(57)【要約】  主に脱着ステップで熱波を利用する、熱スイング吸着プロセスを用いてガスの混合物からの標的ガスの分離。本発明の方法では、処理済みの気体状ストリームから複数の汚染物質を別々に除去することができる。【選択図】図１０
2010527755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の標的ガス成分および製品ガス成分を含有する混合ガスから、前記第１の標的ガス成分を選択的に除去する方法であって、
ａ）吸着剤接触器を少なくとも１つ含む温度スイング吸着ガス分離ユニットを、初期温度で提供する工程であって、
前記吸着剤接触器は、実質的に平行な複数の空洞状のフローチャネルを含み、
前記フローチャネルの少なくとも一部のチャネル表面が、前記製品ガス成分に対する前記第１の標的ガス成分の選択性が１を超える吸着剤材料を含む工程、
ｂ）前記混合ガスを前記フローチャネルの少なくとも一部に通し、前記混合ガスからの前記第１の標的ガス成分の少なくとも一部を前記吸着剤材料に吸着させて、前記混合ガスよりも前記第１の標的ガス成分のｍｏｌ％の低い第１の製品ガスストリームを生成する工程、
ｃ）前記製品ガスストリームを回収する工程、
ｄ）前記第１の標的ガス成分が吸着された前記少なくとも１つの吸着剤接触器を、前記第１の標的ガス成分の少なくとも一部が前記吸着剤材料から脱着される有効温度まで伝熱流体で加熱して、前記混合ガスよりも第１の標的ガス成分のｍｏｌ％濃度が高い第１の廃ガスストリームを生成する工程、
ｅ）前記第１の廃ガスストリームを回収する工程、および  ｆ）前記少なくとも１つの吸着剤接触器を前記初期温度まで冷却する工程
を含み、
前記脱着工程ｄ）において、前記吸着剤接触器で熱波が生成され、これにより熱波温度勾配が生じて前記少なくとも１つの吸着剤接触器の長さ方向に移動し、
前記吸着剤接触器のΔＴＨＴが０から５０℃の範囲であり、
ΔＴＨＴ＝Ｈ／ｈ（式中、ΔＴＨＴは伝熱温度差であり、ｈは伝熱係数に等しく、Ｈは発熱率要件である）である
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記伝熱流体を、有効脱着温度で前記混合ガスと同じフローチャネルに通し、前記第１の標的ガス成分の少なくとも一部を前記伝熱流体に脱着させて、脱着を実施することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記伝熱流体が蒸気を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記混合ガスが排煙を含み、前記第１の標的ガス成分がＣＯ２であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記混合ガスが排煙を含み、前記第１の標的ガス成分がＣＯ２であり、前記ＣＯ２の少なくとも一部が脱着後に前記伝熱流体から分離されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも１つの前記吸着剤接触器の長さ方向に移動する熱波温度勾配が、前記冷却工程ｆ）で生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記吸着剤接触器の空洞細孔容積の２０％未満が、２０オングストロームを超える細孔であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記吸着剤材料が、８員環ゼオライトを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記混合ガスが、第２の標的ガス成分も含み、
前記工程ｅ）の後かつ前記工程ｆ）の前に、
ｅ１）前記第１の標的ガス成分および前記第２の標的ガス成分が吸着された前記少なくとも１つの吸着剤接触器を、前記第２の標的ガス成分の少なくとも一部が前記吸着剤材料から脱着される有効温度まで伝熱流体で加熱して、前記混合ガスよりも前記第２の標的ガス成分のｍｏｌ％濃度が高い第２の廃ガスストリームを生成する工程、および
ｅ２）前記第２の廃ガスストリームを回収する工程
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の廃ガスストリームは、前記第２の廃ガスストリームよりも前記第１の標的ガス成分のｍｏｌ％が高いことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の廃ガスストリームは、前記第１の廃ガスストリームよりも前記第２の標的ガス成分のｍｏｌ％が高いことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記複数の実質的に平行な空洞状のフローチャネルが、フローチャネルの第１の部分とフローチャネルの第２の部分に分かれ、
前記第１の部分と第２の部分が、互いに熱的に連通しているが流体連通はしておらず、
前記工程ｂ）の前記混合ガスを、チャネル表面が前記吸着剤材料を含む前記複数の実質的に平行な空洞状のフローチャネルの前記第１の部分に通し、
前記工程ｄ）の前記伝熱流体を、前記複数の実質的に平行な空洞状のフローチャネルの前記第２の部分に通す
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記混合ガスが排煙を含み、前記第１の標的ガス成分がＣＯ２であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記排煙がＮ２を含み、Ｎ２に対するＣＯ２の前記吸着剤材料の選択性が５を超えることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記吸着剤接触器の空洞細孔容積の２０％未満が、２０オングストロームを超える細孔であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記吸着剤が、８員環ゼオライトを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記ゼオライトが、ＤＤＲ、シグマ−１およびＺＳＭ−５８からなる群から選択されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記吸着剤接触器が、前記実質的に平行な空洞状のフローチャネルに対して実質的に平行ではない第２の組のフローチャネルを更に含み、
前記混合ガスが、前記実質的に平行な空洞状のフローチャネルを流れ、前記伝熱流体流が、前記第２の組のフローチャネルを流れることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記実質的に平行な空洞状のフローチャネルにおける前記混合ガスの流れの方向が、前記第２の組のフローチャネルにおける前記伝熱流体の流れの方向に対して、実質的に９０°の角度をなすことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記吸着剤材料が、前記実質的に平行な空洞状のフローチャネルの内面に存在することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記吸着剤材料が、前記実質的に平行な空洞状のフローチャネルの外面に存在することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記吸着剤接触器が、第１の吸着剤材料および第２の吸着剤材料を含み、
前記第１の吸着剤材料の、前記製品ガス成分に対する前記第１の標的ガス成分の選択性が５を超え、
前記第２の吸着剤材料の、前記製品ガス成分に対する前記第２の標的ガス成分の選択性が５を超えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記吸着剤接触器が、第１の吸着剤材料および第２の吸着剤材料を含み、
前記第１の吸着剤材料の、前記製品ガス成分に対する前記第１の標的ガス成分の選択性が５を超え、
前記第２の吸着剤材料の、前記製品ガス成分に対する前記第２の標的ガス成分の選択性が５を超えることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項２４】
前記混合ガスが排煙を含み、前記第１の標的ガス成分が、水、ＣＯ２、ＳＯｘおよびＮＯｘからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記製品ガス成分がＮ２であることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記吸着剤材料の、前記製品ガス成分に対する前記第１の標的ガス成分の選択性が、５を超えることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
脱着時の前記熱波が、前記混合ガスが前記吸着剤接触器を流れた方向に対して向流的に前記吸着剤接触器を移動することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
脱着時の前記熱波が、前記混合ガスが前記吸着剤接触器を流れた方向に対して並流的に前記吸着剤接触器を移動することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
前記吸着剤接触器のΔＴＨＴが、０から１０℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の廃ガスストリームのＣＯ２濃度が、少なくとも８０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項３１】
前記混合ガスが天然ガスを含み、前記第１の標的成分がＣＯ２であり、前記製品ガス成分がＣＨ４であり、前記製品ガスストリームが、前記混合ガスに存在するＣＨ４の少なくとも８０ｍｏｌ％を含有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３２】
前記吸着剤接触器において、局所的なｔｄｅｌａｙ／ｔｒｉｓｅ比が、２を超えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３３】
前記工程ｂ）の少なくとも一部と、前記工程ｆ）の少なくとも一部が、前記吸着剤接触器において同時に発生することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３４】
−前記温度スイング吸着ユニットが、少なくとも第１の吸着剤接触器および第２の吸着剤接触器を含み、
前記混合ガスが、前記第１の吸着剤接触器のプロセスガス流入口から、第１の吸着剤接触器の製品流出口ストリームを取り出す場である前記第１の吸着剤接触器のプロセスガス流出口まで、前記第１の吸着剤接触器に存在する第１の組の実質的に平行なチャネルを流れ、
−前記第１の吸着剤接触器の製品流出口ストリームの少なくとも一部が、前記第２の吸着剤接触器のプロセスガス流入口から、前記第２の吸着剤接触器の製品流出口ストリームを取り出す場である前記第２の吸着剤接触器のプロセスガス流出口まで、前記第２の吸着剤接触器に存在する第２の組の実質的に平行なチャネルを流れ、
−伝熱流体が、前記第１の吸着剤接触器の伝熱流体流入口から、前記第１の吸着剤接触器の伝熱流体流出口ストリームを取り出す場である前記第１の吸着剤接触器の伝熱流体流出口まで、前記第１の吸着剤接触器に存在し、かつ前記第１の組の実質的に平行なチャネルと熱連通状態にあるが流体連通状態にはない第３の組のフローチャネルを流れ、
−前記第１の吸着剤接触器の伝熱流体流出口ストリームの少なくとも一部が、前記第２の吸着剤接触器の伝熱流体流入口から、前記第２の吸着剤接触器の伝熱流体流出口ストリームを取り出す場である前記第２の吸着剤接触器の伝熱流体流出口まで、前記第２の吸着剤接触器に存在し、かつ前記第２の組の実質的に平行なチャネルと熱連通状態にあるが流体連通状態にはない第４の組のフローチャネルを流れ、
−前記第１の吸着剤接触器から前記第２の吸着剤接触器への前記第１の吸着剤接触器の製品流出口ストリームの流れが、前記第１の吸着剤接触器から前記第２の吸着剤接触器への前記第１の吸着剤接触器の伝熱流体流出口ストリームに対して実質的に並流状態である
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３５】
−前記温度スイング吸着ユニットが、少なくとも第１の吸着剤接触器および第２の吸着剤接触器を含み、
前記混合ガスが、前記第１の吸着剤接触器のプロセスガス流入口から、前記第１の吸着剤接触器の製品流出口ストリームを取り出す場である前記第１の吸着剤接触器のプロセスガス流出口まで、前記第１の吸着剤接触器に存在する第１の組の実質的に平行なチャネルを流れ、
−前記第１の吸着剤接触器の製品流出口ストリームの少なくとも一部が、前記第２の吸着剤接触器のプロセスガス流入口から、前記第２の吸着剤接触器の製品流出口ストリームを取り出す場である前記第２の吸着剤接触器のプロセスガス流出口まで、前記第２の吸着剤接触器に存在する第２の組の実質的に平行なチャネルを流れ、
−前記伝熱流体が、前記第２の吸着剤接触器の伝熱流体流入口から、第２の吸着剤接触器の伝熱流体流出口ストリームを取り出す場である前記第２の吸着剤接触器の伝熱流体流出口まで、前記第２の吸着剤接触器に存在し、かつ前記第２の組の実質的に平行なチャネルと熱連通状態にあるが流体連通状態にはない第３の組のフローチャネルを流れ、
−前記第２の吸着剤接触器の伝熱流体流出口ストリームの少なくとも一部が、前記第１の吸着剤接触器の伝熱流体流入口から、前記第１の吸着剤接触器の伝熱流体流出口ストリームを取り出す場である前記第１の吸着剤接触器の伝熱流体流出口まで、前記第１の吸着剤接触器に存在し、かつ前記第１の組の実質的に平行なチャネルと熱連通状態にあるが流体連通状態にはない第４の組のフローチャネルを流れ、
−前記第１の吸着剤接触器から前記第２の吸着剤接触器への前記第１の吸着剤接触器の製品流出口ストリームの流れが、前記第２の吸着剤接触器から前記第１の吸着剤接触器への前記第２の吸着剤接触器の伝熱流体流出口ストリームに対して実質的に向流状態である
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に脱着ステップで熱波を発生させて利用する、熱スイング吸着プロセスを用いてガスの混合物から標的ガスを分離することに関する。本発明の方法では、複数の製品ストリームを生成する単一の吸着剤接触器を用いて、処理済みの気体状ストリームから複数の汚染物質を別々に除去することができる。
【背景技術】
【０００２】
ガスの分離は多くの業界で重要であり、特に、燃料製品、化学製品、石油化学製品、特別な製品の製造において重要である。こうしたガスの分離は、熱、固体または他の手段の助けを借りて、通常は分離対象となる成分の物性および／または化学的特性の違いを利用するさまざまな方法で達成可能なものである。たとえば、部分液化または混合ガスのうち吸着されにくいほうではなく吸着されやすいほうの成分を優先的に保持または吸着する固体吸着剤材料の利用或いは、業界で周知の他のいくつかのガス分離技術によって、ガスを分離することが可能である。このような商業的に実施されているガス分離プロセスのひとつに、熱スイング吸着（「ＴＳＡ」）がある。Ｊｏｓｅｐｈ  Ｐｒｉｅｓｔｌｅｙが酸化第二水銀に太陽熱を集めて空気から酸素を分離して以来、ＴＳＡはガスを精製するための重要な技術である。一方、吸着剤の床を用いて材料のストリームから１つ以上の種を取り出した後、床の温度を上げて吸着剤床を再生（吸着された種の放出）する方法に、温度スイング吸着がある。
【０００３】
ＴＳＡには、混合ガスの圧力ではなく温度を変動させることで、圧縮のコストを回避できるという利点がある。ＴＳＡのもうひとつの利点として、吸着等温線が温度に強く影響されることがあげられる。このため、不純物を低温で吸着する（吸着が強い場合）ことによって、極めて高純度の製品を得ることが可能である。このとき、強く保持された不純物種を脱着用の高温で放出させることが可能である。しかしながら、ＴＳＡには欠点がいくつかある。たとえば、分離に影響するのに十分な温度範囲で吸着剤床を変動させるための時間が比較的長くなる可能性がある。これは即ち、設備が極めて大型でなければならず、経済的に魅力に欠けることを意味する。また、ＴＳＡサイクルの熱統合、下流設備の混乱、床の温度を上昇させるのに使われる大量のガスによる製品の希釈も、ＴＳＡプロセスの欠点である。
【０００４】
吸着剤に再生用の熱を供給するさまざまな方法が提案されている。これらの方法として、マイクロ波エネルギ（特許文献１）、吸着体の充填吸着剤床内への電熱器の設置（特許文献２）、電気脱着用の吸着体への電流の直接印加（特許文献３）があげられる。特許文献４には、内側のチューブ表面が水吸着剤微粒子でコーティングされたシェルチューブ型吸着体熱交換器を含む乾燥機が開示されている。この乾燥機は、高速熱スイングサイクルプロセスで使用可能である。吸着剤は、熱交換器のシェル側通路を介して高温または低温の原料ガスを分離プロセスに流すことで、間接的に加熱または冷却される。原料ガスはまず、第１の吸収体熱交換器でシェル側の低温ガスとして作用した後、加熱されて再生中の第２の吸収体熱交換器ではシェル側の高温ガスとして作用し、続いて第１の吸収体熱交換器のチューブ側を通過してそこで乾燥される。乾燥後のガスの一部が第２の吸収体熱交換器のチューブ側のパージガスとして使用される。２つの吸着体熱交換器の機能を周期的に入れ替えることで、サイクルを反転させる。入れ替えは３０秒から３分の間隔で実施すればよい。ＴＳＡプロセスの多くはサイクルタイムがこれよりもかなり長く、１２時間という長時間にわたることも珍しくない。
【０００５】
上述した欠点のうち１つ以上を解決するためにいくつかの対策がとられている。たとえば、１つの対策に、熱交換器に収着媒材料を組み込むことがあった。特許文献５には、シェルチューブ型熱交換器吸着体のチューブ側通路に充填された吸着剤を使用して空気などのガスストリームからの水などの汚染物質の分離を実施する、高速熱スイング吸着プロセスが開示されている。吸着期間後、加熱用の流体を再生時に吸着体のシェル側の通路に通し、吸着体からの流出時に、吸着体のシェル側に戻る加熱器によって再利用する。再生の冷却フェーズには、冷却用の流体を吸着体のシェル側の通路に通す。
【０００６】
特許文献６には、圧力および温度スイング吸着プロセス用の螺旋巻きモジュールが教示されている。この螺旋巻きモジュールを用いると、吸着圧力と脱着圧力との間に必要な差圧を下げることによって、高効率のガス分離が達成される。この装置は、選択的吸着剤を含有する少なくとも１つの吸着剤紙層と吸着剤スペーサとを含む、中空のマンドレルに螺旋状に巻かれて伝熱ゾーンと熱的に密着した吸着ゾーンを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４，３１２，６４１号明細書
【特許文献２】米国特許第４，２６９，６１１号明細書
【特許文献３】米国特許第４，０９４，６５２号明細書
【特許文献４】米国特許第５，６６９，９６２号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００３／００３７６７２Ａ１号明細書
【特許文献６】米国特許第６，２９３，９９８号明細書
【特許文献７】米国仮特許出願第６０／９３０，８２７号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００６／０１６９１４２号明細書
【特許文献９】米国特許第７，０４９，２５９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＴＳＡの技術分野では、上述した欠点のない方法を提供するための試みがなされているが、ＴＳＡを従来のＴＳＡプロセスよりも商業的に実現可能にできる程度にしっかりとしたＴＳＡプロセスの開発にはいずれも成功していない。従って、当該技術分野では、従来技術の経済的ハードルおよび技術的ハードルのいくつかを解決可能なＴＳＡプロセスの改良版に、依然として需要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態では、第１の標的ガス成分と製品ガス成分とを含有する混合ガスから前記第１の標的ガス成分を選択的に除去するための方法であって、
ａ）実質的に平行な複数の空洞状のフローチャネルであって、前記フローチャネルの少なくとも一部のチャネル表面が、前記製品ガス成分に対する前記第１の標的ガス成分の選択性が１を超える吸着剤材料を含む吸着剤接触器を少なくとも１つ含む温度スイング吸着ガス分離ユニットを初期温度で提供し、
ｂ）前記混合ガスを前記フローチャネルの少なくとも一部に通すことで、前記第１の標的ガス成分の少なくとも一部を混合ガスから前記吸着剤材料に吸着させ、これによって、前記混合ガスよりも第１の標的ガス成分のｍｏｌ％の低い第１の製品ガスストリームを生成し、
ｃ）前記製品ガスストリームを回収し、
ｄ）前記第１の標的ガス成分の少なくとも一部が前記吸着剤材料から脱着される有効温度まで、前記第１の標的ガス成分が吸着された前記少なくとも１つの吸着剤接触器を伝熱流体で加熱することで、前記混合ガスよりも第１の標的ガス成分のｍｏｌ％濃度が高い第１の廃ガスストリームを生成し、
ｅ）前記第１の廃ガスストリームを回収し、  ｆ）前記少なくとも１つの吸着剤接触器を初期温度まで冷却することを含み、
脱着ステップｄ）において吸着剤接触器で熱波が生成され、これによって熱波温度勾配が得られ、この熱波温度勾配が少なくとも１つの吸着剤接触器の長さ方向に移動し、吸着剤接触器のΔＴＨＴが約０から約５０℃の範囲であり、ΔＴＨＴ＝Ｈ／ｈ（式中、ΔＴＨＴは伝熱Δ温度、ｈは伝熱係数に等しく、Ｈは発熱率要件である）である、方法が得られる。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態では、混合ガスが排煙を含み、第１の標的ガス成分がＣＯ２を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のミクロ多孔性吸着剤から直接形成され、複数の平行チャネルを有する、本発明によるモノリス形の平行チャネル接触器の一実施形態を示す図である。
【図２】図１のモノリスの長手方向の軸に沿って切った横断面図である。
【図３】いくつかのメソ孔およびマクロ孔を埋めている間隙封止用物質とともに、吸着剤層の詳細な構造を示す、図２のモノリスの横断面図を拡大した図である。
【図４】平行チャネル接触器がＴＳＡ用途向けの被覆モノリスの形であり、あらかじめ形成したモノリスのチャネル壁に吸着剤層がコーティングされた本発明の別の実施形態を示す。この図は、フィードチャネルの分離した列および加熱／冷却チャネルの原料した列を示す。
【図５】本発明によるものではあるが、ＴＳＡ用途向けの中空糸接触器の形をした別の平行チャネル接触器を示す図である。
【図６】図５に示すようなものであるが、接触器の筐体の外面を透明にしたＴＳＡ用途向けの別の中空糸接触器を示す図である。点線は外面の縁を示すものである。
【図７】再生時の流体の平均的な流れが、吸着ステップの間の流れの方向に対して向流である積層セグメントを有する向流接触器の切り欠き図を示す。
【図８】再生済みの内側から加熱される一接触器から、吸着ステップを終えたばかりで再生用に加熱されている第２の接触器まで熱を移動させるのに熱波を用いることについて示す。
【図９】ひとつの接触器で吸着ステップを実施し、もうひとつの接触器で脱着ステップを実施する本発明による系の図である。
【図１０】多成分原料用に吸着ステップの終わりで吸着剤層の長さに沿って配置された吸着質のパターニングを概略的に示す。あまり強く吸着されない種よりも強吸着種のほうを濃い灰色で網掛けしてある。
【図１１】本明細書で使用可能な３つの接触器平行チャネルユニットの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、混合ガスからの１種または複数種の気体状汚染成分の分離を強化するために吸着ステップおよび脱着ステップの際に熱波の形成を利用する、改善されたＴＳＡプロセスに関するものである。上述したように、ＴＳＡは、吸着剤の床を用いて、一般に気体状ストリームである流体ストリームから１つまたは複数の種を吸着する方法である。床の温度を上げることで、吸着剤床を再生する。
【００１３】
ＴＳＡプロセスでは、使用する吸着条件下で、吸着剤材料が、第２の分子成分（本明細書では「製品ガス」、「製品ガス成分」または「弱吸着成分」）に比して原料ストリーム分子成分（本明細書では「標的ガス」、「標的ガス成分」または「強吸着成分」と呼ぶ）のうちの１つを、より多く選択的に吸着する吸着剤材料を利用する。たとえば、本明細書の実施形態では、成分Ａ即ちＣＯ２（標的ガス成分）と成分Ｂ即ちＮ２（製品ガス成分）とを含有する排煙（または燃焼ガス」）を含む吸着剤接触器混合ガスに対する原料ストリームであって、Ｎ２に対するＣＯ２の選択性が１を超える吸着剤材料が利用される。
【００１４】
特に明記しないかぎり、本明細書で使用する「選択性」という表現は、原料ストリームにおける成分のモル濃度と、特定の系動作条件および原料ストリーム組成でプロセスサイクルの吸着ステップにおいて特定の吸着剤に吸着される成分の総モル数のバイナリ（一対）比較に基づくものである。成分Ａ、成分Ｂ並びに別の成分を含む原料の場合、成分Ｂよりも成分Ａに対する「選択性」の高い吸着剤は、スイング吸着プロセスサイクルの吸着ステップの終了時に、
ＵＡ＝（吸着剤におけるＡの総モル数）／（原料におけるＡのモル濃度）
の比が、
ＵＢ＝（吸着剤におけるＢの総モル数）／（原料におけるＢのモル濃度）
の比よりも大きくなる。
式中、ＵＡは「成分Ａの吸着取込」であり、ＵＢは「成分Ｂの吸着取込」である。
従って、成分Ｂに対する成分Ａの選択性が１を超える吸着剤の場合、
選択性＝ＵＡ／ＵＢ（式中、ＵＡ＞ＵＢ）
となる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態では、成分Ｂに対する少なくとも１つの成分Ａの選択性が約５を超え、好ましくは約１０を超える吸着剤材料を利用する。最も好ましい実施形態では、成分Ｂに対する少なくとも１つの成分Ａの選択性が約１５を超える吸着剤材料を利用する。
【００１６】
しかしながら、従来実施されているようなＴＳＡには、いくつかの欠点がある。直接加熱式のＴＳＡプロセスでは、一般に高温の流体が吸着床を流れて吸着剤の温度が上昇する。温度が高くなればなるほど、多くの流体が必要になる。このため、脱着された不純物が大量の加熱用流体に分散される羽目になる上、吸着剤の昇温に使われる大量の熱を回収できないことも多い。直接加熱式のＴＳＡ系の多くは稼働時の吸着時間が長く（数日）、再生時間のほうはこれよりもかなり短いため、場合によっては熱が回収されないままである。また、不定期に少しずつ再生を繰り返すと、下流の設備で濃度が上がって流れにばらつきが生じるが、それ以外は定常状態にあるプロセスプラントでこれを管理するのは困難なこともある。間接加熱式のＴＳＡ系では、熱交換器で熱を供給して、加熱されたパージガスで希釈されるのを避けることができる。しかしながら、間接加熱式のＴＳＡプロセスの熱管理と周期性がゆえの困難が生じることも多い。
【００１７】
本発明を実施することで、脱着された材料を加熱媒体に希釈しないＴＳＡ系が得られ、短い（数分）サイクルをＴＳＡ系が得られ、かつ、下流のプロセシング設備を乱さない製品の比較的連続した流れが得られる。また、本発明を実施することで、温度スイングのエネルギの大半を再捕捉して再利用するような方法で熱統合されたＴＳＡ系も得られる。更に、本発明によれば、原料ストリーム中の多くの異なる種に対してクロマトグラフ的な（多成分）分離が可能なＴＳＡ系も得られる。
【００１８】
本発明の方法を、本明細書では「熱波吸着」（ＴＷＡ）と呼ぶが、これは従来技術では提案されていないものである。本発明は、その最も単純かつ好ましい実施形態において、吸着剤材料と熱交換装置（或いは単に「熱交換器」）とを組み合わせるものである。熱交換器は一般に、二組のチャネルを備え、各組が異なる流体回路に接続されている。一方のチャネルの組から他方のチャネルの組まで熱を容易に移動させることができるように、これらの組は互いに熱連通状態にある。ＴＷＡの好ましい実施形態では、一方の組の熱交換器チャネルに吸着剤を配置し、別の組のチャネルを用いて吸着剤装置に対して熱を出し入れする。このようにして、本発明は、脱着された材料が加熱媒体に希釈されるのを回避するという、その目的のうちの１つを達成する。また、本発明は、大幅な熱損失や長時間の加熱および冷却を伴わずに、接触器の温度を高速で変化させる手段も提供するものである。
【００１９】
有効な吸着床は物質移動係数に十分注意しながら設計されているため、床の濃度勾配が比較的急唆であることは周知である。急唆な濃度勾配が好ましいのは、吸着質の「破過」が生じる前に床に原料を長時間にわたって通せるからである。プロセス開始時、吸着質は床の上流部分の吸着剤内で高濃度であり、床の下流部分で低濃度である。プロセスが進むと、吸着質が吸着剤床に蓄積されるにつれて、高濃度ゾーンと低濃度ゾーンの境界線が床出口に向かって少しずつ移動する。物質移動が適切でないと、勾配が狭くなる。このような条件では、床の吸着能が十分に利用されるかなり前に床から吸着質が離脱しはじめる。実用上、原料を流すのに原料流体用の比較的小さなチャネルを設けることで、物質移動度が高くなる。これは、特に、小さな吸着剤粒子の床を用いるか、チャネルの大きさが小さいモノリス吸着剤を用いて達成される。
【００２０】
本発明を実施するにはこれらの物質移動規則が満たされることが好ましいため、市販の直径の大きな管状（たとえば内径２インチ）熱交換器の壁に吸着剤を単純にコーティングすることはできない。熱交換対象となる本発明の吸着剤接触器は、一方の熱交換チャネルの組に吸着剤を配置して設計されている。チャネルに配置される吸着剤は、吸着の規則に従う必要があり、特に、急唆な温度勾配が得られるだけの十分な物質移動を提供するものでなければならない。実用上、これは隙間充填吸着剤、ウォッシュコート、ペレットまたはモノリスを使用することを意味する。好ましくは、吸着剤含有熱交換器チャネルの流体流の特徴的な水力半径が約１インチ未満であり、好ましくは約０．２５インチ未満、一層好ましくは約０．１インチ未満である。
【００２１】
好ましい実施形態では、接触器がｉ）吸着ステップから再生ステップに遷移するとき、ｉｉ）再生ステップから吸着ステップに遷移している際、ｉｉｉ）再生ステップの少なくとも一部、或いはｉｖ）吸着ステップの少なくとも一部において接触器で熱を移動させるのに熱波を利用する。本発明の目的で、熱波とは、熱スイング吸着／脱着サイクルの１ステップの間に線形（即ち接触器内でほぼ単一方向に）移動する急唆な温度勾配である。熱フロント（即ち急唆な温度勾配のある領域）が移動する速度を熱波の速度と呼ぶ。波の速度は一定である必要はなく、波が移動する方向は吸着ステップと再生ステップで同じである必要がない。たとえば、波は吸着ステップと再生ステップの間で並流的、向流的またはクロスフロー的に移動可能である。また、吸着ステップでは有意な熱波が存在しないのに対し、再生ステップでは有意な熱波が存在することも本発明の範囲内である。熱スイング吸着／再生サイクルの少なくとも一部で熱波が存在することによって、この系で、床の温度スイングに必要な熱を実質的に再捕捉および回収するという本発明の目的のひとつを達成できる。よって、これによってプロセス効率が改善される。また、通常はＴＳＡの動作では考慮されない極めて高い脱着温度を使用できるようになる。
【００２２】
熱波は、熱交換媒体の初期温度よりも高いまたは低い温度の媒体を流体が流れるときに、熱交換媒体に生成される。この現象は、従来技術において周知であり、「再生性」熱交換と呼ばれることもある。たとえば、高温の流体が低温の熱交換媒体を流れると、流体が冷却されて媒体が加熱される。伝熱パラメータが適切に高ければ、伝熱の大半が媒体内の狭い領域内で発生し、その領域が時間の経過とともに媒体を移動する。この狭い領域に熱波が含まれ、（この例では）そこで流体の温度が高温から低温に遷移する。流体と熱交換媒体との相対熱容量からも分かるように、熱波が熱交換媒体を移動する速度は、流体が媒体を移動する速度よりも遅い。熱交換媒体の一方の端に高温の流体を導入しつづけると、熱波が完全に熱交換媒体を横断しきってしまうまで、冷たい流体が他端から流出する。本出願では、熱波吸着体の加熱チャネルまたは冷却チャネルで使用する流体を、「高温」流体、「低温」または「冷たい」流体と呼び、一般論では「熱」流体と呼ぶ。いくつかの実施形態では、吸着チャネルで使用するプロセス流体も熱流体として使用できることがある。
【００２３】
「チャネル系」という用語は、本明細書では、接触器のうち熱流体と吸着剤との間の熱の移動に直接的に関与する部分を示すものとして用いる。これには一般に、熱が伝わるチャネル成分や吸着剤並びに、熱流体およびプロセス流体が含まれる。チャネル系から明確に除外されるのは、伝熱に直接関与しない接触器成分であり、たとえば、接触器との間で流体を出し入れする導管、或いは接触器のシェルがあげられる。本発明の熱波チャネル系は、その伝熱特性によって所望の短いサイクルタイムが実現できるように選択される。２本の流体ストリーム間の伝熱係数（ｈ）によって伝熱系を特徴付けられることが従来技術において周知である。流体と交換器の特性に基づく伝熱係数の相関が周知である。伝熱係数は、２本のストリームを分ける伝熱表面積に基づいて定義されることが最も多い。
【００２４】
伝熱係数は以下のとおりである。
【数１】
2010527755.tif 000003
【００２５】
伝熱係数の必要な大きさは、系の加熱速度または冷却速度の観点から理解される。系の発熱率の要件（Ｈ）は、プロセスステップ（再生など）でのエンタルピーの変化をステップ時間およびチャネル系の伝熱面積で割った値として定義される。エンタルピーの変化（ΔＨ）は、サイクルの終わりに流体があるチャネル系のエンタルピーからサイクルの始めに流体があるチャネル系のエンタルピーを引いた値として計算で求められる。ステップ時間をτ、チャネル系の伝熱面積をａｃとすると、ステップの発熱率要件（Ｈ）は以下のように求められる。
【数２】
2010527755.tif 000004
【００２６】
本明細書では、本明細書で教示するようなＴＷＡ系の特徴付けにも伝熱デルタ温度ΔＴＨＴを使用する。なお、本明細書では、ΔＴＨＴを発熱率要件と伝熱係数との比として定義する。
【００２７】
特性伝熱デルタ温度は以下のとおりである。
【数３】
2010527755.tif 000005
【００２８】
特性ΔＴＨＴは、伝熱の供給と需要とのバランスを示す。本明細書で使用する場合、ΔＴＨＴは、さまざまなステップ（吸着、再生、冷却）の条件に基づく伝熱係数を用いて求められる。特性ΔＴＨＴは、本発明の設計パラメータのひとつである。本発明の特性ΔＴＨＴ要件を満たすように、チャネルのサイズと材料並びに、流体流速を選択する。
【００２９】
本発明のΔＴＨＴは約０℃から約５００℃である。一層好ましくは、特性ΔＴは約０℃から約５０℃である。最も好ましくは、特性ΔＴＨＴは約０℃から約１０℃である。
【００３０】
熱の回収に熱波を効率的に利用するには、１つの接触器から流出する熱流体を別の接触器に送らなければならない。接触器間の熱流体流の経路は、スイング吸着サイクル全体の適当な時点で接触器間に熱流体を誘導するように時間調整されたバルブによって決まる。接触器間を熱流体が流れる場合、この流体を、流動している熱流体に熱を加えたり流動している熱流体から熱を除去したりする熱交換器を流してもよい。また、上記の流体を、これが所望の速度で接触器を流動できるようにこれを加圧するコンプレッサ、ポンプまたはブロワなどの装置を通してもよい。蓄熱媒体は、ある接触器を移動している熱波からのエネルギを第２の接触器に渡す前に蓄積するよう構成可能である。蓄積媒体の非限定的な例に、循環稼働される充填床熱交換器がある。充填床熱交換器では、床の熱容量によってエネルギを蓄積する。エネルギが蓄積される際並びに冷却される際に熱波が床を移動する。熱波がこの熱交換器を通り抜けるのに必要な時間によって、接触器間の熱エネルギの誘導時間を調節することができる。或いは、モノリスなどの構造化熱吸着材料を用いて熱交換器にエネルギを蓄積してもよい。
【００３１】
熱波を使用して一方の接触器から別の接触器に熱を渡すことについて、本明細書の図８に示す。図８に示す接触器は、本明細書の図４に示すタイプの外側から加熱されるモノリス接触器である。図８に示す接触器の温度を半透明の灰色として接触器に重ねてある。図８ａは、再生ステップ終了時の高温の接触器８０１と、吸着ステップを終えたばかりの温度が低いほうの接触器８０３を示す。接触器８０１に重ねた濃い灰色は温度が高い（約９５℃を超えるなど）ことを示し、接触器８０３の薄い灰色は温度が低い（約４０℃未満など）ことを示す。図８ｂに、接触器８０１を冷却して接触器８０３を加熱する初期段階を示す。接触器８０１を冷却するには、低温の流体８３３を接触器の加熱／冷却チャネルに流す。熱フロントが接触器を移動するにつれて、入口付近の端８０５の温度が冷却用の流体８３３の温度に近づき、接触器の遠位端８０９の温度が再生後の最初の温度前後にとどまる。温度勾配の大きな急唆なフロント８０７によって、接触器の高温セクションと低温セクションとが分離される。接触器から押し出される高温の流体が集まってストリーム８１１になり、これが流れることで第２の接触器８０３が冷却される。ストリームは、異なる接触器間の熱流体の流れを止めるまたは経路を変えるのに使用可能なストリーム選択弁および／または遮断弁８１３を流れる。任意に、ストリーム８１１を熱交換器８１５に通し、接触器８０３の冷却用に送られるストリーム８１９に熱を加えてもよい。任意のストリーム８１７を熱交換器に流し、熱交換器８１５によって移動される熱を提供する。一実施形態では、廃棄物プロセス熱からストリーム８１７を誘導する。本発明を使用して排煙からＣＯ２を捕捉する場合、好ましい実施形態では、ＣＯ２を貯留サイトへのパイプライン輸送用に約１，０００ｐｓｉよりも高い圧力まで圧縮するためのコンプレッサストリングの中間段階の冷却器（図示せず）からストリーム８１７を得る。温度が再生後の接触器の温度付近またはそれよりも高い高温のストリーム８２１を低温の接触器に渡す。このストリーム８２１によって、熱フロントが接触器を移動し、入口付近の端８２３の温度がほぼ高温の流体８２１の温度になるのに対し、接触器の遠位端８２９の温度は再生後の最初の温度前後にとどまる。温度勾配の大きなもうひとつの急唆なフロント８２５によって、接触器の高温セクションと低温セクションとが分離される。低温の流体が接触器から押し出され、これが集まってストリーム８３１になる。この熱流体を使用して、標的成分（たとえば排煙からのＣＯ２および水）を吸着している接触器での昇温を制限することが可能であり、或いは、これを使用して別の接触器を冷却することが可能である。一実施形態では、ストリーム８３１の低温の流体を送り返してストリーム８３３を形成する。任意に、送り返してストリーム８３３を形成する前に、ストリーム８３１を熱交換によって冷却する。本明細書の図８に示すように、接触器の高温セクション８０１と低温セクション８０３での変化は同じ比率ではない。これは、分子が脱着される際に、接触器８０３に伝わる熱の一部が脱着熱に取り込まれることにもよるものである。熱交換器８１５を使用して熱を供給する場合、２つの接触器（８０１および８０３）の熱波を同じ速度で移動させることが可能である。
【００３２】
図８ｃは、プロセスを継続した際の接触器（８０１および８０３）における熱波の進行を示す。低温の流体８７３は接触器８０１の加熱／冷却チャネルを流れ続ける。熱フロントが接触器を更に移動する。接触器８４５の最初の３分の２の温度は冷却用の流体８７３の温度とほぼ同じであり、接触器の遠位端８４９の温度は再生後の最初の温度前後にとどまる。温度勾配の大きな急唆なフロント８４７によって、接触器の高温のセクションと低温のセクションとが依然として分離されている。接触器から押し出された高温の流体が集まって、第２の接触器８０３に流入するストリーム８５１になる。再生後の接触器の温度前後またはこれよりも高い温度の高温のストリーム８６１を第２の接触器に通し、第２の接触器で熱フロントを移動させつづける。第２の接触器の最初の半分８６３の温度は、高温の流体８６１の温度とほぼ同じなのに対し、接触器の遠位端８６９の温度は吸着後の最初の温度前後にとどまる。温度勾配の大きな急唆なフロント８６５によって、ここでも接触器の高温セクションと低温セクションとが分離される。このフロントは、接触器をほぼ半分だけ流下しただけであるが、他の接触器のフロントは接触器に沿って約３分の２を過ぎている。この２つの熱フロントの速度差は、脱着熱にもよるものである。接触器から押し出される冷たい流体が集まってストリーム８７１になり、これを他の接触器で使用しつづける。
【００３３】
本発明の実施にあたって使用可能な他の熱プロセス統合の非限定的な例としては、吸着ステップを実施している１つまたは複数の接触器と、再生ステップを実施している１つまたは複数の接触器との間で熱を往復させることがあげられる。
【００３４】
一実施形態では、一方が再生と加熱、他方が吸着と冷却を担う２つの接触器を用いて熱波吸着系を稼働させてもよい。この実施形態を本明細書の図９に概略的に示し、任意の時点で、加熱用の接触器と冷却用の接触器に伝熱媒体の実質的に等しい流れが流れている。本明細書の図９に示す例は、加熱対象となる接触器１９０３を含み、別の接触器１９０１が冷却対象となる。接触器での伝熱媒体の流れによって生成される温度勾配がゆえに、接触器内に捕捉される高いレベルの熱（または冷却）で加熱（および冷却）が達成される。加熱時には、温度の破過が生じて実質的にすべての接触器が加熱されるまで、第１の接触器１９０３に高温の流体１９０５が導入され、加熱／冷却通路１９０７から冷却状態１９０６で流出する。同時に、冷却された伝熱媒体１９１０を第２の接触器１９０１の加熱／冷却通路１９１１に導入する。右から左に移動して、接触器ユニット１９０１が冷却されるのに対し、伝熱媒体が再加熱されるように、流動している冷却用の媒体１９１０によって熱波を生成する。再加熱される伝熱媒体１９１３を再循環させて、第１の接触器ユニット１９０３に戻す。実用上、熱損失（たとえば、脱着材料が高温の系を離れているなど）がゆえに、熱を加えて高温の伝熱媒体の温度をストリーム１９０５の元の温度まで上昇させる必要がある。図９では、熱交換器１９１７に通すことでこの追加の熱をストリーム１９１３に加えている。
【００３５】
本発明の一実施形態では、接触器ユニットからの温度破過にもかかわらず、伝熱媒体から熱を除去し、これをあらかじめ定められた温度で維持する。一般に、（冷却ステップから出てくる）冷却された熱流体は、分離原料の温度に近い温度になる。熱交換１９１５による冷却は、冷却用の流体の温度を流入してくる排煙ストリーム１９１９の温度よりも低い温度まで下げ、これによって吸着剤を流入してくる分離原料の温度未満の温度まで予冷するためにも利用できる。プロセス混合ガス（排煙など）１９１９を接触器１９０１の冷却端にて吸着剤でライニングしたチャネル１９２３に送る。プロセス混合ガスの流量は、標的成分（ＣＯ２および任意に水、ＳＯｘ、ＮＯｘなど）が熱フロントに達する前に吸着されるような流量である。接触器１９０１での熱フロント（または波）の進行を図９に概略的にプロット１９２１する。
【００３６】
吸着時、最強吸着成分が接触器吸着剤と最も強く結合し、最も移動しなくなる。これらの成分は、吸着剤の流入口に最も近い領域を埋め、弱吸着材料をその領域から追い出す。吸着時間全体では、吸着質は接触器の吸着チャネルの流入口から流出口へと流れる際に接触器吸着剤に沿って自然に最も強いものから最も弱いものという順になる。プロセス混合ガスが、排煙の場合、ほとんどの吸着剤材料で水が最強吸着成分になる。いずれの場合も、急唆な濃度フロントが接触器を移動し、フロントの位置は常に熱フロントの後ろのままである。その際、標的成分（ＣＯ２など）が常に接触器１９０１の低温セクションで吸着される。ストリーム１９２５が、標的成分（ＣＯ２など）の大半が除去され、任意に他のいくつかの標的成分（水、ＳＯｘ、ＮＯｘなど）の大半も除去された状態で、吸着剤でライニングされたチャネル１９２３から流出する。好ましい実施形態では、ストリーム１９２５の組成は、吸着剤チャネル１９２３に入るプロセス混合ガス（排煙など）１９１９に含まれる標的成分（たとえば、ＣＯ２）の８０ｍｏｌ％を超える量、好ましくは９５ｍｏｌ％を超える量が除去された組成になる。図９では、前の吸着ステップでの接触器１９０３の向きが、ほとんどの弱吸着種が高温流体１９０５の導入端に最も近くなるようなものであった。接触器での熱フロント（または波）の動きを図９に概略的にプロット１９３１する。熱波（１９３１および１９２１）が接触器で反対方向に移動するのが見られる。収着媒と吸着される分子の細かな性質によっては、熱波が接触器を並流的に動くように接触器間を配管接続すると好ましいことがある。
【００３７】
熱波１９３１および１９２１が接触器を向流的に移動する場合、最も弱く保持される吸着質を含む接触器の領域が最初に加熱され、続いて次に弱い部分、その次という具合に、最後に最も強く吸着される材料が加熱するまでこれが続く。これらの吸着質が吸着剤でライニングされたフローチャネル１９３３に放出される順番は、これが加熱される順番と一致する。熱波が接触器を並流的に移動するよう配管した場合、最も強く保持される吸着質を含む接触器の領域が最初に加熱され、続いて次に強い部分、その次という具合に、最後に最も弱く吸着される材料が加熱されるまでこれが続く。吸着剤の特性次第では、熱波が並流的に移動するよう接触器同士を配管接続すると都合がよいこともある。いずれの場合も、吸着質の別々のストリームを異なるラインまたは容器で回収し、連続した多成分吸着（クロマトグラフ的としても知られる）分離を実現することが可能である。
【００３８】
吸着質は、接触器を通っている熱波に対して並流的または向流的に再生されている接触器から流出可能なものである。この図では、脱着された種が、熱波の方向に対して向流的に接触器１９０３の吸着剤でライニングしたチャネル１９３３からストリーム１９３５に流入する。また、並流脱着を用いて連続した多成分吸着（クロマトグラフ的としても知られる）分離を実現することも可能である。このような別の実施形態では、脱着の流れが図９に示したものと逆方向になり、床から出る過程で強く吸着されるものではなく弱く吸着される成分のほうを戻さなければならない。この方法を用いると、吸着ステップ床出口の条件を一層綺麗にすることができ、吸着ステップでより一層高純度の流出物が得られる。また、条件によっては、吸着質流出物ストリームの吸着質を更に高い度合いで分離できることもある。任意の脱着様式で、掃引またはパージ流体１９３９を使って脱着プロセスを補助する。熱波を用いて脱着を並流的に実施する場合、この任意の様式の好ましい実施形態で、床に沿って移動している熱波の速度とほぼ一致する速度で掃引を導入する。
【００３９】
いくつかのユニットが加熱および冷却動作に連結され、他のユニットが吸着（および／または脱着）に関与するような形で、複数の接触器ユニットで稼働すると望ましいことがある。このような動作では、吸着に切り替わる前に伝熱媒体を循環させることで接触器を実質的に冷却することが可能である。このような動作の利点に、床のスイングに用いる熱が伝熱媒体に保持されることがある。吸着を冷却と同時に進行させた場合、床の熱のかなりの部分が吸着質のない原料に失われてしまい、高温の伝熱媒体を回復させるのに、更に高い熱負荷が必要になる。
【００４０】
また、多くの場合（特に不純物除去の場合）、接触器の吸着能を十分に利用するのに必要な時間よりも吸着剤の再生に必要な時間のほうが短いことがある。このような場合、いくつかの接触器を吸着フェーズにおき、対にした２つの接触器を熱／再生フェーズと再冷却フェーズにおくと望ましいことがある。好ましい実施形態では、吸着に関与するいくつかの接触器を、最後に再生された接触器ユニットがラインの最後の床になるように直列接続し、ラインの第１のユニットを次に再生する。もうひとつの好ましい実施形態では、吸着ユニットを、各吸着体が原料全体の一部を処理するような形で並列接続する。更に別の実施形態では、熱波貯蔵装置を用いて、適切なタイミングのサイクルを保存および可能にする。
【００４１】
このようにして接触器を使用する場合、各接触器ユニットを、並流、向流、クロスフローまたは他の構成で配置することが可能である。しかしながら、好ましい実施形態では、接触器を並流および／または向流の配置で利用する。
【００４２】
本発明を実施するにあたって用いられる接触器の物理的なアーキテクチャは、再生時に接触器が内側から加熱されるか外側から加熱されるかによって変わる。内側から加熱される接触器では、接触器の加熱に用いられるガスまたは流体が吸着剤材料と直接的に接触する。従って、本発明で利用する内側から加熱される接触器では、伝熱係数（ｈ）は流体対固体の伝熱係数として定義される。その際、再生時に接触器の加熱に用いられるガスまたは流体が、吸着ステップで排煙が通るのと同じマクロ孔の体積を通過する。吸着剤の加熱および再生に用いられるガスまたは流体は、排煙の流れる方向に対して並流、向流または直交（即ちクロスフロー）的に流れることが可能である。このような内側から加熱される接触器の場合、熱再生ステップで遊離した標的成分が接触器の再生に用いられるガスまたは流体と混合される。排煙分離の場合、標的成分は排煙中に含まれるＣＯ２および水などの種であろう。
【００４３】
内側から加熱される接触器の再生に用いるガスまたは流体から標的成分を分離すると好ましい。外側から加熱される接触器には、接触器の加熱および冷却に用いられるガスまたは流体を運ぶための別の一組のチャネルがある。従って、本発明で利用する外側から加熱される接触器では、伝熱係数（ｈ）は加熱／冷却チャネルとプロセスチャネルとの間の熱の移動について定義される。また、接触器の加熱および冷却に用いられるガスが再生ステップで遊離した標的成分と混ざらないように、別の一組のチャネルを密閉しておくと好ましい。
【００４４】
内側から加熱される接触器の非限定的な例としては、少なくとも１つの標的成分に対する選択的吸着剤を含むペレットが詰まった床、ビーズ状の選択的吸着剤床、少なくとも１つの標的成分に対する選択的吸着剤を含む繊維または繊維状マットの詰まった床、構造化吸着剤接触器および平行チャネル接触器があげられる。構造化吸着剤接触器は、ガスまたは流体が接触器を物理的に流れられるようにする複数のフローチャネルを含む。フローチャネルとは、原料ストリームが接触器に入る地点または場所と製品ストリームが接触器を離れる地点または場所との間に定常状態の圧力差が印加される場合に、接触器のガスが流れる部分である。フローチャネルは、接触器の空洞状のメソ孔またはマクロ孔の体積の一部とはみなされない。平行チャネル接触器は、構造化吸着剤接触器の好ましいサブセットを形成する。平行チャネル接触器では、実質的に互いに平行な少なくとも一組のチャネルがある。
【００４５】
外側から加熱される接触器として動作させるには、加熱／冷却チャネルからそのチャネルの吸着媒体に熱を容易に伝えられる必要がある。本発明で使用するのに適した外側から加熱される好ましい接触器は、伝熱係数が大きい。本発明の一実施形態では、原料含有チャネルと加熱／冷却媒体の流れるチャネルとの間の境界に関して熱交換器チャネルを特徴付ける。境界は、横断面の面積（Ａ）と外周（Ｐ）を有することを特徴とするものになり得る。４Ａ／ＰとしてパラメータＤを求めることが可能である。たとえば、吸着剤ペレットが詰まった円柱形のチューブの場合、Ｄはチューブの直径と等しい。本発明の好ましい実施形態では、吸着剤を含む熱交換器チャネルのパラメータＤが約１インチ未満であり、一層好ましくは、Ｄが約０．５インチ未満である。
【００４６】
熱追加／除去チャネルについても、急唆な温度勾配または「熱波」挙動が得られるような方法で設計する。温度勾配は、濃度勾配と関連する場合がある。しかしながら、主な制御パラメータは熱流体と熱交換器の塊との間の伝熱係数である。伝熱・熱伝導パラメータが適切な熱交換−吸着体系を設計する場合、加熱および冷却ステップで温度波が生じる。このような条件によって、この系で床の温度スイングに必要な熱を実質的に回復および回収することができる。熱を回収できれば、結果として、通常はＴＳＡの動作で考慮されることのない極めて高い脱着温度を利用できるようになる。熱統合型の熱波吸着プロセスのひとつの構成を上述し、図９に示してある。
【００４７】
外側または内側から加熱される接触器を、接触器を通る熱波と一緒に稼働させることで、吸着剤ビーズの入った容器または押出された吸着剤粒子など、従来からある既存のガス分離方法に比して大きな利点が得られる。これらのスイング吸着技術はいずれも当業者間で周知であり、さまざまな標的ガスを多岐にわたる混合ガスから除去する目的で利用可能なものである。本発明を用いることで、プロセス混合ガスの製品成分としての軽質成分の回収率が大幅に高められる。軽質成分とは、本方法の吸着ステップで吸着剤によって優先的に取り出されない種または分子成分または成分を示す。本発明の接触器を使用したところ、スイング吸着プロセスでの軽質成分の総回収量が、本方法に導入される軽質成分の含有量の約８０ｍｏｌ％を超え、一層好ましくは約８５ｍｏｌ％を超え、更に好ましくは約９０ｍｏｌ％を超え、最も好ましくは約９５ｍｏｌ％を超える場合があることが、想定外に見いだされた。軽質成分の回収量は、製品ストリームにおける軽質成分の時平均モル流量を、原料ストリーム中の軽質成分の時平均モル流量で割った値で定義される。同様に、重質成分とは、本方法の吸着ステップで吸着剤によって優先的に取り出される種または分子成分または成分である。これらの重質成分は、標的成分とも呼ばれる。重質成分の回収量は、製品ストリーム中の重質成分の時平均モル流量を、原料ストリーム中の重質成分の時平均モル流量で割った値で定義される。
【００４８】
好ましい実施形態では、空洞状のメソ孔およびマクロ孔の体積分率が低い構造化吸着剤接触器を用いることで、軽質成分の回収量が増す。即ち、本発明の構造化床型吸着剤接触器は、自己の細孔容積の約２０ｖｏｌ％未満、好ましくは約１５ｖｏｌ％未満、一層好ましくは約１０ｖｏｌ％未満、最も好ましくは約５ｖｏｌ％未満が、メソ孔およびマクロ孔の大きさの範囲にある空洞細孔である。メソ孔とは、ＩＵＰＡＣの定義に基づけば、大きさが２０〜５００オングストロームの範囲の細孔である。マクロ孔については、本明細書において、大きさが約５００オングストロームを超え、なおかつ約１ミクロン未満の細孔であると定義する。フローチャネルは大きさが１ミクロンよりも大きいため、マクロ孔の体積の一部であるとはみなされない。本発明者らのいう空洞細孔とは、間隙封止用物質が詰まっておらず、本質的に非選択的に、混合ガスの成分で埋めることが可能なメソ孔やマクロ孔の意味である。
【００４９】
空洞状のメソ孔とマクロ孔の体積分率を求めるための方法が、本明細書に援用する、２００７年５月１８日に出願された係属中の特許文献７に見られる。空洞状のメソ孔とマクロ孔の体積分率の低い接触器は、軽質成分の製品回収量を改善する目的で、平衡制御スイング吸着プロセスと速度論的に制御されたスイング吸着プロセスの両方に使用可能なものである。従来技術の吸着剤接触器は、相当なレベルのメソ孔とマクロ孔を含む。メソ孔およびマクロ孔への移動が非選択的であるため、吸着ステップの終了時に、このような接触器のメソ孔およびマクロ孔（これらは非選択的である）には相当な量の軽質成分が含まれることになる。これは、高圧熱波プロセスで特に大きな問題となる。吸着ステップ終了時に、メソ孔およびマクロ孔の隙間における分子数が、吸着剤のミクロ孔に選択的に吸着される分子数に匹敵する可能性があるためである。脱着ステップでは、メソ孔およびマクロ孔に含まれる軽質成分の大半が、望ましくない形で重質成分の生成物ストリームに混じって失われる。これらの軽質分子自体、軽質生成物で望まれるようには回収されない。結果として、貴重な軽質生成物が大幅に失われてしまうことになりかねない。本発明の吸着剤接触器および方法は、空洞状のメソ孔およびマクロ孔の隙間の体積分率を減らすことで、製造時に軽質生成物の回収量を大幅に改善可能なものである。
【００５０】
天然ガスストリーム、特に高圧天然ガスストリームから不純物を除去するのに用いられるプロセスでは、軽質成分の回収量を改善することが特に重要である。不純物（重質成分）とメタンを豊富に含む製品（軽質成分）ストリームとを、天然ガスの処理における動作性の点で実用的な高い圧力で回収するのが望ましい。上述したように、本発明は、約５０ｐｓｉｇより高い圧力、或いは約１５０ｐｓｉｇより高い圧力、或いは約４５０ｐｓｉｇまたは１２００ｐｓｉｇより高い圧力などの高圧で天然ガスを供給する場合ですら、約８０ｍｏｌ％を超え、一層好ましくは約８５ｍｏｌ％を超え、なお一層好ましくは約９０ｍｏｌ％を超え、最も好ましくは約９５ｍｏｌ％を超えるメタン回収量を得るのに使用可能なものである。本発明は、ガスストリームが最大約７０００ｐｓｉｇという例外的に高い流入口圧にある場合ですら利用可能である。地下のガス田から直接得た天然ガスストリーム（粗天然ガス）の組成は、ガス田ごとに異なる。粗天然ガスストリームをなす成分の非限定的な例としては、水、コンデンセート（高分子量の有機物質）、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ＣＯ２、Ｎ２、Ｈｅ、Ｈ２Ｓ、Ｈｇ、メルカプタンがあげられる。水とコンデンセートは一般に除去され、コンデンセートは石油精製所に送られる。住宅用燃料や業務用燃料の市場への販売用のパイプラインに導入可能なガスを製造するために、Ｎ２、Ｈｇ、メルカプタン、酸性ガスであるＣＯ２およびＨ２Ｓなどの汚染物質を許容可能な濃度まで除去しなければならない。濃度や不純物のタイプはガス田ごとに異なり、場合によっては、生成ガス中の分子の大半をなすこともある。たとえば、天然ガス田によっては、約５ｍｏｌ％から約９０ｍｏｌ％のＣＯ２が含まれることも珍しくなく、より一般に約１０ｍｏｌ％から約７０ｍｏｌ％のＣＯ２が含まれる。
【００５１】
スイング吸着プロセスで天然ガスからＣＯ２が除去される本出願の一実施形態では、速度論的選択性の高い特定クラスの８員環ゼオライト材料を用いて吸着剤を生成すると好ましい。このクラスの８員環ゼオライト材料の速度論的選択性によって、メタンの輸送を妨害しつつＣＯ２をすみやかにゼオライト結晶に移動できるため、ＣＯ２とメタンの混合物からＣＯ２を選択的に分離することが可能である。天然ガスからＣＯ２を除去する場合、この特定クラスの８員環ゼオライト材料のＳｉ／Ａｌモル比は約２から約１０００であり、好ましくは約１０から約５００、更に約５０から約３００である。本明細書で使用する場合、Ｓｉ／Ａｌという表現は、ゼオライト構造のシリカ対アルミナのモル比として定義される点に注意されたい。本明細書で使用するのに適した好ましいクラスの８員環ゼオライトを用いると、ＣＯ２とメタンの単成分拡散係数の比（即ちＤＣＯ２／ＤＣＨ４）が約１０より大きく、好ましくは約５０より大きく、一層好ましくは約１００より大きく、なお一層好ましくは約２００より大きくなるような方法で、ＣＯ２が８員環ウィンドウを介して内部の細孔構造に到達することができる。速度論的選択性、吸着等温線および拡散係数を求める方法が、本明細書に援用する、２００７年５月１８日に出願された係属中の特許文献７に見られる。
【００５２】
多くの場合、天然ガスまたは石油生産に関連するガスからは、窒素も除去する必要がある。これは、生成ガスの窒素濃度が高い（＞２％）ことが理由の場合もあれば、天然ガスの液化に窒素の除去が必要であることが理由の場合もある。また、メタンや炭化水素生成物を燃料として利用できるように、ＬＮＧの製造時に発生するフラッシュガスから窒素を分離すると都合がよいこともある。もうひとつの用途に、メタンや炭化水素生成物を回収または燃料として利用できるように、ＬＮＧボイルオフからガスを精製することがある。回収時、メタンや炭化水素を再度液化して、ＬＮＧ船に戻すと都合がよいこともある。これらの用途ではいずれも、窒素含有ガスから窒素を選択的に吸着して、高回収量で精製メタン生成物を得ることが望ましい。メタンからの窒素分離に合った相応の平衡選択性または速度論的選択性を有するモレキュラーシーブ収着媒は極めてわずかしかない。天然ガスからＮ２を分離する場合、速度論的選択性を有するクラスの８員環ゼオライト材料を用いて吸着剤を生成すると好ましい。このクラスの８員環材料の速度論的選択性によって、メタンの輸送を妨害しつつＮ２をすみやかにゼオライト結晶に移動できるため、Ｎ２とメタンの混合物からＮ２を選択的に分離することが可能である。天然ガスからＮ２を除去する場合、この特定クラスの８員環ゼオライト材料のＳｉ／Ａｌモル比も約２から約１，０００であり、好ましくは約１０から約５００、一層好ましくは約５０から約３００である。本明細書で使用するのに適した好ましいクラスの８員環ゼオライトを用いると、Ｎ２とメタンの単成分拡散係数の比（即ちＤＮ２／ＤＣＨ４）が５より大きく、好ましくは約２０より大きく、一層好ましくは約５０より大きく、なお一層好ましくは１００より大きくなるような方法で、Ｎ２が８員環ウィンドウを介して内部の細孔構造に到達することができる。天然ガスからＮ２を除去する際のスイング吸着プロセスの防汚性が、このクラスの８員環ゼオライト材料によって得られるもうひとつの利点である。
【００５３】
これ以外の場合では、Ｈ２Ｓを約０．００１ｍｏｌ％から約７０ｍｏｌ％の量で含み得る天然ガスからＨ２Ｓも除去すると望ましい。この場合、速度論的選択性を有するスタノシリケート並びに上述したクラスの８員環ゼオライトを用いて吸着剤を生成すると都合がよいことがある。このクラスの８員環材料の速度論的選択性によって、メタンの輸送を妨害しつつＨ２Ｓをすみやかにゼオライト結晶に移動できるため、Ｈ２Ｓとメタンの混合物からＨ２Ｓを選択的に分離することが可能である。天然ガスからＨ２Ｓを除去する場合、この特定クラスの８員環ゼオライト材料のＳｉ／Ａｌモル比は約２から約１，０００であり、好ましくは約１０から約５００、一層好ましくは約５０から約３００である。本明細書で使用するのに適した好ましいクラスの８員環ゼオライトを用いると、Ｈ２Ｓとメタンの単成分拡散係数の比（即ちＤＨ２Ｓ／ＤＣＨ４）が約５より大きく、好ましくは約２０より大きく、一層好ましくは約５０より大きく、なお一層好ましくは約１００より大きくなるような方法で、Ｈ２Ｓが８員環ウィンドウを介して内部の細孔構造に到達することができる。シグマ−１およびＺＳＭ−５８などのＤＤＲ骨格ゼオライトも、天然ガスからＨ２Ｓを除去するのに適している。用途によっては、Ｈ２Ｓをｐｐｍレベルまたはｓｕｂ−ｐｐｍレベルまで除去する必要がある。こうした大規模なＨ２Ｓの除去を実現するには、熱波分離プロセスを使うと都合がよいことがある。
【００５４】
天然ガスまたは石油生産に関連するガスから、上記にて定義したような重質炭化水素を除去しなければならないことがある。天然ガスをパイプラインで輸送する前の露点調整のために、或いは液化前に天然ガスを調整する目的で、重質炭化水素の除去が必要なこともある。それ以外の場合では、ＣＯ２および窒素を用いる原油増進回収（ＥＯＲ）圧入での生成ガスから重質炭化水素を回収すると都合がよいことがある。更に他の場合には、いくつかのタイプの石油生産で油層に戻される関連のガスから重質炭化水素を回収すると都合がよいことがある。重質炭化水素の除去が望ましい多くの場合、ガスが約１，０００ｐｓｉを超える圧力になることがあり、場合によってはガス圧が約５，０００ｐｓｉｇを超える可能性もあり、更に約７，０００ｐｓｉｇを超えることもある。これらの用途では、細孔の大きさが約５から約２０オングストロームのゼオライトで生成した吸着剤を用いると都合がよい。この大きさの範囲にある細孔を有するゼオライトの非限定的な例として、ＭＦＩ、ＭＴＷ、フォージャサイト、ＭＣＭ−４１、ベータゼオライトがあげられる。吸着剤の過剰な汚染を防ぐには、重質炭化水素を除去するための本発明のプロセスの実施形態で用いられるゼオライトのＳｉ／Ａｌモル比が、約２０から約１０００であると好ましく、好ましくは約２００から約１０００である。
【００５５】
場合によっては、メルカプタンを含む状態の天然ガスが生産されることもあるため、吸着プロセスを使ってその分離を補助すると好都合である。天然ガスを精製するために開発されたいくつかのプロセスに、メルカプタンや天然ガスに見られる成分を含むストリームが存在する。本発明の接触器を用いて、天然ガスまたは天然ガス成分からメルカプタンをより一層選択的に分離し、貴重な成分（メタンなど）の回収量を高めることも可能である。これらの用途では、細孔の大きさが約５から約２０オングストロームのゼオライトで生成した吸着剤を用いると都合がよい。この大きさの範囲にある細孔を有するゼオライトの非限定的な例として、ＭＦＩ、フォージャサイト、ＭＣＭ−４１、ベータゼオライトがあげられる。これらの用途では、ゼオライトのＳｉ／Ａｌ比は約１から約１０００であればよい。
【００５６】
本発明を応用して、合成ガスからの分子種の分離を改善することができる。合成ガスは、炭化水素の水蒸気改質、炭化水素の熱部分酸化および接触部分酸化、従来技術において周知の他の多くの方法および組み合わせをはじめとする多岐にわたる方法で製造可能なものである。合成ガスは、燃料や化学分野での多くの用途に用いられており、ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）などの発電用途にも用いられている。これらの用途ではいずれも、本方法に必要な合成ガスの厳密な組成についての仕様がある。製造時、合成ガスには少なくともＣＯおよびＨ２が含まれる。ガス中の他の分子成分として、ＣＨ４、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、Ｈ２ＯおよびＮ２が含まれる可能性もある。ガス中の少量（または微量）成分としては、炭化水素、ＮＨ３およびＮＯｘがあげられる。ほぼすべての用途で、使用できるようになる前にＨ２Ｓの大半を合成ガスから除去しなければならず、多くの用途ではＣＯ２の多くも除去できると望ましい。合成ガスを化学合成プロセスの原材料として利用する用途では、通常はＨ２／ＣＯ比をプロセスに最適な値に調整できると望ましい。特定の燃料用途では、水性ガスシフト反応を利用して合成ガスをほぼ完全にＨ２とＣＯ２にシフトし、このような用途の多くではＣＯ２を除去できると望ましい。
【００５７】
内側から加熱される接触器または外側から加熱される接触器のいずれかの場合、吸着ステップでの昇温を制限しなければならない。たとえば、カチオンゼオライトでのＣＯ２の吸着熱は、吸着されるＣＯ２１モルあたり約１５から約４０キロジュールの範囲である。この吸着熱で、カチオンゼオライト吸着剤１グラムあたり１ミリモルのＣＯ２を吸着する吸着剤の断熱温度の上昇が約２０℃から約５０℃の範囲になる。内側から加熱される接触器の場合、サーマルマスを組み込んで吸着ステップでの昇温を約２０℃未満に制限すると好ましい。本発明を実施するにあたり、サーマルマス材料としては、好適な材料を用いることが可能である。このような材料の非限定的な例として、金属、セラミック、ポリマーがあげられる。好ましい金属の非限定的な例として、鋼合金とアルミニウムがあげられる。好ましいセラミックの非限定的な例として、シリカ、アルミナ、ジルコニアがあげられる。ポリイミドが、本発明を実施するにあたってサーマルマスとして使用できる好ましいポリマーである。吸着ステップの間に温度の上昇を制限する度合いに応じて、使用するサーマルマス材料の量は、接触器のミクロ多孔性吸着剤の質量の約０．１から約２５倍の範囲であればよい。接触器におけるサーマルマスの量の好ましい範囲は、接触器のミクロ多孔性吸着剤の質量の約０．１から５倍である。サーマルマス材料の量の一層好ましい範囲は、ミクロ多孔性吸着剤材料の質量の約０．１から約２倍であり、最も好ましくは接触器のミクロ多孔性材料の質量の約０．１から約１倍である。外側から加熱される接触器の場合、接触器の加熱／冷却チャネルまたは通路に冷却用の流体をポンプで流すことで、吸着ステップでの昇温を約２０℃未満に制限すると好ましい。好ましい一実施形態では、冷却用の流体が水である。このような場合、接触器の冷却に用いられる水流に取り込まれる熱エネルギを、冷却塔を使って放散させることが可能である。もうひとつの実施形態では、冷却用の流体が、冷凍サイクルを流れる流体（ガスまたは液体）である。更に別の実施形態では、標的成分が除去された製品流出物を用いて接触器を冷却する。たとえば、排煙分離では、この製品流出物は、ＣＯ２および任意に水などの標的成分を除去する接触器を通過したガスである。このような場合、ＣＯ２を除去するための処理対象となる排煙の流れる方向に対して向流方向で流出物を接触器の加熱／冷却チャネルに通す。外側から加熱される接触器の場合、サーマルマスを用いて吸着ステップでの昇温を２０℃未満に制限することも可能である。外側から加熱される接触器でサーマルマスを使用する場合、サーマルマス対吸着剤の質量比は約０．０２から約２であればよく、好ましくは約０．１から約１である。
【００５８】
本発明の平行チャネル接触器の寸法と幾何学的形状は、ＴＳＡまたは熱波スイング吸着プロセスで使用するのに適したどのような寸法または幾何学的形状であってもよい。幾何学的形状の非限定的な例として、モノリスの一端から他端まで延在する実質的に平行なチャネルを複数本有する、さまざまな形状のモノリス；複数の管状部材；シート間にスペーサを挟んだ状態または挟まない状態での吸着剤シートからなる積層；多層スパイラルロール、中空糸の束並びに実質的に平行な固体繊維の束があげられる。これらの幾何学的形状に吸着剤をコーティングしてもよく、吸着剤材料から形状を直接に形成してもよい。吸着剤から直接形成される幾何学的形状の一例として、ゼオライト／ポリマー複合体をモノリスに押出成形したものがある。吸着剤から直接に形成される幾何学的形状のもうひとつの例として、ゼオライト／ポリマー複合体製の押出中空糸または紡糸中空糸がある。吸着剤をコーティングした幾何学的形状の一例に、ゼオライト膜などのミクロ多孔性低メソ孔吸着剤膜をコーティングした薄くて平らな鋼シートがある。直接に形成される吸着剤層またはコーティングされた吸着剤層は、それ自体を複数の層または同一または異なる吸着剤材料に構造化可能である。多層吸着剤シート構造が、本明細書に援用する特許文献８に教示されている。
【００５９】
内側から加熱される平行チャネル接触器の実質的に平行なチャネルは、「フローチャネル」または「ガスフローチャネル」と呼ばれることもある。通常、フローチャネルは、表面積が比較的大きくて流体抵抗は比較的低い。チャネルは、好ましくはチャネルでの圧力の低下を最小限にするよう構成される。多くの実施形態において、接触器の流入口でチャネルに入る流体流部分は、流出口を出て合流するまでは流入口で別のチャネルに入る他の流体部分とは連通しない。実質的にすべてのチャネルが完全に利用されるようにして、なおかつ物質移動ゾーンが実質的に等しく含まれるようにするには、チャネルの均一性が重要である。余分なチャネルの不整合があると、生産性とガス純度の両方に影響する。あるフローチャネルが隣接する別のフローチャネルよりも大きいと、早すぎる段階で製品の破過が生じて、所望の製品ガスの純度低下につながる可能性がある。更に、１分あたり約０．１（ｃｐｍ）よりも高いサイクル周波数で動作する装置には、１分あたりでこれよりも低めのサイクルで動作する装置と比較して、なお一層フローチャネル均一性と圧力低下の少なさが必要とされる。更に、床で圧力の低下が起こりすぎると、高めのサイクル周波数を実現しにくくなる。
【００６０】
フローチャネルの寸法は、フローチャネルに沿った圧力の低下を考慮して計算で求めることが可能なものである。フローチャネルのチャネル幅は、約５から約１，０００ミクロンであると好ましく、好ましくは約５０から約２５０ミクロンである。一般に、フローチャネルの長さは約０．５センチメートルから３０メートルの範囲、より一般には約１０ｃｍから約１０メートルの範囲であり、チャネル幅は約５０から約２５０ミクロンである。チャネルは、スペーサ或いは、スペーサとして機能するメッシュを含むものであってもよい。本明細書で使用する場合、フローチャネルの「チャネル幅」は、流路に対して垂直な角度から見てフローチャネルの最も短い部分を通る線の長さとして定義される。たとえば、フローチャネルの横断面が円形である場合、チャネル幅は円の内径である。しかしながら、チャネル幅の横断面が長方形の場合、フローギャップは長方形の長い２本の辺に垂直でこれらの辺を結ぶ線の距離（即ち長方形の短い辺の長さ）である。また、フローチャネルは、どのような断面構成であってもよいことに注意されたい。好ましい実施形態は、フローチャネルの断面構成が円形、長方形または正方形のものである。しかしながら、楕円形、長円形、三角形またはさまざまな多角形の形状などであるが、これに限定されるものではない、どのような幾何学的断面構成を用いてもよい。他の好ましい実施形態では、吸着剤接触器における吸着剤体積とフローチャネル体積の比が、約０．５：１から約１００：１であり、一層好ましくは約１：１から約５０：１である。
【００６１】
用途によっては、吸着剤シートを積層するときに一緒にチャネルを形成可能である。積層吸着剤の場合、吸着剤ラミネート間の分離を画定する構造または材料であるスペーサを用いることが可能である。本発明で使用可能なタイプのスペーサの非限定的な例として、寸法的に正確な：プラスチックメッシュ、金属メッシュ、ガラスメッシュまたはカーボンメッシュ；プラスチック膜または金属箔；プラスチック、金属、ガラス、セラミックまたはカーボンのファイバおよび撚糸；セラミックピラー；プラスチック、ガラス、セラミックまたは金属の球または円板；またはこれらの組み合わせで構成されるものがあげられる。
【００６２】
構造化吸着剤接触器では、ＣＯ２選択的吸着剤および任意に水選択的吸着剤材料の大半が、フローチャネルの壁の一部として組み込まれる。構造化吸着剤接触器は、任意に、スイング吸着プロセスの吸着ステップにおける加熱を制御するためのサーマルマスを含むものであってもよい。吸着ステップでの加熱は、吸着剤に入る分子の吸着熱によって生じる。吸着ステップでの昇温を制限するサーマルマスについては、接触器のフローチャネルに組み込んでもよく、ＣＯ２選択的吸着剤または任意の水選択的吸着剤と一緒にフローチャネルの壁に組み込んでもよい。壁に組み込む場合、吸着剤層全体に分散するか別の層として含まれる固体材料であればよい。
【００６３】
スイング吸着プロセスの全体としての吸着速度は、フローチャネルから吸着剤への物質移動速度で特徴付けられる。吸着剤の体積の大半をプロセスで利用するには、除去対象となる種（即ち重質成分）の物質移動速度が十分に高いことが望ましい。吸着剤は重質成分を選択的にガスストリームから除去するため、吸着剤層の使い方が非効率的であると、軽質成分の回収量が減少および／または軽質生成物ストリームの純度が低下する可能性がある。本発明を用いれば、ミクロ多孔性の範囲になる吸着剤の体積の大半が、重質成分の吸着と脱着で効率的に用いられる形で、メソ多孔性およびマクロ多孔性を低体積分率で有する吸着剤を形成することができる。これをするためのひとつの方法に、実質的に均一な厚さの吸着剤を用いることがある。この場合の吸着剤層の厚さは、重質成分の物質移動係数と、プロセスの吸着ステップおよび脱着ステップの時間とによって設定される。厚さの均一性については、吸着剤の厚さの測定値またはそれを製造する方法から評価可能である。吸着剤の均一性が、その厚さの標準偏差が平均厚の約２５％未満であるようなものになると好ましい。一層好ましくは、吸着剤の厚さの標準偏差が平均厚の約１５％未満である。吸着剤厚の標準偏差が平均厚の約５％未満であるとなお一層好ましい。
【００６４】
吸着剤の各点で計算した重質成分の輸送の時定数τａが吸着剤層での物質移動の性能指数である。厚さがｘ方向で、ｙ方向とｚ方向がシートの面内にある平面状の吸着剤シートの場合、重質成分の時定数τａは、
τａ［ｘ，ｙ，ｚ］＝最小［Ｌｐａｔｈ２／Ｄｐａｔｈ］      （単位は秒）
であり、式中、Ｄｐａｔｈはフィードチャネルから点（ｘ，ｙ，ｚ）までの経路に沿った重質成分の平均輸送拡散係数であり、Ｌｐａｔｈは経路に沿った距離である。フィードチャネルから吸着剤の各点（ｘ，ｙ，ｚ）までの軌道または経路には多くの可能性がある。時定数は、フィードチャネルから吸着剤の（ｘ，ｙ，ｚ）点までに可能なすべての経路に沿って考えられる時定数（Ｌｐａｔｈ２／Ｄｐａｔｈ）の最小値である。これには、メソ孔およびマクロ孔を通る経路も含まれる。吸着剤に固体材料がある場合（熱管理のために含まれていることがあるものなど）、そこでの輸送は起こらず、そこでの（ｘ，ｙ，ｚ）点を計算に含めない。各種の輸送拡散係数は、それぞれの種の単成分Ｓｔｅｆａｎ−Ｍａｘｗｅｌｌ拡散係数であるとみなされる。経路Ｄｐａｔｈに沿った平均輸送拡散係数は、経路に沿った線形平均化拡散係数である。経路を特徴付ける拡散係数を得るには線形平均化で十分である。重質成分に多くの種が含まれる場合、拡散係数Ｄｐａｔｈも組成的に平均化される。拡散係数は温度に左右され、圧力にも左右されることがある。拡散係数の変化の範囲内で、サイクルの間に生じる温度と圧力の変化について拡散係数を平均化する必要がある。吸着剤を効率的にするには、高密度固体ではない吸着剤の点（または体積）の少なくとも半分の時定数がプロセスのサイクルタイム未満になるように吸着剤層の平均厚を選択すると好ましい。一層好ましくは、高密度固体ではない吸着剤の点（または体積）の少なくとも約７５％の時定数がプロセスのサイクルタイム未満になるように吸着剤層の平均厚を選択する。なお一層好ましくは、高密度固体ではない吸着剤の点（または体積）の少なくとも約７５％の時定数がプロセスのサイクルタイムの約２５％未満になるように吸着剤層の平均厚を選択する。
【００６５】
物質移動特性が良好で、標的成分が吸着される際の昇温を制限する手段を有する接触器を用いると、吸着される標的成分の急唆な濃度フロントが、ＴＳＡサイクルの吸着ステップの間に接触器の長さ方向に沿って移動する。吸着ステップの開始時付近で、プロセスガス（排煙など）が接触器を流れはじめ、標的成分（排煙分離の場合はＣＯ２など）が接触器の入口に一番近い吸着剤材料に吸着される。これによって、接触器の長さ方向に通る流動ガスストリームから標的成分（ＣＯ２など）が奪われる。吸着された標的成分の濃度は、接触器に沿ったある点で、ほぼ再生ステップの終わりに残るレベルまで急激に落ち込む。吸着ステップが続くにつれて、吸着される標的成分の濃度が落ち込む位置が接触器の長さ方向で出口に向かって移動する。この移動を、接触器の長さに沿って移動する吸着濃度波と呼ぶ。接触器の長さに沿った吸着濃度での急唆な濃度フロントまたは勾配が好ましいのは、吸着質の「破過」が生じる前に接触器に原料を比較的長時間にわたって通せるからである。
【００６６】
物質移動が適切でないと、勾配が狭くなる。このような条件では、接触器の吸着能が十分に利用されるかなり前に接触器から吸着質が離脱しはじめる。実用上、原料流体を流すのに比較的小さなチャネルを設けることで、物質移動度が高くなる。これは、ガスが流れるフロー経路またはチャネルの小さい接触器を用いて達成される。
【００６７】
吸着フロント即ち波が接触器の出口で破過する（または破過前）と、吸着ステップが停止されて再生が開始される。接触器を再生するには、吸着剤を加熱する。排煙分離の好ましい実施形態では、捕捉したＣＯ２をパイプラインでの輸送または貯留用に約１，０００ｐｓｉより高い圧力まで圧縮するのに用いられるコンプレッサの中間冷却から、吸着剤の再生に用いられる熱の一部を得る。接触器の再生に使用可能な別の熱源に、工業プロセスで捨てられることの多い低グレードまたは中グレードの廃棄物処理熱がある。
【００６８】
吸着ステップでプロセスガスが流れる方向に対して向流的、並流的またはクロスフローの方向で高温の流体（ガスまたは液体）を通すことで、熱を供給して接触器を再生する。一実施形態では、再生時の熱流体（または「伝熱流体」）の平均的な流れが、吸着ステップでのプロセスガス（たとえば、排煙）の流れの平均的な方向に対して向流または並流になるように、クロスフロー接触器の個々のセグメントを積層または配置する。
【００６９】
吸着剤の加熱時に等温線が変化する方法がゆえに、標的成分（排煙分離の場合はＣＯ２など）が放出されて吸着剤が再生される。再生ステップの終わりに再生された接触器を冷却し、再生を終えた接触器からできるだけ多くの熱を移動させて別の接触器を再生可能なように加熱すると好ましい。これは、再生ステップを開始している接触器に、再生済みの接触器を通り抜けた熱流体（ガスまたは液体）を送ることで達成される。再生済みの接触器を冷却するには、再生ステップの終了時に接触器の平均温度よりも少なくとも約２５℃低い温度、好ましくは再生ステップの終了時に接触器の平均温度よりも少なくとも約５０℃低い温度で、再生済みの接触器に熱流体を導入する。この熱流体は、接触器を通り抜けるときに加熱され、この加熱された熱流体（または「伝熱流体」）を使って別の接触器に熱を移動させる。好ましい実施形態では、再生ステップの終了時から吸着ステップの開始時への遷移に対して接触器の冷却時に放出される（ｇｉｖｅｎ  ｕｐ）検知可能な熱の少なくとも約２０％を、プロセスの別の吸着剤接触器に移動させ、一層好ましい実施形態では、再生ステップの終了時から吸着ステップの開始時への遷移に対して接触器の冷却時に放出される（ｇｉｖｅｎ  ｕｐ）検知可能な熱の少なくとも約５０％を、プロセスの別の吸着剤接触器に移動させる。
【００７０】
再生プロセスでは、吸着ステップで流れる排煙の方向に対して並流的または向流的に接触器を加熱すると好ましい。接触器に高温の流体（または「伝熱流体」）を流すことで、加熱が達成される。直接加熱式の接触器の場合、伝熱流体は吸着プロセスで使用したものと同じフローチャネルを流れる。この伝熱流体は、気体であっても液体であってもよい。好ましい液体としては、凝縮によって標的成分と分離可能な水および蒸気があげられる。好ましい伝熱流体は、再生対象となる接触器に導入される前に熱交換器または別の高温接触器を流れることで加熱される再利用標的成分を含むものである。再利用標的成分の加熱に用いられる熱交換器は、シェルチューブ型熱交換器などの間接熱交換器であってもよく、循環床型熱交換器などの直接熱交換器であってもよい。間接加熱式の接触器の場合、伝熱流体はプロセスの吸着ステップで使用したものとは異なるフローチャネルを流れる。間接加熱式の接触器における、これらの加熱／冷却フローチャネルは、吸着剤に排煙を送るのに用いられるフローチャネルとは分離されている。間接加熱式の接触器の場合、加熱／冷却チャネルを流れる伝熱流体は、アンモニア、フルオロカーボン或いは、再利用または再加熱された標的成分などの気体であってもよく、水または油などの流体であってもよい。いずれの場合も、接触器の加熱に用いられる伝熱流体の温度が、吸着ステップにおける吸着剤接触器の平均的な温度よりも少なくとも約２５℃高いと望ましく、好ましくは、伝熱流体の温度は吸着ステップでの吸着剤接触器の平均的な温度よりも少なくとも約５０℃高い。
【００７１】
本明細書の図面を参照すれば、本発明で使用される吸着剤接触器の好ましい実施形態をより一層よく理解できる。本明細書の図１は、ミクロ多孔性吸着剤とバインダから直接形成され、複数の平行フローチャネルを有する、本発明によるモノリス形の平行チャネル接触器を示す図である。押出プロセスを用いれば多岐にわたるモノリス形状を直接形成することが可能である。本明細書の図１に、円柱形のモノリス１の一例を概略的に示す。円柱形のモノリス１は複数の平行フローチャネル３を含む。ひとつの接触器に含まれるチャネルのチャネル幅がすべて実質的に同じ大きさであれば、フローチャネル３のチャネル幅を約５から約１，０００ミクロン、好ましくは約５０から約２５０ミクロンにすることができる。チャネルは、円形、正方形、三角形、六角形を含むがこれに限定されるものではない、さまざまな形状に形成可能である。チャネル間の隙間には吸着剤５が詰まっている。図示のように、チャネル３がモノリスの体積の約２５％を占め、吸着剤５はモノリスの体積の約７５％を占めている。モノリスの体積の約５０％から約９８％を吸着剤５にすることが可能である。吸着剤５とチャネル構造の体積分率から、以下のようにして吸着剤の有効厚を定義できる。
【数４】
2010527755.tif 000006
【００７２】
再生時に内側から加熱される図１に示すモノリスの平行チャネル接触器の場合、吸着剤の有効厚はフィードチャネルの直径の約１．５倍であると好ましい。図２は、本明細書の図１の接触器を長手方向の軸に沿って切った断面図であり、フローチャネルの壁面がすべて吸着剤５で形成されたフィードチャネル３がモノリスの長さ方向に延在した状態を示している。吸着剤層５の小さな断面を拡大した概略図を本明細書の図３に示す。この吸着剤層５は、ミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子７と、ヒートシンクとして機能する固体粒子（サーマルマス）９と、間隙封止用物質１３と、空洞状のメソ孔およびミクロ孔１１とからなる。図示のように、ミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子７が吸着剤層の体積の約６０％を占め、固体粒子９が体積の約５％を占めている。この組成で、空隙率（フローチャネル）はミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子が占める体積の約５５％である。ミクロ多孔性吸着剤５またはポリマー粒子７の体積は、吸着剤層の体積の約２５％から吸着剤層の体積の約９８％の範囲であればよい。実用上、熱の制御に用いられる固体粒子９の体積分率は、吸着剤層の体積の約０％から約７５％の範囲になる。好ましい実施形態では、接触器におけるメソ孔およびマクロ孔の総体積が最小限である。メソ孔およびマクロ孔の総体積を最小限に抑えるひとつの方法に、吸着剤層５における空洞状のメソ孔およびミクロ孔１１の体積分率が約２０％未満になるように粒子間に残った所望の量の隙間または空隙を埋める間隙封止用物質１３を用いることがある。
【００７３】
運動分離（主に拡散制御）を利用したガス分離プロセスに上記のモノリスを用いる場合、ミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子７が実質的に同じ大きさであると都合がよい。速度論的に制御したプロセスでは、個々のミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子７の体積の標準偏差が平均粒子体積の１００％未満であると好ましい。より一層好ましい実施形態では、個々のミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子７の体積の標準偏差が平均粒子体積の約５０％未満である。ゼオライト吸着剤については、粒子の合成に用いる方法で粒度分布を制御することが可能である。また、重力沈降カラムなどの方法を用いて、あらかじめ合成したミクロ多孔性吸着剤粒子を大きさごとに分けることも可能である。大きさが均一のミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子を、平衡を制御した分離で使用すると好都合なこともある。
【００７４】
構造化ミクロ多孔性吸着剤からモノリスを直接形成可能な方法にはいくつかある。このような方法が、本明細書に援用する、２００７年５月１８日に出願された係属中の特許文献７に記載されている。
【００７５】
再生時に外側から加熱される平行チャネル接触器の非限定的な例を本明細書の図４に示す。本明細書の図４は、非吸着剤材料を含むあらかじめ形成したモノリスのチャネルに吸着剤層をコーティングした場合に、再生時に外側から加熱される被覆モノリス２０１形の本発明の平行チャネル接触器を示す図である。この例では、押出プロセスを用いて、鋼などの金属または菫青石などのセラミック、ゼオライト或いは炭素を含む好適な非吸着剤材料からモノリスを形成する。セラミックまたは金属の釉またはゾルゲルコーティング２１９を塗布して、モノリスのチャネル壁を気密化する。このような釉を塗布するには、チャネル壁をスラリーコーティングした後に、焼いて硬化させればよい。ゾルゲルをチャネル壁に塗布した上で、コーティングを高密度化する条件下で焼くことも可能である。真空および圧力含浸技術を用いて釉またはゾルゲルを塗布することも可能である。この場合、釉またはゾルゲルがモノリス２１７の細孔構造に浸透する。いずれの場合も、チャネルを流れる気体がモノリス本体に容易に入ってしまわないように、釉によってチャネル壁を気密化する。また、チャネル壁の気密化前にモノリス２１７の細孔構造に固体材料を含浸させると望ましいこともある。ＴＳＡ動作で外側から加熱するために、チャネルの行を交互にその端２１５で封止する。モノリスの反対側の端で、これらの同じチャネルの行を同じく封止する。チャネル２１５の封止された行に流れが到達できるように、モノリスの両端ではモノリスに細溝（２２３および２２５）が開けられている。モノリスの両端並びにモノリスの中間部２２１に、封止面２１９が設けられている。
【００７６】
動作時には、チャネルの端並びにモノリスの中間部を封止する方法で、モノリスをモジュールに装着する。チャネルの端を封止するには、金属溶接、ゴムまたはカーボンなどの材料での密閉、無機セメントおよびエポキシなどの接着剤の使用をはじめとして、好適な技術のうちどれを用いてもよい。モジュールについては、加熱または冷却用の流体を細溝２２３経由で流入させて細溝２２５経由で出すことで、この流体が両端２１５で封止したチャネルを流れるように構成される。加熱冷却用の流体には、モジュールの端側が開いているチャネルを流れる流体との間で熱交換が起こる。モノリスをこのように改変することで、モノリスが熱交換器になるが、熱交換器を製造または構成可能な方法は他にも多くある。このような他の方法の非限定的な例として、シェルチューブ型熱交換器、繊維膜熱交換器、印刷回路熱交換器があげられるが、いずれも従来技術において周知である。熱交換器の一方の側で吸着剤層をコーティングすることで、これを本発明に従って用いることが可能である。好ましい実施形態では、吸着剤層はメソ孔およびマクロ孔の体積分率が低い。この例自体、いかにしてモノリス熱交換器構造を外側から加熱されるＴＳＡ動作に適したモジュールに変換できるかということを示すものである。フィードチャネル２０３の直径（チャネル幅）と吸着剤層の厚さは、本明細書の図１で上述したようなものであればよい。
【００７７】
吸着剤層２０５によってチャネルの開口または穴が小さくなるため、スイング吸着プロセスに用いられるフローチャネル１０３は、コーティングの内側に残った空洞状のチャネルである。これらのフローチャネル１０３では、チャネル幅を上記にて定義したようにすることが可能である。吸着剤層１０５については、任意の好適な方法でフローチャネルの壁面にコーティングまたは層として適用可能である。このような方法の非限定的な例として、スラリーコーティング、スリップコーティング、水熱合成法による成膜、水熱コーティングによる転換、水熱成長などの流体相コーティング技術があげられる。非水熱コーティング技術を用いるのであれば、コーティング溶液には、少なくともミクロ多孔性吸着剤またはポリマー粒子、ポリビニルアルコールなどの増粘剤、伝熱固体、任意にバインダを含む必要がある。ただし、モノリス２０１の本体自体が分離プロセスサイクルの異なるステップで蓄熱と放熱を繰り返して伝熱固体として作用できるため、伝熱固体が必要ないこともある。この場合、熱は吸着剤層２０５を介してモノリス本体まで拡散する。ポリビニルアルコールなどの増粘剤を使用するのであれば、この増粘剤は窯でコーティングを硬化させる際に燃え尽きてしまうのが普通である。窯焼コーティングの機械強度を高めるために、コロイダルシリカまたはアルミナなどのバインダを用いると都合がよいこともある。メソ孔またはマクロ孔は一般に、硬化後のコーティング体積の約２０から約４０％を占める。マクロ孔およびメソ孔の体積を減らすのに、別々のコーティングプロセスで間隙封止用物質を適用することが可能である。吸着剤層の適用に水熱合成法による成膜方法を選択するのであれば、使用するコーティング技術は、ゼオライト膜を作製する方法と極めて似たものになり得る。ゼオライト層を成長させるための方法の一例が、本明細書に援用する特許文献９に教示されている。水熱合成で支持体上に成長させたゼオライト層には、メソ孔およびマクロ孔の大きさの亀裂や粒子境界が生じることが多い。これらの細孔の体積は膜厚の約１０体積％未満であることが多く、亀裂と亀裂の間に特徴的な距離即ち幅があることも多い。よって、間隙封止用物質を必要とせずに、成膜直後の膜を吸着剤層として直接利用できることもある。
【００７８】
本明細書の図５および図６は、再生時に外側から加熱される本発明の別の平行チャネル接触器構造を示す図である。この外側から加熱されるＴＳＡプロセス用の接触器では、吸着剤層４０５が中空糸４１５の壁の一部をなす。図６では、接触器４０１の筐体の外面を透明にしてあり、点線だけが外面の縁を示している。この例で用いる中空糸には、外面４４０または内面４５０のいずれかに拡散障壁がある。拡散障壁が内面４５０にある場合、接触器を形成するよう配置された中空糸４１５の中空のコア４０３に加熱冷却用の流体を通す。拡散障壁が外面４４０にある場合、中空のコア４０３経由で排煙またはプロセスガスを供給する。
【００７９】
多くの異なる方法を用いて、繊維内に吸着剤層４０５を生成することができる。これらの方法のうちのいくつかが、本明細書に援用する、２００７年５月１８日に出願された係属中の特許文献７に開示されている。
【００８０】
繊維を外側から加熱されるＴＳＡプロセスで使用するのに適したものにするには、繊維の内面４５０または外面４４０に拡散障壁をコーティングする。拡散障壁として機能し得る材料の非限定的な例として、スパッタリング蒸着した金属およびセラミック膜、蒸着金属およびセラミック膜、化学気相成長法で形成した金属およびセラミック膜、ポリマーと固体（クレーなど）の被覆複合体、拡散係数の低いポリマーのコーティングがあげられる。拡散障壁として作用するには、コーティングの有効拡散係数が吸着剤層の平均拡散係数の約１／１０未満である必要があり、好ましくは吸着剤層の平均拡散係数の約１／１０００である。拡散障壁を用いると、フィードチャネル内の気体がフィードチャネルおよび吸着剤層に効果的に取り込まれる。これによって、繊維のまわりに支持用のマトリクスを用いる必要性がなくなり、接触器の質量を減らすとともに、場合によってはプロセスのサイクルタイムを短縮することができる（即ち高速サイクル動作）。
【００８１】
好適な繊維即ち外側から加熱される平行チャネル接触器を形成したら、これを束ねて繊維束の端をマトリクス材料４１７にポッティングまたは埋設する。これによって、繊維が固定されて実質的に平行なアレイになる。これを実行するためのひとつの方法に、繊維の端をマトリクス材料４１７で囲む埋設またはポッティングプロセスを用いることがある。ポッティングした繊維のアレイを可視化するために、本明細書の図５に、管状の筐体４０１と一緒にマトリクス材料４１７を透明にした平行チャネル繊維接触器を示す。
【００８２】
このポッティングしたアレイを管状の筐体４０１の中に封止する。管状の筐体４０１の端に封止面４１９が設けられている。筐体の中間部には封止面４２１も設けられている。管状の筐体の端付近では壁に細溝４２３および４２５が開けられており、加熱冷却用の流体およびまたはプロセスガスおよび製品ガスが流れるようになっている。拡散障壁が内面４５０にある場合、排煙またはプロセスガスが細溝４２３および４２５を流れる。拡散障壁が外面４４０にある場合、加熱冷却用の流体が細溝４２３および４２５を流れる。
【００８３】
動作時には、チャネルの端とモノリスの中間部を封止する方法で、管状の筐体をＴＳＡモジュールまたはＲＣＴＳＡ（高速サイクル熱スイング吸着）モジュールに装着する。上述したように、好適な封止技術のうち、どれを用いてもよい。特定の例では、加熱または冷却用の流体を細溝４２３経由で流入させて細溝４２５経由で出すことで、この流体が中空の管状の筐体４０１の中を流れるようにモジュールを構成可能である。加熱冷却用流体には、モジュールの端側が開いている中空糸を流れる流体との間で熱交換が起こる。このような封止状態で、中空糸からなる平行なアレイを含む管状の筐体４０１が、ＴＳＡプロセスで使用するのに適した熱交換器になる。好ましい実施形態では、この繊維は、メソ孔およびマクロ孔の体積分率が低い吸着剤層４０５を有する。
【００８４】
熱波プロセスと圧力スイングプロセスまたは分圧置換プロセスとを併用する混成プロセスをいくつか生成できる。熱波プロセスを圧力スイングと併用すれば、強く保持された種の脱着を容易にしつつ多成分分離を実現できる混成熱波／圧力スイングプロセスを作ることができる。熱波プロセスを分圧置換プロセスと併用すれば、液体原料で実施可能な混成熱波／分圧置換プロセスを作ることができる。
【００８５】
例示目的で示したものであり、本発明を限定するものとして解釈されるものではない以下の実施例を参照することで、本発明について一層よく理解することができる。
【００８６】
実施例１
現在実施されているようなＴＳＡにはいくつかの欠点がある。直接加熱式のＴＳＡプロセスでは、一般に高温の流体が吸着床を流れて吸着剤の温度が上昇する。温度が高くなればなるほど、多くの流体が必要になる。このため、脱着された不純物が大量の加熱用流体に分散される羽目になる上、吸着剤の昇温に使われる大量の熱が回収されないことも多い。直接加熱式のＴＳＡ系の多くは稼働時の吸着時間が長く、ときには２４時間を超え、再生時間のほうはこれよりもかなり短いため、場合によっては熱が回収されないままである。最後に、不定期に少しずつ再生を繰り返すと、下流の設備で濃度が上がって流れにばらつきが生じるが、それ以外は定常状態にあるプロセスプラントでこれを管理するのは困難なこともある。間接加熱式のＴＳＡ系では、熱交換器で熱を供給して、加熱されたパージガスで生成物が希釈されるのを避けることができる。しかしながら、間接加熱式のＴＳＡプロセスの熱管理と周期性がゆえの困難が生じることも多い。
【００８７】
この例は、多成分原料をクロマトグラフ的に分離して各々異なる種の濃度が高い複数のストリームに分けることができるＴＳＡ系を示すものである。このクロマトグラフ的な分離を「温度波吸着」（ＴＷＡ）と呼ぶ。
【００８８】
本明細書にて開示並びに権利請求しているＴＷＡプロセスは、間接加熱を利用する特定タイプのＴＳＡプロセスである（即ち、脱着された物質を加熱媒体に入れて希釈しない）。そのもっとも単純な実施形態では、接触器の一組のチャネルに吸着剤を入れ、別の組のチャネルを用いて接触器に対して熱を出し入れする。好ましい実施形態では、ＴＳＡプロセスの加熱および冷却ステップで熱波がチャネルの長さ方向に移動するような方法で、熱追加／除去チャネルを設計する。本明細書の図４、図５、図６、図７に、この好ましいＴＷＡの実施形態で使用するのに適した平行チャネル接触器構成を示す。図４では、チャネル２２３および２２５が加熱／冷却チャネルとして作用し、チャネル２０３が吸着チャネルとして作用する。図５および図６では、チャネル４２３および４２５が加熱／冷却チャネルとして作用し、チャネル４０３が吸着チャネルとして作用する。図７では、７３５および７４５によって接続されたチャネルが加熱／冷却チャネルとして作用し、７０５、７１５、７２５によって接続されたチャネルが吸着チャネルとして作用する。
【００８９】
加熱／冷却チャネルを出る熱流体の温度の時間依存性を記録することで、熱波の速度と熱フロントの鋭さを判断することが可能である。温度が変化しはじめる前の時間的な遅延から熱波の速度の測定値を得、温度の変化率からフロントの鋭さの測定値を得る。必要なデータについては、熱交換チャネルを出るストリーム中に配置した熱電対から取得できる。熱フロントの速度を特徴付けるためのひとつの方法に、本明細書では熱流体が一定の速さで流れ始めてから流出口の温度が最終定常状態値の２５％まで上昇した点までの時間として定義されるｔｄｅｌａｙを測定することがある。上昇率については、本明細書では流出口の温度が最終的な定常状態値の２５％から７５％に上昇するまでの時間として定義されるｔｒｉｓｅを測定することで特徴付けられる。比ｔｄｅｌａｙ／ｔｒｉｓｅが２より大きいと好ましく、好ましくは５より大きく、一層好ましくは１０より大きく、なお一層好ましくは５０より大きい。
【００９０】
一般に接触器の全長の１０％を超え、好ましくは２０％を超える、温度プロファイルが生じることのある入口からｘ１が十分に離れてさえいれば、接触器の長さ方向に沿って距離ｘ１で熱チャネルのうちの１つに配置した熱電対から比ｔｄｅｌａｙ／ｔｒｉｓｅを求めることも可能である。このような任意の位置ｘ１で、温度の経時的な局所変化に基づく量の局所的な値ｔｄｅｌａｙおよびｔｒｉｓｅがある。このような測定位置について、局所的な比ｔｄｅｌａｙ／ｔｒｉｓｅが２より大きいと好ましく、好ましくは５より大きく、一層好ましくは１０より大きく、なお一層好ましくは５０より大きい。
【００９１】
量ｔｄｅｌａｙ／ｔｒｉｓｅは、熱波または熱勾配の鋭さの度合いであり、ΔＴＨＴと直接的に関連する。ΔＴＨＴが小さくなればなるほど、ｔｄｅｌａｙ／ｔｒｉｓｅは大きくなる。通常、比ｔｄｅｌａｙ／ｔｒｉｓｅは、実用的な設計上の制約内で実現できる程度に大きいと好ましい。これによって、ΔＴＨＴの値が実用的な設計上の制約内で実現できる小さなものとなる。また、勾配だけを考慮する（即ち実用的な設計上の制約がない）場合、ΔＴＨＴの値の最小値は存在せず、ΔＴＨＴの値をゼロに極めて近づけることが可能であると言える。しかしながら、小さなΔＴＨＴは通常、大きな圧力低下やその他の製造上の障害を伴う小さなチャネルを用いることで実現される。その際、製造コスト、設計能力、原料と製品の特性、その他の設計上のパラメータなどの実用面での考慮事項によって、特定の用途でΔＴＨＴの値をどれだけ小さくできるか（同様に、比ｔｄｅｌａｙ／ｔｒｉｓｅをどれだけ大きくできるか）が決まる。
【００９２】
サイクルタイムが短ければ、吸着剤が最も小型かつ生産性の高い形で使用されるが、同時に伝熱係数が最大でなければならない。熱交換器で高い伝熱係数を達成するための方法は従来技術において周知である。
【００９３】
本発明では、脱着ステップの開始前に、分子は吸着剤チャネル内の吸着剤のミクロ孔または自由体積に優先的に吸着される。これらの分子は、多成分原料が比較的低温の吸着剤チャネルを流れる吸着ステップで優先的に取り込まれる。この時点でのチャネルの温度は、吸着剤の再生に用いられる温度よりもかなり低い。吸着ステップの間に形成されるチャネルの長さ方向への濃度勾配が比較的急唆になるように平行チャネル接触器の吸着チャネルを設計すると好ましい。急唆な勾配が好ましいのは、吸着質の「破過」が生じる前に床に原料を長時間にわたって通せるからである。物質移動が適切でないと、勾配が狭くなる。このような条件では、床の吸着能が十分に利用される前に床から吸着質が離脱しはじめる。実用上、原料流体を流すのに比較的小さなチャネルを設けることで、物質移動度が高くなる。これは、小さな吸着剤粒子を含む床を用いるか、チャネルの大きさが小さい平行チャネル接触器を用いて達成される。好ましい実施形態では、隙間充填吸着剤が、流体流の水力半径を好ましくは約１インチ未満、一層好ましくは約０．２５インチ未満、なお一層好ましくは約０．１インチ未満残したまま、平行チャネル接触器の吸着剤チャネルの壁を覆う。メソ多孔度およびマクロ多孔度が低くない吸着剤接触器では熱波分離が生じることがあるが、可能なかぎり最大の回収量と純度を得るには、本明細書で説明したようなメソ多孔度およびマクロ多孔度の低い吸着剤接触器を用いることが好ましい。即ち、この構造化吸着剤は、その細孔容積の約２０ｖｏｌ％未満、好ましくは約１５ｖｏｌ％未満、一層好ましくは約１０ｖｏｌ％未満、最も好ましくは約５ｖｏｌ％未満を、メソ孔およびこれより大きい空洞細孔に含む。
【００９４】
吸着ステップの開始時に原料が吸着剤チャネルに入る際、吸着剤は比較的冷たく、分子は原料の導入点の近くで吸着剤に取り込まれる。床または層の最初の部分では吸着質の濃度が高く、床または層の下流部分では低濃度である。理想的には、吸着剤チャネルの長さに沿って吸着質濃度の急唆な勾配がある。動作が進むと、この濃度フロントが吸着剤チャネルの長さ方向に移動する。吸着質が吸着剤の床または層に蓄積されるにつれて、高濃度ゾーンと低濃度ゾーンの境界線が床出口に向かって少しずつ移動する。
【００９５】
本発明では、多くの異なる成分が選択的に吸着剤に取り込まれる原料を使用すると、吸着時に吸着剤の長さ方向に複数の濃度フロントが移動する可能性がある。原料の異なる種の拡散係数の差または吸着強度によって、吸着剤は異なる原料成分を吸着剤の長さ方向に沿って優先的に取り込む。最も好ましい成分を最強吸着成分と呼ぶ。あまり好ましくない成分を弱吸着成分と呼ぶ。吸着時、最強吸着成分が吸着剤の流入口に最も近い領域を埋め、弱吸着材料をその領域から追い出す。吸着時間全体では、吸着質は吸着剤に沿って吸着チャネルの流入口から流出口へと最も強いものから最も弱いものという順になる。このタイプのパターニングは気体原料並びに液体原料で起こり得るものであり、どちらのタイプの原料でも動作するようＴＷＡプロセスを設計することが可能である。この例では、気体原料を考慮する。
【００９６】
本明細書の図１０（ａ）は、多成分原料の場合に、吸着ステップ終了時に吸着剤層１０１９の長さ方向に堆積される吸着質のパターニングを概略的に示す。この例での原料は、吸着強度の弱い順に最も弱く吸着される、弱く吸着される、あまり強く吸着されない、最も強く吸着されるという４通りに分かれる種を含むものとして特徴付けられる。強く吸着される種をあまり強く吸着されない種よりも濃い網掛けで示してある。層１０１９が図４の層２０５および図６の層４０５に相当する。拡散障壁１０１７は、フィードチャネル１００７内の分子と加熱／冷却チャネル１０１１内の分子とを隔てる壁として機能する。フィードチャネルと加熱／冷却チャネル１０１７とを隔てる壁は、図４の２１９および図６の４１５に相当する。吸着剤チャネル１００７は図４の２０３および図６の４０３に相当する。加熱／冷却チャネル１０１１は、図４でアクセスポイント２２３を通ってそこから２２５まで走っている冷却チャネルと図６で４２３から４２５まで走っているチャネルに相当する。
【００９７】
吸着ステップでは、原料は接触器の端１０１３から端１０１５への方向に流れた。その際、強く吸着される種は端１０１３の最も近くに堆積された。吸着の弱いほうの種は端１０１５に近いほうに堆積された。この例では、脱着ステップでの高温流体の流れが、吸着ステップで流れる原料と同じ方向に生じる。これを、吸着および脱着を並流構成で実施すると呼ぶ。ＴＷＡプロセスも向流構成での吸着および脱着ステップを用いて構成可能である点に注意されたい。
【００９８】
本明細書の図１０（ｂ）は、本発明の脱着ステップ開始時のチャネルの状態を示す。この時点で、高温の流体が加熱／冷却チャネルに流れ始め、高温のストリームが１０２３から流入して低温のストリーム１０２５が流出する。熱波１０７１は接触器に沿って進み始める。この例では、接触器の熱伝導率が極めて良好である。吸着剤層の温度は加熱／冷却チャネルの温度に綺麗に追随している。この例では、吸着剤チャネル１００７に強制的なガスの流れはない。脱着ステップの任意の点でガスの流れを任意に追加し、吸着剤チャネル１００７からの分子の除去を補助するようにしてもよい。この初期の段階で、吸着質の大半が、淡い網掛けをほどこした１０８１で示す領域の吸着剤層から除去される。分子は吸着剤層１０８１の領域から放出される。これは、その温度が上昇し、吸着等温線が温度に強く影響されているためである。吸着フローチャネルの流入端を弁で閉じると、脱着された分子は吸着チャネルを下流に移動して、接触器から出るストリーム１０２７を形成する。その際、強く吸着される種は端１０１５に向かって吸着チャネル１００７を流下する。チャネルを流下するにつれて、吸着の強い種は吸着剤層に再吸着される（場合によっては最も吸着の弱い種、吸着の弱い種、あまり強く吸着されない種を追い出す）。これによって、吸着剤１０２９の網掛け領域における強く吸着される種の濃度が高くなる。この時点でチャネル１００７を出るストリーム１０２７になったガスは、最も吸着の弱い種が優先的に含まれるものである。従って、本発明の一実施形態では、時間作動式の弁を用いて、この第１の脱着ガスストリーム１０２７を、脱着ステップの後半段階で放出されるガスストリームから分離し、単一の吸着剤接触器から組成の異なる複数の製品ストリームを得ることが可能である。
【００９９】
本明細書の図１０（ｃ）は、脱着ステップの後半段階でのチャネルの状態を示す。この時点で、更に高温の流体が加熱／冷却チャネルを流れる。高温のストリームは１０２３から流入しつづけており、低温のストリーム１０６１が接触器から出る。ストリーム１０６１の温度は、以前に接触器から流出していた図１０（ｂ）に示すストリーム１０２５の温度とはわずかに異なる。本方法のこの段階では、熱波１０７３が接触器に沿って更に進む。強く吸着される分子が更に吸着剤層１０８３から追い出されている。これは、その温度が更に長い範囲にわたって上昇したからである。吸着フローチャネルの流入端を弁で閉じたままにしておけば、脱着された分子が吸着チャネルを下って移動し、接触器から出るストリーム１０３１を形成する。チャネルを流下するにつれて、強く吸着される分子は吸着剤層１０３３の低温の領域で再吸着を続け、場合によっては、最も吸着の弱い種、吸着の弱い種、あまり強く吸着されない種を追い出す。これによって、網掛けで示す吸着剤１０３３の低温領域における強く吸着される種の濃度が高くなる。チャネル１０３３を出るストリームになったガスは、吸着の弱い種が優先的に含まれるものである。上記のステップ１０（ｂ）と同様に、時間作動式の弁を用いて、この第２の脱着ガスストリーム１０３３を、脱着ステップの後半段階で放出される製品ガスストリームから分離することが可能である。
【０１００】
本明細書の図１０（ｄ）は、脱着ステップの更に後の段階でのチャネルの状態を示す。この時点で、更に高温の流体が加熱／冷却チャネルを流れる。高温のストリームは１０２３から流入しつづけており、低温のストリーム１０６３が接触器から出る。ストリーム１０６３の温度は、以前に接触器から流出していた図１０（ｃ）に示すストリーム１０６１の温度とはわずかに異なる。本方法のこの段階では、熱波１０７５が接触器に沿って更に進み、強く結合される分子が更に吸着剤層から除去され、図１０（ｄ）から分かるように、１０８５で示す淡い網掛けの領域が図１０（ｃ）に示す以前の領域１０８３よりも成長している。より一層強く結合される分子は領域１０８５で吸着剤層から追い出されている。これは、その温度が更に長い範囲にわたって上昇したからである。吸着フローチャネルの流入端を弁で閉じたままにしておけば、脱着された分子が吸着チャネルを流下する。チャネルを流下するにつれて、強く結合される分子は吸着剤層１０４３の低温の領域で再吸着を続け、場合によっては、最も吸着の弱い種、吸着の弱い種、あまり強く吸着されない種を追い出す。これによって、網掛けで示す吸着剤１０４３の低温領域における強く吸着される種の濃度が高くなる。チャネル１０４１を出るストリームになったガスは、あまり強く吸着されない種が優先的に含まれるものである。上記のステップ１０（ｂ）および１０（ｃ）と同様に、時間作動式の弁を用いて、この第３の脱着ガスストリーム１０４１を、脱着ステップの後半段階で放出される製品ガスストリームから分離することが可能である。
【０１０１】
本明細書の図１０（ｅ）は、脱着ステップの更に後の段階でのチャネルの状態を示す。この時点で、更に高温の流体が加熱／冷却チャネルを流れる。高温のストリームは１０２３から流入しつづけており、低温のストリーム１０６５が接触器から出る。このストリーム１０６５の温度は、以前に接触器から流出していた図１０（ｄ）に示すストリーム１０６３の温度よりもわずかに高い。本方法のこの段階では、熱波１０７７が接触器に沿って更に進み、強く結合される分子が更に吸着剤層から除去され、１０８７で示す淡い網掛けの領域が図１０（ｄ）に示す以前の領域１０８５よりも成長している。より一層強く結合される分子は領域１０８７で吸着剤層から追い出されている。これは、その温度が更に長い範囲にわたって上昇したからである。吸着フローチャネルの流入端を弁で閉じたままにしておけば、脱着された分子が吸着チャネルを流下する。チャネルを流下するにつれて、強く結合される分子は吸着剤層１０５３の低温の領域で再吸着を続け、場合によっては、残っている最も吸着の弱い種、吸着の弱い種、あまり強く吸着されない種を追い出す。これによって、網掛けで示す吸着剤１０５３の低温領域における強く吸着される種の濃度が高くなる。ステップ１０（ｅ）では、第４の脱着ガスストリーム１０５１は、最も強く吸着される種が優先的に含まれるものであることが分かる。上記のステップ１０（ｂ）、１０（ｃ）、１０（ｄ）と同様に、時間作動式の弁を用いて、この第４の脱着ガスストリーム１０５１を、脱着ステップの後半段階で放出される製品ガスストリームから分離することが可能である。
【０１０２】
この例では、この時点において、熱フロントが接触器の端を破過するタイミング付近（即ち前後）で脱着ステップを終える。しかしながら、図示のように、本発明は、異なる製品ガスストリームを分離するための複数の時間作動式弁（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｔｉｍｅｄ  ｖａｌｖｉｎｇ）を用いる熱波プロセスを利用して、吸着剤接触器の単一の脱着ステップから複数の製品ガスストリームを生成するものである。上記の実施例は、４本の脱着製品ストリームを生成するための方法を示すものであるが、本発明の方法を利用して、何本の脱着製品ストリームを生成してもよいことは、当業者であれば自明である。本発明の好ましい実施形態では、熱波プロセスを利用して少なくとも２本の脱着製品ストリームを生成する。本発明の一層好ましい実施形態では、熱波プロセスを利用して少なくとも３本の脱着製品ストリームを生成し、なお一層好ましくは、熱波プロセスを利用して少なくとも４本の脱着製品ストリームを生成する。また、好ましい実施形態では、生成される脱着製品ストリームが各々、物性の異なるものである点にも注意されたい。
【０１０３】
ＴＷＡプロセスで、吸着ステップ、脱着ステップ、冷却ステップを連続して実施すると好ましい。この動作の利点のひとつに、接触器のスイングに用いる熱を伝熱媒体に保持できることがある。吸着を冷却と同時に進行させた場合、床の熱のかなりの部分が吸着質のない原料に失われてしまい、高温の伝熱媒体を回復させるのに、更に高い熱負荷が必要になる。
【０１０４】
本発明の好ましい実施形態では、この実施例で説明する熱波プロセスを使用して、排煙からＣＯ２を分離および捕捉することが可能である。
【０１０５】
実施例２
本発明の一実施形態では、一連のクロスフロー接触器を使用して、平行な吸着チャネルと加熱用チャネルを別々に有する平行チャネル接触器を作製する。この実施形態では、再生時の流体の平均的な流れが、吸着ステップでの排煙の流れの平均的な方向に対して向流または並流になるように、クロスフロー接触器の個々のセグメントを積層または配置する。クロスフロー接触器を構成するためのひとつの方法に、クロスフロー熱交換器の一組のチャネルを吸着剤でコーティングすることがある。クロスフロー交換器は、高い伝熱係数によって小型の構成が実現されるため、本発明で用いるのに都合のよい構成である。しかしながら、熱と物質移動を設計して一組のチャネルで温度勾配、別の組のチャネルで濃度勾配を得る場合、単一のクロスフロー交換器の吸着経路の中に、他の吸着経路よりも早く加熱される（または冷却される）ものが出てくる。これによって、加熱と冷却のステップを吸着ステップや再生ステップとは切り離して実施する場合を除いて、性能にむらが生じることがある。
【０１０６】
本明細書の図７は、再生時の流体の平均的な流れが吸着ステップでの流れの方向に対して向流になるように積層されるセグメントを有するクロスフロー接触器の切り欠き図を示す。クロスフロー接触器は、二組のフローチャネルを隔てる不透性壁を有するクロスフロー熱交換器から構成される。壁７０１は、金属、セラミック、ガス透過性の低いポリマーからなる群から選択される材料で構成可能なものである。フローチャネル７０９、７１１、７０２は、吸着剤を含む層７０３でライニングして配置されている。図７は、同様の吸着剤層７０３をライニングしたフローチャネルを示すが、任意に、吸着剤でライニングしたフローチャネル７０９、７１１、７０２と並べて異なる吸着剤層を使用してもよい。吸着剤でライニングしたフローチャネル７０９、７１１、７０２に、プロセスガスと生成されるガスを通す。層７０３には、ＣＯ２、水、ＳＯｘまたはＮＯｘのうちの１つ以上に対して選択的な少なくとも１つの吸着剤を含む。層７０３には、ミクロ孔、メソ孔、ポリマーなどのフィラー材料、バインダ材料、吸熱材料も含み得る。
【０１０７】
吸着ステップでは、排煙を、吸着剤でライニングしたフローチャネル７０２、７０９、７１１に流し、あるクロスフローセグメントから別のクロスフローセグメント（即ち７１１から７０９、更には７０２において、吸着剤でライニングしたチャネルから順に（７０５から７１５、更に７２５）通す。脱着ステップでは、クロスフロー熱交換器の形成に用いられる材料７０１でライニングした接触器で、高温の流体（ガスまたは液体）を加熱／冷却チャネル７０８、７１０、７１２に通す。脱着ステップでは、加熱／冷却チャネル７０８、７１０、７１２を流れる流体が、吸着ステップの流れの平均的な方向（７０５から７１５、更には７２５へ）に対して向流的（７３５から７４５）に通過する。
【０１０８】
図７に示す構成では、加熱／冷却チャネルと吸着チャネルの両方を直列に接続した状態で、クロスフロー接触器セグメントを積層する。図７では、流体（熱またはプロセス）が、クロスフローモジュールの交互のチャネル各々を直列的に流れる。たとえば、プロセス流体は、最初に１番目（一番下）のチャネルを流れ、次に３番目のチャネル、続いて５番目という具合に流れる。本発明の一実施形態では、図７の各対のチャネルを、平行流熱流体の多くのチャネルに対する熱交換である平行流プロセス流体の多くのチャネルを含むモジュール全体と置き換える。この実施形態では、ストリーム７０５と７４５が、単一のチャネルではなく向流熱交換のモジュール全体を接続している。各クロスフローモジュールが並流モードまたは向流モードで作用しないとしても、いくつかのモジュールを直列に組み合わせることで、並流または向流モードで動作するようになる。これは、多数の連続攪拌タンク連続攪拌槽反応器（ＣＳＴＲ）を一緒に接続して栓流反応器を摸すことに似ている。この配置の利点のひとつに、マルチモジュール配置全体の軸方向伝導度が極めて低いということがある。これによって、再生時にモジュールを通る温度勾配を悪化させることなく熱交換部分に金属を使いやすくなる。本発明の一実施形態では、接触ユニット全体に吸着剤のグラデーションが作られるように、異なる吸着剤を用いてセグメント化したクロスフロー接触器を作製する。この配置によって、多成分吸着を容易にすることが可能であるが、これには、異なる成分が別々に回収される、或いは最初に除去される成分が下流側の吸着剤の機能に干渉する（ＣＯ２吸着剤前にＨ２Ｏを除去するなど）ことが理由で、価値がある場合がある。本発明のもうひとつの実施形態では、温度波が移動するにつれて１つまたは複数のモジュールから脱着される材料を個々に回収可能なようにモジュールをパイプ接続する。即ち、モジュールの吸着チャネル系を吸着の目的では直列に、再生の目的では並列に接続すればよい。
【０１０９】
この設計は、栓流チャネル系に近いものであり、多数のクロスフロー（または十分に攪拌された接触器）を直列に接続されて近似可能なものである。本発明者らは、一連のクロスフロー熱交換接触器を用いることで、第２の栓流チャネル系と平行に配置された栓流チャネル系を近似できることを発見した。クロスフロー接触器には２組のチャネルがあり、各チャネルの組の流体流が互いに９０°前後ずれている。クロスフロー熱交換器は、板と板との間に隙間をあけて積み重ねられた多くの高電導度（一般に金属）板を有することが可能である。一連の板で一連の隙間７０７、７０９、７１１、７０８、７１０、７１２を規定する。クロスフロー熱交換器では、奇数の隙間（７０７、７０９、７１１）が一方の組のチャネルをなし、ある一方向に流れる流体を保持する。偶数の隙間（７０８、７１０、７１２）は第２のチャネルの組をなし、第１の流体とは９０°ずれた方向に流れる別の流体を保持する。このクロスフロー配置は製造に便利である。本実施形態では、多数のクロスフロー接触器を用いて、各接触器の第１のチャネルの組を直列に接続し、各接触器の第２のチャネルの組を同じ順序で直列に接続して、平行チャネル接触器を作製する。このように接続することで、得られる２つのチャネル系を並流配置または向流配置で動作させることが可能である。
【０１１０】
本発明の一実施形態では、一連のクロスフロー熱交換器の片方または両方の組のチャネルに吸着剤をコーティングする。好ましい実施形態では、吸着剤はメソ孔およびマクロ孔の体積が小さいものである。吸着剤を熱交換素子の片方の組のチャネルの表面にコーティングする場合、直列接続は、一方の組のチャネルでの加熱または冷却を他の組のチャネルでの吸着または脱着につなげられるようなものとする。直列に接続されたクロスフロー熱交換器の系は、平行チャネル接触器の挙動を近似し、同様に使用できるものである。熱波が生成されるような形で加熱／冷却チャネルを用いる場合、その波のわずかな部分だけが単一のクロスフロー接触器に現れる。交換器が直列に連結されているため、熱波は一連の交換器（または交換器のスタック）に沿って伝播できるのである。
【０１１１】
実施例３
この例は、熱スイング吸着プロセスでＣＯ２を排煙から除去する分離に平行接触器を用いることについて示すものである。多岐にわたる工業プロセスで排煙または煙道ガスが放出される。排煙の圧力は一般に、大気圧よりわずかに高く、通常は２気圧未満である。排煙の温度は一般に、約１５０℃から約２５０℃の範囲である。このガスの主成分は一般に、Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏである。ＮＯｘおよびＳＯｘなどの少量の汚染物質が存在することも多い。このガスのＣＯ２濃度は通常、３ｍｏｌ％から１５ｍｏｌ％の範囲であり、ガス中のＨ２Ｏは通常、０．１ｍｏｌ％から１５ｍｏｌ％の範囲である。ＣＯ２とＨ２Ｏの合計でのモル濃度は通常、煙道ガスが化学量論的な燃焼によって生成される場合は約２５ｍｏｌ％未満であり、希釈空気または過剰空気をプロセスに用いてプロセスの高温部分での温度を制限する場合であれば、通常は約１５ｍｏｌ％未満である。たとえば、ガスタービンでは、パワータービンのブレードに達する前の燃焼ガスの温度を希釈空気で制限している。
【０１１２】
熱波吸着プロセスを利用して、高温の煙道ガスからＣＯ２を除去する。熱波吸着プロセスでは、平行チャネル接触器を使用して約７０ｍｏｌ％を超える量のＣＯ２を煙道ガスから除去し、好ましくは約８０ｍｏｌ％を超える量のＣＯ２を煙道ガスから除去し、なお一層好ましくは約９０ｍｏｌ％を超える量のＣＯ２を煙道ガスから除去し、最も好ましくは約９５ｍｏｌ％を超える量のＣＯ２を煙道ガスから除去する。この方法では、約７０ｍｏｌ％を超えるＣＯ２、好ましくは約８０ｍｏｌ％を超えるＣＯ２、なお一層好ましくは約９０ｍｏｌ％を超えるＣＯ２、最も好ましくは約９５ｍｏｌ％を超えるＣＯ２が含まれるような純度を有する、少なくとも１種のＣＯ２富化ストリームが生成される。
【０１１３】
この例は、３つの平行接触器ユニットで動作する、吸着ステップ、脱着ステップ、冷却ステップが連続した熱波プロセスを示すものである。当業者であれば、この例を利用し、熱波プロセスの他のいくつかの潜在的な実施形態を構成してＣＯ２を排煙から除去することができる。これらの実施形態の多くが、プロセスを構成するにあたって他の台数の接触器を用いるものである。
【０１１４】
この例の３ユニット動作では、ひとつの接触器で吸着ステップ、もうひとつの接触器で脱着ステップを実施し、更に別の接触器を冷却対象とする。３ユニットプロセスの図を図１１に示す。図１１（ａ）は、吸着ステップで接触器９４１（ａ）に出入りするストリームを示す。図１１（ｂ）は、脱着／再生ステップで接触器９４１（ｂ）に出入りするストリームを示す。図１１（ｃ）は、接触器冷却ステップで接触器９４１（ｃ）に出入りするストリームを示す。接触器９４１（ａ）、９４１（ｂ）、９４１（ｃ）は実質的に類似のものである。接触器の特性は本明細書の実施例８で説明したものと同様であり、各接触器が加熱／冷却チャネル９４３および吸着剤チャネル９４５のアレイを有する。
【０１１５】
この例では、吸着剤がミクロ多孔性材料を含む。ミクロ多孔性材料は、本方法の吸着ステップの温度で、吸着剤１ｃｍ３あたり約０．２５ミリモルを超える量のＣＯ２を、約９０ｍｏｌ％のＮ２と約１０ｍｏｌ％のＣＯ２を含む大気の混合ガスから吸着するように選択される。好ましい実施形態では、吸着剤は、本方法の吸着ステップの温度で、吸着剤１ｃｍ３あたり約０．７５ミリモルを超える量のＣＯ２を、９０ｍｏｌ％のＮ２と１０ｍｏｌ％のＣＯ２を含む大気の混合ガスから吸着するように、少なくともミクロ多孔性材料を含む。一層好ましい実施形態では、吸着剤は、本方法の吸着ステップの温度で、吸着剤１ｃｍ３あたり約１．５ミリモルを超える量のＣＯ２を、９０ｍｏｌ％のＮ２と１０ｍｏｌ％のＣＯ２を含む大気の混合ガスから吸着するように、少なくともミクロ多孔性材料を含む。設計次第では、約２℃から約６０℃の温度範囲、好ましくは約５℃から約４５℃の温度範囲、一層好ましくは約５℃から約３５℃の範囲で、吸着ステップを実施することが可能である。
【０１１６】
設計次第では、約５℃から約６０℃の温度範囲、好ましくは約５℃から約４５℃の温度範囲、一層好ましくは約２℃から約３５℃の範囲で、吸着ステップを実施することが可能である。ミクロ多孔性材料は、ゼオライト４Ａ、５Ａ、１３Ｘ、ＮａＸ、ＮａＹなどのゼオライトであってもよい。また、排煙ストリームの処理用にハイドロタルサイトをミクロ多孔性材料として用いることも本発明の範囲内である。更に、ＳｉまたはＡｌ以外、Ｐなどの元素を含む骨格からミクロ多孔性材料を形成することも可能である。もうひとつの候補吸着剤材料に、ミクロ多孔性炭素がある。ミクロ多孔性ゾルゲル誘導材料およびシリカも候補吸着剤材料になり得る。これらの材料を単独で使用してもよく、他の材料との併用も可能である。接触器の吸着剤のメソ多孔度およびマクロ多孔度が低いと好ましい。即ち、構造化吸着剤は、その細孔容積の約２０ｖｏｌ．％未満、好ましくは約１５ｖｏｌ．％未満、一層好ましくは約１０ｖｏｌ．％未満、最も好ましくは約５ｖｏｌ．％未満をメソ孔およびこれよりも大きい空洞細孔に含む。上述したように、低メソ多孔性およびマクロ多孔性吸着剤には間隙封止用物質を含むことが可能である。
【０１１７】
吸着剤の再生は煙道ガスの熱を用いて実施され、再生対象となる接触器９４１（ｂ）に出入りするストリームの流れを図１１（ｂ）に示す。煙道ガス９１１は、約１５０℃から約２５０℃の範囲である、煙道ガスが生成された温度で、（吸着剤チャネルとの対比で）「加熱／冷却チャネル」に流入する。再生プロセスが開始されると、接触器９４１（ｂ）の温度は約２℃から約３５℃の範囲になる。煙道ガス９１１が接触器９４１（ｂ）に流入する前に、微粒子を除去するプロセスブロック９１３にストリーム９１１を任意に送ってもよい。セラミック製キャンドルフィルタでの濾過、モノリス無機（金属またはセラミック）フィルタ、管状金属フィルタ、ポリマーフィルタまたはバッグフィルタをはじめとして、微粒子を除去するためのいくつかの異なる方法を使用することが可能である。或いは、電気集塵器を使って微粒子を除去することも可能である。煙道ガスストリーム９１１とほぼ同じ温度のストリーム９１５が任意のプロセスブロック９１３から出て、平行チャネル接触器９４１（ｂ）の加熱／冷却チャネル９４３（ｂ）に流入する。脱着ステップの開始時、接触器のミクロ多孔性吸着剤材料は吸着されたＣＯ２を含む。再生ステップの開始時（即ち吸着ステップ終了後）に、吸着剤の体積平均ＣＯ２吸着量が吸着剤材料１ｃｍ３あたり約０．２５ミリモルを超えると好ましい。最も好ましい範囲にある吸着量の具体例は、ミクロ多孔性吸着剤材料１ｃｍ３あたり平均ＣＯ２吸着量１．７ミリモルである。ストリーム９１５が接触器９４１（ｂ）に流入しはじめ、ガスはストリーム９８１を形成して吸着／冷却チャネル９４３（ｂ）から出る。プロセスが開始されると、ストリーム９８１は接触器の初期温度にある。本明細書で説明するようなタイプの熱波が接触器を進むと、ストリーム９８１の温度がわずかに上昇する。熱波が接触器を進むとストリーム９８１の温度が急激に上昇する。熱波が接触器を進む前に脱着ステップを終了しないようにすると好ましい。吸着ステップ（図１１ａ）の完了前に熱波が接触器を通り抜けてしまったら、別の熱床９８３（ｂ）を使用して、吸着、脱着／再生および接触器冷却ステップを停止するときまで熱を吸収することが可能である。熱床９８３（ｂ）は、熱波が通過する固体粒子の充填床であってもよい。固体粒子の充填床がサーマルマスの場合は、再生プロセス開始時のその温度は吸着剤床の温度に近い。
【０１１８】
吸着の前に熱フロントが接触器を破過するように再生および冷却ステップを終了すると好ましい。熱フロントが接触器を破過するようにするには、吸着剤層の質量に吸着チャネルと加熱／冷却チャネルとの間の障壁の質量を加えた合計質量を吸着剤材料の質量の約１０倍未満にする必要があり、好ましくは吸着剤材料の質量の約５倍未満、なお一層好ましくは吸着剤材料の質量の約２倍未満、最も好ましくは吸着剤材料の質量の約１．５倍未満である。
【０１１９】
再生対象となる接触器９４１（ｂ）を熱波が進むにつれて、ガスストリームから水が凝縮される。凝縮が発生するのは、接触器に沿って流れる際にガスの温度が下がるからである。加熱／冷却チャネル９４３（ｂ）から出てくるガスストリーム９８１の水蒸気の濃度は、ストリーム９８１の温度での飽和気体とほぼ同じであり、再生装置に入るストリーム９１１より約１００℃を超えて低いことがある。再生対象となる接触器９４１（ｂ）を通るストリーム９１５から液体状の水が出るため、ガスが下流に流れ、液体がガスと一緒に重力の作用下で接触器の底まで流れるように接触器を整列配置しておくと好都合なことがある。凝縮水を接触器から取り除いて水ストリーム９６７を形成するには、任意の方法を用いることが可能である。任意に、ノックアウト９９１を設けて、接触器から出る液体状の水流のミストを除去してもよい。冷却された部分脱水排煙ストリーム９６１と一緒に流れる相当量の液相水が存在しないことが好ましい。
【０１２０】
この例では、接触器９４３（ｂ）の加熱／冷却チャネルを通るガスが、吸着ステップの際に吸着チャネル９４５（ａ）を通るガスと同じ方向に移動する（即ち並流的）。このタイプの並流熱波脱着プロセスについては、実施例１７で詳細に説明した。図１１に示すような要素９２０および９２５は、それぞれ吸着チャネルの流入口端および流出口端を示す。この例では、Ｈ２Ｏが吸着の強い種であり、ＣＯ２が若干強く吸着され、Ｎ２とＯ２が弱く吸着されるように、ミクロ多孔性吸着剤を選択する。このような吸着順序になるミクロ多孔性材料の例として、ゼオライト４Ａ、５Ａ、１３Ｘ、ＮａＸ、ＮａＹなどのゼオライトがあげられる。ＳＯｘおよびＮＯｘなどの微量物質は極めて強く吸着され得るものである。再生装置の動作についての以下の説明は、排煙からＣＯ２の大半を除去するように設計されて動作する接触器に当てはまるものであり、排煙の主成分に的を絞って説明する。ここで説明するプロセスでは、ガスストリームからＳＯｘおよびＮＯｘの多くを捕捉する。この例で説明する原理を用いて、ＣＯ２をあまり捕捉しないプロセスでガスストリームからＳＯｘおよびＮＯｘを除去できる点に注意されたい。
【０１２１】
並流熱波脱着プロセスでは、一番強く吸着されないＮ２およびＯ２種が、脱着プロセスの最初の段階でストリーム９９７を形成して接触器から出る。接触器から出てくるストリーム９９７を、早いタイミングで出るストリームと遅いタイミングで出るストリームに分けると好都合なことがある。なぜなら、異なるタイミングで出るストリームはＣＯ２およびＨ２Ｏの濃度も異なるため、好ましくは違う方法で処理できるからである。プロセスの任意の実施形態において、再生ステップの開始時に弁９３１を開き、ストリーム９９７が流れてストリーム９７１を形成できるようにする。再生の早い段階で回収されるストリーム９７１は、ＣＯ２濃度が極めて低い。本明細書の図１１に示すプロセスでは、このストリームをストリーム９６３と組み合わせ、最終的にスタックを介して排出する。時間が経過するにつれて、ストリーム９７１のＣＯ２の濃度が上昇しはじめるため、弁９３１を閉じてストリーム９７１の流れを止める。この任意の実施形態では、弁９３３も「同時に」開いてストリーム９７３の流れを開始する。これらの弁を作動させるタイミングによって、ストリーム９７３のＣＯ２純度が決まる。或いは、再生プロセスの開始時に弁９３３を開いて、ストリーム９９７が流れてストリーム９７３を形成できるようにした。ストリーム９７３は、もともと煙道ガスに含まれていたＣＯ２の大半を含む。ストリーム９７３のＣＯ２の濃度は、追加の処理をほとんどしないかまったくせずに貯留プロセスに送ることができる程度に高い。この例では、大気圧または大気圧よりもわずかに高い圧力でストリームを生成する。真空から数（３前後）気圧の範囲の圧力からストリーム９７３を生成するプロセスを設計することが可能である。ストリーム９７３を大気圧未満で生成するのはあまり望ましくない。このようにすると、ＣＯ２貯留プロセスでの圧縮コストがかさむからである。
【０１２２】
ストリーム９７３を異なるタイプのＣＯ２貯留プロセスに送ることが可能である。非限定的な例として、ＣＯ２を、圧入した酸性ガス成分の大幅な損失を防ぐシール層を上部に有する帯水層、油層、ガス貯留層、枯渇油層および枯渇ガス貯留層などの地盤に送ることがあげられる。地中深くにそのまま固定すること（ｄｅｅｐ  ｏｐｅｎ  ｓｔｏｒａｇｅ）もＣＯ２の廃棄方法としては可能であるが、純度の要件が一層厳しくなると予想される。一般に、これらのタイプの地盤に分離したＣＯ２およびＨ２Ｓを圧入するには、約２，０００ｐｓｉを超える圧力まで圧縮する必要があり、約５，０００ｐｓｉを超える圧力まで圧縮しなければならないことも多い。ストリーム９７３のいくつかの特性によって、このストリームが貯留プロセスでの圧縮に適したものとなる。これらの特性として、その温度が煙道ガスの温度よりもかなり低く、ＣＯ２が高濃縮されているという事実があげられる。場合によっては、ストリーム９７３を貯留する前に別の処理が必要である。別の処理ステップの非限定的な例として、ストリームを一層厳密に脱水し、貯留プロセスで使用する配管およびコンプレッサの腐蝕可能性を軽減することがあげられる。再生プロセスが終わりに近づくと、ストリーム９７３のＨ２Ｏ濃度が高くなる。ＣＯ２の貯留に使用する設備の腐蝕可能性の問題を最小限に抑えるのであれば、再生プロセスの終わり頃に出てくるストリームを分離し、このストリームを別に扱うようにすると好都合なことがある。任意の実施形態では、ストリーム９７３のＨ２Ｏ濃度が所望の閾値を超えて上昇したら、弁９３３を閉じて弁９３５を開く。これによって、ストリーム９７３の流れが止まり、水の濃度が高いストリーム９７５の流れが始まる。その後、ストリーム９７５を別途脱水した上で、ストリーム９７１と合流させることが可能である。
【０１２３】
再生対象となる接触器９４１（ｂ）から出る低温の部分脱水排煙ストリーム９６１を、吸着ステップを実施している接触器９４１（ａ）に送る。ストリーム９６１は、接触器の吸着チャネル９４５（ａ）経由で送られ、そこでミクロ多孔性吸着剤によってＣＯ２とＨ２Ｏが優先的に除去される。接触器９４１（ａ）については、任意に、チャネル９４５（ａ）の長さ方向にいくつかの異なるミクロ多孔性吸着剤を有するように構成しても構わない。チャネル９４５（ａ）の長さ方向に異なるミクロ多孔性吸着剤を配置する一実施形態において、Ｈ２Ｏに対する選択性が最も高い吸着剤をチャネルの最初に配置する。このようにして、ストリームの水蒸気分圧を低下させ、チャネルの端側の吸着剤をＣＯ２の除去に一層効果的に用いることができる。４Ａ、５Ａ、ＮａＸなどのカチオン濃度の高いゼオライトが、乾燥時に一層効果的に動作可能なミクロ多孔性吸着剤の例である。その理由は、カチオン濃度の高いゼオライトのＣＯ２吸着等温線が、ゼオライトの乾燥時に上昇しやすいからである（即ち、乾燥カチオンゼオライトのＣＯ２等温線は通常、湿ったゼオライトの場合よりも上にある）。水を除去するのに用いることが可能な材料としては、シリカ、アルミナ、炭素、ゼオライトがあげられる。
【０１２４】
この例では、単一タイプのミクロ多孔性吸着剤が吸着剤チャネル９４５（ａ）に並んでいる。吸着プロセスの開始時、接触器９４１（ａ）の温度は、図１１（ｃ）の冷却ステップの最後に生じた温度と同じである。この温度は、大気中の周囲空気の温度よりもわずかに高い。吸着ステップが開始されると、接触器の前端９２０付近でＣＯ２とＨ２Ｏが選択的に吸着剤に取り込まれる。吸着剤の残りの部分におけるＣＯ２およびＨ２Ｏの濃度は低く、図１１（ｂ）の再生ステップ終了時とほぼ等しい。更に、接触器９４１（ａ）を出るガスストリーム９６３のＣＯ２濃度は、排煙ストリーム９１１での濃度の５％未満である。
【０１２５】
この例では、ミクロ多孔性吸着剤に、ＣＯ２よりもＨ２Ｏのほうが強く吸着されるという特性がある。この特性を持つミクロ多孔性ゼオライト吸着剤の一例にゼオライト５Ａがある。このゼオライト並びに他のミクロ多孔性吸着剤の場合、分子が吸着されると温度が上昇する。温度の上昇については、吸着される種の吸着熱、吸着量、接触器の熱伝導率、接触器のサーマルマスによって判断する。任意のストリーム９１９を接触器に流し、接触器での温度の上昇を制限してもよい。ストリーム９１９は周囲の空気から導かれ、接触器の加熱／冷却チャネル９４３（ａ）に送られる。図１１（ａ）に示す実施形態では、このストリームは吸着チャネルを流れるストリーム９６１に対して向流的に移動する。ストリーム９１９は、吸着熱によって発生する熱を取り除き、接触器を出る、この熱のほとんどを持ち去るストリーム９２１を形成する。異なる実施形態では、この任意のストリーム９１９をストリーム９６１に対して並流的に流すことが可能である。
【０１２６】
吸着ステップが続くと、吸着相濃度の比較的急唆な濃度フロント（即ち、チャネルを覆っているミクロ多孔性材料の吸着質）が、接触器の長さ方向に移動する。Ｈ２Ｏの濃度フロントはＣＯ２の濃度フロントよりも吸着装置チャネルの入口に近い。時間の経過に伴って吸着装置チャネルの長さ方向に濃度フロントが移動する方法を濃度波と呼ぶ。時間の経過に伴って、これらの波またはフロントは吸着チャネルの長さ方向に進行する。これらの波が進む際、ＣＯ２フロントが接触器９２５の端に到達するまでは流出口ストリーム９６３のＣＯ２濃度は低く保たれる。この時点で、流出口ストリーム９６３のＣＯ２濃度が上昇しはじめ、吸着ステップが停止される。
【０１２７】
すでに再生済みであり、冷却ステップを実施している接触器９４１（ｃ）に、低温のストリーム９６３（ＣＯ２除去済み）を誘導する。再生プロセスで生成された別の低温のガス（ストリーム９７１）も任意にストリーム９６３に加えてストリーム９９５を形成することができる。このストリーム９９５を接触器９４１（ｃ）の加熱／冷却チャネルに導入する。冷却ステップの開始時、接触器９４１（ｃ）は排煙ストリーム９１１の温度付近である。ストリーム９９５は接触器を流れ始め、冷却用の熱波が生じる。この冷却用の波は、流入口側９２０付近の接触器の温度が低く、接触器の長さ方向に存在する急唆なフロントで、温度が突然上昇するようなものである。熱波が接触器を進む際、接触器９８５を出るガスは高温のままである。再生ステップで任意のサーマルマス９８３を使用する場合、ガスストリーム９８５をサーマルマス９８３（ｃ）にも通せばよい。プロセスにサーマルマスを使用する場合、冷却プロセスが終わる前に、熱波が接触器の端を通り抜けてサーマルマスを冷却する。この任意の実施形態では、冷却ステップの大半でサーマルマス９６５を出るガスストリームは高温のままである。高温のガスストリーム９６５は実質的にＣＯ２を含有せず、スタックから排気または噴出させることが可能である。冷却ステップは吸着ステップおよび再生ステップと同時に終了する。冷却ステップの最初から最後まで、吸着剤チャネル９４５（ｃ）からの流出はない。
【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】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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