(57)【要約】酸素（２２）の生成に関連したプロセス。到着する空気（１０、１６、１６ａ、１６ｂ）は、収着／ゼオライト構造体（１８）へ通される。構造体（１８）は、空気からチッ素を吸着することを含む第１段階、このように吸着されたチッ素を放出する（２０、２０ａ、２０ｂ）ことを含む第２段階で、断続的に作動される少なくとも３つのゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）を含む。前記ゼオライト構成単位の少なくとも２つは前記吸着段階で作動され、前記到着する空気は、前記少なくとも２つのゼオライト構成単位へ連続的に通され（５３ａ）、増加するチッ素勾配が形成され、および／または前記ゼオライト構成単位の少なくとも２つが前記放出段階で作動され、圧力が軽減され、および／または放出ガス（２２ａ、２２ｂ）が前記少なくとも２つのゼオライト構成単位へ連続的に通され（５３ｂ）、減少するチッ素勾配がゼオライト構成単位の中で形成される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
到着する空気（１０、１６、１６ａ、１６ｂ）が、以下で「ゼオライト」と呼ばれるチッ素および酸素吸着特性を有する収着物質の構造体（１８）へ通され、ゼオライト構造体が少なくとも３つのゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）を含み、ゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）が第１および第２の段階で断続的に作動され、前記第１の段階は空気からチッ素を吸着することを含み、前記第２の段階は、このように吸着されたチッ素をゼオライト構成単位から放出する（２０、２０ａ、２０ｂ）ことを含む、酸素または酸素濃縮空気（２２）に関連したプロセスであって、
（ａ）作動中の全ての時点において、前記少なくとも３つのゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）の全部ではない少なくとも１つが第１の吸着段階で作動されると共に前記少なくとも３つのゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）の残りのものが第２の放出段階で作動されるか、またはこの逆で作動され、
作動中の全ての時点において、
（ｂ）前記３つのゼオライト構成単位の少なくとも２つが前記第１の吸着段階で作動され、前記到着する空気（１０、１６、１６ａ、１６ｂ）が、大気圧に近いか、それより上の圧力、好ましくは、かなり上の圧力で、前記少なくとも２つのゼオライト構成単位へ連続的に通され（５３ａ）、チッ素勾配が形成され、このチッ素勾配は、前記連続構成単位の上流側の空気入口構成単位で最大となり、下流側の酸素または酸素濃縮空気出口（２２）構成単位で最小となり、
（ｃ）前記３つのゼオライト構成単位の少なくとも２つが前記第２の放出段階で作動され、圧力が軽減され、および／または放出ガス（２２ａ、２２ｂ）が前記少なくとも２つのゼオライト構成単位へ連続的に通され（５３ｂ）、チッ素勾配が形成され、このチッ素勾配は、前記連続構成単位の上流側の放出ガス入口構成単位で最低となり、下流側のチッ素またはチッ素濃縮ガス出口（２０ａ、２０ｂ）構成単位で最大となる
のいずれか、または双方が有効であることを特徴とするプロセス。
【請求項２】
プロセスが本質的に定圧で実行され、ゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）の温度が前記第１の吸着段階と前記第２の放出段階との間で変更されることを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
ゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）の温度および圧力の双方が前記第１の吸着段階と前記第２の放出段階との間で変更され、吸着段階と放出段階との間の圧力差が１００バールまでであるが、好ましくは５０バールを超えず、更に好ましくは３０バールを超えず、更に好ましくは１０バールを超えず、更に好ましくは２バールを超えず、更に好ましくは１バールを超えず、更に好ましくは０．５バールを超えず、最も好ましくは０．２バールを超えないことを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
【請求項４】
熱エネルギーが吸着段階の間にゼオライト構成単位から伝達され（６４ａ、６４ｂ、６６、５２、６０）、熱エネルギーが放出段階の間にゼオライト構成単位へ伝達される（６２ａ、６２ｂ、６６、５２、６０）ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項５】
吸着段階から伝達される前記熱エネルギーが冷却媒体の助けによって伝達され（６４ａ、６４ｂ、６６）、放出段階へ伝達される前記熱エネルギーが加熱媒体の助けによって伝達される（６２ａ、６２ｂ、６６）ことを特徴とする、請求項４に記載のプロセス。
【請求項６】
前記ゼオライト構造体（１８）が少なくとも４つのゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）、好ましくは少なくとも６つ、更に好ましくは少なくとも９つのゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）を含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項７】
熱エネルギーの前記伝達が吸着ゼオライト構成単位と放出ゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）との間の熱交換（５２、６０、６６）によって実行されることを特徴とする、請求項６に記載のプロセス。
【請求項８】
熱エネルギーの前記伝達がヒートポンププロセス（６６）の助けによって実行され、該ヒートポンププロセスは、熱エネルギー源としての吸着ゼオライト構成単位、および熱エネルギー吸い込みとしての放出ゼオライト構成単位と一緒に作動することを特徴とする、請求項６に記載のプロセス。
【請求項９】
前記放出段階が、ゼオライト構成単位からチッ素を放出するため圧力が軽減される第１のステップ、および吸着されたチッ素をゼオライトから洗い流すため空気、酸素、または酸素濃縮空気がゼオライト構成単位へ流出される（２２ａ、２２ｂ）第２のステップを含み、前記ゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）が、加圧される段階である前記吸着段階、前記放出段階の第１のステップ、および前記放出段階の第２のステップのために交互に作動されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１０】
生成された前記酸素または酸素濃縮空気（２２）が、その後でエネルギーの生成、冶金および／または化学プロセス、他の酸素消費プロセスで利用されるか、呼吸用の空気として利用される（２４）ことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１１】
エネルギーの前記生成（２４、２６）が、好ましくは燃焼プロセス、更に好ましくは内燃機関における熱、運動、および電力の生成から成るグループのエネルギー生成を含むことを特徴とする、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１２】
エネルギーの生成および／または化学プロセスにおける前記利用（２４、２６）が、燃料電池、好ましくは固体酸化物燃料電池における反応体としての酸素または酸素濃縮空気の利用を含むことを特徴とする、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１３】
放出チッ素（２０、２０ａ、２０ｂ）が、冷却目的（３８）、好ましくは内燃機関の冷却（２４）、燃料電池の冷却（２４）、または到着する空気（１０、１６、１６ａ、１６ｂ）の冷却、および／または乾燥目的（４０）、好ましくは到着する空気（１０、１６、１６ａ、１６ｂ）の乾燥物質（１２）の再生乾燥に利用されることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１４】
プロセスがターボプロセス（１４、３０、３２）の中に組み込まれ、エネルギーの前記生成および／または前記化学プロセス（２４、２６）からの排気ガス（２８）が減圧され（３０）、減圧で回復されたエネルギー（３２）が前記到着する空気（１０、１６、１６ａ、１６ｂ）の圧縮に使用される（１４）ことを特徴とする、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１５】
酸素または酸素濃縮空気（２２）を生成する装置であって、該装置は、以後は「ゼオライト」と呼ばれるチッ素および酸素吸着特性を有する収着物質の構造体（１８）へ通される到着する空気（１０、１６、１６ａ、１６ｂ）の入口を含み、前記ゼオライト構造体は空気からチッ素を吸着するように配列された少なくとも３つのゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）を含み、更に前記装置は、前記ゼオライト構成単位を第１および第２の段階で断続的に作動させる手段（７０、７２、７４、８３ａ、８３ｂ、８４、８５、８６ａ、８６ｂ、８７ａ、８７ｂ）を含み、前記第１の段階は空気からチッ素を吸着することを含み、前記第２の段階は、このように吸着されたチッ素をゼオライト構成単位から放出する（２０、２０ａ、２０ｂ）ことを含み、前記装置は、
（ａ）断続的に作動させる前記手段（７０、７２、７４、８３ａ、８３ｂ、８４、８５、８６ａ、８６ｂ、８７ａ、８７ｂ）が、前記少なくとも３つのゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）の全部ではなく少なくとも１つを第１の吸着段階で作動させると共に前記少なくとも３つのゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）の残りのものを第２の放出段階で作動させるか、またはこの逆で作動させるように配列され、
（ｂ）導管手段（５３ａ）が、前記第１の吸着段階で、前記３つのゼオライト構成単位の少なくとも２つを、到着する空気（１０、１６、１６ａ、１６ｂ）の前記入口へ動作的および連続的に接続するように配列され、および／または
（ｃ）導管手段（５３ｂ）が、前記第２の放出段階で、前記３つのゼオライト構成単位の少なくとも２つを、減圧されたガスおよび／または放出ガスの入口（２２ａ、２２ｂ）へ動作的および連続的に接続するように配列される
ことを特徴とする装置。
【請求項１６】
装置が、更に、熱エネルギーを、吸着段階でゼオライト構成単位から伝達し、放出段階でゼオライト構成単位へ伝達する手段（５２、６０、６２ａ、６２ｂ、６４ａ、６４ｂ、６６、８０、８２）を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
熱エネルギーを伝達する前記手段が、冷却媒体源（８２）および冷却媒体によってゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）を冷却する手段（６４、６４ａ、６４ｂ）、並びに加熱媒体源（８０）および加熱媒体によってゼオライト構成単位を加熱する手段（６２、６２ａ、６２ｂ）を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記ゼオライト構成単位（１８）が、少なくとも４つ、好ましくは少なくとも６つ、更に好ましくは少なくとも９つのゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）を含むことを特徴とする、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
前記放出段階を２つのステップで実行する手段を含み、ゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）からチッ素を放出するため第１のステップで圧力が軽減され、吸着されたチッ素をゼオライトから洗い流すため（２０、２０ａ、２０ｂ）空気、酸素、または酸素濃縮空気が第２のステップでゼオライト構成単位へ流出され（２２ａ、２２ｂ）、前記ゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）が、加圧段階である前記吸着段階、前記放出段階の第１ステップ、および前記放出段階の第２ステップのために交互に作動されるように配列されることを特徴とする、請求項１５から１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
ゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）を含むゼオライト構造体（１８）が回転構成単位として配列されることを特徴とする、請求項１５から１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
熱エネルギーを伝達する前記手段がヒートポンプ（６６）を含み、該ヒートポンプが、熱エネルギー源としての吸着ゼオライト構成単位および熱エネルギー吸い込みとしての放出ゼオライト構成単位と一緒に作動するように配列されることを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
【請求項２２】
熱エネルギーを伝達する前記手段が、吸着ゼオライト構成単位と放出ゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）との間で熱を交換する手段（５２、６０、６６）を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
【請求項２３】
各々のゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）が細長いボディの形状を有し、該細長いボディは、好ましくは１〜１０００ｍｍ、更に好ましくは２〜１００ｍｍ、更に好ましくは２〜５０ｍｍ、最も好ましくは２〜１０ｍｍの最大直径または断面幅を有し、好ましくは１００ｍｍ〜１００ｍ、更に好ましくは１５０ｍｍ〜１０ｍ、更に好ましくは２００ｍｍ〜５ｍ、最も好ましくは２００ｍｍ〜１ｍの長さを有し、ゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）が前記熱交換を達成するため相互に密接な関係で配列されることを特徴とする、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記細長いボディ（５０ａ〜５０ｆ）がゼオライト物質の多数の短い部分（５１）から作られることを特徴とする、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記細長いボディ（５０ａ〜５０ｆ）が、円形断面を有するロッドの周辺長よりも大きな周辺長を示し、前記ロッドが細長いボディの断面積に等しい断面積を有することを特徴とする、請求項２３または２４に記載の装置。
【請求項２６】
ゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）が熱伝導物質の構造体（５２）の中に配列され、各々のゼオライト構成単位は、好ましくは熱伝導物質の構造体（５２）の中でそれ自身のセル（５４）へ配列され、前記熱を交換する追加の手段（６０）が、好ましくは、構造体（５２）の中に配列されることを特徴とする、請求項２２から２５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２７】
空気を通過させる貫通チャネル（５８）が、ゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）の外側形成面と熱伝導物質の構造体（５２）との間に配列されることを特徴とする、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記加熱媒体または前記冷却媒体をゼオライト構造体（１８）へ通過させる貫通チャネル（６１）が熱伝導物質の構造体（５２）の中に配列されることを特徴とする、請求項１７および２６に記載の装置。
【請求項２９】
ゼオライト構成単位（５０ａ〜５０ｆ）がハニカム構造体を示し、それによって空気を通過させる貫通孔（５６）がゼオライト構成単位の中に設けられることを特徴とする、請求項１５から２８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３０】
後続のエネルギーの生成、冶金および／または化学プロセス、他の酸素消費プロセスで酸素または酸素濃縮空気を利用するか吸気用の空気として利用する（２４）ため、生成された酸素または酸素濃縮空気の出口（２２）が設けられることを特徴とする、請求項１５から２９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３１】
エネルギーの前記生成（２４、２６）が、熱、運動、および電力の生成から成るグループでのエネルギー生成を含み、装置が、好ましくは燃焼プロセス、更に好ましくは内燃機関（２４）へ組み込まれることを特徴とする、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
エネルギーの生成および／または化学プロセス（２４、２６）における前記利用が、燃料電池の反応体として酸素または酸素濃縮空気（２２）を利用することを含み、装置が、好ましくはそのような燃料電池、最も好ましくは固体酸化物燃料電池（２４）へ組み込まれることを特徴とする、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
冷却目的（３８）、好ましくは内燃機関（２４）の冷却、燃料電池（２４）の冷却または到着する空気（１０、１６、１６ａ、１６ｂ）の冷却、および／または乾燥目的（４０）、好ましくは到着する空気（１０、１６、１６ａ、１６ｂ）の乾燥物質の再生乾燥（１２）のための放出チッ素出口（２０、２０ａ、２０ｂ）を特徴とする、請求項１５から３２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３４】
装置がターボ装置（１４、３０、３２）の中に組み込まれ、前記ターボ装置が、排気ガスが減圧されるとき前記エネルギーの生成および／または前記化学プロセス（２４、２６）からの排気ガス（２８）からエネルギーを回復する手段（３０）、および減圧で回復されたエネルギーをプロセスのために前記到着する空気（１０、１６、１６ａ、１６ｂ）の圧縮機（１４）へ伝達する手段（３２）を含むことを特徴とする、請求項３０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素、または酸素を濃縮された空気の生成に関する。そのプロセスにおいて、到着する空気は収着物質、即ち、ゼオライト、または以下で「ゼオライト」と呼ばれる類似のチッ素および酸素吸着特性を有する他の物質の構造体を通される。ゼオライト構造体は少なくとも３つのゼオライト構成単位を含み、ゼオライト構成単位は第１および第２の段階で断続的に作動される。前記第１の段階は空気からチッ素を吸着することを含み、前記第２の段階は、そのように吸着されたチッ素をゼオライト構成単位から放出することを含む。
【背景技術】
【０００２】
ゼオライトの中でチッ素を吸着することによって酸素または酸素濃縮空気を生成することは、十分に発展した技術分野である。異なったタイプのゼオライトが存在し、それらの多数は、酸素または酸素濃縮空気を生成するため特別に開発された。当然のことながら、生成された酸素または酸素濃縮空気を利用する方法も沢山提案されている。ＷＯ９９／４９９６４では、たとえば、空気呼吸装置または空気調節装置でチッ素吸着ゼオライトを使用することが説明されている。依然として、チッ素吸着ゼオライトは、新しい技術分野で新たに使用される潜在力を有している。
【０００３】
更に、チッ素吸着ゼオライトによって酸素または酸素濃縮空気を生成することは、十分に発展した技術分野であるが、この技術は更に発展する可能性がある。今日使用されるゼオライト構造体は、たとえば、多くの場合、減少する反応（即ち、吸着または放出）レートに起因して、制限された効率性を示す。転じて、この効率性は、反応における熱の過度の生成と消費に依存する。更に正確には、チッ素の吸着は、圧力の増加および温度の増加の間に起こる。しかし、温度があまりに高くなると、吸着反応のレートは減少する。更に、チッ素の放出は、通常、圧力の減少および温度の減少の間に起こる。しかし、温度があまりに低くなると、放出反応のレートは減少する。これが問題となる理由は、ゼオライトが貧弱な熱伝導率を示すことである。これは、ゼオライト構造体の中の温度が極めて迅速に上昇または下降して、反応レートが悪影響を受ける温度へ達することを意味する。
【０００４】
更に、他の問題は、幾つかのゼオライト構成単位を使用して有効なプロセスを達成することである。即ち、相互に連続的および動作的に接続された少なくとも３つのゼオライト構成単位を使用するプロセスで、飽和に近いときのゼオライト物質の吸着特性および機能性を考慮しながら、どのようにしてゼオライト物質を最良に使用するかである。
【０００５】
ＥＰ０３４３７９９は、２つ以上の収着構成単位／ベッドが吸着段階および放出段階で断続的に作動され、作動の間に熱が構成単位／ベッドの間で伝達されるプロセスを教示している。同様に、ＵＳ４，１６５，９７２およびＥＰ０５３７５９７は、熱交換器手段の使用による加熱および冷却を教示する。ＥＰ０５３７５９７は、更に、非常に大規模な空気分離プラントにおいて、１つの処理バンクの中の並行流体のために幾つかの吸着ベッドが接続されることを教示する。この場合、ベッドの全ては、同じ処理シーケンスを一緒および同時に完了する。したがって、複数のベッドは相互に対して直列にリンクされていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前述した問題に対処すること、したがって、チッ素吸着ゼオライト、または、酸素または酸素濃縮空気の生成に今日使用されるゼオライトと類似したチッ素および酸素吸着特性を有する他の物質（吸着物質）の新しいデザインおよび手法を提案することを目的とする。以下の文章では、この物質グループを、単に「ゼオライト」または「ゼオライト群」と呼ぶことにする。したがって、或るシーケンスで作動するように直列に（連続的に）相互接続されたゼオライト構成単位を紹介することによって、本発明は、チッ素吸着ゼオライトの助けによって酸素または酸素濃縮空気を生成することに関連した新規かつ高度に効率的なプロセスおよび装置を提案することを目的とする。更に、本発明は、少なくとも周知の装置と同程度に効率的であるがサイズの小さい装置を提案することを目的とする。新しいデザインおよび手法によって、熱の過剰な生成または消費に起因して減少する反応レートに関連した問題も解消される。更に、本発明は、チッ素吸着ゼオライトによって生成された酸素または酸素濃縮空気の新しい利用を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
これら、および他の問題は、請求項で表現されたプロセスおよび装置によって解決される。
【０００８】
したがって、紹介に従ったプロセスおよび装置が提示される。このプロセスおよび装置において、
（ａ）作動中の全ての時点において、前記少なくとも３つのゼオライト構成単位の全部ではない少なくとも１つが第１の吸着段階で作動され、前記少なくとも３つのゼオライト構成単位の残りのものは第２の放出段階で作動する。または、その逆である。
作動中の全ての時点において、次の（ｂ）および（ｃ）のいずれか、または双方が有効である。
（ｂ）前記３つのゼオライト構成単位の少なくとも２つが前記第１の吸着段階で作動され、前記到着する空気が、大気圧に近いか、それより上の圧力、好ましくは、かなり上の圧力で、前記少なくとも２つのゼオライト構成単位へ連続的に通され、チッ素勾配が形成される。このチッ素勾配は、前記連続構成単位の上流側の空気入口構成単位で最大であり、下流側の酸素または酸素濃縮空気出口構成単位で最小である。
（ｃ）前記３つのゼオライト構成単位の少なくとも２つが前記第２の放出段階で作動され、圧力が軽減され、および／または放出ガスが前記少なくとも２つのゼオライト構成単位へ連続的に通され、チッ素勾配が形成される。このチッ素勾配は、前記連続構成単位の上流側の放出ガス入口構成単位で最低であり、下流側のチッ素またはチッ素濃縮ガス出口構成単位で最大である。
【０００９】
したがって、本発明は、ゼオライト構成単位を直列または順次に相互連結し、各々の単一の構成単位が先ず低いチッ素飽和で作動され、より高いチッ素飽和で次に作動され、最終の選択された飽和点に達して、その時点で放出がその構成単位について開始されるまで作動する方法を提案する。全ての時点において、到着する空気は、高度の（好ましくは最高の）チッ素飽和を有するゼオライト構成単位へ導かれる。このゼオライト構成単位は、その後の次のステップで放出モードへ切り替わる。放出モードでは、チッ素またはチッ素を濃縮された空気が、高度のチッ素飽和を有するゼオライト構成単位から取り出される（出口）。酸素または酸素濃縮空気は、順次に相互連結された吸着構成単位のラインにおいて、その時点で最後のゼオライト構成単位から取り出される（出口）。このゼオライト構成単位は低度のチッ素飽和を有する。前のステップでは、低度のチッ素飽和を有するゼオライト構成単位は、順次に相互連結された放出構成単位のラインの中で最初のものであった。ここで、「ラインの中で最後」および「ラインの中で最初」は、ガス（吸着の間にチッ素を剥ぎ取られる空気、または放出の間にチッ素を濃縮される放出ガス）の流れに関して、ゼオライト構成単位の列における位置を意味する。
【００１０】
本発明の１つの様相によれば、ゼオライト構成単位を含むゼオライト構造体は、ゼオライト構成単位の回転構成単位を含むように配列されることができる。この場合、到着する空気は、多数のゼオライト構成単位の中を逆流で導かれることができる。或る時間間隔で、回転構成単位は１ステップ移動する。これは、チッ素で最も飽和されたゼオライト構成単位が放出位置へ移動し、その位置で、放出中の多数のゼオライト構成単位のラインの中で最後のものになることを意味する。空気、酸素、または酸素濃縮空気は、これらの放出構成単位の中を逆流で導かれ、それらの構成単位は或る時点で１ステップ移動し、最終的に都合良く放出され、その後で再び回転構成単位の吸着部分へ入る。
【００１１】
本発明の他の様相によれば、熱エネルギーは吸着段階の間に各々のゼオライト構成単位から伝達され、熱エネルギーは放出段階の間にゼオライト構成単位へ伝達される。好ましくは、吸着段階から伝達される前記熱エネルギーは、冷却媒体の助けにより伝達され、放出段階へ伝達される前記熱エネルギーは、加熱媒体の助けにより伝達される。吸着ゼオライト構成単位と放出ゼオライト構成単位との間の熱交換の場合には、加熱媒体は冷却媒体と同じであってよく、または異なった媒体が使用されてよい。必要な格別の熱エネルギーは、外部加熱媒体、たとえば、酸素または酸素濃縮空気が使用されるプロセスからの排気ガス、または他の熱源から来ることができる。必要な格別の冷却効果は、外部冷却媒体、たとえば周囲の空気、冷却水、または他の適切な冷却源から来ることができる。１つのオプションは、ゼオライト構成単位の中の冷却媒体を構成するように、到着する空気を冷却することであり、および／または加熱媒体を構成するように、到着する放出ガスを加熱することである。もちろん、熱交換が起こらないときでも、外部の加熱媒体および冷却媒体を使用することができる。
【００１２】
本発明の他の様相によれば、ゼオライト構造体は、少なくとも４つのゼオライト構成単位、好ましくは少なくとも６つ、更に好ましくは少なくとも９つの個々の構成単位を含む。これらの個々の構成単位は、圧力変化プロセスおよび／または温度変化プロセス、好ましくは温度変化プロセスによって、吸着段階および放出段階で交互に作動される。理解すべきは、単一のプロセスまたは装置で使用されるゼオライト構成単位の数に上限はないことである。なぜなら、特に、各々のゼオライト構成単位は、全く小さいことが好ましいからである。したがって、各々の単一のゼオライト構成単位は、細長いボディの形状を有することが好ましい。細長いボディは、好ましくは１〜１０００ｍｍ、更に好ましくは２〜１００、更に好ましくは２〜５０ｍｍ、最も好ましくは２〜１０ｍｍの最大直径または断面幅を有し、好ましくは１００ｍｍ〜１００ｍ、更に好ましくは１５０ｍｍ〜１０ｍ、更に好ましくは２００ｍｍ〜５ｍ、最も好ましくは２００ｍｍ〜１ｍの長さを有する。更に、各々のゼオライト構成単位は、非常に多くの小さな部分から作ることができる。これらの部分は、どちらかと言えば対称形を示し、相互に積み重ねられ、前記細長いゼオライト構成単位を形成する。好ましくは、前記細長いボディは、円形の断面を有するロッドの周辺長よりも大きな周辺長を示す。前記ロッドは、細長いボディの断面積に等しい断面積を有する。本発明の好ましい実施形態によれば、細長いボディは、密接に積み重ねられるか、他の仕方では、相互に密接な関係で配列され、それによって、吸着段階および放出段階のそれぞれで現在作動されているボディ／構成単位間の熱交換を可能および容易にする。代替として、より小さなゼオライト物体、たとえば球または他の小さな部分がバルクとして配列され、ゼオライト構成単位を形成することができる。最も好ましい場合、ゼオライト構成単位間の熱エネルギーの伝達は、吸着ゼオライト構成単位と放出ゼオライト構成単位との間の熱交換のみで、または、その熱交換を少なくともメインとして達成される。
【００１３】
相対的に小さいか少なくとも相対的に薄いゼオライト構成単位のおかげで、構成単位の中の反応レートは、プロセスの各々の時点で吸着ゼオライト構成単位と放出ゼオライト構成単位との間で実行されている熱交換によって改善されることができる。これは、もちろん、ゼオライト構成単位間で熱交換を行う或るタイプの手段が、好ましくは存在すべきであることを意味するが、低い熱伝導率の負の効果は、ゼオライト構成単位が非常に薄い事実によって影響を受けない。熱交換を行う手段は、好ましくは、全く単純にゼオライト構成単位の間に配列された金属層および／または金属レッジから構成されることができる。しかし、周知の他の手段、熱交換を行う手段も使用されることができる。
【００１４】
本発明の更に他の様相によれば、ゼオライト構成単位は金属構造体の中に配列される。各々のゼオライト構成単位は、好ましくは、金属構造体の中で、それ自身のセルの中に配列され、前記熱交換の追加の手段も、好ましくは金属構造体の中に配列される。更に、ゼオライト構成単位の外面と金属構造体との間に、ガスを通過させる貫通チャネルを配列することができる。代替的または組み合わせによって、ゼオライト構造体はハニカム構造体を含むことができ、それによって、ガスを通過させる貫通孔がゼオライト構造体の中に提供される。これらの様相の詳細は、図面を説明するとき更に十分に説明されるであろう。
【００１５】
本発明の１つの実施形態によれば、プロセスは加圧される。それによって、放出プロセスは、ゼオライトからチッ素を放出するため圧力が軽減される第１のステップ、および吸着されたチッ素をゼオライトから洗い流すため空気、酸素、または酸素濃縮空気がゼオライトへ流出される第２のステップを含む。こうして、前記個々のゼオライト構成単位は、吸着、放出の第１のステップ、および放出の第２のステップのために交互に作動される。以下では、第２のステップを再生ステップと呼ぶことにする。本発明に従ったプロセスの間および装置において、一般的なピーク圧力は、この実施形態では、たとえば、少なくとも１．５バール、好ましくは少なくとも２．５バール、更に好ましくは少なくとも５バール、更に好ましくは少なくとも７．５バール、最も好ましくは少なくとも１０バールの超過圧力でなければならない。本発明の或る実施形態および使用では、圧力は１００バールに達することが考えられるが、通常は５０バールを超えず、好ましくは３０バールの超過圧力を超えないであろう。
【００１６】
言及したばかりの実施形態の１つの様相によれば、本発明に従った熱エネルギーの伝達は、吸着ゼオライト構成単位を熱エネルギー源として作動させ、放出ゼオライト構成単位を熱エネルギーの吸い込みとして作動させるヒートポンププロセス、任意的にはフォンプラテンプロセスの助けによって実行されることができる。
【００１７】
本発明の他の実施形態によれば、吸着および放出反応は、プロセスが本質的に定圧（流体抵抗を克服するために必要な圧力差を無視する）で実行される程度まで、冷却および加熱を交互に実行することによって改善されることができる。もしゼオライト構成単位が吸着の間に十分冷却されるならば、吸着されるチッ素の量は多いであろう。したがって、ゼオライト構成単位の続いての放出（再生を含む）は、温度の増加のみによって実行されることができる。この場合、吸着ステップと放出ステップとの間の温度差は、少なくとも５℃、更に便宜的には少なくとも１０℃、好ましくは少なくとも２０℃、更に好ましくは少なくとも５０℃、更に好ましくは少なくとも１００℃、最も好ましくは少なくとも２００℃でなければならない。言及したばかりの温度差に従って、放出段階よりも吸着段階の間に温度を低くする状態を作り出すことによって、吸着反応および放出反応のレートは大きく増大するであろう。圧力は、好ましくは大気圧であり、到着する空気の圧縮は本質的に必要とされない。しかし、更に、圧力変化プロセスと温度変化プロセスとの組み合わせを考慮することができる。それによって、温度は、放出段階よりも吸着段階で低くされる必要はないが、好ましくは低くされるべきである。圧力変化プロセスと温度変化プロセスとを組み合わせた場合、圧力差は１００バールまでにすることができるが、通常は５０バールを超えず、好ましくは３０バールを超えず、更に好ましくは１０バールを超えない。最も有利には、温度変化プロセスが優先する。その場合、圧力差は２バールを超えず、好ましくは１バールを超えず、更に好ましくは０．５バールを超えず、最も好ましくは０．２バールを超えない。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態によれば、生成された酸素または酸素濃縮空気は、エネルギーの生成に使用される。エネルギーの生成は、好ましくは燃焼プロセス、および更に好ましくは内燃機関における熱、運動、および電力の生成から成るグループにおけるエネルギーの生成を含むことができる。任意の考慮され得る燃料、たとえば、ガソリン、ディーゼル油、炭化水素、ガス、菜種油メチルエステルなどを燃焼プロセスまたは内燃機関で使用できるが、他の燃料を排除するものではない。
【００１９】
本発明の更に他の好ましい実施形態によれば、エネルギーの生成および／または化学プロセスにおける前記利用は、燃料電池、好ましくは固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）における反応体としての酸素または酸素濃縮空気の利用を含む。ＳＯＦＣの概念は、その特定の技術分野でよく知られており、「電解質」が固体形式、たとえば、ＺｒＯ２の形式をしたセラミック電解質または他の電気的に絶縁性のイオン伝導物質であることを意味する。酸素または酸素濃縮空気が使用される燃料電池の反応は、たとえば、反応体としての水素および酸素に基づくか、反応体としての炭化水素および酸素に基づくか、および／または、反応体として好ましくは水素と混合された一酸化炭素および酸素に基づく周知の反応または未知の反応であることができる。後者の場合、本発明に従って生成された酸素または酸素濃縮空気は、燃料電池それ自身の酸素反応体として、また改質ガスの形式をした一酸化炭素と水素とのガス混合物を生成するときの反応体として、有利に使用されることができる。改質ガスの周知の生成において、炭素または炭化水素は、水蒸気および／または空気との反応によって、一酸化炭素および水素へ改質される。この場合、反応体としての単純な空気ではなく酸素または酸素濃縮空気によって生成された改質ガスは、燃料電池の中でエネルギーを生成するのに格別に効率的であろう。なぜなら、それは、酸素源としての空気を使用して生成された改質ガスと比較して、チッ素（Ｎ２）の減少した含有量を示すからである。更に、改質ガスが、本発明に従って酸素または酸素濃縮空気の使用によって生成されるとき、酸素の相対的に大きな部分がＨ２Ｏの形式で加えられることができる。これは、生成されたガスへ水素（Ｈ２）の増加した含有量を与えるであろう。これは、特に燃料電池の場合に有利である。もちろん、燃料電池の反応体について説明したことは、エネルギーを生成する他の化学プロセスの反応体についても当てはまるであろう。
【００２０】
大型の乗り物または建造物、たとえば、宇宙船、トラック、または冶金、化学、または電力プラントでは、ゼオライト構成単位は、単一のゼオライト構造体の中で１００００００個の構成単位まで配列されることができる。しかし、普通の自動車などで使用する場合、単一のゼオライト構造体における構成単位の数は、好ましくは、もっと少なく、ゼオライト構造体のトータル直径または最大幅は、３００ｍｍ、好ましくは高々２００ｍｍ、更に好ましくは高々１００ｍｍである。
【００２１】
本発明の利点は、酸素または酸素濃縮空気は、空気と比較して、たとえば燃焼している物体の表面または燃料電池の薄膜酸化側の表面で、酸素が消費されるブロッキングガス層を薄くすることである。その結果、プロセスは速くなり、したがってエネルギー生成装置は、通常の装置よりも小さくなる。
【００２２】
本発明の他の様相によれば、生成された酸素または酸素濃縮空気は、周知の酸素消費プロセスまたは装置、たとえば呼吸装置で使用されることができるが、他の装置を排除するものではない。
【００２３】
本発明の更に他の様相によれば、プロセスで放出されたチッ素は、冷却目的、好ましくは内燃機関の冷却、燃料電池の冷却、または到着して任意的に圧縮された空気の冷却に利用される。これは、チッ素ガスの温度が低くされる場合に特に有効である。なぜなら、その圧力が軽減されるからである。代替として、放出されたチッ素は、乾燥目的、好ましくはプロセス／装置の中へ入る空気の乾燥物質の再生乾燥に使用されることができる。そのような乾燥物質は、ゼオライト構造体からも有利に構成されることができる。しかし、その特別のゼオライトは、水分または湿気の吸着に適合化および最適化される。特に興味ある概念は、前述したように低温の放出されたチッ素を冷却目的に使用し、その後で、加熱されたチッ素ガスを乾燥目的に使用することである。
【００２４】
本発明の他の好ましい実施形態によれば、本発明に従ったプロセス／装置は、ターボプロセスの中に組み込まれる。これが実現されるとき、エネルギーの前記生成および／または前記化学プロセスからの排気ガスが、タービンの中で減圧され、減圧で発生したエネルギーが、本発明に従ったプロセス／装置で到着する空気を圧縮するために使用されることを意味する。これは、更に、排気ガスの温度が減圧で低くされるので、ガス内の対応する熱エネルギーが、本発明に従ったプロセス／装置の加圧される実施形態で、到着する空気を圧縮するために使用されるという利点を有する。
【００２５】
使用されるゼオライトのタイプは、当然のことながら、空気からチッ素を吸着するように適合化および最適化されなければならない（即ち、それは選択的でなければならない）。更に、それは、好ましくは押し出し成形によって、好ましくは細長いボディを形成するように十分適合化されなければならない。細長いゼオライトボディが多数の短いまたは小さい部分から作られる実施形態では、コンパクトな形状のゼオライト部分を生成するのに十分適したプレス、成形、または他の方法を使用することができる。更に、ゼオライトは、たとえば燃焼機関の中で自然に生じる振動に特に耐えるため、かなりの機械的強度を示さなければならない。本発明の１つの実施形態によれば、ゼオライトは、チッ素の吸着および放出時間を最小化するように適合化された細孔構造を有し、同時にゼオライトの最適熱伝導率特性を維持しなければならない。
【００２６】
以下で、図面に示された好ましい実施形態を参照して、本発明を詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
最初に、図１〜図４を参照して、プロセスおよび装置の幾つかの一般的様相を説明する。本発明の概念は、図５〜図６を参照して、更に詳細に説明される。
【００２８】
図１では、本発明に従って酸素または酸素濃縮空気を生成するプロセスのブロック図が示される。図示されたプロセスでは、酸素または酸素濃縮空気は、エネルギーの生成または化学プロセスで使用される。更に、本発明に従ったプロセスは、ターボプロセスの中に組み込まれる。更に正確には、空気の取り入れ口１０が示される。空気は、乾燥機１２の中で乾燥される。乾燥機は、有利に、乾燥物質としてのゼオライトに基づくことができる。ゼオライトは、空気中の水分または湿気を取り込むために適合化および最適化される。乾燥した空気は、前述したように圧縮機１４の中でプロセスの所望のピーク圧力へ圧縮される。代替として（図示されていないが）、乾燥機１２は、圧縮機１４の下流側に配列されることができる。乾燥および圧縮された空気は、その後で、入口１６を介して、本発明に従ったゼオライト構造体１８の中へ運ばれる。ゼオライト構造体１８の中では、到着する空気からチッ素が吸着される。チッ素は、その後で、出口２０を介してゼオライト構造体から断続的に放出および回収される。
【００２９】
ゼオライト構造体１８は、酸素または酸素濃縮空気の出口２２を示す。酸素濃縮空気は、少なくとも２５％、好ましくは少なくとも４０％、更に好ましくは少なくとも６０％、および有利には８０％〜１００％の酸素、または少なくとも９５％までの酸素含有量を有する。酸素または酸素濃縮空気は、続いて、および本発明に従って、プロセス装置２４の中でエネルギー生成または化学プロセスに使用される。したがって、図１のプロセス装置２４は、前述したように、たとえば内燃機関または燃料電池などを表す。エネルギーの取り出しは、２６で表される。プロセス装置２４からの排気ガスは、出口２８を介して回収され、排気ガスの圧力はタービン３０の中で放出される。ターボの概念に従って、排気ガスがタービン３０の中で減圧されるとき引き出されるエネルギーは、線３２で表されるように、圧縮機１４の中で到着する空気を圧縮するために利用されることができる。同じようにして、出口２０を介してゼオライト構造体１８から放出、回収、および加圧されたチッ素ガス（または、チッ素を濃縮された空気）は、タービン３４の中で減圧され、このようにして引き出されて線３６で表されるエネルギーは、圧縮機１４の中で利用されることができる。
【００３０】
放出されたチッ素ガスが減圧されたとき、その温度は降下しているであろう。これは、冷却目的にガスを有利に使用できることを意味する。図１の場合、冷却チッ素ガスは、線３８を介してプロセス装置２４へ運ばれ、２４によって表される内燃機関、燃料電池、または何らかのプロセスで冷却目的に使用される。チッ素ガスは、それによって再び加熱され、その後で乾燥目的に再度使用されることができる。図１では、加熱されたチッ素ガスが、線４０で運ばれ、乾燥機１２へ戻され、その中で乾燥物質の再生乾燥に使用される方法を示す。
【００３１】
図２は、幾つかの別々のゼオライト構成単位５０ａ〜５０ｃが、金属構造体５２の中で配列される好ましい実施形態を示す。金属構造体は、各々のゼオライト構成単位５０ａ〜５０ｃのためのセル５４を示す。図示された実施形態では、９つのセル５４、したがつて９つのゼオライト構成単位５０ａ〜５０ｃが示されるが、前述したように、セルおよび構成単位の数は、それより小さくても大きくてもよいことを理解すべきである。ゼオライト構成単位５０ａ〜５０ｃは、相互に密接な関係で配列された狭くて細長いボディから構成され、構成単位の間で熱交換が容易に起こるようにされる。もしプロセスの１つの時点で、たとえば構成単位５０ａが吸着のために作動され、したがって、これらの構成単位の中の温度が上昇し、構成単位５０ｂが放出の第１ステップで作動され、したがって、これらの構成単位の中で温度が降下すれば、効率性の点で吸着プロセスおよび放出プロセスの双方が改善される。なぜなら、吸着構成単位と放出構成単位との間で熱交換が起こるからである。同じ時点で、構成単位５０ｃは放出の第２ステップで作動される。即ち、それらは再生される。ゼオライト構成単位５０ａ〜５０ｃの狭い形状は、熱伝達を著しく容易にし、ゼオライトが貧弱な熱伝導率を示す事実を相殺する。更に、金属構造体５２は、別々のゼオライト構成単位５０ａ〜５０ｃの間の熱伝導を向上する。吸着および放出プロセスが進行するにつれて、構成単位５０ａ、５０ｂ、および５０ｃは、それぞれ、吸着、放出の第１ステップ、および放出の第２ステップのために交互に作動する。熱交換のおかげで、吸着および放出反応は改善され、したがって、交互の作動サイクルは迅速かつ効率的になる。
【００３２】
図２は、ゼオライト構成単位５０ａ〜５０ｃが、多数の小さな部分５１から組み立てられる方法を示す。部分５１は、相互に積み重ねられて、細長いボディを形成する。
【００３３】
図３Ａ〜図３Ｆは、ゼオライト構成単位５０、および、それらを中に配列する金属構造体５２の考慮できる様々な断面デザインを示す。図３Ａは、円形断面を有し、ゼオライト構成単位の断面積に等しい断面積を有するロッドの周辺長よりも大きな周辺長を提供するように、ゼオライト構成単位５０の表面を形成する方法の例を示す。更に具体的には、各々のゼオライト構成単位５０の表面は、複数の細長い溝、好ましくは少なくとも４つの溝を示す。更に、これは、ここでは金属レッジ６０の形式をした追加の熱交換手段を配列する可能性を有利に提供する。金属レッジ６０は、金属構造体５２から突き出て、ゼオライト構成単位５０の形成表面の中へ入る。図３Ａ〜図３Ｆでは、断面デザイン、即ち、方形デザイン、長方形デザイン、半月状デザイン、および三角形デザインが示される。これらのデザインは、例を示すだけであり、使用できる形状の広い多様性を示すように意図されていることを理解すべきである。
【００３４】
図２で示され、また、図３Ａ〜図３Ｆで詳細に示されるように、ゼオライト構成単位５０は、ガス（空気、酸素を濃縮された空気、酸素、チッ素を濃縮された空気、またはチッ素）を通過させる貫通孔５６を示す。これらの貫通孔５６は、ゼオライト技術で周知のように、好ましくはハニカム構造を形成する。図３Ｄ〜図３Ｅで示されるように、代替的または組み合わせて、ゼオライト構成単位５０の外面と金属構造体５２との間でガスを通過させるため、貫通チャネル５８が設けられてよい。これらの貫通チャネル５８は、たとえば、前述した溝から構成されてよい。理解すべきは、貫通チャネル５８が、ゼオライト構成単位（またはボディ）５０の断面デザインから独立して設けられてよいということである。
【００３５】
図３Ｆは、金属構造体５２の中で、チャネル６１をセル５４の間に設ける方法を示す。これらのチャネル６１は、図示されるように、様々な断面積であってよい。それらの目的は、加熱媒体または冷却媒体のために、ゼオライト構造体を通るチャネルを構成することである。この場合、構造体の中の全てのゼオライト構成単位５０は、同時にプロセスの同じ段階で作動されることが好ましい。したがって、このタイプの少なくとも２つのゼオライト構造体が配列され、それらの一方が吸着のために作動され、他方が放出のために作動されることが好ましい。その逆も同様である。
【００３６】
図４Ａ〜図４Ｄは、本発明に従ったプロセスの４つの異なった段階Ａ〜Ｄを示す。この場合、冷却の間の吸着および加熱の間の放出が、交互に実行される。図面において、開放導管は実線で示され、閉止導管は点線で示される。２つのゼオライト構造体１８’および１８’’の各々は、たとえば図１で示されるゼオライト構造体１８を構成し、少なくとも３つのゼオライト構成単位、好ましくは非常に多くのゼオライト構成単位を含むが、明瞭を目的として２つだけの構成単位５０ａおよび５０ｂが示される。ゼオライト構造体１８’，ｂの配列は、加熱媒体または冷却媒体とゼオライトとの間で最適の熱伝達を達成するように、好ましくは図３Ｆの原理に従ったものでよい。更に、図１に示される線１６、２０、および２２は、ここでは各々のゼオライト構造体１８’および１８’’のために個々の分岐を含む。個々の分岐は、１６ａ、１６ｂ、２０ａ、２０ｂ、２２ａ、および２２ｂで示される。
【００３７】
図４Ａで示される段階Ａでは、ゼオライト構造体１８’が吸着のために作動され、ゼオライト構造体１８’’が放出の第１ステップのために作動される。したがって、弁７０、７２、および７４の助けによって、導管１６ａ、２０ｂ、および２２ａが開放され、導管１６ｂ、２０ａ、および２２ｂが閉止される。放出ゼオライト構造体１８’’を直接または間接に加熱するため、加熱媒体が弁７６および導管６２および６２ｂを介して加熱媒体源８０から供給される。吸着ゼオライト構造体１８’を直接または間接に冷却するため、冷却媒体が弁７８および導管６４および６４ａを介して冷却媒体源８２から供給される。放出されたチッ素濃縮ガスは、導管２０および２０ｂを介して回収され、酸素濃縮ガスは、導管２２および２２ａを介して回収される。図面において、（図２および図３に示される金属構造体５２および６０のような）熱交換手段６６も示される。手段６６は、更に、ヒートポンプを表すことができる。
【００３８】
図４Ｂで示される段階Ｂにおいて、ゼオライト構造体１８’は依然として吸着のために作動されるが、ゼオライト構造体１８’’は放出の第２ステップのために作動される。したがって、導管２２ｂは開放され、酸素を濃縮された空気は、構造体１８’’のゼオライトからチッ素を追い出すことができる。
【００３９】
図４Ｃで示される段階Ｃにおいて、ゼオライト構造体１８’は放出の第１ステップのために作動され、ゼオライト構造体１８’’は吸着のために作動される。したがって、導管１６ｂ、２０ａ、および２２ｂは開放され、導管１６ａ、２０ｂ、および２２ａは閉止される。放出しているゼオライト構造体１８’を直接または間接に加熱するため加熱媒体が導管６２および６２ａを介して供給され、吸着しているゼオライト構造体１８’’を直接または間接に冷却するため冷却媒体が導管６４および６４ｂを介して供給される。放出されたチッ素濃縮ガスは、導管２０および２０ａを介して回収され、酸素濃縮ガスは、導管２２および２２ｂを介して回収される。
【００４０】
図４Ｄで示される段階Ｄにおいて、ゼオライト構造体１８’’は依然として吸着のために作動されるが、ゼオライト構造体１８’は放出の第２ステップのために作動される。したがって、導管２２ａは開放され、酸素を濃縮された空気は、構造体１８’のゼオライトからチッ素を追い出すことができる。
【００４１】
段階Ｄの後で、サイクルは継続的に反復される。交替する作動の原理は、２つの構成単位のゼオライト構造体を参照して示されたが、ゼオライト構造体が多数のゼオライト構成単位を含む場合でも、同じ原理を使用できることを理解すべきである。その場合、冷却と加熱を含む交替作動は、装置およびプロセスの効率が最適となるように制御されることができる。更に、図４Ａ〜図４Ｄで示された原理は、外部の加熱媒体および冷却媒体なしに使用され、それによって熱エネルギーの伝達に熱交換手段またはヒートポンプ６６が使用されることを理解すべきである。更に、これまで説明されたプロセスは、吸着段階と放出段階との間に大小の圧力差がなくても実行される。
【００４２】
図５Ａ〜図５Ｃは、ゼオライト構造体１８が回転構成単位を含む本発明の実施形態を示す。ここで、構造体１８は、導管６４ａを介して提供される冷却媒体によって冷却される第１の側１８ａ、および導管６２ｂを介して提供される加熱媒体によって加熱される第２の側１８ｂを含む。回転構成単位は、少なくとも２つのゼオライト構成単位５０ａおよび５０ｂを含む。これらの構成単位は直列に配列され、それらの間に区画壁５２が存在し、好ましくは各々のゼオライト構成単位５０ａおよび５０ｂの内部に熱伝導体６０が存在する。回転構成単位は、好ましくは、ゼオライト構成単位５０ａおよび５０ｂの数に対応する増分、図示された場合では時計回り方向で４５°のステップで回転する。冷却される側１８ａでは、空気１６ａが、吸着構成単位のラインで最後のゼオライト構成単位５０ａ、即ち、次のステップでは構造体の放出側１８ｂへ移動しようとしている構成単位へ入る。空気／ガス１６ａは、ゼオライト構成単位５０ａを通って構造体１８の吸着冷却側１８ａへ逆流で導かれる。構成単位の間へ空気／ガスを導く導管５３ａなどが、これらの構成単位の間に配列される。ゼオライト構成単位５０ａが都合良くチッ素で飽和されたとき、それは放出側１８ｂへ移動する。酸素または酸素濃縮空気は、導管２２ａを通り、最後のものを通って、構造体１８の吸着、好ましくは冷却側１８ａへ回収され、ゼオライト構成単位５０ａへ入る。酸素または酸素濃縮空気の一部分は、放出構成単位のラインで最後のゼオライト構成単位５０ｂへ導かれる。この構成単位は、即ち、次のステップで構造体の吸着側１８ａへ移動しようとしている構成単位である。この流出する酸素または酸素濃縮空気２２ｂは、ゼオライト構成単位５０ｂを介して構造体１８の放出加熱側１８ｂへ逆流で導かれる。構成単位の間へ空気／ガスを導く導管５３ｂなどが、これらの構成単位の間に配列される。ゼオライト構成単位５０ｂが都合良く放出されたとき、それは吸着側１８ａへ移動される。チッ素またはチッ素濃縮空気は、導管２０ｂを通り、最後のものから構造体１８の放出、好ましくは加熱側１８ｂへ回収され、ゼオライト構成単位５０ｂへ入る。
【００４３】
図６Ａ〜図６Ｃにおいて、６つのゼオライト構成単位５０ａ〜５０ｆを含むゼオライト構造体１８の例を使用して、基本的な発明の概念が詳細に示される。図１〜図５の詳細部分に対応する詳細部分には、同じ参照符号が使用される。図６Ａ〜図６Ｃの原理は、図５Ａ〜図５Ｃに示される実施形態と同じであることが分かるが、構成単位５０ａ〜５０ｆは、好ましくは静止している。したがって、構成単位５０ａ〜５０ｆは、異なった時点で作動する異なった導管および弁（図示されていない）によって、プロセススキームの中で断続的および動作的に「位置をシフトする」。しかし、明瞭にするため、プロセスの各々のタイムステップでは（図６Ａは第１のステップを示し、図６Ｂは次のステップである第２のステップを示し、図６Ｃは第２のステップの直後に続く第３のステップを示す）、その時点で作動されている導管のみが示される。異なったゼオライト構成単位５０ａ〜５０ｆにおけるチッ素飽和の程度は、Ｎ〜ＮＮＮで示される。ここで、Ｎは最低飽和であり、ＮＮＮは最高飽和である。対応する仕方で、その時点でゼオライト構成単位を通過するガスの酸素濃度は、Ｂ〜Ｏ〜ＯＯＯで示される。ここでＢは到着する空気１６ａの酸素濃度より低い最低濃度であり、Ｏは到着する空気１６ａの濃度に近く、ＯＯＯは最高濃度である。当業者は、プロセスシーケンスの後続ステップで、ゼオライト構成単位５０ａ〜５０ｆがプロセスシーケンスで「飽和位置」を定常的および断続的にシフトすることを理解するのに、問題を有しないであろう。
【００４４】
図７Ａ〜図７Ｂは、回転構成単位として配列されたプロトタイプのゼオライト構造体１８を示す。図７Ａは、前述した構造体１８を示し、図７Ｂは、構造体１８の断面を示す。構造体は、明瞭にするため円形から直線構造へ「展開」されているように示される。図１〜図６の詳細部分に対応する詳細部分には、同じ参照符号が使用されている。ここで、各々のゼオライト構成単位５０ａおよび５０ｂは、ゼオライト物質で満たされた部分的にコイル状の管から形成される。管壁５２は、個々の構成単位の間の「区画壁」を構成する。各々のゼオライト管構成単位５０ａおよび５０ｂは、入口カップリング８３ａおよび出口カップリング８３ｂを有する。全てのゼオライト管構成単位５０ａおよび５０ｂの入口および出口カップリング８３ａおよび８３ｂは、下方の回転プレート８４の中に配列される。上方の静止プレート８５は、入口カップリング８３ａの１つを、到着する空気の導管１６ａへ結合し、出口カップリング８３ｂの１つを、出口チッ素またはチッ素濃縮空気導管２０ｂへ結合するため、第１のカップリング８７ａおよび８７ｂを設けられる。上方の静止プレート８５は、更に、出口カップリング８３ｂの１つを、出口の酸素または酸素濃縮ガス導管２２ａへ結合し、入口カップリング８３ａの１つを、入口の放出ガス導管２２ｂ（たとえば、酸素または酸素濃縮ガス導管２２ｂ）へ結合するため、第２のカップリング８６ａおよび８６ｂを設けられる。プロセスシーケンスの各々のステップでは、回転プレート８４が増分的に回転し、各々の構成単位５０ａおよび５０ｂは、１ステップ、即ち、６つの構成単位５０ａ〜５０ｂを有する図示された実施形態では、６０°だけ移動する。吸着側１８ａは、好ましくは冷却手段（図示されていない）、たとえば冷風ファンによって冷却され、放出側１８ｂは、好ましくは加熱手段（図示されていない）、たとえば熱風ファンによって加熱される。
【００４５】
図６Ａ〜図６Ｃにおいて、ゼオライト構成単位５０ａ〜５０ｃのガス入口が図面の左にあり、ガス出口が右にあり、ゼオライト構成単位５０d〜５０ｆのガス入口が図面の右にあり、ガス出口が左にあることは、特別の意味を有しない。実際には、ガス（到着する空気、減圧されたガス、または放出するガス）の方向は、プロセスシーケンスの間に各々のゼオライト構成単位で切り替えられるか同じであってよい。表１で示されるように、幾つかの可能性が考えられる。
【００４６】
【表１】
2005504703.tif 000002
【００４７】
個々の構成単位について、「Ｓ」は、吸着および放出側の中の「位置」から独立して、個々の構成単位の中で常に同じガス方向であることを意味する。
個々の構成単位について、「Ｄ」は、吸着および放出側でプロセスシーケンスの２つの連続ステップにおける異なったガス方向であることを意味する。
全体のゼオライト構成単位システムについて、吸着および放出側のそれぞれで、「Ｓ」は、吸着および放出側のガス方向が、プロセスシーケンスの所与のステップで全ての構成単位について同じであることを意味する。
全体のゼオライト構成単位システムについて、吸着および放出側のそれぞれで、「Ｄ」は、吸着および放出側のガス方向が、吸着および放出側で、プロセスシーケンスの２つの連続ステップで全ての構成単位について異なることを意味する。
【００４８】
例として、図５Ｃに示される実施形態はＤ／Ｄ／Ｄ／Ｄであり、図７Ａ〜図７Ｂに示される実施形態はＳ／Ｓ／Ｓ／Ｓである。
【００４９】
同様に、表２で示されるように、個々のゼオライト構成単位のガス流方向に対し冷却媒体および加熱媒体が流れる方向に関して、幾つかの可能性が考えられる。
【００５０】
【表２】
2005504703.tif 000003
【００５１】
容易に理解されるように、「順流」は、冷却媒体または加熱媒体が、ゼオライト構成単位を通るかゼオライト構成単位に沿って進むときガス（到着する空気、減圧されたガス、または放出するガス）と同じ方向を有することを意味する。「逆流」は、冷却媒体または加熱媒体が、ゼオライト構成単位を通るかゼオライト構成単位に沿って進むときガスとは反対の方向を有することを意味する。「横断」は、たとえば図５Ａで示されるように、順流でもなく逆流でもない、即ち、通常、横断方向の流れである冷却媒体または加熱媒体の方向を意味する。図３Ｆに関しては、理解されるように、チャネル６１は順流または逆流の（しかし横断方向ではない）加熱媒体または冷却媒体を流す手段として働くことができる。しかし、図示されてはいないが、チャネル６１がゼオライトセル５４に対して横断方向となるように、金属構造体５２の形成を考慮することができる。
【００５２】
加熱媒体および冷却媒体が、それぞれゼオライト構成単位を直接加熱および冷却する代わりに、到着する空気１６ａおよび放出するガス２２ｂがゼオライト構成単位へ入る前に、到着する空気１６ａを冷却し、放出するガス２２ｂを加熱することが考えられる。更に、冷却および加熱は、ゼオライト構成単位を相互に連結する導管５３ａおよび５３ｂの中のガスに対して実行されてよい。（参照符号については、図５および図６を参照されたい。）この場合、冷却および加熱は順流として分類される。ガス流は、たとえば、周囲温度の下へ少なくとも５℃から１００℃まで冷却されるか、周囲温度の上へ少なくとも５℃から１００℃まで加熱されることができる。
【００５３】
本発明は、示された実施形態によって限定されず、特許請求の範囲内で変更されてよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に従って酸素または酸素濃縮空気を生成するプロセスであって、ターボプロセスの中に組み込まれたプロセスを示す概略ブロック図である。
【図２】金属構造体の中に配列された多数の細長いゼオライト構成単位を含むゼオライト構造体の斜視図である。
【図３】図３Ａ〜図３Ｆは、本発明に従ったゼオライト構成単位の考慮できる様々なデザインの断面図であり、ゼオライト構成単位が相互に対してどのように配列されるかを示す。
【図４】図４Ａ〜図４Ｄは、本発明の好ましい実施形態に従ったゼオライト構成単位の交互の加熱および冷却段階を示す。
【図５】図５Ａ〜図５Ｃは、ゼオライト構造体が回転構成単位として配列される本発明の実施形態を示す。
【図６】図６Ａ〜図６Ｃは、図５Ａ〜図５Ｃの配列の概念を、より一般的に示す。
【図７】図７Ａ〜図７Ｂは、回転構成単位として配列されたゼオライト構造体のプロトタイプを示す。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2005504703.tif 000039
2005504703.tif 000040