(57)【要約】  プロセスガス流から対象ガスを捕捉するための高い容積効率の熱的統合システムは、モノリシック体（１０）および分配システムを含む。モノリシック体（１０）は、各々が可逆的に対象ガスを吸着する収着表面を有する第１の複数のチャネル（２５）および第２の複数のチャネル（３５）を含む。チャネルは、一方の複数のチャネル内の対象ガスの発熱性吸着からの熱が、他方の複数のチャネルからの対象ガスの吸熱性脱着によって使用されるように熱連通する。プロセスガス流から対象ガスを分離するための方法は、第１の状態と第２の状態との間で高い容積効率の熱的統合システムを切り替えることを含む。第１の状態では、第１の複数のチャネル（２５）が脱着を受け、他方で第２の複数のチャネル（３５）が吸着を受ける。第２の状態では、第２の複数のチャネル（３５）が脱着を受け、他方で第１の複数のチャネル（２５）が吸着を受ける。
2014529498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスガス流から対象ガスを捕捉するための高い容積効率の熱的統合システムにおいて、
モノリシック体および分配システムを備え、
前記モノリシック体が、
前記モノリシック体を通り、かつ前記モノリシック体の第１の流れ軸に対して平行の第１の複数の別個のチャネルと、
前記モノリシック体を通り、かつ前記モノリシック体の第２の流れ軸に対して平行の第２の複数の別個のチャネルと、
を備え、
前記第１の複数の別個のチャネルおよび前記第２の複数の別個のチャネルが、前記第１の複数の別個のチャネルの個々のチャネルが前記第２の複数の別個のチャネルの個々のチャネルと熱連通するように配置され、
前記第１の複数の別個のチャネルが、前記第２の複数の別個のチャネルのいずれとも流体連通せず、
前記第１の複数の別個のチャネルの第１の仕切り壁および前記第２の複数の別個のチャネルの第２の仕切り壁が、前記プロセスガス流から前記対象ガスを可逆的に吸着する収着剤材料の収着剤表面を備え、
前記高い容積効率の熱的統合システムが、前記分配システムがプロセスガス流を前記第２の複数の別個のチャネルに、かつパージ流を前記第１の複数の別個のチャネルに同時に供給する第１の状態と、前記分配システムが前記プロセスガス流を前記第２の複数の別個のチャネルに、かつ前記パージ流を前記第１の複数の別個のチャネルに同時に供給する第２の状態との間で切り替わることを特徴とする高い容積効率の熱的統合システム。
【請求項２】
前記第１の流れ軸が前記第２の流れ軸に対して直角であることを特徴とする、請求項１に記載の高い容積効率の熱的統合システム。
【請求項３】
前記高い容積効率の熱的統合システムが静的システムであるように、前記分配システムが、前記高い容積効率の熱的統合システムを前記第１の状態から前記第２の状態にまたは前記第２の状態から前記第１の状態に切り替える切替可能な弁を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の高い容積効率の熱的統合システム。
【請求項４】
前記高い容積効率の熱的統合システムが動的システムであり、かつ前記回転軸を中心とする前記モノリシック体の回転によって前記高い容積効率の熱的統合システムを前記第１の状態から前記第２の状態にまたは前記第２の状態から前記第１の状態に切り替えるように、前記第１の流れ軸および前記第２の流れ軸に対して直角の回転軸を中心に前記モノリシック体を回転させる回転機構をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の高い容積効率の熱的統合システム。
【請求項５】
前記対象ガスが二酸化炭素および硫化水素から成る群から選択され、
前記収着剤材料が、ゼオライト、ゼオライトイマダゾールフレームワーク、金属製の有機フレームワーク、炭素、メソ細孔性アルミナ、メソ細孔性シリカ、それらのアミン官能化変形体、それらのアミノ基官能化変形体、およびそれらの組合せから成る群から選択されることを特徴とする、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の高い容積効率の熱的統合システム。
【発明の詳細な説明】
【優先権】
【０００１】
本出願は、米国法典第３５編第１２０条の下で、２０１１年８月２４日に出願された米国特許出願第１３／２１６６７９号明細書の優先権の利益を主張し、その内容は依拠されかつその全体は参照により本出願に組み込まれている。
【技術分野】
【０００２】
本明細書は、概して、プロセスガス流から対象ガスを捕捉するためのシステムおよび方法、より具体的には、対象ガスを熱的に統合して同時に吸着および脱着するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
対象ガスに加えて１つまたは複数のガスを含むプロセスガス流から対象ガスを捕捉することは、いくつかの方法で達成することができる。例えば、対象ガスの捕捉は、最初に収着剤材料の上に対象ガスを吸着することを含み得る。収着剤材料が飽和したとき、対象ガスは、収着剤材料から脱着することができ、これによって、さらに使用するために収着剤材料を再生する。吸着は発熱性（すなわち、エネルギー解放）のプロセスであり、これに対し、脱着は吸熱性（すなわち、エネルギー吸収）プロセスである。したがって、吸着プロセスは、低温が維持されるときに良好に応答し、これに対し、脱着プロセスは温度上昇において良好に応答する。任意のシステムの熱的最適化は、吸着および脱着プロセスの両方が同一のシステム内で行われる場合、困難となり得る。
【０００４】
対象ガスの吸着および脱着を含む複雑なシステムは、発熱性吸着プロセス中に生成された熱を取り去る熱交換器を含んでもよい。次に、吸着された対象ガスを解放するために、化学的ポテンシャルは、吸着剤温度を上昇（温度スイング調整すなわちＴＳＡ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ））させることによって、あるいは周囲雰囲気内の対象ガスの分圧を低減（圧力スイング調整すなわちＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ））することによって生成し得る。吸熱性脱着プロセス中に、例えばＴＳＡプロセスで、エネルギーを熱交換器に通して吸着材料に供給してもよく、あるいは外部の熱源がない場合は、例えばＰＳＡプロセスでシステム全体の温度が低下し得る。
【０００５】
熱交換器の製作は、いくつか製造上の問題を提示し、熱交換器を含む関連のプロセスはエネルギー集中的である。例えば、モノリスベースのシステムでは、熱交換器の流体が吸着剤層から隔離されるように、選択したチャネル壁部を不透過性にすることが可能である。このような構造では、あるチャネルを冷却剤のみの専用とすることによって効率が低下する。さらに、冷却剤流体を圧送し、吸着中に熱を抽出するために、ならびに脱着中に熱を提供するために外部エネルギーが必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、プロセスガス流から対象ガスを捕捉するための代替システムおよび方法の必要性が依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
様々な実施形態によれば、プロセスガス流から対象ガスを捕捉するための高い容積効率の熱的統合システムが提供される。高い容積効率の熱的統合システムは、モノリシック体および分配システムを含んでもよい。モノリシック体は、モノリシック体を通る第１の複数の別個のチャネルと、モノリシック体を通る第２の複数の別個のチャネルとを含んでもよい。第１の複数の別個のチャネルおよび第２の複数の別個のチャネルは、第１の複数の別個のチャネルの個々のチャネルが第２の複数の別個のチャネルの個々のチャネルと熱連通するように配置される。第１の複数の別個のチャネルの第１の仕切り壁および第２の複数の別個のチャネルの第２の仕切り壁は、プロセスガス流から対象ガスを可逆的に吸着する収着剤材料の収着剤表面を備える。分配システムは、プロセスガス源からプロセスガス流を、かつパージ源からパージ流をモノリシック体に供給する。分配システムの作用によって、高い容積効率の熱的統合システムは、第１の状態と第２の状態との間で切り替わる。第１の状態では、分配システムは、プロセスガス流を第２の複数の別個のチャネルに、かつパージ流を第１の複数の別個のチャネルに同時に供給する。第２の状態では、分配システムは、プロセスガス流を第２の複数の別個のチャネルに、かつパージ流を第１の複数の別個のチャネルに同時に供給する。
【０００８】
別の実施形態によれば、プロセスガス流から対象ガスを分離するための方法は、モノリシック体を有する高い容積効率の熱的統合システムを使用することを含む。本方法は、準備段階を含んでもよく、この場合、プロセスガス流は、第１の複数の別個のチャネルの収着剤表面内に対象ガスが吸着するように、モノリシック体の第１の複数の別個のチャネルに導入される。その後、熱的に統合された第１のステージを実行してもよく、第１のステージは、次の３つの同時のプロセス、すなわち、（ｉ）第２の複数の別個のチャネルの収着剤表面内に発熱的に対象ガスが吸着するように、モノリシック体の第２の複数の別個のチャネルを通してプロセスガス流を流すプロセス、（ｉｉ）第１の複数の別個のチャネルの収着剤表面から吸熱的に対象ガスが脱着して、流動パージ流に入るように、流動パージ流で第１の複数の別個のチャネルをパージするプロセス、（ｉｉｉ）第２の複数の別個のチャネルからプロセスガス排気を、第１の複数の別個のチャネルからパージ排気を排出するプロセスを含む。
【０００９】
本明細書に記載した実施形態の追加の特徴および利点について、次の詳細な説明で説明するが、部分的に、当該の説明から当業者には容易に明らかであるか、あるいは以下の詳細な説明、特許請求の範囲ならびに添付図面を含む本明細書に記載した実施形態を実施することによって認識されるであろう。
【００１０】
上記の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、様々な実施形態を説明しており、また請求する主題の性質および特質を理解するための概要または枠組みを提供するように意図されることを理解すべきである。添付図面は、様々な実施形態のさらなる理解を提供するために意図され、本明細書に組み込まれかつ本明細書の一部を構成する。図面は、本明細書に記載した様々な実施形態を例示し、説明と共に、請求する主題の原理および実施の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本明細書に記載した実施形態による高い容積効率の熱的統合システムの構成要素として適切なモノリシック体の斜視図である。
【図２】本明細書に記載した１つまたは複数の実施形態による高い容積効率の熱的統合システムに使用するための円筒状のモノリシック体の頂面図である。
【図３】図１のモノリシック体の断面図である。
【図４】本明細書に記載した実施形態による、静的システムとして構成された高い容積効率の熱的統合システムの概略図である。
【図５Ａ】本明細書に記載した１つまたは複数の実施形態による、回転可能なモノリシック体を有する動的システムとして構成された高い容積効率の熱的統合システムの概略図である。
【図５Ｂ】モノリシック体が回転される第１の状態から第２の状態への切替操作中の図５Ａの動的システムの概略図である。
【図６】熱的統合システムの連続サイクルのシミュレートしたＣＯ２吸着データのグラフ図であり、本明細書に記載した１つまたは複数の実施形態による高い容積効率の熱的統合システムのグラフ図と同様である。
【図７】図６のデータとの比較の基礎としての本発明によらない非統合システムのシミュレートしたデータのグラフ図である。
【図８】熱的統合システムの連続サイクルの熱管理データのグラフ図であり、本明細書に記載した１つまたは複数の実施形態による高い容積効率の熱的統合システムのグラフ図と同様である。
【図９】図８のデータとの比較の基礎としての本発明によらない非統合システムのシミュレートしたデータのグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、プロセスガス流から対象ガスを捕捉するための高い容積効率の熱的統合システムおよび方法の実施形態を詳細に参照する。システムおよび方法は、添付図面に示されている。可能な限り常に、同一または同様の部分を指すために、同一の参照番号が図面全体にわたって使用される。図１は、プロセスガス流から対象ガスを除去するための高い容積効率の熱的統合システムに使用するためのモノリシック体の一実施形態を概略的に示している。モノリシック体は、一般に、モノリシック体を通り、かつモノリシック体の第１の流れ軸に対して平行の第１の複数の別個のチャネルと、モノリシック体を通り、かつモノリシック体の第２の流れ軸に対して平行の第２の複数の別個のチャネルとを含む。チャネルの仕切り壁は、プロセスガス流から対象ガスを吸着するための収着剤表面を含む。モノリシック体は、分配システムに結合して、高い容積効率の熱的統合システムを形成することができ、高い容積効率の熱的統合システムは、分配システムがプロセスガス流を第２の複数の別個のチャネルに、かつパージ流を第１の複数の別個のチャネルに同時に供給する第１の状態と、分配システムがプロセスガス流を第２の複数の別個のチャネルに、かつパージ流を第１の複数の別個のチャネルに同時に供給する第２の状態との間で切り替わる。高い容積効率の熱的統合システム、およびプロセスガス流から対象ガスを除去するために当該システムを使用するための方法について、特に添付図面を参照してさらに本明細書で説明する。
【００１３】
一実施形態によるモノリシック体１０が図１に示されている。図１のモノリシック体１０は、４つの積層モノリス２０ａ、２０ｂ、３０ａ、３０ｂを備える。４つの積層モノリス２０ａ、２０ｂ、３０ａ、３０ｂは、２つの第１のモノリス２０ａ、２０ｂおよび２つの第２のモノリス３０ａ、３０ｂを含む。第１の複数の別個のチャネル２５は、２つの第１のモノリス２０ａ、２０ｂを通して延び、このように、モノリシック体１０の反対側端部に開口部を有するモノリシック体１０を通して同様に延びる。図１に示したモノリシック体１０では、第１の複数の別個のチャネル２５の個々のチャネルは、互いにかつモノリシック体１０の第１の流れ軸ｘに対して平行である。第２の複数の別個のチャネル３５は、２つの第２のモノリス３０ａ、３０ｂを通して延び、このように、モノリシック体１０の反対側端部に開口部を有するモノリシック体１０を通して同様に延びる。４つの積層モノリス２０ａ、２０ｂ、３０ａ、３０ｂを有するモノリシック体１０が示されているが、１つのみのモノリス、または任意の数、例えば２よりも多い、１０よりも多い、５０よりも多い、１００よりも多い、または１０００よりも多い積層モノリスが存在できるであろうことが理解されるであろう。
【００１４】
図１に示したモノリシック体１０の実施形態では、第１の複数の別個のチャネル３５の個々のチャネルは、互いにかつモノリシック体１０の第２の流れ軸ｙに対して平行である。第１の複数の別個のチャネル２５の個々のチャネルのなにものも、第２の複数の別個のチャネル３５の個々のチャネルのいずれとも流体連通しない。第１の流れ軸ｘおよび第２の流れ軸ｙは、モノリシック体１０のそれぞれの対称軸に対応するかまたは平行でもよく、あるいはそうでなくてもよいことを理解すべきであり、むしろ、第１の流れ軸ｘおよび第２の流れ軸ｙは、モノリシック体１０を通した基準線を示し、この基準線に対して平行に、別個のチャネルの流路が配置される。
【００１５】
以下により詳細に説明するように、図１に示したモノリシック体１０は、様々な高い容積効率の熱的統合システムに組み込むことができ、かつプロセスガス流から対象ガスを捕捉するための方法に使用することもできる。高い容積効率の熱的統合システムは、例えば、静的システムとしてまたは動的システムとして構成してもよい。動的システムおよびこれらのシステムを使用するための方法は、モノリシック体１０を回転させることを含んでもよい。このように、あるシステム構成において、モノリシック体１０は、回転軸ｚを中心に回転対称であることが望ましい場合があり、この結果、モノリシック体が９０°または１８０°の増分で回転軸ｚを中心に回転されるとき、例えば、モノリシック体１０の面または表面は動的システムの他の構成要素と整列する。図１のモノリシック体は、回転軸ｚの周りに９０°の増分で回転対称であるが、モノリシック体は、第１の流れ軸ｘおよび第２の流れ軸ｙに沿って同一の寸法を有する必要がないことを理解すべきである。
【００１６】
代替実施形態によるモノリシック体が図２に示されている。この実施形態では、モノリシック体は円筒状である。円筒状モノリシック体１１は、単一の円筒状モノリス、または円筒状モノリスのチャネルが整列されるように端から端に積層された複数の円筒状モノリスを備えてもよい。第１の複数の別個のチャネル２５は、円筒状モノリシック体１１の内側チャネルリングから成る。第１の複数の別個のチャネル２５は、円筒状モノリシック体１１の反対側端部に開口部を有する円筒状モノリシック体１１を通して延びる。第１の複数の別個のチャネル２５の個々のチャネルは、第１の仕切り壁２２（この内の１つのみが図２に示されている）によって互いに分離される。第２の複数の別個のチャネル３５は、円筒状モノリシック体の外側チャネルリングから成る。第２の複数の別個のチャネル３５は、円筒状モノリシック体１１の反対側端部に開口部を有する円筒状モノリシック体１１を通して延びる。第２の複数の別個のチャネル３５の個々のチャネルは、第２の仕切り壁３２（この内の１つのみが図２に示されている）によって互いに分離される。第１の複数の別個のチャネル２５の個々のチャネルは、分離壁４０（この内の１つのみが図２に示されている）によって第２の複数の別個のチャネル３５の個々のチャネルから分離される。したがって、分離壁４０を通して第１の複数の別個のチャネル２５および第２の複数の別個のチャネル３５の間の直接の熱連通を確立してもよい。本明細書に使用する直接の熱連通とは、熱の伝達が、追加の媒体、例えば空隙、冷却チャネル、または第１の本体と第２の本体との間に間挿された冷却流体を通した熱の通過なしに、第１の複数の別個のチャネル２５の中実部分と第２の複数の別個のチャネル３５の対応する中実部分との間で直接行われることを意味する。
【００１７】
図２に示した円筒状モノリシック体１１では、第１の複数の別個のチャネル２５の個々のチャネルは、互いにかつ円筒状モノリシック体１１の第１の流れ軸ｘに対して平行である。第２の複数の別個のチャネル３５の個々のチャネルは、互いにかつ円筒状モノリシック体１１の第２の流れ軸ｙに対して平行である。したがって、円筒状モノリシック体１１の第１の流れ軸ｘおよび第２の流れ軸ｙは同一であり、このように、第１の複数の別個のチャネルおよび第２の複数の別個のチャネルの個々のチャネルは、すべてが互いに平行であるそれぞれの流路を画定する。しかし、第１の複数の別個のチャネル２５の個々のチャネルのいずれも、第２の複数の別個のチャネル３５の個々のチャネルのいずれとも流体連通しない。第１の複数の別個のチャネルのそれぞれの流路が、任意の時点において、第２の複数の別個のチャネルのそれぞれの流路に対して平行であるとき、別個のチャネルを通したガス流は、所望のように、並流構成（すなわち、すべての別個のチャネルについて同一方向）であっても向流構成（すなわち、第１の複数の別個のチャネル内の流れが第２の複数の別個のチャネル内の流れと反対）であってもよい。
【００１８】
図１のモノリシック体１０と同様に、図２に示した円筒状モノリシック体１１はまた、プロセスガス流から対象ガスを捕捉するための様々な高い容積効率の熱的統合システムおよび方法に組み込んでもよい。円筒状モノリシック体１１は、回転軸ｚを中心とする円筒状モノリシック体１１の１８０°の回転に対して対称であることを指摘する。このように、円筒状モノリシック体１１は、以下により詳細に記載する静的システムおよび動的なシステムの両方に使用するために適切であり得る。
【００１９】
図１および図２は、モノリシック体の２つの実施形態示しているが、他の形状およびサイズのモノリスを使用して、第１の複数の別個のチャネルと、第１の複数の別個のチャネルと直接熱連通するが、流体連通しない第２の複数の別個のチャネルとを有するモノリシック体を構成することができることを理解すべきである。さらに、モノリシック体の個々のチャネルの断面形状は、図１および図２に示した断面形状に決して限定されない。むしろ、モノリシック体の個々のチャネルは、長方形、正方形、円、卵形、六角形、三角形、３辺〜２０辺を有する任意の規則的または不規則な多角形、およびそれらの組合せを限定なしに含む任意の望ましい断面を有することができる。好ましくは、個々のチャネルの断面は、個々のチャネルの流れ方向に対して直角方向にスライスしたモノリシック体の断面積に対する個々のチャネルの断面積の比率を最大にするように選択される。このように、例えば１つまたは複数の種類の幾何学的に構成されたチャネルの碁盤目のような多数の空間充填オプションが可能であることを容易に理解すべきである。別の例として、六角形の個々のチャネルの碁盤目状の構造が、図１および図２に示した構造に加えて適切である。
【００２０】
モノリシック体の形状およびモノリシック体の個々のチャネルの構造にもかかわらず、モノリシック体の全体は、例えば、ガラス、セラミック、非酸化物セラミック（例えば、炭化物、シトリド）、炭素、合金、金属、ポリマー、複合材、およびそれらの混合物を含む任意の適切な材料から製造された１つまたは複数のモノリスから構成することができる。一般に、材料は、モノリシック体に形成された第１の複数の別個のチャネルの個々のチャネルと第２の複数の別個のチャネルの個々のチャネルとの間の流体連通を可能にするために、モノリシック体またはその部分の任意の量の多孔率が不十分であることを前提として、非多孔質であっても多孔質であってもよい。好ましくは、モノリシック体またはその部分は、１つまたは複数の第１の群のチャネル間の熱連通効率を高める著しく熱伝導性の材料から製造され、この場合、発熱性反応が１つまたは複数の第２の群のチャネルで行われるのと同時に吸熱反応が行われる。
【００２１】
図３を参照すると、プロセスガス流から対象ガスを捕捉するための高い容積効率の熱的統合システムおよび方法の追加の詳細を示すために、図１に示したモノリシック体１０の断面が設けられる。図１および図３に示したように、４つの積層モノリス２０ａ、３０ａ、２０ｂ、３０ｂは、共にモノリシック体１０を構成する。第１のモノリス２０ａの別個のチャネル２５ａ、２５ｂおよび第１のモノリス２０ｂの別個のチャネル２５ｃ、２５ｄのすべては、図３に水平に配向されている第１の流れ軸ｘ（図１参照）に沿って流路を画定する。第２のモノリス３０ａの別個のチャネル３５ａ、３５ｂおよび第２のモノリス３０ｂの別個のチャネル３５ｃ、３５ｄのすべては、図３の平面に延びる流路を画定する（すなわち、図１の第２の流れ軸ｙに沿って）。第１の仕切り壁２２は、２つの第１のモノリス２０ａ、２０ｂの個々の別個のチャネル２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄを分離する。第２の仕切り壁３２は、２つの第２のモノリス３０ａ、３０ｂの個々の別個のチャネル３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄを分離する。図１および図３のモノリシック体１０の別個のチャネルは、特定の配向で示され、互いに直角であるが、これらの配向が例示目的に過ぎず、限定的でないことを理解すべきである。
【００２２】
図１および図３を参照すると、モノリシック体１０は、モノリシック体１０を通して第１の複数の別個のチャネルを備える。第１の複数の別個のチャネルは、第１のモノリス２０ａの別個のチャネル２５ａ、２５ｂと、第１のモノリス２０ｂの別個のチャネル２５ｃ、２５ｄを含む。さらに、モノリシック体１０は、モノリシック体１０を通して第２の複数の別個のチャネルを備える。第２の複数の別個のチャネルは、第２のモノリス３０ａの別個のチャネル３５ａ、３５ｂと、第２のモノリス３０ｂの別個のチャネル３５ｃ、３５ｄを含む。第１の複数の別個のチャネル２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの個々のチャネルは、第２の複数の別個のチャネル３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄの個々のチャネルのいずれとも流体連通しない。
【００２３】
第１の複数の別個のチャネル２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄおよび第２の複数の別個のチャネル３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄは、第１の複数の別個のチャネル２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの個々のチャネルが、第２の複数の別個のチャネル３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄの個々のチャネルと直接熱連通するように配置してもよい。直接の熱連通の例示的な実施形態が、チャネル２５ｂとチャネル３５ａとの間に、チャネル２５ｃとチャネル３５ｂとの間に、およびチャネル２５ｄとチャネル３５ｃとの間に両頭矢印で図３に示されており、チャネル間の可能な熱流方向を示している。これらのチャネルの間の熱連通は、熱が、中実の対象物を通過することによって、第１の複数の別個のチャネル２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄに属するチャネルから、第２の複数の別個のチャネル３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに属する１つまたは複数のチャネル帰属内に伝達するという点で、直接の熱連通であることができる。このような実施形態では、熱は、追加の媒体、例えば空隙、冷却チャネル、またはチャネル間に間挿された冷却流体を通過することなく、第１の仕切り壁２２および第２の仕切り壁３２のみを通して伝達する。当然、図３に示した直接の熱連通経路が、直接の熱連通を示す唯一の可能な経路ではないことが理解されるであろう。むしろ、直接の熱連通経路は、一方の複数の別個のチャネルの発熱性プロセスによって遊離された熱および他方の複数の別個のチャネルの吸熱性プロセスによって吸収された熱を使用して、本明細書に記載した高い容積効率の熱的統合システムの効率を相乗的に高めることができる機構を示している。
【００２４】
図３を参照すると、第１の複数の別個のチャネル２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの第１の仕切り壁２２、および第２の複数の別個のチャネル３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄの第２の仕切り壁３２は、収着剤表面５０を備える。収着剤表面５０は、一般に、追加のガスと共に対象ガスを含むプロセスガス流から可逆的に対象ガスを吸着する収着剤材料を含み得る。例えば、収着剤材料は、二酸化炭素および１つまたは複数の追加のガス、例えばメタン、窒素、または水素を含むプロセスガス流から二酸化炭素または硫化水素を可逆的に吸着してもよい。本明細書に使用されているように、「プロセスガス流から対象ガスを可逆的に吸着する」とは、収着剤材料が第１の組の操作パラメータ（例えば、温度、全圧力、および／または対象ガスの分圧）でプロセスガス流から対象ガスを吸着することができること、および第２の組の操作パラメータに変更することによって（例えば、温度を上昇させ、全圧力を低下させ、および／または対象ガスの分圧を低下させることによって）、吸着された対象ガスを収着剤材料から脱着することができることを意味する。非限定的な実施形態では、プロセスガス流は、例えば、天然ガス、煙道ガス、空気、バイオガス、水素ガス製造プロセスからの水ガスシフト混合気、および燃焼プロセスからの排気ガスであり得る。別の非限定的な実施形態では、対象ガスは、例えば、天然ガスまたは煙道ガスのプロセスガス流に存在する二酸化炭素であっても硫化水素であってもよい。
【００２５】
ある実施形態では、収着剤表面５０は、モノリシック体１０が製造される材料とは異なる収着剤材料を含み得る。このような実施形態では、収着剤材料は、例えばウォッシュコーティングのような公知の方法によってモノリシック体１０に適用してもよく、この場合、収着剤表面５０はコーティングである。このようなコーティングは、別個のチャネルの寸法および対象ガス用のモノリシック体１０の所望の吸着能力に応じて、任意の実用的な厚さ、例えば１０μｍ〜５０００μｍ、１００μｍ〜２０００μｍ、または２００μｍ〜１０００μｍを有し得る。代わりに、他の実施形態では、モノリシック体１０それ自体は、適切な収着剤材料から全体的に構成してもよい。この場合、収着剤表面５０は、別個のチャネル内の仕切り壁の単純に露出した表面であるが、この理由は、仕切り壁それら自体がモノリシック体１０の部分であり、このように、モノリシック体１０が構成される収着剤材料を含むからである。
【００２６】
モノリシック体１０の上にウォッシュコーティングし得る適切な収着剤材料は、非限定的な例として、ゼオライト、ゼオライトイマダゾールフレームワーク、金属製の有機フレームワーク、炭素、ＳＢＡ−１５と類似体を含むメソ細孔性のアルミナおよびシリカ、上記材料の任意の組合せ、およびアミンまたはアミノ基によって官能化された上記材料の任意のものを含む。
【００２７】
モノリシック体１０を構成し得る適切な収着剤材料は、非限定的な例として、ゼオライト、炭素、ゼオライトイマダゾールフレームワーク、金属製の有機フレームワーク、炭素、ＳＢＡ−１５と類似体を含むメソ細孔性のアルミナおよびシリカ、および上記材料の組合せを含む。対象ガスが二酸化炭素である場合、例えば、特に適切な収着剤材料は、非限定的な例として、ゼオライト、ゼオライト、ゼオライトイマダゾールフレームワーク、金属製の有機フレームワーク、炭素、ＳＢＡ−１５と類似体を含むメソ細孔性のアルミナおよびシリカ、上記材料の任意の組合せ、およびアミンまたはアミノ基によって官能化された上記材料の任意のものを含む。
【００２８】
以下に説明するように、モノリシック体の任意の適切な構造は、高い容積効率の熱的統合システムの様々な構造およびプロセスガス流から対象ガスを捕捉するための方法に組み込んでもよい。図１のモノリシック体１０および図２の円筒状モノリシック体１１は、このようなシステムおよび方法に適切であるモノリシック体の種類の単純に２つの特定の実施形態であること、および他の種類のモノリシック体をシステムおよび方法に使用し得ることが理解されるであろう。しかし、特定の実施形態のモノリシック体を含む高い容積効率の熱的統合システムおよび方法の動作原理を示すために、１つのみの特定の種類のモノリシック体、特に図１および図３の１つの類似するモノリシック体１０が示されている。したがって、本明細書に記載したシステムが単一の種類のモノリシック体のみによって示されていること、直接の熱連通などの態様が本明細書に記載したシステムおよび方法の実施形態に使用し得る任意の種類のモノリシック体に共通であろうことを理解すべきである。
【００２９】
プロセスガス流から対象ガスを除去するための高い容積効率の熱的統合システムおよび方法について、次に、２つの特定の実施形態を参照して説明する。特定の実施形態の多くの代替実施形態および変形形態が存在し得るが、２つの特定の実施形態は、図４に示した静的システム１００と、図５Ａおよび図５Ｂに示した動的システム１０１とを含んでもよい。
【００３０】
最初に図４を参照すると、高い容積効率の熱的統合システムの一実施形態が静的システム１００として示されている。静的システム１００は、モノリシック体１０および分配システム１５０を備える。静的システム１００のモノリシック体１０は、図１および図３のモノリシック体１０に関して記載したすべての構造要素を備える。しかし、図４のモノリシック体は頂部から観測されており、このため、その中の別個のチャネルはすべて見ることができない。図示するため、第１の複数の別個のチャネル２５が図４に破線で示されている。この場合、モノリシック体１０の第１の複数の別個のチャネルの各々は、第１の流れ軸ｘに対して平行であり、第２の入口マニホールド１３０と第２の出口マニホールド１３５との間の流体連通を確立する。同様に、モノリシック体１０の第２の複数の別個のチャネルの各々は、第２の流れ軸ｙに対して平行であり、第１の入口マニホールド１１０と第１の出口マニホールド１１５との間の流体連通を確立する。
【００３１】
第１の入口マニホールド１１０および第２の入口マニホールド１３０は、モノリシック体１０に対して、プロセスガス流またはパージ流の流れを特定の流れ軸を中心に整列されたモノリシック体１０の別個のチャネル内に方向付けて、分配する任意の適切な構造体として構成される。同様に、第１の出口マニホールド１１５および第２の出口マニホールド１３５は、モノリシック体１０に対して、モノリシック体１０の別個のチャネルから出るプロセスガス流またはパージ流の流れを適切な導管または他の排出手段内に方向付ける任意の適切な構造体として構成される。第１の出口マニホールド１１５は、第１の排気システム１２０と流体連通し、第２の出口マニホールド１３５は、第２の排気システム１４０と流体連通する。
【００３２】
図４のモノリシック体１０の頂面図は、図１と一致して、正方形の断面としてモノリシック体の頂部を示しているが、正方形の形状は、例示的でありかつ限定的でないと意図される。モノリシック体１０の他の幾何学的形状が考えられること、および他の幾何学的形状を、以下に記載する同一の構造的特徴を有する高い容積効率の熱的統合システムに組み込むことができることが理解されるであろう。例えば、モノリシック体１０は、第１の流れ軸ｘに沿って、第２の流れ軸ｙに沿った長さとは異なる幅を有し得る。代替実施形態では、図４に示したモノリシック体１０は、円筒状モノリシック体１１（図２参照）で置き換えてもよく、またマニホールド１１０、１１５、１３０、１３５を再構成して、円筒状モノリシック体を受け入れてもよい。
【００３３】
さらに、静的システム１００は分配システム１５０を備える。分配システム１５０は、プロセスガス源１６０からプロセスガス流を、かつパージ源１７０からパージ流をモノリシック体１０に供給する。非限定的な例として、プロセスガス源１６０は、加圧タンクなどの容器、ポンプなどの装置、天然ガス井などの加圧源に取り付けられた開口導管、またはこれらの任意のものの組合せを備えてもよい。パージ源１７０はまた、例えば加圧タンク含むパージガスのパージ流を供給する任意の適切な容器を備えてもよい。使用するプロセスガス源１６０の種類が、静的システム１００の所望の適用に著しく左右され得るのに対し、パージ源１７０は、典型的に、公知のパージガスを供給するための容器を備える。分配システム１５０の動作原理を変更することなく、複数の変形形態および適合形態を図４に示した分配システム１５０になし得ることが明らかであろう。
【００３４】
静的システム１００は、第１の状態と第２の状態との間で切り替わることができる。第１の状態では、分配システム１５０は、プロセスガス流を、第１の入口マニホールド１１０を通してプロセスガス源１６０から第２の複数の別個のチャネルに（第２の流れ軸ｙに対して平行に）、かつパージ流を、第２の入口マニホールド１３０を通してパージ源１７０から第１の複数の別個のチャネルに（第１の流れ軸ｘに対して平行に）同時に供給する。第２の状態では、分配システム１５０は、プロセスガス流をプロセスガス源１６０から第２の複数の別個のチャネルに、かつパージ流をパージ源１７０から第１の複数の別個のチャネルに同時に供給する。
【００３５】
図４に示した静的システム１００において、第１の状態から第２の状態にまたは第２の状態から第１の状態への切替は、例えば、プロセスガス源の切替弁１８０ａ、第１の入口マニホールドの切替弁１８０ｂ、パージ源の切替弁１８０ｃ、および第２の入口マニホールドの切替弁１８０ｄとして例示した１つまたは複数の切替弁によって達成してもよい。
【００３６】
例示した切替弁１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、１８０ｄの各々は、適切な制御装置（図示せず）によって制御できる２つの状態で独立して動作してもよい。例えば、プロセスガス源の切替弁１８０ａは、プロセスガス源１６０を、第１の状態の第１の入口マニホールドの切替弁１８０ｂと、かつ第２の状態の第２の入口マニホールドの切替弁１８０ｄと流体連通させてもよい。パージ源の切替弁１８０ｃは、パージ源１７０を、第１の状態の第２の入口マニホールドの切替弁１８０ｄと、かつ第２の状態の第１の入口マニホールドの切替弁１８０ｂと流体連通させてもよい。第１の入口マニホールドの切替弁１８０ｂは、第１の入口マニホールド１１０を、第１の状態のプロセスガス源の切替弁１８０ａと、かつ第２の状態のパージ源の切替弁１８０ｃと流体連通させることが可能である。第２の入口マニホールドの切替弁１８０ｄは、第２の入口マニホールド１３０を、第１の状態のパージ源の切替弁１８０ｃと、かつ第２の状態のプロセスガス源の切替弁１８０ａと流体連通させてもよい。
【００３７】
このようにして、例示した切替弁１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、１８０ｄのすべてがそれらのそれぞれの第１の状態にあるとき、静的システム１００はその第１の状態で作動し、この場合、プロセスガス流は、第１の入口マニホールド１１０を通してプロセスガス源１６０から第２の複数の別個のチャネルに供給され、一方、パージ流は、第２の入口マニホールド１３０を通してパージ源１７０から第１の複数の別個のチャネルに供給される。同様に、例示した切替弁１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、１８０ｄのすべてがそれらのそれぞれの第２の状態にあるとき、静的システム１００はその第２の状態で作動し、この場合、パージ流は、第１の入口マニホールド１１０を介してパージ源１７０から第２の複数の別個のチャネルに供給され、一方、プロセスガス流は、第２の入口マニホールド１３０を介してプロセスガス源１６０から第１の複数の別個のチャネルに供給される。
【００３８】
静的システム１００がその第１の状態にあるとき、第１の排気システム１２０に到達するガス流は、モノリシック体１０に吸着された対象ガスの任意の量よりも少ないプロセスガス流である。同様に、静的システム１００の第１の状態において、第２の排気システム１４０に到達するガス流に到達するガス流は、モノリシック体１０から流動中のパージ流内への対象ガスの脱着によって形成された対象ガスの濃縮流である。しかし、静的システム１００はその第２の状態にある間、プロセスガス流は、第２の排気システム１４０に到達し、対象ガスの濃縮流は、第１の排気システム１２０に到達する。このように、第１の排気システム１２０および第２の排気システム１４０は、静的システム１００がその第１の状態にまたはその第２の状態にあるかどうかに応じて、排気システムに到着するガス流を収集し、リサイクルし、または大気に排出するための追加の切替可能な機構（図示せず）を備えてもよい。
【００３９】
図４に静的システム１００として示した高い容積効率の熱的統合システムは、第１の状態と第２の状態との間の切替が、モノリシック体１０の再配向なしに、例示した切替弁１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、１８０ｄの切替によってのみ行われるという点で静的である。図４の静的システムの変形形態が、動的システム１０１として図５Ａおよび図５Ｂに示した高い容積効率の熱的統合システムによって示されている。動的システム１０１のすべての構造要素は、動的システム１０１では、パージ源１７０が第２の入口マニホールド１３０と常に流体連通し、プロセスガス源１６０が第１の入口マニホールド１１０と常に流体連通していること以外、静的システム１００（図４）の対応する構造要素と均等の機能を有する。さらに、動的システム１０１のマニホールド１１０、１１５、１３０、１３５の各々は、例えば、モノリシック体１０の隅部の周りに流れるガスの漏れを防止するバッフル壁１９０のような適切な構造体を備える。
【００４０】
回転軸ｚを中心とする回転対称の形状を有するモノリシック体１０を選択することによって、動的システム１０１の構造を容易にしかつ単純化し得ることが考えられる。例えば、図５Ａおよび図５Ｂのモノリシック体１０は、第１の流れ軸ｘに沿ったモノリシック体１０の幅が、第２の流れ軸ｙに沿ったその長さに等しいように正方形の頂部で示されている。しかし、マニホールド１１０、１１５、１３０、１３５がモノリシック体１０の実際の形状を受け入れることができることを前提として、モノリシック体のこのような４倍の回転対称性が存在する必要がないことを理解すべきである。代替実施形態では、例えば、モノリシック体は、動的システム１０１のモノリシック体の１８０°の回転を可能にするために２倍の回転対称性を有することができるであろう。例えば、２倍の回転対称性は、円筒状モノリシック体１１（図２参照）に、または第１および第２の複数のチャネルのすべての別個のチャネルが互いに平行である立方または長方形のモノリシック体に存在するであろう。
【００４１】
動的システム１０１の分配システムは、図５Ａおよび図５Ｂに具体的に示されていない。しかし、動的システム１０１の分配システムは、プロセスガス源１６０、パージ源１７０、および回転機構（図示せず）を備えてもよい。回転機構は、モノリシック体１０を回転軸ｚ（第１の流れ軸ｘと第２の流れ軸ｙとの交差部に図５Ａの平面に対して直角に示されている）を中心に回転させるために適合された任意の適切な機械装置を備えてもよい。回転機構は、例えば回転テーブルまたはピラーであってもよく、モノリシック体１０に結合しても接合してもよく、あるいは表面摩擦によってモノリシック体１０を回転させるように構成してもよい。したがって、動的システム１０１は、モノリシック体１０が回転可能であるという点で、図４の静的システムから区別可能である。モノリシック体の回転に対応するために、マニホールド１１０、１１５、１３０、１３５の各々は、モノリシック体１０の外側クリアランスリング１９５（点線で図示）までモノリシック体１０の縁部のクリアランスを提供する適切な輪郭を有することが好ましい。図５Ａでは、バッフル壁１９０は、モノリシック体１０の縁部がバッフル壁１９０と接触するときに、モノリシック体１０の隅部の周りに流れるガスの漏れが防止されるように、外側クリアランスリング１９５と交差するように構成される。
【００４２】
図５Ａに、動的システム１０１の第１の状態が示されており、この場合、プロセスガス流は、第１の入口マニホールド１１０を通してプロセスガス源１６０から第２の複数の別個のチャネルに（第２の流れ軸ｙに対して平行に）供給され、パージ流は、第２の入口マニホールド１３０を通してパージ源１７０から第１の複数の別個のチャネルに（第１の流れ軸ｘに対して平行に）供給される。
【００４３】
図５Ｂに、第１の状態から第２の状態への切替操作中の動的システム１０１が示されている。切替操作中、モノリシック体１０は、（第１の流れ軸ｘと整列された）第１の複数の別個のチャネルが第１の入口マニホールド１１０と流体連通され、また（第２の流れ軸ｙと整列された）第２の複数の別個のチャネルが第２の入口マニホールド１３０と流体連通されるまで回転される。図示していないが、動的システムの第２の状態は、第１の流れ軸ｘおよび第２の流れ軸ｙが互いに交換されること以外、図５Ａに示した第１の状態と同一の構造を有する。時計回りが図５Ｂに示されているが、反時計回りの回転が同一の結果を生成することを理解すべきである。さらに、第２の状態から第１の状態へと戻るさらなる切替は、モノリシック体１０を同一の方向に（図示したように時計回りに）回転させ続けることによって、あるいはモノリシック体１０を反対方向に（すなわち、逆時計回りに）回転させることによって行うことが可能である。
【００４４】
静的システム１００（図４）におけるのと異なり、動的システム１０１の第１の状態および第２の状態の両方において、第１の排気システム１２０に到達するガス流は、常に、モノリシック体１０に吸着された対象ガスの任意の量よりも少ないプロセスガス流である。同様に、動的システム１０１の第１の状態および第２の状態の両方において、第２の排気システム１４０に到達するガス流は、常に、モノリシック体１０から流動パージ流内への脱着によって形成された対象ガスの濃縮流である。したがって、動的システム１０１の回転機構を含むことにより必要となる静的システム１００に関わる追加の複雑さは、動的システム１０１の排気システム１２０、１４０の取扱いの複雑さを低減することによって幾分相殺し得る。動的システム１０１の排気システム１２０、１４０は、排気システムに到着するガス流を収集し、リサイクルし、または大気に排出するための追加の機構（図示せず）をさらに備えてもよい。有利には、動的システム１０１では、これらの追加の機構は、静的システム１００におけるのと異なり、切替可能である必要はない。
【００４５】
ある実施形態によれば、プロセスガス流から対象ガスを分離するための方法は、静的システム１００（図４）または動的システム１０１（図５Ａと図５Ｂ）のような高い容積効率の熱的統合システムを使用することを含み得る。高い容積効率の熱的統合システムはモノリシック体を組み込むので、上に詳述したように、当該システムは、有利には、必要に応じて当該システムの容易な移動を可能にするモジュール式に組み立ててもよい。例えば、高い容積効率の熱的統合システムが天然ガス井に使用され、万一井戸が枯れる場合、高い容積効率の熱的統合システムを異なる井戸に容易に移動させることができる。この種類のモジュール性は、例えば、充填床を使用するシステムのような他の種類のシステムでは実用的でない。
【００４６】
上記の図３〜図５Ｂのモノリシック体およびシステムを使用してプロセスガス流から対象ガスを除去するための方法について、次に説明する。別段の指示がある場合を除き、本明細書に記載する方法の実施形態は、上に詳述した静的システム１００（図４）および動的システム１０１（図５Ａおよび図５Ｂ）の両方に適用可能である。本方法の実施形態に関して、別段の指示がない限り、構造部分の番号については、図１〜図４、図５Ａおよび図５Ｂが参照される。ある実施形態によるプロセスガス流から対象ガスを除去する方法は、最初に、第１の複数の別個のチャネル２５の収着剤表面５０内に対象ガスが吸着するように、モノリシック体１０に形成された第１の複数の別個のチャネル２５を通してプロセスガス流を流すことを含み得る。プロセスガス流は、対象ガスのプロセスガス濃度を含む。実際のプロセスガス濃度は、高い容積効率の熱的統合システムが使用される用途に応じて変更してもよい。例えば、天然ガス井のようなプロセスガス源から導出されたプロセスガス流内の二酸化炭素のプロセスガス濃度は、約１モル％〜約４０モル％、より一般には、例えば約１２モル％のような約５モル％〜約２０モル％の範囲にあり得る。この第１の段階は、有効に、準備段階であり、モノリシック体１０の別個のチャネルのなにものも対象ガスに露出されておらず、したがって、対象ガスがモノリシック体の任意の部分からパージされる必要がないという前提の下で行われる。
【００４７】
第１の複数の別個のチャネル２５の収着剤表面５０内への対象ガスの当初の吸着の後に、熱的に統合された第１のステージが第１のサイクル時間の間に実行される。熱的に統合された第１のステージは、３つの同時の作用を含み、これらの作用のすべての間に、静的システム１００または動的システム１０１は、上述のようにその第１の状態にある。
【００４８】
第１の同時の作用において、プロセスガス流は、第２の複数の別個のチャネル３５の収着剤表面５０内に発熱的に対象ガスが吸着するように、モノリシック体１０に形成された第２の複数の別個のチャネル３５を通して流される。第２の複数の別個のチャネル３５および第１の複数の別個のチャネル２５は、第２の複数の別個のチャネル３５の個々のチャネル３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄが第１の複数の別個のチャネル２５の個々のチャネル２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄと熱連通するように配置される。第２の複数の別個のチャネル３５は、第１の複数の別個のチャネル２５のいずれとも流体連通しない。
【００４９】
第２の同時の作用において、第１の複数の別個のチャネル２５は、第１の複数の別個のチャネル２５の収着剤表面５０から吸熱的に対象ガスが脱着して、流動パージ流に入るように、パージガスの流動パージ流でパージされる。パージ流は、典型的に、空気または窒素のような不活性ガスであり、対象ガスのパージ濃度を有する。好ましくは、パージ濃度は、当初、可能な限り低く、例えば、５モル％未満、１モル％未満、０．１モル％未満、０．０１モル％未満、または０モル％である。一般に、パージ濃度は、プロセスガス濃度よりも低くなければならない。
【００５０】
第３の同時作用において、プロセスガス排気は、第２の複数の別個のチャネル３５から排出され、パージ排気は、第１の複数の別個のチャネル２５から排出される。モノリシック体１０の収着剤表面５０が、プロセスガス流内の他の成分よりも対象ガスに最適に選択的である場合、プロセスガス排気は、対象ガス以外のプロセスガス流のすべての成分を含み得る。好ましくは、プロセスガス排気は、対象ガスの５モル％未満、１モル％未満、０．１モル％未満、または０モル％を含有する。パージ排気は、第２の同時の作用（すなわち、パージ作用）の間に第１の複数の別個のチャネル２５から脱着した著しく濃縮した対象ガスを含有する。例えば、パージ排気は、元のパージガスと混合された対象ガスの２５モル％超、５０モル％超、または７５モル％超を含む。このように、濃縮した対象ガスは、必要に応じて、有利には収集してもよい。
【００５１】
上述の３つの同時の作用は、第１の複数の別個のチャネル２５および第２の複数の別個のチャネル３５の間の相乗作用によって証明されるように熱的に統合される。すなわち、第１の複数の別個のチャネル２５と第２の複数の別個のチャネル３５との間に直接の熱連通が行われるので、第２の複数の別個のチャネル３５で行われる発熱性吸着から遊離された熱は、第１の複数の別個のチャネル２５に導かれ、これによって、第１の複数の別個のチャネル２５で同時に行われる吸熱性脱着の効率を高めてもよい。逆に、第１の複数の別個のチャネル２５から、および第２の複数の別個のチャネル３５の吸熱性脱着プロセスに吸収された熱は、第１の複数の別個のチャネル２５内で行われる発熱性吸着プロセスの効率を高める。このように、第１の複数の別個のチャネル２５内の温度は、脱着が吸着よりも熱力学的により好ましい状況に上昇し続けず、第２の複数の別個のチャネル３５内の温度は、吸着が脱着よりも熱力学的に好ましい状況に低下し続けない。
【００５２】
熱的に統合された第１のステージは、第１のサイクル時間の間に実行される。第１のサイクル時間は、高い容積効率の熱的統合システムの経験的な決定からまたはシミュレーションから決定してもよく、この内のいずれかを本明細書に記載した方法に先立って実行してもよい。代わりに、適切な種類の１つまたは複数の制御装置を高い容積効率の熱的統合システムに組み込んでもよい。非限定的な例として、適切な制御装置は、例えば、対象ガスに対し感受性の１つまたは複数の検出器を備えてもよい。このような制御装置は、プロセスガス源と流体連通している別個のチャネルから生じるプロセスガス流内の対象ガスの濃度を監視するために構成しかつ適合させてもよい。この生じたプロセスガス流内の対象ガスの濃度の著しい上昇は、適用可能な別個のチャネルの収着剤表面５０が対象ガスで飽和していることを示すであろう。したがって、著しい上昇が第１の破過時間に制御装置によって認識されたとき、第１のサイクル時間が終了する。好ましくは、第１のサイクル時間がどの程度長く典型的に続くかについてパターンが指摘されたとき、さもなければ少量のみのまたはゼロ濃度の対象ガスを含む生じたプロセスガス流内への対象ガスの任意の流出を回避するように、第１のサイクル時間の持続時間が第１の破過時間よりも僅かに短く固定される。
【００５３】
第１のサイクル時間が終了するとき、静的システム１００および動的システム１０１の両方を、それらの第１の状態からそれらの第２の状態に切り替えてもよく、本明細書に記載した方法は、さらに、熱的に統合された第２のステージを第２のサイクル時間の間に実行することを含み得る。熱的に統合された第２のステージは、３つの同時の作用を含み、これらの作用のすべての間に、静的システム１００または動的システム１０１は、上述のようにその第２の状態にある。
【００５４】
熱的に統合された第２のステージの第１の同時の作用は、第１の複数の別個のチャネル２５の収着剤表面５０内に発熱的に対象ガスが吸着するように、第１の複数の別個のチャネル２５を通してプロセスガス流を流すことを含む。第２の同時の作用は、第２の複数の別個のチャネル３５の収着剤表面５０から吸熱的に対象ガスが脱着して、流動パージ流に入るように、流動パージ流で第２の複数の別個のチャネル３５をパージすることを含む。第３の同時の作用は、第１の複数の別個のチャネル２５からプロセスガス排気を、第２の複数の別個のチャネル３５からパージ排気を排出することを含む。第２のサイクル時間は、第２の破過時間に対して、第１のサイクル時間に関して上述したように選択するかまたは決定してもよい。
【００５５】
プロセスガス流から対象ガスを除去する方法は、さらに、熱的に統合された第１のステージと熱的に統合された第２のステージとの間で循環する段階を含んでもよく、この場合、循環は、順番に、次の段階、すなわち、（１）高い容積効率の熱的統合システムの第１の状態において当該統合システムにより第１のサイクル時間の間に、熱的に統合された第１のステージを実行する段階、（２）第１の複数の別個のチャネル２５をプロセスガス源１６０と流体連通させるために、かつ第２の複数の別個のチャネル３５をパージ源１７０と流体連通させるために、例えば静的システム１００の切替可能な弁を切り替えることによって、または第１の流れ軸ｘおよび第２の流れ軸ｙに対して直角の回転軸ｚを中心に動的システム１０１のモノリシック体１０を回転させることによって、高い容積効率の熱的統合システムの第１の状態から第２の状態に、当該統合システムを切り替える段階、（３）熱的に統合された第２のステージを第２のサイクル時間の間に実行する段階、（４）第２の複数の別個のチャネル３５をプロセスガス源１６０と流体連通させるために、かつ第１の複数の別個のチャネル２５をパージ源１７０と流体連通させるために、例えば静的システム１００の切替可能な弁を切り替えることによって、または回転軸ｚを中心に動的システム１０１のモノリシック体１０を回転させることによって、第２の状態から第１の状態に切り替える段階、および（５）段階（１）〜（４）を少なくとも１回繰り返す段階を含む。
【００５６】
上述の高い容積効率の熱的統合システムのモデルによって導かれたデータが図６および図８に提供され、また熱管理なしに構成された１つの非発明的な非統合システムからの図７および図９の同様のデータとそれぞれ比較される。モデル化システムは、モノリシック体の仕切り壁の場所のガラス絶縁層の上方の脱着チャネルと熱連通する吸着チャネルの収着剤表面からの二酸化炭素の吸着および脱着をベースとしていた。モデル化されたプロセスガスは１２モル％のＣＯ２を含有し、モデル化されたパージガスは、典型的に約３９０ｐｐｍ（０．０３９モル％）の無視できるＣＯ２含有量を有する空気である。吸着チャネルおよび脱着チャネルのモデル化された収着剤表面は、６４０ｋｇ／ｍ３の密度、０．１２Ｗ／ｍ／Ｋの熱伝導率、９２０Ｊ／ｋｇ／Ｋの比熱、および３８０μｍの厚さを有するゼオライト１３Ｘをベースとしていた。モデル化されたガラス絶縁層は、２８００ｋｇ／ｍ３の密度、１．０５Ｗ／ｍ／Ｋの熱伝導率、８４０Ｊ／ｋｇ／Ｋの比熱、および１００μｍの厚さを有するガラスをベースとしていた。
【００５７】
図６に、上述のモデル化されたシステムのシミュレーションデータがグラフで示されている。特に、収着剤内のＣＯ２濃度が、熱的に統合された同時のＣＯ２吸着および脱着プロセスの２つの完全サイクルについて時間（秒）に対してプロットさている。実線は第１のチャネルを示し、点線は第１のチャネルに隣接する第２のチャネルを示している。各々の吸着および脱着段階は、各々８秒の長さで、連続した第１および第２のサイクル時間のサイクルを表している。図６に示したプロセスの０秒と８秒との間に、第１のチャネルは吸着を受け、第２のチャネルは脱着段階を受けている。８秒〜１６秒に、プロセスは逆になり、この結果、第１のチャネルが脱着を受け、第２のチャネルが吸着を受けている。サイクルは１６秒〜３２秒まで繰り返す。全体的に、ＣＯ２濃度を表すピークの等しい高さから、第１のチャネルおよび第２のチャネルが吸着・脱着プロセスに等しく参加することを理解することができる。
【００５８】
比較すると、図７は、熱交換器などの外部の熱管理を有しない非統合システム（すなわち、熱連通するチャネルなし）からの同様のデータを示している。ＣＯ２吸着および脱着プロセスの１つの完全サイクルの収着剤内のＣＯ２濃度が示されている。吸着および脱着段階の各々は、８秒にわたって行われる。図７に示したプロセスの０秒と８秒との間で、チャネルは吸着段階を受けており、８秒〜１６秒まで、チャネルは脱着を受けている。全体的に、熱交換器なしに、床が吸収することができる最大量は、本明細書に記載した実施形態によるモデル化された熱的統合システムの収着剤１キログラム当たり２．７５モルのＣＯ２（このデータは図６に示されている）の代わりに収着剤１キログラム当たり１．６モルのＣＯ２であることが分かる。
【００５９】
熱管理プロフィールに関して、モデル化された熱的統合システムのデータが図８に提供されている。特に、図８は、ＣＯ２吸着および脱着プロセスにおける２つの完全サイクルの間の収着剤の温度特性をグラフで示している。グラフの２本の線は、サイクルの経過中の第１のチャネルおよび第１のチャネルに隣接する第２のチャネル内の温度を表している。各々の吸着および脱着段階は、各々８秒の長さの連続する第１および第２のサイクル時間のサイクルを表している。全体的に、第１のチャネルおよび第２のチャネルの温度の両方が、各々の吸着または脱着段階中に当初上昇するが、各々の吸着または脱着段階の終わりに２８８Ｋの開始温度の近くまで低下することが分かる。これにより、収着剤の最大能力が吸着段階中に利用されることが保証される。温度の当初の上昇は、吸着されたＣＯ２を維持するための収着剤の能力が温度上昇と共に低下するので、脱着プロセスの運動量ももたらす。
【００６０】
比較すると、図９は、熱交換器などの外部の熱管理を有しない非統合システム（すなわち、熱連通するチャネルなし）からの同様のデータをグラフで示している。図９には、ＣＯ２吸着および脱着プロセスの１つの完全サイクルの経過にわたる収着剤温度が示されている。各々の吸着および脱着段階は８秒続く。０秒〜８秒の間に、チャネルはＣＯ２吸着を受けており、８秒から１６秒まで、チャネルはＣＯ２脱着を受けている。全体的に、システムの任意の熱管理なしに、収着剤の温度は、２８８Ｋの当初の温度から３２０Ｋに上昇することを理解できる。収着剤の温度のこの著しい上昇は、収着剤のＣＯ２能力を、熱的統合システム（図６参照）の収着剤１キログラム当たり２．７５モルから、非統合システム（図７参照）の収着剤１キログラム当たり１．６モルのＣＯ２に直接低下させると考えられる。このように、本明細書に記載した様々な実施形態による高い容積効率の熱的統合システムが、有効な熱管理およびプロセスガス流から対象ガスを捕捉するために見込みのある効率レベルを提供することを理解すべきである。
【００６１】
様々なシステムおよび方法の上述の実施形態が、プロセスガス流から対象ガスを除去するためのシステムおよび方法の高い容積効率の態様および熱的統合の態様の両方を指すことを理解すべきである。本明細書に記載したシステムおよび方法の「高い容積効率」の態様は、例えば、モノリシック体の個々の別個のチャネルのすべてが、吸着または脱着プロセスを行うために使用されることによって実現し得る。逆に、高い容積効率の態様は、吸着または脱着の実施以外の目的を専用とするモノリシック体の個々のチャネルのいずれも含まない。吸着または脱着の実施以外の目的は、例えば、冷却チャネルまたは加熱チャネルとしてある別個のチャネルを使用することを含んでもよく、この場合、モノリシック体の熱管理は、外部源、例えば冷却または加熱チャネルを通して導かれる液体または気体状の媒体によって行われるであろう。
【００６２】
高い容積効率の熱的統合システムの「熱的統合」の態様は、第１の複数の別個のチャネル２５（例えば、図１および図３参照）を、第２の複数の別個のチャネル３５（例えば、図１および図３参照）と熱連通して配置し得ることによって実現し得る。これによって、発熱性吸着プロセスが、第２の複数の別個のチャネル３５の吸熱性脱着プロセスと同時に第１の複数の別個のチャネル２５で行われるとき、発熱性吸着プロセスから遊離された熱は、外部熱源の必要なしに吸熱性脱着プロセスに直接貢献するために使用することができる。
【００６３】
さらに、ここで、上記の様々な実施形態を通して記載した高い容積効率の熱的統合システムおよび方法は、プロセスガス流から対象ガスを捕捉するために使用し得ることを理解すべきである。システムおよび方法の各々において、２つの複数の別個のチャネルを有するモノリシック体は、プロセスガス流が一方の複数の別個のチャネルを通して流れ、他方で、パージ流が他方の別個のチャネルを通して流れるように構成される。発熱性吸着および吸熱性脱着の付随的なプロセスは、特にシステムが本明細書に記載した方法と関連して使用される場合、本明細書で具体化したシステムを熱管理するための簡単であるが、有効な機構を提供する。
【００６４】
第１の態様において、本開示は、プロセスガス流から対象ガスを捕捉するための高い容積効率の熱的統合システム（１００、１０１）であって、モノリシック体（１０、１１）および分配システム（１５０）を備え、モノリシック体（１０、１１）が、モノリシック体（１０、１１）を通り、かつモノリシック体（１０、１１）の第１の流れ軸（ｘ）に対して平行の第１の複数の別個のチャネル（２５）と、モノリシック体（１０、１１）を通り、かつモノリシック体（１０、１１）の第２の流れ軸（ｙ）に対して平行の第２の複数の別個のチャネル（３５）を備え、第１の複数の別個のチャネル（２５）および第２の複数の別個のチャネル（３５）が、第１の複数の別個のチャネル（２５）の個々のチャネル（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ）が第２の複数の別個のチャネル（３５）の個々のチャネル（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ）と熱連通するように配置され、第１の複数の別個のチャネル（２５）が、第２の複数の別個のチャネル（３５）のいずれとも流体連通せず、第１の複数の別個のチャネル（２５）の第１の仕切り壁（２２）および第２の複数の別個のチャネル（３５）の第２の仕切り壁（３２）が、プロセスガス流から対象ガスを可逆的に吸着する収着剤材料の収着剤表面（５０）を備え、高い容積効率の熱的統合システム（１００、１０１）が、分配システム（１５０）がプロセスガス流を第２の複数の別個のチャネル（３５）に、かつパージ流を第１の複数の別個のチャネル（２５）に同時に供給する第１の状態と、分配システム（１５０）がプロセスガス流を第２の複数の別個のチャネル（３５）に、かつパージ流を第１の複数の別個のチャネル（２５）に同時に供給する第２の状態との間で切り替わる、高い容積効率の熱的統合システム（１００、１０１）を提供する。
【００６５】
第２の態様において、本開示は、第１の流れ軸（ｘ）が第２の流れ軸（ｙ）に対して直角である、態様１の高い容積効率の熱的統合システム（１００、１０１）を提供する。
【００６６】
第３の態様において、本開示は、高い容積効率の熱的統合システム（１００、１０１）が静的システム（１００）であるように、分配システム（１５０）が高い容積効率の熱的統合システム（１００、１０１）を第１の状態から第２の状態にまたは第２の状態から第１の状態に切り替える切替可能な弁（１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、１８０ｄ）を備える、態様１または態様２の高い容積効率の熱的統合システム（１００、１０１）を提供する。
【００６７】
第４の態様において、本開示は、高い容積効率の熱的統合システム（１００、１０１）が動的システム（１０１）であり、かつ回転軸（ｚ）を中心とするモノリシック体（１０、１１）の回転によって動的システム（１０１）を第１の状態から第２の状態にまたは第２の状態から第１の状態に切り替えるように、第１の流れ軸（ｘ）および第２の流れ軸（ｙ）に対して直角の回転軸（ｚ）を中心にモノリシック体（１０、１１）を回転させる回転機構をさらに備える、態様１〜３のいずれか１つの高い容積効率の熱的統合システム（１００、１０１）を提供する。
【００６８】
第５の態様において、本開示は、対象ガスが、二酸化炭素および硫化水素から成る群から選択され、収着剤材料が、ゼオライト、ゼオライトイマダゾールフレームワーク、金属製の有機フレームワーク、炭素、メソ細孔性アルミナ、メソ細孔性シリカ、それらのアミン官能化変形体、それらのアミノ基官能化変形体、およびそれらの組合せから成る群から選択される、態様１の高い容積効率の熱的統合システム（１００、１０１）を提供する。
【００６９】
第６の態様において、本開示は、モノリシック体（１０、１１）を有する高い容積効率の熱的統合システム（１００、１０１）を使用して、プロセスガス流から対象ガスを分離するための方法であって、第１の複数の別個のチャネル（２５）の収着剤表面（５０）内に対象ガスが吸着するように、モノリシック体（１０、１１）に形成された第１の複数の別個のチャネル（２５）を通してプロセスガス流を流す段階と、熱的に統合された第１のステージを第１のサイクル時間の間に実行する段階とを含み、熱的に統合された第１のステージが、同時に、第２の複数の別個のチャネル（３５）の収着剤表面（５０）内に発熱的に対象ガスが吸着するように、モノリシック体（１０、１１）に形成された第２の複数の別個のチャネル（３５）を通してプロセスガス流を流す段階であって、第２の複数の別個のチャネル（３５）および第１の複数の別個のチャネル（２５）が、第２の複数の別個のチャネル（３５）の個々のチャネル（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｃ）が第１の複数の別個のチャネル（２５）の個々のチャネル（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ）と熱連通するように配置され、第２の複数の別個のチャネル（３５）が第１の複数の別個のチャネル（２５）のいずれとも流体連通しない段階と、第１の複数の別個のチャネル（２５）の収着剤表面（５０）から吸熱的に対象ガスが脱着して、流動パージ流に入るように、流動パージ流で第１の複数の別個のチャネル（２５）をパージする段階とを含む方法を提供する。
【００７０】
第７の態様において、本開示は、各々の別個の第１のチャネル（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ）が、モノリシック体（１０、１１）の第１の流れ軸（ｘ）に対して平行であり、各々の別個の第２のチャネル（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ）が、モノリシック体（１０、１１）の第２の流れ軸（ｙ）に対して平行である、態様６の方法を提供する。
【００７１】
第８の態様において、本開示は、熱的に統合された第２のステージを第２のサイクル時間の間に実行する段階であって、熱的に統合された第２のステージが、同時に、第１の複数の別個のチャネル（２５）の収着剤表面（５０）内に対象ガスが吸着するように、第１の複数の別個のチャネル（２５）を通してプロセスガス流を流す段階と、第２の複数の別個のチャネル（３５）の収着剤表面（５０）から吸熱的に対象ガスが脱着して、流動パージ流に入るように、流動パージ流で第２の複数の別個のチャネル（３５）をパージする段階とをさらに含む、態様６または７の方法を提供する。
【００７２】
第９の態様において、本開示は、高い容積効率のシステム（１００、１０１）が、プロセスガスをモノリシック体（１０、１１）内に送るプロセスガス源（１６０）であって、熱的に統合された第１のステージ中に第２の複数の別個のチャネル（３５）のみと、かつ熱的に統合された第２のステージ中に第１の複数の別個のチャネル（２５）のみと流体連通するプロセスガス源（１６０）と、パージ流をモノリシック体（１０、１１）に送るパージ源（１７０）であって、熱的に統合された第１のステージ中に第１の複数の別個のチャネル（２５）のみと、かつ熱的に統合された第２のステージ中に第２の複数の別個のチャネル（３５）のみと流体連通するパージ源（１７０）とをさらに備える、態様８の方法を提供する。
【００７３】
第１０の態様において、本開示は、熱的に統合された第１のステージと、熱的に統合された第２のステージとの間で循環する段階をさらに含む、態様９の方法を提供する。
【００７４】
第１１の態様において、本開示は、熱的に統合された第１のステージと、熱的に統合された第２のステージとの間で循環する段階が、順番に、次の段階、すなわち、熱的に統合された第１のステージを実行する段階と、第１の複数の別個のチャネル（２５）をプロセスガス源（１６０）と流体連通させるために、かつ第２の複数の別個のチャネル（３５）をパージ源（１７０）と流体連通させるために、第１の流れ軸（ｘ）および第２の流れ軸（ｙ）に対して直角の回転軸（ｚ）を中心にモノリシック体（１０、１１）を回転させる段階と、熱的に統合された第２のステージを実行する段階と、第２の複数の別個のチャネル（３５）をプロセスガス源（１６０）と流体連通させるために、かつ第１の複数の別個のチャネル（２５）をパージ源（１７０）と流体連通させるために、回転軸（ｚ）を中心にモノリシック体（１０、１１）を回転させる段階とを含む、態様１０の方法を提供する。
【００７５】
第１２の態様において、本開示は、第１の流れ軸（ｘ）が第２の流れ軸（ｙ）に対して直角である、態様１１の方法を提供する。
【００７６】
第１３の態様において、本開示は、プロセスガス流が、天然ガス、煙道ガス、空気、バイオガス、水素ガス製造プロセスからの水ガスシフト混合気、および燃焼プロセスからの排気ガスから成る群から選択される、態様６の方法を提供する。
【００７７】
第１４の態様において、本開示は、対象ガスが二酸化炭素および硫化水素から成る群から選択される、態様６の方法を提供する。
【００７８】
第１５の態様において、本開示は、対象ガスが二酸化炭素である、態様６の方法を提供する。
【００７９】
請求した主題の精神と範囲から逸脱することなく、本明細書に記載した実施形態に様々な修正および変更を行うことができることが当業者には明らかであろう。本明細書は、本明細書の修正形態および変更形態が添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲に含まれる場合、本明細書に記載した様々な実施形態の修正形態および変更形態を網羅することが意図される。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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