(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス状供給物流から汚染物質を除去する周期的圧力吸着方法であって、
ａ）ガス状供給物流を供給物圧力で吸着剤床中に１秒を超え且つ６０秒未満の吸着時間間隔にわたって通して前記ガス状供給物流から１種類又は２種類以上の汚染物質を分離して製品流を形成するステップと、
ｂ）前記ガス状供給物流の流れを中断させるステップと、
ｃ）複数回の減圧ステップを実施するステップであって、各減圧ステップが前記吸着剤床内の圧力を減圧初期圧力から減圧最終圧力に減少させるステップと、
ｄ）パージ流を前記吸着剤床中に通して前記吸着剤床のボイド空間から炭化水素を除去するステップと、
ｅ）パージされた前記吸着剤床に１回又は２回以上のブローダウンステップを施すステップであって、各ブローダウンステップは、前記吸着剤床内の圧力をブローダウン初期圧力からブローダウン最終圧力に減少させるステップと、
ｆ）複数回の再加圧ステップを実施するステップであって、各再加圧ステップがスイング吸着容器内の圧力を再加圧初期圧力から再加圧最終圧力に増大させるステップと、
ｇ）少なくとも１回の追加のサイクルに関して前記ステップａ）ないし前記ステップｆ）を繰り返し実施するステップと、を備えている、
ことを特徴とする周期的スイング吸着方法。
【請求項２】
前記供給物流は、前記供給物流の全体積を基準として１体積パーセントを超える炭化水素を含む炭化水素含有流である、
請求項１に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項３】
前記供給物流は、炭化水素及びＣＯ2を含み、前記ＣＯ2は１ないし８０ｍｏｌ％であり、前記炭化水素は２０ないし９９ｍｏｌ％である、
請求項１又は２に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項４】
前記吸着剤床は、吸着剤粒子相互間の非掃過ボイド空間を、直径が２０オングストロームを超え且つ１ミクロン未満の細孔内において３０容積％未満に減少させるメソ細孔充填材を含む吸着性材料を含む、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項５】
前記吸着剤床は２又は３以上の吸着性材料を備え、各吸着性材料は１又は２以上の汚染物質を標的にするように構成されている、
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項６】
前記吸着剤床は、ＣＯ2に対して選択性を示す第１の吸着性材料及びＨ2Ｓに対して選択性を示す第２の吸着性材料を含む、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項７】
前記吸着時間間隔は、２秒を超え且つ５０秒未満である、
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項８】
前記パージ流は、４０ｍｏｌパーセント未満のメタンを含む、
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項９】
前記吸着剤床は、ＣＯ2とメタンの単一成分拡散係数の比が１０を超える吸着性材料を含む、
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項１０】
前記吸着剤床は、複数本のチャネルが貫通して形成された構造化接触器を含む、
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項１１】
前記供給物圧力は、３５０ｐｓｉｇを超える、
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項１２】
前記方法は、前記製品流中の所望の製品の量を前記ガス状供給物流中の所望の製品の量で除算して得られる比に基づいて前記所望の製品の９０％を超える量を回収する、
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項１３】
前記減圧ステップの各々は、前記吸着剤床中の前記供給物流の一部分を均圧化タンクに移し、次に前記再加圧ステップの１つの実施中、前記一部分の少なくとも何分の一かを前記均圧化タンクから前記吸着剤床に移すステップを含む、
請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項１４】
前記１回又は２回以上のブローダウンステップの実施後であって前記ステップａ）ないしｆ）の繰り返しに先立って、第２のパージを前記吸着剤床中に通すステップを更に含む、
請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項１５】
前記ガス状供給物流は、汚染物質しきい値を超える１種類又は２種類以上の汚染物質を含み、前記１種類又は２種類以上の汚染物質は、１ないし８０ｍｏｌパーセントＣＯ2、又は１ｍｏｌパーセント未満のＨ2Ｓ、若しくはこれらの組み合わせを含み、前記汚染物質しきい値は、１０ｐｐｍ（１００万当たりの部）未満のＨ2Ｓ、又は４ｍｏｌパーセント未満のＣＯ2若しくはこれら組み合わせを含み、前記製品流は、前記汚染物質しきい値未満の汚染物質を含む、
請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項１６】
前記パージ流は、前記パージ流の全体積を基準として８０体積％を超えるＣＯ2を含む、
請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の周期的圧力スイング吸着方法。
【請求項１７】
前記パージ流は、前記パージ流の全体積を基準として８０体積％を超えるＮ2を含む、
請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の周期的圧力スイング吸着方法。
【請求項１８】
前記パージ流は、前記パージ流の全体積を基準として８０体積％を超える所望生成物を含む、
請求項１５に記載の周期的圧力スイング吸着方法。
【請求項１９】
前記複数回のブローダウンステップを実施する前記ステップは、前記複数回のブローダウンステップの１つの実施中、前記排気物流を第１の方向に流すステップ及び前記複数回のブローダウンステップの別の１つの実施中、前記排気物流を第２の方向に流すステップを含む、
請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の周期的圧力スイング吸着方法。
【請求項２０】
前記吸着剤床は、層の状態に形成された吸着性材料を含む、
請求項１ないし１９のいずれか１項に記載の周期的圧力スイング吸着方法。
【請求項２１】
前記サイクル中の前記ステップの全てを完了させるのに要する全サイクル時間は、３０秒未満である、
請求項１ないし２０のいずれか１項に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項２２】
汚染物質しきい値は、Ｈ2Ｓが４ｐｐｍ未満である、
請求項１５に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項２３】
汚染物質しきい値は、ＣＯ2が２ｍｏｌパーセント未満である、
請求項１５に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項２４】
前記吸着剤床は、ＣＯ2とメタンの単一成分拡散係数の比が１０を超える吸着性材料を含む、
請求項１ないし２３のいずれか１項に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項２５】
前記ガス状供給物流を前記ブローダウンステップ及び減圧ステップの１つ又は２つ以上から第２のＲＣ-ＰＳＡシステムの吸着剤床中に通して前記ガス状供給物流から炭化水素を除去するステップを更に含む、
請求項１ないし２４のいずれか１項に記載の周期的スイング吸着方法。
【請求項２６】
天然ガス流からＣＯ2を除去するスイング吸着方法であって、
ａ）メタン及びＣＯ2を含む天然ガス流をＣＯ2の吸着に選択性を示す吸着性材料で構成された吸着剤床の供給物入力端部中に導入することによって前記天然ガス流に吸着ステップを施すステップであって、前記吸着剤床は前記供給物入力端部及び製品出力端部を有し、前記吸着剤床は第１の圧力及び第１の温度で稼働され、前記ＣＯ2の少なくとも一部分は吸着剤床によって吸着され、メタンが富化されると共にＣＯ2が減少したガス状製品が前記吸着剤床の前記製品出力端部から出て、前記吸着性材料は多孔質であり、前記吸着性材料は、有効量の非吸着性メソ細孔充填材を含み、前記吸着ステップは１０秒未満の期間にわたって実施されるステップと、
ｂ）前記吸着剤床への前記天然ガス流の導入を停止させ、その後前記吸着剤床の前記製品出力端部から標的種を漏出させるステップと、
ｃ）前記吸着剤床に連続して１回ないし１０回の均圧化ステップを施すステップであって、前記吸着剤床の圧力は連続した前記ステップの各々により所定量だけ減少するステップと、
ｄ）ＣＯ2が富化された高圧ガス状流を前記吸着剤床中に導いて前記吸着剤床から炭化水素を除去するステップと、
ｅ）パージ後の前記吸着剤床に複数回の連続したブローダウンステップを施すステップであって、前記吸着剤床の圧力が連続した前記ブローダウンステップの各々により所定量ずつ減少するステップと、
ｆ）前記吸着剤床に連続した１回ないし１０回の均圧化ステップを施すステップであって、前記吸着剤床の圧力が連続した前記ステップの各々により所定量ずつ増大するステップと、
ｇ）供給物を用いて前記吸着剤床を供給物圧まで再加圧するステップと、備えている、  ことを特徴とするスイング吸着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、選択的な特徴、例えばシステム構成（コンフィグレーション）、吸着性構造及び吸着性材料及び／又はサイクルステップの組み合わせにより炭化水素流から汚染物質、例えばＣＯ2及びＨ2Ｏを除去するスイング吸着方法に関する。
【０００２】
〔関連技術の説明〕
本願は、２０１１年３月１日に出願された米国特許出願第６１／４４８，１２１号（発明の名称：METHODS OF REMOVING CONTAMINANTS FROM A HYDROCARBON STREAM BY SWING ADSORPTION AND RELATED APPARATUS AND SYSTEMS）の権益主張出願であり、この米国特許出願を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。
【０００３】
本願は、２０１１年３月１日に出願された米国特許出願第６１／４４８，１１７号（発明の名称：APPARATUS AND SYSTEMS HAVING AN ENCASED ADSORBENT CONTACTOR AND SWING ADSORPTION PROCESSES RELATED THERETO）、２０１１年３月１日に出願された米国特許出願第６１／４４８，１２０号（発明の名称：APPARATUS AND SYSTEMS HAVING A RECIPROCATING VALVE HEAD ASSEMBLY AND SWING ADSORPTION PROCESSES RELATED THERETO）、２０１１年３月１日に出願された米国特許出願第６１／４４８，１２３号（発明の名称：APPARATUS AND SYSTEMS HAVING A ROTARY VALVE ASSEMBLY AND SWING ADSORPTION PROCESSES RELATED THERETO）、２０１１年３月１日に出願された米国特許出願第６１／４４８，１２５号（発明の名称：APPARATUS AND SYSTEMS HAVING COMPACT CONFIGURATION MULTIPLE SWING ADSORPTION BEDS AND METHODS RELATED THERETO）及び２０１２年２月３日に出願された米国特許出願第６１／５９４，８２４号（発明の名称：METHODS OF REMOVING CONTAMINANTS APAPRATUS AND SYSTEMS）に関し、これら米国特許出願の各々を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。
【背景技術】
【０００４】
ガス分離は、多くの業界で重要であり、このようなガス分離は、ガスの混合物を吸着性材料上に導くことによって達成でき、このような吸着性材料は、混合物の容易に吸着される度合いが低い成分に対して容易に吸着される度合いが高い成分を優先的に吸着する。多くの重要な形式のガス分離技術の１つは、スイング吸着、例えば圧力スイング吸着（ＰＳＡ）である。ＰＳＡ法は、圧力下において、ガスが微孔質吸着性材料の細孔構造内又はポリマー材料の自由体積内に吸着される傾向があるという事実を利用している。圧力が高ければ高いほど、吸着される標的ガス成分の量がそれだけ一層多くなる。圧力を減少させると、吸着状態の標的成分が放出され又は脱着される。ＰＳＡ法を用いると、ガス混合物中のガスを分離することができる。と言うのは、互いに異なるガスは、吸着剤のミクロ（微）細孔又は自由体積を互いに異なる程度に満たす傾向があるからである。ガス混合物、例えば天然ガスを圧力下で例えばメタンよりも二酸化炭素に対してより選択性を示すポリマー又は微孔質吸着剤を収容した容器中に通した場合、二酸化炭素の少なくとも何分の一かが吸着剤によって選択的に吸着され、容器を出るガスは、メタンが富化される。吸着剤床が二酸化炭素を吸着するのにその能力の終わりに達すると、吸着剤床は、圧力を減少させることによって再生され、それにより吸着状態の二酸化炭素が放出される。吸着剤床は、次に、代表的にはパージされて再加圧され、すると新たな吸着サイクルのための準備ができている。
【０００５】
当該技術分野においては新吸着性材料、新規且つ改良型平行チャネル接触器及び改良型迅速サイクルＰＳＡ（ＲＣ‐ＰＳＡ）機器に関する種々の教示が存在するが、今日に至るまで、これらのうちで、供給ガスが高い圧力状態にあるときにメタンの良好な回収を行うという課題に対して実行可能な解決手段を提供しているものはない。これは、天然ガスが高い圧力（３０〜７００バール）で産出される場合が多く、市場への輸送前に追加の圧縮を回避するよう分離システムを高圧で作動させることが望ましいので、重要な課題である。ＰＳＡ法を高圧に、特に多量のＣＯ2を含む流れに関して高い圧力に拡張する際の一問題は、吸着ステップの終わりに、フローチャネル及びボイド空間内に相当な量の製品ガスが存在する場合があるということにある。これにより、所望の製品の回収が劣ると共に低純度製品流が生じる場合がある。
【０００６】
高圧状態での分離プロセスにおいて高い回収率及び高い純度を達成することは、天然ガス処理作業において特に有益である。多くの天然ガス産地は、相当高いレベルのＣＯ2並びにガスを市場に輸送することができる前に種々の程度まで除去されなければならない他の汚染物質、例えばＨ2Ｓ、Ｎ2、ＣＯ2、メルカプタン及び／又は重炭化水素を含む。酸性ガス（例えば、Ｈ2Ｓ及びＣＯ2）の可能な限り多くを天然ガスから除去することが好ましく、用途によっては、安全上又は作動上の仕様を満たすためにｐｐｍ（１００万当たりの部）レベルの汚染物質を含む高純度製品ガスを必要とする用途がある。全ての天然ガス分離手段において、メタンは、貴重な成分であり、スイング吸着法において軽い成分として働く。この軽い成分の回収率の僅かな増大は結果としてプロセス経済性の著しい向上を生じさせると共に望ましくない資源の損失を阻止するのに役立ち得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
天然ガスからの酸性ガスの除去のための従来の商業的やり方は、特に酸性ガス濃度が３０％を超える場合に高い回収率及び高い純度を達成する上で制約がある。と言うのは、これらプロセスは、冷凍の形態の相当多くのエネルギー入力を必要とし、しかもかなり大きな機器を必要とする場合が多いからである。例えば、天然ガス流から最高２０ｍｏｌパーセント（ｍｏｌ％）から３０ｍｏｌ％の酸性ガスを除去するための従来方法は、物理的及び化学的溶剤を必要とする。これらプロセスは、溶剤の取り扱い及び在庫としての貯蔵並びに溶剤を回収するための相当多くのエネルギー消費量を必要とする。高い酸性ガス濃度の場合、用途によっては、Ｓｅｌｅｘｏｌ物理的溶剤系のような技術と組み合わされたバルク分留を用いており、このようなＳｅｌｅｘｏｌ物理的溶剤系は、冷凍を必要とし、その結果、重炭化水素が酸性ガス流に大幅に失われる場合がある。
【０００８】
一般に、単純なＰＳＡサイクルは、サイクル時間が長いので吸着のキネティクスを利用することができず、従来型ＰＳＡシステムの使用の結果として、典型的には、酸性ガス流と共にメタンの相当多くの損失が生じる。従来型ＰＳＡシステムのサイズ及びコストが大きい上に製品回収率が比較的低いので、大規模天然ガス処理用途ではこのような従来型ＰＳＡシステムの使用が禁じられる。種々の技術的思想がＰＳＡシステムの性能を向上させるために提案されたが、天然ガス処理に必要な製品純度及び回収率を提供する分離を高圧で可能にしたものはなかった。したがって、当該技術分野においては、高圧状態で供給物流、例えば天然ガス流から汚染物質を除去し、高い製品純度及び高い製品回収率が得られるようにする改良型プロセスが要望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、炭化水素流、例えば天然ガス流から汚染物質、例えばＣＯ2を除去するスイング吸着方法であって、この方法が、ａ）メタン及びＣＯ2を含む天然ガス流をＣＯ2の吸着に選択性を示す吸着性材料で構成された吸着剤床の供給物入力端部中に導入することによって天然ガス流に吸着ステップを施すステップを含み、吸着剤床は、供給物入力端部及び製品出力端部を有し、吸着剤床は、第１の圧力及び第１の温度で稼働され、ＣＯ2の少なくとも一部分は、吸着剤床によって吸着され、メタンが富化されると共にＣＯ2が減少したガス状製品が吸着剤床の製品出力端部から出、吸着性材料は、多孔質であり、吸着性材料は、有効量の非吸着性メソ細孔充填材を含み、吸着ステップは、１０秒未満の期間にわたって実施され、ｂ）吸着剤床への天然ガス流の導入を停止させ、その後吸着剤床の製品出力端部から標的種を漏出させるステップを含み、ｃ）吸着剤床に連続して１〜１０回の均圧化ステップを施すステップを含み、吸着剤床の圧力は、連続したステップの各々により所定量だけ減少し、ｄ）ＣＯ2が富化された高圧ガス状流を吸着剤床中に導いて吸着剤床から炭化水素を除去するステップを含み、ｅ）パージ後の吸着剤床に多数回の連続したブローダウンステップを施すステップを含み、吸着剤床の圧力は、連続したブローダウンステップの各々により所定量ずつ減少し、ｆ）吸着剤床に連続した１〜１０回の均圧化ステップを施すステップを含み、吸着剤床の圧力は、連続したステップの各々により所定量ずつ増大し、ｇ）供給物を用いて吸着剤床を供給物圧まで再加圧するステップを含むことを特徴とするスイング吸着方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明で用いることができる平行チャネル吸着剤接触器の一実施形態の略図であり、この接触器が微孔質吸着剤から直接形成され、複数本の互いに平行なガスチャネルを含むモノリスの形態をしている状態を示す図である。
【図２】図１の接触器の長手方向軸線に沿う断面図である。
【図３】図２のモノリスの断面図の拡大部分図であり、メソ細孔及びマクロ細孔の幾つかを占有している遮断剤と共に吸着剤層の詳細な構造を示す図である。
【図４】図１の接触器の断面の僅かな領域の拡大図であり、吸着剤層状チャネル壁を示す図である。
【図５】本発明において使用可能な螺旋巻き吸着剤接触器の図である。
【図６】中空管の束で構成される本発明の吸着剤接触器の別の形態の図である。
【図７】本発明の例示の実施形態の流れ方式を示す図であり、一吸着剤床に関するブローダウンシーケンスを示す図である。
【図８】高い製品純度及び高い製品回収率を達成することができる再蒸留（リラン）ＲＣ‐ＰＳＡシステムの例示の実施形態のプロセス流れ図である。
【図９】高い製品純度及び高い製品回収率を達成することができる例示の真空ＲＣ‐ＰＳＡシステムのプロセス流れ図である。
【図１０】本発明の実施形態の吸着剤床の圧力状態を示すグラフ図であり、２圧力均圧化吸着サイクルを完了させるために１４個の吸着剤床組立体が用いられている状態を示す図である。
【図１１Ａ】２圧力均圧化ＲＣ‐ＰＳＡサイクルにおいて１４個の吸着剤床組立体に関するステップの構成を示すグラフ図である。
【図１１Ｂ】２圧力均圧化ＲＣ‐ＰＳＡサイクルにおいて１４個の吸着剤床組立体に関するステップの構成を示すグラフ図である。
【図１２Ａ】３圧力均圧化ＲＣ‐ＰＳＡサイクルにおける１６個の吸着剤床組立体に関するステップの構成を示すグラフ図である。
【図１２Ｂ】３圧力均圧化ＲＣ‐ＰＳＡサイクルにおける１６個の吸着剤床組立体に関するステップの構成を示すグラフ図である。
【図１３Ａ】吸着剤構造及び床の略図である。
【図１３Ｂ】吸着剤構造及び床の略図である。
【図１４Ａ】図８に記載されたＲＣ‐ＰＳＡサイクルのための例示のサイクルの圧力と時間の関係を示すグラフ図である。
【図１４Ｂ】図８に記載されたＲＣ‐ＰＳＡサイクルのための例示のサイクルの圧力と時間の関係を示すグラフ図である。
【図１５Ａ】図８の基本ＲＣ‐ＰＳＡシステムに関する例示のサイクルスケジュールを示す図である。
【図１５Ｂ】図８の基本ＲＣ‐ＰＳＡシステムに関する例示のサイクルスケジュールを示す図である。
【図１６】図８の再蒸留ＲＣ‐ＰＳＡシステムに関する例示のサイクルスケジュールを示す図である。
【図１７】均圧化タンクを利用した基本ＲＣ‐ＰＳＡシステムに関する例示のサイクルスケジュールを示す図である。
【図１８】均圧化タンクを利用した再蒸留ＲＣ‐ＰＳＡシステムに関する例示のサイクルスケジュールを示す図である。
【図１９】図９に記載された例示の真空ＲＣ‐ＰＳＡサイクルに関する圧力と時間の関係を示すグラフ図である。
【図２０】図９に記載された真空ＲＣ‐ＰＳＡシステムに関する例示のサイクルスケジュールを示す図である。
【図２１】スイング吸着システムで構成された例示の炭化水素処理装置の側面図であり、１４個の吸着剤床組立体が中央弁及び流れ分配組立体の周りに等間隔を置いて設けられた７つの床が２つの高さ位置で配置されている状態を示す図である。
【図２２】スイング吸着システムで構成された例示の炭化水素処理装置の側面図であり、１４個の吸着剤床組立体が中央弁及び流れ分配組立体の周りに等間隔を置いて設けられた７つの床が２つの高さ位置で配置されている状態を示す図である。
【図２３】スイング吸着システムで構成された別の例示の炭化水素処理装置の立体図であり、７つの吸着剤床組立体が２つの列をなして配置されている状態を示す図である。
【図２４Ａ】図２３の例示の炭化水素処理装置の個々の吸着剤床組立体の平面図である。
【図２４Ｂ】図２３の例示の炭化水素処理装置の個々の吸着剤床組立体の側面図である。
【図２４Ｃ】図２３の例示の炭化水素処理装置の個々の吸着剤床組立体の底面図である。
【図２５】図２３の例示の高さの処理装置のためのスキッドベースに取り付けられた個々の吸着剤床支持構造体の立体図である。
【図２６Ａ】図２３の例示の炭化水素処理装置のための相互連結管路及び床支持構造体を備えた１対の個々の吸着剤床組立体の平面図である。
【図２６Ｂ】図２３の例示の炭化水素処理装置のための相互連結管路及び床支持構造体を備えた１対の個々の吸着剤床組立体の側面図である。
【図２６Ｃ】図２３の例示の炭化水素処理装置のための相互連結管路及び床支持構造体を備えた１対の個々の吸着剤床組立体の底面図である。
【図２７】図２３の例示の炭化水素処理装置の７つの相互に連結された吸着剤床のための弁及び管路網の立体図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書における詳細な説明及び特許請求の範囲の記載にある全ての数値は、指示された値が「約」又は「ほぼ」で修飾されており、当業者によって見込まれる実験誤差及びばらつきを考慮に入れている。さらに、ガス組成は、別段の指定がなければモル百分率で表されている。
【００１２】
別段の説明がなければ、本明細書で用いられる全ての技術用語及び科学用語は、本発明の開示と関連した当業者によって一般に理解されるのと同一の意味を有する。原文明細書において単数を表す単語“ａ”、“ａｎ”、“ｔｈｅ”は、文脈上明示の別段の指示がなければ、複数を含む。同様に、単語“ｏｒ”は、文脈上明示の別段の指定がなければ、“ａｎｄ”を含むものである。単語“includes”は、“comprises”を意味している。別段の指定がなければ、本明細書において言及する全ての特許文献及び非特許文献を参照により引用し、これらの記載内容全体を本明細書の一部とする。用語又は語句の意味に関して相反する場合、用語の説明を含む明細書では、これらは対照されるであろう。方向を表す用語、例えば「上側」、「下側」、「頂部」、「底部」、「前」、「後」、「垂直」及び「水平」は、本明細書においては、種々の要素相互間の関係を表すと共に明らかにするために用いられている。理解されるべきこととして、このような用語は絶対の向きを示しているわけではない（例えば、垂直のコンポーネントは、装置を回転させることにより水平になることができる）。本明細書において記載する材料（物質）、方法及び実施例は、例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。
【００１３】
本発明は、迅速サイクルスイング吸着法、例えば迅速サイクル圧力吸着（ＲＣ‐ＰＳＡ）を用いたガス流、好ましくは天然ガス流からの汚染物質の除去に関する。高い製品回収率及び／又は高い製品純度が得られる高圧での分離は、吸着性材料の賢明な選択、気‐固接触器、システム構成及びシステムの設計の組み合わせによって提供される。例えば、パージステップ及び段階的ブローダウンステップ並びに吸着性材料中のメソ細孔充填材の混入を含むサイクル設計は、製品（例えば、メタン）回収率を大幅に向上させる。天然ガス流から酸性ガス（例えば、ＣＯ2及びＨ2Ｓ）を除去する従来型圧力スイング吸着技術と比較した場合、例えば、本発明の或る特定の実施形態の利点としては、酸性ガス流中への炭化水素損失分が少なくなること、全体的電力消費量が少なくなること及びフットプリント及び機器重量が減少することが挙げられる。本明細書において説明する特徴の他の組み合わせでは、高圧天然ガスから高純度製品流を生じさせる一方で炭化水素の９９％超を回収するＲＣ‐ＰＳＡシステムが提供される。例えば、ＲＣ‐ＰＳＡシステムの一実施形態では、１０ｐｐｍ未満のＨ2Ｓを含む製品を１モルパーセント未満のＨ2Ｓを含む天然ガス供給物流から得ることができる。
【００１４】
技術分野における他の用途としては、米国特許出願第６１／４４７，８０６号、同第６１／４４７，８１２号、同第６１／４４７，８２４号、同第６１／４４７，８４８号、同第６１／４４７，８６９号、同第６１／４４７，８３５号及び同第６１／４４７，８７７号が挙げられ、これら米国特許出願の各々を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。
【００１５】
高い回収率が得られるよう、供給物流、例えばメタン流から高圧状態で汚染物質を除去することができるということは、天然ガス処理において有益である。一例として、ガス田は、メタンを含むと共に更に、相当高いレベルのＣＯ2並びにガスを市場に輸送することができる前に種々の程度まで除去されなければならない他の汚染物質、例えばＨ2Ｓ、Ｎ2、ＣＯ2、メルカプタン及び／又は重炭化水素を含む。天然ガスは、高い圧力（３０〜７００バール絶対値（ｂａｒ‐ａ））で生産される場合が多い。市場への輸送前に追加の圧縮を回避するために分離装置を高圧で作動させることが好ましい場合がある。即ち、このような処理は、これが追加の圧縮を必要としないので、エネルギー効率が良いと言える。
【００１６】
加うるに、高圧での処理は、吸着剤の作業能力を高めると共に機器のサイズを最小限にする。天然ガス分離では、メタンは、貴重な成分であり、スイング吸着法において軽い成分として働く。この軽い成分の回収率の僅かな増大は結果としてプロセス経済性の著しい向上を生じさせると共に望ましくない資源の損失（例えば、メタン又は他の標的製品の損失）を阻止するのに役立ち得る。汚染物質除去プロセスにおいてメタンの９０％超、好ましくは９５％超、９７％超又は９９％超を回収することが望ましい。回収率は、製品流中の所望の又は標的ガスのモルの数を供給物流中の同一の所望の又は標的ガスのモルの数で除算して得られる比として定義される。
【００１７】
従来型ＰＳＡ方法は、依然としてメタンの高い回収率（例えば、９０％超、９５％超又は９７％超）を提供するが高圧（約３０ｂａｒ‐ａ以上）ガスを処理することができない。典型的には、メタンは、２つのしくみによりこれらプロセス中において酸性ガスと共に失われる。第１に、供給物流からのメタンは、吸着ステップ後に吸着剤ペレット及び／又は粒子相互間のボイド空間内に（例えば、接触器の細孔内に）留まる。ボイド容積部は、従来型ＰＳＡプロセスが典型的には、数十分又は数時間のオーダーの長いサイクル時間で稼働されるので従来型ＰＳＡプロセスでは極めて重要であると言え、したがって、吸着剤及び機器体積は、大きい。小型の従来型迅速サイクルＰＳＡプロセスの場合であっても、ボイド空間は、適切には管理されず、このようなボイド空間は、依然として、システムの全体的体積の大部分を占める場合がある。第２に、メタンは、選択度が比較的低い材料が従来型ＰＳＡシステムで用いられているので吸着性材料上に吸着され、スイング能力は、吸着性材料に出入りするメタン分子に対するＣＯ2の有効比が約５〜１０であるようなものである。これら仕組みの両方により、相当量のメタンが吸着ステップ後にＰＳＡシステム内に留まる場合があり、そしてサイクルの再生ステップの際に酸性ガスと共に失われる。従来型ＰＳＡシステムは、低いメタン回収率に鑑みて、天然ガスからの大規模酸性ガス除去のためには広く用いられているわけではない。
【００１８】
高い回収率に加えて、天然ガス処理用途の中には、高圧での高純度製品流を生じさせる必要とする用途がある。最終的に家庭用及び商業用燃料市場に販売可能なガスを生産するためには、汚染物質、例えばＮ2、Ｈｇ、メルカプタン及び酸性ガス（例えば、ＣＯ2及びＨ2Ｓ）は、許容可能なレベルまで除去されなければならない。最も一般的には、Ｈ2Ｓは、健康及び安全上の懸念により販売のために提供される製品中において低レベルまで除去されなければならず、Ｈ2Ｓの製品濃度は、１６ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、４ｐｐｍ未満又はそれどころか１ｐｐｍ未満である。可燃性及びバーナに関する要件を満たすためのパイプライン販売に関し、製品中のＮ2及びＣＯ2は、５ｍｏｌ％未満、２ｍｏｌ％未満又は好ましくは１．５ｍｏｌ％未満であることが好ましいと言える。さらに、浄化製品を液化天然ガス（ＬＮＧ）に変換する場合、ＣＯ2は、固体ＣＯ2による極低温熱交換器のファウリングを阻止するために１００ｐｐｍ未満７５ｐｐｍ未満又は好ましくは５０ｐｐｍ未満であることが好ましいと言える。製品純度は、製品流中の所望のガスのモルの数を製品流中のガスのモルの総数で除算して得られる比として定義される。
【００１９】
従来型ＰＳＡプロセスは、高い回収率を達成したとしても高圧供給物流、例えば天然ガスから汚染物質、例えばＨ2Ｓをｐｐｍレベルまで減少させることはできない。例えば、キキニデス等（Kikkinides, et al.）は、１０００ｐｐｍＨ2Ｓ及び５％ＣＯ2を含む約３０ｂａｒ‐ａの天然ガスを浄化して１ｐｐｍＨ2Ｓ及び３％ＣＯ2を含む製品流を生じさせる一方で９５％を超える回収率を達成したＰＳＡプロセスをシミュレートすることができた。これについては、イー・エス・キキニデス（E. S. Kikkinides），ブイ・アイ・シカヴィサス（V. I. Sikavitsas），アール・ティー・ヤン（R. T. Yang），「ナチュラル・ガス・デスルフライゼーション・バイ・アブソープション：フィージビリティ・アンド・マルチプリシティ・オブ・サイクリック・ステディ・ステーツ（Natural Gas Desulfurization by Adsorption:  Feasibility and Multiplicity of Cyclic Steady States）」，インダストリアル・アンド・エンジニアリング・ケミストリー・リサーチ（Ind. Eng. Chem. Res.），１９９５年，３４（１），ｐ．２５５‐２６２を参照されたい。約０．１ｂａｒ‐ａの圧力状態での真空再生は、製品中のＨ2Ｓの低いレベルを得ることが必要とされた。約８ｂａｒ‐ａ以下の圧力状態で天然ガスから窒素を除去するよう設計されたシステムにおいて低レベルへのＣＯ2及びＨ2Ｓの除去を可能にするための別の従来型ＰＳＡシステムが商業的に実証された。これについては、ギルド・アソシエーツ（Guild Associates）からの製品小冊子、即ち、http://www.moleculargate.com/landfill-gas-purification/MolecularGate Introduction.pdfを参照されたい。真空再生も又必要とされ、９３％のメタン回収率が報告されている。これらプロセスの両方は、高い回収率及び高い純度を実証したが、大抵の大規模天然ガス処理施設に必要な高い圧力では性能を維持することができない。製品回収率と製品純度は両方共、従来型プロセスを高圧供給物流について稼働させた場合に減少する。加うるに、これら従来型ＰＳＡプロセスを迅速サイクルで稼働させることができず、かくしてＰＳＡシステムの生産性が著しく制限され、その結果、大型且つ高価な分離機器が必要になる。多くの要因は、従来型ＰＳＡプロセスではサイクル時間を減少させる能力を制限し、その結果、達成可能な製品回収率及び純度が制限される。例えば、迅速サイクルプロセスにおいて吸着剤床又は接触器を通る供給ガスの速度が高いことは、キキニデス等において上述されているように従来型ＰＳＡプロセスの性能に悪影響を及ぼし、この場合、製品中のＨ2Ｓ濃度は、ガス速度が２５％増しになると、１００倍になる。
【００２０】
本発明は、高圧供給物流、例えば天然ガスのためのＰＳＡプロセスを可能にし、このようなＰＳＡプロセスは、Ａ）サイクルステップ（例えば、吸着サイクルステップ、タイミング及び圧力レベル）、Ｂ）吸着剤構造及び材料、Ｃ）吸着形態に関連付けられた種々の特徴の組み合わせを用いて高い製品回収率及び／又は高い製品純度をもたらす。本明細書において説明する特徴のユニークな組み合わせの結果として、従来ＰＳＡプロセスでは達成できなかった性能が得られ、その結果、本発明を大規模な状態で高圧天然ガスの経済的な処理を行うために利用できる。先ず最初に、サイクルステップは、特徴Ａとして上述した吸着サイクルステップ、タイミング及び圧力レベルの１つ又は２つ以上を含むのが良い。これらサイクルステップは、Ａ１）迅速サイクル時間、Ａ２）排出物によるパージ（回収パージと呼ばれる）、Ａ３）製品によるパージ、Ａ４）真空再生、Ａ５）適正なパージ圧力の選択、Ａ６）多数回のブローダウンステップを含むのが良い。ＰＳＡシステムを従来型ＰＳＡシステムの場合のように数十分又は数時間ではなく、数秒のオーダーのサイクル時間で稼働させることによって、吸着剤の量及び全体的システムサイズを著しく減少させることができる。即ち、迅速サイクルＰＳＡシステムの重量、コスト及びフットプリントは、従来型ＰＳＡプロセスよりも著しく小さい。加うるに、ＲＣ‐ＰＳＡシステムの吸着剤及び容器の体積が小さいことにより、回収率及び／又は製品純度を向上させる種々のパージを実施することができる。例えば、１つの吸着剤床の減圧からの汚染物質に富んだ排出物の一部分を用いて別の吸着剤床をパージすることができ、吸着剤粒子相互間のボイド空間内に取り込まれたメタン又は吸着剤接触器のチャネル中に残っているメタンを押し退けることができる。この回収パージステップ中に押し退けられたメタンを再循環させて捕捉することができ、それによりＲＣ‐ＰＳＡシステムのメタン回収率が増大する。高い製品純度を得るためには、製品ガスの一部分を用いて吸着剤床をパージするのが良く、このような製品ガスの一部分は、吸着剤床を汚染物質（例えば、Ｈ2Ｓ）の低い分圧にさらし、吸着剤床からのＨ2Ｓの一層の脱着を可能にする。その結果、次の吸着ステップ中、高純度のメタンを作ることができる。
【００２１】
変形例として、吸着剤床中のＨ2Ｓの分圧を減少させるには、ユニットを再生ステップ中、真空にさらして吸着剤床からＨ2Ｓを一段と脱着させるのが良い。この場合も又、次の吸着ステップの際に高純度メタンを生じさせることができる。吸着サイクル中の任意形式のパージステップに関し、圧力レベルは、パージステップの所望の結果を維持しながら必要とされるガス流量を圧縮要件と共に減少させるよう選択されるべきである。最後に、汚染物質を脱着させるための吸着剤床の減圧は、必要な段の数及び関連の電力消費量を減少させるために関連の圧縮要件の入口圧力に対応するよう選択された圧力レベルで多数回のブローダウンステップを用いて実施されるのが良い。
【００２２】
さらに、サイクル中の種々のステップは、ステップをいったん完了すると、初期圧力及び最終圧力を必要とする場合がある。例えば、供給物流は、供給物圧力で提供されるのが良く、他方、減圧ステップは、吸着剤床内の圧力を減圧初期圧力から減圧最終圧力に減少させることができる。同様に、ブローダウンステップも又各々、吸着剤床内の圧力をブローダウン初期圧力からブローダウン最終圧力に減少させることができる。吸着剤床を再加圧するため、再加圧ステップは、スイング吸着容器内の圧力を再加圧初期圧力から再加圧最終圧力に増大させることができる。
【００２３】
追加の特徴として、特徴Ｂとして上述した吸着剤構造及び材料が挙げられる。これら吸着剤構造及び材料特徴は、Ｂ１）吸着性材料の選択、Ｂ２）構造化吸着剤接触器、Ｂ３）接触器内における吸着性材料の配置、Ｂ４）接触器内のマクロ細孔及びメソ細孔を減少させるためのメソ細孔充填材の利用を含む。吸着性材料は、標的製品と比較して除去されるべき１つ又は複数の成分に対して高い選択性を示すべきである。さらに、迅速サイクルプロセスにより、メタンである場合がある標的製品に対して汚染物質に関する拡散速度の差を利用することによって選択性を高めるキネティック分離を可能にする。その結果、標的製品（例えば、天然ガス供給物流に関してメタン）のほんの僅かな部分しか吸収されて汚染物質（例えば、天然ガス供給物流に関して酸性ガス）と共に失われないので、高い回収率を達成することができる。Ｈ2Ｓ除去に関し、Ｈ2Ｓについて選択性を示す材料は、ＣＯ2吸着とメタン吸着の両方を減少させるよう選択される。ＲＣ‐ＰＳＡプロセスでは、吸着剤床内のガス速度も又、高い体積流量及び短いステップ持続時間に起因して極めて高い場合がある。したがって、吸着性材料で内張りされた複数本の実質的に平行なチャネルを備えた構造化吸着剤接触器が圧力降下を最小限に抑えるよう利用される。
【００２４】
さらに、吸着剤接触器内の吸着性材料の構成も又有益である。例えば、Ｈ2Ｓを除去するための選択性を示す吸着性材料を収容した第１の区分及びＣＯ2を除去するための選択性を示す吸着性材料を収容した第２の区分を備えた接触器（例えば、複合吸着剤床）を提供することによって両方を低レベルまで除去することができる。複合吸着剤床の再生中、第２の区分から脱着されたＣＯ2は、第１の区分を通って流れ、吸着状態のＨ2Ｓの実質的に全てを含む場合のある吸着剤床の第１の区分からＨ2Ｓを除去するパージとなる。その結果、メタン製品をＲＣ‐ＰＳＡシステムから次の吸着ステップで４ｐｐｍ又は１０ｐｐｍ未満のＨ2Ｓ及び１．５％未満のＣＯ2を含んだ状態で提供することができる。
【００２５】
さらに、吸着剤粒子中への拡散及びこれからの拡散を可能にするが、システム全体中のボイド空間の容積を実質的に減少させる種々の形式の材料を使用して構造化吸着剤接触器内の吸着剤粒子相互間のボイド空間を充填することができる。メソ細孔充填材の使用の結果として、吸着ステップ後に接触器の吸着剤層中に捕捉状態のままのメタンは少なく、したがって、酸性ガスと共に失われるメタンが少なく、その結果、高い全体的メタン回収率が得られる。
【００２６】
さらに追加の特徴としては、特徴をＣとして上述した吸着システム構成の構成上の特徴が挙げられる。これら特徴としては、Ｃ１）直列ＲＣ‐ＰＳＡ配列及びＣ２）各均圧化ステップのための専用均圧化タンクの１つ又は２つ以上が挙げられる。上述の或る特定の特徴に加えて又はこれらの別法として、多数のＲＣ‐ＰＳＡシステムを直列に利用して回収率を高めることができる。第１のＲＣ‐ＰＳＡシステムは、供給物流（例えば、天然ガス）を処理して高純度製品を生じさせ、第１のＲＣ‐ＰＳＡシステムからの排出物を第２のＲＣ‐ＰＳＡシステムに差し向け、この第２のＲＣ‐ＰＳＡシステムは、酸性ガス流から製品を除去し、その結果、酸性ガス流への製品の損失が減少し、全体的製品回収率が向上するようになる。さらに、追加の改良策としては、ＲＣ‐ＰＳＡシステムへの均圧化タンクの使用が挙げられる。例えば、ＲＣ‐ＰＳＡシステム中の各吸着剤床は、プロセスの再生をより効率的に管理するよう各均圧化ステップに関して均圧化タンクを有するのが良い。即ち、均圧化タンクを利用すると、サイクル中における吸着剤床の減圧及び再加圧と関連した時間を短縮することができる。その結果、サイクル時間を短縮することができ、それによりＲＣ‐ＰＳＡシステムの生産性が向上すると共に小型化が図られる。
【００２７】
上述した特徴を互いに異なる形態で組み合わせることができ、それにより高圧分離のためのＲＣ‐ＰＳＡシステムの性能が向上する。例えば、特徴、例えば迅速サイクル時間、排出物によるパージ、吸着性材料の選択、構造化吸着剤接触器及び接触器内のマクロ細孔及びメソ細孔を減少させるメソ細孔充填材の利用の組み合わせによって高い回収率を発揮するＰＳＡシステムを達成することができる。性能を一段と向上させるには、例えば適正なパージ圧力の選択、多数回のブローダウンステップ及び均圧化タンクを追加するのが良い。別の例として、特徴、例えば迅速サイクル時間、製品によるパージ、真空再生、吸着性材料の選択、構造化吸着剤接触器及び接触器内における吸着性材料の配置を組み合わせることによって高純度ＰＳＡシステムを設計することができる。性能を一段と向上させるには、特徴、例えば多数回のブローダウンステップ及び均圧化タンクを追加するのが良い。別の例として、特徴、例えば迅速サイクル時間、排気物によるパージ、製品によるパージ、吸着性材料の選択、構造化吸着剤接触器、接触器内における吸着性材料の配置及び接触器内のマクロ細孔及びメソ細孔を減少させるためのメソ細孔充填材の利用を組み合わせることによって高回収率と高純度の両方を達成することができる。性能を一段と向上させるには、要因、例えば多数回のブローダウンステップ及び／又は直列ＲＣ‐ＰＳＡ配列及び／又は各均圧化ステップのための専用均圧化タンクを追加するのが良い。別の例として、要因、例えば迅速サイクル時間、排出物によるパージ、真空再生、吸着性材料の選択、構造化吸着剤接触器、接触器内における吸着性材料の配置及び接触器内のマクロ細孔及びメソ細孔を減少させるためのメソ細孔充填材の利用を組み合わせることによって高回収率と高純度の両方を達成することができる。性能を一段と向上させるには、要因、例えば多数回のブローダウンステップ及び／又は直列ＲＣ‐ＰＳＡ配列及び／又は各均圧化ステップのための専用均圧化タンクを追加するのが良い。
【００２８】
特定の特徴のこれ以上の詳細が図及び以下の段落に提供されている。
【００２９】
具体的に説明すると、サイクルステップ特徴部に関するそれ以上の詳細が図１〜図６及び関連の段落に提供されている。本発明のスイング吸着方法は、特徴Ａ１として上述したように迅速サイクル時間又はモードで実施する上で好ましい。従来型圧力スイング吸着システムは、稼働に費用が高くつくと共に天然ガス流から十分な量のＣＯ2を除去することができるようにするのに大きなフットプリントを必要とする。また、従来型圧力スイング吸着ユニットは、１分を超える、典型的には２分〜４分を超えるサイクル時間を有する。これとは対照的に、ＲＣ‐ＰＳＡシステムの全サイクル時間は、代表的には、９０秒未満、好ましくは３０秒未満、２０秒未満、より好ましくは１５秒未満、更により好ましくは１０秒未満である。ＲＣ‐ＰＳＡ技術の一利点は、吸着性材料が著しく効率的に使用されるということにある。ＲＣ‐ＰＳＡ技術で必要な吸着剤の量は、同じ分離性能を達成するために従来型ＰＳＡ技術に必要な吸着剤の量のほんの何分の一であるに過ぎないと言える。その結果、フットプリント、設備投資及びＲＣ‐ＰＳＡに必要な活性吸着剤の量は、同等の量のガスを処理する従来型ＰＳＡシステムに関するこれらよりも著しく低いことが通例である。例えばサイクルに関して３秒の吸着時間間隔のＲＣ‐ＰＳＡユニットは、サイクルに関して１分の吸着時間間隔の従来型ＰＳＡのために用いられる吸着剤の５重量％を利用するに過ぎない。米国特許第５６，４０６，５２３号明細書、同第６，４５１，０９５号明細書、同第６，４８８，７４７号明細書、同第６，５３３，８４６号明細書及び同第６，５６５，６３５号明細書は、ＲＣ‐ＰＳＡ技術の種々の観点を記載している。
【００３０】
ＲＣ‐ＰＳＡ技術と関連した機器の量が少ないと、稼働の融通性の実現が容易になり、これは、プロセスを一段と促進するために利用できる。例えば、ＲＣ‐ＰＳＡシステムにパージステップを利用すると、システムの性能を向上させることができる。パージステップは、ＲＣ‐ＰＳＡシステムのためのメタン回収率を向上させるよう特徴Ａ２として上述した排出ガスを使用するステップを含むのが良い。回収パージと呼ばれるこのステップでは、低濃度の製品ガスを含むガス状流がサイクルの吸着ステップと均圧化ステップの両方の実施後に吸着剤床をパージするために使用されるのが良い。この汚染物質富化パージ流は、メタンをフローチャネル並びに吸着剤粒子及び／又は接触器構造体相互間のボイド空間から掃過（スイープ）し、その結果、メタンを他のプロセスに再循環させ又は捕捉することができ、それにより排気物流への製品ガスの損失が減少する。このパージステップは、製品ガスの回収率を実質的に増大させる。
【００３１】
さらに、パージの圧力も又最適化することができ、これは、特徴Ａ５として上述されており、その結果、圧力は、チャネルを効果的に掃過するためのパージ供給物の流量を減少させるほど低いが、パージ流中への吸着剤床からの汚染物質の脱着を阻止するほど高い。回収パージに好ましい源は、ブローダウンステップからの排出物の一部分を抽出することであり、次に、これをパージステップに必要な圧力まで圧縮する。パージの別の源、例えばＮ2又は他のプロセスユニットから利用できる実質的にメタンのない他のガスも又想定できる。例示のパージ圧力は、５０ｂａｒ‐ａ〜１ｂａｒ‐ａであるのが良く、このパージ圧力は、種々の要因で決まる場合がある。
【００３２】
製品純度を向上させるためにＲＣ‐ＰＳＡシステムで利用できる別の形式のパージは、製品パージであり、これは、特徴Ａ３として上述されており、この場合、汚染物質（例えば、ＣＯ2及びＨ2Ｓが実質的にないクリーンガスが再生中、吸着剤をクリーニングするために用いられる。吸着剤床のフローチャネル中の汚染物質の分圧の減少により、汚染物質の脱着を助ける駆動力が生じ、それにより吸着性材料を大気圧への単純な圧力スイングで可能な程度よりも大きな程度までクリーニングすることができる。その結果、製品流中への汚染物質の漏出が次の吸着サイクルの際に減少し、高い製品純度が得られる。このようなガス（即ち、「クリーンガス」）の非限定的な例としては、プロセスの脱着ステップの少なくとも一部分中、供給物の方向とは逆の方向に平行なチャネル中を通って流れる状態で維持されるメタン及び窒素が挙げられる。クリーンガスの好ましい源は、製品流の一部分を利用することであり、この製品流の一部分は、パージに使用するのに適当な圧力まで減圧される。パージの圧力は、代表的には、最も低い減圧状態の圧力に選択される。ただし、最も低い減圧状態の圧力と供給物圧力との間の任意の圧力レベルを使用することができる。パージ圧力は、主として、パージに必要な流量を減少させるために選択される。
【００３３】
ＲＣ‐ＰＳＡシステムからの製品純度を高める別の方法は、真空再生を利用することである（特徴Ａ４として上述した）。幾つかの実施形態では、吸着剤床は、フローチャネル内の汚染物質の分圧を一段と減少させるためにブローダウンステップ中、０．１ｂａｒ‐ａ以上、０．２５ｂａｒ‐ａ以上又は０．５ｂａｒ‐ａ以上の圧力の真空にさらされるのが良い。これにより、生じる駆動力が増大し、このような増大した駆動力は、汚染物質の脱着を助け、ブローダウンステップの終わりでの吸着剤床中の汚染物質の濃度を一段と減少させる。その結果、次の吸着サイクル中、高純度製品ガスが作られる。
【００３４】
ＲＣ‐ＰＳＡシステムからの汚染物質排出流は、次の使用又は処分に先立って圧縮されなければならないので、特徴Ａ６として上述した多数回のブローダウンステップを利用することが好ましいと言える。一実施形態では、吸着剤床の減圧を多数回のブローダウンステップで行い、この場合、各ステップは、吸着剤床の圧力を初期圧力から最終圧力に減少させる。ブローダウンステップに関する圧力レベルは、排出物流の圧縮パワーを減少させる一方で、汚染物質の最大脱着を可能にするための最低系統圧力への減圧を行うよう選択される。例えば、１ｂａｒ‐ａの最低ブローダウン圧力のＲＣ‐ＰＳＡシステムでは、最終ブローダウン圧力は、約１ｂａｒ‐ａ、３ｂａｒ‐ａ及び９ｂａｒ‐ａに選択されるのが良い。と言うのは、代表的にはＣＯ2圧縮機は、約３の圧力比で作動するからである。この形態では、ブローダウン流を圧縮する全体的電力消費量は、流れ全体を１ｂａｒ‐ａから圧縮するのに必要な電力よりも極めて少ない。高製品純度を得るために真空ブローダウンステップを含む他の実施形態では、多数回のブローダウンステップの利用により、真空システムのサイズが減少する。と言うのは、汚染物質の大部分が大気圧（１ｂａｒ‐ａ）よりも高い圧力で排出されるからである。例えば、最低圧力が０．５ｂａｒ‐ａのＲＣ‐ＰＳＡシステムでは、汚染物質の大部分は、１．５ｂａｒ‐ａ及び４．５ｂａｒ‐ａでのブローダウンステップにより排出され、その結果、全体的圧縮パワーが最小限に抑えられると共に０．５ｂａｒ‐ａの排出のための真空システムのサイズが最小限に抑えられる。
【００３５】
吸着サイクル中のブローダウンステップの別の改造例として、ブローダウンステップ中における減圧を吸着剤床の供給物側と製品側との両方から実施するのが良い。吸着剤床の一端部側からだけの減圧と比較すると、これは、ブローダウンステップに必要な時間を短縮する。その結果、全サイクル時間は、ＲＣ‐ＰＳＡシステムの生産性が高まるので減少する。変形例として、一定のブローダウン時間の場合、吸着剤床の両端部を用いた減圧により、低い圧力レベルに達することができ、それにより吸着剤床が一段とクリーニングされると共に次の吸着ステップでは高純度の製品が得られる。
【００３６】
両端部からの減圧は又、複合吸着剤床が吸着システムで用いられた場合、製品の回収率及び純度を高める。一例では、Ｈ2Ｓ除去のためのアミン官能化吸着性材料を有する第１の床部分及び天然ガスからのＣＯ2除去のためのＤＤＲ吸着剤床を有する第２の床部分を含む複合吸着剤床の供給物側と製品側の両方からブローダウンステップを実施するのが良い。吸着ステップ中、供給物ガスと呼ばれる場合のある供給物流のガスがアミン官能化吸着剤床に先ず最初に接触し、Ｈ2Ｓの漏出が起こりその後供給物ガスがＣＯ2の漏出の起こっているＤＤＲ吸着剤床に接触する。ブローダウンステップ中、吸着剤床の製品側端部からのブローダウン流は、実質的にＨ2Ｓがなく、これを回収パージステップに使用することができ、それによりシステム中へのＨ2Ｓの再導入なしで所望の製品の回収率が向上し、これは又、次の吸着ステップ中、実質的にＨ2Ｓのないメタンの生成を可能にする。加うるに、吸着剤床の製品側には実質的にＨ2Ｓがないので、次の吸着ステップ中の製品流は、実質的にＨ2Ｓがないと言える。吸着剤床の供給物側端部からのブローダウン流は、相当な量の吸着Ｈ2Ｓを含み、排出物を形成することができる。
【００３７】
サイクルステップの特徴に加えて、種々の吸着剤構造及び材料に関する特徴を利用するとプロセスを促進することができる。例えば、特徴Ｂ１として上述したＲＣ‐ＰＳＡシステムに適切な吸着性材料の選択は、高い製品回収率、高い製品純度又はこれら両方を示すシステムを得る上での主要な検討事項の１つである。天然ガス流からの汚染物質、例えば酸性ガスの実質的に完全な除去を達成するために、除去されるべき汚染物質に対する選択性を示すが、製品についての能力が低い吸着性材料を選択する。例えば、吸着性材料は、１種類又は２種類以上の酸性ガス成分に対して選択性を示すのが良いが、メタンと重炭化水素（例えば、約２に等しい又はこれを超える炭素含有量を含む炭化水素）の両方に対する能力が低いのが良い。
【００３８】
酸性ガスの除去に好ましい吸着剤は、酸性ガスとの化学反応のための官能性の有無とは無関係にメソ細孔又はマクロ細孔材料から成る群から選択される。官能性のない材料の例としては、陽イオン性ゼオライト及びスタノシリケートが挙げられる。Ｈ2Ｓ及びＣＯ2と化学的に反応する官能化物質は、炭化水素と比較してＨ2Ｓ及びＣＯ2について著しく増大した選択性を示す。さらに、これら官能化物質は、酸性ゼオライト上で生じる炭化水素との望ましくない反応を触媒しない。したがって、官能化メソ細孔吸着剤が望ましいと言え、この場合、炭化水素に対するこれらの親和性は、より小さな細孔の非官能化材料、例えばゼオライトと比較して一段と低下する。変形例として、重炭化水素の吸着は、細孔の官能化吸着性材料を用いることによって反応速度論的に抑制でき、この場合、重炭化水素の拡散は、Ｈ2Ｓ及びＣＯ2と比較して遅い。本明細書において用いるのに適した官能基の非限定的な例としては、一次、二次、三次及び他の非プロトジェニック塩基性基、例えばアミジン、グアニジン及びビグアニドが挙げられる。さらに、これら材料は、２つ又は３つ以上のタイプの官能基で官能化されるのが良い。
【００３９】
本明細書において説明する実施形態で用いられる好ましい選択的吸着性材料の他の非限定的な例としては、微孔質材料、例えばゼオライト、ＡｌＰＯ、ＳＡＰＯ、ＭＯＦ（金属有機構成組織）、ＺＩＦ（ゼオライト系イミダゾレート構成組織、例えばＺＩＦ‐７、ＺＩＦ‐９、ＺＩＦ‐８、ＺＩＦ‐１１等）及び炭素並びにメソ細孔材料、例えばアミン官能化ＭＣＭ材料、ＳＢＡ、ＫＩＴ材料が挙げられる。天然ガス流中に一般的に見受けられる酸性ガス、例えばＨ2Ｓ及びＣＯ2の場合、例えば陽イオン性ゼオライト、アミン官能化メソ細孔材料、スタノシリケート、炭素のような吸着剤も又好ましい。
【００４０】
一例として、天然ガスからのＣＯ2除去の場合、或る特定の実施形態では、メタンよりもＣＯ2について反応速度論的選択性を示す８リング型ゼオライト材料の特定の等級を備えた吸着剤が処方される場合がある。この等級の８リング型ゼオライト材料の反応速度論的選択性により、メタンの輸送を阻止しながらＣＯ2をゼオライト結晶中に迅速に透過（拡散）させることができ、その結果、ＣＯ2をＣＯ2とメタンの混合物から選択的に分離することが可能である。天然ガスからのＣＯ2の除去の場合、この特定等級の８リング型ゼオライト材料は、約２〜約１０００、好ましくは約１０〜５００、より好ましくは約５０〜約３００のＳｉ／Ａｌ比を有する。注目されるべきこととして、本明細書で用いられる“Ｓｉ／Ａｌ”という用語は、ゼオライト構造のシリカとアルミナのモル比として定義される。本発明で用いるのに適した好ましい等級の８リング型ゼオライトにより、ＣＯ2は、８リング型窓を通って内部細孔構造に接近することができ、その結果、ＣＯ2とメタンの単一成分拡散係数の比（即ち、ＤCO2／ＤCH4）が１０を超え、好ましくは約５０以上、より好ましくは約１００以上、更により好ましくは２００を超えるようにする。好ましい吸着性材料は、デカ‐ドデカシル３Ｒ（Deca-Dodecasil 3R：ＤＤＲ）であり、これは、ゼオライトである。
【００４１】
平衡制御型スイング吸着方法では、選択性の大部分は、吸着剤の平衡吸着特性により与えられ、吸着剤のミクロ細孔又は自由体積中の軽い製品（例えば、メタン）の競合的吸着等温線は、望まれない。反応速度論的制御型スイング吸着方法では、選択性の大部分は、吸着剤の拡散特性によって与えられ、軽い種の吸着剤のミクロ細孔及び自由体積中の輸送拡散係数は、重い種（例えば、ＣＯ2又はＨ2Ｓ）の輸送拡散係数よりも小さい。また、ミクロ細孔微孔質吸着剤を用いる反応速度論的制御型スイング吸着方法では、拡散選択性は、吸着剤のミクロ細孔の拡散の差又は吸着剤を構成する結晶又は粒子中の選択的拡散表面抵抗から生じる場合がある。
【００４２】
反応速度論的選択性吸着が用いられる場合、吸着剤層を実質的に一様な粒度の吸着剤粒子で形成することが好ましい。好ましい実施形態では、粒子は、特徴的な粒度の標準偏差が平均粒度の９０％未満であるよう走査型電子顕微鏡により測定される粒度分布を有する。より好ましい実施形態では、標準偏差は、平均粒度の５０％未満であるのが良く、最も好ましくは平均粒度の２５％未満であるのが良い。また、吸着剤が反応速度論的に選択性を示す場合、固有の拡散時間係数を用いると、吸着剤の性能を特徴付けることができる。本発明の目的上、次の時間係数、即ち、吸着剤の反応速度論的挙動を特徴付けるためのＬ＾２／Ｄ（ｉ）のタウ（ｉ）が選択され、この場合、Ｌは、各吸着剤粒子又は結晶の特徴的寸法（メートル）であり、Ｄ（ｉ）（メートル＾２／秒）は、吸着剤中の各分子種（ｉ）の拡散係数である。標的ガス（例えば、ＣＯ2）に関するタウは、これを分離する供給物流中の主要成分に関するタウの１／２０未満であることが好ましい。より好ましくは、タウは、これが分離される供給物流中の主要成分のタウの１／５０未満であるのが良い。最も好ましくは、タウは、これが分離される供給物流中の主要成分に関するタウの１／５０未満である。吸着剤が反応速度論的選択性を有する場合、吸着剤粒子の特徴的寸法は、タウが吸着ステップの時間の１／４未満であり且つ吸着ステップの時間の１／４００００を超えるよう選択されることも又好ましい。より好ましくは、タウは、吸着ステップの時間の１／１０未満であり且つ吸着ステップの時間の１／４０００を超える。
【００４３】
別の吸着剤構造及び材料に関する特徴としては、吸着剤床が構造化吸着剤接触器であることが挙げられ、これは、特徴Ｂ２と上述してある。構造化吸着剤接触器は、種々の流れ中のガスと吸着性材料との間の物質移動を可能にする広い表面領域を提供する一方で、吸着サイクル中の迅速ステップに遭遇する高い流速に関して吸着剤床前後の圧力降下を減少させるよう流体抵抗を減少させるよう利用可能である。幾つかの非限定的な形式の吸着剤構造を本発明の実施において使用することができ、このような吸着剤構造としては、一体形構造、螺旋巻き構造及び中空ファイバ構造が挙げられる。接触器の例示の実施形態が図１〜図６に提供されている。有利には、これら構造は、吸着剤、メソ細孔充填材及び構造材料、例えばセラミック、ガラスを用いた熱質量体の混合マトリックス又は吸着剤とメソ細孔充填材のマトリックスで被覆された金属から直接構成されるのが良い。メソ細孔充填材及び熱質量体は、或る特定の幾つかの用途に関して不要である場合がある。一体形構造は、代表的には、ミクロチャネルを形成するようダイを介する材料の押し出しによって作られる。ただし、他の方法、例えばエッチング金属プレートの拡散接合が利用可能である。構成方法としては、吸着剤、メソ細孔充填材及び熱質量体の混合マトリックスを押し出し又は構造材料、例えばセラミック、金属又はプラスチックを押し出し、その後一体形マイクロチャネルの内側に吸着剤及びメソ細孔充填材料の混合マトリックスを薄め塗布する方法が挙げられる。加うるに、一体形構造は、フローチャネルを接合前にエッチングにより形成された金属プレートのスタックを拡散接合し、次にフローチャネルの内側を吸着剤及びメソ細孔充填材のマトリックスで薄め塗布することによって構成できる。
【００４４】
好ましい実施形態では、吸着剤は、平行チャネル接触器中に組み込まれる。「平行チャネル接触器」という表現は、本明細書においては、実質的に互いに平行なフローチャネルが構造体中に組み込まれた構造化されている（特別設計されている）接触器を含む吸着剤接触器のサブセットとして定義される。平行フローチャネルは、米国特許出願公開第２００８／０２８２８９２号明細書及び同第２００８／０２８２８８６号明細書に詳細に記載されており、これら米国特許出願公開の両方を参照により引用し、これらの記載内容を本明細書の一部とする。これらフローチャネルは、種々の手段によって形成でき、吸着性材料に加えて、構造体は、例えば支持材料、ヒートシンク材料及びボイド減少コンポーネントのようなコンポーネントを有するのが良い。
【００４５】
押し出しプロセスにより多様なモノリス（一体物）形状を形成することができる。円筒形モノリスの一例が図面の図１に概略的に示されている。円筒形モノリス１は、モノリスの全長にわたって延びる複数本の平行なフローチャネル３を有している。これらフローチャネル３は、所与の接触器の全てのチャネルが実質的に同一のサイズのチャネルギャップを有する限り、約５〜約１，０００ミクロン、好ましくは約５０〜約２５０ミクロンの直径（チャネルギャップ）を有するのが良い。チャネルは、種々の形状のものであって良く、このような形状としては、丸形、正方形、三角形及び六角形が挙げられるが、これらには限定されない。チャネル相互間の空間は、吸着剤５で占められている。図１に示されているように、チャネル３は、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７５％を占める。吸着剤５は、モノリスの体積の約５０％〜約９８％を占めるのが良い。吸着剤の有効厚さは、次のように、吸着剤５及びチャネル構造体により占められる体積フラクション（分率）から定めることができる。
（吸着剤の有効厚さ＝１／２・チャネル直径・（吸着剤の体積フラクション／チャネルの体積フラクション）
【００４６】
図面の図２は、モノリスの長さを貫通して延びる供給物チャネル３を示す長手方向軸線に沿う断面図であり、フローチャネルの壁は、全体が吸着剤５に結合剤、メソ細孔充填材及びヒートシンク材料を加えたもので形成されている。
【００４７】
吸着剤層５の小さな断面を拡大した略図が図面の図３に示されている。吸着剤層５は、微孔質吸着剤又はポリマー粒子７、固体粒子（熱質量体）９、ヒートシンクとして働く遮断剤１３、開いたメソ細孔及びマクロ細孔１１で構成されている。図示のように、微孔質吸着剤又はポリマー粒子７は、吸着剤層の体積の約６０％を占め、熱質量体９の粒子は、この体積の約５％を占める。この構成により、間隙率（フローチャネル）は、微孔質吸着剤又はポリマー粒子で占められる体積の約５５％である。微孔質吸着剤５又はポリマー粒子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％までに及ぶ場合がある。実際には、熱エネルギーを吸収して温度上昇を制限するために用いられる固体粒子９の体積フラクションは、吸着剤層の体積の約０％〜約７５％、好ましくは約５％〜約７５％、より好ましくは約１０％〜約６０％である。メソ細孔非吸収性又は遮断剤１３は、粒子相互間に残された所望量の空間又はボイドを満たし、その結果、吸着剤層５中の開いたメソ細孔及びマクロ細孔１１の容積フラクションは、約３０容積％以下、又は約２０容積％以下又は１０容積％以下である。
【００４８】
モノリス接触器が反応速度論的分離（主として拡散制御方式）を利用するガス分離プロセスで用いられる場合、微孔質吸着剤又はポリマー粒子７が実質的に同一サイズ又は粒度であることが有利である。個々の微孔質吸着剤又はポリマー粒子７の体積の標準偏差が反応速度論的に制御されるプロセスに関し、平均粒子体積の１００％未満であることが好ましい。より好ましい実施形態では、個々の微孔質吸着剤又はポリマー粒子７の体積の標準偏差は、平均粒子体積の５０％未満、より好ましくは平均粒子体積の２５％未満である。ゼオライト吸着剤に関する粒子サイズ又は粒度分布は、粒子を合成して作るために用いられる方法によって制御できる。また、あらかじめ合成された微孔質吸着剤粒子を例えば重力沈降カラムのような方法の使用によりサイズ又は粒度で分離することが可能である。
【００４９】
図面の図４は、平行チャネル接触器の小さな拡大領域の断面図である。この図は、ガスフローチャネル３を形成するよう吸着剤床構造体９の内部を被覆している吸着剤層５の吸着性材料を示している。吸着剤層５は、メソ細孔充填材及び他の材料を含んでいても良く又は含んでいなくても良い。
【００５０】
図面の図５は、本発明で用いるのに適した吸着剤接触器の螺旋巻き形態を示している。螺旋巻き構造体は、代表的には、単一の平べったいシートを巻いて組立体にすることによって作られる。シートを通る流れが存在しないことが好ましい。螺旋巻きシートの層相互間の間隔を任意適当な方法によって設定することができる。以下の非限定的な方法、即ち、長手方向スペーサワイヤの使用、シートのディンプリング又は波形成形及びシートへの一様なサイズ又は粒度の粒子の付着を使用することができる。非限定的な構成方法としては、吸着剤、メソ細孔充填材及び熱質量体の混合マトリックスで作られた単一シートを螺旋巻きすること、吸着剤及びメソ細孔充填材の混合マトリックスを薄板金に薄め塗布し、次にシートを螺旋巻きすること、薄板金又はメッシュを螺旋巻きし、次に吸着剤及びメソ細孔充填材の混合マトリックスを螺旋巻き組立体に薄め塗布することが挙げられる。
【００５１】
図面の図６は、中空ファイバで構成された吸着剤接触器を示している。複数本の中空管を多管式熱交換器の管束と同様な管束の状態に束にして組立体を形成することによって中空管構造体を形成することができる。注封材料、例えば中空ファイバ材料と適合性のあるエポキシによって中空管の各端部を終端させるのが良い。ガス流は、中空管の内部か外部かのいずれかに沿って流れるのが良いが、いずれの場合においても、組立体の長手方向軸線に平行である。中空管の壁を通るガス流が存在しないことが好ましい。
【００５２】
中空ファイバ吸着剤構造体を形成する好ましい一方法は、先ず最初に、吸着剤、メソ細孔充填材及び熱質量体の混合マトリックスから中空ファイバを製作し、次に中空ファイバを束ね、次にファイバの外側周りの空間に注封材料を充填してガスがファイバの内部を通って流れることしかできないようにすることである。
【００５３】
別の方法では、先ず最初に、中空ファイバを吸着剤、メソ細孔充填材及び熱質量体の混合マトリックスから製作し、次に中空ファイバを束ねてファイバの両端部を注封材料で終端させ、ガスがファイバの内側と外側の両方をこれに沿って流れることができるようにする。
【００５４】
中空ファイバ構造体を作る更に別の方法では、吸着剤とメソ細孔充填材の混合マトリックスを金属（例えば、皮下注射針）、セラミック、プラスチック等から成る郡から選択された非限定的な材料で構成された小径中空管の内側上に薄め塗布し、次にファイバの外側周りの空間に注封材料を充填してガスがファイバの内側しか通って流れることができないようにする。
【００５５】
構造体を作る更に別の方法では、金属、セラミック、プラスチック等から選択された材料で構成された小径の中空管の組立体を製作し、次に両端部を注封材料で又は溶接終端部で終端させ、次に管の内側に吸着剤及びメソ細孔充填材の混合マトリックスを薄め塗布する。
【００５６】
さらに、別の方法では、吸着剤及びメソ細孔充填材の混合マトリックスを中空ファイバの内側と外側の両方に薄め塗布することを除き上述した方法と同一の方法で組立体を構成する。
【００５７】
これら構造化接触器は、ＲＣ‐ＰＳＡシステムのための単一の吸着剤床を種々の仕方で形成するために使用できる。一方法では、吸着剤床は、吸着剤床の長さに沿って作られた単一の構造化吸着剤接触器で構成される。別の方法では、吸着剤床は、吸着剤床の全長をもたらすよう互いに積み重ねられた構造化接触器の多数の短いセグメントで構成されるのが良い。この方法では、構造化接触器のセグメントを隣り合うセグメント相互間のギャップの有無にかかわらず設置することができる。隣り合うセグメント相互間に僅かなギャップ、例えば１０００μｍ未満又は好ましくは５００μｍ未満、更により好ましくは２００μｍのギャップを提供することにより、セグメント相互間のガスの再分布が可能になり、それにより構造化接触器のフローチャネル内の分布不良の影響を減少させることができる。
【００５８】
２種類以上の吸着性材料を利用した実施形態の場合、特徴Ｂ３として上述されている構造化吸着剤床内の種々の吸着性材料の配置は、ＲＣ‐ＰＳＡシステムの性能に影響を及ぼす場合がある。これらの実施形態では、２種類又は３種類以上の吸着剤を含む複合吸着剤床を使用することができ、各吸着剤は、供給物流からの互いに異なる汚染物質を優先的に吸着する。複合吸着剤床を数種類の互いに異なる仕方で、例えば、各々に互いに異なる吸着性材料が被着されたセグメント状構造化接触器を用いて構成できる。一例として、天然ガスからのＣＯ2及びＨ2Ｓ除去の場合、吸着剤床の第１のセグメントがＨ2Ｓ除去のためのＫＩＴ‐６支持体上に被着されたアミン官能化吸着剤を含み、吸着剤床を構成する残りのセグメントがＣＯ2除去のためのＤＤＲ吸着剤を含む複合吸着剤床を使用するのが良い。この実施形態では、Ｈ2Ｓは、供給物流が第１のセグメントを通過する際に供給物流から除去され、次に、供給物流が吸着剤床の残りのセグメントを通過しているときにＣＯ2が供給物流から除去される。このように複合床を用いた場合の利点は、１つの吸着剤床セグメントから汚染物質を脱着することにより他方の吸着剤床セグメントのための分圧パージが得られ、それによりそれぞれの吸着剤床から他の汚染物質の除去が促進されるということにある。上述の実施例に関連して、説明すると、ブローダウンステップ中、ＤＤＲを含む床のセグメントから脱着されたＣＯ2をアミン官能化吸着剤を含む第１のセグメントを通って向流方向に流すことができ、それにより実質的にＨ2Ｓのない分圧パージを提供し、それによりＨ2Ｓを複合吸着剤床の第１のセグメントから脱着させることができる。このように、複合床の第１のセグメントをＨ2Ｓの低いレベルまでクリーニングすることができ、その結果、ｐｐｍレベルのＨ2Ｓを含む高純度製品流を次の吸着ステップ中に生じさせることができる。複合床のＨ2Ｓ吸着セグメントのこの有効パージは、Ｈ2Ｓが吸着ステップ中に吸着剤床のＤＤＲセグメント中に漏出しなくても有効であり、したがって、床のＤＤＲセグメント中のＣＯ2は、実質的にＨ2Ｓが含まれないようになる。
【００５９】
吸着剤床内の２種類の吸着性材料も又、一方の吸着性材料の量が他方の吸着性材料の量よりも実質的に多いことを条件として、吸着剤床全体にわたって材料を均一に分散させることによっても配置できる。例えば、上述したように天然ガスからのＨ2Ｓ及びＣＯ2除去の場合、アミン官能化材料よりも約１０倍のＤＤＲが必要である。好ましい実施形態では、Ｈ2Ｓ選択性吸着剤の量は、ＣＯ2選択性吸着剤量の五分の一未満である。これら材料が吸着剤接触器に沿って一様に混合されると共に分布される場合、ＣＯ2が吸着剤床中に分布して設けられたアミン官能化材料の分圧パージを提供してＨ2Ｓを実質的にクリーニングし、それにより高純度メタンを次の吸着ステップで得ることができるという同じ結果が達成される。
【００６０】
ＲＣ‐ＰＳＡシステムの製品回収率を特徴Ｂ４として上述したようにメソ細孔充填材の使用により高めることができ、この特徴Ｂ４は、接着剤床中のボイド空間を減少させるために利用できる。その結果、ボイド空間内に取り込まれた製品ガスの量が減少し、その結果、再生中に汚染物質と共に失われる製品ガスが少なくなり、それにより製品ガスの回収率が向上する。メソ細孔充填材の使用は、米国特許出願公開第２００８／０２８２８９２号明細書、同第２００８／０２８２８８５号明細書及び同第２００８／０２８２８６号明細書に記載されており、これら米国特許出願公開の各々を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。吸着剤チャネル壁内に存在する掃過できない（非掃過の）ボイド空間をメソ細孔及びマクロ細孔により占められる全容積によって定めることができる。メソ細孔は、ＩＵＰＡＣによって２０〜５００オングストロームサイズ範囲のサイズを持つ細孔であると定められる。マクロ細孔は、本明細書においては、５００オングストロームを超え且つ１ミクロン未満のサイズを持つ細孔であると定義される。フローチャネルのサイズが１ミクロンを超えているので、これらフローチャネルは、マクロ細孔容積の一部とは見なされない。非掃過ボイド空間は、本明細書においては、直径が２０オングストローム〜１０，０００オングストローム（１ミクロン）の吸着剤中の細孔により占められる開放細孔容積を吸着剤構造体中の関連のメソ細孔及びマクロ細孔を含む吸着性材料により占められる接触器の全容積で除算して得られるものとして定義される。以下ひとまとめにメソ細孔と呼ぶ非掃過温度空間を減少させるには、粒子相互間のメソ細孔を充填して開放容積を減少させる一方で、吸着剤層中の迅速なガス輸送を可能にするのが良い。非掃過ボイド空間のこの充填は、迅速な脱着ステップ中に失われる所望の製品の量を許容レベルまで減少させると共に脱着後における高度の吸着剤床純度の達成を可能にする上で望ましい。このようなメソ細孔充填は、種々の仕方で達成できる。例えば、ポリマー充填材、例えばシリコンゴム又は固有の多孔度を有するポリマーをＨ2Ｓ及びＣＯ2の迅速拡散と共に利用するのが良い。変形例として、メソ細孔度及び／又はマクロ細孔度を有する合成炭素を用いてもボイド空間を充填することができる。さらに別の方法では、ボイド空間を小さなサイズの不活性固体で充填し又はボイド空間を所望のガスが迅速に拡散する補充可能な液体（例えば、水、溶剤又は油）をボイド空間に充填することである。好ましくは、接着剤床内のボイド空間を開放細孔容積の約４０容量％（ｖｏｌ．％）以下、好ましくは３０ｖｏｌ．％未満、より好ましくは２０ｖｏｌ．％未満、更により好ましくは１０ｖｏｌ．％未満、最も好ましくは約５ｖｏｌ．％以下に減少させる。
【００６１】
吸着剤構造及び材料に関する特徴に加えて、種々の吸着システム構成又は構成上の特徴を他の特徴に加えて又はプロセスに対する別の改善策として利用することができる。このような一実施形態は、特徴Ｃ１として上述したＲＣ‐ＰＳＡシステムからの回収率を向上させるためのＲＣ‐ＰＳＡユニットの直列配置を含むのが良い。一例として、ＲＣ‐ＰＳＡユニットの直列配置を利用すると、非製品流を第１のＲＣ‐ＰＳＡユニットから第２のＲＣ‐ＰＳＡユニットに通して第１のＲＣ‐ＰＳＡユニットの非製品流から製品を除くことによって標的ガス又は製品の回収率及び純度を高めることができる。一例として、酸性ガスを天然ガス流から除去してこのシステムの第１のＲＣ‐ＰＳＡユニット中に高純度のメタン流を生じさせることができる。第１のＲＣ‐ＰＳＡユニットからの酸性ガスは、所与のフラクションのメタンを含む場合があり、これは、第２のＲＣ‐ＰＳＡユニットを用いて除去できる。第２のＲＣ‐ＰＳＡユニットからのメタン製品を再循環させることができ又は施設内のどこか別の場所で利用することができ、酸性ガスを第２のＲＣ‐ＰＳＡユニットから排出することができ又は処分のために運び出すことができる。第２のＲＣ‐ＰＳＡユニットを用いてメタンを捕捉することによって、ＲＣ‐ＰＳＡシステム全体は、高圧天然ガスを得るための高い製品回収率及び高い製品純度さえも達成する。
【００６２】
また、別の特徴として、均圧化容器又はタンクを利用すると特徴Ｃ２として上述したＲＣ‐ＰＳＡシステムの生産性を高めると共に必要なサイクル時間全体を短縮することができる。米国特許出願第６１／５９４，８２４号明細書に記載されているように、１つ又は２つ以上の独立圧力容器をＲＣ‐ＰＳＡシステム内の吸着剤床について各均圧化ステップのために提供するのが良く、このような米国特許出願を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。即ち、均圧化容器又はタンクと呼ばれる専用圧力容器は、吸着剤床の１つに直接連結される。脱着ステップ中に吸着剤床から引き出されたガスは、均圧化タンク内に一時的に貯蔵され、次に、同一の吸着剤床の再加圧のためのサイクル中に後で用いられる。管類及び弁類に関する距離が専用均圧化容器の使用により短くなるので、吸着剤床と均圧化タンクとの間の均圧化ステップの時間間隔が代表的には、２つの吸着剤床相互間の均圧化に必要な時間よりも短く、したがってサイクル時間全体を短くすることができる。その結果、吸着剤床内で利用される吸着性材料の量が減少し、スイング吸着システムのサイズ及び重量全体を減少させることができ、他方、性能を高めることができる（低いパージ流量、低い再循環圧縮等）。さらに、ＲＣ‐ＰＳＡシステムのための管及び弁の量が減少する。と言うのは、床間連結が均圧化ステップに関して不要だからである。
【００６３】
上述の特徴をＰＳＡシステム中に組み込むと高圧天然ガス処理のための性能を向上させることができ、それにより高い回収率、高い純度又は高い回収率と高い純度の両方が得られる分離が可能である。図７〜図９は、本明細書において説明した特徴を分離ためにどのように組み合わせれば良いかを示す例示のＰＳＡシステムの略図である。図７では、高いメタン回収率は、ＰＳＡシステム７００を回収パージ（特徴Ａ２）を備えた迅速サイクル（特徴Ａ１）で適当な中間圧力（特徴Ａ５）において作動させると共に多数回のブローダウンステップ（特徴Ａ６）を用いることによって提供される。ＣＯ2について反応速度論的選択性を示すゼオライト（特徴Ｂ１）で被覆された構造化接触器（特徴Ｂ２）が用いられ、ボイド空間は、メソ細孔充填材（特徴Ｂ４）の使用により減少する。ＲＣ‐ＰＳＡシステム７００の例示の実施形態を９７％超えるメタン回収率を達成するために３０％酸性ガスを含む天然ガスを５５ｂａｒで処理するための実施例１及び実施例２において更に説明する。
【００６４】
図８に示されている別の実施例では、システム８００内の一連の２つのＰＳＡユニットを用いて高いメタン回収率と高い製品純度の両方が達成される。ＰＳＡユニット８０１，８２１は、迅速サイクル（特徴Ａ１）、回収パージ（特徴Ａ２）、製品パージ（特徴Ａ３）、パージ圧力の選択（特徴Ａ５）、ＣＯ2の反応速度論的分離のための別々の材料を含む構造化吸着剤接触器（特徴Ｂ２）、２つの別々のセグメント（特徴Ｂ３）の状態で接触器内に配置されたＨ2Ｓ平衡吸着（特徴Ｂ１）、メソ細孔充填材を組み込んでボイド容積を減少させること（特徴Ｂ４）を含む上述した特徴を利用し、回収率を向上させる。メタン回収率を増大させるには、２つのＰＳＡユニットを直列状態で利用し（特徴Ｃ１）、それにより第２のＰＳＡユニット８２１を用いて第１のＰＳＡユニット８０１からの酸性ガス流中に失われるメタンを捕捉する。ＰＳＡシステムは又、サイクル時間を短縮すると共に生産性を向上させるために均圧化タンク（特徴Ｃ２）を利用するのが良い。ＲＣ‐ＰＳＡシステム８００の性能及び詳細は、１２％ＣＯ2及び０．０１〜０．１％Ｈ2Ｓを含む天然ガスを処理して１．５％未満のＣＯ2及び４ｐｐｍ未満のＨ2Ｓを含むメタンを生じさせる一方で９９％を超える回収率を達成するために実施例３及び実施例４において説明されている。
【００６５】
図９に示されている更に別の実施形態では、単一のＰＳＡユニット９００で高いメタン回収率と高い製品純度の両方が達成される。このＰＳＡユニットは、適当な中間圧力（特徴Ａ５）で回収パージ（特徴Ａ２）を含む迅速サイクルモード（特徴Ａ１）で作動させ、次に高い製品純度を達成するよう真空圧力（特徴Ａ４）へのブローダウンを行う。構造化吸着剤接触器（特徴Ｂ２）をＣＯ2の反応速度論的分離及び２つの別々のセグメント（特徴Ｂ３）の状態で接触器内に配置されたＨ2Ｓの平衡吸着（特徴Ｂ１）のための２つの特定の材料に用い、メソ細孔充填材を混入してボイド空間（特徴Ｂ４）を減少させると共に回収率を向上させる。均圧化タンク（特徴Ｃ２）も又、必要なサイクル時間を短縮し、それによりシステムの生産性を向上させるために利用できる。ＲＣ‐ＰＳＡシステム９００の性能及び詳細は、１２％ＣＯ2及び０．０１〜０．１％Ｈ2Ｓを含む天然ガスを処理して１．５％未満のＣＯ2及び４ｐｐｍ未満のＨ2Ｓを含むメタンを生じさせる一方で９９％を超える回収率を達成するために実施例５において説明されている。
【００６６】
例示目的で提供され、本発明を限定するものとは見なされない以下の実施例を参照すると、本発明を良好に理解することができる。
【００６７】
実施例１
この実施例は、図７のＲＣ‐ＰＳＡシステム７００を用いた高圧での天然ガスからのＣＯ2及びＨ2Ｓの除去の仕方を示している。図７の単純化されたプロセス流れ図を参照すると、ＲＣ‐ＰＳＡユニット７０１は、供給物流から汚染物質を除去するよう種々の圧縮機７１０ａ〜７１０ｅと一緒に利用される。ＲＣ‐ＰＳＡユニット７０１は、以下に詳細に説明するように弁及び管を介して互いに連結された多数の吸着剤床を有している。作動させるため、供給物流を導管７０２，７０４によりＲＣ‐ＰＳＡユニット７０１に流す。供給物流は、好ましくは、天然ガスを含み、天然ガスは、圧縮機７１０ａと関連した回収パージ出口導管７０３からの再循環流と混ぜ合わされるのが良い。メタンに富んだ精製された製品流が吸着剤床、ＲＣ‐ＰＳＡユニット７０１の内部述弁及び管相互間の圧力降下に起因して僅かに減少した圧力で導管７０６を通ってＲＣ‐ＰＳＡユニット７０１から出る。この実施例では、導管７０２を通って流入する供給物ガスは、３０％酸性ガス（ＣＯ2＋Ｈ2Ｓ）及び７０％ＣＨ4を含んでいる。供給物流及び再循環流の圧力は、約５５ｂａｒ‐ａである。導管７０６を通って出る製品流は、６％酸性ガス及び９４％ＣＨ4を含み、圧力は、約５４ｂａｒ‐ａである。
【００６８】
回収パージ流を導管７０８によりＲＣ‐ＰＳＡユニット７０１に流すのが良い。このパージ流は、酸性ガス（ＣＯ2及び／又はＨ2Ｓ）に富んでおり、このようなパージ流は、以下に詳細に説明するＲＣ‐ＰＳＡサイクル中のブローダウンステップから出る流出液で構成されるのが良い。回収パージ流の目的は、吸着剤接触器チャネル及び吸着剤層中のボイド空間からメタン及び他の炭化水素を掃過することにある。このパージからの出力は、圧縮機７１０ａ内で圧縮されて導管７０３を介してＲＣ‐ＰＳＡユニットの供給部に再循環して戻される。このように、メタンは、酸性ガスと共に失われることなく捕捉され、したがって、ＲＣ‐ＰＳＡシステムの回収率が向上する。
【００６９】
ＲＣ‐ＰＳＡユニット７０１から脱着された酸性ガスは、３つの互いに異なる圧力レベルで出て処分のために酸性ガスを圧縮するために必要な電力消費量を最小限に抑える。最低圧力は、汚染物質の脱着を増大させて次の吸着ステップにおいて製品純度を高めるよう約１ｂａｒ‐ａに設定される。残りの２つのブローダウンステップに関する圧力レベルは、酸性ガス圧縮機との一体化を最適化して電力消費量を減少させるよう選択されている。代表的な酸性ガス圧縮機は、約３の圧力比で動作し、したがって、ブローダウン圧力レベルは、３ｂａｒ‐ａ及び９ｂａｒ‐ａである。圧力比は、吐き出し圧力を吸い込み圧力で除算して得られる値である。図７に示されているように、１ｂａｒ‐ａでの低圧排出物は、圧縮機７１０ｂ内で圧縮されて約３ｂａｒ‐ａで中間圧力排出物と混合されて圧縮機７１０ｃ内で圧縮される。圧縮機７１０ｃからの排出物は、約９ｂａｒ‐ａで高圧排出物と混合されて圧縮機７１０ｄ内で圧縮される。圧縮機７１０ｄの出力は、約１９ｂａｒ‐ａであるのが良く、この出力は、パージ流として導管７０８に送られて圧縮機７１０ｅに送られて更に圧縮され、その後更に処理される一部分を含むのが良い（例えば、処分ウェル、パイプライン及び／又はその他に注入される酸性ガス）。
【００７０】
各ＲＣ‐ＰＳＡユニット７０１は、１４個の吸着剤床で構成され、これら吸着剤床の各々は、複数本のガスフローチャネルを備えた構造化接触器で構成されている。ガスフローチャネルの水力直径は、２０〜１０００ミクロン、好ましくは２５〜４００ミクロン、更により好ましくは４０〜１２５ミクロンである。接触器を貫通して設けられたガスフローチャネルの全長は、０．２〜３メートル、好ましくは０．５〜１．５メートルであり、最も好ましくは、０．７５〜１．２５メートルである。構造化接触器は、各セグメントが複数本のフローチャネルを有し、ガスが一セグメント中のフローチャネルから別個のセグメント中のフローチャネルまで順次流れるようその長さに沿ってセグメント化されているのが良い。接触器の長さに沿って１〜１０個のセグメントが設けられるのが良い。吸着剤床の入口側においてフローチャネルを通るガスの物理的流速は、１〜１０メートル／秒であり、好ましくは２〜５メートル／秒である。フローチャネルを通るガスの流体抵抗により、吸着ステップ中、供給物圧力、供給物粘度、チャネル水力直径及びチャネル全長と入口供給物速度の組み合わせにより計算して８ｂａｒ‐ａ未満、好ましくは４ｂａｒ‐ａ未満、より好ましくは２ｂａｒ‐ａ未満の圧力降下が生じる。
【００７１】
構造化吸着剤接触器内のガスフローチャネルは、ＣＯ2及びＨ2Ｓに対して選択性を示す吸着性材料を含む層で作られており、この層は、構造化接触器壁上に位置しても良く又はその少なくとも何分の一かの一部であっても良い。この層は、メソ細孔充填材料を更に含むのが良く、このようなメソ細孔充填材料は、層中のボイド空間を３０容量％未満、より好ましくは２０容量％未満、より好ましくは１０容量％未満又は最も好ましくは４容量％未満で減少させる。層の平均厚さは、２５〜４５０ミクロン、好ましくは３０〜２００ミクロン、最も好ましくは５０〜１２５ミクロンであるのが良い。好ましい実施形態では、吸着性材料は、ゼオライトであり、ＣＯ2に関して５０を超え、好ましくは１００を超え、更により好ましくは２００を超える反応速度論的選択性比を有する。反応速度論的選択性比は、汚染物質、例えばＣＯ2の拡散速度を、製品、例えばメタンの拡散速度で除算した値である。吸着ステップ中、チャネルの長さに沿う吸着剤中へのＣＯ2及びＨ2Ｓの平均装填量の変化は、１ｇ当たり０．２ミリモル（ｍ  ｍｏｌ／ｇ）を超え、より好ましくは０．５ｍ  ｍｏｌ／ｇを超え、最も好ましくは１ｍ  ｍｏｌ／ｇを超え、この場合、平均装填量は、吸着剤の１ｇ当たり吸着される汚染物質のミリモルとして表される。
【００７２】
ＲＣ‐ＰＳＡユニット７０１を作動させるには一連のステップを迅速に繰り返し、このような一連のステップは、吸着ステップ及び次のサイクルでの吸着ステップに先立って吸着剤床を再生する多数のステップを含む。同じ一連のステップを各吸着剤床によって連続的に実施し、各層に関するサイクルのタイミングを他の床と同期させて供給物流、製品流及びパージ流の連続した流れを生じさせるのが良い。正確なステップ及びサイクルタイミングの選択は、供給物流のガス組成、製品仕様、汚染物質処分及び全体的炭化水素回収率で決まる。この実施例では、ＲＣ‐ＰＳＡユニット７０１に関し、連続流れ作業を行うためにサイクルを完了するには１４個の吸着剤床が必要である。
【００７３】
単一吸着剤床に関するサイクルステップが吸着剤床の圧力と時間との関係を表すグラフ図を用いて示されており、これは、図１０に示されている。ＦＤ（供給物流に関する）として示された接着剤ステップ中、酸性ガスは、接着剤床中に吸着され、精製されたメタン製品が作られる。製品流中への酸性ガスのかなりの漏出が生じる前に供給物流の流れを停止させ、吸着剤床を符号Ｅ１及びＥ２で示されている２つの均圧化ステップによって減圧する。製品流中への酸性ガスのかなりの漏出は、吸着剤床が５０％を超える装填状態にあるとき、好ましくは７５％を超える装填状態にあるときに起こる。各ステップ後に短時間の保持が設けられ、これは、図示されていない。均圧化ステップ後、吸着剤層中のフローチャネル及びボイド空間内に残存しているメタンを回収するためにＰとして示されている回収パージステップを実施する。次に、吸着剤床を３つのブローダウンステップによって減圧して圧力を減少させ、それにより酸性ガスを吸着剤床から脱着させ、これは、ＢＤで示されている。酸性ガスを可能な程度まで脱着させた後、吸着剤床をＲ１，Ｒ２として示されている２つの再加圧ステップ及びＦＲとして示されている供給物再加圧ステップによって再加圧する。２つの再加圧ステップＲ１，Ｒ２のためのガス源は、再加圧ステップＥ１，Ｅ２を同時に受けている別の吸着剤床に由来する。供給物再加圧ステップのためのガスは、図７の導管７０４を介して供給物流からＲＣ‐ＰＳＡユニット中に得られる。
【００７４】
１４個の吸着剤床の各々に関するタイミングは、供給物流、製品流及びパージ流が連続であるように同期する。全部で１４個の吸着剤床のサイクルスケジュールが図１１Ａ及び図１１Ｂに示されている。２つの群をなす吸着剤床１１０１，１１０２が示されており、第１群１１０１に属する吸着剤床は、シーケンスグラフの頂部に１〜７で示され、第２群１１０２に属する吸着剤床は、シーケンスグラフの底部に８〜１４で示されている。図１１Ａは、参照符号Ｄで示されているように、図１１Ｂと連続関係にあるシーケンスの一部分である。定常作動中、２つの吸着剤床は、吸着ステップを行っており、この場合、酸性ガスは、供給物流から除去されて精製されたメタン製品が得られる。各吸着剤床に関するサイクルのタイミングは、連続供給物及び製品流が達成されるようステージングされる。例えば、図１１Ａの床２は、床１が吸着ステップを停止した直後に吸着ステップ（ＦＤで示されている）の開始等をする。同様に、パージステップ及びブローダウン流に関して連続した流れが酸性ガス圧縮機に提供される。吸着剤床相互間のサイクルのタイミングも又、１つの床に関する第１の均圧化ステップＥ１が別の床の再加圧ステップＲ１と一致して減圧ステップ中に取り出されたガスが別の床を再加圧するために用いられるよう同期される。例えば、図１１Ａの吸着剤床７は、吸着剤床２が再加圧ステップＲ１を行うのと同時に均圧化ステップＥ１を行う。
【００７５】
サイクル中のステップの各々に関する圧力レベル、流れ方向及び持続時間について以下に更に説明する。以下のサイクルに関する説明では、「並流」という用語は、床の供給物側から製品側へのガスの流れを意味し、「向流」という用語は、その逆の方向の流れを意味している。以下は、好ましい一サイクルである。
ＦＤ：第１の吸着剤床からの５５ｂａｒ‐ａでのＣＯ2の吸着及び精製メタンの生産（並流）。
Ｅ１：第１の吸着剤床を約５５ｂａｒ‐ａから約３５．５ｂａｒ‐ａに減圧してガスを別の吸着剤床に送って約１９ｂａｒ‐ａから約３５．５ｂａｒ‐ａに加圧する（並流）。
Ｅ２：第１の吸着剤床を約３５．５ｂａｒ‐ａから約１９ｂａｒ‐ａに減圧してガスを別の吸着剤床に送って約１．２ｂａｒ‐ａから約１９ｂａｒ‐ａに加圧する（並流）。
Ｐ：第１の吸着剤床を約１９ｂａｒ‐ａで９ｂａｒ‐ａでのステップＢＤ１からのガスの一部分でパージし、第１の吸着剤床は、パージ圧力に圧縮される。パージステップ中に吸着剤床から押し退けられたガスは、５５ｂａｒ‐ａに圧縮され、そして供給物導管に再循環される（並流）。
ＢＤ１：第１の吸着剤床を約１９ｂａｒ‐ａから約９ｂａｒ‐ａにブローダウンし又は減圧する。脱着したガスを酸性ガス圧縮機の第３段に排出する（向流）。
ＢＤ２：第１の吸着剤床を約９ｂａｒ‐ａから約３ｂａｒ‐ａにブローダウンし又は減圧する。脱着したガスを酸性ガス圧縮機の第２段に排出する（向流）。
ＢＤ３：第１の吸着剤床を約３ｂａｒ‐ａから約１．２ｂａｒ‐ａにブローダウンし又は減圧する。脱着したガスを酸性ガス圧縮機の第１段に排出する（向流）。
Ｒ２：ステップＥ２を行っている更に別の吸着剤床から引き出されたガスを用いて第１の吸着剤床を約１．２ｂａｒ‐ａから約１９ｂａｒ‐ａに再加圧する（向流）。
Ｒ１：ステップＥ１を行っている更に別の吸着剤床から引き出されたガスを用いて第１の吸着剤床を約１９ｂａｒ‐ａから約３５．５ｂａｒ‐ａに再加圧する（向流）。
ＦＲ：供給物導管からのガスを用いて第１の吸着剤床を約３５．５ｂａｒ‐ａから約５５ｂａｒ‐ａに再加圧する（並流）。
【００７６】
サイクル中の各ステップの持続時間は、次の通りである。
ＦＤ：１．５秒間の吸着
Ｈ１：０．２５秒間の保持
Ｅ１：０．７５秒間の減圧
Ｅ２：０．７５秒間の減圧
Ｐ：０．７５秒間のパージ
Ｈ２：０．２５秒間の保持
ＢＤ１：０．７５秒間のブローダウン
ＢＤ２：１．２５秒間のブローダウン
ＢＤ３：２．０秒間のブローダウン
Ｈ３：０．２５秒間の保持
Ｒ２：０．７５秒間の再加圧
Ｒ１：０．７５秒間の再加圧
ＦＲ：０．５０秒間の再加圧
【００７７】
全部で１０．５が上述のサイクルステップを完了させるのに必要である。この実施例では、吸着剤ステップ持続時間は、ＣＯ2及びメタンの拡散速度で設定され、この場合、吸着ステップの短い長さにより、迅速に拡散しているＣＯ2分子が吸着性材料内の平衡吸着能力に達し、その後、ゆっくりと拡散するメタンが実質的に吸着性材料中に拡散することができる。吸着ステップ後に吸着剤床内の圧力をできるだけ迅速に減少させて吸着剤粒子中へのメタンのそれ以上の拡散を減少させ、その結果、メタンの損失を減少させるようにすることが好ましい。さらに、再生ステップに要する全時間は、吸着剤床の生産性を最大にするようできるだけ短いことが好ましい。均圧化ステップの全てに要する全時間間隔は、吸着ステップの１０倍未満、好ましくは５倍未満であることが好ましい。最も好ましくは、均圧化ステップの全てに要する全時間は、吸着ステップの全時間よりも短い。また、再加圧ステップの全てに要する全時間は、吸着ステップの全時間の１０倍未満、好ましくは５倍未満である。再加圧ステップの全てに要する全時間は、吸着ステップの全時間よりも短いことが最も好ましい。
【００７８】
この実施例において説明しているＲＣ‐ＰＳＡシステムの結果としての性能は、上述のパラメータを用いてシミュレーションにより予測された。１４個の吸着剤床を有する単一のＲＣ‐ＰＳＡユニットは、３０％酸性ガス及び７０％メタンを含む１５０ＭＳＣＦＤの供給物ガスを処理して約５．４％酸性ガス及び残部メタンを含む１０８ＭＳＣＦＤの製品ガスを生じさせることができる。約９８％のメタン回収率がＲＣ‐ＰＳＡシステムで達成された。約９４％酸性ガスを含む排出物流も又処分のために生じた。従来型ＰＳＡシステムは、この構成の天然ガスをこれらの条件で処理するこのＲＣ‐ＰＳＡシステムで実証された高い回収率を提供することはない。また、このシステムは、従来型分離技術と比較して重炭化水素の損失分を減少させる。
【００７９】
実施例２
この実施例は、実施例１のＲＣ‐ＰＳＡシステムの改造サイクルを説明する。この実施例では、図７のＲＣ‐ＰＳＡシステム７００が実施例１で説明した同一の供給物ガスを処理するために用いられている。各吸着剤床の構成は、実施例１と同一であり、フローチャネル寸法、吸着剤床長さ、吸着性材料、メソ細孔充填材等を含む。しかしながら、吸着剤床の数は、実施例１の場合の２つの均圧化ステップではなく、３つの均圧化ステップを利用した改造サイクルに対応するよう１４個から１６個に増大している。
この実施例に関する１６個の吸着剤床のサイクルスケジュールが図１２Ａ及び図１２Ｂに示されている。特定のステップについての表記は、実施例１で説明した図１０及び図１１の表記と同一である。図１２Ａ及び図１２Ｂでは、２つの群をなす吸着剤床が示されており、第１の群に属する吸着剤床は、シーケンスグラフ図の頂部に符号１〜８で示され、第２の群に属する吸着剤床は、シーケンスグラフ図の底部に符号９〜１６で示されている。図１２Ａは、参照符号Ｂで示されているように図１２Ｂと連続関係をなすシーケンスの一部分である。実施例１の場合と同様、供給物流、製品流、パージ流及びブローダウン流について連続した流れが提供されている。また、各吸着剤床のサイクルのタイミングは、床相互間均圧化を実施例１の場合と同様に実施することができるよう同期される。
【００８０】
サイクル中の３つの等圧化ステップでは、個々の吸着剤床は、２つだけの等圧化ステップで達成できる圧力パージ度よりも低い圧力パージ度まで減圧可能である。例えば、実施例１のパージステップは、２つの均圧化ステップ後、１９ｂａｒ‐ａで実施されるが、これに対し、この実施例のパージステップは、３つの均圧化ステップ後、１２．５ｂａｒ‐ａで実施される。その結果、パージステップに必要な全流量は、同じ速度が必要とされるので低いが、低い圧力に起因して必要とされる質量流量は低い。低い圧力と低い流量の両方により、パージ流に関する関連の圧縮機のサイズ及び電力消費量が減少する。
【００８１】
サイクル中のステップの各々に関する圧力及び流れ方向は、次の通りである。
ＦＤ：第１の吸着剤床からの５５ｂａｒ‐ａでのＣＯ2の吸着及び精製メタンの生産（並流）。
Ｅ１：第１の吸着剤床を約５５ｂａｒ‐ａから約３９ｂａｒ‐ａに減圧してガスを別の吸着剤床に送って約２６ｂａｒ‐ａから約３９ｂａｒ‐ａに加圧する（並流）。
Ｅ２：第１の吸着剤床を約３９ｂａｒ‐ａから約２６ｂａｒ‐ａに減圧してガスを別の吸着剤床に送って約１２．５ｂａｒ‐ａから約２６ｂａｒ‐ａに加圧する（並流）。
Ｅ３：第１の吸着剤床を約２６ｂａｒ‐ａから約１２．５ｂａｒ‐ａに減圧してガスを別の吸着剤床に送って約１ｂａｒ‐ａから約１２．５ｂａｒ‐ａに加圧する（並流）。
Ｐ：第１の吸着剤床を約１２．５ｂａｒ‐ａで９ｂａｒ‐ａでのステップＢＤ１からのガスの一部分でパージし、第１の吸着剤床は、パージ圧力に圧縮される。パージステップ中に吸着剤床から押し退けられたガスは、５５ｂａｒ‐ａに圧縮され、そして供給物導管に再循環される（並流）。
ＢＤ１：第１の吸着剤床を約１２．５ｂａｒ‐ａから約９ｂａｒ‐ａにブローダウンし又は減圧する。脱着したガスを酸性ガス圧縮機の第３段に排出する（向流）。
ＢＤ２：第１の吸着剤床を約９ｂａｒ‐ａから約３ｂａｒ‐ａにブローダウンし又は減圧する。脱着したガスを酸性ガス圧縮機の第２段に排出する（向流）。
ＢＤ３：第１の吸着剤床を約３ｂａｒ‐ａから約１ｂａｒ‐ａにブローダウンし又は減圧する。脱着したガスを酸性ガス圧縮機の第１段に排出する（向流）。
Ｒ３：ステップＥ３を行っている更に別の吸着剤床から引き出されたガスを用いて第１の吸着剤床を約１ｂａｒ‐ａから約１２．５ｂａｒ‐ａに再加圧する（向流）。
Ｒ２：ステップＥ２を行っている更に別の吸着剤床から引き出されたガスを用いて第１の吸着剤床を約１２．５ｂａｒ‐ａから約２６ｂａｒ‐ａに再加圧する（向流）。
Ｒ１：ステップＥ１を行っている更に別の吸着剤床から引き出されたガスを用いて第１の吸着剤床を約２６ｂａｒ‐ａから約３９ｂａｒ‐ａに再加圧する（向流）。
ＦＲ：供給物導管からのガスを用いて第１の吸着剤床を約３９ｂａｒ‐ａから約５５ｂａｒ‐ａに再加圧する（並流）。
【００８２】
サイクル中の各ステップの持続時間は、次の通りである。
ＦＤ：１．５秒間の吸着
Ｈ１：０．２５秒間の保持
Ｅ１：０．５秒間の減圧
Ｈ２：０．２５秒間の保持
Ｅ２：０．５秒間の減圧
Ｈ３：０．２５秒間の保持
Ｅ３：０．５秒間の減圧
Ｐ：０．７５秒間のパージ
Ｈ４：０．２５秒間の保持
Ｂ１：０．７５秒間のブローダウン
Ｂ２：１．５秒間のブローダウン
Ｂ３：２．０秒間のブローダウン
Ｈ５：０．２５秒間の保持
Ｒ２：０．５秒間の再加圧
Ｈ６：０．２５秒間の保持
Ｒ１：０．５秒間の再加圧
Ｈ７：０．２５秒間の保持
Ｒ３：０．５秒間の再加圧
ＦＲ：０．７５秒間の再加圧
【００８３】
関連の保持ステップと共に追加の均圧化及び再加圧ステップは、全サイクル時間を１２秒に増大させる。吸着ステップ持続時間は、吸着性材料のキネティクスに基づいて実施例１の場合と同一のままである。このサイクルのための再生ステップは、追加の均圧化及び再加圧ステップに起因して僅かに長い持続時間を必要とする。実施例１の場合と同様、均圧化ステップの全てに要する全時間間隔は、吸着ステップの１０倍未満、好ましくは５倍未満であることが好ましい。最も好ましくは、均圧化ステップの全てに要する全時間は、吸着ステップの全時間よりも短い。また、再加圧ステップの全てに要する全時間は、吸着ステップの全時間の１０倍未満、好ましくは５倍未満である。再加圧ステップの全てに要する全時間は、吸着ステップの全時間よりも短いことが最も好ましい。
【００８４】
吸着剤床の数が１４個からこの実施形態の場合の１６個に増大したが、単一のＲＣ‐ＰＳＡユニットの能力は、実施例１の場合の１５０ＭＳＣＦＤからこの実施例における約１７０ＭＳＣＦＤに比例的に増大した。約５．４％酸性ガスを含む約１２０ＭＳＣＦＤの精製メタン製品が生産され、メタン回収率は、この実施形態の場合約９８．６％に向上している。この実施例において、３つの均圧化ステップを利用した場合の利点は、パージ流量に関して明白であり、パージ流量は、実施例１の場合の２０．６ＭＳＣＦＤからこの実施例における１４．３ＭＳＣＦＤに減少した。パージに関する圧力の減少と共に流量の減少の結果として、関連の圧縮機器の電力消費量及びサイズの著しい減少が得られた。
【００８５】
実施例３
この実施例は、図８のＲＣ‐ＰＳＡシステム８００を用いた高圧での天然ガスからのＣＯ2及びＨ2Ｓの除去の仕方を示しており、この場合、９９％を超えるメタン回収率が予測され、１．５％未満のＣＯ2及び４ｐｐｍのＨ2Ｓを含む高純度製品流が生産される。図８の単純化されたプロセス流れ図を参照すると、２つのＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１，８２１が供給物流から汚染物質を除去するために種々の圧縮機８０８，８１４と共に利用されている。この実施例では、２つのＲＣ‐ＰＳＡシステムが直列に配置され、第１のＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１は、所要の純度の製品ガスを生じさせ、第２のＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１は、ＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１のブローダウン流からメタンを回収し、それによりシステム８００に関する全体的製品回収率が向上する。２つのＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１，８２１の各々は、弁及び管により互いに連結された１つ又は２つ以上の吸着剤床を有する。
【００８６】
ＣＯ2及びＨ2Ｓを含む天然ガス供給物流は、導管８０２を経て第１のＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１に入り、メタンが富化された精製製品流がＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１内の吸着剤床、弁及び管前後の圧力降下に起因して僅かに減少した圧力で導管８０３を経て出る。供給物流から除去された酸性ガスは、低圧で脱着され、排出ガスが導管８０７を経てユニットから出る。ＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１で高い製品純度を提供するため、製品流の一部分を導管８０４を経て取り出して圧力を減少させ、それにより吸着剤床８０１内の製品パージとして用いる。製品流中の酸性ガスの低い分圧により、吸着剤床からの酸性ガスの脱着を助ける駆動力が生じ、それにより次の吸着ステップの際に製品純度が高められる。製品パージステップからの出力は、導管８０６を経て出て第２のＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１内での処理のために導管８０７中の排出物と合流させる。この実施例では、導管８０２中に入る供給物ガスは、１２％ＣＯ2及び１００ｐｐｍＨ2Ｓを含み、４４ｂａｒ‐ａの圧力状態にある。導管８０３を経て出る製品ガスは、１．３％ＣＯ2及び約４ｐｐｍＨ2Ｓを含む。導管８０６，８０７内の酸性ガスは、約１．４ｂａｒ‐ａの圧力状態にある。
【００８７】
ＲＣ‐ＰＳＡシステム８００の製品回収率を高めるため、第１のＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１の排出物流中に含まれるメタン及び他の炭化水素を第２のＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１内で取り出す。第１のＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１から放出された酸性ガス及びメタンは、圧縮機８０８内での圧縮後に導管８０９を経て第２のＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１に流入する。酸性ガスは、ＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１中の供給物流から吸着され、導管８０１を経て出るメタンが富化された製品流は、ＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１内の吸着剤床、弁及び管前後の圧力降下に起因して僅かに低い圧力を有する。酸性ガスは、導管８１１を経て定圧で放出される。酸性ガスの一部分は、導管８１２を経て取り出されて圧縮機８１４内で圧縮され、それにより導管８１５を経てＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１に入る回収パージとして用いられる。この流れは、酸性ガスが富化されており、この流れは、吸着剤層中のフローチャネル及びボイド空間からメタンを掃過するために用いられ、それによりシステムの回収率が向上する。このパージステップからの出力は、導管８１６を経てＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１から出て導管８１０からの製品と合流し、導管８１７中の合流した流れは、燃料ガスのため又は施設内の他の目的のために用いられる回収炭化水素を含む。酸性ガスの残部は、ガス抜き又は圧縮及び再注入によって導管８１３を経て処分される。この実施例では、第２のＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１に入る供給物流は、４５ｂａｒ‐ａの圧力を有し、このような供給物流は、約４５％酸性ガス及び３５％メタンを含む。製品ガスは、約９２％メタン及び８％酸性ガスを含む。酸性ガス排出物は、約１．４ｂａｒ‐ａの圧力でユニットを出、回収パージステップは、約１１ｂａｒ‐ａで実施される。
【００８８】
各ＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１は、１０個の吸着剤床で構成され、これら吸着剤床の各々は、複数本のガスフローチャネルを含む構造化接触器で構成されている。この実施例では、ガスフローチャネルは、図１３Ａに示されているように実質的に正方形であり、２２５μｍの高さ１３０１及び２２５μｍの幅を有している。ガスフローチャネルの全長は、１．１ｍであり、各吸着剤床の全直径は、１．２ｍである。構造化接触器は、各セグメントが複数本のフローチャネルを有し、ガスが一セグメント中のフローチャネルから別個のセグメント中のフローチャネルまで順次流れるようその長さに沿ってセグメント化されているのが良い。接触器の長さに沿って１〜１０個のセグメントが設けられるのが良い。吸着ステップ中における吸着剤床の長さに沿う全圧力降下は、約１ｂａｒである。
【００８９】
構造化吸着剤接触器中のガスフローチャネルは、構造化接触器壁の少なくとも何分の一かの外側部分上に位置するのが良い吸着性材料を含む層で形成されている。この層は、メソ細孔充填材料を更に含むのが良く、このメソ細孔充填材料は、層中のボイド空間を約２０％以下まで減少させる。層の平均厚さは、図１３Ａでは１５０μｍであり寸法１３０２で示されている。この実施例では、２つの互いに異なる吸着性材料が高純度メタン製品を生じさせるようＨ2Ｓのほぼ完全な除去を可能にするために複合床中に利用されている。長さ０．１０ｍの吸着剤床の第１のセグメント内には、Ｈ2Ｓを選択的に吸着するアミン官能化吸着剤が利用されている。長さ１ｍの吸着剤床の残りのセグメント内には、ＣＯ2を吸着するために、ゼオライト、例えばＤＤＲが利用されている。図１３Ｂは、複合床１３１０の略図であり、官能化吸着剤を含む第１のセグメント１３１１及びＤＤＲを含む第２のセグメント１３１２を示している。入口及び出口導管がそれぞれ概略的に符号１３１４，１３１６で示されている。
【００９０】
第２のＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１は、１０個の吸着剤床で構成され、これら吸着剤床は、全直径が０．７ｍであることを除き上述の吸着剤床と同一である。他の全ての寸法及び材料は、ＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１の吸着剤床と同一である。
しかしながら、変形実施形態では、吸着性材料を互いに混合しても良く又は同一容器内で２つの別々の吸着剤床の形態をしていても良い。
【００９１】
汚染物質の吸着及びその後の吸着剤床の再生は、迅速連続サイクルで一連のステップを介して達成される。正確なステップ及びサイクルタイミングの選択は、供給物の組成、製品仕様、汚染要因物の処分及び全体的炭化水素回収率を含む幾つかの要因で決まる。第１のＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１の場合、単一の吸着剤床のサイクルステップが図１４Ａに示された吸着剤床の圧力と時間の関係を表すグラフ図を用いて示されている。吸着ステップ（ＦＤ）に加えて、５つの均圧化ステップ（Ｅ１〜Ｅ５）が行われ、次に単一のブローダウンステップ（Ｂ）、製品パージステップ（Ｐ）及び５つの再加圧ステップ（Ｒ１〜Ｒ５）が供給物再加圧ステップ（ＦＲ）と共に行われる。図１４Ａの個々のサイクルステップについて次のように詳細に説明する。
ＦＤ：吸着ステップ、天然ガスを４４ｂａｒ‐ａで供給し、第１の吸着剤床内で精製メタン（並流）を生じさせる。
Ｅ１：第１の吸着剤床を約４４ｂａｒ‐ａから約３５．９ｂａｒ‐ａに減圧してガスを別の吸着剤床に送って約２８．７ｂａｒ‐ａから約３５．９ｂａｒ‐ａに加圧する（並流）。
Ｅ２：第１の吸着剤床を約３５．９ｂａｒ‐ａから約２８．７ｂａｒ‐ａに減圧してガスを別の吸着剤床に送って約２２ｂａｒ‐ａから約２８．７ｂａｒ‐ａに加圧する（並流）。
Ｅ３：第１の吸着剤床を約２８．７ｂａｒ‐ａから約２２ｂａｒ‐ａに減圧してガスを別の吸着剤床に送って約１５．２４ｂａｒ‐ａから約２２ｂａｒ‐ａに加圧する（並流）。
Ｅ４：第１の吸着剤床を約２２ｂａｒ‐ａから約１５．２４ｂａｒ‐ａに減圧してガスを別の吸着剤床に送って約８．０５ｂａｒ‐ａから約１５．２４ｂａｒ‐ａに加圧する（並流）。
Ｅ５：第１の吸着剤床を約１５．２４ｂａｒ‐ａから約８．０５ｂａｒ‐ａに減圧してガスを別の吸着剤床に送って約１．４ｂａｒ‐ａから約８．０５ｂａｒ‐ａに加圧する（向流）。
ＢＤ１：第１の吸着剤床を約８．０５ｂａｒ‐ａから１．４ｂａｒ‐ａにブローダウンし又は減圧する。排出されるガスを圧縮機、例えば図９の圧縮機９０８に送り、この圧縮機は、第２のＲＣ‐ＰＳＡユニットにガスを送る（向流）。
Ｐ：約１．４ｂａｒ‐ａの第１の吸着剤床を２．５ｂａｒ‐ａの製品ガスでパージする。パージからの出力をブローダウンステップからの排出ガスと合流させ、４５ｂａｒ‐ａまで圧縮して第２のＲＣ‐ＰＳＡユニットに送る。
Ｒ５：更に別の吸着剤床のＥ５ステップからのガスを用いて第１の吸着剤床を約１．４ｂａｒ‐ａから約８．１ｂａｒ‐ａに再加圧する（向流）。
Ｒ４：更に別の吸着剤床のＥ４ステップからのガスを用いて第１の吸着剤床を約８．１ｂａｒ‐ａから約１５．２ｂａｒ‐ａに再加圧する（向流）。
Ｒ３：更に別の吸着剤床のＥ３ステップからのガスを用いて第１の吸着剤床を約１５．２ｂａｒ‐ａから約２２ｂａｒ‐ａに再加圧する（向流）。
Ｒ２：更に別の吸着剤床のＥ２ステップからのガスを用いて第１の吸着剤床を約２２ｂａｒ‐ａから約２８．７ｂａｒ‐ａに再加圧する（向流）。
Ｒ１：更に別の吸着剤床のＥ１ステップからのガスを用いて第１の吸着剤床を約２８．７ｂａｒ‐ａから約３５．９ｂａｒ‐ａに再加圧する（向流）。
ＦＲ：供給物ガスを用いて第１の吸着剤床を約３５．９ｂａｒ‐ａから約４４ｂａｒ‐ａに再加圧する（並流）。
【００９２】
第１のＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１のサイクルに関する代表的なスケジュールは、次の通りである。
ＦＤ：３秒間の吸着
Ｈ１：０．２５秒間の保持
Ｅ１：０．５秒間の減圧
Ｈ２：０．２５秒間の保持
Ｅ２：０．５秒間の減圧
Ｈ３：０．２５秒間の保持
Ｅ３：０．５秒間の減圧
Ｈ４：０．２５秒間の保持
Ｅ４：０．５秒間の減圧
Ｈ５：０．２５秒間の保持
Ｅ５：０．５秒間の減圧
Ｈ６：０．２５秒間の保持
ＢＤ１：１．２５秒間のブローダウン
Ｈ７：０．２５秒間の保持
Ｐ：２秒間のパージ
Ｈ８：０．２５秒間の保持
Ｒ５：０．５秒間の再加圧
Ｈ９：０．２５秒間の保持
Ｒ４：０．５秒間の再加圧
Ｈ１０：０．２５秒間の保持
Ｒ３：０．５秒間の再加圧
Ｈ１１：０．２５秒間の保持
Ｒ２：０．５秒間の再加圧
Ｈ１２：０．２５秒間の保持
Ｒ１：０．５秒間の再加圧
Ｈ１３：０．２５秒間の保持
ＦＲ：０．５秒間の再加圧
【００９３】
上述したステップに関する全サイクル時間は、第１のＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１に関して１５秒である。この実施形態における第１のＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１に関する吸着持続時間は、上述の実施例の場合の１．５秒と比較して、３秒まで延ばされている。と言うのは、この実施例では、大きな吸着剤結晶サイズ又は粒度が前提となっているからである。その結果、ゼオライト結晶中へのメタン及びＣＯ2の拡散は低く、メタンよりもＣＯ2に対する高い反応速度論的選択性が３秒以内に依然として達成される。
【００９４】
第２のＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１に関し、図１４Ｂに示されているように異なるサイクルが用いられ、図１４Ｂは、サイクル中の一吸着剤床に関する圧力と時間の関係のグラフ図である。このサイクルでは、吸着ステップ（ＦＤ）に続き２つの均圧化ステップ（Ｅ１，Ｅ２）、回収パージステップ（Ｐ）、単一ブローダウンステップ（Ｂ）、２つの減圧ステップ（Ｒ１，Ｒ２）及び供給物減圧ステップ（ＦＲ）が行われる。サイクルステップ及び図１４Ｂのこれ以上の詳細を次のように説明する。
ＦＤ：吸着ステップ、第１のＲＣ‐ＰＳＡシステムからの圧縮排出ガスを供給して（並流）
Ｅ１：第１の吸着剤床を約４５ｂａｒ‐ａから約２６．１ｂａｒ‐ａに減圧してガスを別の吸着剤床に送って約１２．７ｂａｒ‐ａから約２６．１ｂａｒ‐ａに加圧する（並流）。
Ｅ２：第１の吸着剤床を約２６．１ｂａｒ‐ａから約１２．７ｂａｒ‐ａに減圧してガスを別の吸着剤床に送って約１．４ｂａｒ‐ａから約１２．７ｂａｒ‐ａに加圧する（並流）。
Ｐ：約１１．７ｂａｒ‐ａの第１の吸着剤床を１．４ｂａｒ‐ａの別の吸着剤床からのステップＢＤ１に由来するガスでパージし、これを１２．７ｂａｒ‐ａまで圧縮する。
ＢＤ１：第１の吸着剤床を約１１．７ｂａｒ‐ａから約１．４ｂａｒ‐ａにブローダウンし又は減圧する（向流）。脱着したガスを処分手段（ガス抜き又は注入のための圧縮）に差し向ける。
Ｒ２：更に別の吸着剤床のＥ２ステップからのガスを用いて第１の吸着剤床を約１．４ｂａｒ‐ａから約１２．７ｂａｒ‐ａに再加圧する（向流）。
Ｒ１：更に別の吸着剤床のＥ１ステップからのガスを用いて第１の吸着剤床を約１２．７ｂａｒ‐ａから約２６．１ｂａｒ‐ａに再加圧する（向流）。
ＦＲ：供給物ガスを用いて第１の吸着剤床を約２６．１ｂａｒ‐ａから約４５ｂａｒ‐ａに再加圧する（並流）。
【００９５】
第２のＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１のサイクルに関する代表的なスケジュールは、次の通りである。
ＦＤ：１．５秒間の吸着
Ｈ１：０．２５秒間の保持
Ｅ１：０．５秒間の減圧
Ｈ２：０．２５秒間の保持
Ｅ２：０．５秒間の減圧
Ｈ３：０．２５秒間の保持
Ｐ：０．５秒間のパージ
Ｈ４：０．２５秒間の保持
ＢＤ１：１．２５秒間のブローダウン
Ｈ５：０．２５秒間の保持
Ｒ２：０．５秒間の再加圧
Ｈ６：０．２５秒間の保持
Ｒ１：０．５秒間の再加圧
Ｈ７：０．２５秒間の保持
ＦＲ：０．５秒間の再加圧
【００９６】
上述のステップの全サイクル時間は、第２のＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１に関して７．５秒である。このユニットに関する吸着持続時間は、先の実施例の場合と同様１．５秒である。
【００９７】
ＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１，８０２の両方に関し、吸着剤床の各々のタイミングは、供給物流、製品流、ブローダウン流及びパージ流が連続しているように同期される。第１のＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１中の全部で１０個の吸着剤床に関するサイクルスケジュールが図１５Ａ及び図１５Ｂに示されている。特定のステップに関する表記は、図１４Ａの表記と同一であり、Ｈで示された保持ステップが追加されている。図１５Ａ及び図１５Ｂでは、２つの群をなす吸着剤床が示されており、第１群に属する吸着剤床は、シーケンスグラフの頂部に１〜５で示され、第２群に属する吸着剤床は、シーケンスグラフの底部に６〜１０で示されている。図１５Ａは、参照符号Ｃで示されているように、図１５Ｂと連続関係にあるシーケンスの一部分である。任意所与の時点において、２つの吸着剤床は、吸着ステップを実施しており、この場合、酸性ガスが精製メタン製品を生じさせるよう供給物流から取り出される。各吸着剤床に関するサイクルのタイミングは、連続供給物及び製品流が達成されるようステージングされる。例えば、図１５Ａの床２は、床１が吸着ステップを停止した直後に吸着ステップ（ＦＤで示されている）の開始等をする。同様に、パージステップ及びブローダウン流に関して連続した流れが酸性ガス圧縮機に提供される。吸着剤床相互間のサイクルのタイミングも又、１つの床に関する第１の均圧化ステップＥ１が別の床の再加圧ステップＲ１と一致して減圧ステップ中に取り出されたガスが別の床を再加圧するために用いられるよう同期される。例えば、図１５Ａの吸着剤床７は、吸着剤床２が再加圧ステップＲ１を行うのと同時に均圧化ステップＥ１を行う。
【００９８】
第２のＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１に関するサイクルスケジュールが図１６に示されており、このサイクルスケジュールは、図１５Ａ及び図１５Ｂにおいて上述した特徴と同一の特徴を有し、連続供給物流、製品流、ブローダウン流及びパージ流を含む。これらステップに関する表記は、図１４Ｂに関して説明した表記と同一であり、図１６ではＨで示された保持ステップが追加されている。
【００９９】
上述したパラメータを用いてこの実施形態において説明したＲＣ‐ＰＳＡシステムの性能をサイクルのシミュレーションにより予測した。結果は、以下の表１にまとめられている。この実施形態で説明した特徴、例えば直列ＰＳＡ配置、メソ細孔充填材及び回収パージの組み合わせにより、９９．４％という高い製品回収率が得られる。さらに、１．５％未満のＣＯ2及び４ｐｐｍ未満のＨ2Ｓを含む高純度製品が１つには、例えば選択的Ｈ2Ｓ吸着剤及び反応速度論的に選択性を示すＣＯ2吸着剤を含む複合床及び製品パージステップを含む特徴の組み合わせに起因して得られる。
【０１００】
【表１】
0006035553.tif 000002
【０１０１】
このＲＣ‐ＰＳＡシステムから結果として得られる純度は、ＣＯ2及びＨ2Ｓがこのプロセス中、２つの極めて異なる程度で除去されているので予想外であることに注目されるべきである。ＣＯ2は、１２％から１．５％に除去され、これは、８倍の減少率である。Ｈ2Ｓは、１００ｐｐｍから２４ｐｐｍに減少し、これは、２５倍の減少率である。この結果は、サイクルステップ及び流れ方向の適切な選択と共に複合床の使用により達成されている。供給物ガスからのＨ2Ｓは、複合床の第１のセグメント中に吸着され、ＣＯ2は、第１のセグメント中では無視できるほど吸着されるが、複合床の第２のセグメント中では強力に吸着される。脱着ステップ中、第２のセグメントからのＣＯ2は、複合床の第１のセグメントを超えて向流方向に流れる。第２のセグメントから脱着されるＣＯ2中にはＨ2Ｓが実質的に存在しないので、このガス流は、第１のセグメントの分圧パージを提供し、その結果吸着剤床の第１のセグメント中のＨ2Ｓの量が極めて少なくなり、それにより実質的にＨ2Ｓのない高純度製品ガスを次の吸着ステップで得ることができる。この結果は又、Ｈ2Ｓ選択性吸着剤が床の長さ全体に沿ってＣＯ2吸着剤と均等に分布して配置される場合であっても達成できる。
【０１０２】
実施例４
この実施例は、実施例３と同一のＲＣ‐ＰＳＡシステムに関するが、２つの改造が施されており、即ち、１）床間均圧に代えて均圧化容器が利用されており、２）大径吸着剤床が用いられている。これら改造の結果として、ＲＣ‐ＰＳＡシステムの生産性及び性能が向上している。
【０１０３】
均圧化容器の使用により、各均圧化ステップに要する時間が短縮され、それにより全サイクル時間が短縮される。システム中の各吸着剤床について５回の均圧化ステップの各々について１つの独立した圧力容器が提供されている。これら均圧化容器は、１つに又は吸着剤床に直接連結されている。減圧ステップ中に吸着剤床から取り出されるガスは、均圧化タンク内に一時的に貯蔵され、そして、同一の吸着剤床の再加圧のためのサイクルの際に後で用いられる。管及び弁に関する距離が専用均圧化タンクの使用により短くなるので、吸着剤床と均圧化タンクとの間の均圧化ステップに関する時間間隔が代表的には、２つの吸着剤床相互間の均圧化に必要な時間よりも短く、したがって全サイクル時間を短縮することができ、それにより生産性が向上する。ＲＣ‐ＰＳＡシステムのサイズ及び重量も又減少する。
【０１０４】
この実施例における吸着剤床は、実施例３で説明した吸着剤床と同一であり、吸着剤床及びガスフローチャネル寸法、吸着剤材料及び複合床を含む。唯一の例外は、第２のＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１中の吸着剤床の直径が１．１６ｍまで増大されていることである。
【０１０５】
同一の一連のサイクルステップが実施例３の場合と同様各ＲＣ‐ＰＳＡユニットについて利用されている。しかしながら、均圧化容器の使用に起因してサイクル時間が短いことに鑑みて、各ＲＣ‐ＰＳＡユニットについて異なる数の吸着剤床が用いられている。第１のＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１は、１６個の吸着剤床を必要とし、第２のＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１は、５つの吸着剤床を必要としている。第１のＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１に関するサイクルスケジュールが図１７に示され、第２のＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１に関するサイクルスケジュールが図１８に示されている。先の実施例の場合と同様、連続した供給物と製品の流れが提供されている。しかしながら、吸着剤床相互間の同期に関する要件は、吸着剤容器相互間のガスの移動が均圧化タンクの使用によりなくなるので緩和されている。かくして、第１のＲＣ‐ＰＳＡユニットを床について４つのバンクをなした状態で作動させることができ、各バンクは、図１７に示されているのと同一のサイクルスケジュールを実行する。
【０１０６】
第１のＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１に関するサイクルステップの時間間隔は、以下の表２に示されている。
【０１０７】
【表２】
0006035553.tif 000003
【０１０８】
第１のＲＣ‐ＰＳＡユニット８０１に関する全サイクル時間は、１０．３秒である。第２のＲＣ‐ＰＳＡユニット８２１に関する全サイクル時間は、サイクルステップの時間間隔の表３において以下に示されているように６．７秒である。
【０１０９】
【表３】
0006035553.tif 000004
【０１１０】
上述したパラメータを用いてこの実施形態において説明したＲＣ‐ＰＳＡシステムの性能をサイクルのシミュレーションにより予測した。結果は、以下の表４にまとめられている。この実施形態で説明した特徴、例えば直列ＰＳＡ配置、メソ細孔充填材及び回収パージの組み合わせにより、９９．４％という高い製品回収率が得られる。さらに、１．５％未満のＣＯ2及び４ｐｐｍ未満のＨ2Ｓを含む高純度製品が１つには、例えば選択的Ｈ2Ｓ吸着剤及び反応速度論的に選択性を示すＣＯ2吸着剤を含む複合床及び製品パージステップを含む特徴の組み合わせに起因して得られる。
【０１１１】
この実施例におけるＲＣ‐ＰＳＡシステムの結果として得られる性能は、以下の表４にまとめられている。先の実施例の場合と同様、９９％を超えるメタン回収率が達成されている一方で、１．５％ＣＯ2及び約１ｐｐｍＨ2Ｓを含む高純度製品ガスが得られた。この実施形態のＲＣ‐ＰＳＡシステムの能力は、１７０ＭＳＣＦＤであり、これは、実施例３の同様なシステムの能力の２倍を超える。この実施例に関する生産性の向上は、均圧化タンクの使用に起因している。大規模ガス処理施設の場合、この実施例における向上の結果として、酸性ガス除去のための機器のコスト及びサイズの相当な減少が得られる。
【０１１２】
【表４】
0006035553.tif 000005
【０１１３】
実施例５
本発明において説明している特徴の種々の組み合わせを利用して実施例３及び実施例４で説明した天然ガス供給物流をＲＣ‐ＰＳＡシステムで処理することができる。考えられる一実施形態は、この実施例に記載されており、この場合、単一のＲＣ‐ＰＳＡユニットは、高いメタン回収率を達成しながら１．５％未満のＣＯ2及び４ｐｐｍ未満のＨ2Ｓを含む高純度メタンを生じさせるために用いられる。高い製品純度及び高いメタン回収率は、他の特徴、例えば回収パージ、複合床、メソ細孔充填材及びデュアル吸着性材料と組み合わせて真空再生を用いて達成される。図９は、ＲＣ‐ＰＳＡシステム９００の単純化されたプロセス流れ図であり、この場合、ＲＣ‐ＰＳＡユニット９１０は、種々の導管９０１〜９０５及び関連圧縮機９０６ａ，９０６ｂと流体連通状態にある。システム９００は、以下において説明する種々のサイクルステップを実施するようシステムを通る流体の流れを管理するよう相互連結されている。
【０１１４】
この実施例では、導管９０２からの再循環流と合流されている場合がある導管９０１からの天然ガスを含む供給物流が導管９０３を介してＲＣ‐ＰＳＡシステム９１０に提供される。メタン富化精製製品流は、ＲＣ‐ＰＳＡシステム９１０の内側に位置する吸着剤床、弁及び管前後の圧力降下に起因して僅かに減少した圧力で導管９０４を介してＲＣ‐ＰＳＡシステム９１０を出る。入口導管９０１内の供給物ガスは、１２％ＣＯ2及び１００ｐｐｍＨ2Ｓを含み、このような供給物ガスは、約８５ｂａｒの圧力を有する。導管９０４内の製品流は、ＲＣ‐ＰＳＡユニット９１０内で１．５％ＣＯ2及び１ｐｐｍ未満のＨ2Ｓまで精製される。酸性ガスが吸着剤床から脱着され、この酸性ガスは、圧縮機９０６ａに連結された導管を通ってＲＣ‐ＰＳＡユニット９１０を出て、圧縮機９０６ａは、約０．５ｂａｒ‐ａの圧縮機吸引力で真空圧力を及ぼす。酸性ガスは、圧縮機９０６ａ内で約２０ｂａｒ‐ａまで圧縮され、この流れの一部分は、ＲＣ‐ＰＳＡシステム９１０での回収パージに用いられるよう導管９０５を経て取り出される。この流れは、酸性ガスに富んでおり、この流れは、吸着剤床の吸着剤層中のフローパネル及びボイド空間からメタンを掃過するために用いられ、それによりＲＣ‐ＰＳＡシステムの製品回収率が増大する。このパージの出力は、圧縮機９０６ｂ内に集められて圧縮される。パージ出口流は、メタンに富んでおり、このようなパージ出口流は、種々の目的、例えば燃料ガスに使用可能である。この実施例では、少なくとも一部分は、再循環により導管９０２を経てＲＣ‐ＰＳＡユニット９１０の出口に戻され、残部は、施設内のどこかほかの場所で用いられる。回収パージに用いられなかった酸性ガス流の部分は、更に圧縮され、再注入又は他の方法によって処分のために送られる。
【０１１５】
各ＲＣ‐ＰＳＡユニット９１０は、１２個の吸着剤床で構成され、これら吸着剤床の各々は、複数本のガスフローチャネルを含む構造化接触器で構成されている。この実施例では、ガスフローチャネルは、図１３Ａに示されているように正方形であり、２２５μｍの高さ１３０１及び２２５μｍの幅を有している。ガスフローチャネルの全長は、１．１ｍであり、各吸着剤床の全直径は、１．２ｍである。構造化接触器は、各セグメントが複数本のフローチャネルを有し、ガスが一セグメント中のフローチャネルから別個のセグメント中のフローチャネルまで順次流れるようその長さに沿ってセグメント化されているのが良い。接触器の長さに沿って１〜１０個のセグメントが設けられるのが良い。吸着ステップ中における吸着剤床の長さに沿う全圧力降下は、約１ｂａｒである。
【０１１６】
構造化吸着剤接触器中のガスフローチャネルは、構造化接触器壁の少なくとも何分の一かの外側部分上に位置するのが良い吸着性材料を含む層で形成されている。この層は、メソ細孔充填材料を更に含むのが良く、このメソ細孔充填材料は、層中のボイド空間を約２０％以下まで減少させる。層の平均厚さは、図１３Ａでは１５０μｍであり寸法１３０２で示されている。この実施例では、２つの互いに異なる吸着性材料が高純度メタン製品を生じさせるようＨ2Ｓのほぼ完全な除去を可能にするために複合床中に利用されている。長さ０．１０ｍの吸着剤床の第１のセグメント内には、Ｈ2Ｓを選択的に吸着するアミン官能化吸着剤が利用されている。長さ１ｍの吸着剤床の残りのセグメント内には、ＣＯ2を吸着するために、ゼオライト、例えばＤＤＲが利用されている。図１３Ｂは、複合床１３１０の略図であり、官能化吸着剤を含む第１のセグメント１３１１及びＤＤＲを含む第２のセグメント１３１２を示している。入口及び出口導管がそれぞれ概略的に符号１３１４，１３１６で示されている。
【０１１７】
汚染物質の吸着及びその後の吸着剤床の再生は、迅速連続サイクルで一連のステップを介して達成される。正確なステップ及びサイクルタイミングの選択は、供給物の組成、製品仕様、汚染要因物の処分及び全体的炭化水素回収率を含む幾つかの要因で決まる。第１のＲＣ‐ＰＳＡユニット９１０の場合、単一の吸着剤床のサイクルステップが図１９に示された吸着剤床の圧力と時間の関係を表すグラフ図を用いて示されている。吸着ステップ（ＦＤ）に加えて、５つの均圧化ステップ（Ｅ１〜Ｅ５）が行われ、次に回収パージステップ（Ｐ）、単一のブローダウンステップ（Ｂ）、５つの再加圧ステップ（Ｒ１〜Ｒ５）、供給物再加圧ステップ（ＦＲ）が行われる。図１９の個々のサイクルステップについて次のように詳細に説明する。
ＦＤ：８５ｂａｒ‐ａでの天然ガスからの酸性ガスの吸着及び吸着剤床からの精製メタン（並流）の生産。
Ｅ１：吸着剤床を８５ｂａｒ‐ａから約７３ｂａｒ‐ａまで減圧し、ガスを均圧化タンクＭ１に送る。
Ｅ２：吸着剤床を約７３ｂａｒ‐ａから５９ｂａｒ‐ａまで減圧し、ガスを均圧化タンクＭ２に送る。
Ｅ３：吸着剤床を約５９ｂａｒ‐ａから約４５ｂａｒ‐ａまで減圧し、ガスを均圧化タンクＭ３に送る。
Ｅ４：吸着剤床を約４５ｂａｒ‐ａから約３６ｂａｒ‐ａまで減圧し、ガスを均圧化タンクＭ４に送る。
Ｅ５：吸着剤床を約３６ｂａｒ‐ａから約２０ｂａｒ‐ａまで減圧し、ガスを均圧化タンクＭ５に送る。
Ｐ：２１ｂａｒ‐ａまで圧縮された１．４ｂａｒ‐ａのステップＢＤ１からのガスで吸着剤床を約２０ｂａｒ‐ａでパージする。このステップにおいて吸着剤床から押し退けられたガスは、それにより燃料ガス又はＲＣ‐ＰＳＡユニットの供給部への再循環を含む種々の使用のために集められて圧縮される。
ＢＤ１：吸着剤床を約２０ｂａｒ‐ａから約０．５ｂａｒ‐ａにブローダウンし又は減圧する。排出されたガスは、圧縮機の第１段に導かれる。このような流れの一部分は、２１ｂａｒ‐ａの圧縮後に所要のパージのために用いられる。
Ｒ５：第１の吸着剤床をＭ５からのガスで約０．５ｂａｒ‐ａから約２０ｂａｒ‐ａまで再加圧する。
Ｒ４：第１の吸着剤床をＭ４からのガスで約２０ｂａｒ‐ａから約３６ｂａｒ‐ａまで再加圧する。
Ｒ３：第１の吸着剤床をＭ３からのガスで約３６ｂａｒ‐ａから約４５ｂａｒ‐ａまで再加圧する。
Ｒ２：第１の吸着剤床をＭ２からのガスで約４５ｂａｒ‐ａから約５９ｂａｒ‐ａまで再加圧する。
Ｒ１：第１の吸着剤床をＭ１からのガスで約７３ｂａｒ‐ａから約８５ｂａｒ‐ａまで再加圧する。
【０１１８】
この実施例におけるサイクルの代表的なスケジュールは、次の通りである。
ＦＤ：３秒間の吸着
Ｈ１：０．１秒間の保持
Ｅ１：０．２秒間の減圧
Ｈ２：０．１秒間の保持
Ｅ２：０．２秒間の減圧
Ｈ３：０．１秒間の保持
Ｅ３：０．２秒間の減圧
Ｈ４：０．１秒間の保持
Ｅ４：０．２秒間の減圧
Ｈ５：０．１秒間の保持
Ｅ５：０．２秒間の減圧
Ｈ６：０．１秒間の保持
Ｐ：１．３秒間のパージ
Ｈ７：０．１秒間の保持
ＢＤ１：１．２秒間のブローダウン
Ｈ８：０．１秒間の保持
Ｒ５：０．２秒間の再加圧
Ｈ９：０．１秒間の保持
Ｒ４：０．２秒間の再加圧
Ｈ１０：０．１秒間の保持
Ｒ３：０．２秒間の再加圧
Ｈ１１：０．１秒間の保持
Ｒ２：０．２秒間の再加圧
Ｈ１２：０．１秒間の保持
Ｒ１：０．２秒間の再加圧
Ｈ１３：０．１秒間の保持
ＦＲ：０．２秒間の再加圧
【０１１９】
上述のステップに関する全サイクル時間は、９秒である。均圧化容器を用いると、均圧化ステップの持続時間は、種々の実施例と比較すると減少しており、したがって、全サイクル時間が減少している。その結果、吸着剤床の生産性が増大する。と言うのは、全サイクル時間の大部分が吸着に費やされるからである。したがって、連続供給物及び製品流に必要な吸着剤床が少ない。この実施例では、連続流のために必要な吸着剤床３つに過ぎない。と言うのは、各床は、時間の１／３の間吸着に費やされるからである。ＲＣ‐ＰＳＡユニット９１０全体を図２０に示されている同一のサイクルスケジュールで動作する４つの組をなす３つの床で作動させることができる。これらステップに関する調停的操作は、図１９について説明した調停的操作と同一であり、図１６にＨで示された保持ステップが追加されている。この形態では、任意所与の時点で４つの吸着剤床が吸着ステップで用いられる。均圧化容器が用いられているので、各吸着剤床は、別個独立に働き、互いに異なる吸着床に関するサイクルのタイミングは、吸着剤床相互間の均圧化を可能にするようには同期されない。吸着剤床の同期は、連続供給物及び製品流を提供する場合に必要であるに過ぎない。
【０１２０】
この実施例において説明したＲＣ‐ＰＳＡシステムの性能は、上述のパラメータを用いてサイクルのシミュレーションにより予測される。結果は、以下の表５に示されている。この実施例における特徴の組み合わせの結果として、９９％を超える高い製品回収率を達成しながら１．５％ＣＯ2及び１ｐｐｍ未満のＨ2Ｓを含む高純度製品流が得られる。真空再生と他の特徴、例えば回収パージ、メソ細孔充填材料及び均圧化タンクを組み合わせることによって、この実施例において説明したＲＣ‐ＰＳＡシステムは、実施例３及び実施例４で説明したＲＣ‐ＰＳＡシステムとほぼ同じ純度及び回収率を達成するが、生産率は、１９３ＭＳＣＦＤまで増大し、吸着剤床の数は、大幅に減少している。その結果、酸性ガス除去施設のコスト及びサイズは、同一の製品純度が得られる従来型ＰＳＡ又は他の技術のコスト及びサイズと比較して大幅に小さい。
【０１２１】
【表５】
0006035553.tif 000006
【０１２２】
この実施例における幾つかの特徴により、ＲＣ‐ＰＳＡシステムについて非自明な結果の達成が可能である。上述したように、ＣＯ2及びＨ2Ｓは、この方法で極めて異なる程度に減少している。ＣＯ2は、１２％から１．５％に減少し、これは、８倍の減少率である。Ｈ2Ｓは、１００ｐｐｍから１ｐｐｍに減少しており、これは１００倍の減少率である。この結果は、サイクルステップ及び流れ方向の適切な選択と共に複合床の使用により達成されている。供給物ガスからのＨ2Ｓは、複合床の第１のセグメント中に吸着され、ＣＯ2は、第１のセグメント中では無視できるほど吸着されるが、複合床の第２のセグメント中では強力に吸着される。脱着ステップ中、第２のセグメントからのＣＯ2は、複合床の第１のセグメントを超えて向流方向に流れる。第２のセグメントから脱着されるＣＯ2中にはＨ2Ｓが実質的に存在しないので、このガス流は、第１のセグメントの分圧パージを提供し、その結果、吸着剤床の第１のセグメント中のＨ2Ｓの量が極めて少なくなり、それにより実質的にＨ2Ｓのない高純度製品ガスを次の吸着ステップで得ることができる。同じ結果は、ＣＯ2及びＨ2Ｓ選択性吸着剤の混合物を含む複合床で得ることができる。しかしながら、Ｈ2Ｓを同程度まで減少させるのにセグメント化複合床と比較して、Ｈ2Ｓ選択性吸着剤とＣＯ2選択性吸着剤の大きな比が必要である。実施例５の場合、Ｈ2Ｓ選択性吸着剤とＣＯ2選択性吸着剤の比は、セグメント化複合床について１：９であり、製品中のＨ2Ｓを１ｐｐｍまで減少させるためにＨ2Ｓ選択性吸着剤とＣＯ2選択性吸着剤が互いに混ぜ合わされた複合床については、２：８である。供給物ガスからのＨ2Ｓは、実質的に、吸着剤床の自由端部の近くでＨ2Ｓ選択性吸着剤により吸着される。供給物ガスからのＣＯ2は、実質的に、ＣＯ2選択性吸着剤によって吸着され、ＣＯ2フロントは、複合床中においてＨ2Ｓフロントを追い越す。脱着ステップ中、ＣＯ2は、向流方向で脱着し、それにより、吸着剤床の自由端部の近くでのＨ2Ｓの脱着のための分圧パージとなる。
【０１２３】
また、複合吸着剤床の供給物側部と生産側部の両方からブローダウンを実施することができ、それによりブローダウン時間が短縮されると共に製品回収率及び純度が向上する。
【０１２４】
ＲＣ‐ＰＳＡシステムの別の最適化が性能を向上させるために想定できる。例えば、均圧化容器の容積を増大させ又は均圧化ステップの数を増大させることにより回収パージ圧力を減少させることができる。パージ圧力を可能な限り最低のレベルまで減少させることができ、その後、汚染物質の相当な量の脱着が吸着剤床から起こる。パージ流の圧力を減少させると、所要の流量が減少する。と言うのは、パージ流の圧力を減少させると、一定の容積をパージステップで掃過しなければならないので、所要の流量が減少し、低い圧力の結果として、質量流量が少なくなる。低圧と低質量流量の組み合わせの結果として、関連の圧縮機器のコスト、サイズ及び電力消費量が大幅に減少する場合がある。
【０１２５】
別の最適化は、全体的な酸性ガス圧縮電力消費量を最小限に抑えるよう選択された圧力レベルでの多数回のブローダウンステップの利用である。実施例１及び実施例２で説明したように、各ブローダウンステップのための絶対圧力は、酸性ガス圧縮機のための動作圧力比に一致するよう酸の比の状態にある。真空再生が行われる多数回のブローダウンステップの使用は、これにより真空圧縮段のサイズが減少するので特に有用である。この実施例では、酸性ガスの一部分だけを０．５ｂａｒ‐ａで排出することができ、残部を１．５ｂａｒ‐ａ及び４．５ｂａｒ‐ａで排出することができる。酸性ガス圧縮のための関連の電力消費量が減少し、真空圧縮機及び関連の管のサイズも又著しく減少する。
【０１２６】
実施例３〜実施例５は、高い製品回収率で高純度ガスを生じさせるよう多様な条件について使用できる。
【０１２７】
１つ又は２つ以上の実施形態では、システムは、汚染物質が汚染物質しきい値を超えた場合、供給物流から酸性ガス（ＣＯ2及びＨ2Ｓ）の１つ又は２つ以上の成分を除去するよう利用できる。例えば、３５０ｐｓｉｇ（２４１３ｋＰａｇ）よりも高い圧力状態の供給物流、例えば天然ガスの場合、供給物流は、汚染物質しきい値を超えて汚染物質を含む場合がある。汚染物質の実施例は、１〜８０ｍｏｌ％のＣＯ2及び１ｍｏｌ％未満のＨ2Ｓ、好ましくは１ｍｏｌ％未満、好ましくは０．５ｍｏｌ％未満、更により好ましくは０．０７５ｍｏｌ％未満のＨ2Ｓを含む場合がある。４ｍｏｌ％未満のＣＯ2及び１０ｐｐｍ未満のＨ2Ｓ、好ましくは４ｐｐｍ未満のＨ2Ｓ、更により好ましくは１ｐｐｍ未満のＨ2Ｓを含む高純度製品ガスが製造される。分離中、９０％を超え、好ましくは９５％を超え、更により好ましくは９７％を超える高いメタン回収率が得られる。
【０１２８】
１つ又は２つ以上の実施形態では、システムは、高圧での供給物流から酸性ガス（ＣＯ2及びＨ2Ｓ）の１つ又は２つ以上の成分を除去するために利用できる。例えば、供給物圧力は、３５０ｐｓｉｇ（２４１３ｋＰａｇ）を超え、５００ｐｓｉｇ（３４４７ｋＰａｇ）を超え又は６００ｐｓｉｇを超える圧力であるのが良い。他の例示のとしての供給物圧力は、２０ｂａｒ‐ａを超え、３０ｂａｒ‐ａを超え又は４０ｂａｒ‐ａを超える圧力を含む場合がある。
【０１２９】
例示の炭化水素処理装置が図２１及び図２２に示されている。図２１は、スイング吸着システム２１００の平面図であり、図２２は、スイング吸着システム２２００の部分側面図であり、或る特定の吸着剤床組立体が分かりやすくするために省かれている。この装置は、１４個の吸着剤床組立体を含むコンパクトなスイング吸着システム２１００である。１４個の吸着剤床組立体は、２つの層をなして積み重ねられており、頂部吸着剤床組立体２１０１〜２１０７が図２１に示されている。回転弁組立体２１０８が回転弁を備えた円筒形ハウジング内に同心状に収納されており、回転弁は、隣接の吸着剤床組立体に対して等距離を置いて位置決めされている。円筒形ハウジングは、更に、複数個のこのような吸着剤床組立体、導管及び弁を多段レベル配列状態で支持する手段として働いている。ガス状流が容器ヘッド上に設けられた中央回転弁と１つ又は２つ以上の往復動弁の両方により所与の吸着剤床中に移送される。ガス状流は、一定の導管を介して往復動弁か回転弁かのいずれかのポート相互間の双方向移動性を有する。次のガス状流の移送持続時間は、所定の吸着サイクルによって制限されると共に定められる。
【０１３０】
図２１及び図２２に示されている装置の別の特徴は、往復動弁の作動機構体を協調させて回転弁それ自体上の幾つかの所定の物理的場所で往復動弁が開くか閉じるかのいずれかをするようにする方法に関する。この実施形態では、吸着サイクルに関し、それぞれの弁の開放ポートと閉鎖ポートとの間の正確な作動可能な協調を再現する確実且つ繰り返し可能な手段が提供される。この実施形態は、受け入れ場所として割り当てられた固定磁石と整列する送り渡し場所として割り当てられた移動磁石を用いる。磁石相互間の発生磁束信号は、指定された期間の間、所与の往復動弁の専用機械化駆動装置を作動させる。磁束信号を発生させたりその変化を読み取ったりする技術は、科学的にはホール効果として認識されている。図２１及び図２２に示されている炭化水素処理装置は、多種多様な形態で具体化できる。
【０１３１】
考えられる別の一実施形態は、図２３、図２４Ａ、図２４Ｂ、図２４Ｃ、図２５、図２６Ａ、図２６Ｂ及び図２６Ｃに示されている。この実施形態では、１４個の個々の吸着剤床組立体が２つのスキッド内に配置されるのが良く、スキッドの各々は、２つの列をなして配置された個々の吸着剤床組立体の７つを収容している。例示のスキッドの１つが図２３に示されている。多数の往復動（又はポペット）面が各容器の頂部及び底部上に配置されていて、吸着剤床組立体の上下で管及びヘッダを介して互いに連結されている。
【０１３２】
個々の吸着剤床組立体が図２４Ａ〜図２４Ｃに示されている。図２４Ｂの側面図に示されているように、種々の供給物管がガス状供給物流を吸着剤床組立体２４０２に送ることができ、製品流を底部管を介して取り出すことができる。供給物ガスが流入し、そして排出ガスが、図２４Ａの平面図で示されているように容器の頂部に設けられている管及び弁を通って出る。製品ガスが図２４Ｃの底面図で示されているように容器の底部に設けられた弁及び管系の１つを通って吸着剤容器から出る。図２４Ａ〜図２４Ｃには他の均圧化及びパージ弁及び管も又記載されている。
【０１３３】
先ず最初に、各吸着剤床組立体に所要の往復動弁を取り付け、次に図２５に示されているスキッド２５１０に取り付けられた床支持構造体２５０１〜２５０７内に配置する。７つの床吸着剤組立体をこれらのそれぞれの支持構造体２５０１〜２５０７内にいったん配置すると、管及びヘッダを介して床組立体を相互に連結するのが良い。床支持構造体２５０１〜２５０７は、床組立体と関連した管系の熱膨張又は熱収縮を見込んだ運動を可能にするよう構成されているのが良い。個々の床支持構造体２５０１〜２５０７がスキッドベース２５１０に固定されているが、他の図で示されている吸着剤床組立体は、剛性的に取り付けられることなく又は固定的に取り付けられることなく床支持構造体２５０１〜２５０７中に収納されるのが良い。したがって、吸着剤床組立体全体は、管の熱膨張又は熱収縮を許容して管及び弁に加わる応力を最小限に抑えるよう床支持構造体内で自由に動くことができる。
【０１３４】
図２６Ａ〜図２６Ｃは、２つの床組立体の互いに異なる図を提供している。例えば、２つの相互に連結された床の平面図が図２６Ａに示され、２つの互いに連結された床組立体の底面図が図２６Ｃに示され、支持構造体中の互いに連結された床組立体の側面図が図２６Ｂに示されている。
【０１３５】
連結状態の完全なスキッドに関する管、弁及びヘッダが図２７に示されており、但し、管網状構造を示すために吸着剤床組立体又は支持構造体が省かれている。頂部管及びヘッダ２７０１がこの実施形態では、底部管及びヘッダ２７０２に対して示されている。管は、自立型であるよう設計されているのが良く、或いは、管網状構造をスキッド内で支持するよう追加の構造体が提供されるのが良い。
【０１３６】
技術的思想
【０１３７】
上記において提供された方法は、スイング吸着分離技術において有用である。非限定的なスイング吸着方法としては、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）、真空圧力スイング吸着（ＶＰＳＡ）、温度吸着スイング（ＴＳＡ）、分圧スイング吸着（ＰＰＳＡ）、迅速サイクル圧力スイング吸着（ＲＣＰＳＡ）、迅速サイクル熱的スイング吸着（ＲＣＴＳＡ）、迅速サイクル分圧スイング吸着（ＲＣＰＰＳＡ）並びにこれら方法、例えば圧力／温度スイング吸着の組み合わせが挙げられる。
【０１３８】
ＰＳＡ方法は、ガスが圧力下にあるときに吸着性材料の細孔構造又は自由体積内に容易に吸着されるガスの減少を利用しており、即ち、ガス圧力が高ければ高いほど、容易に吸着されるガスの吸着量がそれだけ一層多くなる。圧力を減少させると、吸着状態の成分が解除され又は脱着される。
【０１３９】
ＰＳＡ方法は、ガス混合物のガスを互いに分離するために使用できる。と言うのは、互いに異なるガスは、吸着剤のマクロ細孔を互いに異なる程度まで充填する傾向があるからである。ガス混合物、例えば天然ガスがメタンよりも二酸化炭素に対してより選択性を示すポリマー又は微孔質吸着剤を収容した容器中に圧力下で通された場合、二酸化炭素の少なくとも一部分は、吸着剤によって選択的に吸着可能であり、容器を出たガスは、メタンが富化された状態になることができる。吸着剤が二酸化炭素を吸着するその能力の終わりに達すると、吸着剤は、圧力を減少させることによって再生され、それにより吸着状態の二酸化炭素が放出される。次に、典型的には、吸着剤をパージして加圧し、すると、次の吸着サイクルのための準備ができている。
【０１４０】
ＴＳＡ方法は、高温と比較すると低温のガスが吸着性材料の細孔構造内又は自由体積内に吸着されやすいという事実を利用しており、即ち、吸着剤の温度を上昇させると、吸着状態のガスが放出され、即ち、脱着される。吸着剤床の温度を周期的にスイングさせることにより、ＴＳＡ方法は、ガス混合物の成分の１つ又は２つ以上について選択的な吸着剤に用いられると、混合物中のガスを分離するために利用できる。
【０１４１】
上述した吸着型反応速度論的分離方法、装置及びシステムは、炭化水素の開発及び製造、例えばガス及び油処理に有用である。特に、提供されている方法、装置及びシステムは、ガス混合物からの種々の標的ガスの迅速で大規模な且つ効率的な分離に有用である。
【０１４２】
提供されている方法、装置、システムは、汚染物質及び重炭化水素、即ち少なくとも２つの炭素原子を含む炭化水素を除去することによって天然ガス製品を調製するために使用できる。提供されている方法、装置及びシステムは、ユーティリティに用いるためのガス状供給物流を調製するので有用であり、このようなユーティリティとしては、分離用途、例えば露点管理、スイートニング／汚染除去又は解毒、腐食保護／制御、脱水、発熱量、状態調節又は温湿度調整及び浄化又は精製が挙げられる。１つ又は２つ以上の分離用途を利用したユーティリティの例としては、燃料ガス、シールガス、雑用水、ブランケットガス、インストラメント（instrument）及びコントロール（control）ガス、冷媒、不活性ガスの発生及び炭化水素回収が挙げられる。例示の「ノットツーイクスシード（not to exceed：ＮＴＥ）」製品（又は「標的」）ガス仕様は、（ａ）２体積％ＣＯ2、４ｐｐｍＨ2Ｓ、（ｂ）５０ｐｐｍＣＯ2、４ｐｐｍＨ2Ｓ又は（ｃ）１．５体積％ＣＯ2、２ｐｐｍＨ2Ｓを含む。
【０１４３】
提供されている方法、装置及びシステムは、炭化水素流から酸性ガスを除去するために使用可能である。酸性ガス除去技術は、残存するガス可採鉱量を考慮すると高い濃度の酸性、即ち、サワーガス資源が示されているのでますます重要になっている。炭化水素供給物流は、酸性ガスの量に大きな幅があり、例えば、数ｐｐｍ酸性ガスから９０体積％酸性ガスまで様々である。例示のガス可採鉱量からの酸性ガス濃度の非限定的な例としては、少なくとも（ａ）１体積％Ｈ2Ｓ、５体積％ＣＯ2、（ｂ）１体積％Ｈ2Ｓ、１５体積％ＣＯ2、（ｃ）１体積％Ｈ2Ｓ、６０体積％ＣＯ2、（ｄ）１５体積％Ｈ2Ｓ、１５体積％ＣＯ2及び（ｅ）１５体積％Ｈ2Ｓ、３０体積％ＣＯ2の濃度が挙げられる。
【０１４４】
高い炭化水素回収率を維持しながら望ましい製品流を調製するために上記において提供された方法、装置及びシステムに以下の技術的思想Ａ‐Ｏの１つ又は２つ以上を利用することができる。
〔技術的思想Ａ〕：１種類又は２種類以上の反応速度論的スイング吸着方法、例えば圧力スイング吸着（ＰＳＡ）、熱スイング吸着（ＴＳＡ）、か焼及び分圧スイング又は押し退けパージ吸着（ＰＰＳＡ）及びこれらの方法の組み合わせを利用すること、各スイング吸着方法を、例えば１つ又は２つ以上の迅速サイクル圧力スイング吸着（ＲＣ‐ＰＳＡ）ユニット、１つ又は２つ以上の迅速サイクル温度スイング吸着（ＲＣ‐ＴＳＡ）ユニット又は１つ又は２つ以上の迅速サイクル分圧スイング吸着（ＲＣ‐ＰＰＳＡ）ユニットを用いて迅速サイクルに利用することができ、例示の反応速度論スイング吸着方法は、米国特許出願公開第２００８／０２８２８９２号明細書、同第２００８／０２８２８８７号明細書、同第２００８／０２８２８８６号明細書、同第２００８／０２８２８８５号明細書及び同第２００８／０２８２８８４号明細書に記載されており、これら米国特許出願公開の各々を参照し、その記載内容を本明細書の一部とする。
〔技術的思想Ｂ〕：２０１１年３月１日に出願された米国特許出願第６１／４４７８４８号明細書に記載されているような新型サイクル及びパージを利用したＲＣ‐ＴＳＡを用いて酸性ガスを除去すること。この米国特許出願を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。
〔技術的思想Ｃ〕：米国特許出願公開第２００８／０２８２８９２号明細書、同第２００８／０２８２８８５号明細書、同第２００８／０２８２８６号明細書に記載されているように吸着剤中の捕捉メタンの量を減少させて全体的炭化水素回収率を増大させるためにメソ細孔充填材を使用すること。なお、これら米国特許出願公開の各々を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。吸着剤チャネル壁内に存在する掃過できない（非掃過の）ボイド空間をメソ細孔及びマクロ細孔により占められる全容積によって定めることができる。メソ細孔は、ＩＵＰＡＣによって２０〜５００オングストロームサイズ範囲のサイズを持つ細孔であると定められる。マクロ細孔は、本明細書においては、５００オングストロームを超え且つ１ミクロン未満のサイズを持つ細孔であると定義される。フローチャネルのサイズが１ミクロンを超えているので、これらフローチャネルは、マクロ細孔容積の一部とは見なされない。非掃過ボイド空間は、本明細書においては、直径が２０オングストローム〜１０，０００オングストローム（１ミクロン）の吸着剤中の細孔により占められる開放細孔容積を吸着剤構造体中の関連のメソ細孔及びマクロ細孔を含む吸着性材料により占められる接触器の全容積で除算して得られるものとして定義される。以下ひとまとめにメソ細孔と呼ぶ非掃過温度空間を減少させるには、粒子相互間のメソ細孔を充填して開放容積を減少させる一方で、吸着剤層中の迅速なガス輸送を可能にするのが良い。非掃過ボイド空間のこの充填は、迅速な脱着ステップ中に失われる所望の製品の量を許容レベルまで減少させると共に脱着後における高度の吸着剤床純度の達成を可能にする上で望ましい。このようなメソ細孔充填は、種々の仕方で達成できる。例えば、ポリマー充填材、例えばシリコンゴム又は固有の多孔度を有するポリマーをＨ2Ｓ及びＣＯ2の迅速拡散と共に利用するのが良い。変形例として、メソ細孔度及び／又はマクロ細孔度を有する合成炭素を用いてもボイド空間を充填することができる。さらに別の方法では、ボイド空間を小さなサイズの不活性固体で充填し又はボイド空間を所望のガスが迅速に拡散する補充可能な液体（例えば、水、溶剤又は油）をボイド空間に充填することである。好ましくは、接着剤床内のボイド空間を開放細孔容積の約４０容量％（ｖｏｌ．％）以下、好ましくは３０ｖｏｌ．％未満、より好ましくは２０ｖｏｌ．％未満、更により好ましくは１０ｖｏｌ．％未満、最も好ましくは約５ｖｏｌ．％以下に減少させる。
〔技術的思想Ｄ〕：高い選択性を提供すると共にメタン及び他の炭化水素、例えば米国特許出願公開第２００８／０２８２８８７号明細書及び同第２００９／０２１１４４１号明細書に記載されているゼオライトの１種類又は２種類以上の吸着（及び損失）を最小限に抑えるのに適した吸着性材料を選択すること。なお、これら米国特許出願公開の各々を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。
酸性ガスの除去に好ましい吸着剤は、酸性ガスとの化学反応のための官能性の有無とは無関係にメソ細孔又はマクロ細孔材料から成る群から選択される。官能性のない材料の例としては、陽イオン性ゼオライト及びスタノシリケートが挙げられる。Ｈ2Ｓ及びＣＯ2と化学的に反応する官能化物質は、炭化水素と比較してＨ2Ｓ及びＣＯ2について著しく増大した選択性を示す。さらに、これら官能化物質は、酸性ゼオライト上で生じる炭化水素との望ましくない反応を触媒しない。したがって、官能化メソ細孔吸着剤が望ましいと言え、この場合、炭化水素に対するこれらの親和性は、より小さな細孔の非官能化材料、例えばゼオライトと比較して一段と低下する。
変形例として、重炭化水素の吸着は、細孔の官能化吸着性材料を用いることによって反応速度論的に抑制でき、この場合、重炭化水素の拡散は、Ｈ2Ｓ及びＣＯ2と比較して遅い。また、Ｈ2Ｓ及びＣＯ2選択性吸着剤の外面上の約４以上の炭素含有量を含む炭化水素（即ち、Ｃ4＋炭化水素）の凝縮を減少させる注意が払われなければならない。
本明細書において用いるのに適した官能基の非限定的な例としては、一次、二次、三次及び他の非プロトジェニック塩基性基、例えばアミジン、グアニジン及びビグアニドが挙げられる。さらに、これら材料は、２つ又は３つ以上のタイプの官能基で官能化されるのが良い。さらに、これら材料は、２つ又は３つ以上の形式の官能基を有するよう官能化可能である。天然ガス流からのＨ2Ｓ及びＣＯ2の実質的に完全な除去を得るため、吸着性材料は、好ましくは、Ｈ2Ｓ及びＣＯ2に対しては選択性であるが、メタンと重炭化水素（Ｃ2＋）の両方については低い能力を有する。１つ又は２つ以上の実施形態では、シリカを主成分とする又は他の支持体上に支持されたアミンを用いることが好ましく、その理由は、アミンが酸性ガス種について強力な吸着等温線を有するからである。アミンは又、このような種について高い能力を有し、これらの高い吸着熱の結果として、アミンは、比較的強い温度応答を有する（即ち、十分に加熱されると、アミンは、Ｈ2Ｓ及びＣＯ2を容易に脱着して、かくして、過度の温度スイングなしで使用することができる）。２５℃〜７０℃範囲で吸着を行い、９０℃〜１４０℃範囲で脱着を行う吸着剤が好ましい。ＣＯ2及びＨ2Ｓ除去について互いに異なる吸着剤と必要とするシステムでは、標的種に適した吸着剤を含む層状床が望ましいと言える。
天然ガスからのＣＯ2除去の場合、或る特定の実施形態では、メタンよりもＣＯ2について反応速度論的選択性を示す８リング型ゼオライト材料の特定の等級を備えた吸着剤が処方される場合がある。この等級の８リング型ゼオライト材料の反応速度論的選択性により、メタンの輸送を阻止しながらＣＯ2をゼオライト結晶中に迅速に透過（拡散）させることができ、その結果、ＣＯ2をＣＯ2とメタンの混合物から選択的に分離することが可能である。天然ガスからのＣＯ2の除去の場合、この特定等級の８リング型ゼオライト材料は、約２〜約１０００、好ましくは約１０〜５００、より好ましくは約５０〜約３００のＳｉ／Ａｌ比を有する。注目されるべきこととして、本明細書で用いられる“Ｓｉ／Ａｌ”という用語は、ゼオライト構造のシリカとアルミナのモル比として定義される。本発明で用いるのに適した好ましい等級の８リング型ゼオライトにより、ＣＯ2は、８リング型窓を通って内部細孔構造に接近することができ、その結果、ＣＯ2とメタンの単一成分拡散係数の比（即ち、ＤＣＯ2／ＤＣＨ4）が１０を超え、好ましくは約５０以上、より好ましくは約１００以上、更により好ましくは２００を超えるようにする。
多くの場合、窒素も又、窒素含有ガスからの精製メタン製品の高い回収率を得るためには天然ガス又は油の産出と関連したガス（随伴ガス）から除去されなければならない。メタンからの窒素分離のための相当な平衡又は反応速度論的選択性を備えた極めて少ないモレキュラーシーブ溶剤が存在する。天然ガスからのＮ2分離のためには、反応速度論的選択性を示す等級の８リング型ゼオライト材料を備えた吸着剤が処方することも好ましい。この等級の８リング型ゼオライト材料の反応速度論的選択性により、メタンの輸送を阻止しながらＮ2をゼオライト結晶中に迅速に透過（拡散）させることができ、その結果、Ｎ2をＮ2とメタンの混合物から選択的に分離することが可能である。天然ガスからのＮ2の除去の場合、この特定等級の８リング型ゼオライト材料は、約２〜約１０００、好ましくは約１０〜５００、より好ましくは約５０〜約３００のＳｉ／Ａｌ比を有する。本発明で用いるのに適した好ましい等級の８リング型ゼオライトにより、Ｎ2は、８リング型窓を通って内部細孔構造に接近することができ、その結果、Ｎ2とメタンの単一成分拡散係数の比（即ち、ＤＮ2／ＤＣＨ4）が５を超え、好ましくは約２０以上、より好ましくは約５０以上、更により好ましくは１００を超えるようにする。天然ガスからのＮ2の除去中におけるスイング吸着プロセスにおける耐ファウリング性は、この等級の８リング型ゼオライト材料により提供される別の利点である。
好ましい実施形態では、Ｈ2Ｓは、マクロ細孔、メソ細孔又はミクロ細孔固体上に支持された塩基性非プロトジェニック窒素化合物を含む非水性溶剤と共に選択的に除去される。非プロトジェニック窒素化合物は、供給物ガス混合物中のＨ2Ｓの少なくも一部分と選択的に反応する。適切な多孔質固体支持体の例としては、活性炭又は固体酸化物（混合酸化物を含む）、例えば、アルミナ、シリカ‐アルミナ又は酸性若しくは非酸性ゼオライトが挙げられる。塩基性非プロトジェニック窒素化合物は、単に支持体材料上に物理的に収着される（例えば、塩基それ自体又は置換基が収着剤種を支持体上に固定するために支持体材料との反応のための部位を提供する前駆体若しくは誘導体との化学反応によって支持体材料との含浸又は結合若しくは支持体材料へのグラフティングによって）。しかしながら、結合は、効果的な固相収着材料には不要である。表面反応性基、例えばゼオライト及びＭ４１Ｓシリカ酸化物上に見受けられるシラノール基を含む支持体材料は、化合物、例えばトリメトキシシリルプロピルジメチルアミン中のシロキサン基と反応することができる。非プロトジェニック窒素化合物は、水の不存在下ではＣＯ2との化学吸着反応には至らない。ただし、このような非プロトジェニック窒素化合物は、Ｈ2Ｓとの反応を行う。この化学反応性の差を用いてＨ2ＳとＣＯ2を分離する。多様な塩基性窒素含有化合物を基本的な収着剤として用いることができる。所望ならば、このような化合物の組み合わせを用いても良い。Ｈ2Ｓ吸着に対する所望の選択性の要件は、窒素性基が非プロトジェニックであり、即ち、プロトン供与体として作用することができないということにある。したがって、窒素性基は、第一アミン又は第二アミン中の酸性の解離可能な水素原子、例えば窒素を含まない。化合物全体が非プロトン性であることが必要ではなく、化合物中の窒素含有基が非プロトジェニックであることだけが必要である。非プロトジェニック窒素種は、Ｈ+（プロトン）を表すことができず、これは、水の存在下におけるＣＯ2化学吸着反応のための道筋としてのカルバマートの生成のための要件であり、これら非プロトジェニック窒素種は、主要な反応条件下において非求核性である。適当な窒素化合物としては、第三アミン、例えばトリエチルアミン、トリエタノールアミン（ＴＥＡ）、メチルジエタノールアミン（ＭＤＥＡ）、Ｎ‐メチルジエタノールアミン（ＣＨ3Ｎ（Ｃ2Ｈ4ＯＨ）2））、ＮＮＮ′Ｎ′‐テトラキス（２‐ヒドロキシエチル）エチレンジアミン並びに環式、多環式及び非環式構造を持つ非プロトジェニック窒素性塩基、例えばイミン、ヘテロ複素環式、イミン及びアミン、アミジン（カルボックスアミジン）、例えばジメチルアミジン、グアニジン、トリアザビシクロデセン、イミダゾリン及びピリミジンが挙げられる。低級アルキルが好ましくはＣ1〜Ｃ6アルキル、Ｎ‐メチルテトラヒドロピリミジン（ＭＴＨＰ）、１，８‐ジアゾビシクロ［５．４．０］‐undece‐７‐ene（ＤＢＵ）、１，５，７‐トリアゾビシクロ［４．４．０］dec‐５‐ene（ＴＢＤ）、７‐メチル‐１，５，７‐トリアザビシクロ［４．４．０］dec‐５‐ene（ＭＴＢＤ）、１，５‐ジアザビシクロ［４．３．０］non‐５‐ene（ＤＢＮ）、化学式（Ｒ1Ｒ2Ｎ）（Ｒ3Ｒ4Ｎ）Ｃ＝Ｎ−Ｒ5の置換グアニジン（この式において、Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3，Ｒ4は、好ましくは低級アルキル（Ｃ1〜Ｃ6）であり、Ｒ5は、好ましくはＨ又は低級アルキル（Ｃ1〜Ｃ6）、例えば１，１，３，３‐テトラメチルグアニジン及びビグアニドも又利用できる。これら化合物、例えば高級アルキル、シクロアルキル、アリル、アルケニリル及び置換アルキル及び他の構造上の他の置換基も又利用できる。
Ｈ2Ｓ及びＣＯ2を天然ガス流から除去することができる別の等級の材料は、陽イオン性ゼオライトである。Ｈ2Ｓ及びＣＯ2に関するこれら材料の選択性は、構成組織構造、陽イオンの選択及びＳｉ／Ａｌ比で決まる。好ましい実施形態では、陽イオン物質のＳｉ／Ａｌ比は、１〜５０、より好ましくは１〜１０である。陽イオン性ゼオライトの例としては、ゼオライトとは、４Ａ、５Ａ及びファウジャサイト（Ｙ及びＸ）が挙げられる。供給物流を脱水した後にＨ2Ｓ及びＣＯ2を選択的に除去するこれら材料を用いることが好ましい。
本明細書において説明する実施形態で用いられる好ましい選択的吸着性材料の他の非限定的な例としては、微孔質材料、例えばゼオライト、ＡｌＰＯ、ＳＡＰＯ、ＭＯＦ（金属有機構成組織）、ＺＩＦ（ゼオライト系イミダゾレート構成組織、例えばＺＩＦ‐７、ＺＩＦ‐９、ＺＩＦ‐８、ＺＩＦ‐１１等）及び炭素並びにメソ細孔材料、例えばアミン官能化ＭＣＭ材料、ＳＢＡ、ＫＩＴ材料が挙げられる。天然ガス流中に一般的に見受けられる酸性ガス、例えばＨ2Ｓ及びＣＯ2の場合、例えば陽イオン性ゼオライト、アミン官能化メソ細孔材料、スタノシリケート、炭素のような吸着剤も又好ましい。
〔技術的思想Ｅ〕：１つ又は２つ以上のＲＣ‐ＰＳＡユニットを多数のステップで中間圧力まで減圧し、その結果、酸性ガス排出物を高い平均圧力で捕捉することができるようにし、それにより酸性ガス注入に必要な圧縮度が減少し、中間減圧段階に関する圧力レベルを酸性ガス圧縮機の段間圧力に一致させると、圧縮システム全体を最適化することができる。
〔技術的思想Ｆ〕：排出流又は再循環流を用いて処理及び炭化水素損失を最小限に抑えること、例えば、再注入又はガス抜きに代えて燃料ガスとして１つ又は２つ以上のＲＣ‐ＰＳＡユニットからの排出流を用いること。
〔技術的思想Ｇ〕：単一の床内に多数の吸着性材料を用いて微量の第１の汚染物質、例えばＨ2Ｓを除去し、その後、第２の汚染物質、例えばＣＯ2を除去し、このようなセグメント化床は、パージ流量が最小であるＲＣ‐ＰＳＡユニットを用いてｐｐｍレベルまでの活発な酸性ガス除去をもたらすことができる。
〔技術的思想Ｈ〕：供給物圧縮を用い、その後１つ又は２つ以上のＲＣ‐ＰＳＡユニットを用いて所望の製品純度を達成する。
〔技術的思想Ｉ〕：酸性ガス汚染物質、例えばメルカプタン、ＣＯ2及びＢＴＥＸを同時に除去し、これを達成するために選択プロセス及び材料を用いる。
〔技術的思想Ｊ〕：気‐固接触器用に構造化吸着剤を用いて従来型充填層と比較した場合に圧力降下を最小限に抑える。
〔技術的思想Ｋ〕：吸着性材料のキネティクスに基づいてサイクル時間及びサイクルステップを選択する。
〔技術的思想Ｌ〕：機器のうちでとりわけ直列の２つのＲＣ‐ＰＳＡユニットを用いるプロセス及び装置を用い、この場合、第１のＲＣ‐ＰＳＡユニットは、供給物流を所望の製品純度まで浄化し、第２のＲＣ‐ＰＳＡユニットは、第１のユニットからの排出物を浄化してメタンを捕捉して高い炭化水素回収率を維持し、この直列設計の利用により、メソ細孔充填材の必要性を減少させることができる。
〔技術的思想Ｍ〕：平行チャネル接触器を用いる（この場合、気‐固接触は、比較的小径の吸着剤内張りチャネル内で起こる。接触器のこの構造により、ガス膜抵抗及び高い気‐固連絡を最小限にすることにより迅速な吸着キネティクスという利点をもたらす。
極めて迅速な気体‐吸着剤キネティクスを提供することが好ましく、即ち、標的種（例えば、標的ガス）が吸着剤壁に接触するよう拡散する距離は、短く、好ましくは１０００ミクロン未満、より好ましくは２００ミクロン未満、最も好ましくは１００ミクロン未満に保たれる。望ましい吸着剤キネティクスは、床圧力降下を許容可能な値に制限しながら、平行チャネル接触器を利用することによって実現でき、この場合、供給物及びパージガスは、吸着性材料の有効厚さに合わせて内張りされた複数本の極めて細い（１０００〜３０ミクロン直径）の開放チャネルに閉じ込められる。
「有効の厚さ」という表現は、大抵の用途に関して約５００ミクロン〜５ミクロンであることを意味する。層状ガス流の最も限定的な場合、極めて細いチャネルは、微量の種に関する最大拡散距離をチャネルの直径の半分（１／２）以下に制限する。所望の種の濃度が気相においてゼロに近い吸着フロントの前縁のところで所望の種を吸着する場合であっても、急峻な吸着フロントをこのような小径平行チャネル構造化吸着床形態の使用により維持することができる。このような形態は、多数の独立した平行チャネルの形態をしていても良く、螺旋巻き設計を用いることによって達成できる極めて幅が広く且つ極めて短いチャネルの形態をしていても良い。
〔技術的思想Ｎ〕：吸着が低い温度で起こり、脱着が高い温度で起こることができるよう空着剤床構造体を迅速に加熱したり冷却したりする手段。この場合、吸着ステップは、高圧で起こり、高温脱着ステップは、オプションとして、吸着スイング能力を高めるために減圧状態で起こる。吸着剤特性に応じて、外部温度制御方式か内部温度制御方式かのいずれかに適した床アーキテクチャを用いることが望ましい場合がある。
「内部温度制御」という表現は、ガス状供給物流に利用される同一の吸着剤内張りチャネルを通って循環させることができる気体又は液体の、好ましくは液体の加熱及び冷却用流体媒体の使用を意味している。内部温度制御では、吸着性材料が温度制御流体の悪影響を受けないことが必要であると共に温度制御流体が加熱ステップ後、先に吸着された種（Ｈ2Ｓ及びＣＯ2）から容易に分離されることが必要である。さらに、内部温度制御に関し、ガス状供給物吸着ステップの実施中、構造化床中の平行チャネルの各々前後の圧力降下は、好ましくは、温度制御流体の各チャネル（又は螺旋巻き設計例の場合では単一のチャネル）を浄化するのに十分高い。加うるに、内部流体流れ温度設計は、好ましくは、温度制御流体を強力に吸着しない吸着剤を利用し、その結果、Ｈ2Ｓ及びＣＯ2は、有益には、温度制御流体が存在している場合であっても吸着できるようになる。
このような吸着剤の非限定的な例としては、アミン官能化ミクロ細孔及びメソ細孔吸着剤が挙げられる。このような系の非限定的な例は、加熱及び冷却のための高温及び低温水（加圧液又は加熱のための水蒸気として用いられる）の使用により水安定化支持体上での支持アミンの使用である。液体としての水が吸着ステップ中、吸着剤壁内に残される場合があるが、吸着剤壁の厚さが小さく（１０００ミクロン未満、好ましくは２００ミクロン未満、最も好ましくは１００ミクロン未満）に保たれる場合、Ｈ2Ｓ及びＣＯ2は、１分未満、より好ましくは１０秒未満のタイムスケールで液体としての水を通って拡散して支持アミンによって吸着なることが可能である。脱着ステップ後、上流又は当業者に知られている他の方法を用いてＨ2Ｓ及びＣＯ2を容易に分離することができる。
「外部温度制御」という表現は、加熱及び冷却用の流体のガスを運ぶ吸着剤チャネルに接触しないよう保たれる吸着剤床構造体を意味する。このような構造体は、多管式（プレートアンドチューブ形）熱交換器、平板式（プレートアンドフレーム形）熱交換器若しくは外周部若しくは内周部に流体不透過性バリヤ層を備えた中空ファイバ又は任意他の適当な構造体に似ていると言える。迅速加熱及び冷却を得るためには、熱が温度制御流体から吸着剤層に拡散する距離は、最小限に、理想的には、１０，０００ミクロン未満、より好ましくは１０００ミクロン未満、最も好ましくは２００ミクロン未満に保たれるべきである。
このような外部温度制御床設計の非限定的な例は、外周部に流体不透過性バリヤ層を備えた中空ファイバの使用であり、この場合、中空ファイバは、ポリマー吸着剤と支持アミン吸着剤の混合マトリックス系で構成される。供給物ガスは、多孔質ファイバの内周部を通って流れて低温で吸着剤によって吸着され、他方、低温制御流体は、ファイバの外周部上をこれに沿って流れる。脱着は、高温制御流体を好ましくはファイバ外周部上でこれに沿って向流状態で流し、かくして吸着剤を加熱することによって達成される。サイクルは、高温制御流体と低温流体と交換して吸着剤を収容したファイバを所望の吸着温度に戻すことによって完了する。
好ましい実施形態では、システム中の熱流量は、温度制御流体中の急峻な温度勾配が加熱及び冷却中に形成されてシステムの顕熱を吸着剤床構造体内で回収することができるようにするようなものである。このような非限定的な中空ファイバの例に関し、有用なファイバ外径寸法は、２０，０００ミクロン未満、好ましくは２０００ミクロン未満、最も好ましくは１０００ミクロン未満である。有用な中空ファイバ内径（供給物ガスチャネル）は、適切には所望の吸着及び脱着サイクル時間、供給物吸着種濃度及びこれら種に関する吸着剤層スイング能力に基づき、１０，０００ミクロン未満、好ましくは１０００ミクロン未満、最も好ましくは５００ミクロン未満である。
１つ又は２つ以上の実施形態では、吸着剤床中の非吸着熱質量体と吸着剤の比をできるだけ低く保つことが有利である。この比は、好ましくは、２０未満、より好ましくは１０未満、最も好ましくは５未満である。このように、各サイクル中でスイングされるシステムの顕熱を最小限に保つことができる。
〔技術的思想Ｏ〕：実質的にＨ2Ｓ又はＣＯ2のないクリーンガスの全供給量の約０．０１〜５体積％の比較的低い流量がパージガスとして利用される。このようなガス（即ち、「クリーンガス」）の非限定的な例としては、プロセスの脱着ステップの少なくとも一部分中、供給物の方向とは逆の方向に平行なチャネル中を通って流れる状態で維持されるメタン及び窒素が挙げられる。このクリーンガスの流量は、脱着中のＨ2Ｓ及びＣＯ2の自然な拡散に打ち勝って吸着チャネルの製品側端部を実質的にクリーンな状態に維持するのに十分であることが好ましい。即ち、パージ流は、脱着中のＣＯ2及びＨ2Ｓをチャネル及び／又は細孔から掃過するのに十分な流量を有するべきである。次の各吸着サイクル時に製品流中への標的種、例えばＨ2Ｓ又はＣＯ2の漏出が生じないようにするのは、脱着中におけるこの向流パージ流である。クリーンパージの別の利点又は目的は、吸着剤床のフローチャネル内の汚染物質の分圧を減少させることによって汚染物質の脱着を助けることにある。分圧のこの減少は、汚染物質を吸着剤床から駆動するのに利用できる。
本発明の実施のための好ましいサイクル及び床設計は、吸着剤チャネルの製品側端部（即ち、供給物ガスが流入する端部と反対側の端部）が吸着状態のＨ2Ｓ及びＣＯ2の低い又は理想的には本質的にゼロの濃度を有することである。このように、上述した適当な構造化チャネルを用いると、Ｈ2Ｓ及びＣＯ2は、供給物ガス流から熾烈に除去される。床の下流側端部は、サイクル中の脱着ステップ、より好ましくは全ての加熱及び冷却ステップ中、実質的にＨ2Ｓ及びＣＯ2のない低い流量のクリーン流体を供給物方向に対して向流の方向に維持することによって上述したようにクリーンに維持できる。さらに、吸着ステップ中、サイクルの吸着部分は、Ｈ2Ｓ及びＣＯ2が付いた吸着剤の前進吸着フロントがチャネルの端部に達しない時間に制限すること、即ち、吸着をＨ2Ｓ及び／又はＣＯ2の漏出に先立って止めて吸着剤チャネルの実質的にクリーンな区分が実質的に標的種のないままであるようにすることが好ましい。ほどほどに急峻な吸着フロントを用いると、これにより吸着剤の５０体積％以上、より好ましくは７５体積％以上、最も好ましくは８５体積％以上を利用することができる。
【０１４５】
本明細書において提供されている方法、装置及びシステムは、大型ガス処理施設、例えば１日当たり５００万標準立方フィート（１フィートは、０．３０４８ｍ）（ＭＳＣＦＤ）の天然ガス、１５ＭＳＣＦＤを超える天然ガス、２５ＭＳＣＦＤを超える天然ガス、５０ＭＳＣＦＤを超える天然ガス、１００ＭＳＣＦＤを超える天然ガス、５００ＭＳＣＦＤを超える天然ガス又は１日当たり１０億標準立方フィート（ＢＳＣＦＤ）を超える天然ガス若しくは２ＢＳＣＦＤを超える天然ガスを処理する施設で有用である。
【０１４６】
従来の技術と比較して、提供されている方法、装置及びシステムは、低い設備投資、低い経常費、低い物理的スペースしか必要とせず、それにより沖合及び遠隔場所、例えば北極圏での具体化が可能である。提供される方法、装置及びシステムは、従来技術と比較して高い炭化水素回収率を提供しながら以下の利点を提供する。
【０１４７】
追加の実施態様が以下の実施態様Ａ〜Ｍに提供されている。
〔実施態様Ａ〕：１種類又は２種類以上の汚染物質を天然ガス流から除去するスイング吸着方法であって、
ａ）メタン及びＣＯ2を含む天然ガス流をＣＯ2の吸着に選択性を示す吸着性材料で構成された吸着剤床の供給物入力端部中に導入することによって天然ガス流に吸着ステップを施すステップを含み、吸着剤床は、供給物入力端部及び製品出力端部を有し、吸着剤床は、第１の圧力及び第１の温度で稼働され、ＣＯ2の少なくとも一部分は、吸着剤床によって吸着され、メタンが富化されると共にＣＯ2が減少したガス状製品が吸着剤床の製品出力端部から出る、方法。
〔実施態様Ｂ〕：汚染物質は、酸性ガスである、実施態様Ａ記載の１種類又は２種類以上の汚染物質を天然ガス流から除去するスイング吸着方法。
〔実施態様Ｃ〕：汚染物質は、ＣＯ2である、実施態様Ａ記載の１種類又は２種類以上の汚染物質を天然ガス流から除去するスイング吸着方法。
〔実施態様Ｄ〕：吸着性物質は、多孔質であり、有効量の非吸着剤メソ細孔充填材料を含む、実施態様Ａ〜Ｄのうちいずれか一に記載の１種類又は２種類以上の汚染物質を天然ガス流から除去するスイング吸着方法。
〔実施態様Ｅ〕：吸着ステップは、約６０秒以下、約５０秒以下、約４０秒以下、約３０秒以下、約２０秒以下、約１０秒以下、約５秒以下の期間にわたって実施される、実施態様Ａ〜Ｄのうちいずれか一に記載の１種類又は２種類以上の汚染物質を天然ガス流から除去するスイング吸着方法。
〔実施態様Ｆ〕：
ｂ）吸着剤床への天然ガス流の導入を停止させ、その後吸着剤床の製品出力端部から標的種を漏出させるステップを更に含み、
ｃ）吸着剤床に連続して１回〜１０回の均圧化ステップを施すステップを更に含み、吸着剤床の圧力は、連続したステップの各々により所定量だけ減少し、
ｄ）ＣＯ2が富化された高圧ガス状流を吸着剤床中に導いて吸着剤床から炭化水素を除去するステップを更に含み、
ｅ）パージ後の吸着剤床に多数回の連続したブローダウンステップを施すステップを更に含み、吸着剤床の圧力は、連続したブローダウンステップの各々により所定量ずつ減少し、
ｆ）吸着剤床に連続した１回〜１０回の均圧化ステップを施すステップを更に含み、吸着剤床の圧力は、連続したステップの各々により所定量ずつ増大し、
ｇ）供給物を用いて吸着剤床を供給物圧まで再加圧するステップを更に含む、実施態様Ａ〜Ｅのうちいずれか一に記載の１種類又は２種類以上の汚染物質を天然ガス流から除去するスイング吸着方法。
〔実施態様Ｇ〕：ステップ（ｃ）の１回又は２回以上の均圧化ステップは、２回〜２０回のステップ、２回〜１５回のステップ、２回〜１０回のステップ又は２回〜５回のステップであり、圧力を連続した各ステップで所定の量ずつ減少させる、実施態様Ｆ記載の１種類又は２種類以上の汚染物質を天然ガス流から除去するスイング吸着方法。
〔実施態様Ｈ〕：１回又は２回以上のブローダウンステップは、２回〜２０回のステップ、２回〜１５回のステップ、２回〜１０回のステップ又は２回〜５回のステップであり、圧力を連続した各ステップで所定の量ずつ減少させる、実施態様Ｆ又はＧ記載の１種類又は２種類以上の汚染物質を天然ガス流から除去するスイング吸着方法。
〔実施態様Ｉ〕：ステップ（ｆ）の１回又は２回以上の均圧化ステップは、２回〜２０回のステップ、２回〜１５回のステップ、２回〜１０回のステップ又は２回〜５回のステップであり、圧力を連続した各ステップで所定の量ずつ減少させる、実施態様Ｆ〜Ｈのうちいずれか一に記載の１種類又は２種類以上の汚染物質を天然ガス流から除去するスイング吸着方法。
〔実施態様Ｊ〕：少なくとも５００万、少なくとも１５００万、少なくとも２５００万、少なくとも５０００万、少なくとも１億、少なくとも５億、少なくとも１０億又は少なくとも２０億ＳＣＦＤ（１日当たりの標準立法フィート）の天然ガスを回収するステップを更に含む、実施態様Ａ〜Ｉのうちいずれか一に記載の１種類又は２種類以上の汚染物質を天然ガス流から除去するスイング吸着方法。
〔実施態様Ｋ〕：１回又は２回以上の追加のステップは、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）、熱スイング吸着（ＴＳＡ）、か焼及び分圧スイング又は押し退けパージ吸着（ＰＰＳＡ）及びこれらの方法の組み合わせから成る群から選択された反応速度論的スイング吸着方法を利用する利用する、実施態様Ａ〜Ｊのうちいずれか一に記載の１種類又は２種類以上の汚染物質を天然ガス流から除去するスイング吸着方法。
〔実施態様Ｌ〕：１つ又は２つ以上のスイング吸着方法は、迅速サイクルを利用する、実施態様Ｋ記載の１種類又は２種類以上の汚染物質を天然ガス流から除去するスイング吸着方法。
〔実施態様Ｍ〕：ガス状供給物流は、（ａ）所望の露点、（ｂ）所望の解毒レベル、（ｃ）所望の腐食保護組成、（ｄ）所望の脱水レベル、（ｅ）所望のガス発熱量、（ｆ）所望精製レベル又は（ｇ）これらの組み合わせを達成するよう処理される、実施態様Ａ〜Ｌのうちいずれか一に記載の１種類又は２種類以上の汚染物質を天然ガス流から除去するスイング吸着方法。
【０１４８】
追加の実施態様は、以下の段落２〜５４に記載されている。
２．ガス状供給物流から汚染物質を除去する周期的圧力吸着方法であって、この方法は、ａ）ガス状供給物流を供給物圧力で吸着剤床中に１秒を超え且つ６０秒未満の吸着時間間隔にわたって通してガス状供給物流から１種類又は２種類以上の汚染物質を分離して製品流を形成するステップを含み、ｂ）ガス状供給物流の流れを中断させるステップを含み、ｃ）複数回の減圧ステップを実施するステップを含み、各減圧ステップは、吸着剤床内の圧力を減圧初期圧力から減圧最終圧力に減少させ、ｄ）パージ流を吸着剤床中に通して吸着剤床から炭化水素を除去するステップを含み、ｅ）パージされた吸着剤床に１回又は２回以上のブローダウンステップを施すステップを含み、各ブローダウンステップは、吸着剤床内の圧力をブローダウン初期圧力からブローダウン最終圧力に減少させ、ｆ）複数回の再加圧ステップを実施するステップを含み、各再加圧ステップは、スイング吸着容器内の圧力を再加圧初期圧力から再加圧最終圧力に増大させ、ｇ）少なくとも１回の追加のサイクルに関してステップａ）〜ステップｆ）を繰り返し実施するステップを含む、周期的スイング吸着方法。
３．供給物流は、供給物流の全体積を基準として１体積パーセントを超える炭化水素を含む炭化水素含有流である、段落２記載の周期的スイング吸着方法。
４．供給物流は、炭化水素及びＣＯ2を含み、ＣＯ2は、１〜８０ｍｏｌ％であり、炭化水素は、２０〜９９ｍｏｌ％である、段落２又は３記載の周期的スイング吸着方法。
５．吸着剤床は、吸着剤粒子相互間の非掃過ボイド空間を直径が２０オングストロームを超え且つ１ミクロン未満の細孔内において３０容積％未満に減少させるメソ細孔充填材を含む吸着性材料を含む、段落２〜４のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
６．吸着剤床は、吸着剤粒子相互間の非掃過ボイド空間を直径が２０オングストロームを超え且つ１ミクロン未満の細孔内において２０容積％未満に減少させるメソ細孔充填材を含む吸着性材料を含む、段落２〜４のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
７．吸着剤床は、吸着剤粒子相互間の非掃過ボイド空間を直径が２０オングストロームを超え且つ１ミクロン未満の細孔内において１０容積％未満に減少させるメソ細孔充填材を含む吸着性材料を含む、段落２〜４のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
８．吸着剤床は、ＣＯ2に対して選択性を示す第１の吸着性材料及びＨ2Ｓに対して選択性を示す第２の吸着性材料を含む、段落２〜５のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
９．吸着時間間隔は、２秒を超え且つ５０秒未満である、段落２〜８のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
１０．吸着時間間隔は、２秒を超え且つ１０秒未満である、段落２〜８のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
１１．パージ流は、５０ｍｏｌパーセント未満のメタンを含む、段落２〜１０のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
１２．吸着剤床は、ＣＯ2とメタンの単一成分拡散係数の比が１０を超える吸着性材料を含む、段落２〜１１のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
１３．吸着剤床は、ＣＯ2とメタンの単一成分拡散係数の比が１００を超える吸着性材料を含む、段落２〜１１のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
１４．吸着剤床は、複数本のチャネルが貫通して形成された構造化接触器を含む、段落２〜１１のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
１５．供給物圧力は、３５０ｐｓｉｇを超える、段落２〜１４のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
１６．供給物圧力は、５００ｐｓｉｇを超える、段落２〜１４のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
１７．この方法は、製品流中の所望の製品の量をガス状供給物流中の所望の製品の量で除算して得られる比に基づいて所望の製品の９０％を超える量を回収する、段落２〜１６のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
１８．この方法は、製品流中の所望の製品の量をガス状供給物流中の所望の製品の量で除算して得られる比に基づいて所望の製品の９５％を超える量を回収する、段落２〜１６のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
１９．この方法は、製品流中の所望の製品の量をガス状供給物流中の所望の製品の量で除算して得られる比に基づいて所望の製品の９７％を超える量を回収する、段落２〜１６のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
２０．減圧ステップの各々は、吸着剤床中の供給物流の一部分を均圧化タンクに移し、次に再加圧ステップの１つの実施中、一部分の少なくとも何分の一かを均圧化タンクから吸着剤床に移すステップを含む、段落２〜１９のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
２１．１回又は２回以上のブローダウンステップの実施後であってステップａ）〜ｆ）の繰り返しに先立って、第２のパージを吸着剤床中に通すステップを更に含む、段落２〜１６のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
２２．ガス状供給物流は、汚染物質しきい値を超える１種類又は２種類以上の汚染物質を含み、１種類又は２種類以上の汚染物質は、１〜８０ｍｏｌパーセントＣＯ2、１ｍｏｌパーセント未満のＨ2Ｓ及びこれらの任意の組み合わせの１つ又は２つを含み、汚染物質しきい値は、１０ｐｐｍ（１００万当たりの部）未満のＨ2Ｓ、４ｍｏｌパーセント未満のＣＯ2及びこれら任意の組み合わせの１つ又は２つを含み、製品流は、汚染物質しきい値未満の汚染物質を含む、段落２〜２１のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
２３．ガス状供給物流から汚染物質を除去する周期的圧力スイング吸着方法であって、方法は、
所望の製品及び汚染物質しきい値を超える１種類又は２種類以上の汚染物質を含むガス状供給物流を導入するステップを含み、１種類又は２種類以上の汚染物質は、１〜８０ｍｏｌパーセントＣＯ2、１ｍｏｌパーセント未満のＨ2Ｓ及びこれらの任意の組み合わせの１つ又は２つを含み、汚染物質しきい値は、１０ｐｐｍ（百万当たりの部）未満のＨ2Ｓ、４ｍｏｌパーセント未満のＣＯ2及びこれら任意の組み合わせの１つ又は２つを含み、
ガス状供給物流に１秒超え且つ６０秒未満の吸着時間間隔の間、吸着剤内で圧力スイング吸着方法を施してガス状供給物流から１種類又は２種類以上の汚染物質を分離して製品流を生じさせるステップを含み、圧力スイング吸着方法は、製品流中の所望の製品の量をガス状供給物流中の所望の製品の量で除算して得られる比に基づいて所望の製品の９０％を超える量を回収し、
吸着剤床から汚染物質しきい値を下回る汚染物質を含む製品流を導き出すステップを含む、周期的圧力スイング吸着方法。
２４．吸着剤床は、１種類又は２種類以上の吸着性材料を含み、各吸着性材料は、１種類又は２種類以上の汚染物質の互いに異なる各々をそれぞれ標的にするよう構成されている、段落２３記載の周期的圧力スイング吸着方法。
２５．圧力吸着方法は、
ａ）ガス状供給物流を供給物圧力で吸着剤床中に通すステップを含み、
ｂ）ガス状供給物流の流れを中断させるステップを含み、
ｃ）複数回の減圧ステップを実施するステップを含み、各減圧ステップは、スイング吸着容器内の圧力を減圧初期圧力から減圧最終圧力に減少させ、
ｄ）複数回の再加圧ステップを実施するステップを含み、各再加圧ステップは、スイング吸着容器内の圧力を再加圧初期圧力から再加圧最終圧力に増大させ、
ｇ）少なくとも１回の追加のサイクルに関してステップａ）〜ステップｄ）を繰り返し実施するステップを含む、段落２３又は２４記載の周期的圧力スイング吸着方法。
２６．スイング吸着方法は、ステップｃ）とステップｄ）との間に、パージ流を吸着剤床中に通して所望の製品を１種類又は２種類以上の汚染物質と一緒に吸着剤床からパージする別のステップを含む、段落２５記載の周期的圧力スイング吸着方法。
２７．追加のパージ流は、パージ流の全体積を基準として８０体積％を超えるＣＯ2を含む、段落２６記載の周期的圧力スイング吸着方法。
２８．追加のパージ流は、パージ流の全体積を基準として８０体積％を超えるＮ2を含む、段落２６記載の周期的圧力スイング吸着方法。
２９．スイング吸着方法は、ステップｃ）とステップｄ）との間に、複数回のブローダウンステップを実施して排気物流を生じさせる別のステップを含み、各ブローダウンステップは、吸着剤床に作用する圧力をブローダウン初期圧力からブローダウン最終圧力に減少させる、段落２４又は２８記載の周期的圧力スイング吸着方法。
３０．追加のパージ流は、追加のパージ流の全体積を基準として８０体積％を超えるＣＯ2を含む、段落２９記載の周期的圧力スイング吸着方法。
３１．追加のパージ流は、追加のパージ流の全体積を基準として８０体積％を超えるＮ2を含む、段落２９記載の周期的圧力スイング吸着方法。
３２．複数回のブローダウンステップを実施するステップは、複数回のブローダウンステップの１つの実施中、排気物流を第１の方向に流すステップ及び複数回のブローダウンステップの別の１つの実施中、排気物流を第２の方向に流すステップを含む、段落２９〜３１のうちいずれか一に記載の周期的圧力スイング吸着方法。
３３．複数回のブローダウンステップを実施するステップは、複数回のブローダウンステップの少なくとも１つの実施中、排気物流を第１の方向及び第２の方向に流すステップを含む、段落２９〜３１のうちいずれか一に記載の周期的圧力スイング吸着方法。
３４．ステップａ）〜ステップｄ）のサイクルは、約２０秒未満の時間間隔で実施される、段落２３〜３３のうちいずれか一に記載の周期的圧力スイング吸着方法。
３５．１種類又は２種類以上の汚染物質の吸着中における圧力は、３５０ｐｓｉｇ（２４１３ｋＰａｇ）を超える、段落２３〜３４のうちいずれか一に記載の周期的圧力スイング吸着方法。
３６．１種類又は２種類以上の汚染物質の吸着中における圧力は、５００ｐｓｉｇ（３４４７ｋＰａｇ）を超える、段落２３〜３４のうちいずれか一に記載の周期的圧力スイング吸着方法。
３７．ガス状供給物流に圧力スイング吸着方法を施すステップは、ワンパスプロセスである、段落２３〜３６のうちいずれか一に記載の周期的圧力スイング吸着方法。
３８．ガス状供給物流に圧力スイング吸着方法を施すステップは、圧力スイング吸着容器を通って１種類又は２種類以上の汚染物質を再循環させるステップを含む、段落２３〜３７のうちいずれか一に記載の周期的圧力スイング吸着方法。
３９．圧力スイング吸着ユニットは、２種類又は３種類以上の吸着性材料を含み、各吸着性材料は、１種類又は２種類以上の汚染物質の互いに異なる各々をそれぞれ標的にするよう構成されている、段落２３〜３８のうちいずれか一に記載の周期的圧力スイング吸着方法。
４０．サイクルについてステップｄ）に先立つ圧力は、０．２５ｂａｒ‐ａ〜１０ｂａｒ‐ａである、段落２３〜３９のうちいずれか一に周期的圧力スイング吸着方法。
４１．吸着剤床は、層の状態に形成された吸着性材料を含む、段落２３〜４０のうちいずれか一に記載の周期的圧力スイング吸着方法。
４２．この方法は、製品流中の所望の製品の量をガス状供給物流中の所望の製品の量で除算して得られる比に基づいて所望の製品の９５％を超える量を回収する、段落２３〜４１のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
４３．この方法は、製品流中の所望の製品の量をガス状供給物流中の所望の製品の量で除算して得られる比に基づいて所望の製品の９７％を超える量を回収する、段落２３〜４１のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
４４．サイクル中のステップの全てを完了させるのに要する全サイクル時間は、３０秒未満である、段落２３〜４３のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
４５．サイクル中のステップの全てを完了させるのに要する全サイクル時間は、１５秒未満である、段落２３〜４３のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
４６．汚染物質しきい値は、４ｐｐｍ未満のＨ2Ｓを含む、段落２３〜４５のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
４７．汚染物質しきい値は、２ｍｏｌパーセント未満のＣＯ2を含む、段落２３〜４５のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
４８．吸着剤床は、ＣＯ2とメタンの単一成分拡散係数の比が１０を超える吸着性材料を含む、段落２３〜４７のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
４９．吸着剤床は、ＣＯ2とメタンの単一成分拡散係数の比が１００を超える吸着性材料を含む、段落２３〜４７のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。５０．吸着剤床は、吸着剤粒子相互間の非掃過ボイド空間を直径が２０オングストロームを超え且つ１ミクロン未満の細孔内において３０容積％未満に減少させるメソ細孔充填材を含む吸着性材料を含む、段落２３〜４９のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
５１．吸着剤床は、吸着剤粒子相互間の非掃過ボイド空間を直径が２０オングストロームを超え且つ１ミクロン未満の細孔内において２０容積％未満に減少させるメソ細孔充填材を含む吸着性材料を含む、段落２３〜４９のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
５２．ガス状供給物流をブローダウンステップ及び減圧ステップの１つ又は２つ以上から第２のＲＣ‐ＰＳＡシステムの吸着剤床中に通してガス状供給物流から炭化水素を除去するステップを更に含む、段落２３〜５１のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
５３．吸着剤床は、複数本のチャネルが貫通して形成された構造化接触器を含む、段落２３〜５１のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
５４．減圧ステップの各々は、吸着剤床中の供給物流の一部分を均圧化タンクに移し、次に再加圧ステップの１つの実施中、一部分の少なくとも何分の一かを均圧化タンクから吸着剤床に移すステップを含む、段落２３〜５３のうちいずれか一に記載の周期的スイング吸着方法。
【０１４９】
開示した発明の原理を利用することができる多くの考えられる実施形態を考慮して、例示の実施形態は、本発明の好ましい実施例であるに過ぎず、本発明の範囲を限定するものと解されてはならないことは認識されるべきである。
【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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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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２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２７】
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