JP5904420B2 - 熱伝導性接触器構造を用いる吸着ガス分離の方法 - Google Patents
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Description
次に、本発明の吸着ガス分離の方法を添付の図面を参照しながら説明することにする。
Claims (55)
- 少なくとも第一の流体成分および第二の流体成分を含む流体混合物を分離する温度スイング吸着法であって:
前記流体混合物を、少なくとも1つの並行路吸着剤接触器を具備する吸着分離システムであって、前記並行路吸着剤接触器が、
その入口末端と出口末端の間で第一の軸方向に配向している複数の並行な流体流路;
少なくとも1つの吸着剤材料を具備する前記流体流路の間に位置するセル壁;および
前記軸方向に配向し、かつ前記少なくとも1つの吸着剤材料と直接的に接触している複数の軸方向に連続的な熱伝導性フィラメント
を具備する、吸着分離システムに導入することと;
前記流体混合物を前記並行路吸着剤接触器の前記入口末端に導入して、前記出口末端に向かって前記第一の軸方向に流すことと;
前記第一の流体成分の少なくとも一部を前記少なくとも1つの吸着剤材料に吸着させることと;
前記少なくとも1つの吸着剤材料への前記第一の流体成分の吸着熱に由来する熱を、前記熱伝導性フィラメントの少なくとも一部に沿って、前記入口末端に向かって第二の軸方向に、かつ前記吸着させる工程における前記第一の軸方向と反対に移動させることと;
前記流体混合物と比べて前記第一の流体成分が減少した第一の生成物流体を前記出口末端から回収することと;
少なくとも1つの前記吸着剤材料を加熱することによって、少なくとも1つの前記吸着剤材料に吸着した前記第一の流体成分の少なくとも一部を脱離させることと;
熱を、前記熱伝導性フィラメントの少なくとも一部に沿って、前記第一の軸方向または第二の軸方向のどちらかに移動させて、前記脱離させる工程における前記第一の流体成分の脱離熱の少なくとも一部を提供することと;
前記第一の流体成分が濃縮された脱離した第二の生成物流体を前記入口末端および前記出口末端のうちの少なくとも1つから回収することと
を含む、方法。 - 再生前流体を前記並行路吸着剤接触器に導入することと、前記第一の生成物流体を回収する前に、前記少なくとも1つの吸着剤材料を再生前温度にまで加熱することによって、前記少なくとも1つの吸着剤材料に共吸着した前記第二の流体成分の少なくとも一部を脱離させることとをさらに含む、請求項1に記載の温度スイング吸着法。
- 前記少なくとも1つの吸着剤材料が、前記第一の流体成分に対して速度論的に選択され、かつ前記第二の流体成分の第二の物質移動速度を上回る前記第一の流体成分の第一の物質移動速度を有する、請求項1に記載の温度スイング吸着法。
- 前記流体混合物を導入することが、前記流体混合物を前記並行路吸着剤接触器の前記入口末端に導入して、前記出口末端に向かって前記第一の軸方向に流すことを含み、ここで、前記流体混合物が、前記第二の流体成分の前記第二の物質移動速度を上回り、かつ前記第一の流体成分の前記第一の物質移動速度を下回る空間速度で導入される、請求項3に記載の温度スイング吸着法。
- 少なくとも1つの前記吸着剤材料を、前記流体混合物を前記並行路吸着剤接触器に導入する前に、所望の吸着前温度に調節することをさらに含む、請求項1に記載の温度スイング吸着法。
- 前記吸着させることが、前記第一の流体成分の少なくとも一部を、第一の吸着剤材料温度で、前記少なくとも1つの吸着剤材料に吸着させることをさらに含み、かつ前記脱離させることが、前記吸着剤材料を第二の吸着剤材料温度で加熱することによって、前記少なくとも1つの吸着剤材料に吸着した前記第一の流体成分の少なくとも一部を脱離させることをさらに含む、請求項1に記載の温度スイング吸着法。
- 前記第二の吸着剤材料温度が、前記第一の吸着剤材料温度よりも高い、請求項6に記載の温度スイング吸着法。
- 前記再生前温度が、前記第一の吸着温度よりも高く、前記第二の吸着温度よりも低い、請求項2に記載の温度スイング吸着法。
- 前記吸着前温度が、前記第一の流体成分の前記吸着における第一の吸着剤材料温度よりも低い、請求項5に記載の温度スイング吸着法。
- 前記吸着前温度が、前記第一の流体成分の前記吸着における第一の吸着剤材料温度よりも高く、前記第一の流体成分の前記脱離における第二の吸着剤材料温度よりも低い、請求項5に記載の温度スイング吸着法。
- 前記並行路吸着剤接触器が、少なくとも第一の吸着剤材料および第二の吸着剤材料を具備し、かつ前記脱離させることが、前記第一の吸着剤材料を前記第二の吸着剤材料とは別々に加熱することによって、前記第一の吸着剤材料に吸着した前記第一の流体成分の少なくとも一部を脱離させることを含む、請求項1に記載の温度スイング吸着法。
- 前記脱離させることが、パージ流体を前記並行路吸着剤接触器に供給することをさらに含み、かつ前記回収することが、前記第一の流体成分および前記パージ流体を含む脱離した生成物流体を回収することをさらに含む、請求項1に記載の温度スイング吸着法。
- 前記パージ流体が凝縮可能であり、かつ前記脱離した生成物流体を回収した後に、前記脱離した生成物流体から前記パージ流体を凝縮することをさらに含む、請求項12に記載の温度スイング吸着法。
- 前記脱離させることが、少なくとも1つの伝熱流体を温度を上昇させて前記並行路吸着剤接触器に供給することによって、少なくとも1つの前記吸着剤材料を加熱することをさらに含む、請求項1に記載の温度スイング吸着法。
- 前記脱離させることが、熱エネルギーを前記熱伝導性フィラメントに供給して、前記少なくとも1つの吸着剤材料を具備する前記セル壁を直接加熱することによって、少なくとも1つの前記吸着剤材料を直接加熱することをさらに含む、請求項1に記載の温度スイング吸着法。
- 前記軸方向に連続的な熱伝導性フィラメントが、軸方向に連続的な電気伝導性フィラメントをさらに含み、かつ前記脱離させることが、前記熱伝導性フィラメントおよび電気伝導性フィラメントを電気的に加熱して、前記少なくとも1つの吸着剤材料を具備する前記セル壁を直接加熱することによって、少なくとも1つの前記吸着剤材料を直接加熱することをさらに含む、請求項1に記載の温度スイング吸着法。
- 前記並行路吸着剤接触器が、第一の吸着剤材料および第二の吸着剤材料を具備する少なくとも第一の軸セグメントおよび第二の軸セグメントを具備し、かつ前記脱離させることが、前記第一の吸着剤材料と接触している前記第一のセグメント中の前記伝導性フィラメントを前記第二の吸着剤材料とは別々に電気的に加熱することによって、前記第一の吸着剤材料に吸着した前記第一の流体成分の少なくとも一部を脱離させることを含む、請求項16に記載の温度スイング吸着法。
- 前記並行路吸着剤接触器が、第一の吸着剤材料および第二の吸着剤材料を具備する少なくとも第一の軸セグメントおよび第二の軸セグメントを具備し、かつ前記脱離させることが、前記第一の吸着剤材料と接触している前記第一のセグメント中の前記伝導性フィラメントを電気的に加熱することによって、前記第一の吸着剤材料に吸着した前記第一の流体成分の少なくとも一部を脱離させることと、その後、前記第二の吸着剤材料と接触している前記第二のセグメント中の前記伝導性フィラメントを電気的に加熱することによって、前記第二の吸着剤材料に吸着した流体成分の少なくとも一部を連続的に脱離させることとを含む、請求項16に記載の温度スイング吸着法。
- 前記第一のセグメントが、前記並行路接触器の前記出口末端の最も近くに配置され、かつ前記第二のセグメントが、前記第一のセグメントから前記並行路接触器の前記入口末端に向かって配置され、かつ前記回収することが、前記第二の吸着剤材料に吸着した流体成分が濃縮された第二の脱離した生成物流体を前記入口末端および出口末端のうちの少なくとも1つから連続的に回収することをさらに含む、請求項18に記載の温度スイング吸着法。
- 前記調節することが、少なくとも1つの伝熱流体を前記並行路吸着剤接触器に導入して、少なくとも1つの前記吸着剤材料を前記所望の吸着前温度に調節することをさらに含む、請求項5に記載の温度スイング吸着法。
- 前記調節することが、前記流体混合物を導入する前に、前記少なくとも1つの吸着剤材料の二次パージを提供することをさらに含む、請求項5に記載の温度スイング吸着法。
- 前記熱を、前記吸着させる工程において、前記熱伝導性フィラメントの少なくとも一部に沿って移動させることが、前記少なくとも1つの吸着剤材料への前記第一の流体成分の前記吸着に付随する前記並行路吸着剤接触器中での熱プロファイルの急上昇を低下させるように作用する、請求項1に記載の温度スイング吸着法。
- 前記少なくとも1つの吸着剤材料が、乾燥剤、炭素分子篩、炭素吸着剤、活性アルミナ、分子篩、アルミノリン酸塩、シリコアルミノリン酸塩、ゼオライト吸着剤、イオン交換ゼオライト、親水性ゼオライト、疎水性ゼオライト、修飾ゼオライト、天然ゼオライト、フォージャサイト、クリノプチロライト、モルデナイト、金属交換シリコアルミノリン酸塩、芳香族架橋ポリスチレン系マトリクス、臭素化芳香族マトリクス、メタクリル酸エステルコポリマー、黒鉛吸着剤、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、ナノ材料、金属塩吸着剤、過塩素酸塩、シュウ酸塩、アルカリ土類金属粒子、ETS、CTS、金属酸化物、化学吸着剤、アミン、有機金属反応剤、および金属有機構造体吸着剤、ならびにこれらの組合せ:を含むリストから選択される、請求項1に記載の温度スイング吸着法。
- 前記第一の生成物流体を導入し、吸着させ、回収し、脱離した第二の生成物流体を脱離させ、かつ回収する工程が、等圧であり、かつ大気圧および大気圧より高い気圧のうちの1つで実施される、請求項1に記載の温度スイング吸着法。
- 前記第一の生成物流体を導入し、吸着させ、かつ回収することが、大気圧で実施され、かつ前記脱離した第二の生成物流体を脱離させ、かつ回収する工程が、大気圧より高い気圧で実施される、請求項1に記載の温度スイング吸着法。
- 少なくとも二酸化炭素成分および窒素成分を含む排気ガス供給混合物から二酸化炭素を分離する温度スイング吸着法であって:
前記排気ガス供給混合物を、少なくとも1つの並行路吸着剤接触器を具備する吸着分離システムであって、前記並行路吸着剤接触器が、
その入口末端と出口末端の間で第一の軸方向に配向している複数の並行な流体流路;
少なくとも1つの二酸化炭素吸着剤材料を具備する前記流体流路の間に位置するセル壁;および
前記軸方向に配向し、かつ前記少なくとも1つの二酸化炭素吸着剤材料と直接的に接触している複数の軸方向に連続的な熱伝導性フィラメント
を具備する、吸着分離システムに導入することと;
前記排気ガスを前記並行路吸着剤接触器の前記入口末端に導入して、前記出口末端に向かって前記第一の軸方向に流すことと;
前記二酸化炭素成分の少なくとも一部を前記少なくとも1つの二酸化炭素吸着剤材料に吸着させることと;
前記少なくとも1つの二酸化炭素吸着剤材料への二酸化炭素の吸着熱に由来する熱を、前記熱伝導性フィラメントの少なくとも一部に沿って、前記入口末端に向かって第二の軸方向に、かつ前記吸着させる工程における前記第一の軸方向と反対に移動させることと;
前記排気ガス供給混合物と比べて二酸化炭素が減少した排気ガス生成物ストリームを前記出口末端から回収することと;
少なくとも1つの前記吸着剤材料を加熱することによって、少なくとも1つの前記二酸化炭素吸着剤材料に吸着した前記二酸化炭素の少なくとも一部を脱離させることと;
熱を、前記熱伝導性フィラメントの少なくとも一部に沿って、前記第一の軸方向または第二の軸方向のどちらかに移動させて、前記脱離させる工程における前記二酸化炭素の脱離熱の少なくとも一部を提供することと;
二酸化炭素が濃縮された脱離した二酸化炭素生成物を前記入口末端および前記出口末端のうちの少なくとも1つから回収することと
を含む、方法。 - 再生前流体を前記並行路吸着剤接触器に導入することと、前記第一の生成物流体を回収する前に、前記少なくとも1つの二酸化炭素吸着剤材料を再生前温度にまで加熱することによって、前記少なくとも1つの二酸化炭素吸着剤材料に共吸着した前記窒素成分の少なくとも一部を脱離させることとをさらに含む、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記少なくとも1つの二酸化炭素吸着剤材料が、前記二酸化炭素成分に対して速度論的に選択され、かつ前記窒素成分の第二の物質移動速度を上回る前記二酸化炭素成分の第一の物質移動速度を有する、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記排気ガスを導入することが、前記排気ガスを前記並行路吸着剤接触器の前記入口末端に導入して、前記出口末端に向かって前記第一の軸方向に流すことを含み、ここで、前記排気ガスが、前記窒素成分の前記第二の物質移動速度を上回り、かつ前記二酸化炭素成分の前記第一の物質移動速度を下回る空間速度で導入される、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記排気ガス供給混合物を前記並行路吸着剤接触器に導入する前に、少なくとも1つの前記吸着剤材料を所望の吸着前温度に調節することをさらに含む、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記吸着させることが、前記二酸化炭素の少なくとも一部を、第一の吸着剤材料温度で、前記少なくとも1つの二酸化炭素吸着剤材料に吸着させることをさらに含み、かつ前記脱離させることが、前記吸着剤材料を前記第一の吸着剤材料温度よりも高い第二の吸着剤材料温度で加熱することによって、前記少なくとも1つの吸着剤材料に吸着した前記二酸化炭素の少なくとも一部を脱離させることをさらに含む、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記再生前温度が、前記第一の吸着温度よりも高く、前記第二の吸着温度よりも低い、請求項31に記載の温度スイング吸着法。
- 前記吸着前温度が、前記二酸化炭素の前記吸着における第一の吸着剤材料温度および前記二酸化炭素の前記脱離における第二の吸着剤材料温度:のうちの少なくとも1つよりも低い、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記並行路吸着剤接触器が、少なくとも第一の二酸化炭素吸着剤材料および第二の吸着剤材料を具備し、かつ前記脱離させることが、前記第一の吸着剤材料を前記第二の吸着剤材料とは別々に加熱することによって、前記第一の吸着剤材料に吸着した前記二酸化炭素の少なくとも一部を脱離させることを含む、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記脱離させることが、パージガスを前記並行路吸着剤接触器に供給することをさらに含み、かつ前記回収することが、二酸化炭素および前記パージガスを含む二酸化炭素が濃縮された生成物流体を回収することをさらに含む、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記パージガスが凝縮可能であり、かつ前記脱離した生成物流体を回収した後に、前記パージガスを前記脱離した生成物流体から凝縮することをさらに含む、請求項35に記載の温度スイング吸着法。
- 前記パージガスが、周囲空気、水蒸気、および二酸化炭素が除去された排気ガス生成物ストリーム:のうちの少なくとも1つを含む、請求項35に記載の温度スイング吸着法。
- 前記脱離させることが、少なくとも1つの伝熱流体を温度を上昇させて前記並行路吸着剤接触器に供給することによって、少なくとも1つの前記吸着剤材料を加熱することと、前記二酸化炭素を前記伝熱流体中に脱離させることとをさらに含む、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記伝熱流体が、周囲空気、水蒸気、二酸化炭素が濃縮された生成物ガス、および二酸化炭素が除去された排気ガス生成物ストリーム:のうちの少なくとも1つを含む、請求項38に記載の温度スイング吸着法。
- 前記脱離させることが、熱エネルギーを前記熱伝導性フィラメントに供給して、前記少なくとも1つの吸着剤材料を具備する前記セル壁を直接加熱することによって、少なくとも1つの前記二酸化炭素吸着剤材料を直接加熱することをさらに含む、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記軸方向に連続的な熱伝導性フィラメントが、軸方向に連続的な電気伝導性フィラメントをさらに具備し、かつ前記脱離させることが、前記熱伝導性フィラメントおよび電気伝導性フィラメントを電気的に加熱して、前記少なくとも1つの吸着剤材料を具備する前記セル壁を直接加熱することによって、少なくとも1つの前記二酸化炭素吸着剤材料を直接加熱することをさらに含む、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記並行路吸着剤接触器が、それぞれ、第一の二酸化炭素吸着剤材料および第二の吸着剤材料を具備する少なくとも第一の軸セグメントおよび第二の軸セグメントを具備し、かつ前記脱離させることが、前記第一の吸着剤材料と接触している前記第一のセグメント中の前記伝導性フィラメントを前記第二の吸着剤材料とは別々に電気的に加熱することによって、前記第一の吸着剤材料に吸着した前記二酸化炭素の少なくとも一部を脱離させることを含む、請求項41に記載の温度スイング吸着法。
- 前記並行路吸着剤接触器が、それぞれ、第一の二酸化炭素吸着剤材料および第二の吸着剤材料を具備する少なくとも第一の軸セグメントおよび第二の軸セグメントを具備し、かつ前記脱離させることが、前記第一の吸着剤材料と接触している前記第一のセグメント中の前記伝導性フィラメントを電気的に加熱することによって、前記第一の吸着剤材料に吸着した前記二酸化炭素の少なくとも一部を脱離させることと、その後、前記第二の吸着剤材料と接触している前記第二のセグメント中の前記伝導性フィラメントを電気的に加熱することによって、前記第二の吸着剤材料に吸着した排気ガスストリーム成分の少なくとも一部を脱離させることとを含む、請求項41に記載の温度スイング吸着法。
- 前記第一のセグメントが、前記並行路接触器の前記出口末端の最も近くに配置され、かつ前記第二のセグメントが、前記第一のセグメントから前記並行路接触器の前記入口末端に向かって配置され、かつ前記回収することが、前記第二の吸着剤材料に吸着した排気ガス成分が濃縮された第二の脱離した生成物流体を、前記入口末端および出口末端のうちの少なくとも1つから連続的に回収することをさらに含む、請求項43に記載の温度スイング吸着法。
- 前記調節することが、少なくとも1つの伝熱流体を前記並行路吸着剤接触器に導入して、少なくとも1つの前記吸着剤材料を前記所望の吸着前温度に調節することをさらに含む、請求項30に記載の温度スイング吸着法。
- 前記調節することが、前記排気ガス供給混合物を導入する前に、前記少なくとも1つの二酸化炭素吸着剤材料の二次パージを提供することをさらに含む、請求項30に記載の温度スイング吸着法。
- 前記熱を、前記吸着させる工程において、前記熱伝導性フィラメントの少なくとも一部に沿って移動させることが、前記少なくとも1つの二酸化炭素吸着剤材料への前記二酸化炭素の吸着に付随する前記並行路吸着剤接触器中での熱プロファイルの急上昇を低下させるように作用する、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記少なくとも1つの二酸化炭素吸着剤材料が、活性炭吸着剤、炭素分子篩、アミン含浸吸着剤支持体(シリカ、アルミナ、ゼオライト、ポリマー、およびセラミック支持体を含む)、金属塩、金属水酸化物、金属酸化物、ゼオライト、ハイドロタルサイト、シリカライト、金属有機構造体、ならびにゼオライトイミダゾレートフレームワーク吸着剤材料、ならびにこれらの組合せ:を含むリストから選択される、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記排気ガス生成物ストリームを導入し、吸着させ、回収し、脱離した二酸化炭素生成物を脱離させ、かつ回収する工程が、等圧であり、かつ大気圧および1以上の大気圧より高い気圧のうちの1つで実施される、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記排気ガス生成物ストリームを導入し、吸着させ、かつ回収することが、大気圧で実施され、かつ前記脱離した二酸化炭素生成物を脱離させ、かつ回収する工程が、大気圧より高い気圧で実施される、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記熱を、前記吸着させる工程において、前記熱伝導性フィラメントの少なくとも一部に沿って移動させることが、前記吸着させる工程から生じる熱波フロントを、前記吸着させる工程の最後に、前記並行路吸着剤接触器内に保持するように作用する、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記並行路吸着剤接触器が、それぞれ、窒素よりも二酸化炭素に対して選択的な第一の吸着剤材料、ならびに二酸化炭素よりも水、窒素酸化物、硫黄酸化物、および重金属のうちの少なくとも1つに対して選択的な第二の吸着剤材料を具備する少なくとも第一の軸セグメントおよび第二の軸セグメントを具備し、かつ前記第二の軸セグメントが、前記接触器の入口末端により近い前記第一の軸セグメントの上流に配置される、請求項26に記載の温度スイング吸着法。
- 前記並行路吸着剤接触器が、二酸化炭素よりも水、窒素酸化物、硫黄酸化物、および重金属のうちの少なくとも1つに対して選択的な第三の吸着剤材料を具備する少なくとも第三の軸セグメントをさらに具備し、かつ前記第三の軸セグメントが、前記第一の軸セグメントの上流かつ前記第二の軸セグメントの下流に配置される、請求項52に記載の温度スイング吸着法。
- 二酸化炭素および硫化水素のうちの少なくとも1つを、二酸化炭素成分および硫化水素成分およびメタン成分のうちの少なくとも1つを含む天然ガス供給混合物から分離する温度スイング吸着法であって:
前記天然ガス供給混合物を、少なくとも1つの並行路吸着剤接触器を具備する吸着分離システムであって、前記並行路吸着剤接触器が、
その入口末端と出口末端の間で第一の軸方向に配向している複数の並行な流体流路;
メタンよりも二酸化炭素および硫化水素のうちの少なくとも1つに対して選択的な少なくとも1つの吸着剤材料を具備する前記流体流路の間に位置するセル壁;ならびに
前記軸方向に配向し、かつ前記少なくとも1つの吸着剤材料と直接的に接触している複数の軸方向に連続的な熱伝導性フィラメント
を具備する、吸着分離システムに導入することと;
前記天然ガス供給混合物を前記並行路吸着剤接触器の前記入口末端に導入して、前記出口末端に向かって前記第一の軸方向に流すことと;
前記二酸化炭素成分および硫化水素成分のうちの少なくとも1つの少なくとも一部を前記少なくとも1つの吸着剤材料に吸着させることと;
前記少なくとも1つの吸着剤材料への吸着熱に由来する熱を、熱伝導性フィラメントの前記少なくとも一部に沿って、前記入口末端に向かって第二の軸方向に、かつ前記吸着させる工程における前記第一の軸方向と反対に移動させることと;
前記天然ガス供給混合物と比べて二酸化炭素および硫化水素のうちの少なくとも1つが減少した天然ガス生成物ストリームを前記出口末端から回収することと;
前記少なくとも1つの吸着剤材料を加熱することによって、少なくとも1つの前記吸着剤材料に吸着した前記二酸化炭素および硫化水素のうちの少なくとも1つの少なくとも一部を脱離させることと;
熱を、前記熱伝導性フィラメントの少なくとも一部に沿って、前記第一の軸方向または第二の軸方向のどちらかに移動させて、前記脱離させる工程における前記二酸化炭素または硫化水素の脱離熱の少なくとも一部を提供することと;
二酸化炭素および硫化水素のうちの少なくとも1つが濃縮された脱離した生成物を前記入口末端および前記出口末端のうちの少なくとも1つから回収することと
を含む、方法。 - 前記天然ガス生成物ストリームを導入し、吸着させ、回収し、脱離した生成物を脱離させ、かつ回収する工程が、等圧であり、かつ大気圧より高い気圧で実施される、請求項54に記載の温度スイング吸着法。
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