(57)【要約】  開示される対象は、吸着システムにおいて仕事および／または冷却（例えば電気および／または冷却）をもたらす作動圧力を生ずるために有用な温度スイング（ΔＴ）の最小化に貢献するプロセス変更および装置デザインに関する。そのようなプロセス変更およびデザインは、吸着システムを推進するために下級熱源が用いられる工業プロセス（例えば化学処理または石油化学生成作業）において廃熱を使用するために特に適切である。
2013524152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの容器；
作動流体；
少なくとも１つの熱流体；
前記少なくとも１つの容器内に位置する少なくとも１つの中空繊維
を備える繊維吸着システムであって、前記中空繊維は、
（ａ）細長い本体を形成する吸着剤材料および結合剤材料を含み、
（ｂ）前記細長い本体は、中空内部を有し、
（ｃ）前記細長い本体は、前記中空内部に隣接する内部表面と、外部表面を有し、
（ｄ）前記内部表面および前記外部表面の一方は、その上に形成されるコーティング層を有し、前記コーティング層は、前記作動流体および前記熱流体の両方に対して不浸透性である、繊維吸着システム。
【請求項２】
前記コーティング層は、前記内部表面上に形成され、前記熱流体は、前記中空内部を通過する、請求項１に記載の繊維吸着システム。
【請求項３】
前記作動流体は、前記中空繊維の前記外部表面と流体連通にある、請求項２に記載の繊維吸着システム。
【請求項４】
前記コーティング層は、前記外部表面上に形成され、前記作動流体は、前記細長い本体の前記吸着剤材料によって吸着および脱着可能であるように、前記中空内部を通過する、請求項１に記載の繊維吸着システム。
【請求項５】
前記作動流体は、前記中空繊維の前記内部表面と流体連通にある、請求項４に記載の繊維吸着システム。
【請求項６】
前記コーティング層は、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（塩化ビニリデン）、ポリ（フッ化ビニル）、ポリ（フッ化ビニリデン）、エチレンビニルアルコールコポリマー、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリエチレン（好ましくは高密度）、ポリプロピレン（好ましくは高密度）、ポリエステル、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン、ポリウレタン、それらの組み合わせおよびそれらの誘導体からなる群から選択される、請求項２〜５のいずれかに記載の繊維吸着システム。
【請求項７】
少なくとも１つの容器；
作動流体；
熱流体；
前記少なくとも１つの容器内に位置する少なくとも１つの中空繊維
を備える繊維吸着システムであって、前記中空繊維は、
その中で前記熱流体および前記作動流体の供給の一方を受け取るために適応されるチャネルを規定する、内部コーティング；
外部コーティングと前記内部コーティングとの間にチャンバーを規定する、外部コーティング；及び
前記チャンバー内に含有される吸着剤材料および結合剤材料
を含み、
前記内部コーティングおよび前記外部コーティングの一方は、熱流体に不浸透性である一般に不浸透性の膜であり、及び
前記内部コーティングおよび前記外部コーティングの他方は、作動流体に浸透性である一般に浸透性のコーティングである、繊維吸着システム。
【請求項８】
前記浸透性コーティングは、セルロース繊維、ポリスルホン、ポリウレタンおよびポリイミドから選択される、請求項７に記載の繊維吸着システム。
【請求項９】
前記熱流体は、加熱流体および冷却流体を含む、請求項１〜８のいずれかに記載の繊維吸着システム。
【請求項１０】
前記加熱流体は、蒸気を含む、請求項９に記載の繊維吸着システム。
【請求項１１】
前記吸着剤材料は、ゼオライトである、請求項１〜１０のいずれかに記載の繊維吸着システム。
【請求項１２】
前記ゼオライトは、ゼオライト１３Ｘである、請求項１１に記載の繊維吸着システム。
【請求項１３】
前記作動流体は、二酸化炭素を含む、請求項１〜１２のいずれかに記載の繊維吸着システム。
【請求項１４】
前記二酸化炭素は、石油化学または化学処理操作内のプロセス流れからである、請求項１３に記載の繊維吸着システム。
【請求項１５】
少なくとも１つの容器；
作動流体；
少なくとも１つの熱流体；及び
前記少なくとも１つの容器内に位置する少なくとも１つの繊維
を備える繊維吸着システムであって、各繊維は、外部表面を有する細長い本体を形成する、吸着剤材料および結合剤材料を含み、前記作動流体は、前記外部表面を通って流れ、前記吸着剤材料によって吸着および脱着が可能である、繊維吸着システム。
【請求項１６】
前記熱流体が前記外部表面を通って流れ、前記繊維表面を湿潤させない、請求項１５に記載の繊維吸着システム。
【請求項１７】
前記外部表面上に外部コーティングをさらに備える請求項１５または請求項１６に記載の繊維吸着システムであって、前記作動流体は、前記吸着剤材料による吸着および脱着のため、前記外部コーティングを通過し得るように、前記外部コーティングは、前記作動流体に浸透性であり、前記外部コーティングは、前記熱流体に不浸透性であり、それによって、前記熱流体は、前記吸着剤材料まで前記外部コーティングを通過することが防がれる、繊維吸着システム。
【請求項１８】
前記外部コーティングは、有機金属化合物から形成される、請求項１５〜１７のいずれかに記載の繊維吸着システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示される対象は、繊維吸着剤システム、特に、急速な加熱および冷却が可能な、急速な熱伝達のための吸着剤システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
石油精製および化学処理作業（又は操作）を含む化学処理作業は、エネルギーを大量消費する。精製および石油化学処理設備に存在する蒸気および他の熱流（これらに限定されるものではない）を含む高温の熱源を使用して、これらの作業を高温で実行することがしばしば必要となる。蒸気および他の熱流がそれらの意図された機能を果たした後、さらに利用することが可能な「廃」エネルギーまたは未利用エネルギーが残る。精製所および石油化学設備では、典型的に、粗製油から製品への処理を実行するために必要とされる投入エネルギーの約７０％のみが利用される。
【０００３】
効率を上げる努力の一環として、廃熱または未利用熱を回収して利用することが望ましい。Ｒｏｓｓｅｒらへの特許文献１に記載される１つの方法では、廃熱を利用し、そのような熱を吸着剤材料に適用して、吸着された気体を、より高い圧力で放出することが試みられている。これは、次に、膨張弁を含む冷却サイクルで使用することができる。全体が本明細書に組み込まれる特許文献１には、吸着冷却システムのためのゼオライトと水との組み合わせの使用が記載されている。
【０００４】
化学処理の用途において吸着剤材料から冷却および仕事を得る現在の方法には制約がある。例えば、廃熱などの下級（又は低級）の熱源によって提供される温度スイング（ΔＴ）は、主要熱源を使用して提供されるものより低い。そのような制約により、廃熱からの有用なエネルギーの回収が経済的に持続不可能となるか、または非実用的となる。
【０００５】
したがって、下級供給源によって提供される温度スイング（ΔＴ）からの出力を最大にすることによって、未利用熱回収努力（例えば廃熱回収）を改善し、そのような努力をより費用効果的にさせる必要性が依然としてある。急速な加熱および冷却が可能であり、したがって、下級熱源によって推進される吸着システムを、より経済的に持続可能にさせる、熱伝達率が改善された吸着システムを提供する必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，８２３，００３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
開示される対象の目的および利点は、以下の明細書に記載され、そして以下の説明から明らかとなり、また開示される対象の実施によって理解されるであろう。開示される対象の追加的な利点は、それに関する明細書および請求の範囲において特に指摘される方法およびシステムによって、ならびに添付の図面から、認識され、達成されるであろう。
【０００８】
これらおよび他の利点を達成するため、そして開示される対象の目的によって、具体化され、広く記載されるとおり、開示される対象は、中空繊維吸着剤システム、特に、急速な加熱および冷却が可能な吸着システムを含む。
【０００９】
本発明の一態様によって、繊維吸着（又は収着）システム（系又は設備）が提供される。このシステムは、少なくとも１つの容器と、作動流体と、少なくとも１つの熱流体と、少なくとも１つの容器内に位置する少なくとも１つの中空繊維とを含む。各中空繊維は、一緒に細長い（又は長尺）本体を形成する吸着剤材料および結合剤材料を含む。細長い本体は、中空内部と、中空内部に隣接する内部表面とを有する。内部表面および外部表面の一方は、その上に形成されるコーティング層を有する。このコーティング層は、作動流体および熱流体の両方に対して不浸透性である。
【００１０】
コーティング層は、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（塩化ビニリデン）、ポリ（フッ化ビニル）、ポリ（フッ化ビニリデン）、エチレンビニルアルコールコポリマー、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリエチレン（好ましくは高密度）、ポリプロピレン（好ましくは高密度）、ポリエステル、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン、ポリウレタン、それらの組み合わせおよびそれらの誘導体からなる群から選択される材料から形成されてもよい。
【００１１】
本発明の一態様によって、コーティング層は内部表面上に形成される。熱流体は中空内部を通過するが、吸着剤材料までコーティング層を通過しない。熱流体は、加熱流体および冷却液を含んでもよい。作動流体は、二酸化炭素を含んでもよい。二酸化炭素は、石油化学または化学処理操作内のプロセス（又は処理）流れから供給されてよい。作動流体は、中空繊維の外部表面と流体連通（又は連絡）にある。
【００１２】
本発明の別の態様によると、コーティング層は外部表面上に形成される。作動流体が、細長い本体の吸着剤材料によって吸着および脱着可能であるように、中空内部を通過する。
【００１３】
本発明の別の態様によって、少なくとも１つの容器と、作動流体と、少なくとも１つの熱流体と、少なくとも１つの容器内に位置する少なくとも１つの繊維とを備える繊維吸着システムが開示される。各繊維は、外部表面を有する細長い本体を形成する、吸着剤材料および結合剤材料を含む。作動流体は外部表面を通って流れ、吸着剤材料によって吸着および脱着が可能である。熱流体は外部表面を通って流れてもよく、繊維表面を湿潤させることなく、熱を伝達することが可能である。繊維表面との熱流体接触角は、９０度より高い。繊維は、外部表面上に外部コーティングをさらに含んでもよい。作動流体が吸着剤材料による吸着および脱着のため、外部コーティングを通過し得るように、外部コーティングは作動流体に浸透性である。外部コーティングは熱流体に不浸透性であり、それによって、熱流体が、吸着剤材料まで外部コーティングを通過することを防ぐ。外部コーティングは、有機金属化合物から形成されてもよい。
【００１４】
開示される対象の別の態様によって、熱流体（すなわち、加熱流体または冷却液）、ならびに作動流体に一般に不浸透性である内部コーティングを含む、少なくとも１つの中空繊維を備える繊維吸着システムが開示される。内部コーティングは、熱流体（例えば蒸気）の供給を導入するために適応されるチャネルを規定（又は画定）する。中空繊維は、作動流体に浸透性である外部表面をさらに含む。チャンバーは外部表面と内部コーティングとによって規定（又は画定）され、それらの間にあり、吸着剤材料がチャンバー内に含まれる。繊維吸着システムは、中空繊維の外部表面と流体連通にある作動流体（例えば二酸化炭素）の供給をさらに備える。その上、内部コーティングは、例えば、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（塩化ビニリデン）、ポリ（フッ化ビニル）、ポリ（フッ化ビニリデン）、エチレンビニルアルコールコポリマー、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリエチレン（好ましくは高密度）、ポリプロピレン（好ましくは高密度）、ポリエステル、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン、ポリウレタンなど、それらの組み合わせまたは誘導体であることが可能である。
【００１５】
開示される対象には、加圧した作動流体から仕事を生じる方法であって、本明細書に開示される繊維吸着システムを含有する容器を提供する工程と、外部コーティングの外部表面に作動流体の供給を導入する工程と、内部チャネルに熱流体（例えば加熱流体）を導入し、加圧した作動流体を得る工程と、加圧した作動流体を仕事コンポーネントに向ける工程とを含む方法も含まれる。仕事コンポーネントは、冷却を提供する膨張弁または電気を提供するターボエキスパンダーであることが可能である。
【００１６】
開示される対象の別の態様によって、作動流体に浸透性である内部表面を含む少なくとも１つの中空繊維を含む繊維吸着システムであって、内部表面が、作動流体（例えば二酸化炭素）の供給を導入するために適応されるチャネルを規定する繊維吸着システムが開示される。中空繊維は、熱流体および作動流体に不浸透性である外部コーティングをさらに含み、外部コーティングが、外部コーティングと内部表面との間にチャンバーを規定し、吸着剤材料はチャンバー内に含まれる。繊維吸着システムは、内部表面と流体連通にある作動流体の供給をさらに含む。その上、外部コーティングは、例えば、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（塩化ビニリデン）、ポリ（フッ化ビニル）、ポリ（フッ化ビニリデン）、エチレンビニルアルコールコポリマー、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリエチレン（好ましくは高密度）、ポリプロピレン（好ましくは高密度）、ポリエステル、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン、ポリウレタンなど、それらの組み合わせまたは誘導体であることが可能である。
【００１７】
開示される対象は、加圧した作動流体を生じる方法であって、本明細書に開示される繊維吸着システムを含有する容器を提供する工程と、チャネルに作動流体の供給を導入する工程と、チャンバーの外部表面に熱流体を導入し、加圧した作動流体を得る工程と、加圧した作動流体を仕事コンポーネントに向ける工程とを含む方法も含む。仕事コンポーネントは、冷却を提供する膨張弁または電気を提供するターボエキスパンダーであることが可能である。
【００１８】
典型的な実施形態において、チャネルおよびチャンバーは、横断面でそれぞれ円形であり、そして互いに同一中心であり、チャネルの横断面は、直径約５０ミクロン〜約４００ミクロンである。その上、外部膜の内部表面から内部膜の外部表面までの直線距離は、約５０〜約４００ミクロンである。吸着剤材料はゼオライト１３Ｘなどのゼオライトであり、チャンバーの全重量の約１０％〜約９５％である。
【００１９】
本明細書に開示される繊維吸着システムは、燃焼作業などの石油化学または化学処理作業内でのプロセスの流れから二酸化炭素が得られる用途に適切である。
【００２０】
上記の一般的な説明と下記の詳しい説明は例示的であり、請求される開示される対象のさらなる説明を提供するように意図されることを理解すべきである。
【００２１】
開示される対象の方法およびシステムを例示し、そのさらなる理解を提供するために、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面が含まれる。説明と共に、図面は、開示される対象の原理を説明するために役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の吸着システムの略図である。
【図２】開示される対象による作動流体の吸着特性を示すグラフ図である。
【図３】本発明の実施形態による繊維吸着剤システムに用いられる、コーティングされてない繊維の断面図である。
【図４】本発明の別の実施形態による繊維吸着剤システムに用いられる、コーティングされた繊維の断面図である。
【図５】本発明の別の実施形態による繊維吸着剤システムに用いられる、中空繊維の断面図である。
【図６】本発明のさらに別の実施形態による繊維吸着剤システムに用いられる、もう１つの中空繊維の断面図である。
【図７】本発明による繊維吸着剤システムに用いられる、さらにもう１つの中空繊維の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本開示の対象を、ここで、図面および以下の用語と関連して、より詳細に説明する。
【００２４】
本明細書に使用される場合、「吸着剤材料」という用語は、それが作動流体に可逆的に結合する材料を指す。吸着剤材料には、限定されないが、吸着剤が含まれる。
【００２５】
本明細書に使用される場合、「作動流体」という用語は、化学的または物理的意味においても、吸着剤材料に可逆的に結合することが可能な液体または気体を指す。作動流体が膨張弁に導入される場合、冷却剤と呼ぶことも可能である。
【００２６】
本明細書に使用される場合、「ドライバーデバイス」という用語は、作動流体によって推進されて、電気または仕事を生じるタービン、シャフトまたは他の機構を指す。
【００２７】
本明細書に使用される場合、「容器」という用語は、吸着および脱着を可能にするために適切な条件下で、繊維および熱流体を含有するために適切な容器を指す。
【００２８】
本明細書に使用される場合、「熱流体」という用語は、吸着剤材料に温度変化を導入することが可能な液体または気体を指す。熱流体は、加熱流体または冷却液であることができる。
【００２９】
本明細書に使用される場合、「未利用熱」または「未利用熱源」という用語は、熱源が精製または石油化学処理作業におけるその第一の目的のために使用された後の処理作業に続いて、残留または残存する熱（例えば蒸気）を指す。未利用熱源の一例は、「廃熱」である。例えば、未利用熱または未利用熱源は、もはや精製および／または石油化学処理作業において使用されることはなく、従来は廃棄される熱源であり得る。未利用熱は、未利用熱流として提供することができる。例えば、限定されないが、未利用熱としては、石油および石油化学処理において使用される熱交換器で使用された蒸気を含み得る。
【００３０】
ここで、上記の定義を考慮して、開示される対象の様々な態様および実施形態を参照する。本明細書に開示されるシステムと関連して、そしてそれによって理解されて、方法について参照する。
【００３１】
従来技術の承認ではなく、目的背景のため、吸着システム１０００を図１に示す。このシステム１０００は、「Ｓｙｓｔｅｍ  Ｕｓｉｎｇ  Ｕｎｕｔｉｌｉｚｅｄ  Ｈｅａｔ  Ｆｏｒ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  ａｎｄ／ｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」と題された米国特許出願第第１２／６０３，２４３号明細書に開示されている。上記特許出願の開示は、全体として本明細書に組み込まれる。吸着剤（例えば、ＭＯＦ／ＺＩＦ／ゼオライト／カーボン）が充填されたチューブを含有する吸着床（１１０）が提供される。吸着床は、廃熱（１２０）または冷水（１３０）の供給を導入するように適応される。吸着ストロークの間、吸着床に冷水の供給を提供し、そして吸着剤はより低い温度、Ｔ３およびより低い圧力、Ｐ２で作動流体（例えばＣＯ２）を吸着する。次いで、弁を閉めて冷水供給を止め、次いで、吸着床に廃熱の供給を行い、吸着床をＴ１（＞Ｔ２）まで加熱し、吸着した作動流体を放出する。加熱によって、放出された作動流体の圧力Ｐ１（＞Ｐ２）が上昇する。したがって、吸着剤は圧縮剤として作用し、そしてサイクルを推進するために従来のデバイス、例えばポンプは必要とされない。
【００３２】
加圧した作動流体をターボエキスパンダー（１４０）に導入し、電気を発生することができる。ターボエキスパンダーの下流で、作動流体はより低い圧力、Ｐ２およびより低い温度、Ｔ２である。熱力学条件は、作動流体が少なくとも部分的に凝縮された相にあるものである。ターボエキスパンダーを出た後、凝縮された作動流体を蒸発器（１５０）に供給し、所与の精製所のプロセスの流れを冷却する。これによって、次に、Ｔ３まで作動流体の温度を上昇する。作動流体を再び吸着床に導入し、そしてプロセスを繰り返す。
【００３３】
図１に示される吸着システムに第２の吸着床（１６０）を備え、また廃熱（１７０）または冷水（１８０）の供給を導入するように適応される。２つの吸着床を平行にすることによって、他の吸着床は脱着モードにある間、１つの吸着床が再生する（吸着ストローク）。吸着システムに関する他の詳細については、参照によって全体として本明細書に組み込まれる米国特許出願第１２／６０３，２４３号明細書に見ることができる。
【００３４】
しかしながら、従来のデザインは、ある種の短所を有する。例えば、吸着剤の間接的な加熱および冷却によって、より低速の熱伝達率およびより長い温度スイングサイクル時間がもたらされる。結果的に、このデザインは、より大きい床および／または複数の床を必要とし、吸着システムの費用および基礎構造設置面積を増加させる。その上、そのような従来技術のシステムは、下級廃熱、すなわち３００°Ｆ未満の温度の使用には無効である可能性があり、そして／または法外な費用となる可能性がある。
【００３５】
開示される対象の一態様は、従来の吸着床の代替物に関する。特に、加圧した作動流体を生じるため、少なくとも１つの中空繊維を含んでなる繊維吸着システムおよび方法が提供される。中空繊維は、熱流体および作動流体に対して一般に不浸透性であって、熱流体の供給を受け取るために適応されるチャネルを規定する、内部コーティングから構成されることが可能である。中空繊維はまた、作動流体に対して一般に耐性を有さない外部表面を含み、外部表面と内部コーティングとの間にチャンバーを規定する。吸着剤材料は、内部コーティングと外部表面との間でチャンバー内に含有される。この構成において、作動流体の供給は繊維の外部表面に導入され、そして熱流体、例えば加熱流体はチャネルに導入され、吸着剤材料から加圧した作動流体を得る。
【００３６】
あるいは開示される対象は、加圧した作動流体を生じさせるため、中空繊維が作動流体の透過に対する耐性を有さず、そして作動流体の供給を受け取るために適応されるチャネルを規定する内部表面から構成される繊維吸着システムおよび方法を提供する。中空繊維はまた、熱流体（例えば加熱流体）および作動流体に対して一般に不浸透性である外部コーティングを含み、外部コーティングと内部表面との間にチャンバーを規定する。吸着剤材料は、内部表面と外部コーティングとの間でチャンバー内に含有される。この構成において、作動流体の供給は繊維の内部チャネルに導入され、そして熱流体はチャンバーの外部表面に導入され、吸着剤材料から加圧した作動流体を得る。
【００３７】
開示される対象のシステムおよび方法は、ＣＯ２などの作動流体に関して選択された、ＭＰＦ／ＺＩＦ／ゼオライトなどの吸着剤の吸着特性を利用する。これらの吸着関係の略図を図２に例示する。特に温度の増加によって、ＣＯ２吸収量が減少する。さらに圧力の増加によって、ＣＯ２吸収量が減少する。
【００３８】
限定ではなく、例示の目的のため、ここで、本発明のいくつかの代表的な実施形態を参照する。
【００３９】
図３は、本発明の態様による吸着剤システムで使用される、コーティングされてない繊維１０を開示する。繊維１０は、吸着剤１１および結合剤１２を含む。本発明の態様によれば、繊維１０は、吸着剤１１と、作動流体の吸着および脱着の能力および速度が熱流体の存在によって影響を受けない結合剤１２とから製造される。そのような配列によって、繊維１０は作動流体および熱流体の両方に浸透性であり、そして熱流体は繊維表面を湿潤させない。適切な吸着剤については、後でさらに詳しく説明される。結合剤１２または結合試薬は、無機材料（限定されないが、粘土およびシリカ樹脂を含む）であっても、またはポリマー材料（限定されないが、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルアルコールおよびセルロース誘導体を含む）であってもよい。他の結合剤材料は、十分に本発明の範囲内であることが考えられるが、ただし、そのような結合剤材料は、吸着剤１１における作動流体の吸着および脱着の能力および速度に悪影響を及ぼさない。
【００４０】
繊維１０を利用する本発明の態様によると、吸着システムは、容器（例えば吸着床１１０および１６０）内に収納されるか、別の方法で含有される複数の繊維１０を含む。作動流体および熱流体は、容器内で混合可能である。本発明を図１に例示されるシステム１０００と関連して説明するが、本発明はそのように限定されるように意図されない。むしろ、作動流体および熱流体の混合を可能にするあらゆる吸着システムにおいて、繊維１０を利用してもよいと考えられる。
【００４１】
図４は、本発明の態様による吸着剤システムで使用される、コーティングされた繊維２０を開示する。繊維２０は、吸着剤２１、結合剤２２および外部コーティング２３を含む。外部コーティング２３は、作動流体に対しては浸透性であるが、熱流体に対しては不浸透性である。そのような配列で、吸着剤２１および結合剤２２の選択は、作動流体の吸着および脱着の能力および速度が熱流体の存在によって影響を受けない材料に限定されない。
【００４２】
外部コーティング２３は、好ましくは有機金属化合物である。有機金属化合物の金属成分は、第１族〜第１８族を有するＩＵＰＡＣ周期表に基づく第４族〜第１５族からのものであり、好ましくは第１４族、より好ましくはケイ素およびスズ、特にケイ素である。有機金属化合物の有機成分は、１〜３０個の炭素原子、好ましくは１〜２０個の炭素原子、より好ましくは１〜１０個の炭素原子を有するヒドロカルビル基である。ヒドロカルビル基は、脂肪族または芳香族基であってもよく、脂肪族または芳香族基は、酸素、ハロゲン、ヒドロキシなどの官能基によって置換されてもよい。好ましいヒドロカルビル基には、メチル、エチル、メトキシ、エトキシおよびフェニルが含まれる。好ましい有機金属化合物には、アルコキシシラン、シラン、シラザンおよびフェニルシロキサンが含まれる。特に好ましい化合物には、１〜４個のアルコキシ基を有するアルコキシシラン、特にテトラエトキシ−シランなどのテトラアルコキシ化合物、１〜６個のアルコキシ基を有するジアルコキシシラン、特にヘキサメチルジ−シロキサンが含まれる。
【００４３】
繊維２０上の有機金属材料の外部コーティング２３は、９０度より高く、好ましくは１１０度より高い、高い水接触角を有するべきである。外部コーティング２３は、繊維２０の全外部表面を被覆しなくてもよい。本発明によれば、外部コーティング２３は、繊維２０の外部表面の２５％より広くから表面の１００％まで、好ましくは５０〜１００％、より好ましくは８０〜１００％を被覆するべきである。被覆される外部表面の量は、最も好ましくは１００％であるか、または可能な限り１００％に近い。
【００４４】
繊維２０を利用する本発明の態様によると、吸着システムは、容器（例えば吸着床１１０および１６０）内に収納されるか、別の方法で含有される複数の繊維２０を含む。作動流体および熱流体は、容器内で混合可能である。外部コーティング２３は、熱流体が、繊維２０を通って、繊維２０の内部に、吸着剤２１および結合剤２２まで至ることを防ぐ。本発明を図１に例示されるシステム１０００と関連して説明するが、本発明はそのように限定されるように意図されない。むしろ、作動流体および熱流体の混合を可能にし、繊維２０への熱流体の通過を防ぐあらゆる吸着システムにおいて、繊維２０を利用してもよいと考えられる。
【００４５】
図５に、本発明の態様による吸着剤システムで使用するための中空繊維３０を開示する。中空繊維３０は、吸着剤３１、結合剤３２および内部コーティング３３を含む。中空繊維３０は、繊維３０の長さを延長する中空内部３４を含有する。中空内部３４は、熱流体がその中の流れることを可能にするように構成される。内部コーティング３３は、吸着剤３１および結合剤３２から中空内部３４を分離する。内部のコーティング３３は、作動流体および熱流体に対して不浸透性である。そのような配列で、吸着剤３１および結合剤３２の選択は、作動流体の吸着および脱着の能力および速度が熱流体の存在によって影響を受けない材料に限定されない。熱流体は、中空内部３４から繊維３０の内部まで通過しない。作動流体は、繊維３０の外部を通して吸着剤に吸着される。
【００４６】
内部コーティング３３は、例えば、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（塩化ビニリデン）、ポリ（フッ化ビニル）、ポリ（フッ化ビニリデン）、エチレンビニルアルコールコポリマー、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリエチレン（好ましくは高密度）、ポリプロピレン（好ましくは高密度）、ポリエステル、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン、ポリウレタンなど、それらの組み合わせおよび誘導体であることが可能である。
【００４７】
繊維３０を利用する本発明の態様によると、吸着システムは、容器（例えば吸着床１１０および１６０）内に収納されるか、別の方法で含有される複数の繊維３０を含む。熱流体は、繊維３０の中空内部３４中を流れる。熱流体は、吸着剤３１への作動流体の吸着および脱着を可能にするために必要な熱伝達を提供する。作動流体は、熱流体と混合することなく、繊維３０から容器の内部へと通過することが可能である。本発明を図１に例示されるシステム１０００と関連して説明するが、本発明はそのように限定されるように意図されない。むしろ、作動流体および熱流体の混合を防ぐあらゆる吸着システムにおいて、繊維３０を利用してもよいと考えられる。
【００４８】
図６に、本発明の態様による吸着剤システムで使用するための中空繊維４０を開示する。中空繊維４０は、吸着剤４１、結合剤４２および外部コーティング４３を含む。中空繊維４０は、繊維４０の長さを延長する中空内部４４を含有する。中空内部４４は、作動流体がその中の流れることを可能にするように構成される。作動流体は、中空内部４４から吸着剤４１および結合剤４２へと通過することができる。外部コーティング４３は、作動流体および熱流体に対して不浸透性である。そのような配列で、吸着剤４１および結合剤４２の選択は、作動流体の吸着および脱着の能力および速度が熱流体の存在によって影響を受けない材料に限定されない。熱流体は繊維４０まで通過しない。
【００４９】
外部コーティング４３は、例えば、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（塩化ビニリデン）、ポリ（フッ化ビニル）、ポリ（フッ化ビニリデン）、エチレンビニルアルコールコポリマー、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリエチレン（好ましくは高密度）、ポリプロピレン（好ましくは高密度）、ポリエステル、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン、ポリウレタンなど、それらの組み合わせおよび誘導体であることが可能である。
【００５０】
図７は、少なくとも１つの中空繊維５０が、その中に吸着剤を含有して提供される繊維吸着システムの代表的な実施形態を示す。しかしながら、一般に、吸着システムは、容器内に収納されるか、別の方法で含有される複数の繊維を含む。この非限定的な実施形態において、蒸気（加熱流体）および水（冷却流体）を受け取るために、チャネル５１が適応される。チャネル５１は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などの不浸透性の内部コーティング５２によって規定される。チャンバー５３は、内部コーティング５１と外部コーティング５４との間に規定され、そしてゼオライト１３Ｘまたはアミンが接着されたメソポーラスシリカなどの吸着剤粒子５５が充填される。このチャンバーには、中空繊維の構造的完全性を保持するために、ポリマー支持材料５６も含まれる。
【００５１】
中空繊維５６は、管構造に形成することができ、そしてその間にチャンバー５３を規定する内部コーティング５１および外部コーティング５４を含むことができる。好ましい実施形態において、チャンバー５３は、内部および外部コーティングと同一の広がりを有する長さに沿って延長し、吸着剤材料（例えばゼオライト１３Ｘ）を含有する。これによって、チャンバー内に配置可能な吸着剤材料の量が最大化される。好ましくは、吸着剤材料は、中空繊維の長さに沿って、均一な濃度または密度でチャンバー内に配置される。内部コーティングは、各中空繊維内でチャネルまたはボアを規定する。チャネルは中空繊維の全長を延長し、内部コーティングとの直接接触のための供給流体を受け取るために適応される。中空繊維吸着システムの実施形態に応じて、以下にさらに説明されるように、チャネル内で受け取られた流体は、作動流体または熱流体（例えば加熱／冷却流体）であることも可能である。
【００５２】
一実施形態において、内部コーティングは熱流体に対して一般に不浸透性であり、そして作動流体に対して一般に浸透性である外部コーティングが外部コーティングと内部コーティングとの間にチャンバーを規定する。この構成において、吸着剤材料から加圧した作動流体を得るために、作動流体の供給は、外部コーティングの外部表面に導入され、そして熱流体（例えば加熱流体）は、チャネル内で導入される。あるいは内部コーティングは、作動流体に対して一般に浸透性であることが可能であり、そして外部コーティングは、熱流体に対して一般に不浸透性であることが可能である。この構成において、吸着剤材料から加圧した作動流体を得るために、作動流体の供給は、繊維の内部チャネル内で導入され、そして熱流体（例えば加熱流体）は、チャンバーの外部表面に導入される。
【００５３】
典型的な実施形態において、約１００ミクロンの内径および１００ミクロンのチャンバー厚の中空繊維である。この構成により、吸着床内での吸着剤の高密度充填が可能となる。このスケールの繊維は、吸着床の温度を数秒で熱い温度から冷たい温度まで変化させることができるという点で有利である。さらに温度スイングのそのような周波数は、吸着システムの大きさおよび設置面積を最小化させる。各中空繊維のチャネルおよびチャンバーは、好ましくは円形の横断面であり、同一中心構成で配向される。例えば、チャネルは実質的に円形であり、そして直径が約５０ミクロン〜約４００ミクロンである。その上、直線チャンバー厚は、約５０〜約４００のミクロンであり得る。
【００５４】
開示される対象の別の態様によれば、シェルおよびチューブ熱交換器と同様に、複数の繊維を束状に配置することができる。複数の繊維を、一般に、平行配列で整列することができる。あるいは複数の繊維を、互いに対してある角度に配向することができる。繊維を互いに接触させて、隣接する繊維の部分と配置することも、繊維の全長にわたって、その間に配置される均一な空間を提供することもできる。作動流体に対する耐性を有する外部表面および熱および作動流体に対して不浸透性である内部コーティングを有する典型的な実施形態において、シェル側は作動流体（例えばＣＯ２）と連絡可能であり、そしてボア側は加熱媒体（例えば蒸気）または冷却媒体と連絡可能である。
【００５５】
好ましい実施形態において、廃熱（例えば下級廃熱）は吸着システムを推進する加熱流体として使用される。開示される対象のいくつかの用途において、化学処理または石油化学精製作業からの廃熱によって加熱がもたらされる。一実施形態において、未利用熱は、約３４３Ｋ〜約５７３Ｋ、またはより好ましくは約３６３Ｋ〜約５２３Ｋに及ぶ。
【００５６】
作動流体は、単純化のため、主にＣＯ２との関係で記載されるが、他の作動流体を使用することができる。一実施形態において、作動流体は気体であって、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アンモニア、クロロフルオロカーボン（例えばＦｒｅｏｎ（商標））、他の冷却剤または他の適切な流体から選択される。同様に、吸着剤材料は主にゼオライト１３Ｘとの関係で記載されるが、それに限定されない。一実施形態において、吸着剤材料は、ゼオライト、シリカゲル、カーボン、活性炭、金属有機フレームワーク（ＭＯＦ）およびゼオライトイミダゾレートフレームワーク（ＺＩＦ）から選択される。一実施形態において、作動流体は二酸化炭素であり、そして／または吸着剤材料はゼオライトである。一実施形態において、作動流体は二酸化炭素であり、そしてゼオライトはゼオライトＸ、好ましくはゼオライト１３Ｘである。
【００５７】
吸着剤材料
上記したように、そして本出願で使用されるように、「吸着剤材料」という用語は、化学的または物理的意味において可逆的に作動流体と結合する材料を指す。吸着剤材料は、吸着剤を含む。
【００５８】
開示される対象の実施形態において使用可能な吸着剤材料としては、限定されないが、金属有機フレームワークベースの（ＭＯＦベースの）吸着剤、ゼオライトイミダゾールフレームワーク（ＺＩＦ）吸着剤材料、ゼオライトおよびカーボンが含まれる。
【００５９】
ＭＯＦベースの吸着剤としては、限定されないが、複数の金属、金属酸化物、金属クラスターまたは金属酸化物クラスター基礎単位を有するＭＯＦベースの吸着剤が含まれる。全体として参照によって本明細書に組み込まれる国際公開第２００７／１１１７３８号パンフレットに開示されるように、金属は、周期表の遷移金属およびベリリウムから選択可能である。典型的な金属としては、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、水銀（Ｈｇ）およびベリリウム（Ｂｅ）が含まれる。金属基礎単位は、有機化合物と結合して、多孔性構造を形成することが可能である。このような、隣接する金属基礎単位と結合する有機化合物としては、１，３，５−ベンゼントリベンゾエート（ＢＴＢ）；１，４−ベンゼンジカルボキシレート（ＢＤＣ）；シクロブチル１，４ベンゼンジカルボキシレート（ＣＢ  ＢＤＣ）；２−アミノ１，４ベンゼンジカルボキシレート（Ｈ２Ｎ  ＢＤＣ）；テトラヒドロピレン２，７−ジカルボキシレート（ＨＰＤＣ）；テルフェニルジカルボキシレート（ＴＰＤＣ）；２，６ナフタレンジカルボキシレート（２，６−ＮＤＣ）；ピレン２，７−ジカルボキシレート（ＰＤＣ）；ビフェニルジカルボキシレート（ＢＤＣ）；またはフェニル化合物を有する任意のジカルボキシレートを挙げることができる。
【００６０】
具体的な材料のＭＯＦベースの吸着剤材料としては、ＭＯＦ−１７７、Ｚｎ４Ｏ（１，３，５−ベンゼントリベンゾエート）２の一般式を有する材料；ＭＯＦ−５、別名ＩＲＭＯＦ−Ｉ、Ｚｎ４Ｏ（１，４−ベンゼンジカルボキシレート）３の一般式を有する材料；ＩＲＭＯＦ−６、Ｚｎ４Ｏ（シクロブチル１，４−ベンゼンジカルボキシレート）の一般式を有する材料；ＩＲＭＯＦ−３、Ｚｎ４Ｏ（２−アミノ１，４ベンゼンジカルボキシレート）３の一般式を有する材料；およびＩＲＭＯＦ−１１、Ｚｎ４Ｏ（テルフェニルジカルボキシレート）３、またはＺｎ４Ｏ（テトラヒドロピレン２，７−ジカルボキシレート）３の一般式を有する材料；およびＩＲＭＯＦ−８、Ｚｎ４Ｏ（２，６ナフタレンジカルボキシレート）３の一般式を有する材料が挙げられる。
【００６１】
典型的なゼオライトイミダゾールフレームワーク（ＺＩＦ）吸着剤材料としては、限定されないが、Ｌｏｓ  ＡｎｇｅｌｅｓのＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａで開発され、そして全体として参考によって本明細書に組み込まれるＮａｔｕｒｅ  ４５３，２０７−２１１（２００８年５月８日）で一般に考察されるＺＩＦ−６８、ＺＩＦ−６０、ＺＩＦ−７０、ＺＩＦ−９５、ＺＩＦ−１００が挙げられる。
【００６２】
ゼオライト吸着剤材料としては、限定されないが、式Ｍ２／ｎＯ．Ａｌ２Ｏ３．ｙＳｉＯ２．ｗＨ２Ｏ（式中、ｙは２以上であり、Ｍは、ナトリウム、カリウム、マグネシウムおよびカルシウムなどの電荷が釣り合う陽イオンであり、Ｎは陽イオン原子価であり、そしてｗはゼオライトの空隙に含まれる水のモルを表す）によって表されるアルミノシリケートが挙げられる。本願の方法およびシステムに含まれることが可能なゼオライトの例には、天然および合成ゼオライトが含まれる。
【００６３】
天然ゼオライトとしては、限定されないが、菱沸石（ＣＡＳ登録番号１２２５１−３２−０；代表式Ｃａ２[（ＡｌＯ２）４（ＳｉＯ２）８］．１３Ｈ２Ｏ）、モルデン沸石（ＣＡＳ登録番号１２１７３−９８−７；代表式Ｎａ８[（ＡｌＯ２）８（ＳｉＯ２）４０]．２４Ｈ２Ｏ）、エリオナイト（ＣＡＳ登録番号１２１５０−４２−８；代表式（Ｃａ，Ｍｇ，Ｎａ２，Ｋ２）４．５[（ＡｌＯ２）９（ＳｉＯ２）２７]．２７Ｈ２Ｏ）、フォージャサイト（ＣＡＳ登録番号１２１７３−２８−３、代表式Ｃａ，Ｍｇ，Ｎａ２，Ｋ２）２９．５[（ＡｌＯ２）５９（ＳｉＯ２）１３３]．２３５Ｈ２Ｏ）、クリノプチロライト（ＣＡＳ登録番号１２３２１−８５−６、代表式Ｎａ６[（ＡｌＯ２）６（ＳｉＯ２）３０]．２４Ｈ２Ｏ）および灰十字フッ石（代表式：（０．５Ｃａ，Ｎａ，Ｋ）３[（ＡｌＯ２）３（ＳｉＯ２）５]．６Ｈ２Ｏ）が挙げられる。
【００６４】
合成ゼオライトとしては、限定されないが、ゼオライトＡ（代表式：Ｎａ１２[（ＡｌＯ２）１２（ＳｉＯ２）１２]．２７Ｈ２Ｏ）、ゼオライトＸ（ＣＡＳ登録番号６８９８９−２３−１；代表式：Ｎａ８６[ＡｌＯ２）８６（ＳｉＯ２）１０６]．２６４Ｈ２Ｏ）、ゼオライトＹ（代表式：Ｎａ５６[（ＡｌＯ２）５６（ＳｉＯ２）１３６]．２５０Ｈ２Ｏ）、ゼオライトＬ（代表式：Ｋ９[（ＡｌＯ２）９（ＳｉＯ２）２７]．２２Ｈ２Ｏ）、ゼオライトオメガ（代表式：Ｎａ６．８ＴＭＡ１．６[ＡｌＯ２）８（ＳｉＯ２）２８]．２１Ｈ２Ｏ（式中、ＴＭＡはテトラメチルアンモニウムである））およびＺＳＭ−５（代表式：（Ｎａ，ＴＰＡ）３[（ＡｌＯ２）３（ＳｉＯ２）９３]．１６Ｈ２Ｏ（式中、ＴＰＡはテトラプロピルアンモニウムである））が挙げられる。
【００６５】
本願の実施形態で使用可能なゼオライトとしては、全体として参考によって本明細書に組み込まれる、Ｋｉｒｋ−ＯｔｈｍｅｒによるＥｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第１６巻、第４版に、「Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｓｉｅｖｅｓ」の見出しで開示されたゼオライトも挙げられる。
【００６６】
合成ゼオライト吸着剤材料は、Ｓｙｌｏｓｉｖ（登録商標）の商標でＷ．Ｒ．Ｇｒａｃｅ  ａｎｄ  Ｃｏ．（Ｃｏｌｕｍｂｉａ，Ｍｄ．）から、およびＣｈｅｎｇｄｕ  Ｂｅｙｏｎｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ（Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）からなど商業的に入手可能である。例えば、Ｓｙｌｏｓｉｖ（登録商標）Ａ１０は、商業的に入手可能なゼオライト１３Ｘ製品の１つである。
【００６７】
本出願の繊維吸着剤システムの使用
本出願の吸着剤システムを様々な用途で使用することができるが、ただし、設定によって、吸着剤材料を含有する容器の存在、作動流体の供給、熱供給、および脱着した作動流体を膨張デバイスに効果的に向け、冷却を提供する手段、または電気または仕事を提供するドライバーデバイスが可能であることを条件とする。例えば、脱着した気体はジュール−トンプソン膨張弁に向けられて、冷却がもたらされる。あるいは脱着した作動流体は、タービンに向けられて電気を提供することもシャフトに向けられて仕事を提供することもできる。本明細書に記載される吸着システムは、冷却、力、および力と組み合わせて冷却を提供するために用いられてもよい。
【００６８】
本出願の吸着システムの可能な用途には、居住用（夏は空気調節、冬はヒートポンプを発生する）、車両用（オンボード空気調節が排気熱を利用するもの）、ならびに産業用（精製および化学プラント）が含まれる。
【００６９】
本出願の好ましい実施形態において、吸着剤システムは化学または石油化学精製プラントで使用され、そして他のプロセス領域、特に混合物の成分を分離するために温度差に依存する領域における補助のための冷却を提供するために、脱着した作動流体が使用される。例えば、排気筒を上昇している燃焼ガスから液化石油ガス（ＬＰＧ、Ｃ３＋）を回収するために冷却を用いることも、特に夏に減圧蒸留カラムの有効性を改善するため、凝縮器を作動するために冷却を用いることもできる。
【００７０】
吸着剤および作動流体の適切な選択によって、この吸着剤システムは、従来技術の吸着システムによって以前に提供されたものよりも、下級熱を効率的に使用することができる。例えば、本出願の一実施形態において、熱供給は、約７０°〜約３００℃、より好ましくは約９０℃〜約２５０℃の温度を有する「未利用熱」である。本発明によると、吸着剤および作動流体は、「Ｓｙｓｔｅｍ  Ｕｓｉｎｇ  Ｕｎｕｔｉｌｉｚｅｄ  Ｈｅａｔ  Ｆｏｒ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  ａｎｄ／ｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」と題された米国特許出願第１２／６０３，２４３号明細書に開示される圧力指数を利用して選択されてもよいと考えられる。上記特許出願の開示は、全体として本明細に組み込まれる。熱流体およびコーティング材料の適切な選択によって、毛管作用の悪影響は最小限にされるべきである。熱流体とコーティングとの間の界面張力を減少するために、熱流体／コーティング材料中で適切な界面活性剤および添加剤を用いることによって、例えば、水に関しては洗剤など、そしてトリエチレングリコールに関してはステアリン酸など。
【００７１】
この代表的な実施形態は例示的な目的のために提供され、本出願も本発明も、上記または本出願の他のいずれかで考察された具体的な実施形態に限定されない。
【００７２】
開示される対象は、本明細書に記載される具体的な実施形態による範囲に限定されない。実際に、本発明の様々な修正形態は、本明細書に記載されるものに加えて、上記の説明および添付の図面から当業者に明らかである。そのような修正形態は、添付の請求項の範囲内に収まるように意図される。
【００７３】
全ての値が近似であり、説明のために提供されることもさらに理解される。
【００７４】
特許、特許出願、刊行物、製品説明およびプロトコルが本出願を通して引用されており、それぞれの開示は、全ての目的のために、全体として参照によって本明細書に組み込まれる。
【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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