(57)【要約】ガス分離装置を開示する。特に、圧力スイング吸着装置等のガス分離装置用のシール組立体および吸着要素構造を開示する。シール組立体は回転バルブの一部分とすることができ、またシール裏打ち、およびこのシール裏打ちの孔内に配置した浮動シールを設けることができる。浮動シールは、隣接する回転子に向けて圧着してシールするように構成する。バルブ作用は、浮動シールおよび回転子の孔が、それらの間における相対的回転の結果として、整列し、つぎに整列から外れることによって、もたらされる。シール組立体は、２種類のガスチャンバを有し、バルブのシール面上に均衡したシール圧を加えることができ、一方のタイプは、加圧処理ガスを装置内から受容するように構成し、他方のタイプは、別個に制御された加圧ガス源からガスを受容するように構成する。装置内の吸着要素は、巻回積層吸着構体の端部に、改善したスペーサ十字状支持体構体を備えることができる。
2010516453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転ガス分離装置の回転バルブに使用するためのシール組立体において、シール裏打ちと、前記シール裏打ちに対して移動可能な嵌合する浮動シールとを備え、前記シール裏打ちは、前記浮動シールに貫通する流通ポートに整列する複数の開孔を有し、前記浮動シールは、前記シール組立体に対して回転する隣接面に封止係合するよう、前記シール裏打ちに対向するシール面を有し、前記シール裏打ちおよび嵌合浮動シールは、前記浮動シールに封止圧力を加えるため、処理ガスおよび活性化ガスのそれぞれを受けるよう、流体分離した処理ガスチャンバおよび活性化ガスチャンバを画定し、各処理ガスチャンバを、前記浮動シールを通る流通ポートに流体接続し、各活性化ガスチャンバを、活性化ガス源に流体接続したことを特徴とするシール組立体。
【請求項２】
請求項１に記載の組立体において、前記シール裏打ちは、前記浮動シールの嵌合段差部分を収容するための、少なくとも１個の段差付き孔を有することを特徴とする組立体。
【請求項３】
請求項１に記載の組立体において、前記処理ガスチャンバおよび前記活性化ガスチャンバは、前記段差付き孔の表面および前記浮動シールの前記段差部の表面により画定することを特徴とする組立体。
【請求項４】
請求項１に記載の組立体において、各活性ガスチャンバは、活性化ガスの外部供給源に流体接続可能としたことを特徴とする組立体。
【請求項５】
請求項４に記載の組立体において、活性化ガスチャンバは、全て相互に流体接続したことを特徴とする組立体。
【請求項６】
請求項５に記載の組立体において、さらに、前記シール裏打ちに開口する加圧ポートであって、活性化ガス受容チャンバに流体接続した、該加圧ポートを備える組立体。
【請求項７】
請求項３に記載の組立体において、前記浮動シールを円形とし、前記段差部は、周方向に間隔をあけて配置する複数の突起であって、該突起間に間隙を有する突起に分割したことを特徴とする組立体。
【請求項８】
請求項７に記載の組立体において、さらに、前記シール裏打ちと前記浮動シールとの間に配置して、前記処理ガスチャンバおよび前記活性化ガスチャンバを流体隔離する複数のシールを設けた組立体。
【請求項９】
請求項７に記載の組立体において、前記突起の少なくともいくつかは、異なる形状および異なる寸法を有することを特徴とする組立体。
【請求項１０】
請求項９に記載の組立体において、前記シール裏打ちの前記段差付孔は、前記浮動シールの前記段差部における前記突起を収容するための複数の孔を備えることを特徴とする組立体。
【請求項１１】
請求項９に記載の組立体において、各突起は、前記浮動シールの前記シール面に向かい合う処理ガスチャンバ表面および活性化ガスチャンバ表面を有することを特徴とする組立体。
【請求項１２】
請求項１１に記載の組立体において、突起における、前記処理ガスチャンバ表面の面積、および前記活性化ガスチャンバ表面の面積の合計が、対向する前記シール面の面積と等しくすることを特徴とする組立体。
【請求項１３】
請求項１１に記載の組立体において、前記処理ガスチャンバ表面の面積の、前記活性化ガスチャンバ表面の面積に対する比が、２個またはそれ以上の突起間で異なることを特徴とする組立体。
【請求項１４】
請求項１の前記シール組立体を備える回転バルブを備える回転ガス分離装置。
【請求項１５】
請求項１の前記シール組立体を備える回転バルブを備える回転圧力スイング吸着装置。
【請求項１６】
回転ガス分離装置内の回転バルブに封止を生ずるシール方法において、
固定子、回転子、および請求項１の前記シール組立体を備える回転バルブを備える回転ガス分離装置を設けるステップと、
加圧処理ガスを前記処理ガスチャンバ内に周期的に流すステップと、
前記シール組立体と前記回転子との間に圧力均衡化した封止を確立するのに適した圧力で、前記活性化ガスチャンバ内に活性化ガスを流すステップと、
を有する方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、前記ガス分離装置は、圧力スイング吸着装置とすることを特徴とする方法。
【請求項１８】
回転ガス分離装置の回転バルブに封止を行うシール方法において、固定子、回転子、および請求項１１の前記シール組立体を備える回転バルブを備える回転ガス分離装置を設けるステップと、
前記ガス分離装置に使用する前記処理ガス圧力に基づいて、各突起に対する処理ガスチャンバ表面積および活性化ガスチャンバ表面積を選択するステップと、
前記処理ガスチャンバ内に加圧処理ガスを周期的に流すステップと、
前記シール組立体と前記回転子との間に圧力均衡化した封止を確立するのに適した圧力で、前記活性化ガスチャンバ内に活性化ガスを流すステップと、
を有する方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、ローカルなネット閉鎖圧を、前記シール面の幅にわたって、前記ローカル処理ガス圧の約１０％となるように発生することを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の方法において、前記活性化ガスを、外部源から供給することを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１８に記載の方法において、前記活性化ガスチャンバの全てが、同じ圧力で活性化ガスを受容することを特徴とする方法。
【請求項２２】
圧力スイング吸着装置用の吸着要素において、
複数の積層の層間にセパレーションを有する積層を備える積層吸着構体であって、前記積層の層は、吸着材料および支持体を有する、該積層吸着構体と、
前記積層吸着構体の端部に設けたスペーサ支持体であって、前記積層吸着構体の前記端部で前記積層の層間に貫入する、該スペーサ支持体と、
を備える吸着要素。
【請求項２３】
請求項２２に記載の吸着要素において、前記積層吸着構体は、前記積層体の渦巻き状巻回により構成したことを特徴とする吸着要素。
【請求項２４】
請求項２２に記載の吸着要素において、前記スペーサ支持体は、十字形状を有することを特徴とする吸着要素。
【請求項２５】
請求項２２に記載の吸着要素において、前記スペーサ支持体は、エポキシ樹脂で形成したことを特徴とする吸着要素。
【請求項２６】
請求項２３に記載の吸着要素において、前記巻回した積層吸着構体の両側の端部にスペーサ支持体を設けた吸着要素。
【請求項２７】
請求項２２に記載の前記吸着要素を形成する方法において、
前記積層吸着構体を設けるステップと、
液体樹脂を前記積層構体の前記端部に塗布するステップと、
前記液体樹脂を前記積層構体の前記端部内に貫入させるステップと、
前記レジンを硬化させるステップと、
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００７年１月２４日に出願した米国仮出願番号第６０／８８６，４８６号の恩恵を請求するものであり、これを参考として本明細書に付記する。
【０００２】
本発明は、供給ガスから水素を分離するために用いられることができる回転式圧力スイング吸着装置等の、ガス分離装置に関する。とくに、本発明は、このような装置用の、シール組立体および吸着要素の構造に関する。
【背景技術】
【０００３】
ガス分離は、ガス混合物を、このガス混合物中に含まれる吸着され難い成分に比べて、より吸着され易い成分を優先的に吸着する吸着材料上を通過させることによって、達成されることができる。このようなプロセスの例としては、温度スイング吸着（temperature swing adsorption: ＴＳＡ）および圧力スイング吸着（pressure swing adsorption: ＰＳＡ）がある。ＰＳＡは、一般に、吸着材料に対してガス混合物の調和した圧力循環（周期変動）ステップを有する。全体圧力は、吸着床を通過する第１方向の流れの期間中に上昇させ、逆方向の流れの期間中に減少させる。このサイクルを繰り返えすと、吸着が困難な成分は第１方向に集中するとともに、より吸着が容易な成分は逆方向に集中する。
【０００４】
既知のＰＳＡにおけるいくつかの例が、特許文献１（米国特許第７０３７３５８号）および特許文献２（米国特許第７０９４２７５号）に開示されており、これらを参考として付記する。これら特許文献は、例えば、燃料電池に使用するために水素を精製することができるＰＳＡ装置を開示する。このことは、依然として、ＰＳＡ技術の重要な用途である。他の用途としては、例えば、メタンからの二酸化炭素の分離および酸素の精製がある。
【０００５】
圧力スイング反応装置（例えば、圧力スイング改質装置）も知られている。ＰＳＡ装置のように、圧力スイング反応装置は、一般に、ガス混合物の圧力を循環（周期変動）させるように構成する。この圧力循環によって、特に平衡律速反応の反応収率を改善することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，０３７，３５８号明細書
【特許文献２】米国特許第７，０９４，２７５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本明細書は、回転圧力スイング吸着装置等の回転ガス分離装置の実施形態を記載する。回転圧力スイング吸着装置は、例えば、複数の吸着要素を有する回転子と、複数の導管を有する固定子と、回転子と固定子との間に配置するシール組立体を備える回転バルブと、を有することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によるシール組立体の第１実施形態は、浮動シールの嵌合部を収容するシール裏打ちを備えており、この浮動シールは、シール裏打ち材に対して移動自在であるとする。このシール裏打ちは、浮動シールを通る流通ポートに整列さする複数の開孔を有する。浮動シールは、シール裏打ちと対面して、シール組立体に対して回転する隣接面に封止係合するシール面を有する。シール裏打ちおよび嵌合させた浮動シールは、処理ガスおよび活性化ガスのそれぞれを受容するための、流体隔離した複数の処理ガスチャンバおよび活性化ガスチャンバを画定する。処理ガスおよび活性化ガスは、浮動シールに封止圧力を加え、このことによって、浮動シールは隣接面に向けて移動する。処理ガスチャンバは、浮動シールを通る流通ポートに流体接続し、活性化ガスチャンバは、活性化ガスの供給源に流体接続することができる。
【０００９】
より詳細には、シール裏打ちは、浮動シールの嵌合用の段差部を収容するための、少なくとも１個の段差付き孔を設けることができる。段差付き孔の表面および浮動シールの段差部は、処理ガスチャンバおよび活性ガスチャンバを画定することができる。
【００１０】
活性化ガスチャンバのガス圧は、活性化ガスの外部供給源との流体接続により供給することができ、各チャンバの圧力は、別個に制御可能とすることができる。簡単な好適例では、複数の活性化ガスチャンバを全て相互に流体接続することができる。外部供給源からの活性化ガスは、シール裏打ちで開放している加圧ポートを介して活性化ガスチャンバに供給することができる。この加圧ポートまたは複数の加圧ポートは、少なくとも１個の活性ガスチャンバにおけるガス圧を監視して調整するための制御バルブおよび圧力ゲージに効果的に接続することができる。
【００１１】
多くの好適な実施形態では、浮動シールを円形とする。このような好適な実施形態のために、段差部は、複数の突起であって、これらの突起相互間に隙間ができるように、その周囲に間隔を置いた複数の突起に分割することができる。さらに、これらの突起のうち少なくとも１個は、処理ガスチャンバおよび活性化ガスチャンバを流体隔離するために、シール裏打ちと浮動シールとの間に配置したシールを設ける。突起は、同一の寸法および形状を有することができるが、ほとんど一般的には、これら突起のうちいくつかは異なる寸法および／または形状を有する。
【００１２】
シール組立体は、一般に、浮動シールの段差部における複数の嵌合突起を受けるための複数の孔を、段差付き孔としてシール裏打ちに設けることができる。このことによって、可変の封止圧力を、複数の嵌合部のうち２個またはそれ以上によってシール組立体の周囲に加えることができ、これにより、浮動シールを隣接する回転面に対して十分流体封止することができる。
【００１３】
シール組立体の各突起は、一般に、浮動シールのシール面に対面する処理ガスチャンバ面および活性化ガスチャンバ面を有する。突起における処理ガスチャンバ面および活性化ガスチャンバ面の総面積は、対面するシール面の面積と等しくすることができる。他の好適実施形態では、総面積は、対面するシール面の面積と等しくせず、したがって、対面するシール面の面積よりも広くする、または狭くすることができる。さらに、処理ガスチャンバ面の面積と活性化ガスチャンバ面の面積との比を、組立体に対して一定とすることができる。しかし、代案としては、この比を２個またはそれ以上の突起間で変化させることによって組立体周囲に異なる封止圧力を生ずることができる。
【００１４】
回転ガス分離装置（例えば、圧力スイング吸着装置）における回転バルブでの封止を生ずるためのシール方法の好適な実施形態も開示する。この方法は、固定子、回転子、および前述したシール組立体を備える回転バルブを備える回転ガス分離装置を設けるステップと、加圧処理ガスを処理ガスチャンバに繰り返し流入させるステップと、シール組立体と回転子との間で圧力均衡化した封止を確立するのに適した圧力で、活性化ガスを活性化ガスチャンバ内に流入させるステップと、を有する。
【００１５】
浮動シールに突起を備える上述の好適な実施形態のために、この方法は、固定子、回転子、およびシール組立体を備える回転バルブを備える回転ガス分離装置を設けるステップと、ガス分離装置に使用する処理ガスに基づいて、処理ガスチャンバの表面積および活性化ガスのチャンバの表面積を選択するステップと、加圧処理ガスを処理ガスチャンバに繰り返し流入するステップと、シール組立体と回転子との間で圧力均衡化した封止を確立するのに適した圧力で、活性化ガスを活性化ガスチャンバ内に流入させるステップと、を備えることができる。ローカルなネット閉鎖圧は、シール面の幅にわたって確立されるように、すなわち、ローカルな処理ガス圧の約１０％となるように、表面積を選択すると好適である。そして、やはり、これら好適な実施形態における活性化ガスは、外部供給源から供給することができ、活性化ガスチャンバは、同じ圧力で活性化ガスを受容することができる。
【００１６】
この方法は、様々な組成物の供給の流れを処理して、所望の生成ガスを生成するために使用することができる。実用的な好適実施形態に関して、このような所望の生成ガスの１つとして、水素がある。
【００１７】
また、圧力スイング吸着装置用の吸着要素であって、それらの構造内に改善されたスペーサ支持体を備える吸着要素も本明細書に開示する。このような吸着要素は、層間を分離して積層した複数の層を備える積層吸着構体を備える。この積層の層自体は、吸着材料および支持体を備える。さらに吸着要素は、積層吸着構体の端部に改善されたスペーサ支持体を備えており、この支持体は、積層吸着構体の端部で積層の層間を貫入させる。
【００１８】
積層吸着構体は、一般に、積層体の渦巻き状巻回により構成し、改善されたスペーサ支持体を、その両端部に使用することができる。この改善されたスペーサ支持体は、十字形状にすることができ、エポキシ樹脂で形成することができる。
【００１９】
上述の吸着要素は、積層吸着構体を提供し、この積層構体の両端部に液化樹脂（例えば、エポキシ樹脂）を塗布し、この液化樹脂を積層構体の両端部内に貫入させ、さらに樹脂を硬化させることによって、形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明回転ガス分離装置における一実施形態としての圧力スイング装置を示す第１斜視図である。
【図２】図１に示す回転圧力スイング装置の第２斜視図である。
【図３】図１に示す回転圧力スイング装置の第１側面図である。
【図４】図１に示す回転圧力スイング装置の第２側面図である。
【図５】図１に示す回転圧力スイング装置の頂部の平面図である。
【図６】図１に示す回転圧力スイング装置の底部の底面図である。
【図７】図１に示す回転圧力スイング装置の分解斜視図である。
【図８】図１に示す回転圧力スイング装置の回転子の分解斜視図である。
【図９】図１に示す回転圧力スイング装置の断面図であって、図４の９−９線上の断面図である。
【図１０】図１に示す回転圧力スイング装置の回転子の第１斜視図である。
【図１１】図１に示す回転圧力スイング装置の回転子の第２斜視図である。
【図１２】図１に示す回転圧力スイング装置の回転子の輪郭を示す側面図である。
【図１３】図１に示す回転圧力スイング装置の回転子の断面図であって、図１２の１３−１３線上の断面図である。
【図１４】図１に示す回転圧力スイング装置の回転子における頂部の平面図である。
【図１５】図１に示す回転圧力スイング装置の回転子における底部の底面図であって、一部を切除し、図１２の１５−１５線上の断面を示す底面図である。
【図１６】本発明による実施形態としての回転圧力スイング装置に使用するのに適した吸着要素の一実施形態の頂端部から見た平面図である。
【図１７Ａ】図１６に示す吸着要素の、図１６の１７−１７線上の断面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ａの吸着要素の実施態様における積層構造間のスペーサ十字状支持構造の平面図である。
【図１８】本発明による回転圧力スイング装置のいくつかの実施形態における、上部固定子プレートと上部回転子端部プレートとの間に用いる上部シール組立体の実施例の平面図である。
【図１９】図１８に示す上部バルブ組立体の分解斜視図である。
【図２０Ａ】図１８に示すような上部バルブ組立体の断面図であって、図１８における２０−２０線上の上部バルブ組立体の断面図である。
【図２０Ｂ】図１８に示すような上部バルブ組立体の断面図であって、図１８における２０−２０線上の上部バルブ組立体の断面図である。
【図２１Ａ】回転圧力スイング装置の動作中に、図１８に示す上部バルブ組立体の下部に作用する圧力を示す略断面図である。
【図２１Ｂ】比較用に示す、米国再発行特許第３８４９３号（US RE38493）から再現した従来技術のシール組立体の略断面図である。
【図２２】本発明による回転圧力スイング装置のいくつかの実施形態に適合する処理サイクルを受ける吸着要素に関する、無次元圧力対無次元時間のプロット線を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
特に説明をしない限り、本明細書で使用する技術的および科学的な用語は、本発明に関連する当業者が共通に理解できるものと同じ意味を有するものとする。文脈上それ以外であることを明示しない限り、単数表記の不定冠詞、冠詞を有するものであっても、複数存在する場合を含むものとする。同様に、文脈上とくに明示しない限り、「または」という文言は、「および」を含むものとする。「含む／有する」という文言は、「備える」ことを意味する。特に明示しない限り、本明細書に記載する全ての特許文献および刊行物は、その全体を参考として付記する。文言の意味または言い回しに矛盾が生じた場合、文言の説明を含む本明細書により規制することになる。「上方」、「下方」、「頂部」、「底部」「垂直」または「水平」等の方向を示す文言は、本明細書において、種々の要素間の関係を説明して明らかにするために使用する。このような文言は、絶対的な方向を示しているわけではない（例えば、「垂直な」コンポーネントは、装置を回転させることによって水平なコンポーネントになることができる）ことを理解されたい。本明細書に詳述する材料、方法および実施形態は一例にすぎず、本発明を限定するものではない。
本明細書に、回転圧力スイング装置の実施形態、本発明による回転圧力スイング装置に使用するコンポーネント（例えば、シール組立体）の実施形態、および回転圧力スイング処理を実施する方法の実施形態を開示する。
【００２２】
図１〜１５は、本発明回転圧力スイング装置における一実施形態の種々の図を示す。図示する回転圧力スイング装置１００は、上部固定子組立体１０４と下部固定子組立体１０６との間に配置する回転子組立体１０２を含む。上部固定子組立体１０４は、モータ１０８と、連結装置ハウジング１１０と、ギアボックス１１２と、を含む。図９に明示するように、モータ１０８、連結装置ハウジング１１０、およびギアボックス１１２を使用して、回転子組立体１１２内で回転子１１６に連結する駆動軸１１４を回転させることができる。回転子１１６の下方に、ガイドブッシュ１１７を車軸１１４から突出させ、このガイドブッシュ１１７は、下部固定子組立体１０６内のスリップリング１１８内に収容する。いくつかの実施形態では、熱電対等のインジケータを、ガイドブッシュ１１７に効果的に結合させることができる。インジケータは、動作中に駆動軸１１４が誤整列状態であるか否かを示すために有用である。例えば、インジケータが熱電対であり、駆動軸１１４が誤整列状態であると、結果的に生じるガイドブッシュ１１７上の摩擦によって熱電対が過熱され、この熱電対がアラームをトリガする、および／または信号を送信して、回転圧力スイング装置１００を停止させることができる。回転子１１６は、回転子ハウジング１１９内に収納する。支持ブラケット１２０を、この回転ハウジング１１９の外面に取り付ける。スリップリング１１８の周囲には、機器ハウジング１２１を設ける。
【００２３】
回転子１１６は、吸着要素１２２を回転させるのに有用である。吸着要素が回転して、流体ポートを流れる流体を受容すると、回転子１１６の回転は、各吸着要素１２２を通過する流体を循環させる。本発明による回転圧力スイング装置の実施形態を用いて種々のプロセスを実施することができると共に、１個のプロセスの例として、サイクル全体のそれぞれが、高圧吸着段階、および低圧排出段階を含む。さらに、いくつかの実施形態では、高圧吸着段階と低圧排出段階との間に１個またはそれ以上の還流段階を含む。また、実施形態によっては、高圧吸着段階に先立つ１個またはそれ以上の供給加圧段階および／または低圧排出段階に先立つ１個またはそれ以上の生成物パージ段階を含むこともできる。本明細書に開示する回転圧力スイングプロセスに関するその他の詳細は、本明細書の後半の、「例示的な処理仕様」という小見出し以降に記載する。圧力変換器（図示せず）を、典型的な吸着要素１２２の片方の端部、または両方の端部に設け、処理サイクルを監視しまた較正するためのデータを生成することができる。圧力変換器からの信号を、機器ハウジング１２１に収容できるようなコントローラに送信することができる。
【００２４】
図示した回転圧力スイング装置１００の実施形態は、回転子１１６の回転毎に、３回の完全なＰＳＡサイクルを実施するように構成する。完全なサイクルのそれぞれを形成する流路は、回転圧力スイング装置１００の１２０°の扇状区画を占める。この結果、回転圧力スイング装置の多くの要素を、区画毎に、類似の要素または同一の要素を有する３個一組にして反復する。他の実施形態は、回転毎にＰＳＡサイクルをより多くの回数、またはより少ない回数、例えば、４回、２回または１回実施するように構成することができる。回転毎にＰＳＡサイクルを１回以上含むことは、効率的な生成物生産にとって、また他の処理条件、例えば、圧力負荷を装置の周囲の辺りにより均等に分布させる、および装置の全体的な回転速度を、所定のＰＳＡサイクル速度に減速させる等の他の処理条件にとっても、有利になることができる。
【００２５】
図６に明示するように、流体供給混合物は、供給ヘッダー部１２４を通過して流れ、供給ダクト１２６から、回転圧力スイング装置１００の３個の区画にそれぞれ分配される。供給加圧ダクト１２８は、各供給ダクト１２６から分岐する。各供給加圧ダクト１２８を通過する流れは、供給加圧ダクトバルブ１３０によって制御することができる。下部回転子組立体１０６は、回転圧力スイング装置１００の３個の区画のそれぞれに、１個の下部還流ダクト１３２を含むことができる。各下部還流ダクト１３２を通過する流れは、下部還流ダクトバルブ１３４によって制御することができる。
【００２６】
図示するＰＳＡ装置１００の実施形態は、一般的に、第１排出ヘッダー部１３６および第２排出ヘッダー部１３８を有する。排出ヘッダー部１３６および１３８は、下部固定子組立体１０６の、供給ヘッダー部１２４が位置する側とは反対側に配置する。第１排出ヘッダー部１３６は、３個の第１排出ダクト１４０からの排出物を受容する。第２排出ヘッダー部１３８は、３個の第２排出ダクト１４２からの排出物を受容する。回転圧力スイング装置１００の３個の区画は、それぞれ第１排出ダクト１４０および第２排出ダクト１４２を有する。１区画当たり２個の排出ダクトを有することによって、２回の別個の排出ステップを、サイクル中に、２種類の異なる圧力条件で生じさせることが可能となる。排出圧縮器（図示せず）を利用すると、サイクルあたり２回の排出ステップを有することによって、圧縮器の寸法を減少させることが可能となる。この理由としては、この圧縮器は、第２排出ステップにのみ取り付けることができるからである。
【００２７】
上部固定子組立体１０４の構造を、図５に明示する。生成物は、生成ヘッダー１４４を経て回転圧力スイング装置１００から出る。生成物は、３個の生成ダクト１４６によって生成ヘッダー１４４に供給され、各１個の生成ダクト１４６は、回転圧力スイング装置１００の３個の区画に、それぞれ流体接続する。生成加圧ダクト１４８を、生成ダクト１４６のそれぞれに接続する。各生成加圧ダクト１４８を通る流体は、生成加圧ダクトバルブ１５０によって制御する。生成パージダクト１５２を生成ヘッダー１４４に流体接続して、パージ流体を吸着要素１２２に供給し、ここでパージ流体は生成物流体とすることができる。生成パージダクト１５２を通る流体は、生成パージダクトバルブ１５４によって制御することができる。代案としての実施形態では、３個の別個の生成パージダクトバルブを使用して３個の独立した生成パージダクトを制御することができるようにし、装置全体の３個の区画に各１個の生成パージダクトが存在する。上部固定子組立体１０４は、さらに、上部還流ダクト１５６を有する。回転圧力スイング装置１００の各区画は、３個の上部還流ダクト１５６を有し、これら上部還流ダクトはそれぞれ上部還流ダクトバルブ１５８を有する。
【００２８】
回転圧力スイング装置１００の分解図である図７につき説明すると、上部固定子組立体１０４は、種々の流体ダクトを流体接続して、回転子１１６（図８および図９に示す）に対して流入、または流出する流れを生ずる、上部遷移鋳造体１６０を有する。同様に、下部固定子組立体１０６は、回転子１１６（図８および図９に示す）に対して流入または流出する流れを生ずる、種々のダクトを接続する下部遷移鋳造体１６２を有する。上部遷移鋳造体１６０の下側および下部遷移鋳造体１６２の上側に、それぞれ上部ガスケットシール１６４および下部ガスケットシール１６６を設ける。上部ガスケットシール１６４および下部ガスケットシール１６６は、流体ポートを互いに隔離し、上部遷移鋳造体１６０および下部遷移鋳造体１６２と、上部固定子組立体１０４および下部固定子組立体１０６との間における接触面での流体漏出を減少させる、またはほぼ排除する。
【００２９】
上部固定子組立体１０４は、上部ガスケットシール１６４の下側に上部固定子プレート１６８を有する。同様に、下部固定子組立体１０６は、下部ガスケットシール１６６の上側に下部固定子プレート１７０を有する。上部固定子プレート１６８および下部固定子プレート１７０は、ボルト締めすることによってなどして、上部遷移鋳造体１６０および下部遷移鋳造体１６２に、それぞれ効率的に連結する。また、上部固定子プレート１６８および下部固定子プレート１７０は、回転子ハウジング１１９にも効率的に連結する。図１１に示すように、回転子１１６は、上部回転子端部プレート１７２および下部回転子端部プレート１７４を有する。図１４に示すように、上部回転子端部プレート１７２は、上部回転子開孔１７６のリングを有する。図１５に示すように、下部回転子端部プレート１７４は、回転子端部プレート１７４の周囲に環状に配置した複数個の下部回転子開孔１７８を有する。
【００３０】
図９および図１３は、回転子１１６の断面図を示す。図示する実施形態では、上部回転子開孔１７６の直径は、下部回転子開孔１７８の直径よりも小さくする。このことは、回転圧力スイング装置１００の各端部で生じる、異なるガス組成物の流体流れを最適化するのを助成する。図９に示すように、上部シール組立体１７９を、上部固定子プレート１６８と上部回転子端部プレート１７２との間に配置する。同様に、下部シール組立体１８０を、下部固定子プレート１７０と下部回転子端部プレート１７４との間に配置する。
【００３１】
再び、図９および図１３につき説明すると、上部回転子開孔１７６は、上部ｙ−マニホルド１８１を介して、回転子１１６内の吸着要素１２２の頂端部に流体接続する。同様に、下部回転子組立体１７８は、下部ｙ−マニホルド１８２を介して、回転子１１６内の吸着要素１２２の底端部に接続する。上部ｙ−マニホルド１８１および下部ｙ−マニホルド１８２によって、２個の互いに平行な吸着要素１２２を実質的に１個の要素として機能することを可能にする。例えば、一組の上部回転子開孔１７６および下部回転子開孔１７８間の流れを、２個の互いに平行な吸着要素１２２間で分流させることができる。他の実施形態では、上部回転子開孔１７６および下部回転子開孔１７８を、一度に１個の吸着要素１２２にだけ連通させる、または３個、４個またはそれ以上の数の吸着要素と同時に連通させることができる。
【００３２】
詰め込み効率は、１列に配置した少数の比較的大きな吸着要素を使用するよりもむしろ、複数の列に配置した多数の比較的小さな吸着要素１２２を使用することによって改善することができる。図示する実施形態（例えば、図８参照）では、回転圧力スイング装置１００の３個の区画が、それぞれ１４対の吸着要素１２２、すなわち２８個の別個の吸着要素を有する。このように、回転圧力スイング装置１００は、全体として、４２対の吸着要素１２２、すなわち８４個の別個の吸着要素を有する。当然、異なる実施形態としては、異なる空間的配置内に異なる数の吸着要素を有することができる。吸着要素１２２の配置を選択する場合、回転圧力スイング装置１００の多くの設計上の特徴を考慮する。このような特徴としては、上部ガスケットシール１６４および下部ガスケットシール１６６の全体的なピッチ円直径、回転速度、ガス流効率および死（停滞）ガス量がある。
【００３３】
図８は、回転子１１６の分解図である。図示のように、リング状に配列した内側タイロッド１８４および外側タイロッド１８６が存在する。内側タイロッド１８４および外側タイロッド１８６は、それぞれスペーサ鞘１９２内に部分的に挿入したねじ付きの中心シャフト１９０を有する。中心シャフト１９０の両側の端部を、スペーサ鞘１９２の端部を越えて突出させる。内側タイロッド１８４および外側タイロッド１８６は、それらの頂端部および底端部を、それぞれ上部回転子端部プレート１７２および下部回転子端部プレート１７４圧着するナット１８８で固定する。固定後には、スペーサ鞘１９２の頂端部および底端部は、上部回転子端部プレート１７２および下部回転子端部プレート１７４に、それぞれ圧着する。このことによって、望ましくない負荷を吸着要素１２２に加えることなく、上部回転子端部プレート１７２および下部回転子端部プレート１７４の位置および平坦性を精密に制御することができる。
【００３４】
図１５は、ＰＳＡ装置１００の図示した実施形態用の回転子１１６内における吸着要素１２２の配列を示す部分断面を有する。上述したように、吸着要素１２２は、対にして配列することができる。これら対を、入れ子パターン、格子パターン、放射状パターンで配列することによって、詰め込み効率を改善することができる。例えば、第１ボックス１９４は、吸着要素１２２Ａ，１２２Ｂの内側対を包囲し、第２ボック１９６は、吸着要素１２２Ｃ，１２２Ｄの外側対を包囲する。側対の吸着要素１２２および外側対の吸着要素は、隣接する上部回転子開孔１７６および下部回転子開孔１７８に連通する。第１ボックス１９４および第２ボックス１９６は重なり合う。このように、内側対の吸着要素１２２Ａの一部を、外側対の吸着要素１２２Ｃ，１２２Ｄ間に配置して、外側対の吸着要素１２２Ｄの一部を、内側対の吸着要素１２２Ａ，１２２Ｂ間に配置する。この入れ子構造によって、吸着要素の対を均一にリング状に配列した場合に可能となる詰め込みよりもより緊密な吸着要素１２２の詰め込みを可能にし、さらに、全ての吸着要素１２２に対する均一な流体流を可能にする。
【００３５】
図９および図１３につき説明すると、上部回転子開孔１７６および下部回転子開孔１７８のリングと、吸着要素１２２の互い違いの対との間における連通は、上部ｙ-マニホルド１８１および下部ｙ-マニホルド１８２の向きおよび配置によって達成する。とくに、上部ｙ-マニホルド１８１および下部ｙ-マニホルド１８２は、互い違いにし、各ｙ-マニホルドは、隣接するｙ-マニホルドに対してその垂直軸線上で反転させる。上部マニホルド１８１は、異なる長さの流路１８３，１８５を有する。同様に、下部マニホルド１８２は、異なる長さの流路１８７，１８９を有する。上部ｙ-マニホルド１８１および下部ｙ-マニホルド１８２は、それぞれ異なる長さの２個の流路を有するので、それらを垂直軸線上で互い違いにして反転させることによって、全ての流路を均一リングに終端させることができる。図９および図１３に示す断面図は、この点を示している。図９および図１３では、回転子１１６の左側の吸着要素１２２Ａ，１２２Ｂは内側対を示し、回転子の右側の吸着要素１２２Ｃ，１２２Ｄは、外側対を示す。左側の上部ｙ-マニホルド１８１および下部ｙ-マニホルド１８２は、駆動軸１１４に近接する吸着素子１２２に流入する長い流路、および駆動軸１１４から離れた吸着素子１２２に流入する短い流路を有する。一方、右側の上部y-マニホルド１８１および下部ｙ-マニホルド１８２は、駆動軸１１４に近接する吸着要素１２２に流入する短い流路、および駆動軸１１４から離れた吸着素子に流入する長い流を有する。この構造の結果、流路１８５，１８７の全てが、上部回転子開孔１７６および下部回転子開孔１７８に整列した均一リングとして終端する。
【００３６】
例示的な吸着要素
図１６および図１７は、本発明回転圧力スイング装置の実施形態用に使用することに適する吸着素子の一実施形態を示す。図１７Ａに示すように、吸着要素２００は、複数の吸着床を有する。例えば、一実施形態においては、第１放射状吸着体２０２、第２放射状吸着体２０４、第３放射状吸着体２０６、および第４放射状吸着体２０８を有する。第１放射状吸着体２０２、第２放射状吸着体２０４、第３放射状吸着体２０６、第４放射状吸着体２０８は、第１マンドレル２１０、第２マンドレル２１２、第３マンドレル２１６および第４マンドレル２１８のそれぞれに同心円状に巻回する積層シートである。随意的にスペーサを使用して、吸着体を離間させることができる。例えば、３個のエポキシ樹脂製スペーサクロス２１８は、第１放射状吸着体２０２と第２放射状吸着体２０４との間、第２放射状吸着体２０４と第３放射状吸着体２０６との間、および第３放射状吸着体２０６と第４放射状吸着体２０８との間のそれぞれに配置する。エポキシ樹脂性スペーサクロス２１８は、圧力変動の結果として生じる積層シートの軸線方向変位を防止することを助成する。吸着要素２００は、第１放射状吸着体２０２に隣接する供給床コネクタ２２０、および第４放射状吸着体２０８に隣接する生成床コネクタ２２２を有する。
【００３７】
タイロッド２２４は、第１マンドレル２１０、第２マンドレル２１２、第３マンドレル２１４、および第４マンドレル２１６に貫通して、供給床コネクタ２２０と生成床コネクタ２２２との間に延在する。タイロッド２２４の各端部で、ナット２２６等の締め具を、供給床コネクタ２２０および生成床コネクタ２２２の窪み棚２２７に圧着させる。このようにして、一方のナット２２６、または両方のナット２２６を締めることによって、タイロッド２２４の長さにわたって、吸着要素２００の内部コンポーネントに対して圧縮力を加えることができる。ハウジング２２８は、供給床コネクタ２２０と生成床コネクタ２２２との間における吸着要素２００の内部コンポーネントの周りに延在する。２個のＯ−リング２３０は、供給床コネクタ２２０および生成床コネクタ２２２のそれぞれの周囲に配置して、ハウジング２２８を、供給床コネクタおよび生成床コネクタに対して流体封止することを容易にする。同様に、２個のＯ−リング２３２を供給床コネクタおよび生成床コネクタのそれぞれの周囲に配置して、供給床コネクタおよび生成床コネクタを、回転圧力供給スイング装置１００の他の部位に対して流体封止することを容易にする。例えば、回転圧力スイング装置１００では、供給床コネクタ２２０および生成床コネクタ２２２を、下部ｙ−マニホルド１８２（図９）および上部ｙ−マニホルド１８１（図９）内にそれぞれ封止することができる。
【００３８】
図１７Ａに示すように、吸着要素の実施形態（例えば、図示する吸着要素２００）は、一般に２個またはそれ以上の区画を有する本発明による回転圧力スイング装置１００であって、これら区画が、それぞれ異なる吸着材料または異なる組み合わせの吸着材料を含むことができる回転圧力スイング装置１００に使用することに適している。本明細書に使用する、用語「吸着材料」は、特定のタイプの吸着材料に言及するものであり、また吸着材料の特定の組み合わせに言及する。吸着材料は、水素含有流体から炭化水素を分離する等の、特定の機能のために選択することができる。例えば、一連の吸着材料を選択し、軽い炭化水素を徐々に吸着し、水素生成物を残すことができる。吸着材料は、最も低い炭化水素親和性を有する吸着材料が、最も高い炭化水素親和性を有する吸着材料よりも、吸着要素の供給口により近接させて配置するよう、炭化水素親和性順に配置することができる。また、吸着材料は、水等の特定の混在物質を吸着する等の、異なる目的のために使用することもできる。各吸着体は、さらに複数の吸着材料の組み合わせを有するものとすることもできる。
【００３９】
本明細書に記載する、種々の吸着材料を備える吸着区画は、０よりも大きい任意の密度の吸着材料を備えることができる。しかし、いくつかの実施形態では、吸着材料は、密度が約３０％以上、約５０％以上、約７０％以上、約９０％以上、または約９５％以上の特定の吸着材料を備える。
【００４０】
本発明の実施形態に使用するのに適した異なるタイプの吸着材料としては、以下に限定するものではないが、アルミナ、シリカ、活性炭素、ゼオライト、およびこれらの混合物もしくは派生物がある。これらタイプの吸着材料の多くの異なるバリエーションを利用することができる。例えば、いくつかの本発明の実施形態では、異なる表面積を有する活性炭素を含む。例えば、アルミナ、シリカおよび活性炭素は、増大する親和性を有する。
【００４１】
いくつかの本発明による実施形態は、特定の流体成分に対して低親和性を有する、少なくとも１個の吸着材料と、その流体成分に対して中程度の親和性を有する、少なくとも１個の吸着材料と、その流体成分に対して高親和性を有する、少なくとも１個の吸着材料を有するものとする。複数の流体成分（例えば、炭化水素）を吸着するように吸着要素を構成する実施形態では、低親和性吸着材料を使用して最も重い流体成分を吸着することができ、中程度の親和性を有する吸着材料を使用して中程度の重量の流体成分を吸着することができ、さらに、高親和性吸着材料を使用して最も軽い流体成分を吸着することができる。
【００４２】
本発明による吸着要素の実施形態のいくつかは、アルミナ、シリカおよび活性炭素を含むものとする。例えば、いくつかの実施態様は、アルミナ、シリカおよび２タイプの活性炭素を有するものとし、炭化水素に対する親和性を増大させる。吸着要素の供給口から吸着要素の出口に向かって順に位置決めするこの組み合わせは、炭化水素および水素を含む流体から炭化水素を分離するのに特に効果的であることを見出した。これら吸着材料は、それぞれ単独で、または混合物の一部として、吸着要素の区画内で使用することができる。例えば、セグメント化した吸着要素は、供給口から出口に向かって以下の順で位置決めし、（１）アルミナを含む部分、（２）アルミナおよびケイ素を含む部分、（３）シリカを含む部分、（４）シリカおよび活性炭素を含む部分、および（５）活性炭素を含む部分、を有することができる。
【００４３】
吸着材料は、本発明による吸着要素の実施形態に種々の形式で組み込むことができる。いくつかの実施態様では、吸着材料は、粒状の形態とする。他の実施態様では、吸着材料は、積層形態とする。本明細書で使用しているように、用語「積層体」は、支持材料、および少なくとも１個の吸着材料、あるいは他の材料（例えば、触媒）から形成した構体に言及するものであり、この構体の上、周囲または内部をガスの混合物が流れて、ガスの吸着、分離および気相化学反応を生ずることができるようにするものである。積層体は、吸着要素内でロール状態にする、堆積する、または他の配列状態にし、所望する表面積および圧力降下を生ずるようにすることができる。一般に、積層体によれば、迅速な循環およびガス交換が可能となる。
【００４４】
積層構造は、セグメント化した吸着要素に用いるのに特に適している。ビーズ状または他の粒状の吸着体形態とは異なり、積層体は、一般に、密接した形状にすることができる。例えば、複数の積層部分を形成し、その後、シェル内に端部相互を突き合わせて配置することができる。スペーサを使用して、積層体の層間に一貫した分離を画定することができる。一般に、積層体は、高い表面積対体積比にすることによって、また、吸着材料を支持するために均一で、最小の厚さを有する構造を設けることによって、物質転移抵抗を最小にすることができる。積層体は、限られた量の吸着材料を効率的に使用することができるので、これらの積層体は、寸法、重量およびコストに対しても有益である。さらに、一般に、積層体およびスペーサは、ビーズ化またはペレット化して固めた吸着材料よりもより堅牢な構体を生じ、このことは、ＰＳＡ用途のような、常習的で過酷な振動および衝撃荷重の特徴が有る用途においては重要である。
【００４５】
本発明による回転圧力スイング装置の実施形態における積層体は、例えば、ワイヤメッシュを被覆する固定化吸着材料のシートとすることができる。これらシートの厚さは、吸着材料のタイプに基づいて変化する。例えば、活性化アルミナ積層体の厚みは、約０．１６５ｍｍ（約０．００６５インチ）とすることができ、また他の積層体の厚みは、約０．２６７ｍｍ（約０．０１０５インチ）とすることができる。本発明による吸着要素の実施形態における積層体は、種々の形態、例えば堆積させた形態または渦巻き状に巻回した形態で配置することができる。スペーサ層を、積層間に設けることができる。例えば、いくつかの実施形態のおいては、固定化材料のシート間に巻回したスペーサ材料とした、無被覆ワイヤメッシュを設ける。スペーサ層の厚みは、積層上の吸着材料のタイプに基づいて変化する。例えば、スペーサ層の厚みは、活性化アルミナ積層の場合約０．１８ｍｍ（約０．００７インチ）とし、他の吸着材料で形成した積層の場合、約０．１５０ｍｍ（約０．００５９インチ）とすることができる。
【００４６】
本発明による回転圧力スイング装置の吸着要素に使用するのに適切な吸着材、触媒および積層構体の他の実施例としては、米国特許第４，７０２，９０３号、米国特許第４，８０１，３０８号、および米国特許第５，０８２，４７３号、および米国特許出願公開第２００２／０１７０４３６号に記載のものがあり、これら特許文献の全てを参照として本明細書に付記する。
【００４７】
積層構体の耐久性に関する最も危惧すべきことは、一般に、１個の積層部の位置が、隣接する積層部の位置に対して変位することである。この変位は、積層構体を通過する流体の流れの方向を繰り返し切り替わることに関連する力に応答して起こり得る。渦巻き状に巻回した積層構体は、部分的に軸方向変位を生じ易く、例えば、この軸方向変位は、積層部の入れ子式リング体が抜き差し（テレスコピック）形態になっていることによって起こり得る。変位は磨損を生じさせ、スペーサおよび／または吸着材料に損傷を与える。連続した磨損は、吸着材料の有効寿命を短くする。
【００４８】
いくつかの実施形態においては、支持構体を設け、変位を減少する。支持構体の例としては、図１７Ａ，１７Ｂに明示するエポキシ樹脂製のスペーサクロス２１８がある。このような支持構体を複数個の個別積層構体間に、または各積層構体の一方もしくは両側の端部に位置決めすることができる。支持構体は、一般的に、１個またはそれ以上の細長い部分２１８ａ（例えば、スポーク）を有し、このスポークは、起こり得る変位方向、例えば渦巻き巻回積層構体の軸線方向または吸着要素を通過する流体の流れの方向に対して、ほぼ直交するよう積層構体の面を横切って延在する。これら細長い部分は剛性または可撓性を有するものとし、吸着要素全体を通過する流体の流れの乱れを少なくする寸法にすることができる。
【００４９】
支持構体は、隣接する積層構体の何れにも結合しない、または一方もしくは両方に結合することができる。図１６または図１７Ａに示すような吸着要素２００等の、いくつかの実施形態では、支持構体は、例えば、エポキシ樹脂のような、隣接する積層構体のうち一方または両方に結合することができる接着材料を備える。接着材料は、例えば、吸着材料を活性化させるような、吸着要素全体を加熱することによって活性化させることができる。また、支持構体は、単に、エポキシ樹脂等の接着材料とすることもできる。多くの場合、接着材料は、ゲル状の形態で堆積すること等によって、積層構体の面に適宜塗布しておくことができる。その後、これらの材料は、積層体の変位を対抗するに十分な強度に硬化することができる。
【００５０】
好適な実施形態は、スペーサクロス支持構体２１８を備えており、この構体は、液状エポキシ樹脂を積層構体の端部に十字形状に塗布することによって形成する。テンプレート（型板）を使用し、適切な十字形状２１８ａを形成するためのエポキシ樹脂のビードを塗布する補助とすることができる。エポキシ樹脂は、中心マンドレル２１０に対して封止を生ずる（以下に詳述する）ように塗布することができる。このように、エポキシ樹脂は、巻回した積層構体の端部内に大幅に侵入することができ、硬化後、このことによって、端部における巻回部の崩れに対する有用な支持を行うことができる。このことは、積層構体自体の実際の巻回部間に支持を設けない、予形成支持体を使用するだけである場合、非常に重要な改善となる。
【００５１】
吸着要素２００のマンドレル２１０，２１２，２１４，２１６等のマンドレルは、積層構体の内面に取り付け、軸方向の移動を抑止することができる。このことは、積層構体を所定の位置に保持することを補助する。この取り付けは、接着剤等の、任意の適切な手段によって得られる。さらに、吸着要素ハウジングを使用して、積層構体を所望の位置に保持するための補助とすることができる。例えば、積層構体は、ハウジング内に配置し、つぎにほぼ均一な、同心状の圧縮力をハウジングに加えて積層構体の周囲にハウジングを変形させ、巻回部の軸方向への移動を減少またはほぼ防止することができる。さらに積層構体の移動を減少またはほぼ防止し、ハウジングからガスが流出するのを減少またはほぼ防止するために、セラミック材料等のビーズ材料を、シェルの内周に配置することができる。吸着要素２００では、フィルタを配置して、このビーズに接触させることができる。また、シェル内に肩部を組み込む等の他の固定方法を使用することもできる。積層構体をシェルに取り付けることに適したシール剤としては、コネチカット州ロッキーヒルにあるヘンケル社（Henkel Corporation）から入手可能なＬＯＣＴＩＴＥ（登録商標），ＨＹＳＯＬ（登録商標），Ｅ−１２０ＨＰエポキシ等のエポキシ樹脂がある。高温用途（例えば、約１３０℃以上）に対して適したシール剤としては、ニューヨーク州バレーコテージにあるアレムコ・プロダクツ社（Aremco Products, Inc）から入手可能なＰＹＲＯ−ＰＵＴＴＹ（登録商標）がある。
【００５２】
本発明による吸着要素のマンドレル、ハウジングおよび他のコンポーネント（例えば、支持構体）は、種々の材料、例えば金属、金属合金（例えば、ステンレス鋼）、セラミックおよび／または高分子材料から形成することができる。いくつかの実施形態では、シェルおよび／またはマンドレルは、室温で、約１０〜約１０００Ｗ／（ｍ・℃）の熱伝導率であって、例えば、約２０〜約１０００Ｗ／（ｍ・℃）または約５０〜約１０００Ｗ／（ｍ・℃）の熱伝導率を有するものとする。積層構体を形成するために使用する吸着材料は、必要であるならば、活性化しておき、つぎにハウジング内に挿入することができる。このような場合、ハウジングおよびマンドレルの双方は、例えば、約２５０℃またはそれ以上の吸着活性温度に耐え得る十分強固なものとする。低温で活性化させることができる吸着材料に対しては、シェルおよびマンドレルを形成するのに使用する材料は、金属、金属合金、セラミック等以外の材料とすることができる。
【００５３】
シールの実施形態
図１８〜図２１は、図９に示す上部シール組立体１７９の実施形態を示す。回転圧力スイング装置１００では、上部シール組立体１７９は、上部固定子プレート１６８に取り付け、動作中は静止している。他の実施形態では、上部シール組立体１７９は、上部回転子端部プレート１７２に固定し、動作中は回転する。下部シール組立体１８０は、上部シール組立体１７９の構造に類似しているので、上部シール組立体のみ示し、その詳細を説明する。しかし、両組立体は、回転分配バルブの一部として機能して、圧力スイングサイクル中の適切な時期に種々の吸着要素に対するガスの授受を行い、またこれらガスの漏出に対する適切なシールを行う。回転子がシール組立体間で回転するとき、固定子および回転子における開孔が整列し、つぎに、整列から外ずれることで、バルブ作用を生ずる。
【００５４】
図１９に示すように、上部シール組立体１７９は、上側部分３００および下側部分３０２を有する。上側部分３００は、「シール裏打ち」と称することもでき、また下側部分３０２は、「浮動シール」と称することもできる。上側部分３００は、上部固定子プレート１６８の開孔に対応する開孔３０３（図１８および図１９では、１個の開孔にのみ符号を付けた）を有する。処理ガスは、回転圧力スイング装置１００の動作中に、開孔３０３を通過して流れる。下側部分３０２は、ベース３０６から上方に突出する突起３０４（図１９では、１個のみ符号を付けた）を有する。上側部分３００の開孔３０３に対応する流体ポート３０７を、下側部分３０２全体に貫通させる。
【００５５】
突起３０４は、図１９に示すように、種々の形状および寸法を有し、上側部分３００の底面の、個別に画定した窪み３０５内に嵌合させることができる。図２０Ａおよび図２０Ｂは、この関係をより理解し易く示す断面図である。図２０Ａは、流体ポートを有さない部位における突起３０４の嵌合状態を示す。図２０Ｂは、流体３０７が存在する部位での突起３０４の嵌合状態を示す。図２０Ａに示すシール面３０９は、図２０Ｂに示すシール面よりも広い。各図面において、下側部分３０２は、圧力に応じて、上側部分３００に対して垂直方向に自由に移動する。ベース３０６の下方で、下側部分３０２は、シール面３０９における、摩擦で消耗する摩擦消耗部分３０８を有する。上部回転子端部プレート１７２とのすべり接触は、シール面３０９で生じる。突起３０４は、頂面３１０および突起型棚部３１２の両側における基部３０６の一部を有する。
【００５６】
図２０Ａおよび図２０Ｂに示すように、突起３０４の頂面３１０と上側部分３００との間に第１チャンバ３１４が存在する。また、図２０Ａおよび図２０Ｂは、棚部３１２と上側部分３００との間の第２チャンバ３１６も示す。第２チャンバ３１６を実質的にシールし、第２チャンバ内の圧力、別個に制御できるようにする。図１９、図２０Ａおよび図２０Ｂに示すように、内側および外側のベースシール用のＯ−リング３１８および３２０により、下側部分３０２全体のベース３０６における内側面および外側面をそれぞれ取り囲む。突起用シールＯ−リング３２２（図１９では１個にのみ符号を付けた）は、各別個の突起３０４の側面を囲む。同時に、内側ベースシール用のＯ−リング３１８および外側ベースシール用のＯ−リング３２０、ならびに突起シール用Ｏ−リング３２２は、第２チャンバ３１６の図示した部位をシールし、これら部位は、突起３０４間の隙間で接続される。さらに、各別個の突起の第１チャンバ３１４は、突起シール用のＯ−リングおよび上側部分３００の底面の別個に画定した窪み間の分割器（図示せず）によって、隣接する突起の上方の第１チャンバからシールする。高圧ガス源（例えば、１００ｐｓｉの窒素）を、加圧ポート３２４（図１８および図１９参照）、および第２チャンバ３１６に、流体接続する。一般に、第２チャンバ３１６における適切な圧力は、初期設定中に決定するが、場合によっては、決定後もスケジュール設定した間隔で監視する。しかし、オペレータは、継続的またはほぼ継続的に第２チャンバ内の圧力を監視して、必要ならば、加圧ポート３２４を介して圧力を減少または増加することができる。
【００５７】
有利には、十分な閉鎖力をシール面３０９に加え、材料の大量損失を防ぐと同時に、トルクを増加させてすべり部に過度の磨耗を生じさせ得る摩擦を最小限に抑える。図示の上部シール組立体は、適切な閉鎖力の達成を容易にするいくつかの特徴を有する。図２１Ａは、回転圧力スイング装置１００を動作中の下側部分３０２の異なる表面上に作用する圧力を示す線図的断面図である。図２０Ｂに断面を示すように、図２１Ａに示す断面図は、下側部分３０２の中央を貫通する流体ポート３０７を示す。矢印３２６（図２１Ａでは１個の矢印にのみ符号を付ける）は、「処理（プロセス）圧力」を示し、この「処理（プロセス）圧力」とは、突起３０４の頂面３１０に加わる処理ガスの圧力である。この圧力は、処理ガスが第１チャンバ（処理ガスチャンバ）３１４内に流入し、流体ポート３０７を経て回転子１１６内に流入するとき作用する。処理ガスの圧力は、ＰＳＡサイクルの異なる段階で大きく変化するので、矢印３２６で示す処理圧力も変動する。矢印３２８（図２１Ａでは１個の矢印にのみ符号を付ける）は、「活性化圧力」を示し、棚部３１２に対する第２チャンバ（活性化ガスチャンバ）３１６内のガス圧力である。矢印３３０（図２１Ａでは、上向きの矢印の１個および下向きの矢印の１個に符号を付ける）は、「開放圧力」を示し、シール面３０９および上部回転子端部プレート１７２に対する圧力であって、処理ガスの漏出によって作用する。図示の実施例では、矢印３３０の相対的な長さによって示すように、流体ポート３０７から離れるにつれて開放圧力が減衰する。
【００５８】
流体ポート３０７にすぐ隣接する位置では、開放圧力は、処理圧力とほぼ等しくなる。シール面３０９のポートから離れた端部では、開放圧力は、回転子ハウジング１１９内の圧力等の、周囲圧力（Ｐ０）とほぼ等しくなる。流体ポート３０７から離れた端部までのシール面３０９にわたる開放圧力は、種々の輪郭に応じて減少し得る。いくつかの実施例では、図２１Ａのライン３３２で示すように、輪郭は直線的である。ライン３３４および３３６のそれぞれが示すように、輪郭は凸状輪郭または凹状輪郭とすることもできる。図１〜図１９の実施形態では、輪郭は凸状輪郭ライン３３４と一致する。流体ポート３０７から離れた端部までのシール面３０９にわたる全開放圧力は、モデル化して計算することができる。適切なモデルは、例えば、１９９１年のジョン・ウィレイ・アンド・サンズ社発行のアラン・オー・レベック氏による刊行物「機械的表面シールの原理および設計」（Alan O. Lebeck, Principles and Design of Mechanical Face Seals, John Wiley & Sons, Inc. (1991) ）に開示されており、この刊行物を参考として本明細書に付記する。いくつかの実施例では、シール面３０９の幅に沿った任意の半径での開放圧力（ＰＯｐｅｎｉｎｇ）が、以下の等式（１）で表される。すなわち、
【数１】
2010516453.tif 000003
等式（１）では、ＰＩは流体ポート３０７に隣接する圧力であり、Ｐ０はシール面３０９の離れた端部での圧力であり、ＲＩは流体ポート３０７に隣接する半径であり、Ｒ０はシール面の離れた端部での半径である。全開放圧力は、シール面３０９の幅に沿って、圧力ポート（図示せず）を通る圧力を測定することによって等の、観察に基づいて決めることができる。
【００５９】
処理圧力（ＰＰｒｏｃｅｓｓ）および活性化圧力（ＰＡｃｔｉｖａｔｉｏｎ）は共に、ネット閉鎖力（ＦＮｅｔＣｌｏｓｅ）を増加させるが、このことは、これら圧力が、シール面３０９を下方に押し下げるためである。その一方で、開放圧力（ＰＯｐｅｎｉｎｇ）は、シール面３０９を上方に押し上げるため、ネット閉鎖力を減少させる。ネット閉鎖力は、以下の等式を使用して計算することができる。すなわち、
【数２】
2010516453.tif 000004
【数３】
2010516453.tif 000005
等式（３）では、ＡＰｒｏｃｅｓｓは棚部３１２の面積、ＡＯｐｅｎｉｎｇはシール面３０９の面積（一般に、ＡＰｒｏｃｅｓｓ＋ＡＯｐｅｎｉｎｇに等しい）、Ｐ０は回転子ハウジング内部の圧力に等しい。
【００６０】
目標とするネット閉鎖力は、シールの磨耗を減少させる競合要因、トルクを減少させる競合要因、および処理ガス漏出を減少させる競合要因を考慮して計算することができる。例えば、いくつかの実施形態では、目標とするネット閉鎖力は、以下の式にしたがって部分的に（すなわち、各突起部３０４に対して）計算することができる。すなわち、
【数４】
2010516453.tif 000006
等式（４）では、シール面３０９の幅にわたるネット閉鎖力は、処理圧力の１０％に設定する。ネット閉鎖力は、ネット閉鎖圧力に、シール面の面積（ＰＰｒｏｃｅｓｓ＋ＰＡｃｔｉｖａｔｉｏｎに等しい）を乗じたものに等しい。一般に、処理圧力は上部シール組立体１７９の周縁の周りで変化するので、局所的に計算する場合、ネット閉鎖力も変化する。高処理圧力の領域におけるネット閉力は、低処理圧力の領域のそれよりもより大きくなるであろう。
【００６１】
図２１Ａは上部回転子端部プレート１７２を示し、矢印３３８（図２１Ａでは、上向きの矢印の１個および下向きの矢印の１個に符号を付ける）は、等式（４）による、シール面３０９に対する、および上部回転子端部プレート１７２に対するネット閉鎖力を表す。上部回転子端部プレート１７２とシール面３０９との間の間隙は、開放圧力矢印３３０およびネット閉鎖圧力矢印３３８の空間を作るために誇張してある。
【００６２】
目標とするネット閉鎖力を達成するために調整することができる変数としては、活性化圧力と、活性化領域面積に対する処理領域面積の比がある。一般に、活性化圧力は、上部シール組立体１７９の全周縁の周りで同一となるよう設定する。しかし、処理圧力は、一般に、上部シール組立体１７９の周縁における異なる場所毎に変化する。局所的に目標とするネット閉鎖力を達成するために、活性化領域面積に対する処理領域面積の比を変化させることができる。図１８および図１９に示す上部シール組立体１７９では、各突起３０４は、組立体の周囲における個別の位置を表し、この位置において、活性化領域面積に対する処理領域面積の比は、目標とするネット閉鎖力を得るために変化させることができる。上述したように、各突起３０４の上方の第１チャンバ３１４は、第１チャンバ３１４から隣接する突起の上方の第１チャンバからシールされる。図１９に示すように、突起３０４の寸法および表面積は、大きく変化する。代案として、いくつかの実施形態では、平均的なネット閉鎖力のみを考慮する。すなわち、目標とするネット閉鎖力は、上部シール組立体１７９の周縁の周りで一定に設定することができる（すなわち、各突起３０４に対して同じであり、ＰＰｒｏｃｅｓｓは変化しない）。
【００６３】
これらの実施形態では、シール面３０９の表面積は、上部シール組立体１７９の周縁の周りで一定に維持することができ、ＡＰｒｏｃｅｓｓ（頂面３１０の面積）とＡＡｃｔｉｖａｔｉｏｎ（棚部３１２の面積）との合計に等しくすることができる。しかし、図２０Ａおよび図２０Ｂで示すように、これら領域の面積は、接触圧力を制御し、またトルクおよび磨耗に対して最適化するための変数として使用することができる。したがって、特定の実施形態（例えば、図２０Ｂ参照）は、ＡＰｒｏｃｅｓｓとＡＡｃｔｉｖａｔｉｏｎとの合計よりも小さい面積のシール面３０９を有することができる（すなわち、摩擦消耗部分３０８の幅は、図２１Ａのベース３０６よりも狭くする）。他のそれほど好適ではない実施形態では、シール面３０９の面積は、ＡＰｒｏｃｅｓｓとＡＡｃｔｉｖａｔｉｏｎとの合計よりも大きくすることができる（すなわち、摩擦消耗部分３０８の幅を、図２１Ａのベース３０６よりも広くする）。さらに、シール面の面積は、シール組立体の周縁の周りで変化させることができる。
【００６４】
種々の材料を、本発明による上部シール組立体１７９の実施形態に使用することができる。材料の特性、例えば熱膨張係数、剛性（弾性率および厚さ）、および熱伝導率等を考慮することは有用である。一般的に、下側部分３０２全体の剛性は、経時的に安定した動作を助成する。しかし、上部回転子端部プレート１７２の平坦性における不完全さに適応するために、若干のコンプライアンス（弾性）を有するのが望ましい。いくつかの実施形態では、下側部分３０２は、流体ポート３０７の周囲の領域ではより剛性の高いものとし、流体ポートから離れるにつれて剛性を低下させる。例えば、摩擦消耗部３０８上方における下側部分３０２は、流体ポート３０７の周囲ではより厚いクロス部材を有し、流体ポートから離れた領域ではより薄いクロス部材を有するハニカム構造とすることができる。いくつかの実施形態では、摩擦消耗部分３０８は、充填したポリテトラフルオロエチレン等の高分子材料または複数の高分子材料で形成し、下側部分３０２の残りの部分は、炭素鋼等の金属、金属合金、またはその組み合わせで形成する。摩擦消耗部分３０８は、エポキシ樹脂を使用する等の、任意の適した手段によって下側部分３０２の残りの部分と結合することができる。上側部分３００および他の周囲の構体は、金属または金属合金等の適した材料で形成することができる。例えば、上側部分３００は、炭素鋼で形成することができ、他の周辺部（例えば、上部回転子端部プレート１７２）は、鋳鉄で形成することができる。
【００６５】
上述したシール組立体は、処理ガス由来ではないガス圧力は、シール組立体に対して均衡のとれた圧力を得るためも使用できる点で、特に従来技術の設計と異なっている。従来技術の設計では、代わりに、スプリング等の機械装置使用していた。本発明、および従来技術設計のどちらにおいても、シール組立体の周囲に可変の均衡のとれた圧力を得るために処理ガスを採用していることに注目されたい。しかし、閉鎖力が、シール組立体の周縁におけるいずれの場所においても常に適切であることを確実にするために、一般に、さらなる一定の均衡のとれた圧力を提供する。従来の技術設計では、これらの一定の圧力は、スプリングによってもたらされた。本発明では、これらの一定の圧力は、処理ガス以外のガスによっても得ることができる。
【００６６】
このことは、米国再発行特許第３８４９３号（ＵＳ ＲＥ３８４９３）から再現して図２１Ｂに例示し、機械スプリングを採用して一定の均一な圧力をもたらす従来技術の回転分配バルブの設計を示す。（図２１Ｂにおいて、米国再発行特許だい３８４９３号で表示された元の参照符号を付けて示していることに注目されたい。このように、単に図２１Ｂにおける参照符号は、本明細書における他の図面の参照符号と一致しない。）図２１Ｂでは、固定子３６および流体転移スリーブ７１０は、本発明においてシール組立体１７９が実施する機能と同様の圧力均衡バルブ機能を果たす。いずれの実施形態においても、処理ガスを採用して、（図２１Ｂにおける）回転子４０および（図２１Ａにおける）上部回転子端部プレート１７２に可変の均一な圧力をもたらす。しかし、図２１Ａでは外部から供給する活性化ガスを使用してシール組立体１７９の棚部３１２に付加的な均衡圧力を加える一方で、図２１Ｂの従来技術の実施形態では、機械的圧縮スプリング７３０を採用する。
【００６７】
図２１Ｂにおけるスプリング７３０によって加える圧力または図２１Ａにおける活性化ガスによって加える圧力は、一般に、所定の処理用途に対しては一定である。しかし、前者では、スプリングによってもたらされた圧力は、シールの摩耗に伴って（すなわち、摩擦消耗部分３０８／シール面３０９の摩耗に伴って）徐々に変化するであろう。後者の利点は、活性化ガスによって加わる圧力は、シールが摩耗しても変化しないことにある。
【００６８】
さらに、図２１Ｂにおけるスプリングによって加える圧力または図２１Ａにおける活性化ガスによって加える圧力は、一般に所定の処理用途に対しては一定であるが、それにも関わらず、後者は、必要であるならば、外部から供給する活性化ガスの圧力を変化させることによって、この加える圧力を変化させることが可能である。しかし、前者においては、この加える圧力を変化させるためには、ＰＳＡ装置を分解してスプリング７３０を取り替えなければならない。このように、本発明のシール組立体は、用途の条件を変化させる上でより大きな融通性を有する（すなわち、供給ガスを異なる圧力で供給する、または異なる組成を有するようにすると、その結果、種々のＰＳＡ段階中に異なる圧力が求められる）。
【００６９】
処理仕様の例
ＰＳＡ処理は、１個のサイクル内に吸着要素に一連の段階で処理を施すことができる。上述したように、回転圧力スイング装置の回転子の各完全な一回転は、１回または１回以上の完全ＰＳＡサイクルの段階を通して、各吸着要素を遷移させることができる。１回のサイクルに含まれる段階は、処理目的にしたがって大きく変化する。さらに、段階の順番および段階の持続期間は、修正することもできる。本発明による回転圧力スイング装置の実施形態は、種々のサイクルに対応する。説明上、図１〜図１５に示す実施形態に対応する１回のこのようなサイクルを以下に説明する。図１〜図１５の圧力スイング装置１００を、水素精製に使用すると、以下に記載するサイクルを使用して、約９０％の精製物を生産することができる。
【００７０】
図２２は、本明細書に開示する例示的なサイクルを施す吸着要素に対する無次元圧力対無次元時間をプロットしたグラフである。段階の順番を、表１に記す。
【表１】
2010516453.tif 000007
生成は、供給ガスを吸着要素に通過させて、生成ガスを生成する。この段階は、高圧で実施する。均衡化段階は、いくらかの加圧エネルギーを保存することを含む。各均衡化段階は、１個の吸着要素内の高圧ガスが、他の吸着要素内に流れることができるように、２個の吸着要素間に流路を開放することを含む。このことは、生成の後で高圧吸着要素を部分的に減圧し、さらに生成に先立って低圧吸着要素を部分的に加圧する。均衡化の後で、吸着要素をパージして、その後、大気中に排出する。排出した後、吸着要素を生成ガスでパージして、その後、再び均衡化を実施する。続いて、逆充填（Backfill）段階および加圧段階を実施して、吸着要素に生成圧力を加える。
【００７１】
本発明の原理を適用することが可能な多くのあり得る実施形態を考慮すると、図示の実施形態は、本発明の好適例でしかなく、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではないことを認識されたい。
【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】
2010516453.tif 000012
【図６】
2010516453.tif 000013
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
2010516453.tif 000028
【図２０Ｂ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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