリング（予期しない溝、又は裂け目）を生ずることがないよう、高い精度で製造することが必要であり、隣接する吸着体間の流体漏洩を最少にする必要がある。
【００１５】  微細な平行な通路の吸着体構造の機械的摩耗、及び流れによる腐食を避けるため、薄い吸着剤シート、及びスペーサから「吸着剤積層体」として個々の吸着体を組み立てていた。その例としてはKeeferの米国特許第4702973 号、及び第6051050 号、及びここに援用するKeefer等の発明の名称「回転圧力スイング吸着装置」で出願された係属中の米国特許出願第09/591275 号がある。また、実施例としては、本願人の係属中の出願にも開示されており、多数の吸着体を単一の螺旋状に巻かれた吸着剤積層体内に形成し、隣接するシート間に軸線方向にリブ付きスペーサを延在し、狭いフローチャネルを画成し、回転弁面に両端でポートを開口する別々の吸着体として、このフローチャネルを作用させる。本願の譲受け人の「生命を支える酸素濃縮装置」の発明の名称の係属中の米国特許出願第09/733606 号もここに援用する。
【００１６】  この技術を説明したが、サイクル周期数が高いコンパクトな回転圧力スイング吸着装置のようなコンパクトな圧力スイング吸着装置が要望される。このような装置に使用される改良した吸着体も必要である。
【００１７】  発明の要約
一層容易に吸着される成分、及び一層吸着されにくい成分を含む流体混合物から流体を分離する圧力スイング吸着分離に有効な装置、及び方法の実施例を説明する。一層容易に吸着される成分は増大する圧力の許で、吸着剤によって供給流体混合物から、優先的に吸着され、この一層容易に吸着される成分に富む重生成物流体と、一層容易に吸着される成分が無く、一層吸着されにくい成分に富む軽生成物流体とを流体混合物から分離する。この圧力スイング吸着装置を他の装置と組み合わせて、システムを形成してもよい。例えば、多数の「Ｎ」個の個々の吸着体に協働する、又は回転分散弁を使用する回転圧力スイング吸着モジュールに取り付けた「吸着体」に協働する例えば、圧縮機、及び／又は真空ポンプを含むシステムを形成してもよい。他の例としては、自動車産業の燃料電池のような他の装置に、又は医療用酸素発生への酸素送給、及び監視装置に圧力スイング吸着装置を結合してもよい。
【００１８】  本発明の重要な態様は圧力スイング吸着プロセスを実質的に別々に実施するか、又は実質的に連続的に実施するかに従って、分類される。吸着体に加圧工程を受けさせるか、又は減圧工程を受けさせるかによる圧力スイング吸着サイクルの工程を考慮して、この区別を行う。ここで、加圧工程、及び減圧工程には供給加圧工程、生成物加圧工程、向流ブローダウン工程、コーカレントブローダウン工程、及び等圧化工程を含む。
【００１９】  実施例の一カテゴリでは、圧力スイング吸着サイクルを実施するため、有限数の個数「ｎ」の吸着体を使用することによって、圧力スイング吸着プロセスを別々に実現し、任意の代表的な時間に、１個の、そして唯１個の吸着体に、圧力スイング吸着サイクルの各加圧工程、又は減圧工程を受けさせる。従って、任意の加圧工程、又は減圧工程のため、一度に１個の吸着体をステータ機能ポートに連通し、この工程の持続時間にわたり、機能ポートの圧力をこの吸着体の操作圧力と共に変化させる。この工程の終わりに、この吸着体を機能ポートとの流体連通から外すと共に、他の吸着体を機能ポートに連結し、（直ちに、又は遅延時間後）上記と同一の工程を受けさせる。吸着体の数「ｎ」は圧力スイング吸着サイクルの工程の数にほぼ対応している。その際、１個、又は複数個の吸着体に同時に高圧生産工程を受けさせ、同様に、１個、又は複数個の吸着体に同時にサイクルの低圧パージ工程を受けさせるため、圧力スイング吸着サイクルを実施し得ることに注目する。
【００２０】  （米国特許第6051050 号に導入された）実施例の他のカテゴリでは、圧力スイング吸着サイクルを実施するため、非常に多くの数の「ｎ」個の吸着体を使用することによって、ほぼ連続的に圧力スイング吸着プロセスを実現し、任意の代表的な瞬間に、複数個の吸着体に、圧力スイング吸着サイクルの加圧工程、又は減圧工程を位相順に受けさせる。加圧工程、又は減圧工程の機能ポートの操作圧力は、工程を受けている間、各吸着体内の操作圧力が変化しても、ほぼ一定である。絞りによる制限（ステータの機能ポートに隣接するステータ、及びロータの整合面間の狭い隙間によって、この制限を行うことができる）が必要であり、これにより、各吸着体のための加圧工程、又は減圧工程の圧力変化が比較的、平滑に達成されると共に、この工程の機能ポートにおける操作圧力の脈動を和らげる。一層多くの「ｎ」個の吸着体（ロータの円周の周りに均一に離間している）を設けることができれば、機能ポートの圧力の脈動は更に減少し、圧力スイング吸着プロセスは連続プロセスに一層近くなる。「ｎ」が無限大に近くなると、プロセスは真に連続になる。
【００２１】
本発明においては、「ｎ」個の吸着体について明らかにする圧力スイング吸着サイクルを同一の圧力スイング吸着サイクルで、また、回転圧力スイング吸着モジュールで作用する一層多くの「Ｎ」個の吸着体について実施する。「Ｍ」を整数であると定義して、開示された実施例の回転圧力スイング吸着モジュールの吸着体の数「Ｎ」は積（Ｎ＝ｎ×Ｍ）である。ここに「Ｍ」は、圧力スイング吸着サイクルに協働する「吸着体の組」の数であり、「ｎ」は各吸着体の組の中の吸着体の数である。本発明における回転モジュールでは各吸着体の組に属する吸着体は３６０°／Ｍの角度だけ角度的に離間している。
【００２２】  複数個の個々の積層吸着体（螺旋状に巻いたロール、又は層になったブロック）を使用してもよく、又は単一の螺旋ロール積層吸着体組立体を独立した吸着体として、別個に位相を定めた操作圧力によって機能する角度セグメントに、分割してもよい。また、本発明は縦チャネルスペーサによって非常に多くの数のチャネルに分割された螺旋ロール吸着体の例を提供する。この吸着体はそれぞれ別の吸着体として機能し、従って、殆ど連続する圧力スイング吸着プロセスを達成する。
【００２３】  共通の層マニホールド構造と共に、複数個の回転吸着体モジュールを使用することができ、適用できる圧縮ターボ機械の最大定格容量によってのみ制限される単一の圧力スイング吸着プラント列の最大定格容量を有する非常に大きな圧力スイング吸着プラントに、任意の数のモジュールで、この複数個の回転吸着モジュールを適用することができる。
【００２４】  本発明の開示された実施例は高いサイクル周期数（単位時間内に繰り返されるサイクル数が多いこと）が可能である。例えば、圧力スイング、及び真空スイングの吸着プロセスで、毎分２５サイクル以上、好ましくは毎分数百サイクルであり、しかもエネルギー効率が高く、安価で、コンパクトな機械装置である。特に、本発明は空気を種々の流体成分に分離するのに適用する。
【００２５】  I   吸着体素子の実施例の説明
ここに説明する改良された実施例の一つは吸着体素子の端部を密にし、強度を増大することに関するものであり、脆弱な吸着剤の過剰な摩耗、又は浸食を生ずることなく、この吸着剤積層構造は回転弁面に直接掛合することができ、サイクル周期数が高い圧力スイング吸着サイクルの大きな振幅の周期的な圧力勾配に耐えることができる。チャネリングを防止するように、弁面にポートを開口するフローチャネルの非常に高い精度の均一性を確保しつつ、フローチャネルの周りに吸着体の端部を充填して、十分な材料により、弁面の間隙でのチャネル間の横方向のポートの漏洩を防止する。許容できる程度の漏洩を許容しながら、別々の吸着体として機能する非常に多くの数のチャネルを使用することによって、これ等の改良により、Ｍ＞１の場合の圧力スイング吸着形態の使用を容易にしている。また、これ等の改良によって、圧力の保持のために、また、個々の吸着体の分離のために、吸着体の外部の構造を複雑にしたり、嵩高にすることなく、螺旋状に巻いた吸着体の実用を可能にしている。
【００２６】  本発明の好適な実施例では可撓性吸着剤シートから形成した「吸着剤積層」又は層状吸着剤の形に、吸着剤を支持する。この吸着剤シートは複合体補強部を有する吸着剤の薄いシートであり、又は吸着剤を有する薄い箔である。隣接する対のシートの間に平行なチャネルを形成するスペーサによって、フローチャネルを形成する。経験上の吸着体の隣接する吸着剤シート間のチャネル幅は吸着剤シートの厚さの５０％〜１００％の範囲であった。この「吸着剤積層」の形態はパックしたベッドより、圧力降下が著しく少なく、パックしたベッドの流動化の問題を防止している。この吸着剤シートの厚さは通常、１００〜１７５ミクロンの範囲内にある。
【００２７】  シートを積層することによって、堆積する際の誤差、又は巻く際の誤差に対応できる望ましい柔軟性を生ずる。吸着剤シートの隣接する層の間のフローチャネルの均一性を悪くする拘束されていない偏り、又はゆがみを防止するために、必要な安定性をこのスペーサシステムによって得ることができる。
【００２８】  II  圧力スイング吸着装置の実施例の説明
この装置の開示する実施例は更に、「Ｍ」のいかなる値に対しても同じようにコンパクトであって、複雑な圧力スイング吸着サイクルの全ての工程を行うため、（個々のマニホールド層を圧力スイング吸着モジュールの対応する機能ポートに連結する相互に貫入するダクトを有する）層マニホールドを設けることにより、Ｍ＞１の場合の（アキシャルフロー、及びラジアルフローの両方の）回転圧力スイング吸着システムを得ることを狙ったものである。この対策を拡大すれば、複数個の回転圧力スイング吸着モジュールと、単一の圧力スイング吸着プラント列のための単一層マニホールド組立体内のこれ等モジュールの圧縮機とを容易に適応させることができる。従って、比較的小さな定格のモジュールの場合でも、モジュラー圧力スイング吸着装置を非常に大きい単一列容量に拡大することが実用的になる。
【００２９】  層状の相互に貫入するマニホールドを有するここに説明する回転圧力スイング吸着装置の実施例は複数個の流体ポートを画成するステータと、複数個の吸着体素子を流体ポートに流体連通させ、また流体連通から外すよう吸着体素子を回転させるため、ステータに対し回転運動をするロータとを有する。ここに説明する実施例も一般に、供給流体を受け取るための第１マニホールドを有する。この第１マニホールドは流体ポートを通じて、吸着体素子の第1端に間けつ的に、流体連結する。これ等吸着体素子は回転軸線の周りの吸着体の組の中に、環状に配置されている。第２マニホールドも吸着体の組の中の吸着体素子の第１端に、間けつ的に流体連結する。通常、第２マニホールドはステータによって画成された複数個の排出ポートを通じて、吸着体素子の第１端からの排出流体を受け取る。
【００３０】  或る実施例では、第１環状マニホールド、及び第２環状マニホールドは一方を他方の上に層にする。第２マニホールドは第１マニホールドに貫入する（又は第１マニホールドの周縁の周りに通る）流体導管を通じて、流体を受け取り、又は送出する。層になったマニホールドのこの組合わせをここでは、相互貫入マニホールドと称する。この層にした構成において、２個より多い個数のマニホールドを堆積してもよく、少なくとも２個、通常は全ての堆積したマニホールドも相互貫入マニホールドである。
【００３１】  吸着体素子は２〜約２０の吸着体の組のような種々の数の吸着体の組の中に通常、配置される。各吸着体の組は複数個の吸着剤素子を含む。回転ベッド装置の場合には、吸着体素子を回転軸線の周りに環状に配置し、「Ｎ」個の吸着体に対し、吸着体の角度間隔は３６０°／Ｎである。吸着体の組の吸着体素子は第１マニホールドから供給流体を順次、受け取る。特別の実施例では、空気の分離のため、この回転圧力スイング吸着装置を使用するが、供給流体は空気であり、吸着体素子には窒素選択ゼオライトを含み、排出流体は窒素である。
【００３２】  この回転圧力スイング吸着装置のここに説明する実施例は流体ポートを画成するステータを有し、このステータによって画成された流体ポートは軸線の周りに、円周上に離間していて、平坦な表面の大部分の上にある。特定の実施例はステータの３６０度にわたり離間する流体ポートを有する。このような実施例の場合、圧力スイング吸着サイクルの特定の工程のための「Ｍ」個の流体送出ポート、又は流体排出ポートがあるならば、そのようなポートは３６０°／Ｍの角度間隔で配置される。
【００３３】  ここに説明する装置の特定の実施例では、第２ステータが圧力スイング吸着サイクルセクタを画成しており、各セクタは軽生成物送出ポート、軽生成物引出しポート、及び軽還流復帰ポートによって画成されている。例えば、セクタ内に３個の吸着体素子があり、セクタ内の各吸着体素子は異なる吸着体の組に属している。異なるセクタ内の対応する吸着体はそれぞれ同時に、初期加圧、及び軽生成物送出のような圧力スイング吸着サイクルの特定の部分に掛合する。このような実施例では、軽還流引出しポートを角度的に位相が遅れている流体復帰ポートに、間けつ的に流体連結する。更に特定の実施例では、各セクタは軽生成物送出ポートと、第１軽還流引出しポートと、第２軽還流引出しポートと、第３軽還流引出しポートと、第３軽還流復帰ポートと、第２軽還流復帰ポートと、第１軽還流復帰ポートとを具える。
【００３４】  流体導管を設け、達成される所定の機能に望ましいポートに、これ等導管をシ−ルして連結する。例えば、第１軽還流引出しポートを第１軽還流復帰ポートに流体連結し、第２軽還流引出しポートを緩衝室に流体連結し、続いて、この緩衝室を第２軽復帰ポートに流体連結し、第３軽還流引出しポートを第３軽還流復帰ポートに流体連結する。更に、吸着体の組の第２端を、第１生成物送出ポート、第１軽還流引出しポート、第２軽還流引出しポート、第３軽還流引出しポート、第３軽還流復帰ポート、第２軽還流復帰ポート、及び第１軽還流復帰ポートに、順次、流体連通するように、これ等流体ポートを配置する。
【００３５】  流体、特に加圧下のガスを取り扱う時、流体の漏洩を最少にするように注意する必要がある。従って、この回転圧力スイング吸着装置はロータと、ステータとの間の弁面の吸着体素子に隣接して、設置されたシ−ルを更に有し、流体漏洩を最少にするのに有効になるように位置させる。代案として、吸着体素子を狭い間隙ギャップで直接、ステータ弁面に掛合させ、ここに説明する補強吸着体素子を使用して、ロータ内の隣接する吸着体と、ステータの機能ポートとの間の流体シ−ルを十分なレベルにする。
【００３６】  III   圧力スイング吸着方法の実施例の説明
この方法は上述の実施例の装置を設け、次に、少なくとも１個の供給流体を供給して、吸着体の組の吸着体素子を十分に一層高い圧力まで加圧し、圧力スイング吸着サイクルを開始することから成る。各吸着体フローチャネル内で、順次行われる圧力スイング吸着サイクルの工程を実施するため、例えば、吸着体の組、又は１個、又はそれ以上の個数の吸着剤積層螺旋ロールと、第１弁と、第２弁との間に相対的な回転を生ぜしめると共に、吸着体フローチャネルと、圧縮機との間の特定の全部の圧力レベルにおける流れのタイミングを制御する。この相対回転を正確に、サイクル周期数において、又は整数「Ｍ」で割ったサイクル周期数で達成する。或る開示された実施例では、吸着剤積層ロールをロータに同心に取り付け、第１弁、及び第２弁を含むステータに対し相対的に、このロータを回転する。
【００３７】  十分に一層高い圧力で、第１軽生成物流体を送出する。或る部分で、及び所定の機能のために使用する各部分で、軽還流流体を引き出す。例えば、軽還流流体の一部を緩衝室に移送してもよい。これ等軽還流流体の一部を種々の吸着体セクタ内の吸着体素子の第２端の隣接する流体導入ポートに移送し、吸着剤からの重成分の脱着のような希望する種々の仕事を達成する。また、この方法はかなり低い圧力で、少なくとも第２生成物を排出することを含む。この装置、及び方法は複数個の装置の位置で、同時に、プロセス工程を遂行し得るコンパクトな圧力スイング装置の組立体でも可能であり、また、ロータの回転毎に、多数の圧力スイング吸着プロセスを行うことも可能である。
【００３８】  この方法の特定の実施例では、第１、第２、及び第３の軽還流部分として、軽還流流体を引き出す。第１軽還流部分を位相が遅れた吸着体の組の吸着体素子の第２端に移送し、第２軽還流流体部分を装置の等圧化部分（例えば緩衝室）に移送し、第３軽還流流体部分を位相が先行する吸着体の組の吸着体素子の第２端に移送する。軽還流流体をパージのため復帰させること、及び吸着体素子を一部加圧することを含む種々の理由により、このように、軽還流部分を分割することができる。
【００３９】  詳細な説明
I   序論
第１実施例において、Ｍ＝１であれば、単一のサイクルのための隔室が３６０°の全円周の周りに延在していて、ロータはこのサイクル周期数で回転する。しかし、本発明は１より大きいＭの場合にも適用することができ、その場合のサイクル周期数は回転周期数のＭ倍であり、各サイクルのための隔室の全組が３６０°／Ｍのおのおのの弧について繰り返され、各プロセス工程に対して、３６０°／Ｍによって分離された等しい角度間隔で、Ｍ個の隔室が存在する。吸着剤積層ロールのフローチャネルは密接する角度間隔を有するのが好適であり、別々の吸着体として機能する非常に多くのフローチャネルが存在し、圧力スイング吸着プロセスの各工程への外部の流れは流量、及び圧力において、ほぼ均一である。
【００４０】  ここに説明する実施例はＭ＞１の場合の高いサイクル周期数の回転圧力スイング吸着システムの実用性を著しく改善している。装置の寸法が増大した時、このことは特に成立する。ロータの直径が増大すると、臨界弁シ−ル上の摺動速度が増大し、摩擦、及び摩耗が悪くなるから、特に、シ−ルの信頼性、及び寿命を更に悪化させる高い操作圧力、及び高い操作温度を必要とする用途では、係数Ｍによるこれ等の速度を減少させることによって、主要な利点を達成する。
【００４１】
開示した実施例の回転圧力スイング吸着モジュールにおける吸着体の数「Ｎ」は積（Ｎ＝ｎ×Ｍ）である。ここに「Ｍ」は圧力スイング吸着サイクルに協働している「吸着体の組」の数である。「ｎ」は各吸着体の組の中の吸着体の数である。好適な実施例ではｎ＞２である。例としては、ｎ＝３、及びｎ＝６について記載している。しかし、ｎ＝５のような「ｎ」の他の整数値も非常に適している。
【００４２】  回転周期「ＴR＝1／ｆ」に対応する回転周波数、即ち回転数「ｆ」で、ロータが回転していると、圧力スイング吸着サイクルのサイクル周期「Ｔ」はＴ＝ＴR／Ｍとして決定される。本発明はＭ＞１の整数値に適用する。ここに、「Ｍ」は所定の「Ｔ」に対し、回転周期を増大させる倍数である。１秒間、又はそれ以下の程度の短い周期「Ｔ」のような非常に早い圧力スイング吸着サイクルの場合には、シ−ルの摩擦、及び摩耗を減少させるため、回転周波数、即ち回転数を減少させるのが望ましい。
【００４３】  ここに説明する実施例は、シ−ルの摩擦抵抗に抗して、ロータを作動させるのに必要な動力を対応して減少させること以上に、比較的大きな倍数「Ｍ」によるのが望ましければ、回転数の減少を容易にし、弱点であるシ−ルの寿命を延長することができる。ここに記載する実施例は非常に複雑な外部配管連結の問題、及び倍数「Ｍ」によって外部配管連結を必要とする弁の全数が増大することにより予期される不平衡の可能性の問題に、全体として打ち勝つことができる。更に、ここに記載する実施例は自動車の燃料電池動力プラントのための酸素の濃縮、水素の精製のために必要な非常にコンパクトな圧力スイング吸着装置を提供することができる。また、ここに記載する実施例は高いサイクル周期数の圧力スイング吸着プロセスに連結する圧縮機、及び／又は真空ポンプの均一な負荷をどのように達成するかの問題、生成物の純度、及び生産量についてのプロセスの高い性能をどのようにして達成するかの問題、及びプロセスの全体としての高いエネルギー効率をいかにして達成するかの問題を解決しようとしている。
【００４４】  ここに説明する圧力スイング吸着プロセスは各吸着体の組において、圧力スイング吸着サイクルを確立し、各吸着体内の全操作圧力を圧力スイング吸着サイクルの一層高い圧力と、一層低い圧力との間に繰り返す。一層高い圧力は通常、大気圧より高く、一層低い圧力はこの一層高い圧力より低く、便利なのは大気圧より高いか、大気圧より低いかである。また、この圧力スイング吸着プロセスは一層高い圧力と、一層低い圧力との中間の圧力を用意している。一般に、この装置の圧縮機は供給流体圧縮機、及び重生成物流体排出装置を含む。一層低い圧力が大気圧以下である時、この排出装置を真空ポンプにすることができる。一層低い圧力が大気圧であれば、排出装置をエキスパンダにするか、又は向流のブローダウンを調整するため、絞り装置で置き換えることもできる。
【００４５】  ここに記載する実施例では、供給圧縮機は通常、供給により吸着体の加圧を行うため、供給流体を第１弁に供給する。排出装置は通常、吸着体の向流ブローダウンのため、第１弁から重生成物流体を受け取る。
【００４６】  第２弁に協働するため、緩衝室を設けることができる。この緩衝室は一層高い圧力のベッドから軽還流流体として、第２成分に富む流体の一部を受け入れる「軽還流」機能を行い、コーカレントブローダウン中、この一層高い圧力から圧力を減少させる。また、緩衝室も短い時間の間、この流体を保管し、次にこの流体を同一の吸着剤ベッドに復帰させ、一層低い圧力で、パージを行うか、又は軽還流加圧を行って、一層低い圧力から圧力を増大する。この軽還流機能により高い純度で軽生成物を生産することができる。
【００４７】  ｎ＝３、及びｎ＝６の例の場合、ここに記載する実施例は各吸着体の組に対し、次のようなサイクル周期内で、順次、繰り返される工程を遂行すると共に、サイクル周期「Ｔ」の始めに、零から出発するように時間「ｔ」を設定する。行程は次の（Ａ）〜（Ｇ）である。
【００４８】  （Ａ）供給加圧、及び生産。吸着体の組の中の圧力が一層低い圧力と、一層高い圧力との間の第１中間圧力である時、サイクルを開始して、サイクル周期のほぼ１／３（０＜ｔ＜Ｔ／３）に相当する時間ｔにわたる供給時間中、吸着体の組の第１端に供給流体混合物を受け入れ、吸着体の組を一層高い圧力まで加熱し（工程Ａ１、０＜ｔ＜約Ｔ／６）、次に、流れの摩擦に起因する圧力降下が少ない、十分一層高い圧力である軽生成物送出圧力で、第２端から軽生成物流体を送出する（工程Ａ２、Ｔ／６＜ｔ＜Ｔ／３）。
【００４９】  （Ｂ）工程Ａの終わりに、又は終わり近くに（Ｔ／３）、短い時間の間に、ほぼ一層高い圧力で、（軽生成物の送出の工程Ａ２のほぼ終わりに）第２成分に富む第１軽還流流体を第２端から引き出す。
【００５０】  （Ｃ）ｎ＝３の場合の緩衝室への等圧化、又はｎ＝６の場合の位相が１８０°に対向している他の吸着体の組への直接の等圧化。工程Ｂに続くコーカレントブローダウンの時間中、吸着体の組の第１端における流れを停止させると共に、軽還流流体として、第２成分に富む第２軽還流流体を吸着体の組の第２端から緩衝室内に引き出し、時間Ｔ／３＜ｔ＜Ｔ／２の時間ｔにわたり、一層高い圧力と一層低い圧力との間の第２中間圧力に向け、吸着体の組を減圧する。
【００５１】  （Ｄ）工程Ｃの終わり付近で、短い時間の間、他の吸着体の組のためのパージの流れとして、第２端から第３軽還流流体を引き出す（Ｔ／２）。
【００５２】  （Ｅ）向流ブローダウン、及び排出。工程Ｅ１（Ｔ／２＜ｔ＜Ｔ／３）において、排出時間（Ｔ／２＜ｔ＜５Ｔ／６）の間に、第１成分に富む流体の流れを吸着体の組の第１端から排出して、吸着体の組を第２中間圧力から一層低い圧力まで減圧し、次に工程Ｅ２（２Ｔ／３＜５Ｔ／６）において、工程Ｄを経ている他の吸着体の組（位相が１２０°遅れている）の第２端から、第３軽還流流体の流れを移送し、十分に一層低い圧力で吸着体の組をパージし、第１成分に富む流体を重生成物流体として排出し続ける。
【００５３】  （Ｆ）ｎ＝３の場合の緩衝室から等圧化を行い、又はｎ＝６の場合の工程Ｃを受けている他の吸着体の組（位相が１８０°対向している）から直接、等圧化を行う。吸着体の組の第１端における流れを停止させると共に、５Ｔ／６＜ｔ＜Ｔの時間内の時間ｔにわたり、第２軽還流流体により、吸着体の組を十分に一層低い圧力から、第２中間圧力まで再加圧する。
【００５４】  （Ｇ）約ｔ＝Ｔの時間に、工程Ｂを受けている他の吸着体の組（位相が１２０°先行している）の第２端から直接、第１軽還流流体の流れをバックフィル流体として受け取り、次のサイクルの工程Ａを開始するため、吸着体の圧力を第１中間圧力まで増大する。
【００５５】  代案としての軽還流パターンを使用し得ることは当業者には明らかである。例えば、工程Ｂからの第１軽還流流体の若干、又は全部を使用して、工程Ｅの間に、他の吸着体の組をパージすることができる。他の変更としては、工程Ｂ、及び工程Ｇを省略し、又は工程Ｂを工程Ａに重複させず、工程Ａに続くように工程Ｂを遅らせて実施し、圧力の等圧化工程として作用させる。
【００５６】  希望する精製、回収、及び軽生成物流体の流量を達成するよう、サイクル周期数を変化させることにより、プロセスを制御することができる。代案として、所定のサイクル周期数において、供給流量、及び軽生成物流量を調整し、希望する軽生成物精製を達成する。供給圧縮機駆動速度、及び圧力スイング吸着モジュールの回転数を同時に変化させることにより軽生成物流量を調整して、軽生成物受理部における送出圧力を維持する。
【００５７】  空気から酸素を濃縮する真空の実施例では、代表的に、第１中間圧力と、第２中間圧力とを大気圧にほぼ等しくし、一層低い圧力を大気圧以下（例えば約0.3〜0.5絶対バールにし、一層高い圧力を1.5〜 ３絶対バールの範囲内）にする。代案として、正圧の実施例では、一層低い圧力を大気圧にする。空気清浄化の用途では、第１成分が不純物流体、又は蒸気であり、流体混合物は不純物に富む空気であり、軽生成物は精製空気である。空気分離の用途では、流体混合物は空気であり、第１成分は窒素であり、第２成分は酸素である。また、吸着剤として窒素選択ゼオライトがあり、軽生成物は酸素に富む流体であり、重生成物は窒素に富む流体である。生成物の純度は多数の因子による。その因子はサイクル速度、作動圧力、作動温度、ゼオライト等のような作動パラメータ、及び燃料電池に供給する際、必要な水素の純度のような、又は医療を受ける患者の医療酸素の純度のような出力側の要件のようなパラメータである。空気分離のための軽生成物の純度は少なくとも８０％以上の酸素、好適には９０％以上の酸素、一層好適には９５％以上の酸素である。
【００５８】  II  図面を参照する詳細な説明
図１に示す圧力スイング吸着装置は吸着体ロータを有し、この吸着体ロータは回転軸線１２を相互に画成しているステータに掛合している。吸着体ロータは「Ｎ」個の吸着体（absorber）１４を有し、タイロッド２０と、ロータカバー２２とによって相互に取り付けられた第１ロータ板１６と、第２ロータ板１８との間に吸着体１４を取り付けている。軸２６によって第１ロータ板１６に結合されたモータ２４によって、ロータを駆動する。
【００５９】  ステータは第１ステータ部２８と、第２ステータ部３０とを有し、これ等ステータ部は軸線１２に対し固定された一線をなす関係に取り付けられている。第１ステータ部２８は軸線１２の周りに環状に配置された供給マニホールド室３２と、軸線１２の周りに同じように環状に配置された排出マニホールド室３４とを有する。供給導管３６は供給マニホールド室３２を圧縮機のような外部の流体供給源に連結する。排出導管３８は排出マニホールド室３４を真空ポンプ（低圧側が大気圧以下の場合）のような外部排出部に連結し、大気に排出するか、又は第２生成物のために他の処理をする。第２ステータ部３０を軽生成物送出導管４０に連結する。図示の供給送出導管は軸線１２上に中心を占める。
【００６０】  各吸着体１４は第１ロータ板１６、及び第２ロータ板１８にそれぞれシ−ルして連結された第１端４２、及び第２端４４の間で、吸着材料に接触する流路を有する。第１ステータ部２８と、第１ロータ板１６との相互のシ−ル面の間に、第１弁面４６を画成する。第２ステータ部３０と、第２ロータ板１８との相互のシ−ル面の間に第２弁面４８を画成する。各吸着体素子（absorber element）１４の第１端４２は第１ロータ板１６に貫入する第１孔５０によって、第１弁面４６に流体連通する。各吸着体素子１４の第２端４４は第２ロータ板１８に貫入する第２孔５２によって、第２弁面４８に流体連通する。
【００６１】  図１の特定の実施例では、吸着体１４は吸着剤（absorbent）を支持するシート材料で形成されている。スペーサは流路に沿うフローチャネルを画成している。このシート材料は円筒心部５４の周りに巻かれており、吸着体素子１４の第１端４２と第２端４４との間に延在する吸着剤の螺旋状ロール５６を形成している。螺旋状ロール５６は第１ロータ板１６、及び第２ロータ板１８の整合空所にシ−ルして掛合する内包管５８内にシ−ルするように挿入されている。吸着体１４は後に説明する図１３に図示する単一のロールのような代案の構造を有するものでもよい。
【００６２】  図２は図１の装置の２−２線上の横断面図で、軸線１２の周りの単一環状に配置された吸着体１４を示す。ｎ＝３、即ち、3組（Ａ、Ｂ、及びＣ）の吸着剤素子があり、各組はｍ＝６個の吸着体１４（Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ａ３、Ｂ３、Ｃ３、Ａ４、Ｂ４、Ｃ４、Ａ５、Ｂ５、Ｃ５、Ａ６、Ｂ６、Ｃ６）があり、全部で１８個の吸着体がある。吸着体の組、Ａ、Ｂ、Ｃの順序に、ベッドとベッドとの間で１２０°づつ位相をずらして、これ等３組の吸着体毎に、圧力スイング吸着サイクルが行われる。
【００６３】  吸着剤シートは補強材を有するが、この補強材は、特定の実施例ではガラス繊維、金属箔、又はワイヤメッシュ、即ち金網であり、適当な結合材で、この補強材に吸着材料(absorbent material)を取り付けている。図１に示すように、図示の吸着剤積層ロールのような吸着体１４は全体にわたり単一の吸着材料を有していてもよく、又は全体にわたり、又は特定の帯域内に吸着材料の均質の、又は不均質の結合体を有していてもよく、又は異なる吸着材料をそれぞれ有する別々の帯域を有していてもよい。図示の吸着体１４は第１端４２に隣接する第１帯域６０と、第２端４４まで延びている第２帯域６２とを有する。第１帯域６０は一例として、活性アルミナである乾燥剤のような第１吸着材料を含む。第２帯域６２はゼオライト吸着剤のような第２吸着材料を含む。このように構成した場合、第１帯域６０は第１端４０と第２端４２との間に、フローチャネルの長さの約１５％にわたり延在し、第２帯域（この第２帯域は異なる吸着剤を含む複数個の帯域に小分割される）６２は残りの８５％にわたり延在している。濃縮酸素を生産するための空気分離の場合には、通常、第２帯域６２内の吸着剤はＸ形ゼオライト、又はＡ形ゼオライトを含むか、又は通常リチウム、カルシウム、ストロンチウム、マグネシウム、及び／又は他の陽イオンで置換し、この分野でよく知られているように珪素とアルミニウムとの比を最適にした斜方沸石ゼオライトを含む。このゼオライト結晶はシリカ、粘土、及びその他の結合剤で結合しているか、吸着剤シートマトリックス内に自己結合している。
【００６４】  図１３は特に連続システムに使用するため、吸着体ハウジング６７の外壁６４と、内壁６６との間に形成された単一吸着剤積層ロール５６を示す。この吸着剤積層ロール５６は螺旋状に巻いた吸着剤シートで形成されており、これ等シートの間にスペーサ７０を有し、これにより、軸線方向の流体フローチャネル７２を画成すると共に、これ等フローチャネル間の横方向の流れを防止する。第１端４２と第２端４４との間に、軸線方向にスペーサ７０を延在し、別々の吸着剤素子として作用するフローチャネル７２を画成する。
【００６５】  結合材成分によって、ゼオライト結晶のスラリーを補強材料にコーティングすることによって、満足な吸着剤シート６８が作られており、成功例としては、不織ガラス繊維スクリム、織った金属織物、及び膨張アルミニウム箔がある。隆起したパターンになるよう吸着剤シート６８に印刷するか、エンボス加工を加えるか、隣接する対の吸着剤シート間に、織ったスペーサ７０を設置することにより、スペーサ７０を設ける。代案としての満足なスペーサは織った金属スクリーン、不織ガラス繊維スクリム、及び写真平版パターンにエッチングを施したフローチャネルを有する金属箔がある。
【００６６】  本発明によって得られる一つの重要な改良点は第１弁面４６、及び／又は第２弁面４８に直接ポートを開くための補強チャネルを有する吸着体１４である。これ等の吸着体は図１に示すような層状、及び／又は相互貫入マニホールドを有する装置を含む種々の圧力スイング吸着装置に使用することができる。しかし、このような吸着体は図１４に示すような圧力スイング吸着装置の他の実施例に使用することもできる。図１４は第１弁面４６と、第２弁面４８とに直接ポートを開くフローチャネル７２を示す。吸着剤積層ロールの狭い密な帯域７８、８０はフローチャネル７２の第１端４２、及び第２端４４でそれぞれ終わっており、弁面での摩耗、及び漏洩に対する抵抗を増大している。帯域７８、８０は例えば、不活性セラミック材料、高分子材料、金属、又は合金、又はこれ等の材料の混合物のような充填材を充填する。螺旋状に巻いた金属ストリップを使用して、スペーサ７０を連結すると共に、弁面に対するフローチャネル７２の開放流体連通を維持し、また、チャネリング（予期しない溝、又は裂け目）を避けるためチャネルの厳密に同一の流れの抵抗を高い精度まで維持する。
【００６７】  吸着剤積層ロールの狭い密になった端部帯域７８、８０はそれぞれフローチャネル７２の第１端４２、第２端４４でそれぞれ終わっていて、弁面における摩耗抵抗、及び漏洩抵抗を増大する。例えば、シリケートリジダイザー(rigidizer)、 水ガラス、又は熱硬化性プラスチック化合物のように、吸着剤シートの端部を硬化させるための適当な物質を端部帯域７８、８０に含浸させることにより、補強、及び／又は高密度化を達成することができる。充填材を設けて、端部帯域のチャネルを狭くして、帯域７８、８０を補強してもよい。（即ちチャネルを狭くすることによって、密実材料の横断面積を増大し、ロータとステータとの間の弁面での擦過による削摩による摩耗、又は流体の浸食に対する抵抗を向上させ、弁面における漏洩流を減少させる。）
【００６８】  端部帯域におけるチャネルのための充填材は不活性セラミック材料、高分子材料、熱分解炭素、金属、又は合金、又はこれ等の混合物である。セラミック充填材料は焼成する前に粘土先駆物質として導入する。吸着剤が高温活性化を必要としない用途には、熱硬化性プラスチックポリマー充填材を使用してもよく、又は高温で活性化される吸着剤の活性化のための焼成プロセス中に、熱硬化性プラスチックポリマー充填材をコークス、又は熱分解炭素に変換してもよい。（摩耗、及び漏洩に対する抵抗に関して耐久性が得られるように、弁面で終わるようにした）端部帯域７８、８０の螺旋状に巻いた金属ストリップを使用して、スペーサ７０を連結すると共に、弁面に対するフローチャネル７２の開放流体連通を維持し、またチャネリングを防止するようチャネルの厳密に同一の流れの抵抗を高い精度で維持するようにしてもよい。
【００６９】  図４〜図７は図１に示す装置の横断面図である。図１の装置の４−４線上の横断面図である図４は第２弁面４８の第２ロータ板１８の第２孔５２を示す。また、図５は第１弁面４６の第１ステータ部２８の供給ポート８２と、排出ポート８４とを示す。ｍ＝６であるから、供給、及び排出の第１機能のためのこれ等のポートは６個のポートの組として設けられており、各組は３６０°／６＝６０°の角度で分離されている。
【００７０】  図６は図１の６−６線上の供給マニホールドに沿う装置の横断面図である。図６は移送導管８６を示し、この移送導管８６は供給マニホールド３２に貫入する排出マニホールド３４に排出ポート８４を連通させている。第１機能のため、軸線１２に同心の、層状の環状マニホールドを設けることにより、任意の瞬間に対応する機能（供給、又は排出）を達成するように連結された吸着体の単一の組から成る吸着体１４への良好な流れの分散を達成している。
【００７１】
図７は図１の装置１０の７−７線上の断面図である。図７は第２ステータ部３０内の第２弁面４８の第２機能ポートを示す。図７は３個の軽還流段階のための機能ポートを示している。図示された第２機能は軽生成物の送出、吸着体１４からの軽還流の引き出し、及び吸着体への軽還流の復帰である。この実施例では、軸線１２の周りの３６０°／６＝６０°の各角度セクタ内に第２弁機能ポートは、流体導管９０を介して、軽生成物送出導管４０に連通する軽生成物送出ポート８８と、第１軽還流引出しポート９２と、第２軽還流引出しポート９４と、第３軽還流引出しポート９６と、第１軽還流復帰ポート９８と、第２軽還流復帰ポート１００と、第３軽還流復帰ポート１０２とを有する。軽還流引出しポート（９２、９４、９６）の各対（第１、第２、及び第３）と、軽還流復帰ポート（９８、１００、１０２）との間の流体連通は第２ステータ部３０内の流体導管１０４、１０６、１０８として設けられる。各流体導管１０４、１０６、１０８はそれぞれの軽還流ガスのためのオリフィスのような圧力降下手段を有する。図示の実施例では第２軽還流ガスのための緩衝室１１０を有する。
【００７２】  第１、第２、及び第３の軽還流ガスはこの順序で、低下する軽成分純度を有する。これ等の軽還流ガスは次第に純度が低下する順序で吸着剤素子１４から引き出され、次に純度が向上する逆の順序で復帰する。従って、軽還流は積層となり、軽生成物の優れた純度を維持する。
【００７３】
図８は図７と同一の部分を示す横断面図であるが、図１の装置１０の代案の実施例を示す。図９は単一の中心に設置された緩衝室１１２を有する代案の構成を示し、この緩衝室１１２は各「Ｍ」個の環状セクタのために別個の緩衝室１１０を設ける代わりに、ロータの中心空所に設置する。中心緩衝室１１２は流体導管１１４によって、「Ｍ」個の第２軽還流引出しポート９４のおのおのに連通し、流体導管１１６によって「Ｍ」個の第２軽還流復帰ポート１００のおのおのに連通する。
【００７４】  図１５、及び図１６に示す実施例では、吸着体を通ずるフローチャネル７２は軸線１２に平行である。その結果、流動方向は軸線方向である。第１弁面４６、及び第２弁面４８は軸線１２に垂直な平坦環状ディスクとして示されている。
【００７５】  図１５、及び図１７は図１４の圧力スイング吸着モジュール１０の１５−１５線上の横断面図である。図１６、及び図１８は図１４のモジュール１０の１６−１６線上の横断面図である。矢印１２０は軸線１２の周りの吸着体の回転方向を示している。
【００７６】  図１５は第１ステータ２８の第１ステータ弁面４６を示す。流体導管１２２を供給圧縮機１２４に連結し、導入フィルタ１２６を通じて供給空気を導入する。真空ポンプ排出装置１２８への流体導管は窒素濃縮第２生成物を第２生成物送出導管１２９に送出する。圧縮機１２４と、排出装置１２８とを駆動モータ１３０に連結して示す。
【００７７】  円周シ−ル１３４、１３６（図１４参照）間の環状弁面において、供給ポート８２、及び排出ポート８４にポートを開口する第１ステータ弁面４６の開放区域は明瞭な環状セグメント１４０〜１５２によって示されており、このセグメントは同一の符号１４０〜１５２によって示される機能ポートに直接連通する第１機能ポートに相当している。機能ポート間の弁面４６のほぼ閉じている区域はハッチを施したセクタ１５４、１５６によって示されており、このセクタは例えば理想的には間隙が零のスリッパ、又は実際上、狭い間隙のスリッパであり、これにより、過剰な漏洩を生ぜず、摩擦、及び摩耗を減少させている。通常閉じているセクタ１５４はポート１４６への開放と、ポート１４８への開放との間の吸着体１４のための遷移部として作用する。スリッパとシ−ル面との間のテーパの間隙チャネルによって、徐々の開口が行われ、新たなポートに開きつつある吸着体１４の緩やかな圧力平衡を達成する。著しく広い閉じたセクタ（例えば１５６）を設け、加圧、又はブローダウンを他端から行っている時、吸着体１４の一端への、又は一端からの流れを実質的に閉じる。
【００７８】  供給圧縮機１２４によって、それぞれ流体導管１２２Ｃ、１２２Ｂ、１２２Ａを通じて、供給空気を供給加圧ポート１４０、１４２に、更に供給生産ポート１４４に供給する。ポート１４０、１４２は順次増大する操作圧力を有し、ポート１４４は圧力スイング吸着サイクルの一層高い操作圧力にある。従って、圧縮機１２４は各ポート１４０、１４２、又は１４４に適切な容積の供給流を送出する多段圧縮機、又は分割流圧縮機システムであり、ポート１４０、１４２の中間圧力レベルを経て、吸着体１４の加圧を達成し、次に、ポート１４４を通じて、最終的な加圧と生産とを達成する。中間段送出ポートを有する多段圧縮機として、直列に、分割流圧縮機システム（図示せず）を設けてもよく、又はポート１４０、１４２、１４４の操作圧力に、それぞれ供給空気を送出する複数個の圧縮機、又は圧縮シリンダを並列に設けてもよい。代案として、圧縮機１２４により、供給空気の全てを一層高い圧力側に送出し、その空気の若干を絞ることによって、それぞれの中間圧力で、供給加圧ポート１４０、１４２に供給してもよい。
【００７９】  同様に、真空ポンプ１２８はサイクルの低圧状態にある排出ポート１５２から、及び順次、操作圧力が増大している向流ブローダウンポート１４８から窒素濃縮重生成物ガスを排出する。ポート１４６からの初期の向流ブローダウン流を流体導管１５８を通じて、周囲の圧力で、重生成物送出導管１２９に直接、解放する。圧縮機１２４と同様に、直列の、又は並列の段として、多段の機械、又は分割流機械として、真空ポンプ１２８を設け、低圧から上昇する適切な中間圧力で、各流れを受け入れる。
【００８０】  他の実施例では、低圧は周囲の圧力であり、従って排出装置１２８はエネルギ一回収エキスパンダである。また、他の実施例では、中間ポート１４８の圧力をほぼ大気圧にすることができ、従って、排出装置１２８はポート１５０からの低圧の排出ガスを圧縮する真空ポンプの組合せによって、置き替えることができる。この真空ポンプはポート１４６からの初期の向流ブローダウンガスを膨張させるエキスパンダによって、一部、又は完全に動力が与えられる。真空ポンプとエキスパンダとのこの組合せはポート１５２からの吸引を付勢するポート１４６から供給を受けるノズルを有するエジェクタによって置き替えることができ、このエジェクタデフューザからの混合流は排出導管１２９に排出される。
【００８１】
図１６は図１３の１６−１６線に沿う第２ステータ弁面４８を示す。この第２弁面４８の開放ポートは第２弁機能ポート５２であって、軽生成物送出ポート１６０、多数の軽還流引出しポート１６２、１６４、１６６、１６８、及び第２ステータ内の同一数の軽還流復帰ポート１７０、１７２、１７４、１７６に直接連通する。第２弁機能ポート５２は円周シ−ル１３４、１３６（図１４参照）によって画成された環状リング上にある。対をなす各軽還流引出しポート、及び軽還流復帰ポートはバックフィルへの供給、全圧、又は部分圧力の等圧化、及びパージのためのコーカレントブローダウンのように、圧力スイング吸着プロセスのための機能を行うための軽還流圧力降下の段階を生ぜしめる。
【００８２】
エネルギー回収を行う軽還流圧力降下の選択可能なものを示せば、分割流軽還流エキスパンダ１８０を設け、エネルギー回収を伴う４個の軽還流段階の圧力降下を行う。軽還流エキスパンダ１８０は４個の軽還流段階のおのおののための圧力降下手段として作用する。各段階は図面に示すように、軽還流引出しポート、及び軽還流復帰ポート（１６２、及び１７６）、（１６４、及び１７４）、（１６６、及び１７２）、（１６８、及び１７０）の間に、それぞれ軽還流導管を有する。
【００８３】  軽還流エキスパンダ１８０は駆動軸１８４によって、軽生成物圧力ブースタ圧縮機１８２に連結されている。圧縮機１８２は軽生成物を受け取り、（圧力スイング吸着サイクルの一層高い圧力以上の送出圧力まで圧縮された）軽生成物を送出導管１２９に送出する。軽還流、及び軽生成物は共に、ほぼ同一純度の濃縮酸素流であるから、図１４に示すように、第２ステータを合体させるのが便利な単一ハウジング内にエキスパンダ１８０、及び軽生成物圧縮機１８２を密封することができる。別個の駆動モータが無い「ターボ圧縮機」酸素ブースタのこの形態は有利である。これは外部のモータ、及び対応する軸シ−ルを必要とせず、生成物酸素の有効な圧力上昇を行うことができ、更に、非常に高い軸速度で作動するように設計する時、非常にコンパクトにすることができるからである。
【００８４】  真空ポンプ１２８（又はその一部）を駆動するのに軽還流エキスパンダ１８０を使用することもでき、又は代案として、吸着体ロータの回転を駆動するために軽還流エキスパンダ１８０を使用することができる。Keefer等の米国特許第6051050 号に開示されているように、圧力降下を受ける各軽還流の流れのための別個のノズルを有する単一衝動タービン翼車として、軽還流エキスパンダ１８０を設けてもよい。
【００８５】  上述の実施例は窒素選択吸着剤について、基本的に、酸素濃縮の比較的低圧の周囲温度の圧力スイング吸着の用途を扱っているが、本発明の開示した実施例、又は本発明の重要な実施態様は市販の用途、又は研究下にある圧力スイング吸着用途の全範囲に適用することができる。特に、本発明は高い操作圧力まで拡張する水素精製に適用することができ、圧力スイング吸着を化学反応プロセスに直接結合することを含む圧力スイング吸着の高温用途に適用することができる。
【００８６】  図１７、及び図１８はＭ＝１の図１０、及び図１１に対応して、Ｍ＝３である。図１７、及び図１８においては、図１０、及び図１１の部分に対応する部分はその符号にアルファベットを付して示す。
【００８７】  任意他の第２機能のための「Ｍ」個の第２機能ポートは第１機能に関して、図１４に示したように、正にこの機能のための単一環状マニホールド内に集めることができる。軽還流のための圧力降下機能を調整可能なスロットルにより、又はエネルギー回収エキスパンダによって設けるべきである場合、このことは特に望ましい。
【００８８】  非常に短時間の弁の切換え時間を除き、任意の時に、唯１個の吸着体の組を供給手段に（又は排出手段に）連結すると共に、吸着体の組を各これ等の機能に常に連結しているから、これ等の機能を遂行する供給圧縮機、又は排出真空ポンプのための良好な負荷作用が達成される。供給圧縮機のための最終冷却器の役割を果たすように、供給マニホールド３２は突出面壁を有する形態にすることができる。
【００８９】  更に、供給マニホールド３２の容積を最小にし、供給圧縮機１２４の送出圧力が吸着体の組の加圧に従うことができるようにし、吸着体の組によって実際に必要とするよりも、一層高い圧力で、供給ガスが送出されるのを防止する。従って、各供給時間の最初の期間の間に、最高圧力での供給ガスを送出する場合よりも、供給圧縮機１２４は一部負荷が軽減される。従って、供給圧縮機１２４の平均送出圧力を減少させることができ、プロセスの連続的に一層高い圧力で、供給ガスの同一量の流れを送出する供給圧縮機に比較し、動力の消費量を著しく減少させることができる。
【００９０】  同様に、排出マニホールド３４の容積を最小にし、真空ポンプの吸引圧力が吸着体の組の減圧に従うことができるようにし、これにより、吸着体の組によって、実際に釈放されるよりも、一層低い圧力で第２生成物ガスが引き出されるのを防止する。従って、真空ポンプ１２８は各排出時間の最初の部分の間、最も低い真空圧での作動の場合よりも、真空ポンプ１２８は一部負荷が軽減される。従って、プロセスの連続的な一層低い圧力で、第２生成物ガスの同一量の流れを排出する真空ポンプに比較し、真空ポンプ１２８の動力消費量は著しく減少する。
【００９１】  図１９〜図２１は相互貫入層マニホールドを有するＭ＝３の場合の回転圧力スイング吸着モジュールを示す。
【００９２】  図１９は図１５、及び図１７による対応する圧縮段階、及び排出段階に、全ての供給ポート８２、及び第１弁面４６の排出ポート１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、１５２を連結するための層マニホールド１９０を使用する状態を示す。マニホールド層１４０′、１４２′、１４４′、１４６′、１４８′、及び１５０′（各供給ポート、又は排出ポートに対応するマニホールド層は符号にダッシュを使用する）は板１９２によって相互に分離しており、外壁１９４によって区切られている。板１９２にダクト１９６、１９８を貫入し、弁面ポートを別々の対応するポートに連結する。
【００９３】  層マニホールド１９０を溶接鋼板で構成することができ、低圧の用途に対しては、各板１９２、相互に連結するダクト、及び側壁１９４のおのおのについては繊維補強プラスチックで構成する。
【００９４】  図２０は第２弁面４８のポート１６０、１６２、１６４、１６６、１６８から生成物、及び軽還流の流れを引き出すと共に、圧力降下の後、ポート１７０、１７２、１７４、１７６に軽還流の流れを復帰させるための第２成層マニホールド２００の更なる使用を示す。再び、対応するポートを有する各マニホールド層を符号にダッシュを付して示すが、貫入するダクト（例えば１０８）は各ポートを対応するマニホールド層に連結する。
【００９５】  図２１は供給流、及び排出流を共通圧縮機１２４、及び真空ポンプ１２８に連結する単一層マニホールド２０６に取り付けられた２個のモジュール２０２、２０４を示す。モジュール２０２、２０４を一列に配置する。しかし、この配置はこの列に、一層多くのモジュールを設けるように延長してもよいし、平行にずらした一層多くの列に、モジュールを設けるように変更してもよいことは明らかである。
【００９６】  他の実施例では、圧縮機を層マニホールドの中心に設置し、流れの分布を好適にし、圧力降下を最小にするため、圧力スイング吸着モジュールを六角形に有利に配置してもよい。更に他の実施例では、モジュールを単一のマニホールド層に組み合わせて取り付けることができる。これ等の実施例は上に開示したマニホールドの形態の任意の組合せに関する。
【００９７】  図２２は共通層マニホールド２１０に、並列に連結された１８個のモジュール１０を有する大形の圧力スイング吸着プラントまで、このモジュール化の概念を延長している。この形態において、圧縮機を層マニホールド２１０の中心に設置し、好適な流れの分布と、最小の圧力降下とになるよう、図２３に示すように、圧力スイング吸着モジュール１０を六角形の群に有利に配置する。
【００９８】  図２２は、圧縮機２１２、及び真空ポンプ２１４のための特殊な多段の軸流機械の形態の詳細を示す。各圧縮機段はロータ羽根２１６と、このロータ羽根の後に続くステータ羽根２１８とを有する。段階と段階との間で放出流を供給マニホールド１４０′、１４２′内に引き出すと共に、残りの大量の流れを最終圧縮機段により、マニホールド２１０に送出する。第１段は吸気フィルタ、及びサイレンサ２２０を通じて、周囲の空気を受理する。中間段の放出から引き出される流量、及び圧縮を考慮して、軸流圧縮機段は流路の断面積を減少させるため、高圧端に向け急なテーパになっていることに注意すべきである。
【００９９】  各真空ポンプ段はロータ翼２２２と、ステータ翼２２４とを有する。最も低い圧力の排出流はマニホールド１５２′から第１段に入り、補助排出流はマニホールド１４８′から上昇する段に注入される。この実施例では、最も初期の向流ブローダウン流はほぼ周囲の圧力で、マニホールド１４６′を出て、排出ディフユーザ２２６内の真空ポンプ排出流によって運ばれる。圧縮の作用をオフセットさせるため、段と段との間に大量の流れを加えるから、真空ポンプの段はテーパが無いか、又は軽いテーパを有するのみである。
【０１００】  層マニホールド２１０をペデスタル２２８に支持し、圧縮機への接近を容易にする。代案として、掘った中心凹所を設け、圧縮機、及びその駆動装置を設置して収容してもよい。この設備の形態は圧縮機、及び圧力スイング吸着モジュールへの整備のための接近を容易にしており、生成物送出ライン２３０の連結を外し、再び連結することにより、圧縮機と、モジュールとを簡単に除去し、交換することができる。
【０１０１】  層マニホールド２１０を溶接鋼板で構成することができ、又は非常に大きなプラントの場合には鉄筋コンクリートで構成するのが好適である。横補強ストラットを設けて、構造上の重量、及び大気圧以下の圧力に起因する圧縮応力を支持する貫入導管、及び側壁を助け、所定のマニホールド層から上方の構造上の重量に打ち勝つ正圧に起因する引張応力を支持する貫入導管、及び側壁を助ける。モジュールに整合する十分な静的シール面を得るため、コンクリート層マニホールドに適当なフランジ挿入部材が必要である。板１９２のためのコンクリート構造の場合、上層の重量が下部マニホールド層内の高い操作圧力を保持するのを助ける。従って、マニホールドの下部の層を圧力スイング吸着サイクルの高圧のために使用し、マニホールドの上部の層を圧力スイング吸着サイクルの低圧のために使用するのが望ましい。
【０１０２】  上述の実施例は、窒素選択吸着剤を使用して、酸素濃縮のための比較的低温の周囲温度の圧力スイング吸着について、取り扱っているが、本発明、即ち本発明の重要な態様は市販の用途に、又は研究に使用される広範囲の圧力スイング吸着に適用することができる。特に、本発明は高い操作圧力まで拡大した水素精製に適用することができ、更に化学反応プロセスに圧力スイング吸着の直接結合を含む圧力スイング吸着の高温用途に適用することができる。
【０１０３】  III   代案の吸収剤積層構造の詳細部分７６
図２４〜図３０には図１３の螺旋状ロール５６を形成する代案の吸収剤積層構造の断面の詳細７６を示す。図２７はまだ螺旋状ロールに形成していない吸着剤シート上の平行スペーサ７０を示し、不活性材料の充填剤２４０は端部帯域７８の収縮したフローチャネル７２までフローチャネルを狭くしており、これ等のフローチャネルはそれぞれ第１井面４６、及び第２弁面４８にポートを開口している。（例えば、セラミック、高分子材料、金属、又は合金、又はこれ等の組合せの）充填材料２４０は耐久性、及び好適な摩耗特性に関し、選択される。充填材２４０はロールを巻く前に、（フローチャネル７２′のための充填材間に正確な寸法の間隙を残して）スペーサ７０の一部として製造してもよい。代案として、ロールを巻いている間、充填材２４０を所定位置に流し込んでもよいし、又は巻いた次に、狭く、正確な寸法のモールドコア、又は一時的な挿入部材を使用して、収縮したチャネル７２′を形成してもよい。
【０１０４】  図２４はスペーサ７０を示し、このスペーサは吸着剤シート上にリブとして形成されており、図２８に示すように巻く方向に対し横方向にシートを横切って延在している。巻き付けている間、吸着剤スラリー、又はその他の結合シーラントをスペーサ７０の頂部に加え、隣接するチャネル７２間を横方向にシールしてもよい。
【０１０５】  図２５は螺旋状のロールの隣接する層の間のワイヤ、又は狭い棒２４２として設けたスペーサを示す。ワイヤ２４２は巻く方向に均一に離間していて、フローチャネル７２を画成している。細い交差ワイヤ、又は箔で、ワイヤ２４２を支え、スペーサ網を画成してもよい。図２５は吸着剤帯域６０、又は６２を横切る断面であり、図２９は端部帯域７８、８０を横切る断面である。図２９は収縮したフローチャネル７２を画成している充填材２４０を示す。（ここで、充填材２４０は端部帯域のワイヤ２４２を支える金属ストリップの一部であってもよく、これ等金属ストリップは巻かれている吸着剤シート上のスペーサ網の一部として、螺旋状に巻かれていてもよい。）
【０１０６】  図２８は平坦な吸着剤シート６８と、波形の吸着剤シート６８′とを交互に巻き付けることによって形成した波形螺旋状ロールを示す。このフローチャネル７２は断面が曲がりくねっており、隅の間隙において、流れを停滞させるので好ましくない。
【０１０７】  図２９、及び図３０では、波形の中に充填材２４０を位置決めすることによって、収縮したフローチャネル７２′を形成しており、高分子中空繊維のような一時的なチャネル形成体、又は成型形インサートのいずれかによって、フローチャネル７２′の正確な寸法を達成している。このような一時的なチャネル形成体は燃焼させたり、解離させたり、又は液体状態から、蒸気状態に相を変えることにより、化学的、又は物理的に除去される。吸着剤帯域６０、６２では、充填材２４０は適切な多孔性の吸着材であり、端部帯域７８、８０内では、充填材は耐久性のある密な不活性材料２１０であるのが好適である。代案として、端部帯域の充填材２４０を剛強化処理によって硬化させた吸着材にしてもよい。
【０１０８】  図３０においては、吸着剤シート６８は金属箔２４４の両側の２個の吸着剤層６８Ａ、６８Ｂに分割されている。この金属箔はこのような吸着剤シートに流体が流れるのを防止するのに適する任意の金属であること、及び熱容量が大きく、積層吸着剤への熱伝導性が高いと言うような望ましい熱的性質を有するものがよい。そのような金属の一例はアルミニウムである。代案として、金属箔２４４をフェライト不透鋼にしてもよく、ゼオライトの好適な付着のため、又はアルミナコーティング６８Ａ、６８Ｂのための織物状のアルミナ表面を形成するよう酸化させることができ、又は陽極酸化させることができる若干のアルミニウムをこのフェライト不透鋼が含むのが好適である。
【０１０９】  鋼箔、又は不透鋼箔（又は方向性の非金属繊補強材）を使用し、吸着剤積層シートに希望する引張り強さ、及び剛さを与えてもよい。吸着剤シート、及ぶフローチャネルは非常に薄いから、吸着剤積層内の瞬間的に高い圧力、及び低い圧力の角度的に分離された帯域間の角度圧力勾配のため、積層シートにはむしろ小さい引張り（又は圧縮の）フープ負荷を生ずる。従って、吸着剤積層ロール（適当に補強された吸着剤シートで形成）は産業上の水素精製において、しばしば必要になる２０バール、又はそれ以上の高い操作圧力で作動している時でも、圧力スイング吸着サイクルの周期的な圧力変動下に、実質的に自己支持状態にあることができる。
【０１１０】  吸着剤積層内に均一な引張り予荷重、及び均一な半径方向圧力、及び歪を生ぜしめるため、鋼箔、又は不透鋼箔の外側多層ラップを巻き付けることにより、螺旋状に巻いた吸着剤積層ロールを終端させる。また、これにより、バイパス漏洩に対して、ロールの外面を緊密に静的に確実にシ−ルすることができる。圧力スイング吸着サイクルの十分に高い圧力での生成物ガスを、巻いた螺旋状ロールの外側に循環させることができ、これにより、吸着体ハウジングに初期圧縮負荷を受けさせる。この対策では、吸着剤積層シート、及びスペーサは周期的な側方圧縮負荷に抵抗する必要がある。
【０１１１】  図３１において、狭い密に詰め込まれた丸みのあるフローチャネル７２′はその巻きつける操作中、吸着剤シート層６８間の吸着剤充填材２４０内に形成される。吸着剤スラリーが硬化した後、除去すべき一時的な繊維、又は中空繊維によって、チャネル７２′は画成されている。親水性ポリマーで形成された一時的な中空繊維を通じて、まず、水が除去される。各スペーサ層内の繊維の位置は図３１に示されていない織った交差繊維によって画成されている。
【０１１２】  IV  圧力スイング吸着サイクル
圧力スイングサイクル工程の正しいタイミングを達成するため、図４の孔の角度位置、及び角度幅、図５の第１機能ポート、及び図７、又は図８の第２機能ポートを選択する。ｎ＝３の実施例の場合には、サイクルは６個のプロセス工程に分割される。即ちその工程は次の通りである。
【０１１３】  （ａ）吸着体素子が十分に一層高い圧力になるよう、サイクル周期、即ち、サイクル時間のほぼ１／３に相当する供給時間にわたり、吸着体素子の第１端に供給ガス混合物を供給し、次に、流れの摩擦圧力降下が少ない十分に一層高い圧力で、吸着体素子の第２端から、軽生成物を送出する工程と、
（ｂ）供給時間の終わり付近で、吸着体素子の第２端から、一層吸着されにくい成分に富む第１軽還流ガスを引き出し、この第１軽還流ガスを（位相が１２０°遅れた）他の吸着体素子に送出する工程と、
（ｃ）吸着剤素子の第２端から、一層吸着されにくい成分に富む第２軽還流ガスを引き出して、供給時間後、上記吸着体素子を減圧し、第２軽還流ガスを緩衝室に送出する工程と、
（ｄ）吸着体素子を更に減圧するため、一層吸着されにくい成分に富む第３軽還流ガスを吸着体素子の第２端から引き出し、（位相が１２０°先行する）他方の吸着体素子に第１軽還流ガスを送出する工程と、
（ｅ）第２生成物ガスを送出している間に、吸着体素子を十分に低い圧力まで更に減圧するため、サイクル周期のほぼ１／３に相当する排出時間にわたり、吸着体素子の第１端から排出圧力で第２生成物ガスを引き出す工程と、
（ｆ）排出時間の後の部分の間に、吸着体素子をパージするよう、（位相が１２０°遅れた）他の吸着体素子から吸着体素子の第２端に第３軽還流ガスを供給する工程と、
（ｇ）次の供給時間の前に、吸着体素子を一部加圧するよう、緩衝室から吸着体素子の第２端に、第２軽還流ガスを供給する工程と、
（ｈ）次の供給時間の前に、吸着体素子を更に再加圧するよう、吸着体素子の第２端に、（位相が１２０°先行する）他の吸着剤素子から、第３軽還流ガスを供給する工程と、
（ｉ）実質的に吸着体の１組に、同時に供給ガスを連続的に供給している間、３６０°／ｍの順次の回転角にわたり、上述の工程を周期的に繰り返し、実質的に吸着体の１組から同時に、排出ガスを連続的に除去する工程とである。
【０１１４】  図３、及び図９〜図１２はｎ＝６、ｍ＝６、及びＮ＝３６の代案の実施例に適用するものである。図３、及び図９は図１に代わる３６個の吸着体を示す。図３は図１に示すような１８個の螺旋状ロール吸着体１４をそれぞれ有する２個の環状リングを示す。図９はスペーサを交互に配置した補強された吸着材の長方形シートの堆積体で形成されていて、整合する長方形空所、又は溝孔内に挿入された代案の吸着体１４を示す。
【０１１５】  図１０は３６個の吸着体のための、第２弁面４８の第２ロータ板の第２孔５２を示す。
【０１１６】  図１１は例えばｎ＝６、ｍ＝６の場合の第１弁面４６の機能ポートを示す。この実施例では、第１供給機能、第２供給機能、第１排出機能、及び第２排出機能の４個の第１機能を有する。これ等の第１機能は図１１において、第１供給ポート１７６、第２供給ポート１７８、第１排出ポート１８０、及び第２排出ポート１８２にそれぞれ対応している。
【０１１７】  第１供給機能は供給加圧であり、常に、１個の、そして唯１組の吸着体の組が供給加圧を受ける。従って、第１供給圧縮機は上記の一層高い圧力より平均的に低い変動圧力で、各吸着体の組に供給ガスを供給する。従って、動力消費を著しく節約することができる。第２供給機能はこの例では１個の、そして唯１組の吸着体を作用させる生産のためである。この第２供給機能は第２供給圧縮機によって供給を受ける。この供給圧縮機の供給圧力は比較的一定であり、上記の一層高い圧力にほぼ等しい。
【０１１８】  第１排出機能は排出減圧、又は向流ブローダウンであり、常に、１組の、そして唯１組の吸着体素子がこの工程を受ける。真空圧力スイング吸着サイクルでは、第１排出手段としての第１真空ポンプは最大真空に相当する一層低い圧力よりも平均して、一層高い変動圧力で、各吸着体の組から排出ガスを引き出す。従って、この第１真空ポンプは動力消費量を著しく節約することができる。第２排出機能はパージを行うほぼ一定低圧での排出のためであって、この例では１組の、そして唯１組の吸着体に常に作用する。この第２排出機能は第２真空ポンプによって行われ、この真空ポンプの吸入圧力は一層低い圧力で比較的一定である。
【０１１９】  低圧がほぼ大気圧である正圧スイング吸着サイクルの場合には、過大な流れの攪乱を生ずることなく、向流ブローダウン中に、吸着体の各組の圧力降下を達成するため、第１排出ポートに、絞りオリフィス機能を設ける。代案として、向流ブローダウンから、エネルギーを回収するため、第１排出手段として、エキスパンダを設けてもよい。この例でのサイクル周期の１／６の時間の各第１排出工程での吸着体の組の減圧に続く導入圧力の変動下で、このエキスパンダを作用させる。
【０１２０】  サイクル周期が１秒であると、ｍ＝６の場合、吸着体ロータは毎分１０回転で回転する。ｎ＝６の場合には、第１、又は第２の各供給工程、及び第１、及び第２の各排出工程は１／６秒の持続時間を有する。第１供給機能から第１排出機能への周期的圧力遷移は例えば二軸ねじ圧縮機のような比較的高速で作動する容積形圧縮機によって行うことができる。代案として、供給、又は排出のいずれかの供給機能のために、低速往復圧縮機（又は膨張機）、又は回転圧縮機（又は膨張機）を使用することができ、この場合、各圧縮（膨張）行程は単一第１機能工程に対応し、この工程の開始と終了とに同期している。また、１秒のサイクル周期の場合、（交互に第１機能工程を行う２個の対向する圧縮室による）往復速度は毎分１８０回である。
【０１２１】  図３０はｎ＝６、ｍ＝６の場合の図１の８−８線に沿う断面図である。この構成は図６の構成と同一であるが、相違するのは、直接、等圧化により、ポート９２、１０４に連通する吸着体素子５６から第２還流ガスを運ぶから、緩衝室１１０を省略していることである。
【０１２２】  ｎ＝６の場合のプロセスは次の工程から成る。
（ａ）吸着体素子を十分に一層高い圧力に加圧するよう、サイクル周期の約１／６に相当する供給加圧時間にわたり、吸着体素子の第１端に供給ガス混合物を供給し、次に、流れの摩擦圧力降下の少ない十分に一層高い圧力で、吸着体素子の第２端から軽生成物ガスを送出する工程と、
（ｂ）流れの摩擦圧力降下の少ない十分に一層高い圧力で、吸着体素子の第２端から軽生成物ガスを送出するため、サイクル周期の約１／６に相当する生産時間にわたり、吸着体素子の第１端に供給ガス混合物を更に供給する工程と、
（ｃ）生産時間の終わり付近で、吸着体素子の第２端から、一層吸着されにくい成分に富む第１軽還流ガスを引き出し、この第１軽還流ガスを（位相が１２０°遅れた）他の吸着体素子に送出する工程と、
（ｄ）上記供給時間後、吸着体素子を減圧するよう、一層吸着されにくい成分に富む第２軽還流ガスを吸着体素子の第２端から引き出し、この第２軽還流ガスを位相が１８０°対向する他の吸着体素子に送出する工程と、
（ｅ）吸着体素子を更に減圧するよう、一層吸着されにくい成分に富む第３軽還流ガスを吸着体素子の第２端から引き出し、第１軽還流ガスを（位相が１２０°先行する）他の吸着体素子に送出する工程と、
（ｆ）第２生成物ガスを送出している間、吸着体素子を十分に一層低い圧力まで更に減圧するよう、サイクル周期の約１／６に相当する第１排出時間にわたり、吸着体素子の第１端から、第２生成物ガスを引き出す工程と、
（ｇ）第２生成物ガスを送出している間、十分に一層低い圧力で、サイクル周期の約１／６に相当する第２排出時間にわたり、吸着体素子の第１端から、第２生成物ガスを更に引き出す工程と、
（ｈ）第２排出時間中、吸着体素子にパージ作用を加えるため、吸着体素子の第２端に、（位相が１２０°遅れている）他の吸着体素子から第３軽還流ガスを供給する工程と、
（ｉ）吸着体素子を一部、再加圧するため、位相が１８０°対向する他の吸着体素子から第２軽還流ガスを供給する工程と、
（ｊ）次の供給時間の前に、吸着体素子を更に再加圧するよう、吸着体素子の第２端に、（位相が１２０°先行する）他の吸着体素子から第３軽還流ガスを供給する工程と、
（ｋ）３６０°／ｍの順次の回転角にわたり、上述の工程を周期的に繰り返す工程とである。
【０１２３】  IV  ラジアルフローの実施例、図３３〜図３６
一般に、開示される実施例の装置は回転軸線に対し、軸線方向、半径方向、又は斜の円錐方向に吸着剤素子を通ずる流れの形態を有する。本発明のラジアルフロー回転モジュール１０を図３３、及び図３６に示す。図３３は回転毎に２サイクルを有する、即ちＭ＝２の場合のラジアルフローモジュールの断面平面図である。図３６は図３４のモジュールの線図的断面図である。
【０１２４】  モジュール１０はロータ４００を有し、このロータ４００はステータ３０内で矢印１２０によって示す方向に軸線１２の周りに回転する。図３５は図３３の３５−３５に沿うモジュール１０の断面図で、モジュール１０は他の同様のモジュールを含む層マニホールド組立体１９０の一部内に設置されている。図３３は図３６の矢印３３−３３に沿うモジュールの横断面図である。
【０１２５】  図３２に示すように、ロータ４００は軸線１２に同心の外側円筒壁１６を有する環状である。外側円筒壁１６の外面は第１弁面４６を画成している。内側円筒壁１８の外面は第２井面４８を画成している。ロータ４００は（図３６の３２−３２によって画成された断面の平面内に）全部で「Ｎ」個のラジアルフロー吸着体素子１４を有する。隣接する１対の吸着体素子１４Ａ、１４Ｂは隔壁１９によって分離されており、この隔壁１９は外壁１６、及び内壁１８に構造的に、そしてシールした状態に連結している。隣接する吸着体素子１４Ａ、１４Ｂは３６０°／Ｎの角度で軸線１２に対し角度をなして離間している。
【０１２６】  吸着体素子１４は第１端部４２と、第２端部４４とを有する。吸着体は吸着剤積層パックとして設けるのが好適であり、この積層パックのシートの間のフローチャネル７２が吸着体１４の第１端４２と、第２端４４との間に流路を生じている。外壁１６と、内壁１８とに、それぞれ貫通する第１端、及び第２端における孔によって、吸着体１４の第１端４２、第２端４４は第１弁面４６、及び第２弁面４８にそれぞれ連通している。
【０１２７】  図３２、及び図３５に示すように、モジュール１０はステータ組立体４０１を有する。組立体４０１は環状ロータ４００の外側の第１弁ステータ２８の第１弁機能隔室を包囲する外側シリンダシェル４０３と、環状ロータ４００の内側の第２弁ステータ３０の第２弁機能隔室を支持する内側シリンダシェル４０５とを有する。外側シェル４０３は隣接する機能隔室間に、隔壁４０６を支持しており、隔壁４０６は第１弁面４６にシ−ルするように掛合する軸線方向に延びる弁シ−ル素子４０７を支持している。一方、内側シェル４０５は軸線方向に延びるシ−ル素子４０９を支持する隔壁４０８を支持し、シ−ル素子４０９は第２弁面４８にシ−ルするように掛合する。このストリップシ−ルの方位シ−ル幅は第１弁面４６、及び第２弁面４８の各吸着体１４の第１端４２、及び第２端４４における外壁１６、及び内壁１８に通る孔の方位幅より一層大きい。
【０１２８】  ステータ組立体４０１は外側シェル４０３、及び内側シェル４０５をそれぞれ連結する頂板４１１、及び底板４１３を有し、ロータ４００を包囲している。ロータ４００は頂板４１１内の上部軸受４０５、及び底板４１３内の下部軸受によって、支持される。ロータ駆動装置（図示せず）をステータ組立体４１７に設け、希望する回転数でロータ４００を回転する。ロータ駆動手段はロータ４００のためのリム駆動の適切な形状にすることができる。
【０１２９】  更に、ステータ組立体４０１は各マニホールド分離板１９２内のシ−ルカラー４２３に掛合する静的シ−ル（例えば、Ｏリング）４２２を有するシ−ルフランジ４２１と、シ−ルの適正な掛合のため層マニホールド構造内にモジュール１０を設置する頂部フランジ４２５とを有する。層マニホールド構造に貫入するプラグとして、ラジアルフローモジュール１０を設置する。非常に容量の大きい圧力スイング吸着プラントの場合、図２２、及び図２３に示すものに類似する層マニホールド組立体に、任意希望する数のこのようなモジュール１０を設置する。
【０１３０】  図３４、及び図３５は第１弁ステータ２８、及び第２弁ステータ３０の第１機能隔室のラベリング、及びマニホールドによる相互連結をそれぞれ示す。外側シェル４０３内の１組の第１隔室は角度セクタ内で第１弁面４６にそれぞれ開放しており、この１組の第１隔室は第１弁面４６の角度セクタと、モジュール１０の外部のマニホールドとの間を流体連通している。これ等隔室の角度セクタは吸着体素子１４の角度分離より著しく幅が広い。第１隔室は第１シ−ル面４６上で弁シ−ル素子によって分離されている。ロータの回転方向に、図３３において、時計方向に進行して、第１隔室に同一の機能を設け、図１７、及び図１８で使用したものと同一の符号を付し、Ｍ＝２であるから符号にアルファベットのＡ、Ｂを付す。
【０１３１】  図３４はモジュールの供給端の平面図である。図３４は１０−１０線の平面図の第１弁面４６の第１ステータ２８の第１ステータ弁面４６を示し、空気から酸素を分離する真空圧力スイング吸着システムの例である。導入フィルタ１２６から供給空気を導入する供給圧縮機１２４への流体連結を示し、更に、第２生成物送出導管３８に窒素に富む第２生成物を送出する真空ポンプ排出装置１２８への流体連結を示す。圧縮機１２４、及び排出装置１２８を駆動モータ１３０に連結して示す。
【０１３２】  矢印１２０は吸着体ロータの回転方向を示す。円周シ−ル１３４、１３６間の環状弁面において、供給隔室、及び排出隔室にポートを開口する第１ステータ弁面４６の開放区域は明瞭な角度セグメント１４０〜１５２によって示されており、このセグメント１４０〜１５２は同一の符号１４０〜１５２によって示されている機能隔室に直接連通する第１機能ポートに対応している。機能隔室間の弁面４６のほぼ閉じた区域はハッチを施したセクタ１５４、１５６によって示されており、これ等のセクタは理想的には間隙零のスリッパであるか、又は実際上、過大な漏洩を生ぜず、摩擦、及び摩耗を減少させる狭い間隙を有するスリッパである。各弁シ−ル素子とシ−ル面との間にテーパ間隙のチャネルによって、徐々にポートが開くようにし、開きつつある吸着体の新たな隔室へのゆるやかな等圧化を達成する。非常に広い閉じたセクタを設け、加圧、又はブローダウンを他端から行っている時、吸着体の一端への、又は一端からの流れを実質的に閉じる。
【０１３３】  図３３、及び図３６において、貫入部４４１、４４２を外側ステータシェル４０３に設け、供給マニホールド１４４′から対応する機能隔室１４４Ａ、１４４Ｂに直接流体連通が行われるようにする。同様に、他方の貫入部を外側シェル４０３に設け、（加圧機能、又は排出機能の）各マニホールド層から、そのような加圧機能、又は排出機能のための対応する第１弁機能隔室に直接流体連通が行われるようにする。
【０１３４】  供給圧縮機によって、供給加圧隔室１４０Ａ、１４０Ｂ、１４２Ａ、１４２Ｂに、更に、供給生産隔室１４４Ａ、１４４Ｂに供給空気を供給する。隔室１４０、１４２は順次増大する操作圧力を有すると共に、隔室１４４は圧力スイング吸着サイクルの一層高い操作圧力を有する。従って、圧縮機１２４は多段圧縮機システム、又は分割流圧縮機システムであり、このシステムによって、各隔室に適切な容積の供給流れを送出し、隔室１４０、１４２の中間圧力レベルを通じて、吸着体の加圧を達成し、次に、隔室１４４を通じて、最終的な加圧と生産とを達成する。分割流圧縮機システムは中間段送出ポートを有する多段圧縮機として、直列に設けてもよいし、又は隔室１４０〜１４４の操作圧力に供給空気をそれぞれ送出する並列の複数個の圧縮機、又は圧縮シリンダとして設けてもよい。代案として、圧縮機１２４が全ての供給空気を一層高い圧力側に送出し、その空気の若干を絞ることによって、それぞれ中間圧力で供給加圧隔室１４０、１４２に供給するようにしてもよい。
【０１３５】  同様に、真空ポンプ１２８により窒素に富む重生成物ガスをサイクルの一層低い圧力で、排出隔室１５２Ａ、１５２Ｂから排出し、更に向流ブローダウン隔室１５０Ａ、１５０Ｂ、１４８Ａ、１４８Ｂからこれ等の隔室の順次増大する操作圧力で窒素に富む重生成物ガスを排出する。隔室１４６Ａ、１４６Ｂからの初期の向流ブローダウン流を重生成物送出導管１２９に、周囲圧力で解放する。圧縮機１２４と同様に、真空ポンプ１２８は一層低い圧力から上昇する適切な中間圧力で各流れを受け入れるよう、直列、又は並列の段を有する多段ポンプ、又は分割流ポンプとして設けることができる。
【０１３６】
図３５は第２ステータ弁面４８を示す。弁面４８の開放ポートは第２弁機能ポートであって、軽生成物送出隔室１６０に、多数の軽還流引出し隔室１６２Ａ、１６２Ｂ、１６４Ａ、１６４Ｂ、１６６Ａ、１６６Ｂ、１６８Ａ、１６８Ｂに、更に第２ステータ内の同数の軽還流復帰隔室１７０Ａ、１７０Ｂ、１７２Ａ、１７２Ｂ、１７４Ａ、１７４Ｂ、１７６Ａ、１７６Ｂに直接連通する。各対の軽還流引出し隔室、及び軽還流復帰隔室はバックフィルへの供給と、全圧力、又は部分圧力の等圧化と、パージのための向流ブローダウンと言うような圧力スイング吸着プロセスのための軽還流圧力降下の段をそれぞれ提供する。
【０１３７】
エネルギー回収を行う軽還流圧力降下の選択可能なものを示せば、分割流軽還流エキスパンダ１８０を設け、エネルギー回収を行いながら、４個の軽還流段階の圧力降下を行う。この軽還流エキスパンダは４個の軽還流段階のそれぞれのための圧力降下手段として作用する。各段階は図示のように、１対の軽還流引出しポート、及び軽還流復帰ポートの間にそれぞれ軽還流導管を有する。
【０１３８】  軽生成物機能隔室１６０Ａ、１６０Ｂからの生成物酸素は生成物ブースタ圧縮機１８２に送出され、又は直接、生成物送出導管４０に送出される。
【０１３９】  本発明の範囲内で、「ｎ」個、及び「Ｍ」個の広い範囲に対し、この圧力スイング吸着サイクルの多数の変形を適用することができ、本発明の利益を受けることができる。例えば、説明した実施例は特定の要旨の参照例であるに過ぎず、本発明はかかる実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載する本発明の範囲内で種々の変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  吸着体の組を組織化した複数個のコンパクトな吸着体素子を収容し、環状の層貫入マニホールドを有する本発明の一実施例の回転圧力スイング吸着装置を示す軸線に沿う断面図である。
【図２】  Ｎ＝１８の吸着体素子に対し、ｎ＝３、Ｍ＝６の場合の図１の２−２線に沿う横断面図である。
【図３】  Ｎ＝１８の吸着体素子に対し、ｎ＝３、Ｍ＝６を有する実施例の場合の図１の３−３線に沿う横断面図である。
【図４】  Ｎ＝１８の吸着体素子に対し、ｎ＝３、Ｍ＝６を有する実施例の場合の図１の４−４線に沿う横断面図である。
【図５】  図１の装置の５−５線に沿う横断面図である。
【図６】  Ｎ＝１８の吸着体素子に対し、ｎ＝３、Ｍ＝６を有する実施例の場合の図１の６−６線に沿う横断面図である。
【図７】  Ｎ＝１８の吸着体素子に対し、ｎ＝３、Ｍ＝６を有する実施例の場合の図１の７−７線に沿う横断面図である。
【図８】  Ｎ＝１８の吸着体素子に対し、ｎ＝３、Ｍ＝６を有する実施例の場合、中心に緩衝室を有している図１の装置の７−７線に沿う横断面図である。
【図９】  Ｎ＝３６の吸着体素子に対し、ｎ＝６、Ｍ＝６の場合の図１の装置の９−９線に沿う横断面図である。
【図１０】  Ｎ＝３６の吸着体素子に対し、ｎ＝６、Ｍ＝６の場合の図１の装置の横断面図である。
【図１１】  Ｎ＝３６の吸着剤素子に対し、ｎ＝６、Ｍ＝６の場合の図１の装置の１１−１１線に沿う横断面図である。
【図１２】  図１の実施例の装置の７−７線に沿う横断面図である。
【図１３】  螺旋状に巻いた吸着体積層シートの一実施例の横断面図である。
【図１４】  弁面に直接ポートを開口する螺旋状に巻いた吸着体素子を有し、Ｍ＝１の場合の回転圧力スイング吸着装置の一実施例を示す軸線に沿う断面図である。
【図１５】  Ｍ＝１の実施例の図１４の装置の１５−１５線に沿う横断面図である。
【図１６】  Ｍ＝１の実施例の図１４の装置の１６−１６線に沿う横断面図である。
【図１７】  Ｍ＝３の実施例についての図１４の装置の横断面図である。
【図１８】  Ｍ＝３の実施例についての図１４の装置の横断面図である。
【図１９】  相互に貫入する状態の層マニホールドを有する圧力スイング吸着装置の実施例を示す横断面図である。
【図２０】  相互に貫入する状態の成層マニホールドを有する圧力スイング吸着装置の実施例を示す横断面図である。
【図２１】  多段モジュール圧力スイング吸着システムを示す横断面図である。
【図２２】  多段モジュール圧力スイング吸着システムを示す横断面図である。
【図２３】  多段モジュール圧力スイング吸着システムを示す横断面図である。
【図２４】  本発明装置、及び方法の実施例に組み合わせて使用し得る代案の吸着剤積層構造の実施例を詳細に示す。
【図２５】  本発明装置、及び方法の実施例に組み合わせて使用し得る代案の吸着剤積層構造の実施例を詳細に示す。
【図２６】  本発明装置、及び方法の実施例に組み合わせて使用し得る代案の吸着剤積層構造の実施例を詳細に示す。
【図２７】  本発明装置、及び方法の実施例に組み合わせて使用し得る代案の吸着剤積層構造の実施例を詳細に示す。
【図２８】  本発明装置、及び方法の実施例に組み合わせて使用し得る代案の吸着剤積層構造の実施例を詳細に示す。
【図２９】  本発明装置、及び方法の実施例に組み合わせて使用し得る代案の吸着剤積層構造の実施例を詳細に示す。
【図３０】  本発明装置、及び方法の実施例に組み合わせて使用し得る代案の吸着剤積層構造の実施例を詳細に示す。
【図３１】  本発明装置、及び方法の実施例に組み合わせて使用し得る代案の吸着剤積層構造の実施例を詳細に示す。
【図３２】  Ｎ＝３６の吸着体素子に対し、ｎ＝６、Ｍ＝６の場合の図１の装置の横断面図である。
【図３３】  回転当たり２サイクルで作動するラジアルモジュールの上から見た横断面図である。
【図３４】  図３３に示すモジュールの供給端の平面図である。
【図３５】  図３３に示すモジュールの生成物端の平面図である。
【図３６】  図３３に示すモジュールの横断側面図である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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