(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ２を含有する排煙ストリームからＣＯ２を除去する方法であって、
該方法は、
ａ）少なくとも１つの吸着剤接触器を含む温度スイング吸着ガス分離ユニットに前記排煙ストリームを送入する工程であって、
前記吸着剤接触器が、
ｉ）プロセスガス流入口端、および
ｉｉ）プロセスガス流出口端
を含み、
前記ガス流入口端と前記ガス流出口端が、空洞状の複数のフローチャネルによって流体連通状態にあり、
前記空洞状のフローチャネルの表面が、吸着剤材料から構成され、
前記吸着剤材料のＣＯ２の選択性が、排煙ストリームの少なくとも１種の他の気体状成分に対して１を超えることで、実質的にＣＯ２を含まない排煙ストリームと、前記吸着剤材料に吸着されたＣＯ２に分かれる工程、
ｂ）前記実質的にＣＯ２を含まない排煙ストリームを大気中に排気する工程、および
ｃ）ＣＯ２が吸着された前記吸着剤材料を、ＣＯ２の少なくとも一部の脱着が生じる有効温度まで加熱して、ＣＯ２富化ストリームを生成する工程
を含み、
前記吸着剤接触器の２０オングストロームより大きい細孔についての空洞細孔容積が２０％未満であり（但し、前記空洞細孔容積（％）とは、間隙封止用物質が詰まっていない直径が２０オングストロームより大きい吸着剤構造中の細孔の容積を、吸着剤材料で占められる吸着剤接触器の全容積で割った数値として定義される。）、
前記吸着剤接触器は、実質的に平行なチャネルから構成され、
前記吸着剤接触器の幾何学的形状は、モノリス、複数の管状部材、シート間にスペーサを挟んだ状態または挟まない状態での吸着剤シートからなる積層、多層スパイラルロール、中空糸の束、または実質的に平行な固体繊維の束から選ばれる、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記吸着剤接触器の２０オングストロームより大きい細孔についての空洞細孔容積が１５％未満であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記温度スイング吸着ガス分離ユニットのプロセスが、連続した吸着工程間のサイクルタイム２分未満で実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記排煙ストリーム中のＣＯ２の少なくとも８５ｍｏｌ％を除去して、実質的にＣＯ２を含まない排煙ストリームを生成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記吸着剤材料が、ゼオライトから構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ゼオライトが、５未満のＳｉ／Ａｌモル比をもつゼオライトであることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ゼオライトが、フォージャサイトゼオライト、ＢＥＴＡゼオライト、ＳＡＰＯゼオライトおよびＡＬＰＯゼオライトからなる群から選択されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ゼオライトが、ＭＦＩゼオライトであることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの吸着剤接触器が、少なくとも２つの吸着剤材料から構成され、
第１の吸着剤材料が、ＣＯ２に対して１を超える水の選択性を有し、かつＮ２に対するＣＯ２の選択性が１を超える第２の吸着剤材料よりも排煙ストリームの流れに対して上流に存在することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の吸着剤材料の下流における前記排煙ストリームの残留水分量が４００ｐｐｍｖ未満になるように、前記排煙ストリームから前記第１の吸着剤材料に水が吸着されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の吸着剤材料の下流における前記排煙ストリームの残留水分量が５０ｐｐｍｖ未満になるように、前記排煙ストリームから前記第１の吸着剤材料に水が吸着されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
ＮＯｘ、ＳＯｘまたはＮＯｘとＳＯｘの両方が吸着されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
少なくとも１つの吸着剤材料が、５未満のＳｉ／Ａｌモル比をもつゼオライトを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
ＣＯ２に対する水の選択性が１を超える第１の吸着剤材料が、Ｎ２に対するＣＯ２の選択性が１を超える吸着剤材料を含む第２の吸着剤接触器とは別個の接触器の一部であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
有効温度の伝熱流体を、前記排煙ストリームと同じ空洞状のフローチャネルに通し、前記吸着剤接触器を直接加熱して、ＣＯ２を前記伝熱流体に脱着させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記伝熱流体を、前記排煙ストリームの流れの方向に対して並流または向流方向で前記フローチャネルに通すことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記吸着剤接触器のフローチャネルの第１の部分が、前記排煙ストリームの流れを受け、一方、
フローチャネルの第２の部分が、有効温度の伝熱流体の流れを受け、
前記２つの部分のチャネルの少なくとも一部は、互いに連続しているが流体連通状態ではないため、フローチャネルの前記第２の部分を伝わる熱によって、フローチャネルの前記第１の部分を効果的かつ間接的に加熱し、脱着熱を提供できることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記吸着剤接触器が複数提供され、
少なくとも１つの吸着剤接触器が、少なくとも１つの他の接触器よりも上流にあり、
前記少なくとも１つの上流吸着剤接触器が、水、ＳＯｘおよびＮＯｘからなる群から選択される少なくとも１つの成分の選択性がＣＯ２に対して１を超える吸着剤材料を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
水の選択性が前記排煙ストリーム中の他のあらゆる成分に対して１を超える少なくとも１つの上流吸着剤接触器を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記吸着剤接触器が、少なくとも２種類の吸着剤材料を含み、
第１の吸着剤材料は、ＣＯ２に対する水の選択性が１を超え、一方、
第２の吸着剤材料は、水よりもＣＯ２の選択性のほうが高く１を超え、
前記第１の吸着剤材料が、前記排煙ストリームの流れに関して前記第２の吸着剤材料より上流側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記排煙ストリームが通る前記吸着剤接触器のすべてのフローチャネルが、実質的に同じチャネル幅を有することを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記温度スイング吸着ガス分離ユニットに流入する排煙が、１００℃から２５０℃の温度であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ＣＯ２富化ストリームの少なくとも一部が、１，０００ｐｓｉ（６．９ＭＰａ）を超える圧力まで圧縮された後、地下層に圧入されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記吸着剤材料が、モノリスから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記吸着剤材料が、前記モノリスの少なくとも一部の上に被覆されていることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記モノリスが、前記モノリスの内部に形成された吸着剤材料から構成されていることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度スイング吸着プロセスを用いる、排煙ストリームからのＣＯ２の吸着に関する。得られるＣＯ２富化ストリームを地下層への貯留用に圧縮し、圧縮熱の少なくとも一部を温度スイング吸着プロセスの脱着ステップに用いる。排煙からのＣＯ２の吸着が選択的である吸着剤材料を含むまたは吸着剤材料で被覆された実質的に平行な複数のチャネルを含む吸着剤接触器を、温度スイング吸着ユニットで使用する。
【背景技術】
【０００２】
ガスの分離は多くの業界で重要であり、特に、燃料製品、化学製品、石油化学製品、特別な製品の製造において重要である。こうしたガスの分離は、熱、固体または他の手段の助けを借りて、通常は分離対象となる成分の物性および／または化学的特性の違いを利用するさまざまな方法で達成可能なものである。たとえば、部分液化または混合ガスのうち吸着されにくいほうではなく吸着されやすいほうの成分を優先的に保持または吸着する固体吸着剤材料の利用或いは、業界で周知の他のいくつかのガス分離技術によって、ガスを分離することが可能である。このような商業的に実施されているガス分離プロセスのひとつに、熱スイング吸着（「ＴＳＡ」）がある。Ｊｏｓｅｐｈ  Ｐｒｉｅｓｔｌｅｙが酸化第二水銀に太陽熱を集めて空気から酸素を分離して以来、ＴＳＡはガスを精製するための重要な技術である。また、吸着剤の床を用いてプロセスストリームから１つ以上の種を選択的に吸着する方法に、温度スイング吸着がある。この方法では、手続き（ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ）のステップで床の温度を上げて選択的に吸着された種を放出することで、吸着剤床を再生する。
【０００３】
ＴＳＡプロセスは、特定の条件下で稼働させると、混合ガス中の選択的な１つまたは複数の成分を、この混合ガスの第２の１つまたは複数の成分よりも優先的に多孔性吸着剤材料の細孔構造に吸着させることができるものである。圧力と温度の両方が異なる度合いで成分の吸着量に影響するため、本方法の吸着ステップを特定の圧力および温度条件下で稼働させることで、材料中の各成分の合計吸着量（即ち吸着能）と、別の成分ではなく特定成分に対する吸着の選択性とが改善されることが多い。吸着等温線が温度に強く影響されるため、種が脱着される。よって、低温での吸着（吸着が強い）で極めて高い純度を得られる。強く保持された種については、脱着用の高温にて放出させることが可能である。また、圧力スイング吸着と比較して、ＴＳＡは等温線の飽和レジームで動作可能であるが、これはゼオライト吸着剤を用いる用途の潜在性と範囲の点で大きな利点のひとつである。ＴＳＡプロセスでは、脱着ステップ用の熱を、床に高温の脱着剤ガスを流す形で吸着剤によって直接供給するか、吸着剤と密着した加熱コイル、電気熱源または熱交換器によって間接的に提供することができる。
【０００４】
吸着剤に再生用の熱を供給するさまざまな方法が提案されている。これらの方法として、マイクロ波エネルギ（特許文献１）、吸着体の充填吸着剤床内への電熱器の設置（特許文献２）、電気脱着用の吸着体への電流の直接印加（特許文献３）があげられる。（特許文献４）には、内側のチューブ表面が水吸着剤微粒子でコーティングされたシェルチューブ型吸着体熱交換器を含む乾燥機が開示されている。この乾燥機は、高速熱スイング吸着サイクルプロセスで使用可能である。吸着剤は、熱交換器のシェル側通路を介して高温または低温の原料ガスを分離プロセスに流すことで、間接的に加熱または冷却される。原料ガスはまず、第１の吸収体熱交換器でシェル側の低温ガスとして作用した後、加熱されて再生中の第２の吸収体熱交換器ではシェル側の高温ガスとして作用し、続いて第１の吸収体熱交換器のチューブ側を通過してそこで乾燥される。乾燥後のガスの一部が第２の吸収体熱交換器のチューブ側のパージガスとして使用される。２つの吸着体熱交換器の機能を周期的に入れ替えることで、サイクルを反転させる。入れ替えは３０秒から３分の間隔で実施すればよい。ＴＳＡプロセスの多くはサイクルタイムがこれよりもかなり長く、１２時間という長時間にわたることも珍しくない。
【０００５】
現在実施されているＴＳＡには、いくつかの欠点がある。たとえば、直接加熱式のＴＳＡプロセスでは、一般に高温の流体が吸着床を流れて吸着剤の温度が上昇する。温度が高くなればなるほど、多くの流体が必要になる。このため、脱着された不純物が大量の加熱用流体に分散されることになる上、吸着剤の昇温に使われる大量の熱を回収できないことも多い。直接加熱式のＴＳＡ系の多くは稼働時の吸着時間が長く（数日）、再生時間のほうはこれよりもかなり短いため、場合によっては熱が回収されないままである。最後に、不定期に少しずつ再生を繰り返すと、下流の設備で濃度が上がって流れにばらつきが生じるが、それ以外は定常状態にあるプロセスプラントでこれを管理するのは困難なこともある。間接加熱式のＴＳＡ系では、熱交換器で熱を供給して、加熱されたパージガスで生成物が希釈されるのを避けることができる。しかしながら、間接加熱式のＴＳＡプロセスの熱管理と周期性がゆえの困難が生じることも多い。
【０００６】
ガス種の分離だけでなく、ＴＳＡサイクルは、ガスを熱化学的に圧縮する目的でも用いられている。いくつかのヒートポンプおよび冷凍サイクルで、熱化学的な圧縮ステップを採用している（Ｓｙｗｕｌｋａに付与された特許文献５などを参照のこと）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４，３１２，６４１号明細書
【特許文献２】米国特許第４，２６９，６１１号明細書
【特許文献３】米国特許第４，０９４，６５２号明細書
【特許文献４】米国特許第５，６６９，９６２号明細書
【特許文献５】米国特許第５，４１９，１５６号明細書
【特許文献６】米国仮特許出願第６０／９３０，８２７号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００６／０１６９１４２号明細書
【特許文献８】米国特許第７，０４９，２５９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
さまざまなスイング吸着方法が何年にもわたって商業的に実施されてきてはいるが、当該技術分野では、スイング吸着方法の改良版に依然として需要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ＣＯ２を含有する排煙ストリームからＣＯ２を除去するための方法であって、
ａ）少なくとも１つの吸着剤接触器を含む温度スイング吸着ガス分離ユニットに前記排煙ストリームを送入し、吸着剤接触器が、
ｉ）プロセスガス流入口端と、
ｉｉ）プロセスガス流出口端と
を含み、
ガス流入口端とガス流出口端とが、空洞状の複数のフローチャネルによって流体連通状態にあり、空洞状のフローチャネルの表面が、ＣＯ２に対して排煙ストリームの少なくとも１種の他の気体状成分に対するよりも大きな選択性を有する吸着剤材料を含むことで、実質的にＣＯ２を含まない排煙ストリームと前記吸着剤材料に吸着されたＣＯ２とに分け、
ｂ）前記実質的にＣＯ２を含まない排煙ストリームを大気中に排気し、
ｃ）ＣＯ２が吸着された前記吸着剤材料を、ＣＯ２の少なくとも一部の脱着が生じる有効温度まで加熱することで、ＣＯ２富化ストリームを生成することを含む、方法が得られる。
【００１０】
好ましい実施形態では、接触器の約２０オングストロームを超える細孔についての空洞細孔容積が約２０％未満である。
【００１１】
好ましい実施形態では、温度スイング吸着が、連続した吸着ステップ間のサイクルタイム約２分未満で実施される。
【００１２】
もうひとつの好ましい実施形態では、排煙ストリーム中のＣＯ２の少なくとも約７５ｖｏｌ％を除去して実質的にＣＯ２を含まない排煙ストリームを生成する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のミクロ多孔性吸着剤から直接形成され、複数の平行チャネルを有する、本発明によるモノリス形の平行チャネル接触器の一実施形態を示す図である。
【図２】図１のモノリスの長手方向の軸に沿って切った横断面図である。
【図３】いくつかのメソ孔およびマクロ孔を埋めている間隙封止用物質とともに、吸着剤層の詳細な構造を示す、図２のモノリスの横断面図を拡大した図である。
【図４】平行チャネル接触器がＴＳＡ用途向けの被覆モノリスの形であり、あらかじめ形成したモノリスのチャネル壁に吸着剤層がコーティングされた本発明の別の実施形態を示す。この図は、フィードチャネルの分離した列および加熱／冷却チャネルの原料した列を示す。
【図５】本発明によるものではあるが、ＴＳＡ用途向けの中空糸接触器の形をした別の平行チャネル接触器を示す図である。
【図６】接触器の筐体の外面を透明にした、図５に示す中空糸接触器の別の図である。点線は外面の縁を示すものである。
【図７】再生時の流体の平均的な流れが、吸着ステップの間の流れの方向に対して向流である積層セグメントを有する向流接触器の切り欠き図を示す。
【図８】再生済みの内側から加熱される一接触器から、吸着ステップを終えたばかりで再生用に加熱されている第２の接触器まで熱を移動させるのに熱波を用いることについて示す。
【図９】ひとつの接触器で吸着ステップ、もうひとつの接触器で脱着ステップを実施し、更に別の接触器を冷却対象とする本発明による系を示す図である。
【図１０】本明細書の実施例１で説明するようにして使用可能な３つの平行チャネル接触器ユニットの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、排煙からＣＯ２を捕捉できる熱スイング吸着プロセスに関する。熱スイング吸着（「ＴＳＡ」）プロセスでは、吸着ステップと熱で補助する再生ステップという少なくとも２つのステップで繰り返しサイクルされる少なくとも１つの接触器を採用する。接触器の再生は、接触器からのＣＯ２の脱着につながる有効温度まで接触器を加熱することで達成される。次に、別の吸着ステップを完了できるように接触器を冷却する。好ましい実施形態では、熱スイング吸着プロセスを高速サイクルで実施するが、この場合、これを高速サイクル熱スイング吸着（ＲＣＴＳＡ）プロセスと呼ぶ。高速サイクル熱スイング吸着プロセスは、本発明の目的で、連続した吸着ステップ間のサイクルタイムが約２分未満、好ましくは約１分未満、なお一層好ましくは約０．２５分未満のプロセスとして定義される。熱再生ステップを分圧パージ置換で補助することが可能であり、圧力スイングで補助することすらも可能である。このようなプロセスの組み合わせについても、再生ステップの間のある時点で吸着剤の温度を誘導的に変化させるステップを含むかぎり、本明細書では熱スイングプロセスと呼ぶ。
【００１５】
多岐にわたる工業プロセスで排煙即ち煙道ガスが放出される。工業で生成される大半の排煙の放出圧力は一般に、大気圧よりわずかに高く、通常は約２気圧未満である。排煙の温度は一般に、約１００℃から約２５０℃の範囲、より一般には約１５０℃から約２５０℃の範囲であるが、湿式石灰脱硫を使用してＳＯｘを除去するのであれば、約３０℃から約７０℃まで落とすことも可能である。主な気体状成分は一般に、Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏである。ＮＯｘおよびＳＯｘなどの少量の汚染物質が存在することも多い。排煙のＣＯ２濃度は一般に、約３ｍｏｌ％から約１５ｍｏｌ％の範囲であり、Ｈ２Ｏは一般に、約０．１ｍｏｌ％から約１５ｍｏｌ％の範囲である。ＣＯ２とＨ２Ｏの合計でのモル濃度は通常、煙道ガスが化学量論的な燃焼によって生成される場合は２５ｍｏｌ％であり、希釈空気または過剰空気をプロセスに用いて高温燃焼プロセスの温度を制限する場合であれば、通常は１５ｍｏｌ％未満である。
【００１６】
大気へのＣＯ２の放出を軽減するには、排煙に含まれるＣＯ２を濃縮ストリームまたは精製ストリームに分離し、ＣＯ２富化ストリームを高圧まで圧縮し、これを貯留用の好適な地盤に導入すると都合がよい。好適な地盤の非限定的な例として、圧入した気体状成分の大幅な損失を防ぐシール層を上部に有する帯水層、油層、ガス貯留層、枯渇油層、枯渇ガス貯留層があげられる。一般に、分離したＣＯ２については、これらのタイプの地盤に圧入するには、約１，０００ｐｓｉよりも高い圧力、好ましくは約２，０００ｐｓｉよりも高い圧力、約５，０００ｐｓｉよりも高い圧力まで圧縮する必要がある。本発明は、大気圧またはそれよりも若干高い圧力（即ち、約０ｐｓｉｇから約３０ｐｓｉｇの範囲）で排煙からＣＯ２を捕捉することで、圧縮に必要なエネルギを最小限に抑えるものである。また、本発明は、高純度ＣＯ２ストリームを生成することで、圧縮に必要なエネルギを最小限に抑えるものでもある。高純度ＣＯ２ストリームでは、窒素などの希釈物に使われる圧縮エネルギはごくわずかである。本発明者らのいう「高純度」とは、約８５ｍｏｌ％を超え、好ましくは約９０ｍｏｌ％を超え、なお一層好ましくは約９５ｍｏｌ％を超える量のＣＯ２がストリームに含まれるという意味である。
【００１７】
本発明は、熱再生を用いるスイング吸着プロセスを使用して、排煙からＣＯ２を捕捉するものであり、好ましい実施形態では、プロセスをＲＣＴＳＡプロセスとして実施する。もうひとつの好ましい実施形態では、熱再生を用いるスイング吸着プロセスを使用して、排煙ストリーム中の水蒸気を除去する。もうひとつの好ましい実施形態では、本発明の熱スイング吸着プロセスの熱再生ステップに利用される熱の少なくとも約２０％、一層好ましくは少なくとも約３０％を、約１，０００ｐｓｉより高い圧力まで圧縮する対象となるＣＯ２ストリームの中間冷却から供給する。もうひとつの好ましい実施形態では、排煙の流れる方向に対して並流的または向流的に通る熱波を用いて再生することで、ＣＯ２の捕捉に必要なエネルギを減らし、捕捉されるＣＯ２ストリームの純度を高める。もうひとつの好ましい実施形態では、本発明の多段接触器熱スイング吸着プロセスにおいて、１つの接触器からの熱エネルギの少なくとも１０％が別の接触器を通るように、熱波再生を実施する。
【００１８】
ＣＯ２を捕捉するには、窒素含有混合排煙からＣＯ２を吸着するために、Ｎ２に対するＣＯ２の選択性が約５を超え、好ましくは約１０を超える固体の吸着剤材料を含む接触器に排煙ストリームを通す。
【００１９】
特に明記しないかぎり、本明細書で使用する「選択性」という表現は、原料ストリームにおける成分のモル濃度と、特定の系動作条件および原料ストリーム組成でプロセスサイクルの吸着ステップにおいて特定の吸着剤に吸着される成分の総モル数のバイナリ（一対）比較に基づくものである。成分Ａ、成分Ｂ並びに別の成分を含む原料の場合、成分Ｂよりも成分Ａに対する「選択性」の高い吸着剤は、スイング吸着プロセスサイクルの吸着ステップの終了時に、
ＵＡ＝（吸着剤におけるＡの総モル数）／（原料におけるＡのモル濃度）
の比が、
ＵＢ＝（吸着剤におけるＢの総モル数）／（原料におけるＢのモル濃度）
の比よりも大きくなる。
式中、ＵＡは「成分Ａの吸着取込」であり、ＵＢは「成分Ｂの吸着取込」である。
従って、成分Ｂに対する成分Ａの選択性が１を超える吸着剤の場合、
選択性＝ＵＡ／ＵＢ（式中、ＵＡ＞ＵＢ）
となる。
【００２０】
接触器を効率的に使用するには、吸着剤材料におけるＣＯ２の吸着量が吸着剤材料１グラムあたりＣＯ２約０．２５ミリモルを超え、好ましくは吸着剤材料１グラムあたりＣＯ２約０．７５ミリモルを超え、なお一層好ましくは吸着剤材料１グラムあたりＣＯ２約１．５ミリモルを超えると好ましい。窒素含有混合排煙からＣＯ２を選択的に除去し、所望の吸着量を達成できる吸着剤材料としては、ゼオライト、カチオンゼオライト、ＡＬＰＯ材料、ＳＡＰＯ材料などのミクロ多孔性材料があげられる。本明細書で使用するのに適したゼオライトの非限定的な例としては、ゼオライト４Ａ、５Ａ、Ｂｘ、ＮａＸ、ＮａＹがあげられる。カチオンゼオライトの非限定的な例としては、フォージャサイト、ベータゼオライト、モルデナイトなど、Ｓｉ／Ａｌモル比が約５未満のゼオライトがあげられる。ＭＦＩなどのケイ素質ゼオライトを使用して、窒素含有混合物からＣＯ２を除去してもよい。更に、排煙ストリームを処理するためのミクロ多孔性材料としてハイドロタルサイトを使用することも、本発明の範囲内である。ＳｉまたはＡｌ以外のＰなどの元素を含む骨格からミクロ多孔性材料を作製することも可能である。もうひとつの候補吸着剤材料に、ミクロ多孔性炭素がある。ミクロ多孔性ゾルゲル誘導材料およびシリカも候補吸着剤材料になり得る。これらの材料を単独で使用してもよく、他の材料との併用も可能である。接触器の吸着剤のメソ多孔度およびマクロ多孔度が低いと好ましい。メソ多孔度およびマクロ多孔度の定義については、下記に定義するとおりである。即ち、構造化吸着剤は、その細孔容積として約２０ｖｏｌ％未満、好ましくは約１５ｖｏｌ％未満、一層好ましくは約１０ｖｏｌ％未満、最も好ましくは約５ｖｏｌ％未満をメソ孔およびこれよりも大きい空洞細孔に含む。更に、詳細については後述するように、接触器吸着剤のメソ多孔性範囲およびマクロ多孔性範囲全体の細孔容積を効果的に減らすために、低メソ多孔性およびマクロ多孔性吸着剤に間隙封止用物質を含むことが可能である。
【００２１】
本発明の実施にあたって用いられる接触器は、排煙中のＣＯ２の約７５ｍｏｌ％を超え、好ましくは約８５ｍｏｌ％を超え、一層好ましくは約９５ｍｏｌ％を超える量が吸着剤で捕捉されるように設計されている。最終的には、吸着フロントが接触器を破過し、除去されるＣＯ２分が所望の値未満に落ち込むが、この時点で排煙の流れをすでに再生済みの別の接触器に迂回させ、接触器を熱的に再生させる。熱再生後、接触器はまた吸着に対応できる状態になり、混合排煙の流れを切り替えて再びこの接触器に戻す。合計サイクルタイムは、第１のサイクルで気体状混合物を最初に接触器に導入してから、すぐ次のサイクルで気体状混合物を最初に同じ接触器に導入するまでの時間即ち、第１の床での再生１回分の長さである。吸着時間は短いが再生時間は長い場合、第２の接触器に加えて、第３、第４、第５などの接触器を使用すれば、連続処理が実施されることになる。
【００２２】
上述したように、排煙には、ＳＯｘ、ＮＯｘおよび／または水などの他の種が含まれることも多く、このうちの少なくともいくつかは除去するのが望ましい。これらの種のうち、通常は水がもっとも高濃度で排煙に含まれる。吸着剤材料を接触器に組み込んで、これらの他の種のうち少なくとも一部、一層好ましくは全部を除去すると好ましい。排煙ストリームを別の接触器に通してこれらの種のうちの１つ以上を除去したり、これらの種を別のユニット動作で除去したりすることも可能である。個々の接触器で排煙から複数の種を除去する場合、各接触器を特定の成分の除去向けに最適化することが可能である。別の複数接触器構成に、第１の接触器で水を除去し、第２の接触器で、ＳＯｘ、ＮＯｘ、ＣＯ２のうちの１種類以上を除去するものがある。本発明は吸着ステップ終了後に各接触器を個々に再生するための手段を提供するものであるため、複数の接触器を使用することが可能である。或いは、複数の異なる吸着剤を単一の接触器に組み込むようにしてもよい。各吸着剤を特定の分子種の除去用に最適化することが可能である。これによって、いくつかの種を単一の接触器で選択的に除去するための手段が得られる。もうひとつの改変例に、複数の異なる分子種を除去できる単一の吸着剤で排煙を処理することがある。更に別の改変例に、ＣＯ２を除去するが他の分子種（水など）は有意に吸着することのない吸着剤を含む接触器で排煙を処理する。
【００２３】
吸着剤を接触器内に組み込んで水を除去する場合、ＣＯ２を除去するよう設計された吸着剤と排煙が接触する前に、この吸着剤と接触するように吸着剤を配置すると好ましい。これは、水選択性吸着剤をＣＯ２選択性吸着剤よりも接触器の入口に近い位置に配置するか、或いは、排煙がＣＯ２選択性吸着剤と接触する前に水選択性吸着剤と接触するように、ＣＯ２選択性吸着剤と水選択性吸着剤を階層構造にすることで実現できる。場合によっては、同じ吸着剤材料を用いて、ＣＯ２と、ＳＯｘ、ＮＯｘまたは水などの他の種を除去する。ＳＯｘおよびＮＯｘの吸着に利用できる材料としては、ゼオライト、カチオンゼオライト、メソ多孔性材料、炭素、ポリマーおよび混合マトリクス材料があげられる。
【００２４】
この場合、排煙中の最強吸着種（通常は水）が最初に吸着剤を満たし、これによって排煙が接触器を更に下流に流れるまでそれほど強く吸着されない種（通常はＣＯ２）の吸着が遅れる。この場合、複数の吸着フロントが接触器を移動する。
【００２５】
もうひとつの実施形態では、グリコール脱水プロセスを利用して、排煙から水を除去することができる。排煙をＴＳＡ吸着床に導入する前に、別々のプロセスまたはユニット動作で排煙を脱水することが可能である。グリコール脱水で水を効率的に除去するには、排煙の温度を約１１０℃未満、好ましくは約７５℃未満まで下げなければならない。排煙を吸着剤接触器と接触させる前に使用できるもうひとつの脱水プロセスに、（液滴または霧状などの）凝縮水の物理的なノックアウト（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｋｎｏｃｋｏｕｔ）がある。この場合は、接触器は、排煙から水を除去できる吸着剤材料を有するセクションを含むものであってもよい。排煙から水を除去できる吸着剤としては、カチオンゼオライト、官能化ミクロ多孔性材料およびメソ多孔性材料、炭素、混合マトリクス材料およびポリマーがあげられる。吸着床に流入する排煙から接触器によって相当な量（即ち約７５％を超える）のＣＯ２と水を除去する場合、これらの種の両方を取り除くよう熱再生プロセスを設計する。好ましい実施形態では、熱再生プロセスで水分の多いストリームとＣＯ２富化ストリームの別々のストリームが生成されるように再生を実施する。もうひとつの好ましい実施形態では、ＣＯ２を除去する吸着床を出る処理済み排煙を、吸着サイクルの少なくとも一瞬は水分含有量が約４００ｐｐｍ未満、好ましくは約５０ｐｐｍ未満、一層好ましくは約２０ｐｐｍ未満になるまで脱水する。
【００２６】
排煙からＣＯ２および任意に水を除去する固体の吸着剤材料と混合排煙とを効率的に接触させるように接触器を設計すると好ましい。効率的な接触によって、必要な吸着剤の量、接触器の体積、接触器の再生に必要なエネルギが最小限になる。効率的に設計された接触器を用いると、排煙の圧力低下並びに、接触器の加熱または冷却に必要な流体またはガスも最小限になる。これによって、接触器を流れる排煙の圧力低下で失われるエネルギ並びに、接触器の加熱または冷却に用いられる流体およびガスをポンプ移動または圧縮するのに必要なエネルギが最小限になる。
【００２７】
本発明を実施するにあたって用いられる接触器の物理的なアーキテクチャは、再生時に接触器が内側から加熱されるか外側から加熱されるかによって変わる。内側から加熱される接触器では、接触器の加熱に用いられるガスまたは流体が吸着剤材料と直接的に接触する。その際、再生時に接触器の加熱に用いられるガスまたは流体が、吸着ステップで排煙が通るのと同じマクロ孔の体積を通過する。吸着剤の加熱および再生に用いられるガスまたは流体は、排煙の流れる方向に対して並流、向流または直交（即ちクロスフロー）的に流れることが可能である。このような内側から加熱される接触器の場合、熱再生ステップで遊離したＣＯ２および水が接触器の再生に用いられるガスまたは流体と混合される。ＣＯ２を貯留する前に内側から加熱される接触器の再生に用いるガスまたは流体からＣＯ２を分離すると好ましい。内側から加熱される接触器とは対照的に、外側から加熱される接触器には、接触器の加熱および冷却に用いられるガスまたは流体を運ぶための別の一組のチャネルがある。ここで、理想的には、接触器の加熱および冷却に用いられるガスが再生ステップで遊離したＣＯ２または排煙と混ざらないように、別の一組のチャネルを密閉しておく。
【００２８】
内側から加熱される接触器の例としては、ＣＯ２選択的吸着剤を含むペレットが詰まった床、ビーズ状ＣＯ２選択的吸着剤床、ＣＯ２選択的吸着剤を含む繊維または繊維状マットの詰まった床、構造化吸着剤接触器および平行チャネル接触器があげられる。構造化吸着剤接触器は、ガスまたは流体が接触器を物理的に流れられるようにする複数のフローチャネルを含む。フローチャネルとは、原料ストリームが接触器に入る地点または場所と製品ストリームが接触器を離れる地点または場所との間に定常状態の圧力差が印加される場合に、接触器のガスが流れる部分である。フローチャネルは、接触器の空洞状のメソ孔またはマクロ孔の体積の一部とはみなされない。平行チャネル接触器は、構造化吸着剤接触器の好ましいサブセットを形成する。平行チャネル接触器では、実質的に互いに平行な少なくとも一組のチャネルがある。
【００２９】
上述したように、本発明の構造化吸着剤接触器は、空洞状のメソ孔およびマクロ孔を極めて低い体積分率で含有する。メソ孔とは、ＩＵＰＡＣの定義に基づけば、大きさが２０〜５００オングストロームの範囲の細孔であり、マクロ孔については、大きさが５００オングストロームを超える細孔であると定義する。本発明者らのいう空洞細孔とは、間隙封止用物質が詰まっておらず、本質的に非選択的に、混合ガスの成分で埋めることが可能なメソ孔やマクロ孔の意味である。いくつかの異なる方法を用いて、接触器の空洞細孔の体積分率を測定することが可能である。
【００３０】
本明細書で用いる空洞状のメソ孔およびマクロ孔の体積分率を求める方法は、接触器に供給される凝縮可能な蒸気の吸着等温線を解析することによるものである。等温線の吸着枝では、空のメソ孔並びに、空のマクロ孔体積の大半が、毛管凝縮によって液体で満たされる。凝縮可能な蒸気が吸着剤のミクロ孔または自由体積（ポリマー吸着剤の場合）に入らない場合、等温線の吸着枝に取り込まれる蒸気の量が、空のメソ孔およびマクロ孔の体積とほぼ等しくなる。吸着等温線の詳細な解析には、当業者間で周知のケルビン式をいくらか利用している。詳細な解析によって、構造化吸着剤におけるメソ孔および満たされたマクロ孔の体積分率並びに空洞状のメソ孔のサイズ分布の値が得られる。また、詳細な解析を使用して、構造化吸着剤のミクロ孔または自由体積における表面の吸収または吸着を説明することもできる。接触器での空洞状のメソ孔およびマクロ孔の体積分率を求める方法を、本明細書に援用する、２００７年５月１８日に出願された係属中の特許文献６から知ることができる。凝縮可能な蒸気（通常の沸点でのＮ２またはＡｒなど）の吸着等温線および脱着等温線の詳細な解析は当業者間で周知である。
【００３１】
本発明の平行チャネル接触器の寸法と幾何学的形状は、ＴＳＡまたは熱波スイング吸着プロセスで使用するのに適したどのような寸法または幾何学的形状であってもよい。幾何学的形状の非限定的な例として、モノリスの一端から他端まで延在する実質的に平行なチャネルを複数本有する、さまざまな形状のモノリス；複数の管状部材；シート間にスペーサを挟んだ状態または挟まない状態での吸着剤シートからなる積層；多層スパイラルロール、中空糸の束並びに実質的に平行な固体繊維の束があげられる。これらの幾何学的形状に吸着剤をコーティングしてもよく、多くの場合、吸着剤材料から形状を直接に形成してもよい。吸着剤から直接形成される幾何学的形状の一例として、ゼオライト／ポリマー複合体をモノリスに押出成形したものがある。吸着剤から直接に形成される幾何学的形状のもうひとつの例として、ゼオライト／ポリマー複合体製の押出中空糸または紡糸中空糸がある。吸着剤をコーティングした幾何学的形状の一例に、ゼオライト膜などのミクロ多孔性低メソ孔吸着剤膜をコーティングした薄くて平らな鋼シートがある。直接に形成される吸着剤層またはコーティングされた吸着剤層は、それ自体を複数の層または同一または異なる吸着剤材料に構造化可能である。多層吸着剤シート構造が、本明細書に援用する特許文献７に教示されている。
【００３２】
内側から加熱される平行チャネル接触器の実質的に平行なチャネルは、「フローチャネル」または「ガスフローチャネル」と呼ばれることもある。通常、フローチャネルは、表面積が比較的大きくて流体抵抗は比較的低い。フローチャネルの長さは、少なくとも流体速度と表面積対チャネル体積比の関数である物質移動ゾーンを提供できるだけの長さでなければならない。チャネルは、好ましくはチャネルでの圧力の低下を最小限にするよう構成される。多くの実施形態において、接触器の流入口でチャネルに入る流体流部分は、流出口を出て合流するまでは流入口で別のチャネルに入る他の流体部分とは連通しない。実質的にすべてのチャネルが完全に利用されるようにして、なおかつ物質移動ゾーンが実質的に等しく含まれるようにするには、チャネルの均一性が重要である。余分なチャネルの不整合があると、生産性とガス純度の両方に影響する。あるフローチャネルが隣接する別のフローチャネルよりも大きいと、早すぎる段階で生成物の破過が生じて、所望の生成物ガスの純度低下或いは最適とは言えないサイクルタイムにつながる可能性がある。更に、１分あたり約０．１（ｃｐｍ）よりも高いサイクル周波数で動作する装置には、１分あたりで低めのサイクルで動作する装置と比較して、なお一層のフローチャネル均一性と圧力低下の少なさが必要とされる。更に、床で圧力の低下が起こりすぎると、高めのサイクル周波数を実現しにくくなる。
【００３３】
フローチャネルの寸法は、フローチャネルに沿った圧力の低下を考慮して計算で求めることが可能なものである。フローチャネルのチャネル幅は、約５から約１，０００ミクロンであると好ましく、好ましくは約５０から約２５０ミクロンである。一般に、フローチャネルの長さは約０．５センチメートルから３０メートルの範囲、より一般には約１０ｃｍから約１０メートルの範囲であり、チャネル幅の高さ（または幅）は約５０から約２５０ミクロンである。チャネルは、スペーサ或いは、スペーサとして機能するメッシュを含むものであってもよい。用途によっては、吸着剤シートを積層するときにチャネルを形成可能である。積層吸着剤の場合、吸着剤ラミネート間の分離を画定する構造または材料であるスペーサを用いることが可能である。本発明で使用可能なタイプのスペーサの非限定的な例として、寸法的に正確な：プラスチックメッシュ、金属メッシュ、ガラスメッシュまたはカーボンメッシュ；プラスチック膜または金属箔；プラスチック、金属、ガラス、セラミックまたはカーボンのファイバおよび撚糸；セラミックピラー；プラスチック、ガラス、セラミックまたは金属の球または円板；またはこれらの組み合わせで構成されるものがあげられる。
【００３４】
構造化吸着剤接触器では、ＣＯ２選択的吸着剤材料および任意に水選択的吸着剤材料の大半が、フローチャネルの壁の一部として組み込まれる。構造化吸着剤接触器は、任意に、スイング吸着プロセスの吸着ステップにおける加熱を制御するためのサーマルマスを含むものであってもよい。吸着ステップでの加熱は、吸着剤に入る分子の吸着熱によって生じる。サーマルマスは、吸着ステップでの温度上昇の制限を補助するものであり、接触器のフローチャネルに組み込んでもよく、ＣＯ２選択的吸着剤または任意の水選択的吸着剤と一緒にフローチャネルの壁に組み込んでもよい。壁に組み込む場合、吸着剤層全体に分散するか別の層として含まれる固体材料であればよい。
【００３５】
本明細書の図面を参照すれば、本発明の接触器をより一層よく理解できる。本明細書の図１は、再生ステップにおいて内側から加熱される本発明の平行チャネル接触器を示す図である。平行チャネル接触器は、ミクロ多孔性吸着剤とバインダから直接形成され、複数の平行フローチャネルを有するモノリスの形である。押出プロセスを用いれば多岐にわたるモノリス形状を直接形成することが可能であり、円柱形のモノリス１の一例を本明細書の図１に概略的に示す。円柱形のモノリス１は複数の平行フローチャネル３を含む。これらのフローチャネル３は、チャネル幅が約５から約１，０００ミクロン、好ましくは約５０から約２５０ミクロンであればよい。本明細書で使用する場合、フローチャネルの「チャネル幅」は、流路に対して垂直な角度から見てフローチャネルの最も短い部分を通る線の長さとして定義される。たとえば、フローチャネルの横断面が円形である場合、チャネル幅は円の内径である。しかしながら、チャネル幅の横断面が長方形の場合、フローギャップは長方形の長い２本の辺に垂直でこれらの辺を結ぶ線の距離（即ち長方形の短い辺の長さ）である。また、フローチャネルは、どのような断面構成であってもよいことに注意されたい。好ましい実施形態は、フローチャネルの断面構成が円形、長方形または正方形のものである。しかしながら、楕円形、長円形、三角形またはさまざまな多角形の形状などであるが、これに限定されるものではない、どのような幾何学的断面構成を用いてもよい。他の好ましい実施形態では、吸着剤接触器における吸着剤体積とフローチャネル体積の比が、約０．５：１から約１００：１であり、一層好ましくは約１：１から約５０：１である。
【００３６】
チャネルは、円形、正方形、三角形、六角形を含むがこれに限定されるものではない、さまざまな形状に形成可能である。チャネル間の隙間には吸着剤５が詰まっている。図示のように、チャネル３がモノリスの体積の約２５％を占め、吸着剤５はモノリスの体積の約７５％を占めているが、モノリスの体積の約５０％から約９８％を吸着剤５にすることが可能である。吸着剤５とチャネル構造の体積分率から、以下のようにして吸着剤の有効厚を定義できる。
【数１】
0005544288.tif 000002
【００３７】
チャネル幅が約５０から約２５０ミクロンの範囲にある場合、吸着剤層の厚さは、接触器全体が吸着剤で構成されているのでなければ、約２５から約２，５００ミクロンの範囲であると好ましい。チャネル幅５０ミクロンの場合、吸着剤層の厚さの好ましい範囲は約２５から約３００ミクロンであり、より一層好ましい範囲は約５０から約２５０ミクロンである。
【００３８】
再生時に内側から加熱される図１に示すモノリスの平行チャネル接触器の場合、吸着剤の有効厚はフィードチャネルの直径の約１．５倍である。図２は、本明細書の図１の接触器を長手方向の軸に沿って切った断面図であり、フローチャネルの壁面がすべて吸着剤５で形成されたフィードチャネル３がモノリスの長さ方向に延在した状態を示している。吸着剤層５の小さな断面を拡大した概略図を本明細書の図３に示す。この吸着剤層５は、ミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子７と、ヒートシンクとして機能する固体粒子（サーマルマス）９と、間隙封止用物質１３と、空洞状のメソ孔およびマクロ孔１１とからなる。図示のように、ミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子７が吸着剤層の体積の約６０％を占め、固体粒子９が体積の約５％を占めている。この組成で、空隙率（フローチャネル）はミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子が占める体積の約５５％である。ミクロ多孔性吸着剤５またはポリマー粒子７の体積は、吸着剤層の体積の約２５％から吸着剤層の体積の約９８％の範囲であればよい。実用上、熱の制御に用いられる固体粒子９の体積分率は、吸着剤層の体積の約０％から約７５％である。好ましい実施形態では、接触器におけるメソ孔およびマクロ孔の体積が最小限である。メソ孔およびマクロ孔の体積を最小限に抑えるひとつの方法に、吸着剤層５における空洞状のメソ孔およびマクロ孔１１の体積分率が約２０％未満になるように粒子間に残った所望の量の隙間または空隙を埋める間隙封止用物質１３を用いることがある。
【００３９】
運動分離（主に拡散制御）を利用した排煙分離プロセスにモノリスを用いる場合、ミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子７が実質的に同じ大きさであると都合がよい。速度論的に制御したプロセスでは、個々のミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子７の体積の標準偏差が平均粒子体積の１００％未満であると好ましい。より一層好ましい実施形態では、個々のミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子７の体積の標準偏差が平均粒子体積の５０％未満である。ゼオライト吸着剤については、粒子の合成に用いる方法で粒度分布を制御することが可能である。また、重力沈降カラムなどの方法を用いて、あらかじめ合成したミクロ多孔性吸着剤粒子を大きさごとに分けることも可能である。大きさが均一のミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子を、平衡を制御した分離で使用すると好都合なこともある。
【００４０】
構造化ミクロ多孔性吸着剤からモノリスを直接形成可能な方法にはいくつかある。このような方法が、本明細書に援用する、２００７年５月１８日に出願された係属中の特許文献６に記載されている。
【００４１】
再生時に外側から加熱される平行チャネル接触器の非限定的な例を本明細書の図４に示す。本明細書の図４は、非吸着剤材料からなるあらかじめ形成したモノリスのチャネルに吸着剤層をコーティングした場合に、再生時に外側から加熱される被覆モノリス２０１形の本発明の平行チャネル接触器を示す図である。この例では、押出プロセスを用いて、鋼などの金属または菫青石などのセラミック、ゼオライト或いは炭素を含む好適な非吸着剤材料からモノリスを形成する。セラミックまたは金属の釉またはゾルゲルコーティング２１９を塗布して、モノリスのチャネル壁を気密化する。このような釉を塗布するには、チャネル壁をスラリーコーティングした後に、焼いて硬化させればよい。ゾルゲルをチャネル壁に塗布した上で、コーティングを高密度化する条件下で焼くことも可能である。真空および圧力含浸技術を用いて釉またはゾルゲルを塗布することも可能である。この場合、釉またはゾルゲルがモノリス２０１の細孔構造に浸透する。いずれの場合も、チャネルを流れる気体がモノリス本体に容易に入ってしまわないように、釉によってチャネル壁を気密化する。また、チャネル壁の気密化前にモノリスの細孔構造に固体材料を含浸させると望ましいこともある。ＴＳＡ動作で外側から加熱するために、チャネルの行を交互にその端２１５で封止する。モノリスの反対側の端で、これらの同じチャネルの行を同じく封止する。チャネル２１５の封止された行に流れが到達できるように、モノリスの両端ではモノリスに細溝（２２３および２２５）が開けられている。モノリスの両端並びにモノリスの中間部２２１に、封止面２１９が設けられている。
【００４２】
動作時には、チャネルの端並びにモノリスの中間部を封止する方法で、モノリスをモジュールに装着する。チャネルの端を封止するには、金属溶接、ゴムまたはカーボンなどの材料での密閉、無機セメントおよびエポキシなどの接着剤の使用をはじめとして、好適な技術のうちどれを用いてもよい。モジュールについては、加熱または冷却用の流体を細溝２２３経由で流入させて細溝２２５経由で出すことで、この流体が両端２１５で封止したチャネルを流れるように構成される。加熱冷却用の流体には、モジュールの端側が開いているチャネルを流れる流体との間で熱交換が起こる。モノリスをこのように改変することで、モノリスが熱交換器になり、熱交換器を製造または構成可能な方法が他にも多くある。このような他の方法の非限定的な例として、シェルチューブ型熱交換器、繊維膜熱交換器、印刷回路熱交換器があげられるが、いずれも従来技術において周知である。熱交換器の一方の側で吸着剤層をコーティングすることで、これを本発明に従って用いることが可能である。好ましい実施形態では、吸着剤層はメソ孔およびマクロ孔の体積分率が低い。この例自体、いかにしてモノリス熱交換器構造を外側から加熱されるＴＳＡ動作に適したモジュールに変換できるかということを示すものである。フィードチャネル２０３の直径（チャネル幅）と吸着剤層の厚さは、本明細書の図１で上述したようなものであればよい。
【００４３】
吸着剤層２０５については、好適な方法でフローチャネルの壁面にコーティングまたは層として適用可能である。このような方法の非限定的な例として、スラリーコーティング、スリップコーティング、水熱合成法による成膜、水熱コーティングによる転換、水熱成長などの流体相コーティング技術があげられる。非水熱コーティング技術を用いるのであれば、コーティング溶液には、少なくともミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子、ポリビニルアルコールなどの増粘剤、伝熱固体、任意にバインダを含む必要がある。ただし、モノリス２０１の本体自体が分離プロセスサイクルの異なるステップで蓄熱と放熱を繰り返して伝熱固体として作用できるため、伝熱固体が必要ないこともある。この場合、熱は吸着剤層２０５を介してモノリスの本体まで拡散する。ポリビニルアルコールなどの増粘剤を使用するのであれば、この増粘剤は窯でコーティングを硬化させる際に燃え尽きてしまうのが普通である。焼いたコーティングの機械強度を高めるために、コロイダルシリカまたはアルミナなどのバインダを用いると都合がよいこともある。メソ孔またはマクロ孔は一般に、硬化後のコーティング体積の約２０から約４０％を占める。マクロ孔およびメソ孔の体積を減らすのに、別々のコーティングプロセスで間隙封止用物質を適用することが可能である。吸着剤層の適用に水熱合成法による成膜方法を選択するのであれば、使用するコーティング技術は、ゼオライト膜を作製する方法と極めて似たものになり得る。ゼオライト層を成長させるための方法の一例が、本明細書に援用する特許文献８に教示されている。水熱合成で支持体上に成長させたゼオライト層には、メソ孔およびマクロ孔の大きさの亀裂や粒子境界が生じることが多い。これらの細孔の体積は膜厚の約１０ｖｏｌ％未満であることが多く、亀裂と亀裂の間に特徴的な距離即ち幅があることも多い。よって、間隙封止用物質を必要とせずに、成膜直後の膜を吸着剤層として直接利用できることも多い。
【００４４】
本明細書の図５および図６は、再生時に外側から加熱される本発明の別の平行チャネル接触器構造を示す図である。この外側から加熱されるＴＳＡプロセス用の接触器では、吸着剤層４０５が中空糸４１５の壁の一部をなす。図６では、接触器４０１の筐体の外面を透明にしてあり、点線だけが外面の縁を示している。この例で用いる中空糸には、外面４４０または内面４５０のいずれかに拡散障壁がある。拡散障壁が内面４５０にある場合、接触器を形成するよう配置された中空糸４１５の中空のコア４０３に加熱冷却用の流体を通す。拡散障壁が外面４４０にある場合、中空のコア４０３経由で排煙またはプロセスガスを供給する。
【００４５】
多くの異なる方法を用いて、繊維内に吸着剤層４０５を生成することができる。これらの方法のうちのいくつかが、本明細書に援用する、２００７年５月１８日に出願された係属中の特許文献６に開示されている。繊維を外側から加熱されるＴＳＡプロセスで使用するのに適したものにするには、繊維の内面４５０または外面４４０に拡散障壁をコーティングする。拡散障壁として機能し得る材料の非限定的な例として、スパッタリング蒸着した金属およびセラミック膜、蒸着金属およびセラミック膜、化学気相成長法で形成した金属およびセラミック膜、ポリマーと固体（クレーなど）の被覆複合体、拡散係数の低いポリマーのコーティングがあげられる。拡散障壁として作用するには、コーティングの有効拡散係数が吸着剤層の平均拡散係数の約１／１０未満である必要があり、好ましくは吸着剤層の平均拡散係数の約１／１０００である。拡散障壁を用いると、フィードチャネル内の気体がフィードチャネルおよび吸着剤層に効果的に取り込まれる。これによって、繊維のまわりに支持用のマトリクスを用いる必要性がなくなり、接触器の質量を減らすとともに、場合によってはプロセスのサイクルタイムを短縮することができる（即ち高速サイクル動作）。
【００４６】
外側から加熱される平行チャネル接触器で使用するのに適した繊維を製造するもうひとつの製造方法に、中空のガラス繊維、中空のシリカ繊維または中空のポリマー繊維などのあらかじめ製造した繊維の内面に吸着剤をコーティングすることがある。上述したコーティング方法を用いて、あらかじめ製造した繊維の内面または外面に吸着剤層を形成することができる。あらかじめ製造した繊維がガラスまたはシリカ製である場合、最終生成物は拡散障壁に内蔵される形になる。
【００４７】
好適な繊維、または外側から加熱される平行チャネル接触器を形成したら、これを束ねて繊維束の端をマトリクス材料４１７にポッティングまたは埋設する。これによって、繊維が固定されて実質的に平行なアレイになる。これを実行するためのひとつの方法に、繊維の端をマトリクス材料４１７で囲む埋設またはポッティングプロセスを用いることがある。ポッティングした繊維のアレイを可視化するために、本明細書の図６に、管状の筐体４０１と一緒にマトリクス材料４１７を透明にした平行チャネル繊維接触器を示す。
【００４８】
このポッティングしたアレイを管状の筐体４０１の中に封止する。管状の筐体４０１の端に封止面４１９が設けられている。筐体の中間部には封止面４２１も設けられている。管状の筐体の端付近では壁に細溝４２３および４２５が開けられており、加熱冷却用の流体およびまたはプロセスガスおよび製品ガスが流れるようになっている。拡散障壁が内面４５０にある場合、排煙またはプロセスガスが細溝４２３および４２５を流れる。拡散障壁が外面４４０にある場合、加熱冷却用の流体が細溝４２３および４２５を流れる。
【００４９】
動作時には、チャネルの端とモノリスの中間部を封止する方法で、管状の筐体をＴＳＡモジュールまたはＲＣＴＳＡ（高速サイクル熱スイング吸着）モジュールに装着する。上述したように、好適な封止技術のうち、どれを用いてもよい。特定の例では、加熱または冷却用の流体を細溝４２３経由で流入させて細溝４２５経由で出すことで、この流体が中空の管状の筐体４０１の中を流れるようにモジュールを構成可能である。加熱冷却用の流体には、モジュールの端側が開いている中空糸を流れる流体との間で熱交換が起こる。このような封止状態で、中空糸からなる平行なアレイを含む管状の筐体４０１が、ＴＳＡプロセスで使用するのに適した熱交換器になる。好ましい実施形態では、この繊維は、メソ孔およびマクロ孔の体積分率が低い吸着剤層４０５を有する。
【００５０】
外側および内側から加熱される構造化吸着剤接触器の場合、全体としての吸着速度は、フィードチャネルから吸着剤への物質移動速度で特徴付けられる。吸着剤の体積の大半をプロセスで利用するには、除去対象となる種（即ちＣＯ２および任意に水）の物質移動速度が十分に高いことが望ましい。吸着剤はＣＯ２および任意に水を選択的にガスストリームから除去するため、吸着剤層の使い方が非効率的であると、ＣＯ２の回収量が減少および／または回収されるＣＯ２製品ストリームの純度が低下する可能性がある。本発明を用いれば、重質成分の吸着および脱着で効率的に用いられる構造化吸着剤を形成することができる。これをするためのひとつの方法に、均一な厚さの吸着剤を用いることがある。この場合の吸着剤層の厚さは、ＣＯ２および任意に水の物質移動係数と、プロセスの吸着ステップおよび脱着ステップの時間とによって設定される。厚さの均一性については、吸着剤の厚さの測定値またはそれを製造する方法から評価可能である。吸着剤の均一性が、その厚さの標準偏差が平均厚の約５０％未満であるようなものになると好ましい。一層好ましくは、吸着剤厚の厚さの標準偏差が平均厚の約２５％未満である。吸着剤厚の標準偏差が平均厚の約１５％未満であるとなお一層好ましい。
【００５１】
これらの物質移動速度定数の計算は当業者間で周知であるため、ここではその詳細な説明を割愛する。
【００５２】
吸着剤の各点で計算したＣＯ２および任意に水の輸送の時定数τａが、吸着剤層での物質移動の性能指数である。厚さがｘ方向で、ｙ方向とｚ方向がシートの面内にある平面状の吸着剤シートの場合、重質成分の時定数τａは、
τａ［ｘ，ｙ，ｚ］＝最小［Ｄｐａｔｈ／Ｌｐａｔｈ２］      （単位は秒）
であり、式中、「Ｄｐａｔｈ」はフィードチャネルから点（ｘ，ｙ，ｚ）までの経路に沿った重質成分の平均輸送拡散係数であり、「Ｌｐａｔｈ」は経路に沿った距離である。フィードチャネルから吸着剤の各点（ｘ，ｙ，ｚ）までの軌道または経路には多くの可能性がある。時定数は、フィードチャネルから吸着剤の（ｘ，ｙ，ｚ）点までに可能なすべての経路に沿って考えられる時定数（Ｄｐａｔｈ／Ｌｐａｔｈ２）の最小値である。これには、メソ孔およびマクロ孔を通る経路も含まれる。吸着剤に固体材料がある場合（熱管理のために含まれていることがあるものなど）、そこでの輸送は起こらず、そこでの（ｘ，ｙ，ｚ）点を計算に含めない。各種の輸送拡散係数は、それぞれの種の単成分Ｓｔｅｆａｎ−Ｍａｘｗｅｌｌ拡散係数であるとみなされる。経路Ｄｐａｔｈに沿った平均輸送拡散係数は、経路に沿った線形平均化拡散係数である。経路を特徴付ける拡散係数を得るには線形平均化で十分である。重質成分に多くの種が含まれる場合、拡散係数Ｄｐａｔｈも組成的に平均化される。拡散係数は温度に左右され、圧力にも左右されることがある。拡散係数の変化の範囲内で、サイクルの間に生じる温度と圧力の変化について拡散係数を平均化する必要がある。吸着剤を効率的にするには、高密度固体ではない吸着剤の点（または体積）の少なくとも半分の時定数がプロセスのサイクルタイム未満になるように吸着剤層の平均厚を選択すると好ましい。一層好ましくは、高密度固体ではない吸着剤の点（または体積）の少なくとも約７５％の時定数がプロセスのサイクルタイム未満になるように吸着剤層の平均厚を選択する。なお一層好ましくは、高密度固体ではない吸着剤の点（または体積）の少なくとも約７５％の時定数がプロセスのサイクルタイムの約２５％未満になるように吸着剤層の平均厚を選択する。
【００５３】
内側から加熱される接触器または外側から加熱される接触器のいずれかの場合、吸着ステップでの昇温を制限しなければならない。カチオンゼオライトでのＣＯ２の吸着熱は、吸着されるＣＯ２１モルあたり約１５から約４０キロジュールの範囲である。この吸着熱で、カチオンゼオライト吸着剤１グラムあたり１ミリモルのＣＯ２を吸着する吸着剤の断熱温度の上昇が約２０℃から約５０℃の範囲になる。内側から加熱される接触器の場合、サーマルマスを組み込んで吸着ステップでの昇温を約２０℃未満に制限すると好ましい。これを達成するには、サーマルマス対吸着剤の質量比を約０．０２から約２の範囲にする必要があり、好ましくは約０．１から約１の範囲である。外側から加熱される接触器の場合、接触器の加熱／冷却チャネルまたは通路に冷却用の流体をポンプで流すことで、吸着ステップでの昇温を約２０℃未満に制限することが可能である。好ましい一実施形態では、冷却用の流体が水である。この場合、接触器の冷却に用いられる水流に取り込まれる熱エネルギを、冷却塔を使って放散させることが可能である。もうひとつの実施形態では、冷却用の流体が、冷凍サイクルを流れる流体（ガスまたは液体）である。更に別の実施形態では、ＣＯ２と水が除去された排煙流出物を用いて接触器を冷却する。この流出物は、ＣＯ２および任意にＨ２Ｏを除去する接触器を通過したガスである。この場合、ＣＯ２を除去するための処理対象となる排煙の流れる方向に対して向流方向で流出物を接触器の加熱／冷却チャネルに通す。外側から加熱される接触器の場合、サーマルマスを用いて吸着ステップでの昇温を約２０℃未満に制限することも可能である。外側から加熱される接触器でサーマルマスを使用する場合、サーマルマス対吸着剤の質量比は約０．０２から約２であればよく、好ましくは約０．１から約１である。
【００５４】
物質移動特性が良好で、ＣＯ２が吸着される際の昇温を制限する手段を有する接触器を用いると、吸着されるＣＯ２の急唆な濃度フロントが、ＴＳＡサイクルの吸着ステップの間に接触器の長さ方向に沿って移動する。吸着ステップの開始時付近で、排煙が接触器を流れはじめ、ＣＯ２が接触器の入口に一番近い吸着剤材料に吸着される。これによって、接触器の長さ方向に通る流動ガスストリームからＣＯ２が奪われる。吸着されたＣＯ２の濃度は、接触器に沿ったある点で、ほぼ再生ステップの終わりに残るレベルまで急激に落ち込む。吸着ステップが続くにつれて、吸着されるＣＯ２濃度が落ち込む位置が接触器の長さ方向で出口に向かって移動する。この移動を、接触器の長さに沿って移動する吸着濃度波と呼ぶ。接触器の長さに沿った吸着濃度での急唆な濃度フロントまたは勾配が好ましいのは、吸着質での原料ストリームの「破過」が生じる前に接触器に原料を比較的長時間にわたって通せるからである。
【００５５】
物質移動が適切でないと、勾配が狭くなる。このような条件では、接触器の吸着能が十分に利用されるかなり前に接触器から吸着質が離脱しはじめる。実用上、原料流体を流すのに比較的小さなチャネルを設けることで、物質移動度が高くなる。これは、ガスが流れるフロー経路またはチャネルの小さい接触器を用いて達成される。
【００５６】
吸着フロント即ち波が接触器の出口で破過すると、吸着ステップが停止されて再生が開始される。接触器を再生するには、吸着剤を加熱する。好ましい実施形態では、捕捉したＣＯ２をパイプラインでの輸送または貯留用に約１，０００ｐｓｉより高い圧力まで圧縮するのに用いられるコンプレッサの中間冷却から、吸着剤の再生に用いられる熱の一部を得る。中間冷却から得られる熱によって、接触器に吸着されるＣＯ２１モルあたり約１０キロジュールを超える量で接触器にエネルギを供給すると好ましく、好ましくは１モルあたり約１５キロジュールを超え、一層好ましくは１モルあたり約２０キロジュールを超えるエネルギを供給する。圧縮プロセスでは、ＣＯ２富化ガスが加熱される。温度が約３５０°Ｆを超えたら圧縮の段階を終了し、好ましくは熱交換器を用いてガスを冷却した上で、これを次の圧縮段階に導入する。ＣＯ２富化混合物を約１，０００ｐｓｉより高い圧力まで圧縮するには、少なくとも３段階の圧縮が必要である。ＣＯ２富化ガスコンプレッサの中間冷却から抽出される熱を油または水などの流体で捕捉する。高温の流体を接触器に直接流すかポンプ供給して熱を伝達するか、或いはこれを熱交換器に通して接触器に熱を伝える二次流体を加熱することも可能である。いずれの場合も、接触器に熱を伝える流体の温度が約７０℃を超え、好ましくは約１００℃を超え、なお一層好ましくは約１２０℃を超える。この好ましい実施形態では、ＣＯ２コンプレッサの中間冷却で得られる熱によって、吸着剤の再生に必要なエネルギの約２０％を超える量を伝達し、好ましくは吸着剤の再生に必要なエネルギの約４０％を超える量を伝達する。接触器の再生に使用可能な別の熱源に、工業プロセスで捨てられることの多い低グレードまたは中グレードの廃棄物処理熱がある。
【００５７】
吸着ステップで排煙が流れる方向に対して向流的、並流的またはクロスフローの方向で高温の流体（ガスまたは液体）を通すことで、熱を供給して接触器を再生する。一実施形態では、再生時の流体の平均的な流れが、吸着ステップでの排煙の流れの平均的な方向に対して向流または並流になるように、クロスフロー接触器の個々のセグメントを積層または配置する。クロスフロー接触器を構成するためのひとつの方法に、クロスフロー熱交換器の一組のチャネルを吸着剤でコーティングすることがある。クロスフロー交換器は、高い伝熱係数によって小型の構成が実現されるため、本発明で用いるのに都合のよい構成である。しかしながら、熱と物質移動を設計して一組のチャネルで温度勾配、別の組のチャネルで濃度勾配を得る場合、単一のクロスフロー交換器の吸着経路の中に、他の吸着経路よりも早く加熱される（または冷却される）ものが出てくる。これによって、加熱と冷却のステップを吸着ステップや再生ステップとは切り離して実施する場合を除いて、性能にむらが生じることがある。
【００５８】
本明細書の図７は、再生時の流体の平均的な流れが吸着ステップでの流れの方向に対して向流になるように積層されるセグメントを有するクロスフロー接触器の切り欠き図を示す。クロスフロー接触器は、二組のフローチャネルを隔てる不透性壁を有するクロスフロー熱交換器から構成される。壁７０１は、金属、セラミック、ガス透過性の低いポリマーからなる群から選択される材料で構成可能なものである。フローチャネル７０２、７０９、７１１は、吸着剤を含む層７０３でライニングして配置されている。図７は、同様の吸着剤層７０３をライニングしたフローチャネルを示すが、任意に、それぞれ吸着剤でライニングしたフローチャネル７０２、７０９、７１１と並べて異なる吸着剤層を使用してもよい。吸着剤でライニングしたフローチャネル７０２、７０９、７１１に、プロセスガスと生成されるガスを通す。層７０３には、ＣＯ２、水、ＳＯｘおよびＮＯｘのうちの１つ以上に対して選択的な少なくとも１つの吸着剤を含む。層７０３には、ミクロ孔、メソ孔、ポリマーなどのフィラー材料、バインダ材料、吸熱材料も含み得る。
【００５９】
吸着ステップでは、排煙を、吸着剤でライニングしたフローチャネル７０２、７０９、７１１に流し、あるクロスフローセグメントから別のクロスフローセグメント（即ち７１１から７０９、更には７０２において、吸着剤でライニングしたチャネルから順に（７０５から７１５、更に７２５）通す。脱着ステップでは、クロスフロー熱交換器の形成に用いられる材料７０１でライニングした接触器で、高温の流体（ガスまたは液体）を加熱／冷却チャネル７０８、７１０、７１２に通す。脱着ステップでは、加熱／冷却チャネル７０８、７１０、７１２を流れる流体が、吸着ステップの流れの平均的な方向（７０５から７１５、更には７２５へ）に対して向流的（７３５から７４５）に通過する。
【００６０】
図７に示す構成では、加熱／冷却チャネルと吸着チャネルの両方を直列に接続した状態で、クロスフロー接触器セグメントを積層する。各クロスフローモジュールが並流モードまたは向流モードで作用しないとしても、いくつかのモジュールを直列に組み合わせることで、並流または向流モードで動作するようになる。これは、多数の連続攪拌タンク連続攪拌槽反応器（ＣＳＴＲ）を一緒に接続して栓流反応器を摸すことに似ている。この配置の利点のひとつに、マルチモジュール配置全体の軸方向伝導度が極めて低いということがある。これによって、再生時にモジュールを通る温度勾配を悪化させることなく熱交換部分に金属を使いやすくなる。本発明の一実施形態では、接触ユニット全体に吸着剤のグラデーションが作られるように、異なる吸着剤を用いてセグメント化したクロスフロー接触器を作製する。この配置によって、多成分吸着を容易にすることが可能であるが、これには、異なる成分が別々に回収される、或いは最初に除去される成分が下流側の吸着剤の機能に干渉する（ＣＯ２吸着剤前に水を除去するなど）ことが理由で、価値がある場合がある。本発明のもうひとつの実施形態では、温度波が移動するにつれて１つまたは複数のモジュールから脱着される材料を個々に回収可能なようにモジュールを配置する。即ち、モジュールの吸着チャネル系を吸着の目的では直列に、再生の目的では並列に接続すればよい。
【００６１】
吸着剤の加熱時に等温線が変化する方法がゆえに、ＣＯ２が放出されて吸着剤が再生される。再生ステップの終わりに再生された接触器を冷却し、再生を終えた接触器からできるだけ多くの熱を移動させて別の接触器を再生可能なように加熱すると好ましい。これは、再生ステップを開始している接触器に、再生済みの接触器を通り抜けた流体（ガスまたは液体）を送ることで達成される。再生済みの接触器を冷却するには、再生ステップの終了時に接触器の平均温度よりも少なくとも約２５℃低い温度、好ましくは再生ステップの終了時に接触器の平均温度よりも少なくとも約５０℃低い温度で、再生済みの接触器に流体を導入する。この流体は、接触器を通り抜けるときに加熱され、この高温の流体を流して別の接触器を加熱する。好ましい実施形態では、再生ステップの終了時から吸着ステップの開始時への遷移に対して接触器の冷却時に放出される（ｇｉｖｅｎ  ｕｐ）検知可能な熱の少なくとも２０％を、別の接触器に移動させ、一層好ましい実施形態では、検知可能な熱の少なくとも約５０％を別の接触器に送る。
【００６２】
再生ステップでは、吸着ステップで流れる排煙の方向に対して並流的または向流的に接触器を加熱すると好ましい。接触器に高温の流体を流すことで、加熱が達成される。直接的に加熱される接触器の場合、流体は吸着プロセスで使用したものと同じフローチャネルを流れる。この加熱用の流体は、気体であっても液体であってもよい。好ましい液体としては、凝縮によって遊離したＣＯ２と分離可能な水および蒸気があげられる。好ましい気体のひとつに、再生対象となる接触器に導入される前に熱交換器または別の高温接触器を流れることで加熱される再利用ＣＯ２富化ガスがある。再利用ＣＯ２の加熱に用いられる熱交換器は、シェルチューブ型熱交換器などの間接熱交換器であってもよく、循環床型熱交換器などの直接熱交換器であってもよい。間接的に加熱される接触器の場合、流体はプロセスの吸着ステップで使用したものとは異なるフローチャネルを流れる。間接的に加熱される接触器における、これらの加熱／冷却フローチャネルは、吸着剤に排煙を送るのに用いられるフローチャネルとは分離されている。間接的に加熱される接触器の場合、加熱／冷却チャネルを流れる流体は、アンモニア、フルオロカーボン或いは、再利用または加熱されたＣＯ２富化ガスなどの気体であってもよく、水または油などの流体であってもよい。いずれの場合も、接触器の加熱に用いられる流体の温度が、吸着ステップにおける接触器の平均的な温度よりも少なくとも約２５℃高いと望ましく、好ましくは、この温度は吸着ステップでの接触器の平均的な温度よりも少なくとも５０℃高い。
【００６３】
好ましい実施形態では、接触器が、吸着ステップから再生ステップに遷移するとき、または再生ステップから吸着ステップに遷移している際、または再生ステップの少なくとも一部、或いは吸着ステップの少なくとも一部において接触器で熱を移動させるのに熱波を利用する。熱波とは、熱スイング吸着／脱着サイクルの１ステップの間に線形（即ち接触器内でほぼ単一方向に）移動する急唆な温度勾配である。ＴＳＡプロセスで用いられる熱波についての更に詳細な説明が、本明細書に援用する、          に出願された係属中の米国非仮特許出願第          号明細書（代理人書類整理番号２００８ＥＭ１３６）に見られる。熱フロント（即ち急唆な温度勾配のある領域）が移動する速度を熱波の速度と呼ぶ。波の速度は一定である必要はなく、波が移動する方向は吸着ステップと再生ステップで同じである必要がない。たとえば、吸着ステップの熱波は、再生ステップの熱波に対して並流的、向流的またはクロスフローに移動可能である。また、吸着ステップには有意な熱波が存在しないが、再生ステップには有意な熱波が存在するプロセスを設計することも可能である。熱スイング吸着／再生サイクルの少なくとも一部で熱波が存在することによって、この系で、床の温度スイングに必要な熱を実質的に再捕捉および回収するという本発明の目的のひとつを達成できる。よって、これによってプロセス効率が改善される。また、これによって通常はＴＳＡの動作で考慮されることのない極めて高い脱着温度を利用できるようになる。
【００６４】
熱の回収に熱波を効率的に利用するには、１つの接触器から流出する流体を別の接触器に送らなければならない。異なる接触器間の流体流の経路は、スイング吸着サイクル全体の適当な時点で接触器間に流体を誘導するように時間調整されたバルブによって決まる。接触器間を流体が流れる場合、この流体が、流動している流体に熱を加えたり流動している流体から熱を除去したりする熱交換器を流れることもある。また、上記の流体を、これが所望の速度で接触器を流動できるようにこれを加圧するコンプレッサ、ポンプまたはブロワを通してもよい。蓄熱媒体は、ある接触器を移動している熱波からのエネルギを第２の接触器に渡す前に蓄積するよう構成可能である。蓄積媒体の例に、循環稼働される充填床熱交換器がある。充填床熱交換器では、床の熱容量によってエネルギを蓄積する。エネルギが蓄積される際並びに冷却される際に熱波が床を移動する。熱波がこの熱交換器を通り抜けるのに必要な時間によって、異なる接触器間の熱エネルギの誘導時間を調節することができる。或いは、モノリスなどの構造化熱吸着材料を用いて熱交換器にエネルギを蓄積してもよい。
【００６５】
他のいくつかの熱プロセス統合を用いて熱波の挙動を利用することが可能である。一実施形態では、熱波を使って再生済みの接触器から吸着ステップを終えたばかりで再生用に加熱対象となる第２の接触器にエネルギを移動させる。この実施形態では、吸着ステップを実施している接触器に別の冷却手段を設ける。この実施形態では、再生済みの接触器が以後の吸着ステップのために待機し、吸着ステップを終えたばかりの接触器が再生を開始している。この実施形態（即ち、熱波を使って、ある再生済みの内側から加熱される接触器から吸着ステップを終えたばかりで再生用に加熱対象となる別の接触器に熱を移動させる）を、本明細書の図８に示す。
【００６６】
図８に示す接触器は、本明細書の図４に示すタイプの外側から加熱されるモノリス接触器である。図８に示す接触器の温度を半透明の灰色として接触器に重ねてある。図８ａは、再生ステップ終了時の高温の接触器８０１と、吸着ステップを終えたばかりの温度が低いほうの接触器８０３を示す。接触器８０１に重ねた濃い灰色は温度が高い（約９５℃を超えるなど）ことを示し、接触器８０３の薄い灰色は温度が低い（約４０℃未満など）ことを示す。図８ｂに、接触器８０１を冷却して接触器８０３を加熱する初期段階を示す。接触器８０１を冷却するには、低温の流体８３３を接触器の加熱／冷却チャネルに流す。熱フロントが接触器を移動するにつれて、入口付近の端８０５の温度が冷却用の流体８３３の温度に近づき、接触器の遠位端８０９の温度が再生後の最初の温度前後にとどまる。温度勾配の大きな急唆なフロント８０７によって、接触器の高温セクションと低温セクションとが分離される。接触器から押し出される高温の流体が集まってストリーム８１１になり、これが流れることで第２の接触器８０３が加熱される。ストリームは、異なる接触器間の流体の流れを止めるまたは経路を変えるのに使用可能なストリーム選択弁および／または遮断弁８１３を流れる。任意に、ストリーム８１１を熱交換器８１５に通し、接触器８０３の冷却用に送られるストリーム８１９に熱を加えてもよい。任意のストリーム８１７を熱交換器に流し、熱交換器８１５によって移動される熱を提供する。一実施形態では、１，０００ｐｓｉより高い圧力までＣＯ２を圧縮するのに用いられるコンプレッサストリング（図示せず）の中間冷却器からストリーム８１７が流入する。温度が再生後の接触器の温度付近またはそれよりも高い高温のストリーム８２１を低温の接触器に渡す。このストリーム８２１によって、熱フロントが接触器を移動し、入口付近端８２３の温度がほぼ高温の流体８２１の温度になるのに対し、接触器の遠位端８２９の温度は再生後の最初の温度前後にとどまる。温度勾配の大きなもうひとつの急唆なフロント８２５によって、接触器の高温セクションと低温セクションとが分離される。低温の流体が接触器から押し出され、これが集まってストリーム８３１になる。この流体は、排煙からＣＯ２を吸着している接触器での昇温の制限に使用可能或いは、別の接触器の冷却に使用可能なものである。一実施形態では、ストリーム８３１の低温の流体を送り返してストリーム８３３を形成する。任意に、送り返してストリーム８３３を形成する前に、ストリーム８３１を熱交換によって冷却する。本明細書の図８に示すように、接触器の高温セクション８０１と低温セクション８０３での変化は同じ比率ではない。これは、分子が脱着される際に、接触器８０３に伝わる熱の一部が脱着熱に取り込まれることにもよるものである。熱交換器８１５を使用して熱を供給する場合、２つの接触器（８０１および８０３）の熱波を同じ速度で移動させることが可能である。
【００６７】
図８ｃは、プロセスを継続した際の接触器（８０１および８０３）における熱波の進行を示す。低温の流体８７３は接触器８０１の加熱／冷却チャネルを流れ続ける。熱フロントが接触器を更に移動する。接触器８４５の最初の３分の２の温度は冷却用の流体８７３の温度とほぼ同じであり、接触器の遠位端８４９の温度は再生後の最初の温度前後にとどまる。温度勾配の大きな急唆なフロント８４７によって、接触器の高温のセクションと低温のセクションとが依然として分離されている。接触器から押し出された高温の流体が集まって、第２の接触器８０３に流入するストリーム８５１になる。再生後の接触器の温度前後またはこれよりも高い温度の高温のストリーム８６１を第２の接触器に通し、第２の接触器で熱フロントを移動させつづける。接触器の最初の半分８６３の温度は、高温の流体８６１の温度とほぼ同じなのに対し、接触器の遠位端８６９の温度は吸着後の最初の温度前後にとどまる。再び温度勾配の大きな急唆なフロント８６５によって、ここでも接触器の高温セクションと低温セクションとが分離される。このフロントは、接触器をほぼ半分だけ流下しただけであるが、他の接触器のフロントは接触器に沿って約３分の２を過ぎている。この２つの熱フロントの速度差は、脱着熱にもよるものである。接触器から押し出される冷たい流体が集まってストリーム８７１になり、これを他の接触器で使用しつづける。
【００６８】
使用可能な他の熱プロセス統合としては、吸着ステップを実施している１つまたは複数の接触器と、再生ステップを実施している１つまたは複数の接触器との間で熱を往復させることがあげられる。
【００６９】
一実施形態では、一方が再生と加熱、他方が吸着と冷却を担う２つの接触器を用いてＴＳＡ系を稼働させてもよい。この実施形態を本明細書の図９に概略的に示し、任意の時点で、加熱用の接触器と冷却用の接触器に伝熱媒体の等しい流れが流れている。本明細書の図９に示す例は、加熱対象となる接触器１９０３を含み、別の接触器１９０１が冷却対象となる。接触器での伝熱媒体の流れによって生成される温度勾配がゆえに、接触器内に捕捉される高いレベルの熱（または冷却）で加熱（および冷却）が達成される。加熱時には、温度の破過が生じて接触器がほぼ加熱されるまで、第１の接触器１９０３に高温の流体１９０５が導入され、加熱／冷却チャネル１９０７から冷却状態１９０６で流体が出る。同時に、冷却された伝熱媒体１９０９を第２の接触器１９０１の加熱／冷却通路１９１１に導入する。右から左に移動して、接触器ユニット１９０１が冷却されるのに対し、伝熱媒体が再加熱されるように、流動している冷却用の媒体１９０９によって熱波を生成する。再加熱される伝熱媒体１９１３を再循環させて、第１の接触器ユニット１９０３に戻す。実用上、熱損失（たとえば、脱着材料が高温の系を離れているなど）がゆえに、熱を加えて高温の伝熱媒体の温度をストリーム１９０５の元の温度まで上昇させる必要がある。図９では、熱交換器１９１７に通すことで追加で必要な熱をストリーム１９１３に加えている。
【００７０】
本発明の一実施形態では、接触器ユニットからの温度破過にもかかわらず、冷却伝熱媒体から熱を除去し、これをあらかじめ定められた温度で維持する。一般に、（冷却ステップから出てくる）冷却された伝熱流体は、分離原料の温度に近い温度になる。熱交換１９１５による冷却は、冷却用の流体の温度を流入してくる排煙ストリーム１９１９の温度よりも低い温度まで下げ、これによって吸着剤を流入してくる分離原料の温度未満の温度まで予冷するためにも利用できる。接触器１９０１の冷却端では、吸着剤でライニングされたチャネル１９２３に排煙ストリーム１９１９が流入する。排煙の流量は、ＣＯ２および任意に水、ＳＯｘおよびＮＯｘが熱フロントに達する前に吸着されるような流量である。接触器１９０１での熱フロント（または波）の進行を図９に概略的にプロット１９２１する。
【００７１】
吸着時、最強吸着成分が接触器吸着剤と最も強く結合し、最も移動しなくなる。これらは、吸着剤の流入口に最も近い領域を埋め、弱吸着材料をその領域から追い出す。吸着時間全体では、吸着質は接触器の吸着チャネルの流入口から流出口へと流れる際に接触器吸着剤に沿って自然に最も強いものから最も弱いものという順になる。ほとんどの吸着剤材料で、水が排煙混合物の最強吸着成分になる。いずれの場合も、急唆な濃度フロントが接触器を移動し、フロントの位置は常に熱フロントの後ろのままである。その際、ＣＯ２は常に接触器１９０１の冷却セクションで吸着される。ストリーム１９２５が、ＣＯ２の大半が除去され、任意に水、ＳＯｘおよびＮＯｘの大半も除去された状態で、吸着剤でライニングされたチャネル１９２３から流出する。好ましい実施形態では、ストリーム１９２５の組成は、吸着剤チャネル１９２３に入る排煙１９１９に含まれるＣＯ２の約８０ｍｏｌ％を超える量、好ましくは約９５ｍｏｌ％を超える量が除去された組成になる。図９では、前の吸着ステップでの接触器１９０３の向きが、ほとんどの弱吸着種が高温流体１９０５の導入端に最も近くなるようなものであった。接触器での熱フロント（または波）の動きを図９に概略的にプロット１９３１する。熱波（１９３１および１９２１）が接触器で反対方向に移動するのが見られる。収着媒と吸着される分子の細かな性質によっては、熱波が接触器を並流的に動くように接触器間を配管接続すると好ましいことがある。
【００７２】
熱波１９３１および１９２１が接触器を向流的に移動する場合、最も弱く保持される吸着質を含む接触器の領域が最初に加熱され、続いて次に弱い部分、その次という具合に、最後に最も強く吸着される材料が加熱するまでこれが続く。これらの吸着質が吸着剤でライニングされたフローチャネル１９３３に放出される順番は、これが加熱される順番と一致する。熱波が接触器を並流的に移動するよう配管した場合、最も強く保持される吸着質を含む接触器の領域が最初に加熱され、続いて次に強い部分、その次という具合に、最後に最も弱く吸着される材料が加熱されるまでこれが続く。吸着剤の特性次第では、熱波が並流的に移動するよう接触器同士を配管接続すると都合がよいこともある。いずれの場合も、吸着質の別々のストリームを異なるラインまたは容器で回収し、連続した多成分吸着（クロマトグラフ的としても知られる）分離を実現することが可能である。
【００７３】
吸着質は、接触器を通っている熱波に対して並流的または向流的に再生されている接触器から流出可能なものである。この図では、脱着された種が、熱波の方向に対して向流的に接触器１９０３の吸着剤でライニングしたチャネル１９３３からストリーム１９３５に流入する。また、並流脱着を用いて連続した多成分吸着（クロマトグラフ的としても知られる）分離を実現することも可能である。このような別の実施形態では、脱着の流れが図９に示したものと逆方向になり、床から出る過程で強く吸着されるものではなく弱く吸着される成分のほうを戻さなければならない。また、吸着質の流出物の条件によっては、更に分離された吸着質を得ることも可能である。任意の脱着様式で、掃引流体１９３９を使って脱着プロセスを補助する。熱波を用いて脱着を並流的に実施する場合、この任意の様式の好ましい実施形態で、床に沿って移動している熱波の速度とほぼ一致する速度で掃引またはパージを導入する。
【００７４】
本発明の実施形態では、いくつかのユニットが加熱および冷却動作に連結され、他のユニットが吸着（および／または脱着）に関与するような形で、複数の接触器ユニットで稼働すると望ましいことがある。このような動作では、吸着に切り替わる前に伝熱媒体を循環させることで接触器を実質的に冷却することが可能である。このような動作の利点に、床のスイングに用いる熱が伝熱媒体に保持されることがある。吸着を冷却と同時に進行させた場合、床の熱のかなりの部分が吸着質のない原料に失われてしまい、高温の伝熱媒体を回復させるのに、更に高い熱負荷が必要になるであろう。
【００７５】
また、多くの場合（特に不純物除去の場合）、接触器の吸着能を十分に利用するのに必要な時間よりも吸着剤の再生に必要な時間のほうが短いことがある。このような場合、いくつかの接触器を吸着フェーズにおき、対にした２つの接触器を熱／再生フェーズと再冷却フェーズにおくと望ましいことがある。好ましい実施形態では、吸着に関与するいくつかの接触器を、最後に再生された接触器ユニットがラインの最後の床になるように直列接続し、ラインの第１のユニットを次に再生する。もうひとつの好ましい実施形態では、吸着ユニットを、各吸着体が原料全体の一部を処理するような形で並列接続する。更に別の実施形態では、熱波貯蔵装置を用いて、適切なタイミングのサイクルを保存および可能にする。
【００７６】
このようにして接触器を使用する場合、各接触器ユニットを、並流、向流、クロスフローまたは他の構成で配置することが可能である。しかしながら、好ましい実施形態では、接触器を並流および／または向流の配置で利用する。
【００７７】
例示目的で示したものであり、本発明を限定するものとして解釈されるものではない以下の実施例を参照することで、本発明について一層よく理解することができる。
【００７８】
この例は、熱スイング吸着プロセスでＣＯ２を排煙から除去する分離に平行接触器を用いることについて示すものである。多岐にわたる工業プロセスで排煙または煙道ガスが放出される。排煙の圧力は一般に、大気圧よりわずかに高く、通常は２気圧未満である。
【００７９】
本明細書で上述したような熱波吸着プロセスは、好ましくは高温の煙道ガスからＣＯ２を除去するのに用いられる。この熱波吸着プロセスでは、平行チャネル接触器を使用して約７０ｍｏｌ％を超えるＣＯ２を煙道ガスから除去し、好ましくは約８０ｍｏｌ％を超えるＣＯ２を煙道ガスから、なお一層好ましくは約９０ｍｏｌ％を超えるＣＯ２を煙道ガスから、最も好ましくは約９５ｍｏｌ％を超えるＣＯ２を煙道ガスから除去する。このプロセスでは、約７０ｍｏｌ％を超えるＣＯ２、好ましくは約８０ｍｏｌ％を超えるＣＯ２、なお一層好ましくは約９０ｍｏｌ％を超えるＣＯ２、最も好ましくは約９５ｍｏｌ％を超えるＣＯ２を含むような純度のＣＯ２富化ストリームが少なくとも１つ生成される。
【００８０】
この例は、３つの平行接触器ユニットで動作する、吸着ステップ、脱着ステップ、冷却ステップが連続した熱波プロセスを示すものである。当業者であれば、この例を利用し、熱波プロセスの他のいくつかの潜在的な実施形態を構成してＣＯ２を排煙から除去することができる。これらの実施形態の多くが、プロセスを構成するにあたって他の台数の接触器を用いるものである。
【００８１】
この例の３ユニット動作では、ひとつの接触器で吸着ステップ、もうひとつの接触器で脱着ステップを実施し、更に別の接触器を冷却対象とする。３ユニットプロセスの図を本明細書の図１０に示す。図１０ａは、吸着ステップで接触器９４１（ａ）に出入りするストリームを示す。図１０ｂは、脱着／再生ステップで接触器９４１（ｂ）に出入りするストリームを示す。図１０ｃは、接触器冷却ステップで接触器９４１（ｃ）に出入りするストリームを示す。接触器９４１（ａ）、９４１（ｂ）、９４１（ｃ）は実質的に類似のものである。接触器の特性は本明細書の実施例８で説明したものと同様であり、各接触器が加熱／冷却チャネル９４３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）および吸着剤チャネル９４５（ａ）、（ｂ）および（ｃ）のアレイを有する。
【００８２】
この例では、吸着剤がミクロ多孔性材料を含む。ミクロ多孔性材料は、本方法の吸着ステップの温度で、吸着剤１ｃｍ３あたり約０．２５ミリモルを超える量のＣＯ２を、約９０ｍｏｌ％のＮ２と約１０ｍｏｌ％のＣＯ２を含む大気の混合ガスから吸着するように選択される。好ましい実施形態では、吸着剤は、本方法の吸着ステップの温度で、吸着剤１ｃｍ３あたり約０．７５ミリモルを超える量のＣＯ２を、９０ｍｏｌ％のＮ２と約１０ｍｏｌ％のＣＯ２を含む大気の混合ガスから吸着するように、少なくともミクロ多孔性材料を含む。一層好ましい実施形態では、吸着剤は、本方法の吸着ステップの温度で、吸着剤１ｃｍ３あたり約１．５ミリモルを超える量のＣＯ２を、約９０ｍｏｌ％のＮ２と１０ｍｏｌ％のＣＯ２を含む大気の混合ガスから吸着するように、少なくともミクロ多孔性材料を含む。設計次第では、約２℃から約６０℃の温度範囲、好ましくは約５℃から約４５℃の温度範囲、一層好ましくは約５℃から約３５℃の範囲で、吸着ステップを実施することが可能である。
【００８３】
吸着剤の再生は煙道ガスの熱を用いて実施され、再生対象となる接触器９４３（ｂ）９４１（ｂ）に出入りするストリームの流れを図１０ｂに示す。煙道ガス９１１は、約１５０℃から約２５０℃の範囲である、煙道ガスが生成された温度で、（吸着剤チャネルとの対比で）「加熱／冷却チャネル」に流入する。再生プロセスが開始されると、接触器９４１（ｂ）の温度は約２℃から約３５℃の範囲になる。煙道ガスストリーム９１１が接触器９４１（ｂ）に流入する前に、微粒子を除去するプロセスブロック９１３にストリーム９１１を任意に送ってもよい。セラミック製キャンドルフィルタでの濾過、モノリス無機（金属またはセラミック）フィルタ、管状金属フィルタ、ポリマーフィルタまたはバッグフィルタをはじめとして、微粒子を除去するためのいくつかの異なる方法を使用することが可能である。或いは、電気集塵器を使って微粒子を除去することも可能である。煙道ガス９１１とほぼ同じ温度のストリーム９１５が任意のプロセスブロック９１３から出て、平行チャネル接触器９４１（ｂ）の加熱／冷却チャネル９４３（ｂ）に流入する。脱着ステップの開始時、接触器のミクロ多孔性吸着剤材料は吸着されたＣＯ２を含む。最も好ましい範囲にある吸着量の具体例は、ミクロ多孔性吸着剤材料１ｃｍ３あたり平均ＣＯ２吸着量１．７ミリモルである。ストリーム９１５が接触器９４１（ｂ）に流入しはじめ、ガスはストリーム９８１を形成して吸着／冷却チャネル９４３（ｂ）から出る。プロセスが開始されると、ストリーム９８１は接触器の初期温度にある。熱波が接触器の端まで移動するとストリーム９８１の温度が急唆に上昇する。熱波が接触器を通り抜けるまで脱着を終えないようにすると好ましい。吸着ステップ（図１０ａ）の完了前に熱波が接触器を通り抜けてしまったら、別の熱床９８３（ｂ）を使用して、吸着、脱着／再生および接触器冷却ステップを停止するときまで熱を吸収することが可能である。熱床９８３（ｂ）は、熱波が通過する固体粒子の充填床であってもよい。固体粒子の充填床がサーマルマスの場合は、再生プロセス開始時のその温度は吸着剤床の温度に近い。
【００８４】
吸着の前に熱フロントが接触器を破過するように再生および冷却ステップを終了すると好ましい。熱フロントが接触器を破過するようにするには、吸着剤層の質量に吸着チャネルと加熱／冷却チャネルとの間の障壁の質量を加えた合計質量を吸着剤材料の質量の約１０倍未満にする必要があり、好ましくは吸着剤材料の質量の約５倍未満、なお一層好ましくは吸着剤材料の質量の約２倍未満、最も好ましくは吸着剤材料の質量の約１．５倍未満である。
【００８５】
再生対象となる接触器９４１（ｂ）を熱波が進むにつれて、ガスストリームから水が凝縮される。凝縮が発生するのは、接触器に沿って流れる際にガスの温度が下がるからである。加熱／冷却チャネル９４３（ｂ）から出てくるガスストリーム９８１の水蒸気の濃度は、ストリーム９８１の温度での飽和気体とほぼ同じであり、再生装置に入るストリーム９１１より約１００℃を超えて低いことがある。再生対象となる接触器９４１（ｂ）を通るストリーム９１５から液体状の水が出るため、ガスが下流に流れ、液体がガスと一緒に重力の作用下で接触器の底まで流れるように接触器を整列配置しておくと好都合なことがある。凝縮水を接触器から取り除いて水ストリーム９６７を形成するには、任意の方法を用いることが可能である。任意に、ノックアウト管９９１を設けて、接触器から出る液体状の水流のミストを除去してもよい。冷却された部分脱水排煙ストリーム９６１と一緒に流れる相当量の液相水が存在しないことが好ましい。
【００８６】
この例では、接触器９４３（ｂ）の加熱／冷却チャネルを通るガスが、吸着ステップの際に吸着チャネル９４５（ａ）を通るガスと同じ方向に移動する（即ち並流的）。本明細書の図１０に示すような要素９２０および９２５は、それぞれ吸着チャネルの流入口端および流出口端を示す。この例では、Ｈ２Ｏが吸着の強い種であり、ＣＯ２が若干強く吸着され、Ｎ２とＯ２が弱く吸着されるように、ミクロ多孔性吸着剤を選択する。このような吸着順序になるミクロ多孔性材料の例として、ゼオライト４Ａ、５Ａ、１３Ｘ、ＮａＸ、ＮａＹなどのゼオライトがあげられる。ＳＯｘおよびＮＯｘなどの微量物質は極めて強く吸着され得るものである。再生装置の動作についての以下の説明は、排煙からＣＯ２の大半を除去するように設計されて動作する接触器に当てはまるものであり、排煙の主成分に的を絞って説明する。ここで説明するプロセスでは、ガスストリームからＳＯｘおよびＮＯｘの多くを捕捉する。この例で説明する原理を用いて、ＣＯ２をあまり捕捉しないプロセスでガスストリームからＳＯｘおよびＮＯｘを除去できる点に注意されたい。
【００８７】
並流熱波脱着プロセスでは、一番強く吸着されないＮ２およびＯ２種が、脱着プロセスの最初の段階でストリーム９９７を形成して接触器から出る。接触器から出てくるストリーム９９７を、早いタイミングで出るストリームと遅いタイミングで出るストリームに分けると好都合なことがある。なぜなら、異なるタイミングで出るストリームはＣＯ２およびＨ２Ｏの濃度も異なるため、好ましくは違う方法で処理できるからである。プロセスの任意の実施形態において、再生ステップの開始時に弁９３１を開き、ストリーム９９７が流れてストリーム９７１を形成できるようにする。再生の早い段階で回収されるストリーム９７１は、ＣＯ２濃度が極めて低い。本明細書の図１０に示すプロセスでは、このストリームをストリーム９６３と組み合わせ、最終的にスタックを介して排出する。時間が経過するにつれて、ストリーム９７１のＣＯ２の濃度が上昇しはじめるため、弁９３１を閉じてストリーム９７１の流れを止める。この任意の実施形態では、弁９３３も「同時に」開いてストリーム９７３の流れを開始する。これらの弁を作動させるタイミングによって、ストリーム９７３のＣＯ２純度が決まる。或いは、再生プロセスの開始時に弁９３３を開いて、ストリーム９９７が流れてストリーム９７３を形成できるようにした。ストリーム９７３は、もともと煙道ガスに含まれていたＣＯ２の大半を含む。ストリーム９７３のＣＯ２の濃度は、追加の処理をほとんどしないかまったくせずに貯留プロセスに送ることができる程度に高い。この例では、大気圧または大気圧よりもわずかに高い圧力でストリームを生成する。真空から数（３前後）気圧の範囲の圧力からストリーム９７３を生成するプロセスを設計することが可能である。ストリーム９７３を大気圧未満で生成するのはあまり望ましくない。このようにすると、ＣＯ２貯留プロセスでの圧縮コストがかさむからである。
【００８８】
ストリーム９７３を異なるタイプのＣＯ２貯留プロセスに送ることが可能である。非限定的な例として、ＣＯ２を、圧入した酸性ガス成分の大幅な損失を防ぐシール層を上部に有する帯水層、油層、ガス貯留層、枯渇油層、枯渇ガス貯留層および採掘不可能な炭層などの地盤に送ることがあげられる。地中深くにそのまま固定すること（ｄｅｅｐ  ｏｐｅｎ  ｓｔｏｒａｇｅ）もＣＯ２の廃棄方法としては可能であるが、純度の要件が一層厳しくなると予想される。一般に、これらのタイプの地盤にＣＯ２を圧入するには、約２，０００ｐｓｉを超える圧力まで圧縮する必要があり、約５，０００ｐｓｉを超える圧力まで圧縮しなければならないことも多い。ストリーム９７３のいくつかの特性によって、このストリームが貯留プロセスでの圧縮に適したものとなる。これらの特性として、その温度が煙道ガスの温度よりもかなり低く、ＣＯ２が高濃縮されているという事実があげられる。場合によっては、ストリーム９７３を貯留する前に別の処理が必要である。別の処理ステップの非限定的な例として、ストリームを一層厳密に脱水し、貯留プロセスで使用する配管およびコンプレッサの腐蝕可能性を軽減することがあげられる。再生プロセスが終わりに近づくと、ストリーム９７３のＨ２Ｏ濃度が高くなる。ＣＯ２の貯留に使用する設備の腐蝕可能性の問題を最小限に抑えるのであれば、再生プロセスの終わり頃に出てくるストリームを分離し、このストリームを別に扱うようにすると好都合なことがある。任意の実施形態では、ストリーム９７３のＨ２Ｏ濃度が所望の閾値を超えて上昇したら、弁９３３を閉じて弁９３５を開く。これによって、ストリーム９７３の流れが止まり、水の濃度が高いストリーム９７５の流れが始まる。その後、ストリーム９７５を別途脱水した上で、ストリーム９７１と合流させることが可能である。
【００８９】
再生対象となる接触器９４１（ｂ）から出る低温の部分脱水排煙ストリーム９６１を、吸着ステップを実施している接触器９４１（ａ）に送る。ストリーム９６１は、接触器の吸着チャネル９４５（ａ）経由で送られ、そこでミクロ多孔性吸着剤によってＣＯ２とＨ２Ｏが優先的に除去される。接触器９４１（ａ）については、任意に、チャネル９４５（ａ）の長さ方向にいくつかの異なるミクロ多孔性吸着剤を有するように構成しても構わない。チャネル９４５（ａ）の長さ方向に異なるミクロ多孔性吸着剤を配置する一実施形態において、Ｈ２Ｏに対する選択性が最も高い吸着剤をチャネルの最初に配置する。このようにして、ストリームの水蒸気分圧を低下させ、チャネルの端側の吸着剤をＣＯ２の除去に一層効果的に用いることができる。４Ａ、５Ａ、ＮａＸなどのカチオン濃度の高いゼオライトが、乾燥時に一層効果的に動作可能なミクロ多孔性吸着剤の例である。その理由は、カチオン濃度の高いゼオライトのＣＯ２吸着等温線が、ゼオライトの乾燥時に上昇しやすいからである（即ち、乾燥カチオンゼオライトのＣＯ２等温線は通常、湿ったゼオライトの場合よりも上にある）。水を除去するのに用いることが可能な材料としては、シリカ、アルミナ、炭素、ゼオライトがあげられる。
【００９０】
この例では、単一タイプのミクロ多孔性吸着剤が吸着剤チャネル９４５（ａ）に並んでいる。吸着プロセスの開始時、接触器９４１（ａ）の温度は、図１０（ｃ）の冷却ステップの最後に生じた温度と同じである。この温度は、大気中の周囲空気の温度よりもわずかに高い。吸着ステップが開始されると、接触器の前端９２０付近でＣＯ２とＨ２Ｏが選択的に吸着剤に取り込まれる。吸着剤の残りの部分におけるＣＯ２およびＨ２Ｏの濃度は低く、図１０（ｂ）の再生ステップ終了時とほぼ等しい。更に、接触器９４１（ａ）を出るガスストリーム９６３のＣＯ２濃度は、排煙ストリーム９１１での濃度の約５％未満である。
【００９１】
この例では、ミクロ多孔性吸着剤に、ＣＯ２よりもＨ２Ｏのほうが強く吸着されるという特性がある。この特性を持つミクロ多孔性ゼオライト吸着剤の一例にゼオライト５Ａがある。このゼオライト並びに他のミクロ多孔性吸着剤の場合、分子が吸着されると温度が上昇する。温度の上昇については、吸着される種の吸着熱、吸着量、接触器の熱伝導率、接触器のサーマルマスによって判断する。任意のストリーム９１９を接触器に流し、接触器での温度の上昇を制限してもよい。ストリーム９１９は周囲の空気から導かれ、接触器の加熱／冷却チャネル９４３（ａ）に送られる。図１０（ａ）に示す実施形態では、このストリームは吸着チャネルを流れるストリーム９６１に対して向流的に移動する。ストリーム９１９は、吸着熱によって発生する熱を取り除き、接触器を出る、この熱のほとんどを持ち去るストリーム９２１を形成する。異なる実施形態では、この任意のストリーム９１９をストリーム９６１に対して並流的に流すことが可能である。
【００９２】
吸着ステップが続くと、吸着相濃度の比較的急唆な濃度フロント（即ち、チャネルを覆っているミクロ多孔性材料の吸着質）が、接触器の長さ方向に移動する。Ｈ２Ｏの濃度フロントはＣＯ２の濃度フロントよりも吸着装置チャネルの入口に近い。時間の経過に伴って吸着装置チャネルの長さ方向に濃度フロントが移動する方法を濃度波と呼ぶ。時間の経過に伴って、これらの波またはフロントは吸着チャネルの長さ方向に進行する。これらの波が進む際、ＣＯ２フロントが接触器の端９２５に到達するまでは流出口ストリーム９６３のＣＯ２濃度は低く保たれる。この時点で、流出口ストリーム９６３のＣＯ２濃度が上昇しはじめ、吸着ステップが停止される。
【００９３】
すでに再生済みであり、冷却ステップを実施している接触器９４１（ｃ）に、低温のストリーム９６３（ＣＯ２除去済み）を誘導する。再生プロセスで生成された別の低温のガス（ストリーム９７１）も任意にストリーム９６３に加えてストリーム９９５を形成することができる。このストリーム９９５を接触器９４１（ｃ）の加熱／冷却チャネルに導入する。冷却ステップの開始時、接触器９４１（ｃ）は排煙ストリーム９１１の温度付近である。ストリーム９９５は接触器を流れ始め、冷却用の熱波が生じる。この冷却用の波は、流入口側９２０付近の接触器の温度が低く、接触器の長さ方向に存在する急唆なフロントで、温度が突然上昇するようなものである。熱波が接触器を進む際、接触器９８５を出るガスは高温のままである。再生ステップで任意のサーマルマスを使用する場合、ガスストリーム９８５をサーマルマス９８３（ｃ）にも通せばよい。プロセスにサーマルマスを使用する場合、冷却プロセスが終わる前に、熱波が接触器の端を通り抜けてサーマルマスを冷却する。この任意の実施形態では、冷却ステップの大半でサーマルマス９６５を出るガスストリームは高温のままである。高温のガスストリーム９６５は実質的にＣＯ２を含有せず、スタックから排気または噴出させることが可能である。冷却ステップは吸着ステップおよび再生ステップと同時に終了する。冷却ステップの最初から最後まで、吸着剤チャネル９４５（ｃ）からの流出はない。
【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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