JP2013524139A - 未利用熱を使用して出力および冷却を発生させるシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本出願は出力および冷却を発生させるための収着システムを提供し、システムは、作動流体を液体収着剤に吸収するための少なくとも１つの吸収器と、吸収器と流体連通し、加圧された液体収着剤と吸収された作動流体とのフィードを生成するポンプと、加圧された液体収着剤と吸収された作動流体とのフィードを加熱して超臨界状態の作動流体フィードを生成する熱源と、超臨界状態の作動流体フィードと流体連通し、出力および少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードを生成する発生器と、少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードと流体連通し、冷却および凝縮していない作動流体を生成する蒸発器とを含む。出力および冷却を発生させる更なるシステムおよび方法も提供される。
【選択図】図１

Description

本出願は未利用熱を使用して出力および冷却を発生させるための収着材料を利用するシステムおよび方法に関する。特に本発明は廃熱を利用して出力および冷却を同時に発生させるためのシステムおよび方法に関する。

石油精製運転および石油化学処理運転はエネルギー集約的である。蒸気を含むがそれに限定されない高温の熱源を使用して、高温でこれらの運転を行うことがしばしば必要である。蒸気および他の高温ストリームにより意図する機能を実行した後には、未利用のエネルギーが残る。精製所および石油化学施設は典型的に入力エネルギーの７０％のみを利用し、大量のエネルギー損失が４５０°Ｆ以下の低温で生じる。このエネルギーを再び捕捉する、即ち利用する必要性が大いにある。このエネルギーの可能性のある使用として、電力、シャフト出力の発生、またはプロセスストリームの冷却が挙げられる。しかしながら、この熱を捕捉するための設備費用が阻害要因になり得る。その理由は、熱源が４５０°Ｆ以下の時、廃熱捕捉装置は低効率であるからである。電力、シャフト出力および冷却は、施設の全体効率を上げるために精製所および石油化学処理において効果的に利用できる。

効率を上げるために、未利用熱を回収して利用することが望ましい。Ｒｏｓｓｅｒらに付与された特許文献１に記載の１つの方法は、吸着されたガスを高圧で放出するために、廃熱を利用してかかる熱を吸着材料に適用することを試みる。ガスはその後膨張弁を含む冷蔵サイクルで使用できる。特許文献１は、収着冷蔵システム用のゼオライト−水の組み合わせの使用を開示している。

化学プロセス用途において収着材料から冷蔵効果を獲得する現在の方法には限界がある。収着システムで使用される収着材料およびガスはプロセス装置を必要するが、このプロセス装置は維持費用がかかり、真空下に運転し、水の凍結温度（３２Ｆ）超の冷蔵温度を有し、信頼性に欠け、かつ大きな空間配分を必要とすることが多い。このような限界により、未利用熱の回収は経済的に持続不可能となることが多い。

従って、未利用熱のより低い（４５０°Ｆ未満）グレードを利用する機会、およびプロセスの装備および空間要求を低減する機会を提供することによって、未利用熱の回収作業をより費用効果的にする必要性が残っている。未利用熱を適用された収着材料から放出された流体の、冷蔵以外の他の使用を提供する必要性も残っている。

米国特許第５，８２３，００３号明細書 米国特許出願第１２／６０３，２４３号明細書 国際公開第２００７／１１１７３８号パンフレット

Ｎａｔｕｒｅ ４５３、２０７−２１１（８ Ｍａｙ ２００８） Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂｙ Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ，Ｖｏｌｕｍｅ １６，Ｆｏｕｒｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ

本出願の一実施形態は出力と冷却を発生させる収着システムを提供し、収着システムは、収着材料を含み作動流体と流体連通しかつ超臨界状態の作動流体フィードを生成するために熱源と作動的に接続された第１容器と、出力および少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードを生成するために超臨界状態の作動流体フィードと流体連通する発生器と、冷却および凝縮していない作動流体フィードを生成するために少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードと流体連通する蒸発器とを含む。一実施形態において、熱源は未利用熱源である。

本出願はまた出力と冷却を発生させる方法を提供し、方法は、作動流体を収着材料に吸着する工程と、収着材料を加熱して超臨界状態で収着材料から作動流体を脱着する工程と、脱着された流体を導いて発生器を駆動し出力を発生させかつ脱着された作動流体を少なくとも部分的に凝縮する工程と、少なくとも部分的に凝縮された脱着された流体を蒸発させて冷却および凝縮していない作動流体フィードを生成する工程とを含む。一実施形態において、加熱は精製運転および化学処理運転の一方からの未利用熱によって提供される。

本出願はまた出力および冷却の両方を発生させるための収着システムを提供し、収着システムは、作動流体を液体収着剤に吸収するための吸収器と、吸収器と流体連通し、加圧された液体収着剤と吸収された作動流体とのフィードを生成するポンプと、加圧された液体収着剤と吸収された作動流体とのフィードを加熱して超臨界状態の作動流体フィードを生成する熱源と、超臨界状態の作動流体フィードと流体連通し出力および少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードを生成する発生器と、少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードと流体連通し冷却および凝縮していない作動流体を生成する蒸発器とを含む。熱源は未利用熱源であってもよい。

本出願はまた出力と冷却の両方を発生させるための方法を提供し、方法は、作動流体を液体収着剤に吸収して液体収着剤と吸収された作動流体を生成する工程と、液体収着剤と吸収された作動流体を増大された圧力まで加圧する工程と、加圧された液体収着剤と吸収された作動流体を加熱して超臨界状態で収着材料から作動流体を脱着する工程と、脱着された作動流体を導いて発生器を駆動し出力を発生させかつ脱着された作動流体を少なくとも部分的に凝縮する工程と、少なくとも部分的に凝縮された脱着された作動流体を蒸発させて冷却および凝縮していない作動流体を生成する工程とを含む。一実施形態において、加熱は精製運転および化学処理運転の一方からの未利用熱によって提供される。

本発明の別の態様によれば、出力を発生させるための収着システムが開示される。収着システムは、作動流体および液体収着材料と流体連通する第１容器を含み、それにより第１容器中で作動流体が液体収着剤に吸着されて、吸着された作動流体を有する液体収着剤フィードを生成する。作動流体は二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アンモニア、およびクロロフルオロカーボンから選択される。吸着された作動流体を有する液体収着剤フィードは熱源に供給される。熱源は蒸気発生器を含む未利用熱源であってもよい。熱源は液体収着剤を吸着された作動流体から離脱させて超臨界状態の作動流体フィードと液体収着剤フィードを生み出す。第１発生器は超臨界状態の作動流体フィードと流体連通し出力および第１容器と流体連通する少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードを生成する。第１発生器はターボエキスパンダであってもよい。第２発生器は液体収着剤フィードと流体連通し出力および第１容器と流体連通する液体収着剤フィードを生成する。第２発生器は二軸スクリューエキスパンダであってもよい。

次に本発明は添付の図面と組み合わせて記載される。

本発明の態様に従う冷却を発生させるための収着システムの概略である。 図１に記載された収着システムの４つの段階に対応する４点を示すように注釈を付けられたモリエル線図である。 約４５０°Ｆの温度に達するための廃熱の利用に基づく代替プロセス点、および冷却の発生との関連における使用のためのより高い吸着圧力の使用に基づく代替プロセス点を示すように注釈を付けられたモリエル線図である。 本出願の実施形態に従う出力および／または冷却を発生させるための吸着システムの概略である。 本出願の実施形態に従う出力および／または冷却を発生させるための吸着システムの概略である。 本出願の実施形態に従う出力を発生させるための吸着システムの概略である。

次に本出願は図面および以下の用語と組み合わせてより詳細に記載される。

本明細書で使用される際、用語「収着材料」は作動流体を可逆的に結合する材料を指す。収着材料は吸収剤および吸着剤を含むがこれらに限定されない。

本明細書で使用される際、用語「作動流体」は収着材料に可逆的に結合できる液体または気体を指す。

本明細書で使用される際、用語「発生器」は、出力または仕事を発生させるために作動流体（例えば吸収または吸着システムによって加圧された作動流体）によって駆動されるタービン、シャフトまたは他の機構を指す。

本明細書で使用される際、用語「容器」は収着（例えば吸収または吸着）および／または脱着を可能にする適切な状態の下で収着材料および作動流体を含有するのに適切なコンテナを指す。

本明細書で使用される際、用語「廃熱」「未利用熱」または「未利用熱源」は、熱源が精製または石油化学処理運転でその主な目的に使用された後の処理運転に付随する残留または余熱源（例えば蒸気）を指す。未利用熱はまた廃熱とも呼ばれる。未利用熱または未利用熱源は、精製および／または石油化学処理運転でもはや使用されない、また従来なら廃棄されるであろう熱源を指す。未利用熱は未利用熱ストリームとして提供され得る。例えば、限定はしないが、未利用熱は、石油および石油化学処理で使用される熱交換器で使用され、現在のプロセスに対する価値はなく、廃棄されつつある蒸気を含むことができる。

本明細書で使用される際、用語「ポンプ」は流体を搬送するおよび／または流体を増大した圧力まで加圧するのを補助する物理的な装置を指す。

本明細書で使用される際、用語「効率」は、本発明との関連において、熱の入力を介して発生される出力プラス冷却と定義される。

本明細書で使用される際、用語「二軸スクリューエキスパンダ」は、本発明との関連において、出力またはシャフト動作を発生させるために高圧液体または混合相収着液によって駆動される装置と定義される。

限定ではなく例示を目的として、図１に概略的に描かれるようなゼオライト１３Ｘ／ＣＯ_２吸着システム１００が提供される。本実施形態の様々な温度および圧力における二酸化炭素のモリエル線図が図２および３に参照として示される。本実施形態において、２つの容器１１１および１１２は吸着モードおよび脱着モードにそれぞれ維持される。一方の容器が吸着モードにある時は他方の容器は脱着モードにあり、その逆もある。この実施形態において、収着材料はゼオライト１３Ｘであり、作動流体はＣＯ_２である。吸着モードの容器では、二酸化炭素は約１４０ｐｓｉの圧力および約９５°Ｆの温度でゼオライト１３Ｘに吸着される。これらの状態は図２に段階１として示される。

吸着が終了したあと、吸着床は（例えば関連弁（例えば容器１１１の弁１４１、または容器１１２の弁１４２）を運転することによって）隔絶され、石油精製または化学プロセスからの未利用熱を使用して加熱される。吸着モードは数秒（例えば１０秒）〜数分の間持続可能である。吸着モードの期間は選択された吸着材料および流体に基づいて変化する。未利用熱１２１または１２２が二酸化炭素を脱着するために容器に適用され、次に脱着モードを開始する。未利用熱を使用して、容器はこの特定実施形態において約２１２°Ｆまで加熱される。吸着床が２１２°Ｆまで加熱すると１３Ｘ収着材料からのＣＯ_２の脱着が原因で加圧ストリームが発生する。背圧規制弁（例えば容器１１１の弁１１３または容器１１２の弁１１４）の運転に応じて、高圧ＣＯ_２が容器から圧力緩衝器または冷却器１１５まで予め設定された圧力（例えば約１４００ｐｓｉｇ）で放出される。これは図２に段階２として示される。ＣＯ_２の温度は約２１２°Ｆである。

加圧されたＣＯ_２ストリームは圧力緩衝器／冷却器１１５で約１１０°Ｆまで冷却される。これは図２に段階３として示される。結果として、ライン１３１中の冷却されたＣＯ_２ストリームの圧力は約１３８０ｐｓｉであり、温度は約１１０°Ｆである。この冷却された作動流体ストリームは次に膨張弁１１６を使用して約１４０ｐｓｉおよび−４０°Ｆまで断熱的に膨張される。これは図２に段階４として示される。膨張弁１１６は、流れを制限するが止めない流れ制限器またはニードル弁であってもよい。この冷却されたストリーム１３２は、未利用熱が確実に利用できる精製所または同様の施設内で多くの異なる用途に高品質の冷蔵負荷として使用できる。例えば、冷蔵されたＣＯ_２は、精製所および化学プラント内でプロセスストリームを冷却するために熱交換器１１８に導くことができる。

交換器１１８内で冷蔵運転を実行した後、この代表的な実施形態の二酸化炭素の温度は約６０°Ｆ〜１００°Ｆおよび圧力は約１４０ｐｓｉであり得る。二酸化炭素作動流体１３３は次に後続の吸着モードで使用するために容器の１つに戻され循環される。

ＣＯ_２／ゼオライト１３Ｘシステムは３．５を超える圧力インデックスを有する。圧力インデックスは以下に記載の手順に従い決定される。

代替的に、吸着床からより多くの作動流体分子を脱着するためにより高温の熱を適用できる。図３に示されるように、並びに限定ではなく例示を目的として、段階２はここで段階２Ａであり、ここで高温未利用熱源が床を２１２°Ｆの代わりに４５０°Ｆに加熱するために使用される。加圧されたストリームは膨張前に１１０°Ｆまで冷却される。従って、更に多量の冷却媒体が段階２で必要になる。ゼオライト１３Ｘおよび二酸化炭素の選択を使用した４５０°Ｆ熱源に基づくこの代替システムの効率は、より高い加熱および冷却レベルを要求するのでかなり異なる。しかしながら、より高いレベルの熱圧力インデックスに基づく収着材料と流体の選択によって、高品質の熱により適した収着システムを作り出すことができることが理解される。

上記の考察のために、各容器を管内に吸着剤を備えた管状構成のシェルとすることもできる。容器は約５フィートの内径を有することができかつ約２０フィートの長さの管を含む。他の適した容器も使用できる。更に、管状シェル熱交換器以外の交換器を当技術分野の通常技術に基づき選択できる。

この例は例示目的で提供される；他の収着材料および流体をゼオライト１３ＸおよびＣＯ_２の代わりに、或いはそれらに加えて使用できる。同様の吸着システムの更なる詳細は、「Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｕｎｕｔｉｌｉｚｅｄ Ｈｅａｔ ｆｏｒ Ｃｏｏｌｉｎｇ ａｎｄ／ｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」と題された特許文献２に開示されており、この特許出願はその全体が本明細書に参照により援用される。

本出願の一態様に従い、出力および冷却を発生させるための吸着システムが提供される。この吸着システムは、超臨界状態の作動流体フィードを生成するために作動流体と流体連通し熱源と作動的に接続される収着材料を含む第１容器と、出力および少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードを生成するために超臨界状態の作動流体フィードと流体連通する発生器と、冷却および凝縮していない作動流体フィードを生成するために少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードと流体連通する蒸発器とを含む。一実施形態において、熱源は未使用熱源またはストリームである。例えば、未使用熱源は化学処理または石油化学精製運転からのものである。

システムはまた、超臨界状態の第２作動流体フィードを生成するために作動流体と流体連通し熱源と作動的に接続される収着材料を含む第２容器を含む。第１容器および第２容器の各々は収着モードと脱着モードとを有し、脱着モードにおいて作動流体は熱源に応答して収着材料から放出され、収着モードにおいて作動流体は収着材料に収着され、第１容器が吸着モードで運転している時第２容器は脱着モードで運転し、第１容器が脱着モードで運転している時第２容器は吸着モードで運転する。

限定ではなく例示を目的として、本出願の一態様に従う吸着システム４００が図４に例示される。吸着システム４００は第１容器４１１と、第２容器４１２と、発生器４１３と、冷却が望まれる蒸発器４１４とを含む。第１および第２容器４１１および４１２は管内に収着材料を備えた管状シェルタイプ構成であることができる。例えば、第１および第２容器は約５フィートの内径を有しかつ約２０フィートの長さの管を含むことができる。他の容器サイズは十分に本出願の範囲内にあると考えられる。更に本出願は管状シェル熱交換器に限定されず、他の交換器並びに他の容器は当技術分野の通常技術に基づいて選択可能であり、収着床、構造化吸着材および中空の繊維吸着材の使用を含むがこれらに限定されない本出願の範囲内に十分にあると考えられる。

未利用熱ストリーム４３１が第１容器４１１を通過する。ストリーム４３１に包含された未利用熱はストリームを包含するラインの壁を通過して第１容器４１１へ入る。未利用熱ストリーム４３２が第２容器４１２を通過する。ストリーム４３２に包含された未利用熱はストリームを包含するラインの壁を通過して第２容器４１２へ入る。未利用熱ストリーム４３１および４３２は同じ未利用熱源または別の未利用熱源から供給できる。或いはまたは更に、容器４１１および４１２はまた、その中に収容された吸着剤を再発生させるために冷却媒体フィードを受け止めるように適合可能である。

弁アセンブリ４４１は第１容器４１１と発生器４１３との間に置くことができる。この実施形態において、弁アセンブリ４４１は、作動流体を第１容器４１１から予め決められたまたは予め設定された圧力で逃がすのを可能にする背圧調節器として機能する。予め決められたまたはあらかじめ設定された圧力は例えば約５００ｐｓｉｇ〜約３０００ｐｓｉｇまでの範囲をとることができる。この圧力は容器に包含される収着材料の量および未利用熱ストリームの温度に依存する。第２弁アセンブリ４４２は第２容器４１２と発生器４１３との間に置かれる。第１弁アセンブリ４４１と同様に、第２弁アセンブリ４４２は第２容器内の作動流体を予め設定された圧力で第２容器４１２から逃がすのを可能にする背圧調節器として機能する。

運転中、第１容器４１１は、圧力約１００ｐｓｉａおよび温度約１００Ｆで第１容器に供給される作動流体フィード４２１と流体連通している。制御弁４５１が第１容器４１１への作動流体の流れを制御する。同じく、第２容器４１２は、圧力１００ｐｓｉａおよび温度１００Ｆで第２容器に供給される作動流体フィード４２１と流体連通している。制御弁４５２は第２容器４１２への流体の流れを制御する。作動流体４２１が第１容器４１１に供給される時、作動流体は第１容器４１１内に包含される収着材料に吸着される。同じく、作動流体が第２容器４１２に供給される時、作動流体は第２容器４１２内に包含される収着材料に吸着される。

一実施形態において、第１および第２容器４１１および４１２はタンデム式に動作する。弁４５１が開くと作動流体４２１が第１容器４１１に流れる。第１容器４１１内で平衡が確立されるまで弁４５１は開き続ける。吸着モードは数秒（例えば約１０秒）から数分間持続可能である。吸着モードの期間は選択された吸着材料および流体に基づき変動する。収着材料と作動流体が加熱され、その結果収着材料からの作動流体の脱着が起きるように未利用熱ストリーム４３１が第１容器４１１を通過する。これにより第１容器４１１に包含される作動流体の圧力が増加する。あらかじめ設定された圧力に達すると、作動流体は第１容器４１１から弁アセンブリ４４１を経由して放出され、圧力約１６００ｐｓｉａおよび温度約２５５Ｆの超臨界状態の作動流体フィード４２２を生成する。

超臨界状態の作動流体フィード４２２は、出力を発生させるために発生器４１３へ流れるように使用される。発生器はタービン、ターボエキスパンダまたは出力を生成するように発生器を作動できるシャフト動作を発生させる他の任意の適切な装置を使用して作動される。発生器はまた、プロセスストリームに対して仕事を実行するポンプまたはコンプレッサなどの回転装置を駆動するように使用されてもよいことも考えられる。更に、この装置は圧力約１００ｐｓｉａおよび温度−５８Ｆの少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィード４２３を生成する。一実施形態において、超臨界状態の作動流体フィード４２２は、電気を発生させるかまたはシャフト或いは他の適切な機構を駆動することによって仕事を実行するかのどちらかのために発生器を通過する。本発明の態様に従えば、発生される出力量は、６０，０００ｌｂ／時間のＣＯ_２流量に基づき０．９５メガワット（ＭＷ）である。発生される出力量はシステムの構成要素に基づいて変動し得ることが考えられる。

少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィード４２３は、冷却および凝縮していない作動流体フィードを提供するために蒸発器４１４に供給される。凝縮していない作動流体４２１が次に第１または第２容器に再導入される。例示的実施形態において、少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体４２３は蒸発器を通して処理されて、気化熱並びに作動流体の顕熱を使用することによって冷却を発生させるが、冷却を発生させる他の適切な容器を利用することもできる。発生された冷却は多くの精製プロセスにおいて使用できる。例えば、冷却を熱交換器で使用して精製または石油化学プロセス運転のためのプロセスストリームを冷却できる。そうした構成において、通常失われるであろう未利用熱が再捕捉されて別のプロセスストリームの冷却を実行するために使用される。例えば、冷却を使用して水を冷却し、冷却水を蒸留塔内のオーバーヘッド凝縮器に提供できる。冷却を使用して燃料ストリームからガス分子を回収できる。ガスタービン発生器の吸気口を冷却するのに冷却を使用して出力を改善することもできる。

本出願は精製および石油化学処理分野でのプロセスストリームにおける使用に限定されることは意図されない。未利用熱を使用して建築物の１つ以上を冷却できるように、施設に配置された建築物の１つに設置される建築物冷却システムと組み合わせて熱交換器を使用できることが考えられる。自動車からの排熱を使用する空調と組み合わせて本システムを使用できることも考えられる。

第２容器を介してタンデム処理が所望される場合、蒸発器４１４を通過した後、１００ｐｓｉａに近似の圧力および約１００Ｆの温度の作動流体が、開放した制御弁４５２を介して第２容器に供給されるように、弁４５１は閉じられる。平衡が第２容器４１２内に確立されるまで弁４５２は開いたままである。上で記載したように、吸着モードは数秒（例えば約１０秒）から数分間持続可能である。吸着モードの期間は選択された吸着材料と流体に基づいて変動する。収着材料と作動流体が加熱され、その結果収着材料からの作動流体の脱着が生じるように未利用熱ストリーム４３２は第２容器４１２を通過する。これにより第２容器４１２に包含された作動流体の圧力が増大する。あらかじめ設定された圧力に達すると、作動流体は第２容器４１２から弁アセンブリ４４２を介して放出されて超臨界状態の作動流体フィード４２２を生成する。作動流体は上に記載されたようにシステムを通過する。蒸発器４１４を通過した後、作動流体は第１容器４１１に戻される。

この方法において、第１および第２容器４１１および４１２は、一方が吸着モードで運転している時他方は脱着モードで運転し、その逆もあるようにタンデム式に運転される。かかる構成により、第１および第２容器４１１および４１２は作動流体を発生器４１３に連続的に供給するように運転する。

本出願の一実施形態において、作動流体は二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アンモニア、およびクロロフルオロカーボン（例えば、Ｆｒｅｏｎ（商標））、他の冷媒、或いは他の適切な流体から選択される。収着材料はゼオライト、金属有機構造体（ＭＯＦ）、ゼオライトイミダゾレート構造体（ＺＩＦ）、イオン性液体、シリカゲル、吸着ポリマー、炭素、および活性炭素、およびそれらの組み合わせから選択される。一実施形態では、作動流体は二酸化炭素でありおよび／または収着材料はゼオライトである。一実施形態では、作動流体は二酸化炭素であり、ゼオライトはゼオライトＸ、好ましくはゼオライト１３Ｘである。

本出願はまた出力と冷却の両方を発生させるための吸着方法を提供する。方法は、作動流体を収着材料に吸着する工程と、収着材料を加熱して超臨界状態で収着材料から作動流体を脱着する工程と、脱着された流体を導いて発生器を駆動し出力を発生させるか或いはシャフト動作をさせかつ脱着された作動流体を少なくとも部分的に凝縮する工程と、少なくとも部分的に凝縮された脱着された流体を蒸発させて冷却および凝縮していない作動流体フィードを生成する工程とを含む。方法は吸着システムについて上で記載した特徴のいずれもを使用できる。一実施形態において、加熱は精製運転および化学処理運転の一方からの未利用熱によって提供される。例えば、未利用熱は４５０Ｆ以下の温度であり得る。

本明細書に記載の吸着システムおよび方法は、システムを通る作動流体の移動を促進するためにポンプまたは追加的な構成要素の使用を必要としないことが留意される。

本発明に従えば、出力と冷却の同時発生は、冷却または出力の単独発生と比較して、精製所で利用できる廃熱のより効率的かつ経済的な使用であることが発見された。精製所および石油化学プラント内の廃熱を使用して出力と冷却の発生を同時に一体化することが望ましい（例えば、蒸留塔において、冷却を使用してオーバーヘッド温度を下げて出力を改善することが可能であり、出力を使用して蒸留塔の再沸器へフィードを圧送することが可能である）。回収された廃熱を精製所および石油化学プロセスへ戻して一体化することは、追加的な燃料を消費する必要性の全体的な低減として、個々のプロセスおよび施設の効率を改善する。

下の表は、出力と冷却の同時発生を出力と冷却の単独発生と比較する。例はＣＯ_２−ゼオライト１３Ｘの組み合わせの使用に基づく。吸着／脱着床は、収着材料が管の内側に充填されたシェル・管設計である。この比較は６０，０００ｌｂ／時間のＣＯ_２の同量のガス流に基づく。吸着／脱着床の装置サイズはプロセスの熱スイング時間と関連する。各吸着／脱着容器は約５フィートの内径を有してもよく、長さ約２０フィートの管を含む。図１に示されるプロセススキームは、冷却のみの場合に使用できる。出力と冷却を両方発生させるために、図４に示されたプロセススキームを利用できる。出力のみを発生させるために、プロセススキームは、蒸発器のない図４と同様である。

本出願の別の態様に従えば、出力と冷却を発生させるための吸収システムが提供される。吸収システムは、作動流体を液体収着剤に吸収する吸収器と、吸収器と流体連通して加圧された液体収着剤と吸収された作動流体のフィードを生成するポンプと、加圧された液体収着剤と吸収された作動流体のフィードを加熱して超臨界状態の作動流体フィードを生成する熱源と、超臨界状態の作動流体フィードと流体連通し出力および少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードを生成する発生器と、少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードと流体連通し冷却および凝縮していない作動流体を生成する蒸発器とを含む。

限定ではなく例示を目的として、本出願の一態様に従う吸収システム５００が図５に示される。吸収システム５００は吸収器５１１、ポンプ５１２、蒸気発生器５１３、発生器５１４、蒸発器５１５、冷却器５１６、および冷却器５１７を含む。

運転中、吸収器５１１は、第１圧力（約５６０ｐｓｉａ）および第１温度（約１００Ｆ）で吸収器に供給される作動流体５２１および液体収着剤５２２と流体連通する。吸収器５１１において、作動流体５２１は液体収着剤５２２に吸収されて、吸収された作動流体を有する液体収着剤５２３を生成する。吸収器５１１は吸収塔または他の任意の適切な容器であり得る。吸収の間、熱が吸収器内で発生されるが、熱は冷却水または任意の他の適切な手段を使用して吸収器から除去可能であり、吸収器は作動流体を吸着するのに好ましい温度に維持される。

ポンプ５１２は、吸着された流体を有する液体収着剤５２３を吸収器からより高い圧力までポンピングして、加圧された液体収着剤と吸収された作動流体のフィード５２４を生成する。加圧された液体収着剤と吸収された作動流体５２４は、より高い圧力（約１４００ｐｓｉａ）および第２温度（約１０４Ｆ）、一般には（１００Ｆ）超である。本発明は特定の圧力および温度に限定されることを意図しない；むしろ、他の温度および圧力は、かかる温度および圧力が加圧された液体収着剤および吸着された作動流体に適切であるという条件で、十分に本発明の範囲内にあると考えられる。

加圧された液体収着剤と吸着された作動流体のフィード５２４は、蒸気発生器５１３、例えば精留塔または任意の他の適切な容器を含み得る熱源を使用して加熱される。熱源５３１は蒸気発生器内を流れることができ、作動流体を液体吸収剤から離脱させ、超臨界状態の作動流体フィード５２５と液体収着剤５２７を生成する。液体収着剤５２７は冷却器５１６に供給され、その後液体収着剤５２２が吸収器５１１に戻る。冷却器５１６は蒸気発生器と流体連通可能であり、冷却水を含むことができる。蒸気発生器５１３からの超臨界状態の作動流体フィード５２５は冷却器５１７内へ送られ温度を約２７５Ｆから約６０Ｆへ下げる。圧力は約１４００ｐｓｉａに維持される。他の温度および圧力は本発明の範囲内に十分にあると考えられる。未利用熱ストリームまたは熱源５３１は、未利用熱源からの未利用熱が、蒸気発生器内に包含された吸収された流体を有する液体収着剤に移ることができるように、蒸気発生器５１３と作動的に接続可能である。

超臨界状態の作動流体フィード５２５は、出力を発生させるために発生器５１４に流れるように使用される。発生器はタービン、ターボエキスパンダ、または出力或いは動作を発生させる任意の他の適切な装置であり得る。作動流体は、発生器が、圧力約５６０ｐｓｉａおよび温度約４３Ｆ〜１００Ｆ未満で少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィード５２６を発生するように選択される。本発明は本明細書に記載の圧力および温度に限定されることを意図しない；むしろ、他の温度および圧力は、かかる温度および圧力が部分的凝縮状態５２６を発生するという条件で、十分に本発明の範囲内にあると考えられる。一実施形態では、超臨界状態の作動流体フィード５２５は発生器内に送られてシャフトまたは他の適切な機構を駆動することによって出力を発生させるか或いは仕事を実行するかのどちらかを行う。精製所で実行される場合、発生された出力は、精製所使用のため或いは第三者に供給するための電力送電網に供給することができる。本発明に従うシステムによって発生される出力の量は、システムの設計と選択された構成要素に基づいて変動してもよい。例えば、システムは、４５，０００ｌｂ／時間のＣＯ_２とアミルアセテート混合物（ストリーム５２５）に基づき約３２キロワット（ＫＷ）の電力を発生し得る。５２５のアミルアセテートのモル濃度は３％である。システム設計並びに他の条件に基づきシステムは３２ＫＷを超える量を発生し得ることが考えられる。

少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体５２６は蒸発器５１５に供給され、冷却と吸収器５１１に供給される凝縮していない作動流体５２１とを生成する。蒸発器５１５は吸収器５１１と流体連通できる。例示的実施形態において、少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体５２６は蒸発器５１５を通して処理されて、作動流体の気化熱を使用することによって冷却を発生させるが、冷却を発生させる他の適切な容器を利用することもできる。発生された冷却は多くの精製所プロセスに使用できる。例えば、冷却は精製または石油化学プロセス運転用のプロセスストリームを冷却するために熱交換器内で使用できる。かかる構成において、通常失われるであろう未利用熱は再捕捉され、別のプロセスストリームの冷却を実行するために使用される。冷却を使用して水を冷却し、蒸留塔内のオーバーヘッド凝縮器に冷却水を提供することができる。冷却を使用して燃料ストリームからガス分子を回収することもできる。冷却を使用してガスタービン発生器の吸気部を冷却して出力を改善することもできる。

本出願の別の態様に従い、出力を発生させるための吸収システムが提供される。気相膨張および液相膨張の両方を使用して出力は発生される。吸収システムは、作動流体を液体収着剤に吸収する吸収器と、吸収器と流体連通して加圧された液体収着剤と吸着された作動流体のフィードを生成するポンプと、加圧された液体収着剤と吸着された作動流体のフィードを加熱して超臨界状態の作動流体フィードを生成する熱源と、少なくとも１つの発生器とを含む。

限定ではなく説明を目的として、本出願の一態様に従う吸収システム６００が図６に示される。吸収システム６００は吸収器６１１、ポンプ６１２、蒸気発生器６１３、発生器６１４および６１５、冷却器６１６、および冷却器６１７を含む。

運転中、吸収器６１１は第１圧力（約６００ｐｓｉａ）および第１温度（約１２７Ｆ）で吸収器に供給される作動流体６２１および液体収着剤６２２と流体連通する。吸収器６１１内で、作動流体６２１は液体収着剤６２２に吸収されて、吸収された作動流体を有する液体収着剤６２３を生成する。吸収器６１１は吸収塔または任意の他の適切な容器であり得る。吸収の間、吸収器内で熱が発生されるが冷却水或いは任意の他の適切な手段を使用して吸収器から除去可能であり、吸収器は作動流体を吸収するのに好ましい温度に維持される。

ポンプ６１２は、吸収された流体を有する液体収着剤６２３をより高い圧力までポンピングして、加圧された液体収着剤と吸収された作動流体のフィード６２４を生成する。加圧された液体収着剤と吸収された作動流体６２４はより高い圧力（約１２００ｐｓｉａ）および第２温度（約１０２Ｆ）である。本発明は特定の圧力および温度に限定されることを意図しない；むしろ、他の温度および圧力は、かかる温度および圧力が加圧された液体収着剤および吸着された作動流体に適切であるという条件で、十分に本発明の範囲内にあると考えられる。

加圧された液体収着剤と吸着された作動流体のフィード６２４は、蒸気発生器６１３、例えば精留塔または任意の他の適切な容器を含み得る熱源を使用して加熱される。熱源６３１は蒸気発生器内を流れることができ、作動流体を液体吸収剤から離脱させ、超臨界状態の作動流体フィード６２５と液体収着剤６２７を生成する。液体収着剤６２７は冷却器６１６に、次に発生器６１５に供給され、その後液体収着剤６２２は吸収器６１１に戻る。発生器６１５は発生させるために液相膨張における使用に適切である。発生器６１５は二軸スクリューエキスパンダであってもよいが、他の出力発生アセンブリは本発明の範囲内に十分にあると考えられる。冷却器６１６は蒸気発生器６１３と流体連通可能であり、冷却水を含むことができる。超臨界状態の作動流体フィード６２５は圧力（約１２００ｐｓｉａ）および温度（約４５０Ｆ）である。他の温度および圧力は本発明の範囲内に十分にあると考えられる。未利用熱ストリームまたは熱源６３１は、未利用熱源からの未利用熱が、蒸気発生器内に包含された吸収された流体を有する液体収着剤に移ることができるように、蒸気発生器６１３と作動的に接続可能である。

超臨界状態の作動流体フィード６２５は、出力を発生させるために発生器６１４に流れるように使用される。発生器６１４はタービン、ターボエキスパンダ、または出力或いは動作を発生させる任意の他の適切な装置であり得る。作動流体は、発生器が、圧力約６００ｐｓｉａおよび温度約３９８Ｆで作動流体フィード６２６を発生するように選択される。本発明は本明細書に記載の圧力および温度に限定されることを意図しない；むしろ、他の温度および圧力は本発明の範囲内に十分にあると考えられる。

作動流体６２６は冷却器６１７に供給される。冷却器６１７からの低減された温度の作動流体６２１が次に吸収器６１１に戻される。

本出願は単に便宜上、主に精製および石油化学運転の文脈で記載されるが、それらに限定されることを意図されない。例えば、未利用熱を使用して建築物の１つ以上を冷却できるように、施設に配置された建築物の１つ以上に設置された建築物冷却システムと組み合わせて熱交換器を使用することができることが考えられる。

従って、吸収システムは未利用熱を未利用熱ストリームまたは熱源から回収することによって出力および冷却を発生させる。未利用熱源は熱交換器または化学処理プラント或いは石油化学精製プラントの他のプロセス領域からの熱を使用できる。

吸収システムは液体収着剤または液体収着剤と作動流体の混合物または作動流体に混合物を含む。

さまざまな実施形態において、液体収着剤と作動流体の様々な組み合わせが本出願の範囲内にあると考えられている。高温の未利用熱ストリームとの用途に適切な組み合わせは低温の未利用熱ストリームに適用不能であり得ることに留意されたい。

吸収システムの液体収着剤は約２ｋｃａｌ／モル〜約２５ｋｃａｌ／モル、或いは更に好ましくは約３ｋｃａｌ／モル〜約１０ｋｃａｌ／モルの平均収着熱（Ｑ）を有する。

本出願の一実施形態において、作動流体はガスであり、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アンモニア、クロロフルオロカーボン（例えば、Ｆｒｅｏｎ（商標））、他の冷媒、または他の適切な流体から選択される。液体収着剤は水、エチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールジメチルエーテル、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、炭酸カリウム、アミルアセテート、アセトン、ピリジン、エチルアルコール、メチルアルコール、酢酸、酢酸イソブチル、無水酢酸、イオン性液体等、または他の適切な液体またはそれらの組み合わせから選択される。一実施形態において、作動流体は二酸化炭素であり、および／または液体収着剤はＮ−メチル−２−ピロリドンおよびイオン性液体である。

本出願の別の態様に従い、出力および冷却を発生させる方法が提供される。方法は、作動流体を液体収着剤に吸収して液体収着剤と吸収された作動流体を生成する工程と、液体収着剤と吸収された作動流体を増大された圧力まで加圧する工程と、加圧された液体収着剤と吸収された作動流体を加熱して超臨界状態で収着材料から作動流体を脱着する工程と、脱着された作動流体を導いて発生器を駆動し出力を発生させかつ脱着された作動流体を少なくとも部分的に凝縮する工程と、少なくとも部分的に凝縮された脱着された作動流体を蒸発させて冷却および凝縮していない作動流体を生成する工程とを含む。方法は吸収システムに関する上述の特徴のいずれもを使用できる。一実施形態において、加熱は、精製運転および化学処理運転の一方からの未利用熱によって提供される。例えば、未利用熱は４５０°Ｆ以下の温度である。

圧力インデックス
本出願の実施形態は、様々な脱着温度で決定できる「圧力インデックス」を使用し、この圧力インデックスは、収着材料と作動流体との適切な組み合わせを決定するために使用される。これらの組み合わせは本明細書に記載の収着方法に使用されるように特別に適合可能である。なぜなら、それらは、利用可能なエネルギー源（必ずしもそうではないが多くは何らかの他の特定の目的（例えば廃熱）に使用されることが主に意図される低グレード熱源である）によって作動流体の加圧を共同で最大化する（ΔＰ）からである。

圧力インデックスは、次の方法によって決定される。百（１００）グラムの収着材料が、容器の両端に存在する弁を有する関連の装置から隔離されるように設計された１リットルの容器に配置される。容器はまた、内部圧力と温度を測定するための表示器を有する。容器は、１気圧で洗い流されかつ純粋な流体（例えば、ＣＯ_２）で満たされる。収着材料は流体を吸着し、収着剤は加熱することがある。容器は、２９８Ｋ（７７°Ｆ）および１大気で平衡され、この収着圧力はＰ_Ｉ＝１．０と規定される。容器は、予め選択された脱着温度（例えば３４８Ｋ即ち１６７°Ｆ）に加熱される。容器および収着材料が予め選択された脱着温度に達すると、Ｐ_Ｆを決定するために内部容器圧力が測定される。圧力インデックスは、Ｐ_Ｆ対Ｐ_Ｉの比率として規定される。

上に記載したように、本出願の実施形態において、より低い未利用熱を使用する。低レベルの熱（例えば低グレード未利用熱を利用する収着システム）で使用するのに好ましい収着材料／流体の組み合わせを選択するために、上で規定したような、少なくとも低レベル熱圧力インデックスを究明することがしばしば望ましいか或いは必要である。少なくとも１．５の圧力インデックスが、低レベル未利用熱を適用する使用に一般に適している。それにもかかわらず、本出願の他の実施形態は高レベル熱源を使用できる。従って、これらの実施形態において、高レベル熱圧力インデックスを選択することが望ましい。かかる場合には、収着材料と作動流体の組み合わせは１．２という低さの圧力インデックスを有し得る。

収着材料
上述のように、また本出願で使用されているように、「収着材料」という用語は、作動流体を可逆的に結合する材料を指す。収着材料は吸収剤および吸着剤を含むがこれらに限定されない。

本出願の実施形態に使用できる吸収材料は、水、グリコール、アミルアセテート、アセトン、ピリジン、エチルアルコール、メチルアルコール、酢酸、酢酸イソブチル、無水酢酸、イオン性液体、等を含むが、それらに限定されない。

本出願の実施形態に使用できる吸着材料は、金属有機構造体ベース（ＭＯＦベース）の収着剤、ゼオライトイミダゾール構造体（ＺＩＦ）の収着材料、ゼオライトおよび炭素を含むが、それらに限定されない。

ＭＯＦベースの収着剤は、複数の金属、酸化金属、金属クラスタまたは酸化金属クラスタ構成単位を有するＭＯＦベースの収着剤を含むが、それらに限定されない。参照により本出願に組み込まれる特許文献３に開示されているように、金属は、周期律表の遷移金属、およびベリリウムから選択することができる。例示的な金属は、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、水銀（Ｈｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）および銅（Ｃｕ）を含む。金属構成単位は、多孔質構造を形成するための有機化合物によって結合することができ、隣接する金属構成単位を結合するための有機化合物は、１，３，５−ベンゼントリベンゾエート（ＢＴＢ）；１，４−ベンゼンジカルボキシレート（ＢＤＣ）；シクロブチル１，４−ベンゼンジカルボキシレート（ＣＢ ＢＤＣ）；２−アミノ１，４ベンゼンジカルボキシレート（Ｈ２Ｎ ＢＤＣ）；テトラヒドロピレン２，７−ジカルボキシレート（ＨＰＤＣ）；テルフェニルジカルボキシレート（ＴＰＤＣ）；２，６ナフタレンジカルボキシレート（２，６−ＮＤＣ）；ピレン２，７−ジカルボキシレート（ＰＤＣ）；ビフェニルジカルボキシレート（ＢＤＣ）；またはフェニル化合物を有する任意のジカルボキシレートを含むことができる。

特定の材料のＭＯＦベースの収着材料は、ＭＯＦ−１７７、Ｚｎ_４Ｏ（１，３，５−ベンゼントリベンゾエート）_２の一般式を有する材料；ＩＲＭＯＦ−Ｉとしても知られるＭＯＦ−５、Ｚｎ_４Ｏ（１，４−ベンゼンジカルボキシレート）_３の一般式を有する材料；ＩＲＭＯＦ−６、Ｚｎ_４Ｏ（シクロブチル１，４−ベンゼンジカルボキシレート）の一般式を有する材料；ＩＲＭＯＦ−３、Ｚｎ_４Ｏ（２−アミノ１，４ベンゼンジカルボキシレート）_３の一般式を有する材料；およびＩＲＭＯＦ−１１、Ｚｎ_４Ｏ（テルフェニルジカルボキシレート）_３またはＺｎ_４Ｏ（テトラヒドロピレン２，７−ジカルボキシレート）_３の一般式を有する材料；ＩＲＭＯＦ−８、Ｚｎ_４Ｏ（２，６ナフタレンジカルボキシレート）_３の一般式を有する材料；およびＣｕ−ＢＴＣ ＭＯＦ、Ｃ_１８Ｈ_６Ｃｕ_３Ｏ_１２（銅ベンゼン−１，３，５−トリカルボキシレート）の一般式を有する材料を含む。

例示的なゼオライトイミダゾール構造体（ＺＩＦ）の収着材料は、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ（Ｌｏｓ Ａｎｇｅｌｅｓ）において開発され、全体が参照により本出願に組み込まれる非特許文献１で一般に説明されているＺＩＦ−６８、ＺＩＦ−６０、ＺＩＦ−７０、ＺＩＦ−９５、ＺＩＦ−１００を含むが、それらに限定されない。

ゼオライト吸着材料は、式Ｍ_２／ｎＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ｙＳｉＯ_２・ｗＨ_２Ｏ（式中、ｙは２以上であり、Ｍは、ナトリウム、カリウム、マグネシウムおよびカルシウムなどの電荷平衡カチオンであり、Ｎは陽イオンの原子価であり、ｗはゼオライト空隙に含有された水の分子を示す）によって表されるアルミノケイ酸塩を含むが、それらに限定されない。本出願の方法およびシステムに含むことができるゼオライトの例は、天然および合成のゼオライトを含む。

天然ゼオライトは、チャバザイト（ＣＡＳ登録Ｎｏ．１２２５１−３２−０；典型的な式Ｃａ_２［（ＡｌＯ_２）_４（ＳｉＯ_２）_８］・１３Ｈ_２Ｏ）、モルデナイト（ＣＡＳ登録Ｎｏ．１２１７３−９８−７；典型的な式Ｎａ_８［（ＡｌＯ_２）_８（ＳｉＯ_２）_４０］・２４Ｈ_２Ｏ）、エリオナイト（ＣＡＳ登録Ｎｏ．１２１５０−４２−８；典型的な式（Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ_２、Ｋ_２）_４．５［（ＡｌＯ_２）_９（ＳｉＯ_２）_２７］・２７Ｈ_２Ｏ）、フォージャサイト（ＣＡＳ登録Ｎｏ．１２１７３−２８−３、典型的な式（Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ_２、Ｋ_２）_２９．５［（ＡｌＯ_２）_５９（ＳｉＯ_２）_１３３］・２３５Ｈ_２Ｏ）、クリノプチロライト（ＣＡＳ登録Ｎｏ．１２３２１−８５−６、典型的な式Ｎａ_６［（ＡｌＯ_２）_６（ＳｉＯ_２）_３０］・２４Ｈ_２Ｏ）およびフィリップサイト（典型的な式：（０．５Ｃａ、Ｎａ、Ｋ）_３［（ＡｌＯ_２）_３（ＳｉＯ_２）_５］・６Ｈ_２Ｏ）を含むが、それらに限定されない。

合成ゼオライトは、ゼオライトＡ（典型的な式：Ｎａ_１２［（ＡｌＯ_２）_１２（ＳｉＯ_２）_１２］・２７Ｈ_２Ｏ）、ゼオライトＸ（ＣＡＳ登録Ｎｏ．６８９８９−２３−１；典型的な式：Ｎａ_８６［ＡｌＯ_２）_８６（ＳｉＯ_２）_１０６］２６４Ｈ_２Ｏ）、ゼオライトＹ（典型的な式：Ｎａ_５６［（ＡｌＯ_２）_５６（ＳｉＯ_２）_１３６］・２５０Ｈ_２Ｏ）、ゼオライトＬ（典型的な式：Ｋ_９［（ＡｌＯ_２）_９（ＳｉＯ_２）_２７］・２２Ｈ_２Ｏ）、ゼオライトω（典型的な式：Ｎａ_６．８ＴＭＡ_１．６［ＡｌＯ_２）_８（ＳｉＯ_２）_２８］・２１Ｈ_２Ｏ、式中、ＴＭＡはテトラメチルアンモニウムである）およびＺＳＭ−５（典型的な式：（Ｎａ、ＴＰＡ）_３［（ＡｌＯ_２）_３（ＳｉＯ_２）_９３］・１６Ｈ_２Ｏ、式中、ＴＰＡはテトラプロピルアンモニウムである）を含むが、それらに限定されない。

本出願の実施形態に使用することができるゼオライトはまた、見出し「モレキュラーシーブ」の下で、非特許文献２に開示されたゼオライトを含み、この文献は、その全体が参照により本出願に組み込まれる。

合成ゼオライトの収着材料は、Ｗ．Ｒ．Ｇｒａｃｅ ａｎｄ Ｃｏ．（Ｃｏｌｕｍｂｉａ，Ｍｄ．）から、またＣｈｅｎｇｄｕ Ｂｅｙｏｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ（Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）からＳｙｌｏｓｉｖ（登録商標）ブランドなどで商業的に入手可能である。例えば、Ｓｙｌｏｓｉｖ（登録商標）Ａ１０は、１つの商業的に入手可能なゼオライト１３Ｘ製品である。

作動流体
上に記載したように、流体という用語は、収着材料に可逆的に結合する液体またはガスを指す。本出願に従って使用できる流体の非限定的な例は、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アンモニア、クロロフルオロカーボン（例えばＦｒｅｏｎ（商標））、他の適切な流体並びに冷媒を含む。ある特定実施形態において、上述の圧力インデックスを満足する任意の好適な流体または冷媒を使用できる。

収着材料および流体の選択
本発明の他の態様によれば、化学的処理または石油化学精製運転内の未利用熱収着システムの組み合わせに使用するための収着材料および作動流体を選択するための方法が提供される。本方法は一般に、少なくとも１．５の圧力インデックス基準を満たす収着剤を同定する工程を含む。一実施形態では、固定されたチャンバ内で測定された内圧が、収着圧力の少なくとも２倍、または少なくとも３倍、または少なくとも４倍、または少なくとも６倍、または少なくとも８倍である場合、組み合わせて使用するための収着剤および作動流体が選択される。収着システムは、出力および冷却を発生させるために使用できる。上述の方法は吸収システムには適用されない。

収着熱
好ましくは、収着材料と流体との連結は、最高４５０°Ｆの熱源用に約２ｋｃａｌ／モル〜約２５ｋｃａｌ／モル、より好ましくは約４ｋｃａｌ／モル〜約１０ｋｃａｌ／モルの平均収着熱（Ｑ）を有する。収着熱は、より高い温度の熱源（例えば、４５０°Ｆ超〜１７００°Ｆまで）が利用可能である場合、２ｋｃａｌ／モル〜約４０ｋｃａｌ／モルにあるべきである。収着材料はまた、作動流体に対して高い容量を有するべきである。

本出願の収着システムの使用
本出願の収着システムは、設定により、収着材料を含む容器、作動流体供給部、熱供給部および脱着された作動流体を効果的に発生器に導いて出力を発生させ、かつ蒸発器に導いて冷却を提供するための手段の存在が可能にされることを前提として、様々な用途に使用することができる。例えば、脱着されたガスをターボエキスパンダに導いて出力を提供することができる。

本出願の吸収システムおよび方法は、設定により、作動流体を液体収着剤に吸収するための吸収器および作動流体を液体収着剤から脱着するための蒸気発生器、作動流体供給部、熱供給部、およびポンプ、および脱着された流体を効果的に発生器に導いて出力を発生させ、かつ蒸発器に導いてそこに冷却を提供するための手段の存在が可能にされることを前提として、様々な用途に使用することができる。

本出願の収着システムの潜在的な用途は、住居用（夏に空気調節を、冬にヒートポンプを行う）、車両用（車載の空調が排熱を使用する）、および産業用（精製および化学プラント）用途を含む。

本出願の一実施形態では、収着システムまたは方法は化学または石油化学プラント内で使用され、脱着された流体は、出力を発生させるために、および冷却を提供して他のプロセス領域、特に混合物の成分を分離するために温度差に依存する領域を補助するために使用される。例えば、スタックを上がる煙道ガスから液化石油ガス（ＬＰＧ、Ｃ^３＋）を回収するために冷却を使用することができ、或いは特に夏の数か月間、凝縮器を運転して減圧蒸留塔の効率を改善するために冷却を使用することができる。

収着材料と作動流体を適切に選択することによって、収着システムまたは方法は、従来技術の収着システムによってこれまでに提供されたものよりも低いグレードの熱を有効に使用することができる。例えば、本出願の一実施形態では、熱供給は、約７０℃（１５８Ｆ）〜約３００℃（５７２Ｆ）、より好ましくは約９０℃（１９４Ｆ）〜約１８０℃（３５６Ｆ）の温度を有する「未利用熱」である。

本出願は、本明細書に記載した特定の実施形態による範囲に限定されない。実際に、本明細書に記載した修正形態に加えて本発明の様々な修正形態が、前述の説明および添付図から当業者には明白になるであろう。かかる修正形態は、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれるように意図される。

全ての値は近似であり、説明の為に提供されていることが更に理解される。

特許、特許出願、文献、製品説明、およびプロトコルが本出願の全体にわたって引用され、その各々の開示は、すべての目的のためにその全体が参照により本出願に組み込まれる。

Claims (27)

1. 出力発生および冷却を行う収着システムであって、
   （ａ）収着材料を含み、作動流体と流体連通し、超臨界状態の作動流体フィードを生成するために熱源と作動的に接続された第１容器、
   （ｂ）出力および少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードを生成するために超臨界状態の前記作動流体フィードと流体連通する第１発生器、および
   （ｃ）冷却および凝縮していない作動流体フィードを生成するために前記少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードと流体連通する蒸発器
   を含む収着システム。
2. 前記収着材料が、ゼオライト、金属有機構造体（ＭＯＦ）、ゼオライトイミダゾレート構造体（ＺＩＦ）、シリカゲル、吸着ポリマー、炭素、活性炭およびそれらの組み合わせよりなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の収着システム。
3. 前記収着材料が、ゼオライトであることを特徴とする請求項２に記載の収着システム。
4. 収着材料を含み、前記作動流体と流体連通し、超臨界状態の第２作動流体フィードを生成するために熱源と作動的に接続された第２容器を更に含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の収着システム。
5. 前記第１容器および前記第２容器の各々が、収着モードと脱着モードを有し、
   前記脱着モードにおいては、前記作動流体が前記熱源に応答して前記収着材料から放出され、
   前記収着モードにおいては、前記作動流体が前記収着材料に収着され、
   前記第１容器が前記吸着モードで運転している時には、前記第２容器は前記脱着モードで運転し、
   前記第１容器が前記脱着モードで運転している時には、前記第２容器は前記収着モードで運転する
   ことを特徴とする請求項４に記載の収着システム。
6. 出力発生および冷却を行う収着システムであって、
   （ａ）作動流体を液体収着剤に吸収するための吸収器、
   （ｂ）前記吸収器と流体連通し、加圧された液体収着剤と吸収された作動流体のフィードを生成するポンプ、
   （ｃ）加圧された液体収着剤と吸収された作動流体の前記フィードを加熱して、超臨界状態の作動流体フィードを生成する熱源、
   （ｄ）前記超臨界状態の作動流体フィードと流体連通し、出力および少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードを生成する第１発生器、および
   （ｅ）前記少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードと流体連通し、冷却および凝縮していない作動流体を生成する蒸発器
   を含む収着システム。
7. 前記蒸発器が、前記吸収器と流体連通することを特徴とする請求項６に記載の収着システム。
8. 出力発生を行う収着システムであって、
   （ａ）作動流体および液体収着材料と流体連通する第１容器であって、前記第１容器中で前記作動流体が前記液体収着剤に吸着されて、吸着された作動流体を有する液体収着剤フィードを生成する第１容器、
   （ｂ）前記吸着された作動流体および熱源を有する前記液体収着剤フィードと流体連通する熱源であって、前記熱源は、前記液体収着剤を前記吸着された作動流体から離脱させて超臨界状態の作動流体フィードおよび液体収着剤フィードを生み出す熱源、
   （ｃ）超臨界状態の前記作動流体フィードと流体連通し、出力および前記第１容器と流体連通する少なくとも部分的に凝縮状態にある作動流体フィードを生成する第１発生器、および
   （ｄ）前記液体収着剤フィードと流体連通し、出力および前記第１容器と流体連通する液体収着剤フィードを生成する第２発生器
   を含む収着システム。
9. 前記第２発生器が、二軸スクリューエキスパンダであることを特徴とする請求項８に記載の収着システム。
10. 前記第１発生器が、ターボエキスパンダであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の収着システム。
11. 前記熱源が、未利用熱源であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の収着システム。
12. 前記熱源が、蒸気発生器を含むことを特徴とする請求項１１に記載の収着システム。
13. 前記蒸気発生器と流体連通する冷却器を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の収着システム。
14. 前記冷却器が、冷却水を含むことを特徴とする請求項１３に記載の収着システム。
15. 前記蒸気発生器が、精留塔であることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載の収着システム。
16. 前記作動流体が、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アンモニアおよびクロロフルオロカーボンよりなる群から選択されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の収着システム。
17. 前記作動流体が、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１６に記載の収着システム。
18. 出力発生と冷却を行う方法であって、
    作動流体を収着材料に吸着させる工程、
    前記収着材料を加熱して、超臨界状態で前記収着材料から前記作動流体を脱着させる工程、
    前記脱着された流体を導いて発生器を駆動し、出力を発生させると共に、前記脱着された作動流体を少なくとも部分的に凝縮する工程、および
    前記少なくとも部分的に凝縮された脱着された流体を蒸発させて、冷却を行うと共に、凝縮していない作動流体フィードを生成する工程
    を含む方法。
19. 前記収着材料が、ゼオライト、金属有機構造体（ＭＯＦ）、ゼオライトイミダゾレート構造体（ＺＩＦ）、シリカゲル、吸着ポリマー、炭素、活性炭およびそれらの組み合わせよりなる群から選択されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記収着材料が、ゼオライトであることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 出力発生と冷却を行う方法であって、
    作動流体を液体収着剤に吸収させて、液体収着剤および吸収された作動流体を生成する工程、
    前記液体収着剤および吸収された作動流体を、増大された圧力まで加圧する工程、
    前記加圧された液体収着剤および吸収された作動流体を加熱して、超臨界状態で前記作動流体を前記収着材料から脱着させる工程、
    前記脱着された流体を導いて発生器を駆動し、出力を発生させると共に、前記脱着された作動流体を少なくとも部分的に凝縮する工程、および
    前記少なくとも部分的に凝縮された脱着された作動流体を蒸発させて、冷却を行うと共に、凝縮していない作動流体を生成する工程
    を含む方法。
22. 出力を発生させる方法であって、
    作動流体を液体収着剤に吸収させて、液体収着剤および吸収された作動流体を生成する工程、
    前記液体収着剤および吸収された作動流体を、増大された圧力まで加圧する工程、
    前記加圧された液体収着剤および吸収された作動流体を加熱して、超臨界状態において前記作動流体を前記液体収着剤から脱着させる工程、
    前記脱着された流体を導いて第１発生器を駆動し、出力を発生させると共に、前記脱着された作動流体を少なくとも部分的に凝縮する工程、および
    前記液体収着剤を導いて第２発生器を駆動し、出力を発生させる工程
    を含む方法。
23. 前記作動流体が、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アンモニアおよびクロロフルオロカーボンよりなる群から選択されることを特徴とする請求項１８〜２２のいずれかに記載の方法。
24. 前記作動流体が、二酸化炭素であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
25. 前記加熱が、精製運転および化学処理運転のうち一方からの未利用熱によって提供されることを特徴とする請求項１８〜２４のいずれかに記載の方法。
26. 前記未利用熱が、４５０°Ｆ以下の温度であることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. 前記発生器が、ターボエキスパンダであることを特徴とする請求項１８〜２６のいずれかに記載の方法。

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