(57)【要約】  ガス分離方法が、分離されるガス混合物が粒子の長さに沿って吸着剤材料に接触できるようにするための長手方向に延在するガス通路を設けることによって、モノリスを模擬するように秩序正しく敷設された吸着剤被覆形状／粒子の構造化された粒子床を使用する。粒子は、床に直接または局部的に構造化されたパッケージ／バンドルのいずれかで敷設することができ、これらのパッケージ／バンドル自体は、床粒子が少なくともいくつかの欠点を伴わずにモノリスと同様に挙動するように同様に配向される。吸着剤粒子は、露出された外面上に吸着剤が薄い付着性コーティングとして形成された中実の非多孔質コアによって形成することができる。粒子は、吸着剤に容易に接触できるように円筒形状／中空形状として形成され得る。分離は、動的または平衡に制御される方法として操作され得る。
2014509554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低透過性のコア（例えば、実質的に非透過性の中実コア）の外部に薄膜吸着剤コーティングを含む構造化された吸着剤粒子であって、前記粒子の最小断面寸法が１センチメートル未満かつ１００ミクロン超である、構造化された吸着剤粒子。
【請求項２】
前記吸着剤コーティングが１０００ミクロン未満かつ１ミクロン超の厚さを有し、前記厚さが平均の厚さを示し、その均一性は厚さの標準偏差が前記平均の厚さの約４０％未満であるようなものであってもよい、請求項１に記載の構造化された吸着剤粒子。
【請求項３】
前記吸着剤コーティングが微孔質の材料（例えば、ＤＤＲ、ＣＨＡ、ＭＦＩ、Ｂｅｔａ、ＦＡＵならびにそれらの組合せおよび連晶から選択されるものなどのゼオライト；ＭＯＦ（金属有機構造体）；ＡｌＰＯ；ＳＡＰＯ；ＺＩＦ（ゼオライト型イミダゾレート構造体）；および炭素から選択される微孔質の材料）を含み、混合マトリックス材料（例えば、シリコーンゴムおよびポリイミドから選択されるポリマーを含むポリマー膜であって、ＤＤＲ、ＣＨＡ、ＭＦＩ、Ｂｅｔａ、ＦＡＵならびにそれらの組合せおよび連晶から選択されるものなどのゼオライトの粒子をさらに含むポリマー膜）を含み、および／または前記低透過性のコアの外面に直接成長させた吸着剤結晶の連晶膜（例えば、ＤＤＲ、ＭＦＩ、ＣＨＡならびにそれらの組合せおよび連晶から選択されるゼオライトを含む吸着剤結晶の連晶膜）を含む、請求項１または２に記載の構造化された吸着剤粒子。
【請求項４】
前記粒子の長さ：最大断面寸法の比率が少なくとも５：１である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の構造化された吸着剤粒子。
【請求項５】
塊で配置された複数の吸着剤粒子（請求項１〜５の１項以上に記載の吸着剤粒子など）を含む構造化された吸着剤のモジュールであって、前記吸着剤粒子が、実質的に同じような方向に配向され、前記塊は、その中の前記吸着剤粒子の配向を実質的に維持するようなモジュール構成で支持され、前記吸着剤粒子が少なくとも２：１、例えば少なくとも５：１の長さ：最大断面寸法の比率を有する構造化された吸着剤のモジュール。
【請求項６】
外部の担体によって、および／または前記粒子を塊で結合させることによって、前記塊がモジュール構成で支持される、請求項５に記載の構造化された吸着剤のモジュール。
【請求項７】
前記吸着剤粒子が、低透過性のコア（例えば、実質的に非透過性の中実コア）の外部に薄膜吸着剤コーティングを含み、前記粒子の最小断面寸法が１センチメートル未満かつ１００ミクロン超である、請求項５または６に記載の構造化された吸着剤のモジュール。
【請求項８】
前記吸着剤コーティングが１０００ミクロン未満かつ１ミクロン超の厚さ（前記厚さは平均の厚さを示し、その均一性は厚さの標準偏差が前記平均の厚さの約４０％未満であるようなものであってもよい）を有し、および／または微孔質の材料（例えば、ＤＤＲ、ＣＨＡ、ＭＦＩ、Ｂｅｔａ、ＦＡＵならびにそれらの組合せおよび連晶から選択されるものなどのゼオライト；ＭＯＦ（金属有機構造体）；ＡｌＰＯ；ＳＡＰＯ；ＺＩＦ（ゼオライト型イミダゾレート構造体）；および炭素から選択される微孔質の材料）を含み、混合マトリックス材料（例えば、シリコーンゴムおよびポリイミドから選択されるポリマーを含むポリマー膜であって、ＤＤＲ、ＣＨＡ、ＭＦＩ、Ｂｅｔａ、ＦＡＵならびにそれらの組合せおよび連晶から選択されるものなどのゼオライトの粒子をさらに含むポリマー膜）を含み、および／または前記低透過性のコアの外面に直接成長させた吸着剤結晶の連晶膜（例えば、ＤＤＲ、ＭＦＩ、ＣＨＡならびにそれらの組合せおよび連晶から選択されるゼオライトを含む吸着剤結晶の連晶膜）を含む、請求項７に記載の構造化された吸着剤のモジュール。
【請求項９】
前記モジュールの端部間の寸法（前記粒子の吸着剤の好ましい長手方向の配向の方向における前記モジュールの端部間の寸法）が約５ｃｍ〜約１００ｃｍである、請求項５〜８のいずれか１項に記載の構造化された吸着剤のモジュール。
【請求項１０】
低透過性のコア（例えば、実質的に非透過性の中実コア）の外部に薄膜吸着剤コーティングを含む構造化された吸着剤粒子（請求項１〜４のいずれか１項に記載の吸着剤粒子など）の吸着剤床（請求項５〜９のいずれか１項に記載の吸着剤のモジュールなど）と、少なくとも１種の汚染物質を含有するガス混合物を接触させる工程を含むガス分離方法であって、前記粒子の最小断面寸法が１センチメートル未満かつ１００ミクロン超であるガス分離方法。
【請求項１１】
前記吸着剤コーティングが１０００ミクロン未満かつ１ミクロン超の厚さ（ここで前記厚さは平均の厚さを示し、その均一性は厚さの標準偏差が前記平均の厚さの約４０％未満であるようなものであってもよい）、例えば５００ミクロン未満かつ２５ミクロン超の厚さを有し、かつ／あるいは微孔質材料および／または混合マトリックス材料を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記吸着剤粒子が少なくとも２：１、例えば少なくとも５：１の前記粒子の長さ：最大断面寸法を有し、３０％以下の空隙比の前記吸着剤床中に位置決めされ、実質的に長手方向に延在する実質的に整列されたガス流路を提供するための秩序ある配置にあり、前記ガス流路によって、前記分離されるガス混合物が前記粒子の少なくとも一部の長さに沿って前記吸着剤材料に接触することができ、前記汚染物質の少なくとも一部を吸着させて、前記吸着される汚染物質材料の含量が減少した精製されたガス生成物を形成するための請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記粒状の吸着剤粒子の秩序ある吸着剤床が、実質的に長手方向に延在する実質的に整列されたガス流路を有する秩序ある配置で前記粒状の吸着剤粒子が敷設される局部的に構造化された秩序ある領域を含む、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記吸着剤粒子が、中央のガス通路を有する中空の円筒形状または中空の多角柱形状の形態にあるか、あるいは前記の秩序ある配置における前記粒子の最大の対面接触を妨げる断面の不規則性（例えば、多角形の辺の不規則な長さ又は不規則な頂角を含む不規則性）を有する多角柱形状の形態にある、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記吸着剤粒子が、前記秩序ある配置における前記粒子の最大の対面接触を妨げる均一な粗さの形態での表面の不規則性を有し、および／または少なくとも２０ｍｍの長手方向の寸法を有する、請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１種の汚染物質がＣＯ２、Ｈ２Ｓまたはそれらの組合せであり、および／または前記ガス混合物が天然ガスである、請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
３３％以下の空隙比を有し、なおかつ実質的に長手方向に延在する実質的に整列されたガス流路を提供するために秩序ある配置で吸着剤床に敷設された吸着剤粒子を含む秩序ある吸着剤床に、二酸化炭素および／または硫化水素を含む汚染物質を含有する天然ガスを含むガス混合物の流れを接触させる工程を含む動的なガス分離方法であって、前記ガス流路によって、前記ガス混合物が前記粒子の少なくとも一部の長さに沿って前記吸着剤材料に接触し、前記汚染物質の少なくとも一部を吸着させて、前記吸着される汚染物質材料の含量が減少した精製された天然ガス生成物を形成するためのガス分離方法。
【請求項１８】
前記汚染物質の少なくとも一部を吸着させて前記吸着される汚染物質材料の含量が減少した精製された天然ガス生成物を形成するために、実質的に長手方向に延在する実質的に整列されたガス流路を提供するための秩序ある配置で前記吸着剤床に敷設された前記吸着剤粒子の局部的に構造化された領域（例えば、前記ガス流との接触の前に除去される接着剤で前記粒子を一緒に接着することによって形成される吸着剤粒子の局部的に構造化された領域）に前記ガス流を接触させる、請求項１７に記載の動的なガス分離方法。
【請求項１９】
ガス流を処理して前記ガス流からガス状汚染物質を除去するための秩序ある吸着剤粒子の吸着剤床を形成する方法であって、
実質的に長手方向に延在する実質的に整列されたガス流路を提供するための秩序ある配置で前記吸着剤粒子を塊で敷設する工程であって、前記ガス流路によって、前記ガス混合物が前記粒子の少なくとも一部の長さに沿って前記吸着剤材料と接触する工程と、
前記粒子を塊で結合させて（例えば、容器中で前記粒子を前記秩序ある配置で敷設することによって、および／または前記粒子を前記秩序ある配置で敷設し、接着剤などによって前記粒子を一緒に接着することによって前記粒子を塊で結合させて）、凝集性の自己支持性の塊を形成する工程と、
吸着容器中で複数の前記塊を組み立てて秩序ある吸着剤床を形成する工程と
を含む方法。
【請求項２０】
ガス流の成分を分離するための模擬吸着剤モノリスを作製する方法であって、
（ｉ）少なくとも２：１の長さ：最大断面寸法の比および１ｍｍ以下の最大断面寸法を有する中実の非多孔質粒子の外側に前記ガス流の成分の少なくとも１種の吸着に対して選択的な吸着剤材料のコートを形成する工程と、
（ｉｉ）実質的に長手方向に延在する実質的に整列されたガス流路を有する秩序ある配置で前記吸着剤粒子を塊で敷設する工程であって、前記ガス流路によって、前記ガス流が前記粒子の少なくとも一部の長さに沿って前記吸着剤材料と接触し得る工程と、
（ｉｉｉ）前記粒子を塊の状態で外部から支持するか、あるいは結合させて凝集性の自己支持性の塊を形成する工程と、
（ｉｖ）吸着容器中で複数の前記塊を組み立てて秩序ある吸着剤床を形成する工程と
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、ガス精製方法に関し、より具体的には、固体吸着剤材料を用いた汚染物質の除去によって天然ガス流を精製するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
ガス流は、望ましくない汚染物質（例えば、硫化水素、二酸化硫黄および二酸化炭素などの酸性化合物を含むガス流から除去されることが多い汚染物質）を除去するための精製を必要とすることが多い。これらの成分は、天然ガス中によく見られ、ガスが輸送パイプラインを通して送られ得る前に低いレベルに低下される必要があり；硫化水素は、水素化処理などの石油精製運転中に生成されるガス流からの分離を必要とすることが多い。活性炭などの固体吸着剤材料またはアルミナ、シリカ−アルミナ、シリカなどの多孔質の固体酸化物、あるいはゼオライトＡなどの結晶性ゼオライトを用いた吸着ガス分離技術が様々な業界において一般的であり、これは、大抵の場合、深冷分離よりはるかに経済的であり得る。
【０００３】
吸着分離は、Ｙａｎｇによって記載されるように、立体的（ｓｔｅｒｉｃ）機構、平衡機構、または動的（ｋｉｎｅｔｉｃ）機構の３つの機構によって行われ得る：非特許文献１。大多数のプロセスは、ガス混合物の平衡吸着によって動作し、動的分離は、機能的な微孔質吸着剤および効率的なモデリングツールが開発されるにつれて、最近、かなりの注目を集めている。商業化されている立体的分離方法は比較的少ない。動力学に基づいた分離は、ガス混合物の異なる成分の異なる速度の差を伴い、同様の平衡吸着パラメータにかかわらず、異なる種が分離されるのを可能にする。動的分離は、吸着剤として分子篩を用いるが、これは、分子篩が、混合物のいずれの成分も除外せずに、異なるガス種が異なる速度で吸着剤中に拡散することを可能にする細孔の分布を示すためである。動的分離は、産業用ガスの分離、例えば、空気からの窒素の分離および他のガスからのアルゴンの分離に使用され得る。窒素／酸素の分離の場合（例えば、酸素および窒素は、わずか０．０２ｎｍだけサイズが異なる）、炭素篩の細孔構造中への酸素の輸送速度が、窒素の輸送速度より著しく速いため、分離が効率的である。したがって、動的分離は、酸素および窒素の平衡充填レベルが実質的に同一であっても機能する。
【０００４】
動力学に基づいた分離方法は、特許文献１に記載されるように、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）、温度スイング吸着（ＴＳＡ）、分圧スイングまたは置換パージ吸着（ＰＰＳＡ）としてあるいはこれらの方法のいくつかの構成要素を含む混成法として操作され得る。これらのスイング吸着法は、高速サイクルで行うことができ、その場合、それらは、高速サイクル熱スイング吸着（ＲＣＴＳＡ）、高速サイクル圧力スイング吸着（ＲＣＰＳＡ）、および高速サイクル分圧スイングまたは置換パージ吸着（ＲＣＰＰＳＡ）技術と呼ばれ、「スイング吸着」という用語は、これらの方法の全ておよびそれらの組合せを含むものと解釈される。
【０００５】
動的に制御される（ｋｉｎｅｔｉｃ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ）ＰＳＡ方法の場合、吸着および脱着は、より典型的には、周期的な圧力変動によって引き起こされるが、ＴＳＡ、ＰＰＳＡおよび混成法の場合、吸着および脱着は、温度の周期的な変動、分圧の周期的な変動、または圧力、温度および分圧の組合せの周期的な変動によって引き起こされ得る。ＰＳＡの例示的な場合、動的に制御される選択性は、主に、微細孔物質移動抵抗（例えば、吸着剤粒子または結晶内の拡散）によっておよび／または表面抵抗（例えば、狭くなった微細孔入口）によって決まり得る。方法の操作を成功させるために、第１の成分の比較的かつ有効に大きい作動吸収（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｕｐｔａｋｅ）（例えば、各サイクル中に吸着または脱着される量）および第２の成分の比較的小さい作動吸収が、好ましくは達成され得る。したがって、動的に制御されるＰＳＡ法は、過度に高いサイクル頻度を回避するようバランスを取りながら好適な繰返し頻度（ｃｙｃｌｉｃ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）での操作を必要とし、その場合、第１の成分は、両方の成分が平衡吸着値に近づく過度に低い頻度で有用な作動吸収を達成することができない。
【０００６】
いくつかの確立された動的に制御されるＰＳＡ法は、例えば、より吸着される第１の成分である酸素と、より吸着されない第２の成分である窒素とを含む空気分離のために、炭素分子篩吸着剤を使用する。動的に制御されるＰＳＡの別の例が、第１の成分としての窒素の、第２の成分としてのメタンからの分離であり、この分離は、炭素分子篩吸着剤上で、または、より最近では、ＥＴＳ−４などのチタノケイ酸塩ベースの吸着剤（特許文献２および特許文献３に開示されるものなどの）上で、混成動的／平衡ＰＳＡ分離（主に、動力学に基づいているが、周期的に、吸着剤材料へのメタンの部分平衡吸着による熱再生を必要とする）として行われ得る。
【０００７】
所与の毎時供給ガス流量を処理するのに使用される場合、床がサイクルを完了するのに必要な工程を速く行うほど、床が小さくなり得る。特許文献４；特許文献５；特許文献６；特許文献７；特許文献８；特許文献９；特許文献１０；特許文献１１；特許文献１２；特許文献１３；および特許文献１４に開示されるような回転弁技術を使用する、ＰＳＡ法のサイクル時間を短縮するためのいくつかの他の手法が浮上している。構造化された吸着剤を備えた平行流路（または平行通路）接触器を用いて、これらの高速サイクル圧力スイング吸着法における効率的な物質移動を可能にすることができる。構造化された吸着剤を備えた平行通路接触器を構成するための手法が、特許文献１５に開示されている。
【０００８】
従来、吸着分離法は、吸着剤粒子の充填床を使用する。しかしながら、従来の充填床は、天然ガスの清浄化（ｃｌｅａｎｕｐ）のための非常に厳しい要件を満たす可能性が低い。吸着剤モノリスの使用は、低い圧力降下、良好な流量分布、および低分散を有する吸着剤床を設計するための一手法を提供する。モノリスは、非常に低い流れ屈曲度（ｆｌｏｗ  ｔｏｒｔｕｏｓｉｔｙ）を有し、また、所定の圧力降下を満たすためのほとんどのユーザの所定の空隙体積に合わせて工学的に作製され得る（ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ）。他のモノリスの利点には、床の流動化または持ち上げ（ｌｉｆｔｉｎｇ）の回避が含まれる。これらの利点を提供する一方、モノリスは、いくつかの欠点も有し得る。これらには、（ｉ）流れの不均等の自己補正を妨げる軸方向流路間の側方の流れの連通の欠如、（ｉｉ）流量分布に対する妨害的な付着物のより著しいであろう影響、（ｉｉｉ）圧力および熱サイクル中の潜在的な熱応力および機械的応力、（ｉｖ）壁の近くの流れの漏れを引き起こす壁の影響、（ｖ）製造が困難かつ高コストであること、（ｖｉ）モノリス流路内における一貫した機械的に安定した吸着剤コーティングの塗布しづらさ、および（ｖｉｉ）より長い所要時間につながる格納容器におけるモノリスの充填／取り出しのしづらさ（緩い粒子床と比較して）が含まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０２８２８８４号明細書
【特許文献２】米国特許第６，１９７，０９２号明細書
【特許文献３】米国特許第６，３１５，８１７号明細書
【特許文献４】米国特許第４，８０１，３０８号明細書
【特許文献５】米国特許第４，８１６，１２１号明細書
【特許文献６】米国特許第４，９６８，３２９号明細書
【特許文献７】米国特許第５，０８２，４７３号明細書
【特許文献８】米国特許第５，２５６，１７２号明細書
【特許文献９】米国特許第６，０５１，０５０号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，０６３，１６１号明細書
【特許文献１１】米国特許第６，４０６，５２３号明細書
【特許文献１２】米国特許第６，６２９，５２５号明細書
【特許文献１３】米国特許第６，６５１，６５８号明細書
【特許文献１４】米国特許第６，６９１，７０２号明細書
【特許文献１５】米国特許出願公開第２００８／０２８２８９２号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｒ．Ｔ．Ｙａｎｇ，Ｇａｓ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，Ｉｍｐｅｒｉａｌ  Ｃｏｌｌｅｇｅ  Ｐｒｅｓｓ，１９９７，ＩＳＢＮ：１８６０９４０４７１，ＩＳＢＮ−１３：９７８１８６０９４０４７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この産業で必要とされているのは、モノリスなどの構造化された吸着剤床のプロセスの利点を有するが、吸着剤モノリスに付随する製造上、構造上およびプロセスの操作上の問題の多くを解決する吸着剤床を設計、製造および／または充填する新規な方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（発明の要旨）
好ましくは１センチメートル未満かつ１００ミクロン超の粒子の最小断面寸法を有する低透過性（又は低浸透性）のコアの表面上に吸着剤材料の薄膜コーティングで構造化される吸着剤粒子を含む粒状吸着剤の床を使用することによって、吸着剤モノリスの問題のある特性に関わる制限の多くを克服するための技術が開発された。コアの外面上の吸着剤薄膜は、好ましくは約１〜１０００ミクロン、例えば約２５〜５００ミクロンの範囲の特徴的な厚さを有し得る。好ましい形態において、この構造化された吸着剤粒子は、粒子が露出した外面上に吸着剤が薄い付着性コーティングとして形成された中実の非多孔質のコアによって形成することができる。粒子は、典型的には、ガス混合物が吸着剤に容易に接触（又は到達、接近もしくはアクセス）できるように円筒形状または柱状の中空の形状として形成され得る。
【００１３】
低透過性を有するコアの表面における制御された厚さの膜の形態の吸着剤の使用は、典型的に１分未満、多くの場合それよりやや少ないサイクル持続時間を有する高速サイクル吸着法において大きな利点を有し得る。薄膜を使用することによって、吸着剤の蓄熱および熱保持を減少させることができ、それによって、吸着剤床における発熱および高温箇所を低減し／最小限に抑えることができ、コア材料の好適な選択によって、アルミニウム球などのヒートシンクの必要性を低減し／なくすことができ；表面コーティングおよびコアの表面に近接する比較的薄い層からの熱の高速の放出によって高速サイクルを促進することができる。比較的低い透過性（実質的に非多孔質）のコアの使用によって確保されるさらなる利点は、コア材料の内部の細孔構造中へのガスの流入を、大幅に抑制することができ、物質移動および熱伝達を薄い表面層においてより容易に行うことができ；コア構造内のガスの保持を低減し／最小限に抑えることができることであり得る。しかしながら、吸着剤層自体は、多孔質（ポーラス）の材料、例えば、微孔質（ミクロポーラス）、メソ多孔質（メソポーラス）、または混合マトリックスの材料であってもよい：重要な考慮事項は、それが、中実の、成形されたコアの表面に形成される薄いコーティングの形態で存在することである。これらの吸着剤は、動力学的に制御される（ｋｉｎｅｔｉｃａｌｌｙ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ）および平衡制御されるガス分離に使用され得る。
【００１４】
本発明のガス分離装置および方法は、既存の従来の充填床設備および方法に容易に用いられるさらなる能力を有し得るが、工学的に作製された吸着剤粒子がガス混合物の成分の所望の分離に有用な疑似モノリス（ｐｓｅｕｄｏ  ｍｏｎｏｌｉｔｈ）を形成するようにさらに組み立てられ得る粒子上に非常に薄い層の吸着剤を用いる。分離は、動力学的に制御されるかまたは平衡制御されて、あるいは混成法としてこれらの２つの組合せとして操作されてもよい。本発明は、例えば、圧力スイング吸着、分圧パージ置換サイクル、熱スイング吸着、およびこれらの方法の組合せなどの周期的なスイング吸着法に適用可能である。これらの方法は、好ましくは、高速サイクル方法として操作され得る。圧力スイング吸着法の場合、短い（高速の）サイクル時間が、典型的に、１分未満、多くの場合それよりやや少なく、例えば、１〜２５秒間程度であり得る。動力学的に制御される分離の場合、これは、汚染物質種の有用に大きい作動吸収および必要な成分の比較的小さい作動吸収のバランスを実現することができる。
【００１５】
吸着剤床は、好ましくは、モノリス（又はブロック）と従来のランダム充填材（ｒａｎｄｏｍ  ｐａｃｋｉｎｇ）との混成形態に近い高いレベルの秩序を有する秩序ある配置で構造化された吸着剤粒子とともに組み立て可能であり、さらに、両方の利点の多くを有する。この態様において、吸着剤床は、モノリスを模擬（又はシミュレーション）するように秩序正しく敷設された吸着剤が被覆された形状／粒子を使用することができ、あるいはさらに良好には、本明細書の実施形態は、分離されるガス混合物が、実質的に粒子の長さに沿って吸着剤材料に接触（又は到達、接近もしくはアクセス）できるようにするための、実質的に整列された、長手方向に延在するガス流路／通路を設けることによって、複数（又は多重）の積層されたまたは一連の「微細（ミクロ）」モノリスを模擬することができる。粒子は、床に直接または、より好ましくは、パッケージ（ｐａｃｋａｇｅ）／バンドル（ｂｕｎｄｌｅ）の形態の局部的に構造化された領域のいずれかに敷設することができ、これらのパッケージ／バンドル自体は、床における粒子が少なくともいくつかの欠点を伴わずにモノリスと同様に機能的に挙動するように同様に配向され得る。
【００１６】
粒子が、本明細書の実施形態におけるパッケージ／バンドルへと成形されることになる場合、吸着剤粒子は、好ましくは、粒子の外側のガス流の成分のうちの少なくとも１種の吸着に対して選択的な好適な吸着剤材料の表面コートをまず形成することによって形成され得る。次に、被覆された吸着剤粒子は、整列されたガス流路を備えた秩序ある配置で、塊（マス（mass））で敷設され得る。次に、粒子の塊が結合（又は密着）されて、秩序ある配置が局部的に構造化された領域を形成するように維持された凝集性（又は粘着性もしくはコヒレント）の自己支持性（又はセルフサポートもしくは自立）の塊が形成され得、次に、それが、吸着容器中で組み立てられて、所望の秩序ある吸着剤床が形成され得る。
【００１７】
秩序ある吸着剤床を用いて、動力学に基づいた吸着分離ガス方法に利益をもたらすことができ、その場合、吸着剤材料の薄い表面コーティングを有する模擬モノリスの利点が最も著しいが、それは、それに加えてまたはその代わりに、平衡吸着法および混成平衡−動的方法に用いられ得る。全てのこれらのタイプの方法において、ガス状汚染物質を含有するガス混合物が、秩序ある吸着剤床において、分離を行うために粒子上の吸着剤コーティングと接触され得る。動力学的に制御される方法において、ガス混合物の異なる成分が、異なる拡散特性を有し得るため、汚染物質の少なくとも１つが、吸着剤においてより速い拡散速度に曝され、その結果、減少されたレベルのより速く拡散される汚染物質を含有するガス流が得られ、より遅く拡散される成分が、精製された生成物として取り出され得る。平衡方法において、成分の異なる平衡収着が、成分の互いに対する優先的な収着を行うために用いられ得る。混成法において、両方の物理化学作用が用いられ得る。しかしながら、制御されたこの方法は、輸送パイプライン、産業用ガス、および／または市販用のガスの規格を満たすのに十分なガス生成物を生成するために、硫化水素および／または二酸化炭素などの酸性の汚染物質を除去するために、天然ガス精製に特に有用であり得る。
【００１８】
さらに、以下の文献が、本出願に関するものとして、およびそれらの関連する開示内容のために、全体が参照により本明細書に援用される：それぞれ２０１１年３月１日に出願された、米国仮特許出願第６１／４４７，８０６号明細書、同第６１／４４７，８１２号明細書、同第６１／４４７，８２４号明細書、同第６１／４４７，８３５号明細書、同第６１／４４７，８４８号明細書、同第６１／４４７，８６９号明細書、および同第６１／４４７，８７７号明細書、ならびにそれらに対する優先権を主張して出願された７つの米国非仮特許出願。さらに、以下の文献が、本出願に関するものとして、およびそれらの関連する開示内容のために、全体が参照により本明細書に援用される：それぞれ２０１１年３月１日に出願された、米国仮特許出願第６１／４４８，１１７号明細書、同第６１／４４８，１２０号明細書、同第６１／４４８，１２１号明細書、同第６１／４４８，１２３号明細書、および同第６１／４４８，１２５号明細書、２０１２年２月３日に出願された同第６１／５９４，８２４号明細書、およびこれと同日に出願されたＲｏｂｅｒｔ  Ｆ．Ｔａｍｍｅｒａ  ｅｔ  ａｌ．による「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｈａｖｉｎｇ  ａ  Ｒｏｔａｒｙ  Ｖａｌｖｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ａｎｄ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｔｈｅｒｅｔｏ」という発明の名称の出願、ならびにそれらに対する優先権を主張する任意のＰＣＴ出願および米国非仮特許出願。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】半径流動作のための秩序ある吸着剤床を含む吸着剤のモジュールの簡略化された断面図である。
【図２Ａ】本発明に使用するのに好適な中空の円筒形状の構造化された吸着剤粒子の図である。
【図２Ｂ】本発明に使用するのに好適な中空の四角形の吸着剤粒子の図である。
【図２Ｃ】２つの溝付きの側壁を備えた中空の六角形の構造化された吸着剤粒子の断面の図である。
【図３Ａ】疑似モノリスを形成するように構成された図２の中空の円筒形の粒子の配列の断面図である。
【図３Ｂ】疑似モノリスを形成するように構成された図２の中空の四角柱の粒子の配列の断面図である。
【図３Ｃ】疑似モノリスを形成するように構成された中空の六角柱の粒子の配列の理想的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（実施形態の詳細な説明）
概論
本発明は、吸着剤床内の熱伝達および物質移動を向上させ、それに加えてまたはその代わりに、吸着剤床の製造の困難さを軽減するという目的を有する。本発明の態様は、収着中に起こり得るエンタルピーの増加に起因する影響を軽減することもできる。このエンタルピーの増加は、熱管理材料が存在しない従来のランダム充填床およびモノリスにおいて約１５０℃もの高さであり得る床温度の上昇を不可避的に引き起こし得るが、約３０〜４０℃の上昇がより典型的である。いずれの場合も、発熱が吸着工程中に選択性を低下させることがあり、吸着剤材料および／または格納容器を損傷し得る高温箇所を生じ得る。
【００２１】
本発明の方法は、最小断面寸法が１センチメートル未満かつ１００ミクロン超の固体材料から形成されるコアの表面上の、例えば、約１〜約１０００ミクロンまたは約２５〜５００ミクロンの薄層の形態で、構造化された吸着剤を使用する。吸着剤層およびコアの特徴的な寸法が、破砕されたまたは断面を切断された構造化された吸着剤粒子の光学顕微鏡写真または（より好ましくは）走査型電子顕微鏡写真で測定され得る。吸着剤の薄膜は、吸着された汚染物質層を実質的に閉じ込めることができ、収着および脱着の速度を促進することができ；薄い吸着剤層の中へのおよび薄い吸着剤層から外への熱伝達および物質移動を容易に行うことができ、高速サイクル運転を促進する。高速サイクルプロセスでは、吸着剤層は、分子が、収着工程中に吸着剤層の大部分の中に拡散し、脱着工程中に離脱するのを可能にするのに十分に薄くすることができる。分子は（典型的に）高速サイクルプロセス中に粒子のコアに容易に接触（又は到達、接近もしくはアクセス）することができないため、比較的低い透過性の材料からコアを形成することによって、コアへの分子の接触（又は到達、接近もしくはアクセス）をさらに抑えるのが好ましいことがある。比較的低い透過性の材料の非限定的な例としては、以下に限定はされないが、非多孔質固体ならびに約２０％未満、例えば約１０％未満の内部気泡を有する多孔質材料が挙げられる。それに加えてまたはその代わりに、粒子のコアは、ヒートシンクとして働くこともでき、吸着工程中の温度上昇を抑え、および／または脱着中の温度低下を軽減する。
【００２２】
吸着剤は、所望の低透過性の非多孔質材料または多孔質材料で形成され得る固体担体コア上の吸着剤材料の薄い付着性コーティング（例えばウォッシュコーティング）の形態で使用され得る。球形、楕円形、円筒形、立方体、角柱、多葉形（ｐｏｌｙｌｏｂａｒ）、および不規則形状、ならびに壁が拡散バリアを形成する中空シェル構造を含む、様々な粒子形状が、コア粒子に使用され得る。多くの形状（球形、立方体、および不規則形状など）では、粒子が吸着容器中に充填されるときに、ガス通路のランダムな配列が、典型的に形成され得る。ガス通路の寸法、ひいては吸着床にわたる圧力降下は、粒子の特徴的な寸法、粒子充填の密度、および粒径の多分散性によって設定され得る。
【００２３】
コア担体材料上の薄い外部ウォッシュコートまたは層の形態の吸着剤の使用は、動的分離方法に特に好ましいことがあり、動的分離方法は、上述されるように、吸着される種が平衡濃度に達するのを可能にするには短すぎる吸着／脱着サイクル時間の使用と関連するガス混合物中の成分の動的拡散特性の利用に依存する。コア担体材料上の吸着剤の薄い外部コーティングまたは層は、物質移動の効率性を高めることができ、それによって、吸着／脱着工程の高速サイクルを可能にすることができる。これは、基本的な分離方法を機能させるだけでなく、生産性を高めることもできる。吸着剤の内部の細孔構造への拡張拡散は、本明細書の実施形態に必要とされず、通常所望されない。非多孔質コアは、気相と拡散相との間の物質移動、高速サイクル運転中の重要な考慮事項を補助し、吸着の熱を抑える／消散させるより良好なヒートシンクを提供するのを補助する利点を与えることもできる。さらに、中実の非多孔質コアは、精製された相と、拡散されていない汚染物質を含有する前進相（ａｄｖａｎｃｉｎｇ  ｐｈａｓｅ）との間により鋭いフロント（ｆｒｏｎｔ）を生じ得る。
【００２４】
吸着剤材料（粒子）上に比較的均一な厚さの吸着剤層を有するのが好ましい。吸着剤層の好ましい厚さは、物質移動係数、ならびにスイング吸着法における主要な工程（例えば、吸着および脱着工程）の時間によって設定され得る。これらの物質移動速度定数の計算は、当業者に周知であり、それに加えてまたはその代わりに、標準的な試験データから当業者によって導き出され得る。参照により本明細書に援用されるＤ．Ｍ．Ｒｕｔｈｖｅｎ  ＆  Ｃ．Ｔｈａｅｒｏｎ，“Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ａ  Ｐａｒａｌｌｅｌ  Ｐａｓｓａｇｅ  Ａｂｓｏｒｂｅｎｔ  Ｃｏｎｔａｃｔｏｒ，”  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１２（１９９７），４３−６０には、物質移動が、吸着剤の厚さ、流路間隙、およびプロセスのサイクル時間によっていかに影響され得るかの多くの態様が開示されている。また、同様に参照により本明細書に援用される米国特許第６，６０７，５８４号明細書には、これらの移動速度および所与の吸着剤についての関連する係数の計算ならびに従来のＰＳＡに使用される試験標準組成物についての詳細が記載されている。
【００２５】
厚さは、吸着剤の平均厚さを指すものと有利に解釈され得る。厚さの均一性は、吸着剤の厚さの測定値から、および／または吸着剤が製造される方法から評価され得る。多くの実施形態において、吸着剤の厚さの均一性は、その厚さの標準偏差が平均厚さの約４０％未満、例えば、約１５％未満または約５％未満であるようなものであるのが好ましいことがある。
【００２６】
好ましい態様において、被覆された吸着剤粒子は、その付随する欠点のいくつかまたは全てを伴わずにモノリスの機能性に近づくことができる程度まで秩序ある構造へと組み立てられ得る。上述されるように、従来のモノリス吸着剤は、その独自の特徴的な利点および欠点を有し、そのうちの１つは、特に、コーティング溶液が、細孔の入口を塞ぎ、コーティング材料のさらなる侵入を妨げ得るとき、モノリスが比較的小さい直径の細孔を有する場合、担体上に吸着剤の薄く確実に均一なウォッシュコーティングを形成するのが困難なことである。この場合、モノリスの吸着特性は、予測不可能である可能性が高く、最適ではない。この欠点を克服するために、その低い屈曲度および予測可能な空隙体積を含む、モノリスの利点をある程度保ちながら、本発明の粒子吸着剤は、粒子の表面上に吸着剤材料の層を敷設し、次に、例えば、収着容器を密な充填床に直接充填するかまたは、より好ましくは、被覆された構造化された吸着剤粒子を、モノリスのブロックと同様に、ブロックの形態で容器中に充填され得る成形構造へと成形するかのいずれかによって粒子を吸着剤床へと組み立てることによって、模擬モノリスへと成形され得るのが好ましい。実際には、モノリス製造の従来の方法は、逆にすることも可能であり、吸着剤が担体粒子の外側に被覆され、次に、モノリス様構造が被覆された粒子から組み立てられる。このように、基本の吸着剤のより均一なコーティングが得られるだけでなく、模擬モノリスの細孔構造が、異なる形状および表面粗さの粒子を用いて制御され得る。このように操作する場合、吸着剤粒子は、少なくとも２：１、好ましくは少なくとも５：１の長さ：最大断面寸法の比率、および典型的に５ｍｍ以下、例えば１ｍｍ以下の最大断面寸法を有するべきである。粒子が、長手方向に延在する実質的に整列されたガス流路を有する秩序ある配置で敷設された後、次に、粒子は、塊で束状になり／接着されて、凝集性（又は粘着性もしくはコヒレント）の自己支持性（又はセルフサポート）の本体が形成され得る。次に、この塊は、所望の配向で整列されたガス通路を有する容器に入れられて、秩序ある吸着剤床が形成され得る。
【００２７】
実質的に粒子の長さに沿っておよびガスの拡散に利用可能な最大領域にわたって、吸着剤コーティングへのガスの接触（又は到達、接近もしくはアクセス）を可能にするために、互いに対して整列された長手方向のガス通路を有する粒子の秩序ある構成を有するのが望ましい場合、粒子は、例えば、少なくとも３：１、少なくとも５：１、少なくとも１０：１、または少なくとも２０：１などの、少なくとも２：１の長さ対最大断面寸法の比較的高いアスペクト比で形成され得るのが好ましいことがあり、コア材料の構造強度と潜在的に同程度に高い最大比率が、負荷、充填（後述されるように）、または使用中の粒子の過剰な破壊または摩砕を引き起こさずに可能であろう。この配置の粒子は、一般に、四角形、矩形、五角形、六角形、八角形などの様々な断面を有する円筒形または多角形の角柱として、あるいは多葉形の押出し物、（例えば、三葉体、四葉体など）として表され得る。それに加えてまたはその代わりに、粒子は、中央のガス通路を有して中空であってもよく、このガス通路自体は、粒子の外面とともに吸着剤で被覆されてもよい。長手方向の溝が、粒子の外部に沿ってさらなるガス流路または通路を提供するような形状で設けられてもよい。中空の粒子および溝付きの粒子は、典型的に、粒子に所望の破砕強度を与えるのに十分な最小壁厚を有するべきである。図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃは、使用され得る粒子形態の例を示す。図２Ａは、中空の円筒形粒子を示し、図２Ｂは、中空の四角形を示し、図２Ｃは、中空の六角形を示す。
【００２８】
吸着剤
コア粒子上に被覆される吸着剤材料は、使用上の必要性（ｓｅｒｖｉｃｅ  ｎｅｅｄ）、特に、流入ガス流の組成、除去されるべき汚染物質および所望の使用条件、例えば、流入ガスの圧力および温度、所望の生成物の組成および圧力に応じて選択され得る。選択的な吸着剤材料の非限定的な例としては、以下に限定はされないが、ゼオライト、金属有機構造体、ＡｌＰＯ、ＳＡＰＯ、ＺＩＦ（ＺＩＦ−７、ＺＩＦ−８、ＺＩＦ−２２などのゼオライト型イミダゾレート構造体をベースとするモレキュラーシーブ）、および炭素などの微孔質の材料、ならびにアミン官能化ＭＣＭ材料などのメソ多孔質材料、ならびにそれらの組合せおよび連晶（ｉｎｔｅｒｇｒｏｗｔｈ）が挙げられる。天然ガス流に典型的に見られる硫化水素および二酸化炭素などの酸性ガスについては、カチオン性ゼオライト、アミン官能化メソ多孔質材料、スズケイ酸塩、炭素、およびそれらの組合せ／連晶などの吸着剤が好適であり得る。
【００２９】
吸着剤コーティングは、コーティング、吸着剤粒子を含有する混合マトリックス膜、細孔構造中に収着剤（吸収剤または吸着剤）を有する多孔質層、または吸着剤材料のかなり連続した膜、ならびにこれらの構造の組合せを形成するように結合された個々の粒子（ゼオライト結晶など）の形態であり得る。混合マトリックス膜の非限定的な例としては、以下に限定はされないが、シリコーンゴム、ＤＤＲ、ＣＨＡ、ＭＦＩ、Ｂｅｔａ、ＦＡＵ、および／またはそれらの組合せまたは連晶などのゼオライトの粒子を含有するポリイミド膜などのポリマー膜（又はポリマーのフィルム）が挙げられる。コアの外部における混合マトリックス膜は、それに加えてまたはその代わりに、細孔／空隙構造を含み得る。空隙構造の例には、ポリマー吸着剤粒子間の空隙が含まれ得る一方、細孔構造は、典型的に、相互接続された細孔の網目構造を含み得る。吸着剤材料のかなり連続した膜の例には、吸着剤結晶の膜、非晶質吸着剤材料の膜などを形成するための連晶である結晶性吸着剤材料が含まれ得る。吸着剤結晶の連晶膜（又は連晶のフィルム（intergrown film））の例には、コアの外面上で成長されるＤＤＲ、ＭＦＩ、および／またはＣＨＡのゼオライト膜が含まれ得る。これらの膜は、それに加えてまたはその代わりに、空隙／細孔の網目構造を含み得る。細孔構造中に吸着剤を有する多孔質層の例には、細孔構造中に吸収されたイオン性液体を含む多孔質アルミナが含まれ得る。細孔構造中に吸着剤を有する多孔質層の例には、細孔構造中に充填／結合された小さいゼオライト粒子を含む多孔質アルミナが含まれ得る。
【００３０】
好適なコーティング方法の例には、スラリーコーティング、スリップコーティング、熱水による膜形成、熱水による化成皮膜処理（ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ  ｃｏａｔｉｎｇ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）、および熱水成長などの流体相コーティング技術が含まれ得る。非熱水（ｎｏｎ−ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ）コーティング技術が使用される場合、コーティング溶液は、典型的に、吸着剤およびポリビニルアルコールなどの粘性化剤（ｖｉｓｃｏｓｉｆｙｉｎｇ  ａｇｅｎｔ）、ならびに任意に熱伝達固体および結合剤を含み得る。熱伝達固体は、粒子のコアが、例えば、分離方法サイクルの異なる工程において熱を蓄え、放出することによって、それ自体のヒートシンクとして働き得る状況で必要とされなくてもよい。ポリビニルアルコールなどの粘性化剤が使用される場合、それは、通常、コーティングが例えば焼成炉（ｋｉｌｎ）中で硬化される場合、燃焼され得る。コロイドシリカおよび／またはアルミナなどの結合剤は、焼成されたコーティングの機械的強度を増加させるのに使用され得る。吸着剤が、微孔質、メソ多孔質、および／またはマクロ多孔質成分を含む場合、これは、典型的に、硬化されたコーティングの体積の約２０〜約６０％（例えば約２０％〜約４０％）を占め得る。このような成分を含有するコーティングの空隙体積を減少させるために、ブロッキング剤（ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ａｇｅｎｔ）が、別個のコーティングプロセスで塗布され得る。熱水による膜形成方法が、吸着剤層を塗布するのに選択される場合、使用されるコーティング技術は、ゼオライト膜が調製される方法に非常に類似していてもよい。ゼオライト層を成長させるための方法の一例が、このような方法の説明の援用のために本明細書において具体的に言及される米国特許第７，０４９，２５９号明細書に記載されている。担体上で熱水合成によって成長されるゼオライト層は、サイズがメソ多孔質および／またはマクロ多孔質である亀裂および粒子境界を有し得ることが多い。これらの細孔の体積は、約１０体積％未満の膜厚であり得ることが多く、亀裂の間に、特徴的な距離、または間隙が存在し得ることが多い。したがって、成長されたままの膜が、ブロッキング剤を必要とせずに吸着剤層として直接使用され得ることが多い。
【００３１】
吸着剤コーティングが、個々の結合された粒子の形態である場合、吸着剤材料の粒子は、液体、例えば、懸濁液または溶液からコア粒子上に塗布されてもよく、および／または例えば物理的引力によって粒子に付着され得る。個々の結合された粒子のコーティングを調製するための一方法が、粒子をコア上にウォッシュコートすることであり得る。ウォッシュコートは、吸着剤として機能しない結合剤粒子を含み得る。
【００３２】
吸着剤コーティングが、吸着剤粒子を含有する混合マトリックス膜である場合、それは、溶媒を含有するスラリーからコア上に付着され得、ポリマー、およびゼオライトが、様々な流体床において、ならびに噴霧乾燥および押出しプロセスにおいてコアの表面上に塗布され得る。これらの方法において、溶媒は、混合マトリックスポリマーおよびゼオライト膜を残して、有利に蒸発し得る。
【００３３】
構造化された吸着剤が、細孔構造中に吸着剤を有する多孔質層である場合、多孔質無機酸化物膜が、コアの表面上に形成され得、吸着剤液体が、細孔構造中に吸収され得、および／または吸着剤粒子が、細孔構造中に充填／塗布され得る。吸収する状況では、液体膜が細孔構造に容易に侵入する（すなわち、その内部を濡らす）ように酸化膜が選択されるのが好ましいことがある。それに加えてまたはその代わりに、細孔構造のサイズが、毛管作用によって液体を所定の位置に保持するように選択され得るのが好ましいことがある。コーティング／充填の状況において、乾燥粉末コーティング、スラリーコーティング、および／またはウォッシュコーティングなどのコーティング技術が、吸着剤粒子を細孔構造中に設置するのに使用され得る。
【００３４】
吸着剤が、吸着剤結晶の連晶膜である場合、コーティングは、熱水および／またはソルボサーマル合成によって生成され得る。例えば、連晶ＤＤＲ（ならびにＭＦＩ）結晶の膜は、熱水合成によって容易に生成され得る。吸着剤が、非晶質吸着剤材料の膜である場合、それは、コア上に塗布され、および／または化学反応によってコア上に形成される溶液であってもよい。
【００３５】
粒子コア
低透過性要件が高速サイクル運転について満たされる限り、コア材料は、多孔質または非多孔質であってもよい。特定の動力学的に制御される方法の拡散経路はより限られ得るため、非多孔質固体材料が、このような方法に好ましいことがあるが、減少した表面積を犠牲にするため、より短い拡散経路と関連するより速いサイクルが達成可能であるが、収着能全体が低下され得る。低透過性の多孔質固体が使用される場合、それは、アルミナ、シリカ、およびシリカ−アルミナなどの金属（半金属）酸化物または混合酸化物、またはゼオライト、ならびに微孔質サイズ範囲の細孔構造を有するシリカなどの従来の多孔質担体であり得る。透過性を比較的低く保つことが望ましいため、メソ多孔質およびマクロ多孔質材料が、好ましい可能性は低いが、メソ多孔質およびマクロ多孔質材料は、コア上の吸着剤層を形成するのに使用されてもよい。シリカゲルが、多孔質コアの好ましい供給源であり得るが、その理由は、シリカゲルが、ある範囲の細孔径および透過性で市販品として得られ、従来の押出し技術によって粒子へと成形するのに好適であり得るためである。
【００３６】
非多孔質粒子コアは、金属、ガラス、セラミック、プラスチックなどの任意の好適な材料で作製されてもよく、押出し、成形、または材料に基づく適切な方法によって大量生産され得る。コアは、ガラス／セラミックのマイクロバルーン（微小球）などの中空シェル／球体であり得る。コアは、それに加えてまたはその代わりに、真ん中の部分がポリマーなどの充填材を含み得る多孔質粒子であり得る。コア材料が、粒子の強度を高めるように選択され得る場合、コア構造のさらなる利点が生じ得る。したがって、コーティングが、熱応力または他の応力に起因する亀裂を形成する場合、粒子構造全体が維持されるであろう。さらに、本明細書の実施形態の吸着剤層に生じ得る機械的なまたは熱による亀裂は、モノリシック吸着剤層の大きい断面の著しい迂回（ｂｙｐａｓｓｉｎｇ）／不具合を生じ得るモノリスの吸着剤層の亀裂または不具合と対照的に、各個々の粒子のみに限られ得るのが有利である。
【００３７】
コアの主な機能が、ヒートシンクとして働くことであり得るため、コア材料の熱伝導性および熱容量は、一般に、粒子のサイズに応じて選択されるべきである。サイズ範囲の上端の粒子が、好ましくは、より小さい粒子より比較的高い熱伝導性を有し得るが、その理由は、より小さい粒子における熱拡散経路が限られ得、および／またはサイクル中の粒子中へのおよび粒子の外への熱伝達により、比較的短いサイクル時間でさえ、粒子内の蓄熱が生じ得ないためである。本明細書の関連する考慮事項は、粒子のサイズが空隙体積に影響を与え得るが；空隙比（又は空隙率）が粒径の変化、典型的に、主に／単に粒子の幾何学形状によって必ずしも影響されるとは限らず、粒子の表面積が線寸法の２乗のみで増加する一方、粒子間体積が線寸法の３乗によって増加するのに伴いガス／粒子の接触が減少され得るため、より大きい粒径から得られる粒子間のより大きいガス通路が、高速サイクル運転にとって好ましくないことがあることである。したがって、選択される吸着法の熱力学、所望のサイクル時間、および粒子の寸法の間でバランスが得られるのが有利である。
【００３８】
床の配置（又は形状もしくはコンフィギュレーション）
吸着剤粒子が、吸着剤容器の秩序ある配列中に充填される場合、それは、容器中のガス流の方向に実質的に平行に、例えば、上述されるように半径方向／軸方向に延在する、実質的に整列された粒子中のガス流路／通路を有するのが好ましいことがあり；これは、ガス流動速度を向上／最大化するために、高速スイングサイクルにおいて動作するユニットに特に重要であり得る。実質的に整列されたガス流路／通路は、完全に連続している必要がなくてもよいが、比較的高いレベルの秩序が、粒子の配向で巨視的レベルに維持され得；１つの粒子のガス流路が次の長手方向に隣接した粒子に直接つながることも、ガス流路／通路が正確に整列されることも必須ではないが、全体として考えると、床は、一般に、粒子の配向で高いレベルの秩序を示し得るのが有利である。
【００３９】
秩序ある吸着剤床を用いた例示的な吸着モジュールが、図１に簡略化された形態で示されている。吸着剤は、ガス混合物を容器に入れるための入口管路１１を備えた容器（ｖｅｓｓｅｌ／ｃｏｎｔａｉｎｅｒ）１０に収容される。入口管路１１は、流入するガス混合物をプレナムから環状吸着剤床１４へと流すために容器の内部に有孔壁１３を有する内部円筒形プレナム１２に接続され、環状吸着剤床１４は、担体グリッド１５上に置かれる。半径方向に流れるように吸着剤床を通過した後、吸着された成分が減少されたガス混合物は、環状プレナム１６中で吸着剤床の周囲に収集され、次に、端部プレナム１７および出口管路１８へと通過する。運転中、モジュールを用いて、ガスの本体から少なくとも１種の汚染物質ガスを分離して、管路１８から生成物として精製されたガスの流れを得ることができる。この場合、粒子中のガス通路は、軸方向流反応器中で；互いに対して半径方向に整列され得、ガス通路は、本明細書に記載される構造化された吸着剤パッケージ／バンドルの使用によって好都合に行われ得るように互いに対して平行に整列され得るのが好ましい。同様に、吸着モジュールは、軸方向流配置で秩序ある吸着剤床とともに設計され、用いられ得る。
【００４０】
本発明の粒子吸着剤床の１つの重要な特性は、ガス流が粒子の表面上に塗布される吸着剤に接触（又は到達、接近もしくはアクセス）することができるように、ガス流を、粒子に通して／粒子に通過させるためのガス通路を提供することであり得る。上述されるように、ガス通路は、粒子間の空間の網目構造、中空粒子中の中央通路、粒子の側面の溝またはそれらの組合せの形態を取り得る。典型的な粒子では、ガス通路は、約１ｍｍ（例えば、約０．５ｍｍ）の最大寸法を有し得るのが好ましく、個々の粒子は、１ｍｍ〜２ｍｍなどの０．２ｍｍ〜５ｍｍの特徴的な最小断面サイズを有する。
【００４１】
図２Ａは、内面２１および外面２２が、好ましくは非多孔質材料で形成され得る中空の円筒形固体担体コア上で吸着剤の薄いウォッシュコートで被覆された吸着剤の中空の円筒形粒子２０を示す。図２Ｂは、同様の中空粒子２４を示し、この場合、中空粒子２４は、その内面および外面上に吸着剤材料のウォッシュコートを同様に有する中空の四角形の形態の断面を有する。角柱粒子を形成するために、例えば、三角形、矩形、多角形（例えば、五角形、六角形、八角形などを含む）などの他の断面形態が可能である。角柱は、図２Ｂに示されるように、角柱の軸に沿って延在するガス通路を有する中空の角柱であってもよい。あるいは、角柱は、中央のガス通路なしで中実にされてもよく、その場合、角柱の側面は、ガス通路を設けるために溝付きであってもよい。別の代替案は、例えば、三葉体、四葉体などの多葉形の粒子の使用を含むことができ、これは、比較的大きい表面積対体積比の利点を有するため、吸着剤コーティング領域に対するガスの曝露を増加／最大化することができる。
【００４２】
粒子の形状は、所望の圧力降下に応じて選択され得る。例えば、四角形／矩形の断面を有する粒子は、粒子間の隙間が非常に少なく、より緊密にまとまる傾向があり得る。粒子が、合わさって隙間のない最密充填を形成する正多角形、例えば、三角形、矩形（四角形を含む）、または六角形の角柱の形態で作製される場合、ガス通路は、いくつかの方法で形成されてもよい。例えば、角柱の側面は、図２Ｃに示されるように溝付きであってもよく、最終的な床の隙間の増加を犠牲にするが、粒子の長さに沿ってさらなるガス通路を提供するために、その長手方向の側面のうちの２つの上に、中央のガス通路２６、ならびに溝２７を有する正六角形の中空粒子２５を示す。中央のガス通路２６への内面、ならびに外面は、吸着剤のウォッシュコートで被覆され得る。あるいは、多角形の粒子は、最大稠密度と適合しないように不規則な側面／角度を有してもよく、その場合、粒子の全ての外面が、粒子表面曝露の不規則性／ランダム性を許容しながら有利に吸着剤を塗布され得る（多角形のいくつかの面が、ガスの通路なしで直接的に対面接触することができる一方、他の面は、不規則な断面によって離れたまま保つことができ、ガスが側面間を通過し、吸着剤のコーティングと接触するための空間を許容する）。粒子の外面は、それに加えてまたはその代わりに、波形であってもよく、および／または制御された寸法のガス流路を提供するように均一な粗さ（制御された高さバンプ）を有し得る。
【００４３】
モノリシック吸着剤を模擬するために、本発明の粒子は、モノリスにおいて見られるのと比べて油圧制御が同等であるか、または向上された実質的に整列された平行のガス流路または通路を有する秩序ある構造化された配列に入れられ得る。これは、２つの方法のいずれかまたは両方で、例えば、容器中の粒子が実質的に並んだ配向にある吸着剤床を形成する高密度の床充填技術を用いて粒子を吸着容器中に並べることによって、および／または吸着容器中への吸着剤の処理および充填を容易にするように互いに実質的に平行なガス流通路とともに、粒子を所望の並んだ配向で束状にする／充填することによって秩序ある配列を形成することによって行われ得る。第２の選択肢が、粒子が、容器中に容易に処理および充填することが可能な成形ブロックへと成形され、および／または高密度の床充填が容器の吸着剤充填中に行われる場合より容易に監視／制御するために配向されることを可能にするため、いくつかの実施形態において、第２の選択肢が好ましいことがある。
【００４４】
高密度の充填は、各粒子が床の表面に入れられるように粒子を容器中に導入し、実質的に配向された形式で水平方向の静止位置を取ることによって行うことができる。これは、２つの目的のいずれかまたは両方を達成することができる：第１に、充填密度は、減少した空隙体積または空隙比とともに増加され得；第２に、粒子は、実質的に整列された静止位置を取り得る。実質的に、配向された充填の２つの異なる方法が存在し、１つまたは両方が、吸着剤の配向された充填：動的な充填およびガスで推進される充填に使用されてもよい。両方の方法において、ホッパー（ｈｏｐｐｅｒ）／漏斗が、床を保持するために容器中に延在するパイプ中に粒子を供給する。粒子吸着剤は、パイプを通過することができ、環状空間／間隙を通って水平方向に存在することができ、この環状空間／間隙は、ローダーパイプおよび平坦な偏向板、またはパイプの底部に取り付けられるコアの間の間隔を調整することによって垂直方向の幅が変化され得る。粒子吸着剤は、粒子分配器およびプロペラ（ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ）を回転させる空気圧モータ、回転ブレード、またはローダーから容器中の床空間へと触媒を分配するための一連のゴム片によって分配され得る。例示的な動的な充填方法が、米国特許第４，４２４，８３７号明細書および同第４，４３３，７０７号明細書に示される。
【００４５】
典型的なガスで推進されるシステムでは、空気またはＮ２などの推進ガスは、偏向板の上方の、ローダーパイプの中心に位置するスパージャ中に導入される。空気の噴射が、スパージャの水平な半径方向孔から出て、環状の間隙を通って外に向けられる。１つの市販用のガス推進技術は、供給パイプの端部で２つの偏向板を使用し、下側偏向板が容器の中心に触媒を供給する一方、上側板は容器の外壁に触媒を供給する。別の技術は、単一の偏向板を使用する。
【００４６】
図１に示されるタイプの容器に、半径流動作のための吸着剤の環状床を充填するために、容器のヘッダーは、中央のプレナムの上側部分ともに取り外し可能であり、充填システムは、中央のプレナムと容器の壁との間の環状の体積中に吸着剤粒子を分配するように調整される。あるいは、中央のプレナムの上部は、充填操作中に閉鎖キャップで容器の内部から遮断され得る。軸方向流運転が使用される場合、充填は、容器の体積中に分配される吸着剤によって、より簡単になり得る。いずれの場合も、粒子中に設けられたガス通路が、吸着剤の床を通って半径方向のガス流路を提供するように実質的に整列されるように、細長い吸着剤粒子が、半径方向の配向で敷設され得る。動的分離で行うのが好ましい高速サイクル運転の場合、流れに対する抵抗がより低い半径流動作がより好ましいことがある。
【００４７】
例として、本明細書の吸着剤粒子は、典型的に、約１ｍｍ〜約２ｍｍの直径および約３のＬ／Ｄ比を有していてもよい。これらの粒子は、傾斜（ｒａｋｉｎｇ）を有するランダム充填床中で約０．４２の空隙比で充填され得るが、粒子が上部から容器中に噴霧される場合、０．３６程度の空隙比が、配向された充填を用いて達成され得る。細長い粒子は、自由落下中に流体力学的に好ましい配向を取ることができ、ランダム充填された粒子と比較して、より高密度でおよび／またはより秩序ある形式で充填され得る。空隙体積および屈曲度に対する粒子の配向の影響は、３よりはるかに高いＬ／Ｄ比を有する粒子を用いて著しく高めることができる。例えば、吸着動的法は、配向された充填の向上された／最大の利点を得るために１０以上のＬ／Ｄ比を有する吸着剤粒子を使用してもよい。配向された充填を有する長い吸着剤粒子は、その欠点のいくつかまたは全てを伴わずに、かなり有利なモノリスを実現し得る。
【００４８】
緩い粒子による吸着容器の配向された充填または高密度の充填の好ましい代替案は、ガス通路で粒子の所望の配向を保持するように粒子を充填または束状にすることであり得る。潜在的に、例えば１〜５メートルの非常に大きい直径のバンドルが考えられる。（吸着剤の好ましい長手方向の配向の方向における）バンドルの端部間寸法は、約５ｃｍ〜約１００ｃｍ、例えば約１０〜約５０ｃｍの範囲であり得るが、用いられる吸着剤粒子の長さに応じてさらに長くてもよい。これらのパッケージ／バンドルは、実質的におよび機能的にモノリスを模擬し得るが、それらの製造または熱応力の欠点のいくつか／全てを伴わない。粒子は、吸着される容器中に嵌まるのに必要な形状の容器（ｉ）中に粒子を充填することによってパッケージ／バンドルへと成形され得、（ｉｉ）ガス成分の容易な通過を可能にするのに十分に大きいが、吸着剤粒子を収容するのに十分に小さい開口部を有する有孔材料で作製され得る。粒子は、容器のより小さい寸法に適合された高密度の充填または配向された充填技術を用いて、容器中に充填され得る。容器が満たされたら、中の粒子の損失を防ぐために容器は閉鎖／固定され得る。好適には、容器は、有孔の金属などの有孔のシート材料またはステンレス鋼ワイヤメッシュなどのメッシュ材料で作製され得る。容器は、吸着剤粒子が容器に敷設された後に乱されないように、その形状を維持するのに十分に剛性であり得るのが好ましい。別の好ましい選択肢は、塊を吸着容器中の所定の位置に配置した後に除去することが可能な接着剤で粒子を接着することによって、粒子を結合させて自己支持性の塊／ブロックにすることであり得る。接着剤は、任意に、溶媒、例えば、水または有機溶媒を用いて粒子から離れるように溶解され得るもの、および／または溶解されるかあるいは蒸発され得るものであり得る。例えば、粒子を好適な溶媒中の接着剤の浴を通して噴霧するかまたは通過させることによって、例えば、粒子が押し出されるにつれて、接着剤は塗布され得る。粒子自体は、所望の配向で必要な所定の形状の成形型に直接押し出されるか、または粒子の動的な質が実現可能な程度まで所望の整列を達成するまで利用される高密度の充填の技術を小規模に適合させて用いて成形型に投入され得る。
【００４９】
容器または結合された塊／ブロックは、容器断面を満たすために直線の側面の要素の規則的な配列の周囲に嵌まるような部分形状とともに、容器に合わせた形状、例えば、立方体、直方体、または六角柱で作製され得る。あるいは、容器には、ガス流が吸着剤容器中のみに流れるように保つ内部バッフルが装備されてもよい。バンドルの粒子は、容器中の向上されたまたは最適なガス流に必要とされる方向でガス通路とともに、例えば、半径方向流容器中で半径方向にまたは軸方向流容器中で軸方向に配向されたガス通路とともに配向され得る。
【００５０】
床中の温度均一性を促進するために、吸着剤が塗布された粒子は、熱を消散させ、および／またはそれを粒子から離れるように運ぶ働きをし得る板に塗布されてもよく、および／または板間に挟まれてもよい。アルミニウムなどの高導電性の金属が、この後者の機能に好ましいことがある。粒子が自己支持性の疑似モノリスへと成形されるかまたは有孔容器中に充填される場合、これらは、それに加えてまたはその代わりに、伝熱板の間に挟まれてもよい。
【００５１】
吸着容器に直接入れられ、および／またはブロック状のバンドル／パッケージへと成形された粒子が、吸着剤床中のより良好／最適な隙間のために製造され、組み立てられ得る。上述されるように、床中のより良好／最適な隙間は、デッドスペースに残っているガスからの希釈および／または床を通るガス拡散速度などの様々な要因のバランスを取ることによって得られる。本発明の床組み立て方法は、隙間がこれらの要因に応じて操作されるのを可能にする。三角柱、四角柱、および六角柱の場合のように、粒子の適合を正確にまたはほぼ正確に用いて、粒子間の空間は、減少され、最小限に抑えられ、あるいはなくされ得る。図３Ｂは、中空の四角形の粒子の床中の隙間のみが、各粒子の真ん中の下の中央の流路によって設けられることを示し、これは、所望の／最適な空隙体積に必要とされる値で設定され得るが、粒子間の空隙を生成するいくらかの充填不規則性のためにいくらかの許容差（ａｌｌｏｗａｎｃｅ）を設けることができる（例えば、これは、実験的手段によって統計的に評価され得る）。図３Ｃは、全床体積の３分の１の空隙比（中央の流路の空隙を除く）が得られるように配置された六角柱の粒子の比較的理想的な配置を示す（各六角形は、流路を除いて約３３％の全空隙比について六角形の体積の６分の１の体積をそれぞれ有する隣接する２つの三角形の空隙である）。六角形が、緊密な充填が得られるように置き換えられた代わりの層とともにより高密度で充填された場合、流路以外の空隙体積は、中央の流路のサイズおよび粒子充填の緊密度を調整することによって約ゼロに近づき、空隙体積は、より良好な／最適な機能のために所望の値になるまで増加され得る。中央の流路に加えてまたはその代わりに、図２Ｃに示される溝を用いて、空隙体積を調節することができ；同様の原理が、四角形／矩形の粒子に適用され得る。
【００５２】
特定の実施形態において、既存の設備における製造の容易さのためにおよび／または床中に沈降する能力または予測可能な充填密度の形状のために好ましいことがある円筒形粒子の場合、最終的な床／形状の全空隙体積は、典型的に、充填の完全性の程度に応じて決まる。図３Ａは、完全な緊密な充填を用いた床の断面を示し、ここで、空隙体積対全床体積の比率が以下のとおりである：
【数１】
2014509554.tif 000003
【００５３】
したがって、完全に充填された固体円筒形の床の最小細孔体積は、約９％であり得、これは、円筒形を通る中央の流路のサイズを調整することによって制御される増分で増加され得る。従来の床では、空隙比は、約４０％であり得ることが多く、高密度の充填では、典型的に、約３５％であり得る。細孔の比率は、天然ガスを処理する際にかなり低い値まで減少されてもよく、その理由は、流入するガス流が、通常、比較的高い圧力（典型的に、最大で７，０００ｋＰａｇあるいはそれ以上）で利用可能であるため、約１５０ｋＰａｇ〜約２００ｋＰａｇの圧力降下が容易に許容可能であり得るためである。上に示されるように、空隙比は、基本的にゼロまで減少され得、そのため、０％よりわずかに高い値から最大で３０％（例えば、１％〜３０％、５％〜２５％、５％〜２０％、５％〜１５％、または５％〜１０％）の範囲の空隙比が、全断面に関して、様々な断面形状およびガス通路サイズを有する粒子の使用によって得られ、さらなる制御が、粒子の規則性、表面粗さ、および／または充填密度によって達成可能である。一般に、粒子間の間隔を、その全体形状によって決定することができ、粒子の断面の正確な詳細は、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲であり得る。
【００５４】
図３Ａに示されるような円筒形粒子の緊密な充填床を用いて様々な例示的な場合について圧力降下を計算した。ここで、塗布される粒子の直径は、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍで変化した。流動ガスの粘度は、約１．７９×１０−５ｋｇ／ｍ−秒であると推定された。計算により、このような構造化された充填で満たされた容器中で、容器体積の約９０．７％を粒子が占め、残りの約９．３％の体積のみが、ガスが通って流れるのに利用可能であったことが示された。この約９．３％の体積は、実質的に、緊密に充填された円筒形粒子間の空間を表し、従来の粒子材料が充填された固定床で得られるであろう典型的な３５％＋の空隙比より著しく低い。以下の表１は、約９．３％の格子間の隙間を通る異なるガス速度で、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、および２．０ｍｍの直径を有する円筒形粒子の充填床についての単位長さ当たりの計算された圧力降下（ｋＰａ／ｍ）を示す。流体の動的計算により、流れが以下の表１に示される全ての流速で層流であったことが示された。
【００５５】
【表１】
2014509554.tif 000004
【００５６】
上記の吸着動的分離方法、装置、およびシステムは、ガスおよび油の処理などの、炭化水素の開発および生成に有用である。特に、提供される方法、装置、およびシステムは、ガス混合物からの様々な標的ガスの高速で大規模で効率的な分離に有用であり得る。
【００５７】
提供される方法、装置、およびシステムは、汚染物質および重質炭化水素（少なくとも２個の炭素原子を有する）を除去することによって天然ガス生成物を調製するのに使用されてもよい。提供される方法、装置、およびシステムは、露点の制御、スウィートニング／汚染除去（ｄｅｔｏｘｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、腐食防止／制御、脱水、発熱量（ｈｅａｔｉｎｇ  ｖａｌｕｅ）、調整処理（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）、および精製などの分離用途を含む実用に使用するためのガス状の原料流を調製するのに有用であり得る。１つ以上の分離用途を用いる用途の例には、燃料ガス、シールガス（ｓｅａｌ  ｇａｓ）、非飲用水、ブランケットガス、計測器用（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）および制御ガスの生成、冷媒、不活性ガス、および炭化水素の回収が含まれ得る。例示的な「上限の（ｎｏｔ  ｔｏ  ｅｘｃｅｅｄ）」生成物（または「標的」）酸性ガス除去規格には以下が含まれ得る：（ａ）２体積％のＣＯ２、４ｐｐｍのＨ２Ｓ；（ｂ）５０ｐｐｍのＣＯ２、４ｐｐｍのＨ２Ｓ；または（ｃ）１．５体積％のＣＯ２、２ｐｐｍのＨ２Ｓ。
【００５８】
提供される方法、装置、およびシステムは、炭化水素流から酸性ガスを除去するのに使用されてもよい。酸性ガス除去技術は、残りのガス埋蔵量がより高い割合の酸性（ａｃｉｄ（ｓｏｕｒ））ガス資源を示すにつれてますます重要になってきた。炭化水素原料流は、数百万分率〜９０体積％などの酸性ガスの量で幅広く変動し得る。例示的なガス埋蔵量からの酸性ガス濃度の非限定的な例には、少なくとも以下の濃度が含まれ得る：（ａ）１体積％のＨ２Ｓ、５体積％のＣＯ２；（ｂ）１体積％のＨ２Ｓ、１５体積％のＣＯ２；（ｃ）１体積％のＨ２Ｓ、６０体積％のＣＯ２；（ｄ）１５体積％のＨ２Ｓ、１５体積％のＣＯ２；または（ｅ）１５体積％のＨ２Ｓ、３０体積％のＣＯ２。
【００５９】
以下のうちの１つ以上が、比較的高い炭化水素回収率を維持しながら、望ましい生成物流を調製するために、本明細書において提供される方法、装置、およびシステムとともに用いられ得る：
（ａ）圧力スイング吸着（ＰＳＡ）、熱スイング吸着（ＴＳＡ）、および分圧スイングまたは置換パージ吸着（ＰＰＳＡ）などの１つ以上の動的スイング吸着法を、これらの方法の組合せを含めて使用すること；各スイング吸着法は、例えば、１つ以上の高速サイクル圧力スイング吸着（ＲＣ−ＰＤＳ）ユニットを用いて、１つ以上の高速サイクル温度スイング吸着（ＲＣ−ＴＳＡ）ユニットまたは１つ以上の高速サイクル分圧スイング吸着（ＲＣ−ＰＰＳＡ）ユニットとともに、高速サイクルで用いられてもよく；例示的な動的なスイング吸着法は、それぞれ全体が参照により本明細書に援用される米国特許出願公開第２００８／０２８２８９２号明細書、同第２００８／０２８２８８７号明細書、同第２００８／０２８２８８６号明細書、同第２００８／０２８２８８５号明細書、および同第２００８／０２８２８８４号明細書に記載されており；
（ｂ）ともに全体が参照により本明細書に援用される、２０１１年３月１日に出願された米国仮特許出願第６１／４４７，８５８号明細書、ならびにそれに対する優先権を主張する米国特許出願代理人整理番号２０１１ＥＭ０６０−ＵＳ２に記載されるような先進サイクルおよびパージを用いたＲＣ−ＴＳＡによって酸性ガスを除去すること；
（ｃ）それぞれ全体が参照により本明細書に援用される、米国特許出願公開第２００８／０２８２８９２号明細書、同第２００８／０２８２８８５号明細書、および同第２００８／０２８２８６号明細書に記載されるように、吸着剤に捕捉されるメタンの量を減少させ、全炭化水素回収率を増加させるためにメソ細孔性充填材を使用すること；
（ｄ）それぞれ全体が参照により本明細書に援用される、米国特許出願公開第２００８／０２８２８８７号明細書および同第２００９／０２１１４４１号明細書に記載されるゼオライトのうちの１つ以上などの、高い選択性を提供し、メタンおよび他の炭化水素の吸着（および損失）を減少させ／最小限に抑えるための適切な吸着剤材料を選択すること；
（ｅ）酸性ガスの排気がより高い平均圧力で捕捉され得るように、複数の工程において１つ以上のＲＣ−ＰＳＡユニットを中間圧力まで減圧し、それによって、酸性ガス噴射に必要な圧縮を減少させること；中間の減圧工程の圧力レベルが、全圧縮系を最適化するために酸性ガス圧縮機の中間圧力に適合されてもよく；
（ｆ）再噴射または通気の代わりに燃料ガスとして１つ以上のＲＣ−ＰＳＡユニットからの排気流などを用いて、処理および炭化水素の損失を最小限に抑えるために、排気またはリサイクル流を使用すること；
（ｇ）単一の床において複数（又は多重）の吸着剤材料を用いて、Ｈ２Ｓなどの微量の第１の汚染物質を除去してから、ＣＯ２などの第２の汚染物質を除去すること；このような区分された床は、最小のパージ流量でＲＣ−ＰＳＡユニットを用いてｐｐｍレベルまでの正確な酸性ガス除去を提供することができ；
（ｈ）１つ以上のＲＣ−ＰＳＡユニットの前に原料の圧縮を用いて、所望の生成物純度を得ること；
（ｊ）メルカプタン、ＣＯＳ、およびＢＴＥＸなどの非酸性ガス汚染物質の同時除去；それを達成するためのプロセスおよび材料の選択；
（ｋ）気固接触器に構造化された吸着剤を用いて、従来の充填床と比較して圧力降下を最小限に抑えること；
（ｌ）吸着剤材料の動力学に基づいてサイクル時間およびサイクル工程を選択すること；および
（ｍ）設備の中でも特に、連続する２つのＲＣ−ＰＳＡユニットを使用するプロセスおよび装置を使用すること、ここで、第１のＲＣ−ＰＳＡユニットが、原料流を所望の生成物純度まで清浄化し、第２のＲＣ−ＰＳＡユニットが、メタンを捕捉し、高い炭化水素回収率を維持するために第１のユニットからの排気を清浄化し；この一連の設計の使用が、メソ細孔性充填材の必要性を低下させ得る。
【００６０】
本明細書において提供される方法、装置、およびシステムは、５００万標準立方フィート／日（ＭＳＣＦＤ）を超える天然ガス、例えば１５ＭＳＣＦＤ超、２５ＭＳＣＦＤ超、５０ＭＳＣＦＤ超、１００ＭＳＣＦＤ超、５００ＭＳＣＦＤ超、１０億標準立方フィート／日（ＢＳＣＦＤ）超、または２ＢＳＣＦＤ超を処理する設備などの大規模なガス処理設備に有用であり得る。
【００６１】
従来の技術と比較して、提供される方法、装置、およびシステムは、より少ない設備投資、より少ない運転コスト、および／またはより少ない物理的な空間を必要とすることができ、それによって、海外および北極圏環境などの遠隔地での実装を可能にする。提供される方法、装置、およびシステムは、上記の利点を提供することができる一方、従来の技術と比較して高い炭化水素回収率を提供する。
【００６２】
それに加えてまたはその代わりに、本発明は、以下の実施形態の１つ以上を含み得る。
【００６３】
実施形態１
低透過性のコア（例えば、実質的に非透過性の中実コア）の外部に薄膜吸着剤コーティングを含む構造化された吸着剤粒子であって、上記粒子の最小断面寸法が１センチメートル未満かつ１００ミクロン超である、構造化された吸着剤粒子。
【００６４】
実施形態２
上記吸着剤コーティングが１０００ミクロン未満かつ１ミクロン超の厚さを有し、上記厚さが平均の厚さを示し、その均一性は厚さの標準偏差が上記平均の厚さの約４０％未満であるようなものであってもよい、実施形態１に記載の構造化された吸着剤粒子。
【００６５】
実施形態３
上記吸着剤コーティングが微孔質（ミクロポーラス）の材料（例えば、ＤＤＲ、ＣＨＡ、ＭＦＩ、Ｂｅｔａ、ＦＡＵならびにそれらの組合せおよび連晶から選択されるものなどのゼオライト；ＭＯＦ（金属有機構造体）；ＡｌＰＯ；ＳＡＰＯ；ＺＩＦ（ゼオライト型イミダゾレート構造体）；および炭素から選択される微孔質の材料）を含み、混合マトリックス材料（例えば、シリコーンゴムおよびポリイミドから選択されるポリマーを含むポリマー膜であって、ＤＤＲ、ＣＨＡ、ＭＦＩ、Ｂｅｔａ、ＦＡＵならびにそれらの組合せおよび連晶から選択されるものなどのゼオライトの粒子をさらに含むポリマー膜）を含み、および／または上記低透過性のコアの外面に直接成長させた吸着剤結晶の連晶膜（例えば、ＤＤＲ、ＭＦＩ、ＣＨＡならびにそれらの組合せおよび連晶から選択されるゼオライトを含む吸着剤結晶の連晶膜）を含む、上記の実施形態のいずれか１つに記載の構造化された吸着剤粒子。
【００６６】
実施形態４
上記粒子の長さ：最大断面寸法の比率が少なくとも５：１である、上記の実施形態の１つに記載の構造化された吸着剤粒子。
【００６７】
実施形態５
塊で配置された複数（又は多重）の吸着剤粒子（実施形態１〜５の１つ以上に記載の吸着剤粒子など）を含む構造化された吸着剤のモジュールであって、上記吸着剤粒子が、実質的に同じような方向に配向され、上記塊は、その中の上記吸着剤粒子の配向を実質的に維持するようなモジュール構成（又はモジュールの形状）で支持され、上記吸着剤粒子が少なくとも２：１、例えば少なくとも５：１の長さ：最大断面寸法の比率を有する構造化された吸着剤のモジュール。
【００６８】
実施形態６
外部の担体によって、および／または上記粒子を塊で結合させることによって、上記塊がモジュール構成（又はモジュールの形状）で支持される、実施形態５に記載の構造化された吸着剤のモジュール。
【００６９】
実施形態７
上記吸着剤粒子が、低透過性のコア（例えば、実質的に非透過性の中実コア）の外部に薄膜吸着剤コーティングを含み、上記粒子の最小断面寸法が１センチメートル未満かつ１００ミクロン超である、実施形態５または実施形態６に記載の構造化された吸着剤のモジュール。
【００７０】
実施形態８
上記吸着剤コーティングが１０００ミクロン未満かつ１ミクロン超の厚さ（上記厚さは平均の厚さを示し、その均一性は厚さの標準偏差が上記平均の厚さの約４０％未満であるようなものであってもよい）を有し、および／または微孔質の材料（例えば、ＤＤＲ、ＣＨＡ、ＭＦＩ、Ｂｅｔａ、ＦＡＵならびにそれらの組合せおよび連晶から選択されるものなどのゼオライト；ＭＯＦ（金属有機構造体）；ＡｌＰＯ；ＳＡＰＯ；ＺＩＦ（ゼオライト型イミダゾレート構造体）；および炭素から選択される微孔質の材料）を含み、混合マトリックス材料（例えば、シリコーンゴムおよびポリイミドから選択されるポリマーを含むポリマー膜であって、ＤＤＲ、ＣＨＡ、ＭＦＩ、Ｂｅｔａ、ＦＡＵならびにそれらの組合せおよび連晶から選択されるものなどのゼオライトの粒子をさらに含むポリマー膜）を含み、および／または上記低透過性のコアの外面に直接成長させた吸着剤結晶の連晶膜（例えば、ＤＤＲ、ＭＦＩ、ＣＨＡならびにそれらの組合せおよび連晶から選択されるゼオライトを含む吸着剤結晶の連晶膜）を含む、実施形態７に記載の構造化された吸着剤のモジュール。
【００７１】
実施形態９
上記モジュールの端部間の寸法（上記粒子の吸着剤の好ましい長手方向の配向の方向における上記モジュールの端部間の寸法）が約５ｃｍ〜約１００ｃｍである、実施形態５〜８のいずれかに記載の構造化された吸着剤のモジュール。
【００７２】
実施形態１０
低透過性のコア（例えば、実質的に非透過性の中実コア）の外部に薄膜吸着剤コーティングを含む構造化された吸着剤粒子（実施形態１〜４のいずれか１つに記載の吸着剤粒子など）の吸着剤床（実施形態５〜９のいずれか１つに記載の吸着剤のモジュールなど）と、少なくとも１種の汚染物質を含有するガス混合物を接触させる工程を含むガス分離方法であって、上記粒子の最小断面寸法が１センチメートル未満かつ１００ミクロン超であるガス分離方法。
【００７３】
実施形態１１
上記吸着剤コーティングが１０００ミクロン未満かつ１ミクロン超の厚さ（ここで上記厚さは平均の厚さを示し、その均一性は厚さの標準偏差が上記平均の厚さの約４０％未満であるようなものであってもよい）、例えば５００ミクロン未満かつ２５ミクロン超の厚さを有し、かつ／あるいは微孔質材料および／または混合マトリックス材料を含む、実施形態１０に記載の方法。
【００７４】
実施形態１２
上記吸着剤粒子が少なくとも２：１、例えば少なくとも５：１の上記粒子の長さ：最大断面寸法を有し、３０％以下の空隙比の上記吸着剤床中に位置決めされ、実質的に長手方向に延在する実質的に整列されたガス流路を提供するための秩序ある配置（又は整然とした配置もしくは整列した配置）にあり、上記ガス流路によって、上記分離されるガス混合物が上記粒子の少なくとも一部の長さに沿って上記吸着剤材料に接触（又は到達、接近もしくはアクセス）することができ、上記汚染物質の少なくとも一部を吸着させて、上記吸着される汚染物質材料の含量が減少した精製されたガス生成物を形成するための実施形態１０または１１に記載の方法。
【００７５】
実施形態１３
上記粒状の吸着剤粒子の秩序ある吸着剤床（又は整然とした吸着剤床もしくは整列した吸着剤床）が、実質的に長手方向に延在する実質的に整列されたガス流路を有する秩序ある配置で上記粒状の吸着剤粒子が敷設される局部的に構造化された秩序ある領域を含む、実施形態１０〜１２のいずれか１つに記載の方法。
【００７６】
実施形態１４
上記吸着剤粒子が、中央のガス通路を有する中空の円筒形状または中空の多角柱形状の形態にあるか、あるいは上記秩序ある配置における上記粒子の最大の対面接触を妨げる断面の不規則性（又は変則性、ムラもしくは凹凸）（例えば、多角形の辺の不規則な長さ又は不規則な頂角を含む不規則性）を有する多角柱形状の形態にある、実施形態１０〜１３のいずれか１つに記載の方法。
【００７７】
実施形態１５
上記吸着剤粒子が、上記秩序ある配置における上記粒子の最大の対面接触を妨げる均一な粗さの形態での表面の不規則性（又は変則性、ムラもしくは凹凸）を有し、および／または少なくとも２０ｍｍの長手方向寸法を有する、実施形態１０〜１４のいずれか１つに記載の方法。
【００７８】
実施形態１６
上記少なくとも１種の汚染物質がＣＯ２、Ｈ２Ｓまたはそれらの組合せであり、および／またはガス混合物が天然ガスである、実施形態１０〜１５のいずれか１つに記載の方法。
【００７９】
実施形態１７
３３％以下の空隙比を有し、なおかつ実質的に長手方向に延在する実質的に整列されたガス流路を提供するために秩序ある配置で吸着剤床に敷設された吸着剤粒子を含む秩序ある吸着剤床に、二酸化炭素および／または硫化水素を含む汚染物質を含有する天然ガスを含むガス混合物の流れを接触させる工程を含む動的（キネティック）なガス分離方法であって、上記ガス流路によって、上記ガス混合物が上記粒子の少なくとも一部の長さに沿って上記吸着剤材料に接触し、上記汚染物質の少なくとも一部を吸着させて、上記吸着される汚染物質材料の含量が減少した精製された天然ガス生成物を形成するためのガス分離方法。
【００８０】
実施形態１８
上記汚染物質の少なくとも一部を吸着させて上記吸着される汚染物質材料の含量が減少した精製された天然ガス生成物を形成するために、実質的に長手方向に延在する実質的に整列されたガス流路を提供するための秩序ある配置で上記吸着剤床に敷設された上記吸着剤粒子の局部的に構造化された領域（例えば、上記ガス流との接触の前に除去される接着剤で上記粒子を一緒に接着することによって形成される吸着剤粒子の局部的に構造化された領域）に上記ガス流を接触させる、実施形態１７に記載の動的（キネティック）なガス分離方法。
【００８１】
実施形態１９
ガス流を処理して上記ガス流からガス状汚染物質を除去するための秩序ある吸着剤粒子の吸着剤床を形成する方法であって、
実質的に長手方向に延在する実質的に整列されたガス流路を提供するための秩序ある配置で上記吸着剤粒子を塊で敷設する工程であって、上記ガス流路によって、上記ガス混合物が上記粒子の少なくとも一部の長さに沿って上記吸着剤材料と接触する工程と、
上記粒子を塊で結合（又は密着）させて（例えば、容器中で上記粒子を上記秩序ある配置で敷設することによって、および／または上記粒子を上記秩序ある配置で敷設し、接着剤などによって上記粒子を一緒に接着することによって上記粒子を塊で結合（又は密着）させて）、凝集性（又は粘着性もしくはコヒレント）の自己支持性（又はセルフサポート）の塊を形成する工程と、
吸着容器中で複数（又は多重）の上記塊を組み立てて秩序ある吸着剤床を形成する工程と
を含む方法。
【００８２】
実施形態２０
ガス流の成分を分離するための模擬吸着剤モノリス（又はシミュレーションされた吸着剤のブロック）を作製する方法であって
（ｉ）少なくとも２：１の長さ：最大断面寸法の比および１ｍｍ以下の最大断面寸法を有する中実の非多孔質粒子の外側に上記ガス流の成分の少なくとも１種の吸着に対して選択的な吸着剤材料のコートを形成する工程と、
（ｉｉ）実質的に長手方向に延在する実質的に整列されたガス流路を有する秩序ある配置で上記吸着剤粒子を塊で敷設する工程であって、上記ガス流路によって、上記ガス流が上記粒子の少なくとも一部の長さに沿って上記吸着剤材料と接触し得る工程と、
（ｉｉｉ）上記粒子を塊の状態で外部から支持するか、あるいは結合（又は密着）させて凝集性（又は粘着性もしくはコヒレント）の自己支持性（セルフサポート）の塊を形成する工程と、
（ｉｖ）吸着容器中で複数（又は多重）の上記塊を組み立てて秩序ある吸着剤床を形成する工程と
を含む方法。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【国際調査報告】
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