(57)【要約】圧力スイング吸着（ＰＳＡ）システムは、複数の第１のＰＳＡモジュールを有するＰＳＡモジュールの第１のグループと、複数の第２のＰＳＡモジュールを有するＰＳＡモジュールの第２のグループとを有している、このシステムは、第１のＰＳＡモジュールと第２のＰＳＡモジュールとに接続された供給ガス用のマニホルドと、生成物用のマニホルドと、廃棄物用のマニホルドとを有している。第１のＰＳＡモジュールの各々は、他の第１のＰＳＡモジュールと同期して第１のＰＳＡサイクルで作動し、第２のＰＳＡモジュールの各々は、他の第２のＰＳＡモジュールと同期して第２のＰＳＡサイクルで作動する。第１のＰＳＡサイクルは、第２のＰＳＡサイクルからずれている。ＰＳＡモジュールは、複数の加圧される吸着チャンバと、入口マニホルドと、出口マニホルドとを備えている。
2007527307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力スイング吸着（ＰＳＡ）システムであって、
複数の第１のＰＳＡモジュールを有するＰＳＡモジュールの第１のグループと、
複数の第２のＰＳＡモジュールを有するＰＳＡモジュールの第２のグループと、
前記第１のＰＳＡモジュールと第２のＰＳＡモジュールとに接続された供給ガス用のマニホルドと、
前記第１のＰＳＡモジュールと第２のＰＳＡモジュールとに接続された生成物用のマニホルドと、
前記第１のＰＳＡモジュールと第２のＰＳＡモジュールとに接続された廃棄物用のマニホルドとを具備し、
前記第１のＰＳＡモジュールの各々は、他の第１のＰＳＡモジュールと同期して第１のＰＳＡサイクルで作動し、
前記第２のＰＳＡモジュールの各々は、他の第２のＰＳＡモジュールと同期して第２のＰＳＡサイクルで作動し、
前記第１のＰＳＡサイクルは、第２のＰＳＡサイクルからずれている、ＰＳＡシステム。
【請求項２】
前記第１のＰＳＡサイクルは、第２のＰＳＡサイクルから位相が１８０度ずれている、請求項１のＰＳＡシステム。
【請求項３】
複数の第３のＰＳＡモジュールを有するＰＳＡモジュールの第３のグループと、複数の第４のＰＳＡモジュールを有するＰＳＡモジュールの第４のグループとを更に具備し、
前記供給ガス用のマニホルドは、これら第３のＰＳＡモジュールと第４のＰＳＡモジュールとに接続され、
前記生成物用のマニホルドは、これら第３のＰＳＡモジュールと第４のＰＳＡモジュールとに接続され、
前記廃棄物用のマニホルドは、これら第３のＰＳＡモジュールと第４のＰＳＡモジュールとに接続され、
前記第３のＰＳＡモジュールの各々は、他の第３のＰＳＡモジュールと同期して第３のＰＳＡサイクルで作動し、
前記第４のＰＳＡモジュールの各々は、他の第４のＰＳＡモジュールと同期して第４のＰＳＡサイクルで作動し、
前記第１のＰＳＡサイクルと、第２のＰＳＡサイクルと、第３のＰＳＡサイクルと、第４のＰＳＡサイクルとは、互いにずれている、請求項１のＰＳＡシステム。
【請求項４】
前記第１のＰＳＡサイクル、第２のＰＳＡサイクル、第３のＰＳＡサイクル、および第４のＰＳＡサイクルは、各々が、９０度ずれた位相で作動される、請求項３のＰＳＡシステム。
【請求項５】
ＰＳＡモジュールの前記第１のグループは、４つのＰＳＡモジュールであり、ＰＳＡモジュールの前記第２のグループは、４つのＰＳＡモジュールである、請求項１のＰＳＡシステム。
【請求項６】
前記第１のＰＳＡモジュールの各々は、前記第１のＰＳＡサイクル中に３つの圧力均等化を利用して作動される７つの吸着チャンバを有している、請求項１のＰＳＡシステム。
【請求項７】
ＰＳＡモジュールの前記第１のグループは、第１の所定数の第１のＰＳＡモジュールであり、ＰＳＡモジュールの前記第２のグループは、第２の所定数の第２のＰＳＡモジュールを有し、前記第１の所定数は、第２の所定数と等しい、請求項１のＰＳＡシステム。
【請求項８】
前記生成物用のマニホルドに接続された生成物のサージ・タンクと、
前記廃棄物用のマニホルドに接続された廃棄物のサージ・タンクとを更に具備している請求項１のＰＳＡシステム。
【請求項９】
前記第１のＰＳＡモジュールの各々は、複数のＰＳＡ吸着チャンバを有している、請求項１のＰＳＡシステム。
【請求項１０】
前記第１のＰＳＡモジュールの各々は、第１の所定数の第１のＰＳＡ吸着チャンバを有し、前記第２のＰＳＡモジュールの各々は、第２の所定数の第２のＰＳＡ吸着チャンバを有し、前記第１の所定数は第２の所定数と等しい、請求項１のＰＳＡシステム。
【請求項１１】
前記複数の第１のＰＳＡモジュールと前記複数の第２のＰＳＡモジュールとの各々は、
複数の加圧される吸着チャンバと、
これら複数の加圧される吸着チャンバの各加圧される吸着チャンバと前記供給ガス用のマニホルドとに接続された供給物用のチャネルと、前記複数の加圧される吸着チャンバの各加圧される吸着チャンバと前記廃棄物用のマニホルドとに接続された廃棄物用のチャネルとを備えている入口マニホルドと、
前記複数の加圧される吸着チャンバの各加圧される吸着チャンバと前記生成物用のマニホルドとに接続された生成物用のチャネルを備えている出口マニホルドと、
前記入口マニホルドと出口マニホルドとを接続する剛性構造体とを有し、
この剛性構造体は、前記入口マニホルドと出口マニホルドとを前記複数の加圧される吸着チャンバに構造的に接合させている、請求項１のＰＳＡシステム。
【請求項１２】
ＰＳＡシステム内で使用するための圧力スイング吸着（ＰＳＡ）モジュールであって、このＰＳＡモジュールは、
複数の加圧される吸着チャンバと、
これら複数の加圧される吸着チャンバの各加圧される吸着チャンバに接続された供給物用のチャネルと、前記複数の加圧される吸着チャンバの各加圧される吸着チャンバに接続された廃棄物用のチャネルとを備えている入口マニホルドと、
前記複数の加圧される吸着チャンバの各加圧される吸着チャンバに接続された生成物用のチャネルを備えている出口マニホルドと、
前記入口マニホルドを出口マニホルドに接続させる剛性構造体とを有し、
この剛性構造体は、前記入口マニホルドと出口マニホルドとを前記複数の加圧される吸着チャンバに構造的に接合させている、ＰＳＡモジュール。
【請求項１３】
前記剛性構造体は、前記ＰＳＡモジュールを通って流れる流体と接触されない、請求項１２のＰＳＡモジュール。
【請求項１４】
前記剛性構造体は、前記入口マニホルドと出口マニホルドとの間で延びた複数の締め付けボルトを有する、請求項１２のＰＳＡモジュール。
【請求項１５】
前記剛性構造体は、前記入口マニホルドと出口マニホルドとの間で延びた複数のパネルを有する、請求項１２のＰＳＡモジュール。
【請求項１６】
前記出口マニホルドを囲むカバーと、この出口マニホルドに設けられた複数の弁とを更に具備している請求項１５のＰＳＡモジュール。
【請求項１７】
前記複数の加圧される吸着チャンバの各加圧される吸着チャンバは、加圧される流体チャンバと前記入口マニホルドとの間に設けられた第１のシーリングボスと、加圧される流体チャンバと前記出口マニホルドとの間に設けられた第２のシーリングボスとを備えている、請求項１２のＰＳＡモジュール。
【請求項１８】
前記複数の加圧される吸着チャンバの少なくとも１つの加圧される吸着チャンバは、
この少なくとも１つの加圧される吸着チャンバの一端部に設けられ、この吸着チャンバの流路を横切って延びたリテイナプレートと、
このリテイナプレートに近接して設けられ、前記少なくとも１つの加圧される吸着チャンバの前記流路を横切って延びたメッシュ層と、
このメッシュ層付近に設けられた吸着体とを有し、
前記第１のシーリングボスは、前記加圧される吸着チャンバ内で延びた部分を有し、この部分は、前記リテイナプレートに対向して設けられた凹面を有し、この凹面とリテイナプレートとが、チャンバを形成しており、
この第１のシーリングボスは、このチャンバ内に設けられたフロー分配器を有している、請求項１７のＰＳＡモジュール。
【請求項１９】
前記複数の加圧される吸着チャンバの少なくとも１つの吸着チャンバは、
この少なくとも１つの吸着チャンバの一端部に設けられ、この吸着チャンバの流路を横切って延びた第１のリテイナプレートと、
この第１のリテイナプレートに近接して設けられ、前記少なくとも１つの加圧される吸着チャンバの流路を横切って延びた第１のメッシュ層と、
前記少なくとも１つの加圧される吸着チャンバの対向他端部に設けられ、この吸着チャンバの流路を横切って延びた第２のリテイナプレートと、
この第２のリテイナプレートに近接して設けられ、前記少なくとも１つの加圧される吸着チャンバの流路を横切って延びた第２のメッシュ層と、
前記第１のメッシュ層と第２のメッシュ層との間に設けられる吸着体とを有している、請求項１２のＰＳＡモジュール。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの加圧される吸着チャンバは、更に、前記第１のリテイナプレートと吸着体との間に設けられた弾性層を有しており、この弾性層は、第１のリテイナプレートと吸着体との間で圧縮状態に保持されている、請求項１９のＰＳＡモジュール。
【請求項２１】
前記弾性層は、フィルターである、請求項２０のＰＳＡモジュール。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの加圧される吸着チャンバは、更に、前記第１のリテイナプレートと第１のメッシュ層とを互いに接合させるように構成された第１の径方向シールリングと、前記第２のリテイナプレートと第２のメッシュ層とを互いに接合させるように構成された第２の径方向シールリングとを有している、請求項１９のＰＳＡモジュール。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの加圧される吸着チャンバは、更に、前記第１のリテイナプレートと第１のメッシュ層とを固定させるように構成された第１のスナップリングと、前記第２のリテイナプレートと第２のメッシュ層とを固定させるように構成された第２のスナップリングとを有している請求項１９のＰＳＡモジュール。
【請求項２４】
前記出口マニホルドには、前記複数の加圧される吸着チャンバの各加圧される吸着チャンバに接続された第１の均等化チャネルが設けられており、この出口マニホルドにはまた、前記複数の加圧される吸着チャンバの各加圧される吸着チャンバに接続された第２の均等化チャネルが設けられている、請求項１２のＰＳＡモジュール。
【請求項２５】
前記剛性構造体は、前記複数の加圧される吸着チャンバの少なくとも１つの加圧される吸着チャンバに、この少なくとも１つの吸着チャンバに曲げモーメントを伝達しない接続手段によって接続されている、請求項１２のＰＳＡモジュール。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）プロセスに関する。ＰＳＡは、ガス精製のために一般に使用されるプロセスである。典型的な応用例には、ガス混合物からの水素の分離、天然ガスからのヘリウムの分離、埋立地ガスの精製、および酸素、窒素および／又はアルゴンを生成するための空気分離が含まれる。
【０００２】
多くのＰＳＡシステムは、これらの非常に大きな生成物とこれらのラフィネートガスフローの変動とによって制限されている。これらの変動は、ＰＳＡシステムに接続された下流プロセス装置が適当に機能するようにフローの変動を適切に抑制するために、相当な大きさの保管庫あるいはサージ・タンクを必要とする。
【０００３】
工業規模のガス分離が、従来は、所定の純度で加圧される生成物の分別回収を増すように少なくとも１つの均圧工程を有するＰＳＡサイクルを利用して行なわれてきた。ＰＳＡサイクルでは、分別回収が増されることにより、ラフィネートサージ・タンクに対して排除されるガスの量が減じられ、加圧される生成物ガスのほぼ連続したフローが確実にされる。３つ以上の均等化を有するサイクルが公知である。
【０００４】
当分野でフローの拍動を減じるために行なわれる他の工程は、単一のプロセストレインで多くの均等化と多くの導管とを有するサイクルを行なうことである。多くの導管と多くの均等化工程とを有するＰＳＡシステムの１つの例が、Ｆｕｄｅｒｅｒなどへの米国特許番号３，９８６，８４９であり、この特許は、１０個ほどの吸着導管と５５個もの弁とを有するプロセストレインを開示している。工業的な応用例では、修復可能な生成物の欠損に関連する高エネルギーと作動コストとが、通常は、非常に大きなプラントを除き、１つ以上の圧力均等化を有する更に複雑なＰＳＡサイクルに関連する複雑さの著しい増加を上回ってきた。従って、殆どのプラントでは、加圧される生成物とラフィネートガスとの両方のために極めて大きなサージ・タンクを使用している。
【０００５】
また、全てのタイプのＰＳＡシステム、特に複数の均等化を有するシステムは、これらが非常に複雑なことと、付属的な高いパーツ点数とにより、厳しい制限を受けている。この複雑さにより、部品が欠損する可能性が著しく増すだけでなく、システムのサイズが非常に大きくされ、組立時間がかなり長くされ、および材料コストが著しく高くなる。殆どのＰＳＡシステムは、欠陥システムの単一ポイントであり、有名な例外が、De Meyerなどへの米国特許番号４，２３４，３２２と米国特許出願番号１０／２６９，０６４とに明らかにされたプロセスである。例示的なプロセスにおいても、ＰＳＡプラントは、結局は、欠陥部品のメンテナンスを行うために運転停止されなくてはならない。このような運転停止は、全体的なプロセスの便利さのために相当に長い製造時間のロスを招くため、全く望ましくない。更に、炭化水素蒸気改質装置、自動改質装置、部分酸化改質装置、アンモニア合成プラント、あるいはエチレン分解装置のようなＰＳＡが、高温プロセスに接続されている時は、接続されているプロセス装置の寿命は、運転停止時と運転再開時とに招かれる高い機械的なストレスのためにかなり短くなることがある。
【０００６】
Keeferなどへの米国特許番号６，０５１，０５０は、比較的大きな全システム容量を果すために並行した複数の回転式ＰＳＡモジュールを使用するシステムを説明しているが、機能不全時にこれらのモジュールを運転する方法あるいは戦略を開示することはできていない。Keeferなどへの回転式モジュールは、個々の実施で受け入れられるモジュールとはかなり異なり、弁付きＰＳＡ装置として同じタイプの単一ポイント弁の欠陥の影響を受ける。これらの欠陥状態は、漸進的なシールの欠陥による。Keeferなどへの特許のモジュールはまた、非常に多数の活性ベッドを有しており、かくして、これらは、生成物やラフィネートガスの流量の拍動の変化に関係が少ない。Keeferなどの特許の低拍動の回転式モジュールと、米国特許番号５，１１２，３６７、米国特許番号５，２６８，０２１、および米国特許番号５，３６６，５４１に開示された類似した発明とは、摺動シールの使用により避けられない漏れの問題を抱えている。この漏れにより、シールの寿命が限られていることによるメンテナンスの問題が発生するだけでなく、純粋さと生成物の修復とが減じられる。高い圧力は、これらの問題を悪化させ、回転式のモジュールを、典型的な弁付きＰＳＡ装置以上に、工業上重要な分離を行なうのに望ましくないものにする。
【０００７】
典型的な弁付きＰＳＡシステムのサイズが極めて大きく、これらのコストが高いことにより、特に圧力均等化と多数の吸着ベッドとを有していて非常に複雑である弁付きＰＳＡシステムのために、プロセスの停止を防ぐようにバックアップＰＳＡ容量を与えることは、非常に望ましくないままである。
【０００８】
発明者たちは、米国特許出願番号１０／２６９，０６７に開示された圧力均等化を有するＰＳＡ装置の複雑さを大きく減じるような進んだ装置のための改良された装置と、米国特許出願番号１０／２６９，０６４に開示されたＰＳＡサイクルを実施する方法と、を全体に参照して組み入れている。
【０００９】
従って、本発明は、有利に、フローの拍動が減じられた弁付き圧力スイング吸着システムを提供している。
【００１０】
本発明の圧力スイング吸着システムは、運転中に修復可能である。
【００１１】
本発明は更に、有利に、信頼性の増した圧力スイング吸着システムを提供している。
【００１２】
本発明は、吸着導管端部接続部の曲げモーメントをなくす圧力スイング吸着システムのための装置を提供している。
【００１３】
本発明はまた、有利に、一体的な構造的なカバーを備えた圧力スイング吸着装置を提供している。
【００１４】
本発明と多くの付属的な利点とは、特に添付図面と合わせて考えることにより、以下の詳細な説明を参照して容易により良く理解できるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施形態が、添付図面を参照しながら以下に説明される。以下の説明では、実質的に同じ機能および構成を有する構成部材は、同じ参照符号で示されており、反復的な説明は必要なときにのみ成される。
【００１６】
図１は、加圧される供給ガス用のマニホルド２、加圧される生成物用のマニホルド３、および低圧ラフィネートのマニホルド４を有する本発明のＰＳＡシステム１のフロー概略図である。生成物用のマニホルド３には、生成物サージ・タンク５が設けられており、ラフィネートのマニホルド４には、ラフィネートのサージ・タンク６が設けられている。本発明のプロセスでは、少なくとも第１のＰＳＡモジュール１０と第２のＰＳＡモジュール２０とが、供給用のマニホルド、生成物用のマニホルド、およびラフィネートのマニホルドに接続されている。図１の実施形態では、８つのＰＳＡモジュール１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０、および８０が、並行して作動される。本発明のプロセスでは、所定数の並行したモジュールが使用でき、８つのモジュールは単なる例として採用されているのみである。
【００１７】
ＰＳＡモジュールは、これら夫々の遮断弁１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１、および８１によって供給ガス用のマニホルド２に接続されている。ＰＳＡモジュールは、これら夫々の遮断弁１２，２２，３２，４２，５２，６２，７２、および８２によって生成物用のマニホルド３に接続されている。ＰＳＡモジュールは、これら夫々の弁１３，２３，３３，４３，５３，６３，７３、および８３によってラフィネートのマニホルド４に接続されている。これらの弁全てが開位置にある時、各ＰＳＡモジュールが、並行して流体接続される。個々のＰＳＡモジュールは、流体マニホルドを他のマニホルドに接続する弁を閉鎖することによって、この流体マニホルドから遮断され得る。例えば、モジュール２０は、弁２１，２２、および２３を閉鎖することによって遮断可能である。モジュールがいったん遮断されると、設置された残りのモジュールが生成状態にある間に、遮断されたモジュール上のメンテナンスを行うことが可能である。モジュール２０が欠陥あるいは不良部品を有することが発見された場合、このモジュール２０が、弁２１，２２、および２３を閉鎖することによってＰＳＡプロセスマニホルド２，３、および４から遮断されることが可能であり、この後で、メンテナンスを行なうことができる。ＰＳＡモジュール１０，３０，４０，５０，６０，７０、および８０は、通常どおりに作動し続ける。この場合の最大のシステム容量は、オリジナルの容量の８分の７となるだろう。全容量のこの僅かな減少は、残りのＰＳＡモジュールをより高い作動サイクル周波数で作動させることによって導き出されるか、あるいは、僅かに増された流量で運転する時に著しい性能劣化が生じないように全システム中に付加的な容量を設計することによって管理され得る。
【００１８】
図２は、本発明のＰＳＡプロセスの欠点を示している。図２は、図１のＰＳＡシステム１のための４つの異なる作動戦略（operating strategies）ごとの低圧ラフィネート流量対時間を示すグラフである。これらのトレースは、米国特許出願番号１０／２６９，０６４のプロセスの後の３つの均等化および７つのベッドを有するＰＳＡ（a three equalization, seven bed PSA）のためのトレースであるが、この効果は、あらゆるＰＳＡサイクルと類似している。３つ未満の均等化を有するＰＳＡサイクルは、ラフィネート流量の更に目立つ拍動を示すだろう。
【００１９】
ＰＳＡシステムが、同期してこれらの個々のＰＳＡサイクルを運転するように同調された各モジュールによって作動される場合、フローの拍動は、単一プロセストレインを作動するのと同じであり、全流量は、１，０００ユニット未満と１７，０００ユニット以上との間で、つまり１７：１という因数（ファクター）で変化する。本発明のプロセスでは、ＰＳＡモジュールのアレイが、ラフィネートガスの発生時期が互いにずれるように、一致しない位相で作動される。本発明の第１の実施形態では、ＰＳＡシステムの８つのモジュールが、４つからなる２つのグループごとに作動され、各グループは互いに１８０度ずれた位相で作動される。図２は、この結果としてラフィネート流量が約１，５００ユニットと９，０００ユニットとの間で変化するのを示している。これは、約６：１の比率であり、この比率は、単一プロセストレインを作動するか、並行しておよび一致して多くのモジュールを作動する従来技術の方法のほぼ３倍未満である。この第１の実施形態では、各グループは、全体の使用可能なモジュールの半分を使用している。８つのモジュールシステムの例では、つまり、４つのモジュールグループが生じる。１つのモジュールが故障し、修理のために遮断されなくてはならない場合、システムは８分の７の容量を維持するが、ラフィネート流量の波形は、導管の２つのグループの非対称性質によって変化するだろう。グループ内の残りの３つの導管を通る流量は、幾つかのプロセス工程の間に３３％だけ増加されるだろう。この因数は、配管および／又は弁システム内の流体ショックおよび／又は吸着剤の流動化を防ぐように考慮されなくてはならない。
【００２０】
本発明の他の実施形態では、複数のモジュールが、４つのグループに分離され、各モジュールは、９０度ずれた位相で作動される。図２は、結果的に生じたラフィネート流量が約２，０００と６，０００との間で変化するのを示している。この比率は、約３：１である。これは、２つのグループのモジュールが１８０度ずれた位相で動作する第１の実施形態で生じる流量変化の約半分であり、従来技術の方法での変化の６分の１である。この流量変化の減少は目覚しいが、これは、グループごとのモジュール数を例えば８つのモジュールシステムのうち２つに減じる。１つのモジュールが修理されなくてはならない場合、幾つかの工程の間、グループ中の他のモジュールの流量の変化が１００％となるだろう。これは、導管の設計とこれらが弁と流体導管とを相互接続させる際に考慮される因数である。
【００２１】
本発明の他の構成では、８つのグループのモジュールは、これらのサイクルが４５度ずれる形で使用される。これは、４つのグループと比較すると、流量の拍動の小幅な減少のみを果たし、モジュールの修理が必要な時には、更に大きな変化を生じる。８つのモジュールシステムの例では、各モジュールが、例えば、個々に作動する。
【００２２】
偶数のグループが図２で示され上述されたが、奇数のグループもまた実施可能である。実際には、どんな数のグループも実現可能である。また、グループごとに所定数のモジュールを果すために、所定数のモジュールがまた使用できる。上述された実施形態では、グループが、１８０度、９０度、および４５度ずれた位相で作動することを想定している。各モジュールごとの所定のＰＳＡサイクルでは、生成物、ラフィネート、あるいは両方のフローの変化を最小にするために、異なる位相形成が望ましいことがある。
【００２３】
各グループは、全システムの流量変化と、吸着剤の流動化と流体ショックとの問題を回避するために所定のモジュールを通る流量の変化とを最小にするように、同数の導管を有すると望ましい。グループの数とグループごとのモジュールの数とのバランスは、本発明の応用例ごとに最適なものでなくてはならない。接続された装置用のダウン時間が最小にされることが一番の優先事項である応用例では、少ない数のグループを有し、グループごとの並行したモジュール数が多いシステムが、好ましい。信頼性が流量の拍動よりも重要でないようなシステムの場合は、グループの数が多く、グループごとのモジュール数が少ないと好ましい。
【００２４】
図３ａは、本発明のＰＳＡモジュール用の好ましい装置を説明している。ＰＳＡモジュール１００は、供給用のマニホルド１０２と生成物用のマニホルド１０３との間に配列された７つの吸着チャンバ１０１を有している。加圧される吸着チャンバは、締め付けボルト１０４によってこれらマニホルドと取着された関係に保持されている。供給用のマニホルドと生成物用のマニホルドとの両方に、ＰＳＡサイクルを実行するために使用される複数の弁１０５が設けられている。
【００２５】
図３ａに示されたＰＳＡモジュール１００は、米国特許出願番号１０／２６９，０６４に示されているような７つの吸着導管と３つの圧力均等化サイクルを実行するのに特に好ましい実施形態である。本発明の装置はまた、関連した分野の他のＰＳＡサイクルだけでなく、開示されている他のサイクルを実行するのに使用されることも好ましい。
【００２６】
側断面図３ｂは、吸着体１１０を有する単一吸着チャンバ１０１を示している。この吸着体は、１つのタイプの吸着剤であっても、吸着剤の混合物か別個の吸着層であってもよい。吸着体の構成およびサイズが、プロセスのフローの状態、影響力の分離、およびＰＳＡサイクルによって選択決定され、全く本発明を制限しない。吸着チャンバは、入口マニホルド１０２と出口マニホルド１０３とにシール状態で接続される。
【００２７】
図４は、図３ｂの吸着チャンバとマニホルドの分解断面図を示している。吸着チャンバ１０１は、入口マニホルドと出口マニホルドとの両方に設けられたシーリングボス１１１に有利に接続されている。これらは、この図において同じ機能を有するものとして示されているが、必要に応じて異なる形に形成されてもよい。各シーリングボスには、吸着チャンバとマニホルドとの間の流体シールに作用する少なくとも１つのシーリング部材１１２が設けられている。好ましい内側径方向シーリングの形状が図４に示されているが、圧縮シールあるいは外側径方向シールが設けられてもよい。シールあるいはシーリングボスのいずれもが、マニホルドと吸着チャンバとの間の剛性構造接合部に作用しない。
【００２８】
関連分野のＰＳＡ吸着チャンバでは、吸着チャンバが、端部フランジの外形あるいはマニホルドに対して剛性の構造上の関係で固定されている。このような剛性の接続により、好ましくなく、局所的な曲げストレスが生じる。ＰＳＡ装置内での周期的なストレス状態の性質により、この曲げモーメントが、好ましくなく、装置の早すぎる疲労などの実質的な問題を生じることがある。このような早期の疲労は、水素脆化が多くの金属材料に作用するので、水素ＰＳＡの場合は特に、劇的に加速される。かくして、本発明の非構造的なシーリング機能は、同じ耐用年数だがはるかに薄い構造部材を容易に使用できることから、特に好ましい。更に、圧力に抵抗するマニホルド間の構造的な接続は精製される流体に接触されないので、高強度材料が使用可能であり、さもなければ、特に水素脆化の影響を受けやすい。例えば、水素システムのための関連分野の構造では使用不可能な材料である硬化鋼が、締め付けボルト１０４のために使用可能である。
【００２９】
本発明のシーリング装置のもう１つの利点は、吸着チャンバ、マニホルド、および締め付けボルトを製造するのに異なる材料が使用できることである。かくして、ガラス繊維強化プラスチックのようなよい強度を有するが剛性は殆ど有さない材料が、吸着チャンバのために使用可能であり、他方で、アルミニウムや独立気泡ポリマーフォームのような強度が低い剛性の材料が、マニホルドのために使用可能である。また、第３の材料が、締め付けボルトのために使用可能である。このように各材料を個々に自由に最適化することができるため、特定の応用例で必要が生じた時には、場合によっては劇的に重さおよび／または材料のコストを簡単に減じることが出来る。
【００３０】
図４は、シーリングボス１１１が、出口の径方向フロー分配器１１３および入口の径方向フロー分配器１１４からのフローの分配を助けるように凹んだ内形を有することを示している。しかし、これら分配器は、図４に示されているのとは別個の部品であってよく、マニホルドと一体的に形成されていてもよい。径方向フロー分配器は、入口マニホルド内で流体チャネル１１５と、出口マニホルド内で流体チャネル１１６と流体連通している。チャネル１１５からフロー分配器１１４を通って流れる流体は、チャンバ１２０と連通している。このチャンバは、スナップリング１２３によって支持された吸着リテイナプレート１２２だけでなく、シーリングボスの凹形状部によっても形成されている。図３および図４のＰＳＡ装置は、装置の底部に入口マニホルド、上部に出口マニホルドがある場合を想定して示されている。装置が逆方向に設けられている場合は、スナップリング１２３が、リテイナプレートの他側に設けられるだろう。
【００３１】
リテイナプレート１２２は、直径の小さい吸着粒子を保持するために、目の細かいメッシュ層１２４を有していると有利である。このメッシュ層は、ワイヤーメッシュ、織物あるいは非織物ポリマー、ガラス、または他の繊維から形成可能である。メッシュ層１２４とリテイナプレート１２２とは、径方向シールリング１２５と一緒に組立てられると好ましく、このシールリングは、メッシュ層とリテイナプレートとを一緒に組立てた状態に保持して、流体や粒子のバイパスを形成するように径方向シールを与える。このような複合的なリテイナアセンブリが好ましいが、開いた構造と非織物マットとを有する金属、ポリマー、あるいはセラミックフォームのような他の吸着支持手段か、当分野で公知の他の手段かが、使用可能である。
【００３２】
出口マニホルドには、スナップリング１２３がリテイナプレートを上方から保持するように位置している点を除いて類似しているリテイナプレートアセンブリが設けられていると好ましい。上リテイナプレートと吸着剤との間に弾性層１３０を設けると最も好ましい。この弾性層は、外側端部リテイナプレートアセンブリによって圧縮状態に保持され、吸着体１３１に圧縮荷重を与える。好ましい弾性材料はまた、流動化された塵粒子がマニホルドに入らないようにするためにろ過機能を果す。好ましい材料には、網状のポリマーフォーム、織物あるいは非織物のエラストマーマット、または、ココナツ繊維などの天然繊維で形成されているようなエラストマー含浸マットがある。弾性部材はまた、必要に応じて、吸着チャンバの入口か底端部に設けられてもよい。
【００３３】
入口マニホルド１０２には、供給弁１３５と廃棄弁１３６とが設けられている。これらの弁は、マニホルド中に形成された弁座と結合する。入口弁１３５は、チャネル１１５と径方向フロー分配器１１４とを通じて平行供給フローチャネル１３７と吸着チャンバ１０１との間を連通させる。供給フローチャネル１３７は、これら夫々の弁を通じて装置内の全吸着チャンバと連通している。弁１３５を閉位置で示している図４により、供給物用のチャネル１３７を通る装置の吸着チャンバ間の流れが弁１３５によって、これが開位置、閉位置いずれにあっても、実質的に妨げられないことが理解されるだろう。この機能は、米国特許出願番号１０／２６９，０６４のＰＳＡサイクルの実施には欠かせないチャネルを通る即座のフローを確実にするように十分な断面領域を有するフローチャネル１３７を与えることによって確実にされ得る。廃棄弁１３６は、同様に、平行する廃棄物用のフローチャネル１３８と連通し、この廃棄物用のフローチャネルは、これら夫々の弁を通じて装置の吸着チャンバ１０１と流体連通している。図面は、機械加工されて、穿孔によってチャネルの外形１１５が形成されたマニホルドを示している。かくして、チャネル１１５の端部をシールするように、プラグ１４０が設けられている。マニホルドが注型のようなネットシェイププロセス（net shape process）によって形成される場合、プラグ１４０は必要ない。同様に、プラグは、センサー、逃がし安全弁、あるいは他の付属物に置き換えられてもよい。更に、フローのチャネル１１５および／又は１３７には、センサーの接続、サンプル回収など、更なる機能が与えられてもよい。このような付加的な機能を与えることは、本発明を制限することにはならない。
【００３４】
出口マニホルド１０３には、同様に、生成物弁１４１、均等化弁１４２、および均等化弁１４３が設けられている。これらの弁は、生成物導管１４４、第１の均等化導管１４５、および第２の均等化導管１４６と連通している。各導管は、各チャンバごとの夫々の弁を通じてＰＳＡ装置の各吸着チャンバと流体連通している。示されている装置は、本発明者による米国特許出願番号１０／２６９、０６４の７つの吸着導管と３つの圧力均等化を有する特に好ましいＰＳＡサイクル用の装置である。他のＰＳＡサイクルは、異なる数の弁および導管を使用するだろう。例えば、上述された応用例の６つもしくは５つの吸着チャンバサイクルは、各吸着チャンバのために図面で示された均等化導管および弁の１つを省略している。
【００３５】
均等化導管１４５が、付加的に、保持リング１４８によって保持される多孔性フロー制限部材１４７を設けられている。あるいは、保持リングが、フロー制御オリフィスプレートを固定するのに使用されてもよい。逆止め弁やフロー制御弁のような他の部材がまた、設けられ得る。ここで示されているような１つの平行なフローチャネルのためにのみ、あるいは、１つ以上のチャネルのために、このような外形が設けられ得る。本明細書で示されている装置は、米国特許出願番号１０／２６９，０６７に開示されているような、空気で動作する好ましいピストン弁を使用している。あるいは、弁は、電磁操作されるか、水圧で動くか、カム軸のような機械的な駆動システムによって機械的に動くかされる。弁の作動方法の選択は、本発明を制限するものではなく、その利点を損なうものでもない。更に、開示されている装置は、単一サイズの全ての弁を使用する。様々なサイズおよびタイプの幾つかの弁が、フロー特性の望ましい組み合わせを果すために、本発明の装置で有利に組み合わせられ得る。また、並行したフロー導管を使用する最も好ましい装置が示されているが、並行したフロー導管を使用しない従来のＰＳＡサイクルもまた、必要な内部フロー特性を与えることによって実施可能である。
【００３６】
本発明のマニホルドは、固体のストック（solid stock）を機械加工するか、注型で形成されたほぼネットシェイプ部を機械加工するか、ろう付け、半田付け、または接着して材料の複数層を互いに接合させることによって形成可能である。また、マニホルドは、モノリシック構造のアセンブリとして形成されるか、ファスナか他の手段で互いに保持された複数片に形作られるか、ガスケットのような流体シールを用いてシールされ得る。製造技術の選択は、本発明の利点を制限するものではない。
【００３７】
図５ａは、本発明のＰＳＡ装置の第２の実施形態を示している。第１の実施形態の締め付けロッドは省略され、変わりに、構造的なパネル２００，２０１が使用されている。これらのパネルは、ファスナ２０２によってマニホルド１０２、１０３に固定されている。好ましいファスナの１例には、小ねじであるが、他のタイプのファスナも使用可能である。あるいは、構造的なパネルとマニホルドとの間の接合手段は、接着剤結合、ろう付け、半田付け、または溶接であってよい。実際に、マニホルドを構造的なパネルに接合させる所定の耐力接続が有利に利用され得る。この接続により、ほぼ純粋な引張り応力の状態にある構造的なパネルによって支持される２つのマニホルドを分離させる圧力負荷がかけられ得る。引張り状態にある平坦なパネルのデザインはまっすぐであり、金属あるいはポリマーのシートのような共通の構造材料は、支持引張り荷重が優れている。構造的なパネルを使用すると、有利に、圧力荷重がマニホルドの境界線に沿って分配され、第１の実施形態の締め付けボルト１０４によって生じた局所的な応力が減じられる。
【００３８】
図５ａは、モジュール用の構造的な支持部として働く類似したパネル２０３、２０４を示している。また、これらは、有利に、モジュールの重さによって与えられる機械的荷重と、風によって与えられる付加的な荷重、地震力、出荷荷重、使用荷重などとを支持するのに適した手段を用いてマニホルドに機械的に取着されている。このような構造的なパネルは、有利には、より強く堅い支持構造体を形成するために、相互接続部２０５が設けられていてよい。更に、支持パネルとモジュール土台との間の接続を安定させるように取付け部２０６が、設けられていてよい。弁のメンテナンスと検査とを容易にするために、アクセス用切欠部２０７が支持パネル内に形成されていてもよい。モジュールにはまた、有利には、弁に雨よけを与えるトップカバー２０８が設けられ得る。このトップカバーには、空気ラインであっても電気ラインであっても必要な弁作動手段が設置され得るように、弁作動ポート２０９が設けられていてよい。あるいは、弁制御装置が、有利に、弁カバー２０８内に設けられて、雨から保護されてもよい。この場合は、収容な電気および／又は空気供給ラインのみが必要となる。
【００３９】
図５ｂは、第２の実施形態のＰＳＡ装置２１０の組立図を示している。本発明の構造的なパネルがモジュールの全側面に設けられる場合、これらパネルは、吸着チャンバへの不慮のダメージに対してかなりの保護を与える。このようなダメージは、出荷および設置の間に容易に発生し得る。弁はまた、良く保護されている。かくして、第２の実施形態のパネルと第１の実施形態の締め付けボルトとを組み合わせることも場合によっては効果的であることが明らかである。この主な例には、局所的な圧力容器の列により本発明の構造的なパネルが得られないが、締め付けボルトは使用可能である場合などがある。更に、構造的なパネルのために使用される手段に類似した手段を用いて取付けて出荷時の保護のためにのみ使用する一時的なパネルが、設けられてもよい。弁あるいは吸着チャンバへのアクセスの容易さが求められるような特定の応用例では、ＰＳＡ装置に、２つか３つ以上の側面にパネルが設けられ得る。これは、残りのパネルの構造的な強度が適当に高くされる場合である。
【００４０】
本発明のＰＳＡ装置のパネルにより、有利に、アセンブリの複雑さが減じられる。また、これらパネルによって締め付けボルトに関連した局所的な応力が減じられるため、重さが容易に減じられる。こうした利点が、改良された出荷および取扱い時の耐久力と、雨よけと、従来技術の方法と比較して向上された審美性と組み合わせられる。
【００４１】
図６は、好ましいＰＳＡ装置を使用して実施される本発明のＰＳＡシステムの斜視図である。図１に説明された部材は、図６では、同じ参照符号で示されている。ＰＳＡシステムの設置面積は、メンテナンスでのアクセスのためにモジュール間にスペースが設けられていない場合は、相当に減じられ得る。好ましい装置を用いると、全てのメンテナンス作業が、モジュールの上部および底部のみへのアクセスによって果される。モジュールの物理的なレイアウトは、制限的なものではなく、本発明の流体的な相互接続を果す如何なる機械的なレイアウトも、本発明の特別な利点を果すことができる。
【００４２】
本発明は、多くの利点を提供する。例えば、本発明は、吸着導管の間に流体コネクタを必要としない圧力スイング吸収装置を提供している。更に、本発明は、構造の溶接を必要としない圧力スイング吸着装置を提供している。本発明はまた、最小の空容量を有する圧力スイング吸着装置を提供している。更に、本発明は、吸着導管用の構造的な支持部を必要としない圧力スイング吸着装置を提供する。これらの構造的な利点は所定の状況では役立つが、このような特徴は、本発明によっては必要とされない。
【００４３】
本明細書で示され開示された例示的な実施形態は、本発明の好ましい実施形態を説明しているが、如何なる意味でも本発明の請求項の範囲を制限するものではないことに注意してほしい。
【００４４】
本発明の様々の修正および変更が上述した教示内容から見て可能である。かくして、添付請求項の範囲内で、本発明は、本明細書に特に説明されている以外のやり方で実施され得ることが理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のＰＳＡシステムのフロー概略図である。
【図２】本発明のＰＳＡシステムによって果されるフロー精製の減少を示すグラフである。
【図３ａ】本発明のＰＳＡ装置の第１の実施形態の斜視図である。
【図３ｂ】本発明のＰＳＡ装置の第１の実施形態の１つの吸着チャンバを通る側断面図である。
【図４】本発明のＰＳＡ装置の第１の実施形態の複数のフローマニホルドの断面図である。
【図５ａ】本発明のＰＳＡ装置の第２の実施形態の分解図である。
【図５ｂ】本発明のＰＳＡ装置の第２の実施形態の組立図である。
【図６】本発明の第１の実施形態のＰＳＡ装置を使用して行なわれる本発明のＰＳＡシステムを示している。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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