(57)【要約】【課題】ドライヤを通過するガス流から水と二酸化炭素を除去する合成吸着材を含むＰＳＡドライヤを提供する。【解決手段】ガス流から水と二酸化炭素を分離するための圧力スイング吸着（ＰＳＡ）ドライヤであって、２本の合成吸着カラムを含む（３２，４２）。それぞれのカラムは、水を吸着する第１吸着材と二酸化炭素を吸着する第２吸着材とを含む。第２吸着剤は固体アミンを含む。例として、第２吸着材は多孔性樹脂の骨格に結合したアミノ基を有する高多孔性ポリスチレン基質である。それぞれのカラムで、第１及び第２吸着物質の混合物が水の吸着物質を含む上層（３４，４４）及び下層（３６，４６）に挟まれた中間層（３８，４８）を形成することが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本の吸着カラムを含む圧力スイング吸着（ＰＳＡ）ドライヤであって、
前記両吸着カラムがそれぞれ第１及び第２吸着材の混合物を含み、
前記第１吸着材は水を吸着し、
前記第２吸着材は二酸化炭素を吸着し、
前記第２吸着材は固体アミンを含むことを特徴とするＰＳＡドライヤ。
【請求項２】
前記第２吸着材がベンジルアミノ基を有するマクロ多孔性な架橋ジビニルベンゼンポリマを含むことを特徴とする請求項１に記載のＰＳＡドライヤ。
【請求項３】
前記第２吸着材が、アミノ基が多孔質樹脂骨格に結合した多孔性ポリスチレン基質を含むことを特徴とする請求項１に記載のＰＳＡドライヤ。
【請求項４】
前記混合物中の前記第２吸着材に対する前記第１吸着材の体積割合がおおよそ２０％に対する８０％であることを特徴とする請求項１に記載のＰＳＡドライヤ。
【請求項５】
前記混合物が前記両カラム内に層状をなして不均一な状態で充填されることを特徴とする請求項１に記載のＰＳＡドライヤ。
【請求項６】
前記混合物が前記両カラムに上層と、下層と、上層及び下層の両者に挟まれる中間層の３層を形成して充填され、
前記上層及び前記下層は第１吸着材のみを含み、
前記中間層は前記第１吸着材と前記第２吸着材とを含む混合物からなることを特徴とする請求項１に記載のＰＳＡドライヤ。
【請求項７】
前記中間層中の前記第１吸着材の体積割合が前記第２吸着材に対しておおよそ８０：２０から６０：４０の範囲にあることを特徴とする請求項６に記載のＰＳＡドライヤ。
【請求項８】
前記上層に対する前記中間層の体積割合がおおよそ２０％に対して６０％であり、前記下層に対する前記中間層中の体積割合がおおよそ２０％に対して６０％であることを特徴とする請求項６に記載のＰＳＡドライヤ。
【請求項９】
圧力スイング吸着法を用いたガス流中の水と二酸化炭素の濃度を低下させる方法であって、
水及び二酸化炭素含有量が低下した乾燥流を得るために前記ガス流を第１吸着カラムに通過させる過程と、
前記乾燥流を生成流とパージフローに分割する過程と、
膨張したパージフローを得るために前記パージフローの体積を増加させ、圧力を低下させる過程と、
水及び二酸化炭素含有量が増加し湿潤した排気流を得るために前記膨張したパージフローを第２吸着カラムに通過させる過程と、
前記第１及び前記第２吸着カラムを通過する流れの向きを逆にする過程とを含み、
前記第１及び前記第２吸着カラムの両方は第１及び第２吸着材の混合物を含み、前記第１吸着材は水を吸収し、前記第２吸着材は二酸化炭素を吸収し、前記第２吸着材は固体アミンを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記第２吸着材がベンジルアミノ基を有するマクロ多孔性な架橋ジビニルベンゼンポリマを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２吸着材が、アミノ基が多孔質樹脂骨格に結合した多孔性ポリスチレン基質を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記混合物中の前記第２吸着材に対する前記第１吸着材の体積割合がおおよそ２０％に対する８０％であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記混合物が前記両カラム内に層状をなして不均一な状態で充填されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記混合物が前記両カラムに上層と、下層と、上層及び下層の両者に挟まれる中間層の３層を形成して充填され、
前記上層及び前記下層は第１吸着材のみを含み、
前記中間層は前記第１吸着材と前記第２吸着材とを含む混合物からなることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記中間層中の前記第１吸着材の体積割合が前記第２吸着材に対しておおよそ８０：２０から６０：４０の範囲にあることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記上層に対して前記中間層の体積割合がおおよそ２０％に対して６０％であり、前記下層に対して前記中間層中の体積割合がおおよそ２０％に対して６０％であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス分離のための装置と方法に関し、特に圧力スイング吸着法を用いてガス混合物から水及び二酸化炭素を除去する装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス分離のよく知られた方法は、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）である。ＰＳＡ法は、圧縮空気流中の様々なガスや不純物の濃度を下げるＰＳＡドライヤとして使用されている。ＰＳＡドライヤは窒素及び酸素の液化装置に入る空気から水蒸気を除去するために使用される。窒素及び酸素の液化装置は低温で運転される２つの集積蒸留塔を含む。乾燥による結果、水蒸気及び二酸化炭素はガス流から除去され液化装置には入らない。このような前精製を行わなければ、不純物は液化装置の低温部分で濃縮し、流れを阻害する。凍結を防ぐために、液化装置に入るガス流中の水蒸気及び二酸化炭素の含有量は１００万分の１（μｇ／ｇ）以下にしなければならない。
【０００３】
図１に従来のＰＳＡドライヤ４を示す。この装置の操作は前進及び後退サイクルの交替を含む。図１に示すように、前進サイクルでは圧縮機６から流れる圧縮空気流１０はドライヤ４に入り、４方向バルブ１２を通過して、モレキュラーシーブ２８もしくは気流中に存在する水蒸気を吸着する他の吸着材を内包する第１カラム１４を通過する。カラム１４から出たほぼ乾燥された空気を含む生成流は、逆止弁２０を通過して流れ、精製流２２として装置４から出る。カラム１４から出た乾燥空気の残り部分を含むパージフロー１３は圧力降下と体積膨張が発生する制限絞りあるいは計量細管１８を通過する。乾燥パージフロー１３は吸着材３０を含む第２カラム２６を通過する。乾燥流はカラム２６内に存在する水蒸気を脱着させ、結果水分を含む空気は４方向バルブ１２を通過して流れ、湿潤した排気流１６として装置４から排気される。一定期間の後、４方向バルブ１２が切り替わり、前進から後進へと流れの方向を逆にする。すなわち流れが逆時計回りから時計回りになる。後進サイクル間の装置の動作は前進サイクル間の操作と類似する。この後進サイクル期間の操作の後、４方向バルブ１２は再び切り替わり、流れは再び逆になる。
【０００４】
それぞれのサイクルの間、２本のカラム１４と２６の内一方は水分を吸着し、その間他方のカラムは前サイクルで吸着した水分を放出する。パージフローは重量当たりで高圧流のほんの一部しか存在しないが、低圧パージフローが１本のカラムから取り除く水分の体積は、高圧の投入流が他のカラムに与える水分の体積よりも実際に大きい。結果、乾燥したパージフローは前サイクルでカラムに吸着したほぼ全て水分を取り除くことができ、再び投入される高圧流からカラムが水分を吸着する次のサイクルに備えることができる。一般的に利用できるモレキュラーシーブを使用することによって、ＰＳＡドライヤは投入流１０の水分含有量を減らすことができ、結果精製流２２の水分濃度は数μｇ／ｇ以下になる。
【０００５】
ＰＳＡドライヤが使用される多くの装置で、二酸化炭素及び二酸化硫黄、オイル蒸気、他の２次的物質の濃度を数μｇ／ｇに低下させることも重要である。仮に窒素及び酸素の液化装置に２次的物質が数μｇ／ｇ以上存在した場合、二酸化炭素及び他の不純物の濃縮により直ちに管が閉塞する。
【０００６】
それらの２次的物質の濃度を下げる一つの方法として、ＰＳＡドライヤ外部に不可逆フィルタを設置する方法がある。図１に示すように、ＰＳＡドライヤに入る前に２次的物質を圧縮空気から取り除くために、プレフィルタ８を圧縮機６とドライヤ４との間に設置することができる。あるいは、フィルタ８は精製流２２をろ過するためにドライヤ４の下流に設置される。例として、フィルタ８は水酸化ナトリウムで被覆されたアスベストからなる小型の不可逆フィルタである。これらのフィルタは暗視装置のジュールトムソン冷却器に使用されている。しかしながら、定期的にフィルタは飽和するため、廃棄と交換が必要になる。またそれらのフィルタは毒性の廃棄物となり取り扱いが危険なため費用がかさむ。そのため、もし可能であればこのような不可逆性のフィルタは取り付けないことが望ましい。
【０００７】
不可逆フィルタ８を使用しなくても、ＰＳＡドライヤ４はそれ自体でいくつかの２次的物質を低減し得るが、その程度は限られている。例えば直径１ナノメータと同程度の微粒子を吸着することができるモレキュラーシーブ吸着材２８，３０を使用することによって、ＰＳＡドライヤ４は二酸化炭素及び二酸化硫黄、オイル蒸気、他の２次的物質の濃度を低減することができる。しかし、水分含有量を数μｇ／ｇに低減することができるＰＳＡドライヤは２次的物質の濃度を同程度の低い値まで低減することができない。そのため、二酸化炭素のような２次的物質の濃度を低減するが、精製流２２のそれら２次的物質の濃度は数μｇ／ｇに比べ著しく高いままである。
【０００８】
精製流２２中の２次的物質の濃度をさらに低減するためのＰＳＡドライヤの修正方法の１つは、吸着材カラム１４，２６の大きさ及び吸着材２８，３０の体積を大きくすることである。この解決策は精製流２２中の水と２次的物質の両方の濃度を低減する。より大きな吸着材は明らかにＰＳＡドライヤのサイズ、重量、コストを増加させるため、この解決策は巨大な工業的なＰＳＡ装置にのみ実施されている。他の方法はパージフロー１６の量を増加させる方法であり、このためにより高い圧を発生させるより大きな圧縮機６が必要となる。結果、この解決策もそのエネルギ消費を増加させるのと同様に装置のサイズ、重量、コストを増加させる。従って、この解決策は巨大な工業的装置でのみ使用され、小型のＰＳＡドライヤには実際には使用されていない。
【０００９】
精製流２２中の２次的物質の濃度を低下させる他の方法は、ＰＳＡカラム１４，２６により効果的な吸着材２８，３０を使用することである。例として、特許文献１はゼオライトやアルミナ、金属を含む固体吸着物質を開示している。吸着材はＰＳＡ処理中の空気流から水及び二酸化炭素といった複数の混入物を除去するように設計されている。しかしながら、この吸着材は容易に使用することができず、前処理において反応性に富む金属を使用するため、細心の取り扱いが要求される。結果として前処理に比較的費用がかかる。さらにこの吸着材を使用したＰＳＡドライヤは大量のパージフローを必要とし、結果として大きな圧縮機が必要になる。従って、この吸着材は工場での巨大なＰＳＡドライヤにのみ使用される。同様に、特許文献２は水蒸気を取り除く吸着材と、二酸化炭素を取り除く吸着材と、炭化水素及び又は窒化酸化物を選択的に取り除く第３の吸着材とからなる複合吸着材を開示している。二酸化炭素の吸着材はゼオライトであり、水の吸着材は活性アルミナ、シリカゲル又はゼオライト以外の乾燥材である。しかしながら、この吸着材は、水に対するよりも二酸化炭素に対する親和力が弱い。このため、この吸着材を使用したＰＳＡドライヤは、大量のパージフローを必要とする欠点があり、結果として巨大な圧縮機が必要になる。従来技術のこれらの問題点から、特に小規模の装置に使用する小型のＰＳＡドライヤの要求に対する様々な欠点を解決するためのＰＳＡドライヤの技術を発展させることを目的とする。
【特許文献１】米国特許６，６３８，３４０
【特許文献２】米国特許６，３５８，３０２
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一形態はドライヤを通過するガス流から水と二酸化炭素を除去する合成吸着材を含むＰＳＡドライヤを提供する。合成吸着材を使用した場合は、従来の吸着材をカラムに充填したＰＳＡドライヤに比較して、ＰＳＡドライヤのパージフローを低減することができる。合成吸着材カラムは、水を吸着する第１吸着材と、二酸化炭素を選択的に吸着する第２吸着材を含む。第２吸着材は固体アミンを含む。例えば、第２吸着材はアミノ基が多孔質樹脂骨格に結合した高多孔質ポリスチレン気質である。ＰＳＡドライヤの動作中に高圧ガスが吸着材を通過するとき、弱塩基性のアミノ基は酸性の二酸化炭素に対して選択的に結合する。第２吸着材の粒子の大きさは０．５−１．２ｍｍである。一つの実施形態では、合成吸着材は体積当たりで約８０％の第１吸着材と約２０％の第２吸着材からなる。２つの吸着材はカラムにそれぞれ第１吸着材を含む上層と下層と、上層及び下層に挟まれた中間層とからなる３層に不均一に充填することが望ましい。中間層は第１及び第２吸着材の混合物を含む。上層はカラム体積の約２０％を占め、下層もまたカラム体積の約２０％を占め、体積の中心部の余りの６０％は７０％の第１吸着材と３０％の第２吸着材とからなる中間層混合物が充填されることが望ましい。
【００１１】
本発明のもう一つの形態は、圧力スイング吸着法を使用してガス流中の水及び二酸化炭素の濃度を低減するための方法を提供する。この方法は、水と二酸化炭素含有量が低下した乾燥ガスを生成するために、ガス流を第１吸着カラムに通す過程を含む。乾燥ガス流は精製流とパージフローに分割される。パージフローの体積が増加し、圧力が低下することによって、第２吸着カラムを通過する膨張し水分を含むパージフローが生成され、水と二酸化炭素含有量が増加し、湿潤した排気流が生成される。第１及び第２吸着カラムを通過する流れの向きは逆向きになる。第１及び第２カラムそれぞれは、第１及び第２吸着材の混合物を含み、ここで第１吸着材は水を吸着し、第２吸着材は二酸化炭素を吸着する。第２吸着材はマクロ多孔性のベンジルアミノ基を持つ架橋ジビニルベンゼン、あるいはアミノ基が多孔質樹脂骨格に結合した多孔質ポリスチレン基質といった固体アミンを含む。この混合物は不均一に層を成して、例えば、上層と、下層と、上層及び下層に挟まれる中間層とのようにカラムに充填されることが望ましい。上層と下層の両方は、第１吸着材を含み、中間層は第１及び第２吸着材の混合物を含む。中間層及び上層、下層の体積割合はそれぞれ約６０％，２０％，２０％である。中間層では第２吸着材に対する第１吸着材の体積割合は８０：２０−６０：４０の範囲にあることが望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を説明するために、図１に示す従来のＰＳＡドライヤ４のより詳細な設計と操作について最初に説明する。圧縮機６と追加のプレフィルタ８はＰＳＡドライヤに高圧（約８００ｋＰａ）で入る圧縮空気１０の流れを供給する。水を除去した精製流２２がドライヤからでる。前進サイクルでは、圧縮空気１０の流れは４方向バルブ１２に入り、流れの中に存在する水蒸気を吸着する第１カラム１４に向けられる。カラム１４からでた乾燥空気流は生成流１１とパージフロー１３に分割される。乾燥空気の大部分を含む生成流１１（約８２％）は逆止弁２０を通過して流れ、精製流２２として装置から出る。乾燥空気の余りを含むパージフロー１３（約１８％）は制限絞りもしくは計量細管１８を通過し、ここで高圧から低圧へと圧力降下が発生し（約８００ｋＰａから約１００ｋＰａ）、体積は比例的に増加する。パージフローの圧力が計量細管１８の下流端で降下するため、第２の逆止弁２４を通過することができず、代わりに流れは第２カラム２６を通過する。乾燥したパージフローはカラム２６を通過する時に、カラム内に存在する水蒸気を脱着して、カラム外に水蒸気を持ち出す。それから湿潤した蒸気は４方向弁１２を通過し、湿潤した排気流１６として排気される。この前進サイクルで動作する間、第１カラム１４に存在する水分の量は増加し、第２カラム２６に存在する水分の量は減少する。モレキュラーシーブ吸着材２８及び３０を含むカラム１４及び２６は、それぞれ特に水蒸気への高い親和性を持つように設計されている。
【００１３】
約３０秒後、４方向弁１２が切り替わり、流れの向きが前進（すなわち図中で反時計回り）から後進（すなわち図中で時計回り）へと逆になる。後進サイクル中の装置の動作は前進サイクルと類似する。特に、装置に入る圧縮空気１０は４方向弁１２を通過して流れ、圧縮空気から水分を吸着する第２カラム２６へと入る。第２カラム２６を出た乾燥空気は生成流とパージフローに分割される。生成流は逆止弁２４を通過して流れ、精製流２２として装置から出る。カラム２６を出る乾燥空気の少しの部分は、計量細管１８を通過して膨張する。膨張した空気はそれから、第１カラム１４に流れ、第１カラムから水分を脱着する。カラム１４を出た水分を含む流れは、それから４方向弁１２を通過して、湿潤した排気流１６としてＰＳＡドライヤ４から排気される。この後進サイクルで約３０秒間動作した後、４方向弁１２が再び切り替わり、流れの方向は逆になる。装置はこの前進及び後進サイクルの交替を伴う方法で連続的に運転される。それぞれのサイクルの間、一方のカラムは水分を吸着し、同時に他方のカラムは前のサイクルで吸着した水分が取り除かれる。
【００１４】
計量細管１８を通過することによってパージフローが８００ｋＰａから１００ｋＰａまで圧力降下し、これにより体積が８倍に増加する。そのため、パージフローは高圧流のたった１８％であっても一方のカラムから水分を取り除く低圧パージフローの体積は、実際には他方のカラムに水分を与える高圧の投入流の体積よりも大きい。そのため、乾燥パージフローは前のサイクルでカラムによって吸着された水分を取り除くことができ、投入される高圧流から再び水分の吸着を行う次のサイクルの準備を行うことができる。
【００１５】
一般的に使用されるモレキュラーシーブ吸着材を使用することにより、ＰＳＡドライヤは精製流２２の水分含有量を百万分の一程度（μｇ／ｇ）まで低下させることができる。更にプレフィルタ８を設置することにより、二酸化炭素のような２次的物質も取り除くことができる。しかしながら、このようなフィルタは高価で、取り扱いに危険を伴い、定期的に毒性廃棄物として廃棄しなければならない等の欠点を持つ。代案として、モレキュラーシーブ吸着材２８及び３０を様々な２次的物質の濃度を低下させるために使用する。しかし、ＰＳＡドライヤに従来から使用される吸着材は、明らかに他の２次的物質よりも水蒸気に対して高い親和性を持つ。親和性が異なるため、２次的物質の濃度を十分に低下させるためには改良を行う必要がある。例えば、吸着カラム及び吸着材の体積を増加させる。あるいはパージフローの流量を増加させるため圧縮機の大きさを大きくする。しかし、これらの解決策はＰＳＡドライヤのコスト、サイズ、重量及びエネルギ消費量を増大させることになる。
【００１６】
本発明では、上記した問題を圧縮機や吸着カラムのサイズアップをすることなく解決する方法を提供する。特に本発明の最適な実施形態では、図２に示すように吸着カラム３２及び４２を含むＰＳＡドライヤ５を提供する。それぞれの吸着カラムは、ＰＳＡドライヤ５を通過して流れる水蒸気流から１次及び２次的物質を同時かつ選択的に吸着する合成吸着物質を含む。特に、第１吸着材は選択的に水を吸着し、同時に第２吸着材は選択的に二酸化炭素を吸着する。水吸着のための第１吸着材は従来のモレキュラーシーブ吸着材であることが望ましい。第２吸着材は固体アミンを含む。特に第２吸着材は、アミノ基が多孔質樹脂の骨格に結合した高多孔質ポリスチレン基質であることが望ましい。基質の粒子の大きさは０．５−１．２ｍｍである。適した第２吸着材は例として、球体ビーズ状のマクロ多孔質のベンジルアミノ基を含む架橋ジビニルベンゼンである。この物質はＳＹＢＲＯＮ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．及びＢａｙｅｒによって製品名ＶＰ  ＯＣ  １０６５として製造されている。空孔の直径は平均２５ｎｍである。この固体アミン物質を宇宙船での生命維持装置に二酸化炭素を除去するために使用した例が以下の文献に記載されている。（G.B.T Tan, H. Funke, W.Knorr & L. Schauer in "Carbon Dioxide Removal" Preparing for the Future, vol. 5, 1 (March 1995), European Space Agency, ）
【００１７】
最適な実施形態では、それぞれの合成吸着物カラムは、特定の第１吸着材と第２吸着材の組み合わせからなる複数の吸着層を含む。図２に示すように、カラム３２は３層３４，３６，３８を持ち、カラム４２は３層４４，４６，４８を持つ。中間層３８，４８は水の吸着材である上層と下層とに挟まれ、第１及び第２吸着材の混合物を含むことが望ましい。それぞれの上層３４，４４はカラム体積の約２０％で、それぞれの下層３６，４６も同じくカラム体積の約２０％で、それぞれのカラム体積の残り６０％は中間層混合物が充填される。中間層混合物質は第１及び第２吸着物質が、層中で体積比約７０％と３０％で組み合わされている。従って、全カラム体積中で第１吸着材は８０％で第２吸着材は２０％である。これらの体積比は水と二酸化炭素に対する第１及び第２吸着材の異なる親和力を調整するために選択され、その結果ＰＳＡドライヤにより水及び二酸化炭素の両方の濃度は数μｇ／ｇに低下する。
【００１８】
図２に示すように変更された吸着材カラムを有するＰＳＡドライヤ５は、構造と動作は図１に示す従来のＰＳＡドライヤ４と類似する。しかし吸着カラムを変更することにより図２のＰＳＡドライヤ４は従来のドライヤを上回るいくつかの利点を持つ。運転中、圧縮機６はＰＳＡドライヤに約８００ｋＰａで入る圧縮空気１０の流れを供給する。前進サイクルでは、圧縮空気１０の流れは４方向弁１２に入り、流れ中の水蒸気と二酸化炭素を吸着する第１合成吸着材カラム３２に向かって流れる。第１吸着材によって水蒸気が吸着される間に、酸性の二酸化炭素を弱塩基性のアミノ基によって選択的に吸着される。反応は具体的には以下のように起こる。
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【００１９】
固体アミン吸着材は再生可能な吸着材である。すなわち、吸着材が飽和したときには、二酸化炭素との弱い結合を減圧及び二酸化炭素分圧の低下、加熱により解離させることができる。ＰＳＡドライヤの場合、逆サイクルでの二酸化炭素分圧の変化が再生の第１手段であり、減圧と温度は２次的な方法となり得る。
【００２０】
固体アミン吸着材の使用、第１及び第２吸着材の体積比、第１及び第２吸着材の混合物層の形成、水及び二酸化炭素に対する吸着材の新和性、これら全てが吸着カラムに同時に水及び二酸化炭素両方の濃度を同等に低いレベルに低下させることを可能にする。結果として本発明のＰＳＡドライヤは従来のＰＳＡドライヤに関する様々な問題を克服することができる。
【００２１】
この最適な実施形態における３層構造に関して、上記した化学反応式１に示すようにアミンは水の存在下で二酸化炭素と反応する。水の不存在下では、反応は二酸化炭素を放出する側へ向かって駆動される。従って、二酸化炭素の除去を行う中間層にある程度の水分が存在するように、上層及び下層は水をある程度は吸収するが吸収しすぎないようにしなければならない。層状にした吸着材を使用することは二酸化炭素吸着材の量を最小化するために適している。均一な単一層とした場合、ほぼ全ての水が除去されたカラムの出口端では二酸化炭素の吸収は効率が悪い。従って、二酸化炭素を取り除く中間層に一定量の水を存在させ、二酸化炭素を中間層で取り除いた後の出口層で水を取り除くことが好ましい。
【００２２】
商業的に小粒ペレットしか利用できないＶＰ  ＯＣ  １０６５吸着材についての考慮事項について述べる。これらのペレットがカラムの上部及び下部の導入口及び排気口を閉塞するのを防ぐため、導入口及び排気口の焼結金属フィルタから離れた位置にペレットを隔離するため層を設けることが望ましい。従って、水吸着材である上及び下層は合成吸着材混合物を挟み込むために使用され、ペレットを導入口と排気口から分離する。これらの上及び下層は分離のため十分に厚く、同時に二酸化炭素の反応が行われる中間層に水が供給されるのに十分なほど薄いことが望ましい。これらの特定の吸着材では、上及び下の緩衝域の体積は約２０％が望ましいことが確認された。これらの競合する因子から前進及び後進サイクルでカラム内における吸着材は対称性を有することが良い。
【００２３】
層状カラムの調整は、中間層のための第１及び第２吸着材は均一にするため予め混合し、プラスチックカラムに充填する前に混合により発生する熱を除去してから行うことが望ましい。７０：３０の割合の中間層吸着材は、水の除去能力を大きく低下させることなく、十分に二酸化炭素を除去することが確認されている。他の組み合わせ割合も、要求される乾燥状態と許容できる二酸化炭素濃度によって可能である。例えば、８０：２０から６０：４０の範囲がこれらの物質を使用した実施形態に適している。
【００２４】
最適な実施形態では、乾燥空気はカラム３２から流れ出て、生成流１１とパージフロー１３に分割される。乾燥空気の約８２％からなる生成流１１は逆止弁２０を通過して流れ、精製流２２として装置から出る。乾燥空気の約１８％からなるパージフロー１３は制限絞りもしくは計量細管１８を通過して、そこで約８００ｋＰａから約１００ｋＰａまで圧力降下し、体積は比例的に増加する。この実施形態の変形として、計量細管１８と逆止弁２０，２４の機能を改良したシャトル弁１９により行う。カラム３２，４２の下部はシャトル弁１９のそれぞれの測端と連結し、その結果流れの方向が前進と逆の間で変化したときに、弁内のシャトルが一方端から他方端に移動する。生成流はシャトル弁１９の外に精製流２２として出る。計量細管１８の機能は、シャトルを貫通する小さなドリル穴（例として直径約０．２５ｍｍ）により達成される。この穴は、オリフィス流制限器として機能し、パージフロー１３が前に流れる通路となる。
【００２５】
乾燥パージフローが第２合成吸着物カラム４２を通過して流れるにつれて、カラム内に存在する水蒸気と二酸化炭素を解離し、カラム外に持ち去る。そしてバルブ１２を通過して、水分を含む排気流１６としてドライヤ５の外に出る。この前進サイクルで運転する間、第１カラム３２に存在する水分と二酸化炭素の量は増加し、第２カラム４２に存在する水分と二酸化炭素の量は減少する。
【００２６】
３０秒後、４方向弁１２は切り替わり、流れの向きは前進から後進に逆になる。後進サイクル中の装置の動作は前進サイクルと類似している。後進サイクル約３０秒間経過後、４方向弁は再び切り替わり流れの方向は逆向きになる。装置はこの前進及び後進サイクルを切り替える方法に沿って連続的に運転される。それぞれのサイクルで１方のカラムは水分と二酸化炭素を吸収し、他方のカラムは前のサイクルで吸収した水分と二酸化炭素が取り除かれる。
【００２７】
高圧及び低圧、パージフローの体積割合、吸着材混合物の割合や吸着の数等の最適な実施形態で記載した特定の値は記載の目的に使用しただけであり、他の実施形態では他の値を用い得る。例えば、仮にカラムに水の吸着材が少しの量でよければ、二酸化炭素を主にして除去するように実施形態を設計することもできる。またアミン吸着材は二酸化炭素と一緒に水も除去することに言及しておく。言い換えると、アミン吸着材は水の吸着材でもある。従って、第１及び第２吸着材は単一の物質が両方の役割を果たす場合には分ける必要はない。
【００２８】
他の実施形態では、割合や特定の混合物、複数の層は特定の要求、設計の要求や利用できる吸着物質によって様々に変化する。いくつかの実施形態では、多層の均一な吸着物質層を使用することができ、また吸着物質の量や割合を変化させることができる。他の実施形態では単一もしくは２層を使用し得る。
【００２９】
他の実施形態では、圧力とパージフロー量は変更し得る。パージフローはＰＳＡ内で使用される圧力比によって決定される。Ｐ１をパージ圧（通常約１００ｋＰａ）、Ｐ２を高圧とすると、そのときのパージフロー体積は乾燥空気の全高圧体積のＰ１／Ｐ２倍より大きくなり、定圧ガスのパージ体積は半サイクルで流れる高圧ガス体積より大きくなる。パージフローの体積を増加することで能力を向上させることができるが、コストを最小にするためパージフローの体積はできる限り小さくする方が良い。高圧時の体積は安価で小型の圧縮機が使用できる程度に小さく保つことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来技術のＰＳＡドライヤを示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る合成吸着材を含むＰＳＡドライヤを示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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