JP2009544466A - 天然に存在するゼオライトを備えた収着システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

２つの異なる収着材料を含む少なくとも２つの異なる層（１４、１６）を含む収着ベッドを備えた収着システムであって、この収着剤のうちの１つはクリノプチロライトのような天然のゼオライトである。このクリノプチロライトは、このベッド（１５）の出口端部（１３）に位置決めされるのが特に適している。一つの実施形態において、本発明は、少なくとも２つの収着剤材料を有する少なくとも１つの収着剤ベッドを有する圧力スイングシステムであるシステムを提供し、これら２つの材料は異なる層として存在する。

Description

本出願は、米国を除くすべての国の指定に対する出願人である米国国内企業Ｄｏｎａｌｄｓｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｉｎｃ．、そして米国のみの指定に対する出願人であるすべてが米国の国民であるＤｏｎａｌｄ Ｈ．Ｗｈｉｔｅ、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｐ．Ｗｅｂｅｒ、およびＢｒｉａｎ Ｇ．ＭｃＧｉｌｌの名で、ＰＣＴ国際特許出願として２００７年７月２５日に出願されており、もそして２００６年７月２６日に出願された米国仮特許出願番号第６０／８２０，４２０号に基づく優先権を主張している。

（発明の背景）
本発明は、物質を含むガスから１つ以上の物質を除去するためのシステムおよび方法に関する。特に、それは、ガスから１つ以上の物質を収着するための収着材料を用いるシステムおよび方法に関する。

種々の商業環境および産業環境において、ガスが特定の目的のために用いられ得る前に、ガスから１つ以上の物質を取り除くことが必要である。例えば、圧縮空気が動力機器を駆動するために用いられ得る前に、任意の水または水蒸気が圧縮ガスから除去されなければならず、そうでなければ、これら動力機器は錆び付く。同様に、毒性または非毒性物質で汚染された空気が吸入される前に、この物質は除去されなければならない。

多くのタイプのデバイスが、ガスから１つ以上の物質を除去するために利用可能である。１つの特定の有効なクラスのデバイスは、圧力スイング収着システムとして知られている。このようなシステムは、ガスの流れを収着剤（または吸着剤）材料のベッドを通るように向ける。収着剤材料は、特定物質を、収着、すなわち吸収または吸着するものである。収着相の間に、物質を含むガス、すなわち、入口ガスは、所定の圧力で、収着剤ベッドを含む収着チャンバーを通るように向けられ、そして物質はこの収着剤材料によって収着される。これら物質が収着剤材料によって収着されるとき、収着の熱が収着剤ベッドを加熱し、そしてこの熱は、特許文献１（圧力スイング吸収剤に関して最も広く認められた特許の１つである）に教示されるように保存される。物質は収着剤材料によって収着されるので、出口ガスは低減されたレベルの物質を有し、そして好ましくはこれら物質を含まない。

これら収着システムの有用寿命を延ばすために、第２の収着剤ベッドを備えた第２の収着チャンバーが提供される。入口ガスは、次いで、第１の収着チャンバーから第２の収着チャンバーに再び向けられ、そこで、物質は第２の収着チャンバー中の収着材料によって収着される。第１の収着チャンバー中の収着剤ベッドは次いで再生される（すなわち、先にガスから収着された物質を追い出すか、または取り除く）。再生相の間に、第１の収着チャンバーは、代表的には減圧され、そして第２の収着チャンバーからの出口ガスの一部分は第１の収着チャンバーを通って戻るように向けられ、この収着剤ベッドから物質を一掃する。特許文献１によって教示されるように、収着相の間に第１の収着チャンバーの収着剤ベッド中で誘導された吸着の熱は、再生相の間に収着剤ベッドから物質を脱着するために実質的に完全に利用される。今や収着剤ベッドによって先に収着された多量の物質を含むパージガスは、次いで、排気管を通って排出される。一旦、第１の収着チャンバー中の収着ベッドに物質が十分になくなると、第１の収着チャンバーは再加圧され、そして入口ガスが第１の収着チャンバーを通るように向けられ得、その一方、第２の収着チャンバーが再生される。この圧力スイング収着システムは、長期間にわたって第１の収着チャンバーおよび第２の収着チャンバーの収着相と再生相との間の循環を継続し得る。

これらシステムは有効ではあるが、それにもかかわらず、それらは特定の所望されない特徴を有する。例えば、収着剤ベッドを再生するために収着チャンバーを通って戻されるように向けられなければならない出口ガスの一部分は、非常に大量であり得る。例えば、入口ガスの約１５％〜約６７％が、収着剤ベッドを再生するためのパージガスとして用いられ得る。結果として、その意図される目的のために用いられ得る出口ガスの量は、大いに低減される。

これらシステムに付随する種々の問題を解決する試みは、特許文献２でなされた。さらなる改良のための余地が常にある。

米国特許第２，９４４，６２７号明細書 米国特許第５，２１３，５９３号明細書

本開示は、水蒸気およびその他のガスの汚染物の吸着による空気およびガスのそれからの精製を提供する種々のシステムに関する。特に、本開示は、少なくとも２つの収着剤材料を有する少なくとも１つの収着剤ベッドを有する圧力スイングシステムであるシステムを提供し、これら２つの材料は異なる層として存在する。別の局面では、本開示は、少なくとも２つの収着剤材料を有する少なくとも１つの収着剤ベッドを有する温度スイングまたは熱スイング収着システムであるシステムを提供し、これら２つの材料は異なる層として存在する。両方のシステムのために、チャンバーの出口端部にある収着剤は、好ましくは、クリノプチロライトのような天然に存在するゼオライトである。

図１は、種々の吸着剤または収着剤に対する水蒸気吸着のグラフ表示である。 図２は、圧力スイングに整備された収着剤ベッドの概略図である。 図３は、圧力スイングに整備された収着剤ベッドの概略図である。

（詳細な説明）
本開示は、収着剤材料の異なる層を含む収着システムを用いることによる、水蒸気およびその他のガスの汚染物の吸着による空気およびガスのそれからの精製を提供するための種々のシステムに関する。これら収着剤材料の少なくとも１つは、クリノプチロライトのような天然に存在するゼオライトである。

特に、本開示は、少なくとも２つの収着剤材料を有する収着剤ベッドを含む圧力スイングシステムおよび熱スイングシステムを提供し、これら２つの収着剤材料は異なる層として存在している。いくつかの実施形態では、チャンバーの出口端部の収着剤は、分子汚染物の吸着のために顕著な収容力を有する結晶ゼオライト媒体である、クリノプチロライトのような天然に存在するゼオライトである。用いられ得るその他の天然に存在するゼオライトとしては、菱沸石およびモルデナイトが挙げられる。その他のものもまた、同様の理由のために考えられ得る。図１は、種々の吸着剤または収着剤上の水蒸気吸着の等温曲線を提供する。この図には詳細に指摘されていないが、クリノプチロライトのようなゼオライトは、グラフ上で分子篩とほぼ類似の平衡能力を有している。

クリノプチロライトは、数百万年前に火山湖で形成された天然ゼオライトまたは分子篩材料である。それは、大量の湿気を吸収し得る細孔隙を備えたケイ酸アルミナである。クリノプチロライトは、もう１つのより良く知られたゼオライトであるエメラルドに類似でするが、それよりも相当低コストである。クリノプチロライトは、非常に高い粉砕強度を有し、その一方低いすり減りを維持する、非常に硬い材料（例えば、「硬石（ｓｔｏｎｅ ｈａｒｄ）」）である。このクリノプチロライトは、その高い破砕強度、および圧力に起因するひび割れ、破壊、またはそうでなければ分解に対する抵抗性に起因して、パックされたベッドの底（またはその他の低いレベル）配置されることが促進される。ゼオライト（例えば、クリノプチロライト）は、収着剤ベッドのトリマーとして用いられ得る。

クリノプチロライトは、合成収着剤より高い、高い容積熱容量を有するので、それは、より小さな容量のパックされたベッド中により多くの熱を吸収し得る。また、クリノプチロライトは、容量測定ベースで、合成吸着剤より、３０％相対湿度のレベル（そしてより低い）から湿気を吸着するための能力を有する。

相対湿度が入口よりも低い、収着剤ベッドの出口（または出口から半分）で存在する、天然に存在するゼオライト（例えば、クリノプチロライト）を有することにより、ガス流れからの湿気の除去が増大される。湿気を除去するために、容量ベースで、より少ないゼオライト（例えば、クリノプチロライト）で済む。従って、より小さな容量のベッドが利用され得る。

本開示に従って、充填されたベッドシステムは、収着剤材料の少なくとも２つの異なる層を含む。別の収着剤（たとえば、合成収着剤）と組み合わせて天然ゼオライトを用いる利点としては、排出露点の低下および総システムコストの低減が挙げられる。例えば、いくつかの市販の収着剤材料は０．９０ドル／ポンドであり得；クリノプチロライトは、それよりも非常に安価であり、通常、約０．０５ドル／ポンドである。任意の量の高価な収着剤を、クリノプチロライトまたはその他の天然のゼオライトに置き換えることは、全体のベッドのコストを低減する。

天然に存在するゼオライトを含めることに起因する別のコスト削減は、ベッドの総コスト（例えば、乾燥剤、容器など）である。クリノプチロライトおよびその他の天然のゼオライトは、合成収着剤より容量ベースでより多くの湿気を除去するので、ベッド（例えば、乾燥剤タワー）の容量および／または長さは減少され得る。これは、増加したシステム流速、乾燥剤顆粒の粉化の低減をもたらし得、これは、任意の下流の物理的フィルターの寿命を延長し得る。

総収着剤ベッド中の１０％（容量％）程度のクリノプチロライトのレベルが、改良された処理状態を提供し得ることが考えられる。多くの実施形態では、約８０％または９０％を超えないベッドが、クリノプチロライトである。いくつかの実施形態では、クリノプチロライトの容量は２０％〜６０％、しばしば約３０〜５０％である。

圧力スイングおよび熱スイング収着システムの一般的な構築および仕組みは一般に周知であり、そして本明細書中では説明されない。しかし、図面を参照して、少なくとも２つの収着剤材料（これら材料のうちの１つが天然に存在するゼオライト（例えば、クリノプチロライト）である）を有する収着剤ベッドまたはチャンバーを利用する２つの例示のシステムが示される。

図２では、配向された頂端部１１および底端部１３を有するタンクまたは容器１２を含むシステム１０が示される。容器１２は、収着剤材料の容量を受容するための端部１１、１３の間に内部容量１５を有する。この実施形態では、システム１０は、第１の収着剤層１４および第２の収着剤層１６を含む。

システム１０の１つの形態では、底端部１３が入口であり、そして頂端部１１が内部容量１５からの出口である。このような形態は、圧力スイング整備ベッド（ｔｒｉｍｍｅｄ ｂｅｄ）と称され得、ほぼ上向きの空気流れを有し、すなわち、出口端部は入口端部の上に位置決めされる。いくつかの圧力スイング整備ベッドは、反対の方向の空気流れを有し得ることが理解される。

好ましくは、この形態で下流の層である第１の収着剤層１４は、天然に存在するゼオライト（例えば、クリノプチロライト）を含む。この形態で上流の層である第２の収着剤層１６は第２の収着剤であり；アルミナ（例えば、活性化アルミナ）が１つの適切な収着剤である。

示される特定の形態では、これら２つの層の容量％はほぼ等しい（すなわち、各々は約５０％）であるが、しかし、いくつかの実施形態では、いずれかの層は、他方より多い容量を占め得る。

図３は、配向される頂端部２１および底端部２３を有するタンクまたは容器２２を含む代替システム２０が示される。容器２２は、収着剤材料の容量を受容するための端部２１、２３間の内部容量２５を有する。この実施形態では、システム２０は、第１の収着剤層２４、第２の収着剤層２６、および第３の層２８を含む。非充填スペース（例えば、空気ヘッド）が、第１の収着剤層２４と頂端部２１との間に存在する。

システム２０の１つの形態では、頂端部２１が入口であり、そして底端部２３が内部容量からの出口である。このような形態は、ほぼ下向きの空気流れを有する温度または熱スイング整備ベッドと称され得る。いくつかの温度または熱スイングベッドは、反対方向に空気流れを有し得ることが理解される。

この特定の実施形態では、この形態では下流の収着剤層である第２の収着剤層２６が、天然に存在するゼオライト（例えば、クリノプチロライト）を含む。この形態では上流の層である第１の収着剤層２４は、アルミナ（例えば、活性化アルミナ）のような第２の収着剤である。この実施形態では、第３の層２８は、第２の収着剤層２６のゼオライトより大きな粒子サイズのゼオライト材料から形成されたゼオライト支持層である。

第３の層２８は支持媒体である。多くの従来の乾燥剤では、吸着のために用いられるものと同じ乾燥剤で充填される底部ヘッドまたは層が提供される。この材料は、最も下流の層であるので、湿気に触れることは決してなく、そしてそれ故、不必要な出費である。クリノプチロライトは、その増加した破砕強度および低コストに起因して、ベッド支持体のための非常に実用的な媒体であることが発見された。それはまた、層２８に到達し得る下降流吸着システムにおける微量の水蒸気およびその他の汚染物を吸着する能力に寄与する。

図３に示される特定の形態では、第１の収着剤層２４および第２の収着剤層２６の容量％はほぼ等しい（すなわち、各々は約５０％である）。しかし、第３の層２８を考慮する場合、この容量比は、層２４：２６：２８に対して約４０：４０：２０である。

上で述べたように、本開示のシステムにおいては、少なくとも２つの異なる収着剤層（例えば、システム１０の層１４および１６、ならびにシステム２０の層２４および２６）が存在することが望ましい。天然ゼオライトである出口端部層を有することが好ましい構築であるが、しかしながら、これら収着剤層の各々は、２つ以上の収着剤材料の組み合わせであり得る。このようなシステムに対して、天然ゼオライトが、これら吸着剤ベッドの出口端部層の少なくとも約１０％；優先的には少なくとも約２０％、そして最も優先的には少なくとも約３０％を占めることが好ましい。少なくとも５０容量％の天然ゼオライトを有する実施形態もまた、適切である。圧力スイングまたは温度スイング吸着ベッドいずれかのための一般的な高い能力は、入口層（例えば、システム１０の層１６およびシステム２０の層２４）でアルミナまたはシリカゲルのいずれか、そして出口層（例えば、システム１０の層１４およびシステム２０の層２６）でクリノプチロライトを用いることにより得られる。

圧力スイング乾燥体ともまたしばしば称される図２のシステム１０のような圧力スイングベッドについて、出口端部における熱保持能力は重要な焦点であり；この領域に天然ゼオライトを有することはまた、湿気吸着能力のさらなる利点を提供する。

圧力スイング吸着システムで用いられる吸着ベッドの出口領域は、吸着プロセスの間で放散される吸着熱を保持するために主に用いられる。この熱は、圧力スイング圧力の再生相の間に吸着剤ベッドを効率的に再生するために必要である。クリノプチロライトおよびその他の天然に存在するゼオライトは、市販の合成吸着剤よりかなり高い熱保持能力を有し、そしてそれ故、圧力スイング吸着システムの吸着剤ベッドの出口領域において有益である。

図３のシステム２０のような温度または熱スイングベッドまたは乾燥体のために、出口端部は、低い分圧で水蒸気を吸着するような形態である。なぜなら、大半の水蒸気およびその他の汚染物は、吸着ベッドの入口領域で吸着されるからである。慣習的に、合成の活性化アルミナおよびシリカゲルが熱スイング乾燥体として吸着ベッドで用いられている。なぜなら、それらは高められた分圧で高い能力をしばしば提供するからである。しかし、クリノプチロライトおよびその他の天然ゼオライトは、２０％相対湿度未満の低い分圧で改善された能力を提供する。

本発明の多くの実施形態が、本発明の思想および範囲から逸脱することなくなされ得、本発明は、本明細書で後に添付される請求項に存在する。

Claims (11)

1. 入口、出口、およびそれらの間の内部容量を備える収着剤ベッドであって、該容量が、第１の収着剤材料を含む第１の収着剤層およびクリノプチロライトを含む第２の収着剤層を保持する、収着剤ベッド。
2. 前記第２の収着剤層が、前記第１の収着剤層の下流である、請求項１に記載の収着剤ベッド。
3. 前記第２の収着剤層が、前記出口の近傍にある、請求項２に記載の収着剤ベッド。
4. 前記収着剤ベッドが圧力スイングベッドであり、そして前記出口が前記入口の上にある、請求項２に記載の収着剤ベッド。
5. 前記収着剤ベッドが熱スイングベッドであり、そして前記出口が前記入口の下に位置決めされる、請求項２に記載の収着剤ベッド。
6. 前記クリノプチロライトが、前記容量の少なくとも２０％を占める、請求項１に記載の収着剤ベッド。
7. 前記クリノプチロライトが、前記容量の９０％以下を占める、請求項６に記載の収着剤ベッド。
8. 前記クリノプチロライトが、前記容量の約３０〜５０％を占める、請求項７に記載の収着剤ベッド。
9. 前記第２の収着剤層が、少なくとも約３０％のクリノプチロライトを含む、請求項１に記載の収着剤ベッド。
10. 入口、出口、およびそれらの間の内部容量を備える収着剤ベッドであって、該容量が、第１の収着剤材料を含む第１の収着剤層、および本質的にクリノプチロライトからなる第２の収着剤層を保持する、収着剤ベッド。
11. 前記ベッドの出口にクリノプチロライトを、そして該ベッドの入口に異なる収着剤を含む収着剤ベッドを用いる、圧力スイングまたは熱スイングシステム。

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