JP2021529653A - 再利用単離ループおよびパージ／再生ループを備えた回転床収着システム - Google Patents

Abstract

回転収着床システムは、再生可能な収着材料の回転する収着剤塊であって、運転サイクルにおいて、所定の体積が、第１ゾーンに戻る前に、第１、第２、第３、第４、および第５ゾーンを連続的に通過する収着剤塊；第１ゾーンを通るように向けられるプロセス流体流；第３ゾーンを通るように向けられる再生流体流；およびプロセス流体流と再生流体流とは関係なく、第２および第４ゾーンを通るように閉ループで再循環する単離流体流を含む。この再生流体流は、第３ゾーンを通過する前に、第５ゾーンを通過する。

Description

優先権

本出願は、ここに引用される、２０１８年６月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／６９１９１９号の恩恵を主張するものである。

本発明は、広く、回転床収着システムに関し、より詳しくは、再利用単離ループおよびパージ／再生ループの両方を備えた回転床収着システムに関する。本発明は、そのようなシステムを設計する方法および作動させる方法にも関する。

プロセスまたは収着流体流と呼ばれることもある第１の流体流から収着質を収集し、それを、より濃縮された形態で、脱着または再生流体流と呼ばれることもある第２の流体流に移送するために、回転床収着システムが長い間、使用されてきた。一般に除去される収着質に、水蒸気、揮発性有機化合物（「ＶＯＣ」）、亜酸化窒素（「ＮＯｘ」）などがある。

回転床収着システムにおいて、特に、処理済み流体中で収着質の濃度が低いことが望ましいシステムにおいて、プロセス流体流と再生流体流との間の交差汚染を最小にすることが重要である。汚染は、それらの流体流自体における圧力差、または回転している収着剤ディスクのマトリクス内の蒸気圧差から生じ得る。

活動収着領域に隣接するが、サイクル中に活動流体流と出くわさない収着剤ディスクの領域に、潜在的な別の汚染源がある。通常、これらは、密封システムにより覆われている収着剤ディスクの中心と外周にある領域である。典型的に、収着剤ディスクは、これらの「デッドゾーン」を有するように意図的に設計されている。このデッドゾーンは、断熱材として働き、ローターハウジングを冷たく維持し、構成部材の早まった機械故障をもたらし得る熱膨張を防ぐ。処理済み流体流中の収着剤の濃度を非常に低くするように設計されたシステムにおいて、これらの領域は、除去されている蒸気の「シンク」として働くことができることが証明された。このシンクは、再生ゾーンに隣接しているときに蒸気を蓄積し、ここで、シンクは、拡散力により、再生ゾーン中の高濃度の蒸気に曝されるが、ガラス／セラミック構造の高い断熱特性のために、再生熱には曝されない。次に、収着剤は、高濃度蒸気とほぼ平衡になり得るが、それはずっと低い温度でである。シンクは、そのシステムの処理区画中の非常に低濃度の流体と隣接しているときに、そのペイロードを放出する。蒸気圧差は、その構造の拡散力を克服し、微量の蒸気が処理済み流体流中に放出され、除去されている蒸気の濃度が不利益に増加する。

回転床収着システム内にパージゾーンを組み込むことが公知である。再循環パージループを備えた収着床システムの例が、特許文献１に開示されている。回転収着床の収着ゾーンと脱着ゾーンとの間の交差汚染を減少させるために、１つ以上の単離流体流またはループを使用することも公知である。特許文献２には、異なる目的を達成するために、１つ以上の単離ループが使用されているいくつかの実施の形態が記載されている。しかしながら、いずれも、本発明の様式でパージ流と単離流を組み合わせていない。

米国特許第４７０１１８９号明細書 米国特許第７１０１４１４号明細書

本発明は、再生ゾーンに供給するためにさらに加熱すべき空気を予熱するために、再生ゾーンの後のローターのゾーンからの暖かい空気を使用するパージ／再生ループ、および処理空気の入口側にあるローター材料を冷却し、再生ゾーンに入る前に、ローターを予め暖める再利用単離ループを使用する。圧力の不均衡および様々な流体流の大きい蒸気厚さにより生じる、ローターの収着ゾーンと脱着ゾーンとの間の交差汚染を減少させるために、再利用単離ループの１つ以上を設けることができる。

本発明の１つの態様によれば、再生可能な収着材料の回転する塊を含む収着床システムを使用して、プロセス流体流の収着質濃度を減少させる方法は、運転サイクルにおいて、所定の体積の収着剤塊が、第１ゾーンに戻る前に、第１、第２、第３、第４、および第５ゾーンを連続的に通過するように収着剤塊を回転させる工程；第１ゾーン内の収着剤塊にプロセス流体流を通過させる工程；第３ゾーン内の収着剤塊に再生流体流を通過させる工程；およびプロセス流体流と再生流体流とは関係なく、第４ゾーン内と第２ゾーン内の収着剤塊の間で、閉ループで単離流体流を再利用する工程を有してなり、その再生流体流は、第３ゾーンを通過する前に、第５ゾーンを通過する。

本発明の別の態様によれば、回転収着床システムは、再生可能な収着材料の回転する収着剤塊であって、運転サイクルにおいて、所定の体積が、第１ゾーンに戻る前に、第１、第２、第３、第４、および第５ゾーンを連続的に通過する収着剤塊；第１ゾーンを通るように向けられるプロセス流体流；第３ゾーンを通るように向けられる再生流体流；およびプロセス流体流と再生流体流とは関係なく、第２および第４ゾーンを通るように閉ループで再循環する単離流体流を含み、この再生流体流は、第３ゾーンを通過する前に、第５ゾーンを通過する。

ここに用いられているように、「運転サイクル」は、収着剤塊が収着過程と脱着過程の両方を経る最中の収着剤塊の移動経路を意味する。「連続的に」という用語は、相対的順序を称するが、あるものが別のものに直ちに続くことを必ずしも必要としない。この実施の形態において、例えば、第１ゾーンと第２ゾーンとの間に別のゾーンが配置されている場合でさえ、それでも、収着剤塊が、第１ゾーン、第２ゾーンなどを連続的に通過すると言うことは、間違いないであろう。

本発明のこれらのと他の態様のより良い理解は、本発明の好ましい実施の形態が図示され、説明された、図面と添付の説明を参照することによって得られるであろう。

本発明による回転床収着システムの好ましい実施の形態を示す概略流れ図 本発明による回転床収着システムの好ましい実施の形態における収着剤塊のゾーンの概略図 第１の流量での、本発明による回転床収着システムの好ましい実施の形態における様々な位置での運転データ 第２の流量での、本発明による回転床収着システムの好ましい実施の形態における様々な位置での運転データ ４ゾーンの回転床収着システムの概略図 ４ゾーンの回転床収着システムの収着剤塊のゾーンの概略図 第１の流量での、４ゾーンの回転床収着システムにおける様々な位置での運転データ 図６における、第２の流量での、４ゾーンの回転床収着システムにおける様々な位置での運転データ

図１は、本発明による回転収着床システム１０の好ましい実施の形態を示している。このシステムは、運転サイクルにおいて、５つのゾーン、すなわち、第１ゾーン１、第２ゾーン２、第３ゾーン３、第４ゾーン４、および第５ゾーンを連続的に通過する再生可能な収着材料を収容する、またはそれが被覆された従来の構造の回転するディスク形状の多孔質塊またはローター１１を備える。収着剤ローター１１は、公知のローター機構（図示せず）によって矢印Ａで示される方向に、その軸の周りで回転させられる。ローター１１の回転方向に順番に、５つのゾーンが、処理空気が中を流れる処理ゾーン１、ローターを予め暖めるために再利用単離空気が中を流れる第１の単離ゾーン２、加熱された再生空気が中を流れる再生ゾーン３、暖められるように再生単離空気が中を流れる第２の単離ゾーン４、および別のヒーターで加熱される前に、予め暖められると同時に乾燥されるように再利用再生空気が中を流れる再生パージゾーン５として識別することができる。

収着質（例えば、水蒸気）を搬送するプロセス流体流１２が第１ゾーン１内の収着剤ローター１１に通過させられ、そこで、収着質が収着剤ローター１１上に収着される（すなわち、取り込まれる）。収着剤塊から出るプロセス流体流は、収着剤塊に入るプロセス流体流と比べて、減少した収着質濃度を有する。必要に応じて、プロセス流体流を配管（図示せず）に押し通すために、ファン、ブロワー、または他の流体移動装置１３を使用することができる。

再生流体流１４が、プロセス流体流１２の流れと反対方向に、第３ゾーン３内の収着剤ローター１１に通される。収着剤ローター１１内に収集されたプロセス流体流からの収着剤は、この再生流体流中に放出される。収着剤塊１１を通過する前に、再生流体流１４を加熱するために、ヒーター１５を設けることができる。プロセス流体流に関するように、再生流体流を推進させるために、ファン、ブロワー、または他の流体移動装置１６を使用することができる。

プロセス流体流１２は、閉ループ回路であると図１に示されていないが、当業者には、その流体流を閉ループで再循環させられることが認識されれよう。例えば、収着剤塊を出た際に、再生流体流を冷却して、その流体流から蒸気を凝縮させ、次いで、収着剤塊に通して戻される前に、再加熱することができる。

単離流体流１７は、プロセス流体流１２および再生流体流１４とは関係なく、第２ゾーン２および第４ゾーン４内の収着剤塊１１の間で、閉ループで再利用される。パージ／再生流体流２０が、第４ゾーンの直後に配置された第５ゾーンを通って流れる。このパージ／再生流体流は、再生流体流１４の供給源となり、流体移動装置１６により推進することができる。単離流体流１７が収着剤塊１１を通って流れる方向は、収着剤塊１１の回転方向において単離ゾーンの直後のゾーンを通って流体が流れるのと同じ方向であることが好ましい。図１において、例えば、単離流体流１７は、再生流体流１４が第３ゾーン３を通って流れるのと同じ方向に、第２ゾーン２を通過し、パージ／再生流体流２０が第５ゾーン５を通って流れるのと同じ方向に、第４ゾーン４を通過する。あるいは、その単離流体流が収着剤塊を通って流れる方向は、収着剤塊の回転方向に単離ゾーンの直後のゾーンを通る流体流の方向と反対であっても差し支えない。単離流体流を推進するために、必要に応じて、ファン、ブロワー、または他の流体移動装置１８を使用することができる。再利用単離ループを設けることは、プロセス流体流１２と再生流体流１４との間の交差汚染を減少させるのに役立つ。パージ／再生ループおよび再利用単離ループ、並びに処理空気流（１３）に、別々のファン１６、１８が使用される。

パージ／再生ループは、ローターのパージ再生ゾーンからの熱を使用して、再生ゾーンに供給するためのさらに加熱すべき空気を予熱する。パージ／再生ループの空気は、ローター１１により除湿され、それによって、再生ゾーンに供給するためのより低い相対湿度を作り出す。より低い相対湿度でのローターの再生は、プロセスを出る空気の露点をより低くする可能性を作り出す。図３および４は、同じ周囲条件下であるが、プロセス、再生、および単離流体流について異なる流量での、システムの運転中の様々な位置での条件を示す。図３および４を図７および８と比較すると、プロセスを出る空気の露点は、同じ入口条件で運転する図６に示された従来の４ゾーンの構成におけるものよりも、８から２０°Ｆ（５から１１℃）低くあり得る。再利用単離ループは、第２の単離ゾーンで処理空気の入口側のローター材料を冷却し、獲得した熱を使用して、再生ゾーンに入る前に、第１の単離ゾーン２でローターを予め暖めることができる。９０００ ＳＣＦＭのプロセス流量でのパラメータが図３に示されており、６０００ ＳＣＦＭのプロセス流量でのパラメータが図４に示されている。この実施の形態のシステムは、再生に必要なエネルギーを著しく減少させ、ローターの効率を増加させることができる。

特定の用途において、追加の再利用単離ループを設けることによって、さらなる利益を達成することができる。本発明は、２つの単離ループに限定されず、様々な流体流の特徴および所望の処理レベルに応じて、３つ以上の単離ループを使用することができる。単離流体流が、収着剤塊の回転方向に単離流体流の後に続くプロセスまたは再生流体流と同じ方向に収着剤塊を通過するように、各追加の単離ループが配置されることが好ましい。回転サイクルにおいて、収着剤塊が単離流体流を、上昇し、次いで下降する順序で連続的に通過するように、各追加の単離ループが配置されることも好ましい。言い換えると、例えば、３つの単離ループを備えた９ゾーンのシステムについて、収着剤塊は、再生流体流、第１の単離流体流、第２の単離流体流、第３の単離流体流、パージ／再生流体流、プロセス流体流、第３の単離流体流、第２の単離流体流、第１の単離流体流などを連続的に通過するであろう。単離ループの数は、温度、蒸気圧、絶対圧力、および／または漏れに関連する特定の選択された基準が満たされるか否かの判定に基づいて選択することができる。その基準が満たされるか否かは、シミュレーションまたは物理試験のいずれにより、判定しても差し支えない。選択された基準の１つ以上が満たされると判定された場合、ひいては、このことは、システムに単離ループを追加する上で潜在的な恩恵があるであろうことを示す。その単離ループが追加された後、再び判定を行い、選択された基準が満たされなくなるまで、同様である。

例えば、各々がプロセス流体流１２、再生流体流１４、および他の単離流体流とは関係なく、２つの単離流体流を閉ループで再利用することができる。

上述した好ましい実施の形態において、当業者は、特定流量、圧力、温度、相対湿度などの選択は、収着システムの特定の用途に依存することを認識し、所定の用途にとって適切な選択を行うことができるであろう。

そのシステムに１つの閉単離ループを加えると、空気の漏れが約半分に減少する。これは、単離ループの閉ループの性質のためであり、これにより、処理ゾーンと再生ゾーンとの中間の絶対圧力と釣り合う。

特定の用途において、回路間の漏れは、できる限り最小にしなければならない。濃縮サイクルにおいて、低露点環境（基準ＯＰＧ Ｒｅａｃｔｏｒ）における閉ループ再生によりＶＯＣ濃縮または水濃縮のためであろうとなかろうと、再生気流に対する蒸気の濃度比は、サイクル効率のために最大にしなければならないので、プロセス流からの逆浸出は侵入と同じくらい有害である。ＶＯＣ濃縮器の場合、濃度比を最大にするために、処理および再生回路の間の均一な圧力平衡を確実にするために、特別な注意を払わなければならない。

先に述べられた実施の形態は、本発明の好ましい実施の形態を表し、説明目的のためだけに与えられている。それらは、本発明の範囲を限定する意図はない。具体的な構成、構造、条件などが示され、説明されてきたが、それらは限定するものではない。本発明の範囲内で改変および変更が考えられ、本発明の範囲は、付随の特許請求の範囲によってしか限定されないことが意図されている。

１ 第１ゾーン、処理ゾーン
２ 第２ゾーン、単離ゾーン
３ 第３ゾーン、再生ゾーン
４ 第４ゾーン、単離ゾーン
５ 第５ゾーン、パージゾーン
１０ 回転収着床システム
１１ ローター
１２ プロセス流体流
１３、１６、１８ 流体移動装置
１４、２０ 再生流体流
１５ ヒーター
１７ 単離流体流

Claims (13)

1. 再生可能な収着材料の回転する塊を含む収着床システムを使用して、プロセス流体流の収着質濃度を減少させる方法であって、
   運転サイクルにおいて、所定の体積の収着剤塊が、第１ゾーンに戻る前に、第１、第２、第３、第４、および第５ゾーンを連続的に通過するように収着剤塊を回転させる工程、
   前記第１ゾーン内の前記収着剤塊にプロセス流体流を通過させる工程、
   前記第３ゾーン内の前記収着剤塊に再生流体流を通過させる工程、および
   前記プロセス流体流と前記再生流体流とは関係なく、前記第４ゾーン内と前記第２ゾーン内の前記収着剤塊の間で、閉ループで単離流体流を再利用する工程、
   を有してなり、
   前記再生流体流は、前記第３ゾーンを通過する前に、前記第５ゾーンを通過する、方法。
2. 前記第１、第４、および第５ゾーンの各々の中の流体流の方向が同じである、請求項１記載の方法。
3. 前記第２および第３ゾーンの各々の中の流体流の方向が同じである、請求項２記載の方法。
4. 前記第１、第４、および第５ゾーンの各々の中の流体流の方向が、前記第２および第３ゾーンの各々の中の流体流の方向と反対である、請求項３記載の方法。
5. 前記プロセス流体流を前記第１ゾーン内の前記収着剤塊に通過させた結果として、水蒸気、揮発性有機化合物、および亜酸化窒素からなる群より選択される少なくとも１つの物質の濃度が減少している、請求項１記載の方法。
6. 前記再生流体流を前記第５ゾーンに最初に通過させることによって、該再生流体流を閉ループで再循環させる工程、および
   前記再生流体流を、前記第５ゾーンを出た後であって、該再生流体流を前記第３ゾーンに通過させる前に、加熱する工程、
   をさらに含む、請求項１記載の方法。
7. 前記プロセス流体流を実質的に閉ループで再循環させて、生成物を脱水するまたはその乾燥度を維持する工程をさらに含む、請求項１記載の方法。
8. 回転収着床システムにおいて、
   再生可能な収着材料の回転する収着剤塊であって、運転サイクルにおいて、所定の体積が、第１ゾーンに戻る前に、第１、第２、第３、第４、および第５ゾーンを連続的に通過する収着剤塊、
   前記第１ゾーンを通るように向けられるプロセス流体流、
   前記第３ゾーンを通るように向けられる再生流体流、および
   前記プロセス流体流と前記再生流体流とは関係なく、前記第２および第４ゾーンを通るように閉ループで再循環する単離流体流、
   を含み、
   前記再生流体流は、前記第３ゾーンを通過する前に、前記第５ゾーンを通過する、回転収着床システム。
9. 前記プロセス流体流および前記再生流体流が、反対方向で前記収着剤塊に通過させられ、前記単離流体流が、該収着剤塊の回転方向に関して、該単離流体流の直後の流体流と同じ方向に該収着剤塊に通過させられる、請求項８記載のシステム。
10. 前記第３ゾーンを通過する前に、前記再生流体流をさらに加熱するように、前記第５ゾーンと該第３ゾーンとの間で該再生流体流内に配置された加熱装置をさらに含む、請求項８記載のシステム。
11. 前記プロセス流体流が、前記再生流体流よりも高い圧力にある、請求項８記載のシステム。
12. 前記プロセス流体流が、前記再生流体流よりも低い圧力にある、請求項８記載のシステム。
13. 前記プロセス流体流が、生成物を脱水するまたはその乾燥度を維持するように、実質的に閉ループで再循環される、請求項８記載のシステム。

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