(57)【要約】  ＣＯ２を回収するのに有用なモノリスのための最適な幾何学形状を決める方法が記載されている。また、その決められた所望の幾何学形状を有するモノリスについても記載されている。
2015511166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハニカムモノリス用の最適なモノリス幾何学形状を決めるための方法であって、
ａ．次の式、すなわち、
2015511166.tif 000014
に従ってデザインインデックスＳを計算するステップであって、式中、ｔｒは、反応時間尺度であり、ｔｆは、フロー時間尺度であり、ｕは、チャネル内部の供給ガスの速度であり、Ｋは、反応速度であり、Ｌは、リアクタの長さであり、ＯＦＡは、開口前面面積であり、およびＶは、前記モノリスの外部の供給ガスの速度であるステップと、
ｂ．Ｓが所望の値以下であるか否かを判断するステップと、
ｃ．Ｓが前記所望の値以下になるように、１つ以上のモノリスパラメータを変更するステップと、
を備える方法。
【請求項２】
前記モノリスパラメータは、モノリスの長さＬである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記モノリスパラメータは、モノリスＯＦＡである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記モノリスパラメータはｕである、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記モノリスパラメータは、モノリス気孔率φである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記モノリスパラメータは、モノリス屈曲度τである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記モノリスパラメータはＶ、すなわち、前記モノリスの外部の供給ガスの速度である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記モノリスパラメータは、平方インチ当たりのセル数ＣＰＳＩである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記モノリスパラメータは、壁厚（Ｒ２−Ｒ１）である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
Ｓの所望の値は、０．４以下であり、および／または０．３５以下であり、および／または０．３０以下であり、および／または０．２５以下であり、および／または０．２以下であり、および／または０．１５以下であり、および／または０．１以下である、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
この出願は、２０１１年１１月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／５６５１２２号の米国法典第３５編第１１９条の下での優先権の恩恵を主張し、その内容は、依拠され、およびその全体の参照によって本願明細書に組み込まれるものとする。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、一般に、ガスからのＣＯ２の除去に用いられるモノリス物品をデザインするための方法に関し、および具体的には、フロースルーモノリス基材用の最適なモノリス幾何学形状を予測するための分析モデルに関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本願明細書には、ガスからのＣＯ２の除去に用いられるモノリス物品をデザインするための方法が開示されている。
【０００４】
第１の態様においては、ハニカムモノリス用の最適なモノリス幾何学形状を決めるための方法であって、次の式、すなわち、
2015511166.tif 000003
【０００５】
に従ってデザインインデックスＳを計算するステップであって、式中、ｔｒは、反応時間尺度であり、ｔｆは、フロー時間尺度であり、ｕは、チャネル内部の供給ガスの速度であり、Ｋは、反応速度であり、Ｌは、リアクタの長さであり、ＯＦＡは、開口前面面積（ｏｐｅｎ  ｆｒｏｎｔａｌ  ａｒｅａ）であり、およびＶは、該モノリスの外部の供給ガスの速度であるステップと、Ｓが所望の値以下であるか否かを判断するステップと、Ｓが該所望の値以下になるように、１つ以上のモノリスパラメータを変更するステップとを備える方法が提供される。
【０００６】
第２の態様においては、該モノリスパラメータは、長さＬである、態様１の方法が提供される。
【０００７】
第３の態様においては、該モノリスパラメータは、モノリスＯＦＡである、態様１の方法が提供される。
【０００８】
第４の態様においては、該モノリスパラメータは、ｕである、態様１の方法が提供される。
【０００９】
第５の態様においては、該モノリスパラメータは、モノリス気孔率φである、態様１の方法が提供される。
【００１０】
第６の態様においては、該モノリスパラメータは、屈曲度τである、態様１の方法が提供される。
【００１１】
第７の態様においては、該モノリスパラメータは、Ｖである、態様１の方法が提供される。
【００１２】
第８の態様においては、該モノリスパラメータは、平方インチ当たりのセル数ＣＰＳＩである、態様１の方法が提供される。
【００１３】
第９の態様においては、該モノリスパラメータは、壁厚である、態様１の方法が提供される。
【００１４】
第１０の態様においては、Ｓの所望の値は、０．３５以下である、態様１の方法が提供される。
【００１５】
第１１の態様においては、Ｓの所望の値は、０．３０以下である、態様１の方法が提供される。
【００１６】
第１２の態様においては、Ｓの所望の値は、０．２５以下である、態様１の方法が提供される。
【００１７】
第１３の態様においては、Ｓの所望の値は、０．２以下である、態様１の方法が提供される。
【００１８】
第１４の態様においては、Ｓの所望の値は、０．１５以下である、態様１の方法が提供される。
【００１９】
第１５の態様においては、Ｓの所望の値は、０．１以下である、態様１の方法が提供される。
【００２０】
第１６の態様においては、０．４以下のＳの値を有する、ＣＯ２回収のためのモノリスが提供され、この場合、Ｓは、式、すなわち、
2015511166.tif 000004
【００２１】
によって定義される。
【００２２】
第１７の態様においては、Ｓの値は、０．３５以下である、態様１６のモノリスが提供される。
【００２３】
第１８の態様においては、Ｓの値は、０．３０以下である、態様１６のモノリスが提供される。
【００２４】
第１９の態様においては、Ｓの値は、０．２５以下である、態様１６のモノリスが提供される。
【００２５】
第２０の態様においては、Ｓの値は、０．２以下である、態様１６のモノリスが提供される。
【００２６】
第２１の態様においては、Ｓの値は、０．１５以下である、態様１６のモノリスが提供される。
【００２７】
第２２の態様においては、Ｓの値は、０．１以下である、態様１６のモノリスが提供される。
【００２８】
添付図面は、さらなる理解をもたらすために含まれており、およびこの明細書に組み込まれ、および該明細書の一部を構成している。該図面は、１つ以上の実施形態を示し、およびその説明とともに、様々な実施形態の原理および動作を説明するのに役に立つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】モノリスのチャネルの断面図の略図
【図２】充填床の実験結果と比較した、充填床モデルの実施形態を用いて計算したアウトレットＣＯ２モル分率を示すグラフ
【図３】モノリスの実験結果と比較した、モノリスモデルの実施形態を用いて計算したアウトレットＣＯ２モル分率を示すグラフ
【図４】総合的予測と分析モデル予測の誤差を示す、デザインインデックスＳに対して誤差（％）をプロットしたグラフ
【図５】あるモデルによる、最適なＣＰＳＩを示す、セル密度（毎平方インチまたはＣＰＳＩ）に対してパフォーマンス（該床を飽和させる時間の逆数として計算した）をプロットしたグラフ
【図６】様々なリアクタサイズに対する最適なセル密度を示す、モノリスの開口前面面積に対して最適なセル密度（ＣＰＳＩ）をプロットしたグラフ
【図７】正規化したパフォーマンス／正規化した背圧対ＣＰＳＩを示すグラフ
【図８】正規化したパフォーマンス／正規化した背圧対正規化したパフォーマンスを示すグラフ
【図９】正規化した背圧対正規化したパフォーマンスを示すグラフ
【図１０】開示した方法の実施形態を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００３０】
従来、ＣＯ２の回収は、充填床リアクタを用いて実行されている。しかし、より速いサイクルタイム（例えば、脱着前のより速い吸着）およびＣＯ２の回収を実行する際の低背圧に対する要求の高まりにより、異なる種類のリアクタを使用する機会が導入されている。ハニカムモノリスは、ＣＯ２回収プロセスに用いられる代替的な種類のリアクタである。ＣＯ２回収プロセスにモノリスが実際に役に立つか否かを判断するための重要な問題は、モノリスが、充填床パフォーマンスに一致するか、または該パフォーマンスを上回るのに必要な十分な表面積および吸着剤を備えることができるか否かということである。モノリスの表面積を増すには、一般に、（「平方インチ当たりのセル数（ｃｅｌｌｓ  ｐｅｒ  ｓｑｕａｒｅ  ｉｎｃｈ）」または「ＣＰＳＩ」と呼ばれる）モノリスのセル密度の増加を要する。しかし、モノリスのセル密度の増加は、通常、該モノリスの背圧の増加をもたらす。そのため、低背圧および低い製造コストを維持しながら、ＣＯ２回収における高パフォーマンスを実現するために、押出ハニカムモノリスの幾何学形状の最適なデザインを分析および予測するためのモデルが必要である。
【００３１】
この開示の目的のために、略語を表１に示す。
【００３２】
【表１】
2015511166.tif 000005
【００３３】
「モノリス」は、一方の端面から他の端面まで及ぶ、セルの壁部によって画成された、複数の平行なガス導通セルを有する押出ハニカム構造を意味する。
【００３４】
フロースルーモノリス基材用の最適なモノリス幾何学形状を予測するための分析モデルの実施形態において、該モデルは、モノリスの幾何学形状デザイン対ＣＯ２回収パフォーマンスを予測する。実施形態において、予測されたデザイン対ＣＯ２回収パフォーマンスは、限定するものではないが、様々なゼオライト組成物に適用可能である。該モデルは、一定量の吸着剤の場合、ある臨界点を超えてＣＰＳＩを増加させるための収穫逓減の状態になること、および低背圧およびコストに対する要求のバランスも取りながら、良好なパフォーマンスを得ることができる最適なＣＰＳＩがあることを予測する。そのため、該モデルは、（最適な幾何学形状、吸着剤含有量および最小背圧のバランスを取る）ＣＯ２回収用のモノリスのデザインのためのパラメータを備えている。
【００３５】
モノリスにおけるＣＯ２の吸着および脱着プロセスは、次の独自の制限的な特性、すなわち、（１）吸着剤層全体が、脱着の場合も同様であるが、吸着時の該吸着剤によって、ＣＯ２の吸着／脱着プロセス、付着（および結合形成）に加わるような該吸着剤の層内への拡散を含む吸着剤を用いたＣＯ２ガスの反応速度（Ｋ）と、（２）供給物から吸収したＣＯ２がどれほど速く補充されるかを表す流速時間尺度（ｔｆ）とを呈している。
【００３６】
様々な処理条件下で、上記の現象の一方または両方は、吸着／脱着プロセスにおける重要因子または制御因子または制限因子である可能性がある。例えば、その流速が極端に速い場合には、吸収されたＣＯ２は、ほぼ即時に該モノリス内に補充され、したがって、供給物の流速は、もはや吸着／脱着プロセスを制御しない。あるいは、例えば、該吸着剤からＣＯ２を吸着または脱着するのに必要な時間（反応速度）が極端に速い場合、該反応速度は制限因子にはならない。どんな条件下で、上記の現象が支配されているかを評価するために、時間尺度分析を実行した。この分析において、該現象の各々の時間尺度を評価して比較した。
【００３７】
実施形態においては、ＣＯ２回収用途に用いるのに適しているハニカムモノリスを予測するために、デザインインデックスが備えられている。このインデックスは、ＣＯ２回収用途における支配的な現象を理解するために、および該モノリスの幾何学形状を最適化して、ＣＯ２回収用途の効率を最適化するモノリスをデザインするのに用いることができる。該デザインインデックスに関する実施形態を用いれば、ＣＯ２回収用途のためのモノリスの様々な開口前面面積（ＯＦＡ）における最適なＣＰＳＩを予測することができる。また、実施形態において、このインデックスは、実験室規模から、ＣＯ２回収用途のための現場条件へ移るためのスケールアップ予測因子としても機能する。例えば、該デザインインデックスの値（Ｓ）は、計算することができる。該デザインインデックスが閾値未満である場合には、該モノリスの幾何学形状の変更が、ＣＯ２吸着反応の効率に影響を及ぼすことになる。
【００３８】
ＣＯ２回収用途のためのハニカムモノリスの最適な幾何学形状を選択するためのデザインインデックスに関する実施形態を用いれば、いくつかの利点をもたらすことができる。例えば、ＣＯ２に対して該デザインインデックスを用いることにより、回収パフォーマンス（時間当たりに回収されるＣＯ２の量）が最適化される。吸着剤の充填を少なく保ち、それに伴ってより低コストでのモノリスの製造を可能にしながら、高いパフォーマンスが得られるであろう。該背圧を低く保ち、それに伴って、顧客への適用のためにこれをより魅力的にしながら、高いパフォーマンスが得られる。デザインインデックスの利用は、細孔拡散制約によりパフォーマンスが限定される多数の押出モノリシック基材および吸着剤材料に適用可能である。加えて、該デザインインデックスに関する実施形態は、製造会社が、モノリスの壁部内に高い吸着剤利用度を備えた該モノリスをデザインすることを可能にしている。
【００３９】
デザインインデックスＳを式１に示す。
【００４０】
【数１】
2015511166.tif 000006
【００４１】
式中、ｔｒは、反応時間尺度であり、ｔｆは、フロー時間尺度であり、ｕは、該チャネル内部の供給ガスの速度であり、Ｋは反応速度であり、ｕは、該モノリス内部の供給ガスの速度であり、Ｖは、該モノリスの外部の供給ガスの速度であり、Ｌは、該リアクタの長さであり、およびＯＦＡは、開口前面面積、すなわち、ガスフローのために開かれている１つのモノリスの端面の割合である。フロー時間尺度ｔｆは、該チャネル内での速度で割ったリアクタの長さによって示される、該リアクタ内部で供給ガスが費やした時間として計算される。フロー時間尺度の逆数も、空間速度と呼ばれる。反応速度Ｋは、ＲｅｚａｅｉおよびＷｅｂｌｅｙ（Ｒｅｚａｅｉ  ａｎｄ  Ｗｅｂｌｅｙ，２００９，Ｏｐｔｉｍｕｍ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ａｄｓｏｒｂｅｎｔｓ  ｆｏｒ  ｇａｓ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓ，Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，６４（２４）：５１８２−５１９１）によって報告されているモノリスの場合の数学的関係を用いて計算される。反応速度Ｋは、該モノリスの幾何学形状と、該モノリスの材料特性および吸着剤特性との関数である。吸着剤特性は、例えば、吸着剤屈曲度および吸着剤気孔率である。これらの吸着剤特性は、表２に示すようにＫを定義する。
【００４２】
反応速度Ｋは、表２に示すＲｅｚａｅｉおよびＷｅｂｌｅｙ（２００９）で報告されたモノリスの場合の数学的関係を用いて計算することができる。
【００４３】
【表２】
2015511166.tif 000007
【００４４】
図１は、モノリスのチャネルの断面の略図である。図１は、長さＬに沿って、モノリスの一方の端面１１０から第２の端面１１１まで及んでいるチャネル１０１を形成する壁部１００を示す。図１は、Ｒ１およびＲ２を示している。Ｒ１およびＲ２は、長さ寸法である。Ｒ１は、チャネル半径である。Ｒ２は、チャネル半径に、チャネル壁部の厚さを加えたものである。Ｒ１は、チャネル内のフローを表している。Ｒ２は、チャネル内のフローに、チャネル壁部内のフローを加えたものを表している（図１を参照）。反応係数Ｋは、壁部成分を伴わない、該チャネル内部の移動係数である膜物質移動係数ｋｆと、（該壁部の表面から該壁部の中心までの）チャネル成分を伴わない、該壁部の内部の移動係数である気孔物質移動係数ｋｐとに基づいて計算される。ＲａｚａｅｉおよびＷｅｂｌｅｙの公表文献においては、その数学モデルの検証も示されている。
【００４５】
式１を参照すると、反応時間尺度（ｔｒ）が非常に小さい場合、すなわち、Ｓ≪１である場合、その反応は、非常に迅速に行われる。Ｓ≪１の場合には、反応時間尺度は、流速時間尺度よりもかなり小さい。したがって、Ｓ≪１の場合、該反応時間尺度は、ＣＯ２吸着／脱着プロセス全体において支配的（限定的）ではない。代わりに、Ｓ≪１の場合、流速は支配的現象である。フロー時間尺度は、該リアクタの長さを該チャネル内のガスの速度で割って定義される、該リアクタの内部で供給ガスが費やした時間である。
【００４６】
Ｓ≪１の場合、吸着床を用いたＣＯ２の吸着または結合形成は、急速に（〜１０−６秒）行われる。これは、他の拡散およびフロー時間尺度と比較して極端に速く、そのため、吸着プロセス全体における重要因子ではない。換言すれば、それは、ＣＯ２分子は、何らかの開口部に達するとすぐにその表面に結合し、したがって、該表面近傍には常に局所平衡が存在することを意味している。
【００４７】
有効な物質移動ゾーン（以後、ｍｔｚ（ｍａｓｓ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｚｏｎｅ）と呼ぶ）は、式２に示す、反応速度尺度内で該供給物が移動した距離として計算することができる。
【００４８】
【数２】
2015511166.tif 000008
【００４９】
物質移動ゾーン内で、その反応時間が速い場合、ＣＯ２ガスが該ゾーンに入るとすぐに、該ガスは吸着剤によって吸着される。このことは、該ゾーンが飽和するまで続く。
【００５０】
物質移動ゾーンが飽和するのに必要な時間を式３に示す。
【００５１】
【数３】
2015511166.tif 000009
【００５２】
該リアクタの長さが該物質移動ゾーンよりも長い場合、破過時間を、式４によって与えられる、リアクタ全体を飽和させる時間として計算することができる。
【００５３】
【数４】
2015511166.tif 000010
【００５４】
したがって、Ｓ≪１の場合、該破過時間は、反応速度と無関係であることが分かる。代わりに、該破過時間は、該床の容量（Ｃ）、吸着剤密度（ｋｇ／ｍ３単位でｍｓ）、該供給物の速度および該リアクタの長さに依拠している。Ｓ≪１の場合、その反応時間尺度は小さい（すなわち、該反応は急速に行われる）ため、該反応は、吸着／脱着プロセス全体において支配的（または限定的）ではない。
【００５５】
Ｓ≫１の場合、該反応時間は遅く、ＣＯ２吸着／脱着プロセス全体において、制限因子または支配的現象である。この場合、該流速は速く、該反応時間は遅い。該反応速度が遅い場合、リアクタは飽和することになる。あるいは、該リアクタの長さは、該物質移動ゾーンよりも短い。そのため、Ｓ≫１の場合、該破過時間は、該物質移動ゾーンを飽和させる時間である。したがって、Ｓ≫１の場合、該破過時間は、反応速度と、該床の容量（Ｃ）と、吸着剤密度（ｍｓ）とに依拠している。また、Ｓ≫１の場合、該破過時間は、該供給物の速度と、該リアクタの長さとには無関係である。Ｓ≫１の場合、反応の速度は、モノリスの幾何学形状を変えることによって影響を受けることはない。
【００５６】
Ｓ＝１の場合、反応時間およびフロー時間は同等であり、ＣＯ２の吸着および脱着のための適切なモノリスの幾何学形状を計算する際には、該反応速度および該流速の両方を考慮しなければならない。
【００５７】
その仮定を検証するために、Ｊｕｎ  Ｚｈａｎｇ，Ｐａｕｌ  Ａ．Ｗｅｂｌｅｙ，Ｐｅｎｎｙ  Ｘｉａｏ，２００８，Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ  ｏｎ  ｐｏｗｅｒ  ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  ｖａｃｕｕｍ  ｓｗｉｎｇ  ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  ＣＯ２  ｃａｐｔｕｒｅ  ｆｒｏｍ  ｆｌｕｅ  ｇａｓ，Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，４９：３４６−３５６（Ｚｈａｎｇ等、２００８年）に記載されている包括モデルに基づいて値を計算した。それらの計算された値を、次の特性、すなわち、図２に示すこの検証比較の結果で報告されているように、流速＝毎分６６リットル、吸着剤はＺｅｏｌｉｔｅ  １３Ｘ、床気孔率＝０．３５、床の長さ＝１メートルを有する充填床システムから採った実験測定値と比較した。図２に示すように、計算された曲線は、充填床環境における実験結果をほぼ辿っている。
【００５８】
また、（Ｚｈａｎｇ等、２００８年）に記載されている包括モデルに基づいて計算した値と、次の特性、すなわち、流速＝毎分０．５リットル、吸着剤はＺｅｏｌｉｔｅ  １３Ｘ、幾何学形状＝２２２／１５．６、長さ＝７．５ｃｍを有する、ＣＯ２回収用のモノリスシステムと比較する検証も行った。正方形は、その実験用モノリスから採った実験結果から構成された曲線を示す。該モデルは、その実験データに非常に近い（ＣＯ２モル分率がゼロ以上で上昇し始める場合の）破過時間を予測する。該予測は、破過時間の後（４５０秒後）には当てはまらない。図３に示すように、該計算された曲線は、モノリス環境において、実験結果をきっちり辿っている。該モデルは、該破過時間を予測するのに用い、したがって、モデルの利用は証明された。
【００５９】
反応およびフローの両方を含む包括モデルを、反応が支配的（または、限定的）ではない場合のＳの値を推定するための様々な入力条件に対して解いた。これは、該包括モデル（Ｚｈａｎｇ等、２００８年）によって得られた破過時間を、分析モデル（方程式４）と比較することによって行われる。したがって、反応が支配的ではない場合、該分析モデルは、該包括モデルにぴったり一致するはずである。反応が支配的ではない場合、該包括モデルと該分析モデルとの間の誤差は、ほぼ０％である。反応が支配的ではない場合のＳの値を推定するために、分析と包括の間の誤差をＳに対してプロットした。図４は、包括モデル予測と分析モデル予測との間の誤差を示す、デザインインデックスＳに対して誤差（％）をプロットしたグラフである。図４を見て分かるように、Ｓが０．１である場合、該包括モデルと分析モデルとの間の誤差は、５％未満であり、該反応が重要な役割を果たしていないことを示している。換言すれば、Ｓが０．１未満である場合、該誤差は、５％未満であり、反応が支配的ではなく、およびパフォーマンスに与える影響がわずかであることを示している。
【００６０】
実施形態において、本開示は、ハニカムモノリスのための最適なモノリス幾何学形状を決めるための方法を提供し、該方法は、次の式、すなわち、
2015511166.tif 000011
【００６１】
に従って、デザインインデックスＳを計算するステップであって、式中、ｔｒは反応時間尺度であり、ｔｆはフロー時間尺度であり、ｕは、該チャネル内部での供給ガスの速度であり、Ｋは反応速度であり、Ｌは該リアクタの長さであり、ＯＦＡは開口前面面積であり、およびＶは、該モノリスの外部の供給ガスの速度であるステップと、Ｓが所望の値以下、例えば、Ｓ≦０．１であるか否かを判断するステップと、Ｓを所望の値以下、例えば、０．１にするように、モノリスの幾何学形状パラメータを変更するステップとを備えている。
【００６２】
図５は、あるモデルによる最適なＣＰＳＩを示す、セル密度（毎平方インチまたはＣＰＳＩ）で（該床を飽和させる時間の逆数として計算した）パフォーマンスをプロットしたグラフである。該吸着ステップ中のパフォーマンスは、様々なセル密度（であるが、一定の開口前面面積０．６）の床を飽和させるのに必要な時間の逆数として表されている。試験したシステム（流速＝１５０ＭＭＳＣＦＤおよび圧力＝２０バール。該床は、直径が０．３メートルで、長さが１メートルである。吸着剤は、モノリスとして押出したＺｅｏｌｉｔｅ  １３Ｘである。）においては、該パフォーマンスは、最適なＣＰＳＩ（最適なＣＰＳＩは、ここで示したケースの場合、１５００である）に達した後に飽和したことが観察された。この最適なＣＰＳＩは、Ｓ＝０．１の場合、または、支配的なものからちょうど非支配的なものへの反応遷移である。
【００６３】
図６は、モノリスの開口前面面積に対して最適なセル密度（ＣＰＳＩ）をプロットしたグラフであり、様々なリアクタサイズの場合の最適なセル密度を示している。様々なリアクタサイズに対する最適なセル密度が示されている。その長さおよび直径が減少するにつれて、最適なセル密度は、該モノリス内での速度（ｕまたはＶ／ＯＦＡ）の増加によって増加する。最適なセル密度に対する直径の影響は、長さよりも大きい。作動条件は、流速＝１５０ＭＭＳＣＦＤ、および圧力＝２０バールである。吸着剤は、（モノリスとして押出した）Ｚｅｏｌｉｔｅ  １３Ｘである。Ｓ≪１の場合、該破過時間は、反応速度の関数ではない。それは、該供給物の速度と、該吸着剤の容積と、吸着剤の量（該リアクタのＯＦＡおよび長さ）との関数である。したがって、（図５に示すように）ＣＰＳＩが増加して（それによって、表面積が増加し）他の全ての変数を同じに保った場合、破過曲線におけるパフォーマンスの増加またはシフトはないはずである。図６に示すように、全てのＯＦＡに対して、それを超えると反応が速くなって非支配的になる最適なＣＰＳＩがある。（ＯＦＡを同じに保って）ＣＰＳＩを増加させることによる反応速度のさらなる増加は、反応が支配的ではないため必要ない。
【００６４】
図７〜図９の場合、パフォーマンスと背圧が正規化されている。（図５に示すように、最適なパフォーマンスに達している）セル密度が３６００のときのパフォーマンスおよび背圧を計算し、その数を、様々なセル密度におけるパフォーマンスおよび背圧の残りで除した。したがって、正規化されたパフォーマンスおよび正規化された背圧は、１がセル密度３６００にある場合、０と１の間にある。
【００６５】
図７は、正規化されたパフォーマンス／正規化された背圧対ＣＰＳＩを示すグラフである。最適なパフォーマンスの場合、パフォーマンスにはより大きな数が、背圧には小さな数が望ましい。したがって、図７に示すグラフのｙ軸上の大きな数が望ましい。ここで、本発明者等は、セル密度５００の場合に最高値を示すことを観察した。これは、２つの変数、すなわち、吸着動力学および背圧が重要である場合の最適化を示している。
【００６６】
図８は、正規化されたパフォーマンス／正規化された背圧対正規化されたパフォーマンスを示すグラフである。ここで、最適なパフォーマンスは、右上の角部にあり、高いパフォーマンスおよび低い背圧を示している。ここでもまた、本発明者等は、（約５００のセル密度において）Ｓ＝０．４が最良の値を示すことを認識している。
【００６７】
図９は、正規化された背圧対正規化されたパフォーマンスを示すグラフである。ここで、最適なパフォーマンスは、右下の角部にあり、高いパフォーマンスおよび低い背圧を示している。ここでもまた、本発明者等は、（約５００のセル密度における）Ｓ＝０．４が最良の値を示すことを認識している。パフォーマンスが０．８を超えると、該背圧は、（背圧の増加が、パフォーマンスの増加と比較して顕著であることを意味する）非常に急激な勾配で増加する。
【００６８】
所望の用途により、背圧を犠牲にした非常に高いパフォーマンスか、または、妥当なパフォーマンスにおける低い背圧が好ましい可能性がある。図７〜図９に示すように、（Ｓ＝０．４に相当する）０．８というパフォーマンスは、高パフォーマンス用途に敏感なほとんどの背圧を含んでいる。
【００６９】
これらの理解により、ＣＯ２分離用途に用いられるモノリスの最適な幾何学形状を予測することが可能である。図１０は、開示した方法の実施形態を示すフローチャートである。等式（１）によれば、所定のモノリスのサイズおよび長さ、流速、ＯＦＡ、ＣＰＳＩおよび反応速度の場合、デザインインデックス“Ｓ”を特性化して計算することが可能である。図１０に示すフローチャートのステップ（１）は、Ｓを計算することを示す。上述したおよび図５および図７〜図９に示すパラメータ群を考慮すると、実施形態においては、０．４以下のＳが好ましい。また、追加的な実施形態においては、０．３５未満、０．３以下、０．２５以下、０．２以下、０．１５以下、０．１以下、０．０５以下または０．０１以下のＳが好ましい。ステップ（２）においては、図１０に示すように、Ｓが所望の値かまたはそれ以下にあるか否かに関して判断することができる。図１０に示すようにステップ（３）においては、Ｓが、Ｓの所望の値よりも大きい場合、Ｓを所望の値にするように、モノリス特性を変更することができる。
【００７０】
例えば、提案されたモノリス構造の場合の計算されたＳの値が、計算されたＳの値が０．４より大きい場合、実施形態において、Ｓを小さくするように、該モノリスのパラメータ群を変えることができる。モノリスのパラメータ群は、ＯＦＡ、ＣＰＳＩおよび該モノリスの長さを含む幾何学形状パラメータを含む。また、モノリスのパラメータ群は、該モノリス内でのガス速度、該モノリスの外部でのガス速度等のシステムパラメータも含んでいる。全体の吸着速度（Ｋ）に影響を与えるような壁厚およびチャネルサイズ等のモノリスのパラメータを変えることもできる。
【００７１】
図４に示すように、Ｓの値が０．１以下の場合、反応時間尺度ではなくフロー時間尺度が支配的であるため、０．１以下のＳ値を有するモノリスが好ましい。０．１〜０．４の範囲のＳ値を有するモノリスが好ましい。実施形態においては、０．４以下、０．３５以下、０．３以下、０．２５以下、０．２以下、０．１５以下、０．１以下、０．０５以下、０．０１以下のＳ値を有するモノリスが開示されている。
【００７２】
実施形態において、本開示は、ハニカムモノリスのための最適なモノリス幾何学形状を決めるための方法を提供し、該方法は、次の式、すなわち、
2015511166.tif 000012
【００７３】
に従って、デザインインデックスＳを計算するステップであって、式中、ｔｒは反応時間尺度であり、ｔｆはフロー時間尺度であり、ｕは、該チャネル内部での供給ガスの速度であり、Ｋは反応速度であり、Ｌは該リアクタの長さであり、ＯＦＡは開口前面面積であり、およびＶは、該モノリスの外部の供給ガスの速度であるステップと、Ｓが所望の値以下であるか否かを判断するステップと、Ｓを所望の値以下にするように、モノリスの幾何学形状パラメータを変更するステップとを備えている。該所望の値は、例えば、０．４，０．３５，０．３，０．２５，０．２，０．１５，０．１，０．０５または０．０１とすることができる。
【００７４】
追加的な実施形態においては、本開示は、０．４以下のＳ値を有するＣＯ２の回収または分離のためのモノリスを提供し、ただし、Ｓは、式、すなわち、
2015511166.tif 000013
【００７５】
によって定義される。
【００７６】
実施形態において、Ｓの値は、０．３５以下、０．３０以下、０．２５以下、０．２以下、０．１５以下、０．１以下、０．０５以下または０．０１以下とすることができる。
【００７７】
特に明記されていない限り、本願明細書に記載されているどの方法も、そのステップが、特定の順序で実行されることを要求すると解釈することは全く意図されていない。したがって、方法クレームが、そのステップが後に続くような順序を実際に述べていない場合、または、該ステップが特定の順序に限定されることがクレームまたは説明において特に具体的に明記されていない限り、何らかの具体的な順序がほのめかされていることは全く意図されていない。
【００７８】
当業者には、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、様々な変更および変形を実行できることは明らかであろう。当業者は、本発明の趣旨および内容を含む開示した実施形態の変更、組合せ、サブコンビネーションおよび変形を行えるため、本発明は、添付クレームおよびそれらの等価物の範囲内のあらゆるものを含むように解釈すべきである。
【図１】
2015511166.tif 000015
【図２】
2015511166.tif 000016
【図３】
2015511166.tif 000017
【図４】
2015511166.tif 000018
【図５】
2015511166.tif 000019
【図６】
2015511166.tif 000020
【図７】
2015511166.tif 000021
【図８】
2015511166.tif 000022
【図９】
2015511166.tif 000023
【図１０】
2015511166.tif 000024
【国際調査報告】
2015511166.tif 000025