(57)【要約】発明の一態様は、標的ガスを可逆的に収着するための方法および装置を含む。一実施形態では、標的ガスを可逆的に収着するための装置が開示される。この装置は、入口と、入口に連結された多流路モノリスであって、複数の流路を含む多流路モノリスであり、複数の流路の各々が一つ以上の壁部を含み、複数の流路のうち少なくとも一つの一つ以上の壁部のうち少なくとも一つが多孔質であり、複数の流路のうち一つ以上が収着剤を含有する多流路モノリスと、多流路モノリスに連結された出口とを含む。
2012531299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口と、
前記入口に連結された多流路モノリスであって、複数の流路を包含する多流路モノリスであり、前記複数の流路の各々が一つ以上の壁部を包含し、前記複数の流路のうち少なくとも一つの前記一つ以上の壁のうち少なくとも一つが多孔質であり、前記複数の流路のうち一つ以上が収着剤を含有する、多流路モノリスと、
前記多流路モノリスに連結された出口と、
を包含する、標的ガスを可逆的に収着するための装置。
【請求項２】
前記多流路モノリスが、単体として押出成形される、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記多流路モノリスが、セラミック、無機金属材料、有機材料、またはガラスのうち少なくとも一つを包含する、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記収着剤が、収着材料が塗着された、多孔質固体、多孔質ゲル、または多孔質材料のうち少なくとも一つを包含する、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記多孔質固体、前記多孔質ゲル、または前記多孔質材料が、前記収着剤から製造される、請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記収着剤が、固体アミン、炭素、炭素複合材、ゼオライト、エーロゲル、亜鉛ベース材料、銅ベース材料、ジルコン酸塩、または炭酸塩のうち少なくとも一つを包含する、請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記収着剤が、前記収着剤を含有する前記複数の流路のうち一つ以上の空間に充填される、請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記収着剤が、前記収着剤を含有する前記複数の流路のうち一つ以上の前記一つ以上の壁部に付着される、請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記複数の流路の各々が、相互に近接配置される、請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記複数の流路のうち一つ以上が供給流路であって、前記供給流路が一端部において閉鎖され、前記複数の流路のうち一つ以上が排出流路であって、前記供給流路と反対の端部において前記排出流路が閉鎖される、請求項１記載の装置。
【請求項１１】
前記複数の流路の部分集合が第１幅を有し、前記複数の流路の残余集合が第２幅を有する、請求項１記載の装置。
【請求項１２】
前記複数の流路すべてが、共通の幅を有する、請求項１記載の装置。
【請求項１３】
前記複数の流路のうち一つ以上が、熱伝達媒体を含有する、請求項１記載の装置。
【請求項１４】
前記複数の流路のうち少なくとも一つの前記一つ以上の壁部のうち少なくとも一つが、多孔質ではなくなるように被覆される、請求項１記載の装置。
【請求項１５】
周期的収着プロセスと周期的脱着プロセスとが前記多流路モノリスに適用されて前記標的ガスを前記収着剤に対して可逆的に結合および解離する、請求項１記載の装置。
【請求項１６】
前記周期的収着プロセスおよび前記周期的脱着プロセスが、圧力スイングプロセス、温度スイングプロセス、電気化学的スイングプロセス、前記圧力スイングプロセスと前記温度スイングプロセスとの組合せ、または前記電気化学的スイングプロセスと前記圧力スイングプロセスとの組合せのうち少なくとも一つを包含する、請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
前記圧力スイングプロセスが、急速サイクル圧力スイング吸着を包含する、請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
複数の流路を包含する多流路モノリスを準備することであって、前記複数の流路の各々が一つ以上の壁部を包含し、前記複数の流路のうち少なくとも一つの前記一つ以上の壁部のうち少なくとも一つが多孔質であって、前記複数の流路のうち一つ以上が収着剤を含有することと、
前記多流路モノリスに混合ガスを通過させ、収着プロセスを介して前記混合ガスから標的ガスを可逆的に除去することと、
脱着プロセスを適用して前記収着剤から前記標的ガスを除去することと、
を包含する、標的ガスを可逆的に収着するための方法。
【請求項１９】
前記収着プロセスと前記脱着プロセスとが、周期的である、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記収着プロセスおよび前記脱着プロセスが、圧力スイングプロセス、温度スイングプロセス、電気化学的スイングプロセス、前記圧力スイングプロセスと前記温度スイングプロセスとの組合せ、または前記電気化学的プロセスと前記圧力スイングプロセスとの組合せのうち少なくとも一つを包含する、請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
前記圧力スイングプロセスが、急速サイクル圧力スイング吸着を包含する、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記準備と前記通過と前記適用とが、時間的に前後にオフセットして２回実施され、前記標的ガスの連続的な供給および分離を維持する、請求項１８記載の方法。
【請求項２３】
所望の量の前記標的ガスが前記混合ガスから除去されるまで前記準備と前記通過と前記適用とが反復される、請求項１８記載の方法。
【請求項２４】
前記多流路モノリスが、単体として押出成形される、請求項１８記載の方法。
【請求項２５】
前記多流路モノリスが、セラミック、無機金属材料、有機材料、またはガラスのうち少なくとも一つを包含する、請求項１８記載の方法。
【請求項２６】
前記収着剤が、収着材料が塗着された、多孔質固体、多孔質ゲル、または多孔質材料のうち少なくとも一つを包含する、請求項１８記載の方法。
【請求項２７】
前記多孔質固体、前記多孔質ゲル、または前記多孔質材料が、前記収着剤から製造される、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記収着剤が、固体アミン、炭素、炭素複合材、ゼオライト、エーロゲル、亜鉛ベース材料、銅ベース材料、ジルコン酸塩、または炭酸塩のうち少なくとも一つを包含する、請求項１８記載の方法。
【請求項２９】
前記収着剤が、前記収着剤を含有する前記複数の流路のうち一つ以上の空間に充填される、請求項１８記載の方法。
【請求項３０】
前記収着剤が、前記収着剤を含有する前記複数の流路のうち一つ以上の前記一つ以上の壁部に付着される、請求項１８記載の方法。
【請求項３１】
前記複数の流路の各々が、相互に近接配置される、請求項１８記載の方法。
【請求項３２】
前記多流路モノリスに前記混合ガスを通過させて前記混合ガスから前記標的ガスを可逆的に除去することが、
前記多流路モノリスの一つ以上の供給流路に前記混合ガスを供給することであって、前記供給流路が一端部において閉鎖されることと、
一つ以上の排出流路から前記標的ガスの少ない前記混合ガスを除去することであって、前記供給流路と反対の端部において前記排出流路が閉鎖されることと、
を包含する、請求項１８記載の方法。
【請求項３３】
前記複数の流路の部分集合が第１幅を有して、前記複数の流路の残余集合が第２幅を有する、請求項１８記載の方法。
【請求項３４】
前記複数の流路のうち一つ以上の前記多孔質壁部を被覆すること、
をさらに包含する、請求項１８記載の方法。
【請求項３５】
入口と、
前記入口に連結された多流路モノリスであって、複数の流路を包含する多流路モノリスであり、前記複数の流路の各々が一つ以上の壁部を包含して前記複数の流路のすべてが収着剤を含有する、多流路モノリスと、
前記多流路モノリスに連結された出口と、
を包含する、標的ガスを可逆的に収着するための装置。
【請求項３６】
前記複数の流路のすべてが、前記複数の流路の各々の各端部において開放されている、請求項３５記載の装置。
【請求項３７】
前記複数の流路のうち少なくとも一つの前記一つ以上の壁部のうち少なくとも一つが、多孔質である、請求項３５記載の装置。
【請求項３８】
前記複数の流路の各々の前記一つ以上の壁部の各々が多孔性を有することのないように、前記複数の流路の各々の前記一つ以上の壁部の各々が被覆される、請求項３５記載の装置。
【請求項３９】
周期的収着脱着プロセスが前記多流路モノリスに適用されて前記標的ガスを前記収着剤に対して可逆的に結合および解離する、請求項３５記載の装置。
【請求項４０】
前記周期的収着脱着プロセスが、圧力スイングプロセス、温度スイングプロセス、電気化学的スイングプロセス、前記圧力スイングプロセスと前記温度スイングプロセスとの組合せ、または前記電気化学的スイングプロセスと前記圧力スイングプロセスとの組合せのうち少なくとも一つを包含する、請求項３９記載の装置。
【請求項４１】
前記圧力スイングプロセスが、急速サイクル圧力スイング吸着または吸収を包含する、請求項４０記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してガス除去に関連し、より詳しくは標的ガスを可逆的に収着するための方法および装置に関連する。
【背景技術】
【０００２】
ガス分離技術は様々な産業で必要とされる。特に関心の高いガス分離の一つは、商業規模での二酸化炭素（ＣＯ２）ガス分離である。現在、商業的使用では二つのＣＯ２ガス分離方法が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一つの方法は、分離されるガス塊全体の冷却を伴い、ＣＯ２ガスが好ましくは凝縮および収集される低温法である。低温法は、大きなガス塊の冷却に必要となる高いエネルギー消費量のため極端に高費用であると考えられ、７５％もの非常に高いＣＯ２ガス濃度での経済的使用の可能性がいくらかある。大部分の流出ストリームは１０〜４０％のＣＯ２ガスを含有し、そのため低温法は、ＣＯ２ガス分離では経済的に見て実現可能であるとは考えられない。
【０００４】
商業的使用における第二のＣＯ２ガス分離方法は、分離されるガス塊をアミンの溶液に露出させる必要のあるアミン洗浄である。しかし高エネルギー消費量、低能力、高い資本および運転コストのため、アミン洗浄は現在、小規模での商業用にのみ使用されており、例えば発電所排出物からのＣＯ２ガス捕捉に必要とされる大きな規模への拡張性は乏しい。
【０００５】
他のＣＯ２ガス分離方法は開発中であるが、上記のような低温法およびアミン洗浄方法と関連する欠点をやはり避けることができない。つまり、酸性ガス除去のためのレクチゾール法におけるメタノールのような溶媒和など開発中の他の方法、また膜分離器は、高エネルギー消費量、不充分な選択度、低能力、および大きな商業規模への拡張性の乏しさゆえに、経済的実現性が低くならざるを得ないのである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態において、本発明は概して、標的ガスを可逆的に収着するための装置に関連している。この装置は、入口と、入口に連結された多流路モノリスであって、複数の流路を包含する多流路モノリスであり、複数の流路の各々が一つ以上の壁部を包含し、複数の流路のうち少なくとも一つの一つ以上の壁部のうち少なくとも一つが多孔質であって複数の流路のうち一つ以上が収着剤を含有する多流路モノリスと、多流路モノリスに連結された出口とを包含する。
【０００７】
一実施形態において、本発明は、標的ガスを可逆的に収着するための方法に関連している。この方法は、複数の流路を包含する多流路モノリスを準備することであって、複数の流路の各々が一つ以上の壁部を包含し、複数の流路のうち少なくとも一つの一つ以上の壁部のうち少なくとも一つが多孔質であって複数の流路のうち一つ以上が収着剤を含有することと、多流路モノリスに混合ガスを通過させ、収着プロセスを介して混合ガスから標的ガスを可逆的に除去することと、脱着プロセスを適用して収着剤から標的ガスを除去することとを包含する。
【０００８】
一実施形態において、本発明は、標的ガスを可逆的に収着するための装置の第二実施形態に関連している。この装置は、入口と、入口に連結された多流路モノリスであって、複数の流路を包含する多流路モノリスであり、複数の流路の各々が一つ以上の壁部を包含し、複数の流路のすべてが収着剤を含有する、多流路モノリスと、多流路モノリスに連結された出口とを包含する。
【０００９】
添付図面と関連して以下の詳細な説明を検討することにより、本発明の教示を容易に理解できるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明で開示されるガス除去装置を利用するシステムのブロック図を示す。
【図２】多流路モノリスの一実施形態を示す。
【図３】多流路モノリスの代替実施形態を示す。
【図４】熱伝達媒体を利用する多流路モノリスの一実施形態を示す。
【図５】多流路モノリスの別の実施形態を示す。
【図６】ガス除去方法の一実施形態の流れ図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
理解を容易にするため、いくつかの図に共通する同一要素を指すのに、可能であれば同一の参照番号が使用されている。
【００１２】
本発明の一態様は、ガス分離のための方法および装置に関するものである。例えば、ここに開示される方法および装置は、ガスの混合物からの二酸化炭素（ＣＯ２）などの特定ガスの可逆的収着に使用されるとよい。収着（ｓｏｒｂｉｎｇ）は、後述するように吸着（ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）または吸収（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）を含む。例としてＣＯ２が使用されているが、ここに開示される方法および装置が他のガスに使用されてもよく、ＣＯ２のみに限定されるのではないことに注意すべきである。
【００１３】
図１は、本発明によるガス分離のためのシステム１００におけるガス分離器１０６などの装置１０６の一実施形態を図示している。システム１００は、混合ガス供給物１０８を含む。混合ガス供給物１０８は、装置１０６に連結された入口１０２を介して装置１０６へ供給される。標的ガス（ＣＯ２など）が装置１０６内で捕捉されるとよい。装置１０６に連結された出口１０４を介して、標的ガスの量の少ない混合ガスが第２ガスストリーム１１０として装置１０６から排出される。
【００１４】
一実施形態では、供給物１０８から、次に装置１０６から、標的ガスをそれぞれ除去するのに、段階的な収着脱着プロセスが使用されるとよい。収着（ｓｏｒｐｔｉｏｎ）および脱着（ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ）のモードで交替する二つの吸着床を使用して、反復的または周期的にこのプロセスが行われて、混合ガス供給物１０８から標的ガスを連続的に除去するとよい。
【００１５】
別の実施形態では、排出ストリーム１１０の中の標的ガスの量をさらに減少させるため、プロセスが再循環に使用されるとよい。例えば、出口１０４から排出される標的ガスの量の少ない混合ガスが、任意の管路１１２を介して入口１０２へ再循環されても、図１に点線で描かれた一連の任意の装置１０６に供給されてもよい。周期的な収着脱着プロセスについては、以下でさらに詳細に記す。例えば、加熱器、冷却器、反応器、ポンプ、バルブ、その他など、示されていない他の装置部品が後述の実施形態に基づくシステム１００に含まれてもよいことに注意すべきである。
【００１６】
一実施形態では、装置１０６は多流路モノリス（ａ  ｍｕｌｔｉ−ｃｈａｎｎｅｌｅｄ  ｍｏｎｏｌｉｔｈ）である。図２は、多流路モノリスとしての装置１０６の一例を図示している。以下、装置１０６と多流路モノリス１０６とは互換的に使用される。
【００１７】
一実施形態において、多流路モノリス１０６は、複数の流路２０２を含む単体として押出成形されるとよい。多流路モノリス１０６は、セラミック、無機金属材料、有機材料、またはガラスから押出成形されるとよい。例の一部は、アルミナ、炭化ケイ素、ムライト、およびコーディエライトを含む。
【００１８】
使用される材料の種類は、設計要件に応じたものでよい。例えば、熱伝達効率が高い時には熱伝導率の高いセラミックが使用されるとよい。別の実施形態において、非常に高い圧力で作動する時には、金属が使用されるとよい。
【００１９】
いずれの場合にも、多流路モノリス１０６を形成する単一押出成形の結果、複数の流路２０２の各々は相互に近接および隣接している。つまり、流路２０２の各々の間には空隙または空間が実質的に存在しない。言い換えると、複数の流路２０２の各々が共通の壁部２１０を共有しているのである。
【００２０】
複数の流路２０２のいくつかは、供給流路２０４を表す「Ｆ」と記されている。斜線が付けられて「Ｓ」と記された、収着剤（ｓｏｒｂｅｎｔ）を含有する流路２０２は、収着剤流路２０６である。収着剤流路２０６は、収着剤が完全に充填される内部空間を有してもよいし、収着剤流路２０６の各々の一部分を未充填状態のままにするように部分的に充填されてもよい。「Ｅ」と記された残りの流路２０２は、排出流路２０８である。
【００２１】
システム１００の形態、そしてガス分離がどのように実施されるかに応じて、複数の流路２０２のうち一つ以上が、閉鎖された端部を有してもよい。例えば図２では、黒く陰影の付けられた開口部で描かれているように、供給流路２０４の端部が閉鎖されている。排出流路２０８は、閉鎖された供給流路２０４の端部と反対の端部において、実線２１２で描かれているように閉鎖されてもよい。言い換えると、多流路モノリス１０６の左側において供給流路２０４が閉鎖されている場合には、多流路モノリス１０６の右側において排出流路２０８が閉鎖されるとよい。または多流路モノリス１０６の上側で供給流路２０４が閉鎖されている場合には、多流路モノリス１０６の底側で排出流路２０８が閉鎖されるとよい。一実施形態において、収着剤流路２０６が両端部で閉鎖されてもよい。
【００２２】
ゆえに、図２に図示された形態例では、混合ガス供給物１０８は供給流路２０４を介して多流路モノリス１０６へ流入する。続いて、供給流路２０４の一つ以上の壁部２１０および収着剤流路２０６内の屈曲経路へ、混合ガス供給物１０８が圧入される。壁部２１０のうち一つ以上は多孔質である。例えば図２に図示されているように、壁部２１０のすべてが多孔質であってもよい。別の実施形態では、後述するように壁部２１０の一部が多孔質であって壁部２１０の一部が非多孔質であってもよい。
【００２３】
収着剤流路２０６内では、収着剤によって標的ガスが可逆的に捕捉される。つまり後述するように、標的ガスが捕捉され、続いて脱着プロセスを介して収着剤から除去されればよい。続いて、ある量の標的ガスが除去された第２ガスストリーム１１０が、収着剤流路２０６の一つ以上の壁部２１０に圧入されてから排出流路２０８へ圧入されるのである。ガスの横流路は、図２に矢印で描かれている。
【００２４】
収着剤流路２０６の収着剤は、吸着剤（ａｄｓｏｒｂｅｎｔ）でも吸収剤（ａｂｓｏｒｂｅｎｔ）でもよい。吸着剤は一般的に標的ガスを他のガスよりも効率的に同伴して、ガス同伴状態の不充分な混合物から好適な同伴ガスを選択的に除去することを可能にする。吸着剤と吸収剤との相違は、吸収剤はガスを同伴するのではなく標的ガスと吸収剤との間に化学結合を形成することである。
【００２５】
収着剤は、多孔質固体でも多孔質ゲル材料でもよい。一実施形態において、収着剤は、収着材料が塗着された多孔質材料でよい。例えば、多流路モノリス１０６の壁部２１０に収着剤が塗着（ａｐｐｌｉｅｄ）または付着（ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ）される場合には、収着剤流路２０６は必要ないだろう。つまり、多流路モノリスの多孔質壁部２１０そのものが収着能力を具備することで、収着剤として機能するのである。代替的に、多孔質固体または多孔質ゲル材料が、塗着されるのでなく収着材料そのもので製造されてもよい。別の例として、排出流路２０８と収着剤流路２０６とが同一であって、壁部２１０に積層された収着剤により排出流路２０８の断面が部分的に充填され、流出ガスが空の内部空間を通ってこの同じ流路から排出されてもよい。これは、以下で図３の例によって例示される。
【００２６】
収着剤の多孔率が充分に高いと、標的ガス捕捉のための表面積がこれに応じて広くなり、ゆえに多流路モノリス１０６の設置面積が小さくてよい。収着剤の多孔率および表面積の選択は、結果的に得られる空隙率が、予測される圧力低下および収着剤含有の多流路モノリス１０６の屈曲度に対して持つ影響に基づくものであればよい。例えば、ＣＯ２捕捉のための適当な多孔率および表面積を持つ収着剤は、固体アミンベースの収着剤、炭素または炭素複合材ベースの収着剤、ゼオライトベースの収着剤、エーロゲル（ａｅｒｏｇｅｌ）ベースの収着剤、低温分離のための亜鉛または銅ベースの収着剤、中温から高温での分離のためのジルコン酸塩または炭酸塩、または例えば多孔質の屈折金属酸化物など別の材料に支持されるような吸着材料を含むとよい。
【００２７】
上記のように、複数の流路２０２の壁部２１０のうち一つ以上は、供給流路２０４と収着剤流路２０６と排出流路２０８とにガスを通過させるように多孔質であればよい。一実施形態において、壁部２１０は厚さがおよそ０．０４ミリメートル（ｍｍ）から数ミリメートルでよい。
【００２８】
一形態が図２に図示されているが、他の形態も可能であることに注意すべきである。他の様々な形態について、以下でより詳細に記す。
【００２９】
一実施形態において、複数の流路２０２は方形である。複数の流路２０２はいかなる形状であってもよく、方形のみに限定されないことに注意すべきである。例えば、複数の流路２０２は、円形、楕円形、多角形、その他であってもよい。このような形状は、ハニカムモノリス形状と呼ばれる。例えば、多流路モノリス１０６の中に複数の流路２０２がハニカムパターンで構成されるとよい。
【００３０】
複数の流路２０２は、１ミリメートル（ｍｍ）から１センチメートル（ｃｍ）の大まかな範囲内の幅を有するとよい。複数の流路２０２すべてが同じ幅または共通の幅を有してもよい。代替的に、複数の流路２０２のうち一つ以上が異なるサイズの幅を有してもよい。例えば、収着剤流路２０６と排出流路２０８とが第１幅を有しており、第２幅を有する供給流路２０４より小さくてもよい。
【００３１】
図３は、多流路モノリス１０６の別の実施形態を図示している。図３に図示されたモノリス１０６は複数の流路２０２を含む。流路２０２のいくつかが複数の供給流路２０４として作用し、流路２０２のいくつかが複数の排出流路２０８として作用する。図２に図示されたモノリス１０６と同様に、複数の流路２０２のうち一つ以上が閉鎖端部を有してもよい。例えば図３では、黒く陰影の付けられた開口部で描かれているように、供給流路２０４の端部が閉鎖されている。排出流路２０８は、閉鎖された供給流路２０４の端部と反対の、実線２１２で描かれた端部において閉鎖されてもよい。加えて、壁部２１０のうち一つ以上が多孔質であってもよい。
【００３２】
図３に図示された実施形態において、モノリス１０６は、図２に図示されているような独立した収着剤流路を有していない。つまり図２に図示されている収着剤流路２０６を除いてもよいのである。むしろ、上記のように排出流路２０８の壁部２１０に、収着剤３０４が塗着または付着されてもよい。例えば上記のように、排出流路２０８および収着剤流路２０６が同一であって、壁部２１０に積層された収着剤３０４で排出流路２０８の断面が部分的に充填され、空になった内部空間を通って流出ガスが同じ流路から排出される。
【００３３】
収着剤３０４が排出流路２０８ではなく導入流路２０４にも塗布されてもよいことに注意すべきである。一実施形態では、排出流路２０８が収着剤３０４で完全に充填されるとよい。
【００３４】
図４は、熱伝達を向上させた多流路モノリス１０６の別の実施形態を図示している。多流路モノリス１０６は、図２と同様の複数の流路２０２を有する。上記のように、流路２０２は多様な形状を有してもよい。図４に図示された実施形態例では、流路２０２は六角形ハニカム形状を有する。しかし、方形、円形、楕円形、その他を有する流路２０２に図４の形態が同じく適用可能であることに注意すべきである。
【００３５】
図４の多流路モノリス１０６は、供給流路２０４と排出流路２０８とを含む。図３と同様に、収着剤３０４は上記のように排出流路２０８の壁部２１０に塗着されるとよいことが図４に図示されている。図２および３と同様に、供給流路２０４は図４に陰影で描かれている一端部で閉鎖され、排出流路は、図４において実線２１２で描かれた反対端部で閉鎖されるとよい。
【００３６】
また、「ＨＴ」と記された熱伝達流路３０２として複数の流路２０２のうち一つ以上を使用することが、図４に図示されている。収着剤以外のコーティングが熱伝達流路３０２の壁部２１０に塗着されて、他の流路２０２への熱伝達流路３０２に対して出入するガスの側方流を阻止してもよい。標的ガス収着プロセスの間には、標的ガスが収着剤３０４に吸着または吸収される際に、収着剤３０４および流入混合ガスが高温になる。これは、標的ガスに対する収着剤３０４の親和力を低下させる。
【００３７】
標的ガス脱着プロセスの間には、標的ガスが脱着されるので収着剤３０４と排出ガスとが低温になる。この低温化は脱着プロセスを阻害する。
【００３８】
多流路モノリス１０６に熱伝達流路３０２を使用すると、上記の熱伝達問題を軽減する。熱伝達流路３０２は熱伝達媒体を保有するとよい。熱伝達媒体の熱容量および熱伝達率は、標的流束の維持を可能にする数を超える流路２０２が熱伝達に用いられることのないように選択される。これは、多流路モノリス１０６の最大容量を維持するためである。熱伝達流路３０２により、複数の流路２０２の壁部２１０を通して収着剤含有流路（図３の排出流路２０８など）を表面積の広い熱伝達媒体に密着状態で露出することができる。
【００３９】
熱伝達媒体は静的でも動的でもよい。例えば熱伝達媒体は、静的熱伝達媒体として熱伝達流路３０２に含有されるとよい。その結果、熱伝達流路３０２は両端部で閉鎖される。静的熱伝達媒体は、流体でも金属などの固体でもよい。
【００４０】
代替的に、熱伝達流路３０２を通る移動熱伝達媒体として液体が使用されてもよい。その結果、熱伝達流路３０２は両端部が開放されて、熱伝達媒体が流路３０２を軸方向に流れることができる。適当な熱伝達媒体の例の一部は、水、鉱油、ミシガン州ミッドランドのＤｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ製のＤＯＷＴＨＥＲＭ（登録商標）、その他である。
【００４１】
単一の列に整列された熱伝達流路３０２が図４に図示されているが、他の形態も可能であることに注意すべきである。例えば、熱伝達流路３０２が多流路モノリス１０６の全体に分散されても、多数の列の熱伝達流路３０２が設けられてもよい。加えて、ここに開示されるいかなる形態の多流路モノリス１０６に熱伝達流路３０２が使用されてもよい。
【００４２】
図５は、標的ガス分離のための装置または多流路モノリス１０６の別の実施形態を図示している。図５に図示された実施形態では、複数の流路２０２の各々の各端部において複数の流路２０２のすべてが開放端部を有する。また、複数の流路２０２の各々は一つ以上の壁部２１０を包含して収着剤３０４を含有する。一実施形態において、複数の流路２０２の各々の壁部２１０の各々が非多孔質となるように、壁部２１０の各々が被覆されてもよい。
【００４３】
図５に図示された実施形態では、複数の流路２０２のすべてを同じ方向に通って流入混合ガスが多流路モノリス１０６へ供給される。混合ガスが収着剤３０４を流れる際に、標的ガスが捕捉または分離され、標的ガスの量の少ない混合ガスが複数の流路２０２の反対端部から排出される。
【００４４】
代替的に、一つ以上の壁部２１０からすべての壁部２１０までが多孔質となるように、壁部２１０が被覆されなくてもよい。こうすると、多孔質壁部２１０を介して圧力均等化が行われる。
【００４５】
結果的に、上述したガス分離装置の実施形態は、現在使用されているガス分離のためのシステムおよび方法と比べて多くの改善が得られる。例えば、本発明では、現在使用されているガス分離システムに対して１００分の１の設置面積および１００倍の拡張性を持つ設計となる。加えて、本発明で説明される多流路モノリスは、小さな設置面積を維持しながら積み重ねおよび／または連続的な載置が可能である。
【００４６】
本発明の別の長所は、この多流路モノリス設計のガス分離器では物質移動が向上することである。多流路モノリスの流路においてガスと収着剤とが近接するためより密着した接触が設けられることで、所定の入口および出口圧力の組合せにおける物質移動速度を上昇させる。物質移動速度の上昇により、流束としても知られる単位時間あたりの単位空間でのガス分離速度が高くなり、分離される単位ガスあたりの処理コストが低下する。加えて、分離中のクロストーク（ｃｒｏｓｓ  ｔａｌｋ）の発生が、多流路モノリスを用いて一層容易に制御または回避される。
【００４７】
内腔の間の間隙ゾーンで分離されるガスが予定の出口内腔または空間に達するだけでなく導入内腔にも戻るため、従来の技術ではクロストークが発生することがある。このクロストークは流束と生成物純度の両方の低下という結果を生じ、これが処理効率を低下させるとともに処理コストを上昇させる。多流路モノリス１０６の剛性構造と複数の流路２０２における圧力の個別制御のため、また代替流路またはすべての流路において各流路２０２の類似対向面を被覆することにより多孔質となる壁部２１０の表面積を減少させることが可能であるという本発明の独自性により、本発明の構成および構造はガスの圧力および流れの良好な制御を可能にする。
【００４８】
本発明の構成および構造のまた別の長所は、熱伝達の向上である。上記のように、熱伝達流路３０２は、高温化による吸着または吸収の間での標的ガスへの収着剤３０４の親和力の低下を回避するとともに、収着剤３０４と標的ガスとの低温化による脱着の抑制回避に使用されるとよい。最終的な長所は、先行技術のようにガス流ゾーンの間に存在する内腔ゾーン材料の性質によって多孔率が制限されるのでなく、所望の流束に合わせて収着剤の多孔率を調整できるという本発明の性質を含む、従来の設計と比べて改善された収着剤の使用である。
【００４９】
本発明の装置または多流路モノリス１０６は、様々な分離器設計に利用可能である。例えば、プラグ流反応器または連続流反応器のものと類似した設計で多流路モノリス１０６が使用されるとよい。多流路モノリス１０６は、単一の分離器列において垂直方向および／または水平方向に積み重ねられた状態で使用されてもよい。代替的に、多流路モノリス１０６が多数の分離器列に使用されてもよい。
【００５０】
また、一般的な周期的収着脱着プロセスの様々な実施形態の範囲内で本発明の多流路モノリス１０６が使用されて、標的ガスを収着剤から可逆的に結合および解離してもよい。一実施形態では、必要に応じて熱伝達媒体を含むか含まない圧力スイングを用いて収着および脱着が実施されてもよい。圧力スイングは、大気圧を充分に上回る圧力勾配を用いて、または脱着ステップ中の圧力低下のための真空の導入により達成されるとよい。別の実施形態では、温度スイングを用いて実施される収着および脱着を促進するのに熱伝達媒体が使用されるとよい。別の実施形態では、圧力スイングと温度スイングとの組合せを用いて収着および脱着が実施されるとよい。
【００５１】
使用される圧力スイングの一タイプは、短経路で急速サイクルの圧力スイング収着分離である。例えば、サイクル時間は一時間あたり５０サイクルかこれを大きく上回る範囲でよい。急速サイクル圧力スイング吸着の一タイプは、カリフォルニア州Ｍｅｎｌｏ  ＰａｒｋのＳＲＩ，ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌによるＳＨＥＲＰＡ（登録商標）として知られている。
【００５２】
別の実施形態では、電気化学的スイングを用いて収着および脱着が実施される。電気化学的スイングは、抵抗加熱を必要とするものでも、収着剤の酸化状態を循環させることにより標的ガスのための収着剤の公称選択可能性が基本的にゼロから１００％までの極めて高い値の間で循環するレドックス法を伴うものでもよい。
【００５３】
別の実施形態では、電気化学的スイングと圧力スイングとの組合せを用いて収着と脱着とが実施される。電気化学的スイングまたは電気化学的スイングと圧力スイングとの組合せの場合には、複数の流路２０２の被選択壁部２１０の対向面の中または上に電極が組み込まれるとよい。
【００５４】
上述した周期的収着および脱着プロセス実施形態は、大気圧から数百気圧（ａｔｍ）の高圧までの低圧供給で使用されるとよい。高圧では、上述のように頑丈な収着剤構造および多流路モノリス構造が必要である。上述したプロセス実施形態は、およそ摂氏２５度（℃）から１０００℃までの動作温度で使用されるとよい。
【００５５】
上記のように、供給流路２０４、収着剤流路２０６、排出流路２０８、および熱伝達流路３０２の構成および数は、プロセス要件および設計要件に応じて変化するだろう。考えられる多くの形態のうちのわずかを上で提示した。図２から５に図示された供給流路２０４、収着剤流路２０６、排出流路２０８、および熱伝達流路３０２の範囲内で、多流路モノリス１０６について考えられる他の形態を、以下で説明する。
【００５６】
一実施形態では、多流路モノリス１０６は方形流路モノリス状ハニカムを包含するとよい。二つの隣接する流路列の間の横流（側方流など）を介して分離が実施されるとよく、各流路の対向壁部２１０にプレコーティングが塗着されて多流路モノリス１０６の流路の間の側方流にこれらの壁部２１０を通過させない。例えば、相互に隣接する流路２０２の各列では、プレコーティングが列の間の側方流を阻止する。つまり、単一列の中だけで側方流が発生するのである。別の実施形態では、供給および排出流路に隣接するエッジを多流路モノリスが密封するとよい。
【００５７】
多流路モノリス１０６の付加的形態について上述したが、他の形態の供給流路２０４、収着剤流路２０６、排出流路２０８、および熱伝達流路３０２も可能であることに注意すべきである。多流路モノリス１０６についてここで説明する形態を限定的であると見なすべきではない。
【００５８】
図６は、標的ガスを可逆的に収着する方法６００についての流れ図の一実施形態を図示している。この方法は例えば、上述した形態のいずれか一つにおける多流路モノリス１０６を介して実行されるとよい。方法６００は、ステップ６０２から始まる。方法６００のステップ６０４では、複数の流路を包含する多流路モノリスが準備され、複数の流路の各々は一つ以上の壁部を包含し、複数の流路のうち少なくとも一つの一つ以上の壁部のうち少なくとも一つが多孔質であって、複数の流路のうち一つ以上が収着剤を含有する。
【００５９】
方法６００のステップ６０６では、多流路モノリス１０６を混合ガスが通過し、収着プロセスを介して混合ガスから標的ガスが可逆的に除去される。例えば、上のプロセスを用いてＣＯ２ガスが捕捉されるとよい。しかし、ここに開示される方法および装置が他のガスの除去および／または捕捉にも適用されてもよいことに注意すべきである。
【００６０】
方法６００のステップ６０８では、脱着プロセスが適用されて収着剤から標的ガスが除去される。例えば、上述した周期的な収着および脱着プロセスのいずれか一つが、例えば圧力スイング、温度スイング、電気化学的スイング、またはこれらの組合せなどに使用されるとよい。
【００６１】
一実施形態では、ステップ６０４，６０６，６０８が第１列と時間的に前後にオフセットして第２列で反復されて、標的ガスの連続的な供給および分離が維持されてもよい。言い換えると、時間的に前後にオフセットしてステップ６０４，６０６，６０８が２回実施されるとよい。別の実施形態では、所望量の標的ガスが混合ガスから除去されるまで、ステップ６０４，６０６，６０８が反復されるとよい。
【００６２】
例えば、除去される所望量の標的ガスが特定の器具と相関関係にあっても、プロセス固有であってもよい。言い換えると、あるプロセスでは、標的ガスの９０％が混合ガスから除去される必要がある。別のプロセスはそれほど厳密でなく、標的ガスの５０％が混合ガスから除去されることが必要である。所望量が特定の器具またはプロセス要件によって必要とされるいかなる量であってもよいことに注意すべきである。この方法は、ステップ６１０で終了する。
【００６３】
様々な実施形態について上述したが、これらが限定ではなく単なる例として提示されていることを理解すべきである。ゆえに好適な実施形態の幅および範囲は上述した例示的な実施形態のいずれかによって限定されるべきでなく、以下の請求項およびその同等物のみに従って規定されるべきである。
【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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