JP2023553031A - 資源効率の良い二酸化炭素捕捉のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

収着物質ガスを有する収着剤を封入する再生容器、第１の温度に加熱された液体水供給装置、および凝縮器を備えたヒートポンプを含む、収着剤から収着物質ガスを回収するためのシステムが開示される。ヒートポンプは水供給装置にも接続されている。熱は凝縮器から除去され、水供給装置を第１の温度まで加熱するために使用される。このシステムには、凝縮器に接続された圧縮器が含まれている。容器内の収着剤は、第１の温度の水蒸気と接触させられる。水蒸気が収着剤材料と接触すると収着物質ガスが放出され、収着物質ガスと水ガスを含む混合物が形成され、圧力が上昇する。蒸気混合物は凝縮器によって除去され、冷却される。一部は水に凝縮され、供給装置に戻される。残りの混合物は圧縮されて生成物ガスになる。

Description

関連出願
[0001]本出願は、２０２０年１２月９日に出願された「エネルギー効率の良い二酸化炭素捕捉のためのシステムおよび方法」という名称の米国仮特許出願６３／１２３，２１９の利益を主張するものであり、その開示全体がこの参照により本明細書に組み込まれる。

[0002]この文書の態様は、一般に二酸化炭素の捕捉に関する。

[0003]周囲空気から二酸化炭素を除去する技術の必要性は十分に確立されている。差し迫った気候変動の危機を回避するには、保全、炭素削減プロセス、現場での捕捉の取り組みに加えて、大気からかなりの量の二酸化炭素を除去する必要がある。それにもかかわらず、これらの技術はまだ新しく、初期の空気捕捉プロセスの動作には大量のエネルギーが必要である。周囲空気中の二酸化炭素は非常に希薄であるため、大気中の二酸化炭素回収装置は、空気を大量に吸引して処理するための厳しいエネルギー予算をすぐに超過してしまう可能性がある。

[0004]大気中の二酸化炭素濃度が低いため、大気から二酸化炭素を捕捉することは困難である。空気から二酸化炭素を除去するための理論上の最小エネルギー要件は非常に小さい（約２２ｋＪ／モル）にもかかわらず、ほとんどの実際のプロセスには大きな非効率が含まれており、理論上の最適値に近い動作を困難にしている。さらに、生成物流の精製と圧縮に必要なエネルギーも大量になる。

[0005]生成物流の効率的な精製および圧縮は、新しい炭素捕捉技術を広く採用するために極めて重要である。大規模に稼働する産業用用途は、パイプラインに対応しているか、高圧（つまり、超臨界圧力以上）で酸素と水の含有量が極めて低い状態で、十分に準備ができている必要がある。従来の方法とシステムを使用すると、これらの圧力と純度に対するエネルギー要件は、ほとんどの用途にとって法外なものになる。

[0006]一態様によれば、収着剤材料から収着物質ガスを回収するためのシステムは、開口部を有し、再生容器の開口部を通して物理的に移動された収着剤構造を封入するように構成された再生容器を含み、収着剤構造は、収着物質ガスが収着された収着剤材料を含む。このシステムはまた、再生容器に連通可能に結合され、第１の温度に加熱されて水蒸気を生成する液体水供給装置と、少なくとも１つのヒートポンプとを含む。少なくとも１つのヒートポンプの各ヒートポンプは、少なくとも１つの閉流体回路、少なくとも１つのヒートポンプ凝縮器、少なくとも１つのヒートポンプ蒸発器、少なくとも１つのヒートポンプ減圧器、少なくとも１つの冷媒、および少なくとも１つのヒートポンプ圧縮器を含む。各閉流体回路は、少なくとも１つのヒートポンプ凝縮器のうちの１つと、少なくとも１つのヒートポンプ蒸発器のうちの１つと、少なくとも１つの冷媒のうちの１つと、少なくとも１つのヒートポンプ減圧器のうちの１つと、少なくとも１つのヒートポンプ圧縮器のうちの１つと、を含む。このシステムは、再生容器に連通可能に接続され、液体ポンプを介して液体水供給装置にも連通可能に接続され、少なくとも１つのヒートポンプの第１の閉流体回路と熱的に接触する凝縮器を含む。第１の閉流体回路はまた、第１の温度よりも低い第２の温度で凝縮器から熱が除去され、第１の閉流体回路によって第１の温度で液体水供給装置に提供されるように、液体水供給装置と熱接触している。このシステムはまた、凝縮器に連通可能に結合された第１の圧縮器を含む。再生容器内の収着剤構造は、再生容器が第１の温度の水の飽和蒸気圧に対応する圧力より低い全圧まで排気された後、第１の温度で液体水供給装置からの水蒸気と流体接触する。水蒸気が収着剤材料と接触すると、収着物質ガスの一部が放出され、収着物質ガスと水蒸気を含む蒸気混合物が形成され、全圧が収着物質の三重点圧力よりも高くなる。蒸気混合物は再生容器から取り出され、凝縮器によって冷却され、そこで蒸気混合物内の水蒸気の一部が液体水に凝縮され、液体ポンプによって液体水供給装置に戻される。蒸気混合物の残りは、第１の圧縮器によって第１の収着物質生成物ガスに圧縮される。収着物質ガスには二酸化炭素が含まれる。少なくとも１つのヒートポンプは、第２の閉流体回路および第３の閉流体回路をさらに含む。第１の収着物質生成物ガスは、少なくとも１つのヒートポンプの第２の閉流体回路のヒートポンプ蒸発器と熱的に接触している。第２の閉流体回路は、第２の温度より低く、また水の融点よりも低い第３の温度で第１の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、その結果、第３の温度で第２の収着物質生成物ガスと固体水が得られる。第２の閉流体回路によって抽出される熱は、第２の閉流体回路によって、第１の温度の液体水供給装置および第２の温度と第１の温度との間の第４の温度で第１の閉流体回路のヒートポンプ蒸発器の下流の第１の閉流体回路のうちの１つに供給される。第２の収着物質生成物ガスは、少なくとも１つのヒートポンプの第３の閉流体回路のヒートポンプ蒸発器と熱的に接触している。第３の閉流体回路は、第３の温度より低く、また収着物質の沸点よりも低い第５の温度で第２の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、その結果、第５の温度で液化収着物質および揮発性ガスが得られる。

[0007]特定の実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を備えることができる。第１の閉流体回路と第２の閉流体回路は、同じヒートポンプに属していてもよい。第１の閉流体回路、第２の閉流体回路、および／または第３の閉流体回路は、同じヒートポンプに属していてもよい。収着剤材料は固体であってもよい。収着剤材料は、イオン交換樹脂、官能化ポリマー、活性炭、炭酸塩、リン酸塩、アミン基を含む材料、アンモニウム基を含む材料、およびアミン基とアンモニウム基を含む材料のうちの少なくとも１つを含み得る。収着物質ガスは、温度スイング、圧力スイング、および水分スイングのうちの少なくとも１つによって収着剤から除去され得る。第１の温度は４０℃と１２０℃の間であってもよい。第２の温度は０℃と４０℃の間であってもよい。第３の温度は０°Ｃと－５６°Ｃの間であってもよい。固体水の少なくとも一部が融解して液体水供給装置に移送され得る。固体水は周囲熱を使用して融解することができる。固体水は、少なくとも１つのヒートポンプのうちの１つによって提供される熱を使用して融解することができる。揮発性ガスは、窒素、酸素、メタン、水素、および一酸化炭素のうちの少なくとも１つを含むことができる。第３の温度は、第３の温度での第２の収着物質生成物ガス中の水の濃度が第５の温度での液化収着物質の水溶解度濃度よりも低くなるように、十分に低く選択することができる。このシステムは、液化収着物質を受け取り、液化収着剤の圧力をさらに上昇させるように構成された機械ポンプをさらに含むことができる。液化収着物質の最終圧力は、二酸化炭素の超臨界圧力と少なくとも等しくてもよい。凝縮器によって第２の温度で液体水として凝縮された水は、液体水供給装置に戻される前に、まず周囲熱によって周囲温度付近またはそれ以下の第６の温度まで加熱され得る。第１の温度は、加熱中に水蒸気と収着剤構造との間の温度差が最小限に抑えられるように上昇し得る。

[0008]本開示の別の態様によれば、収着剤材料から収着物質ガスを回収するためのシステムは、収着剤構造を封入するように構成された再生容器を含み、これは、収着物質ガスが収着された収着剤材料と、再生容器に連通可能に接続され第１の温度に加熱されて水蒸気を生成する液体水供給装置とを含む。このシステムはまた、少なくとも１つのヒートポンプと、再生容器に連通可能に結合され、液体ポンプを介して液体水供給装置にも連通可能に結合された凝縮器とを含む。凝縮器は、少なくとも１つのヒートポンプの第１のヒートポンプと熱的に接触している。ヒートポンプはまた、液体水供給装置と熱接触するため、熱が第１の温度よりも低い第２の温度度で凝縮器から除去され、第１ヒートポンプによって第１の温度で液体水供給装置に提供される。このシステムはまた、凝縮器に連通可能に結合された第１の圧縮器を含む。再生容器内の収着剤構造は、再生容器が第１の温度における水の飽和蒸気圧に相当する圧力よりも低い全圧まで排気された後、第１の温度の液体水供給装置からの水蒸気と流体接触して配置され、水蒸気が収着剤材料と接触すると、収着物質ガスの一部が放出され、収着物質ガスと水蒸気を含む蒸気混合物が形成され、全圧が収着物質の三重点圧力よりも高くなる。蒸気混合物は再生から除去され、凝縮器によって冷却され、そこで蒸気混合物内の水蒸気の一部が液体水に凝縮され、液体ポンプによって液体水供給装置に戻される。蒸気混合物の残りは、第１の圧縮器によって第１の収着物質生成物ガスに圧縮される。

[0009]特定の実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を備えることができる。第１の収着物質生成物ガスは、少なくとも１つのヒートポンプの第２のヒートポンプと熱的に接触していてもよい。第２のヒートポンプは、第２の温度よりも低く、また水の融点よりも低くてもよい第３の温度で第１の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、その結果、第３の温度で第２の収着物質生成物ガスおよび固体水が得られ得る。少なくとも１つのヒートポンプのうちの第２のヒートポンプによって抽出される熱は、第２のポンプによって、第１の温度で液体水供給装置と第２の温度と第１の温度との間の第４の温度で第１のヒートポンプのうちの１つに供給され得る。第２の収着物質生成物ガスは、少なくとも１つのヒートポンプの第３のヒートポンプと熱的に接触していてもよい。第３のヒートポンプは、第３の温度よりも低く、また収着物質の沸点よりも低くてもよい第５の温度で第２の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、その結果、第５の温度で液化収着物質および揮発性ガスが得られ得る。第１のヒートポンプと第２のヒートポンプは同じヒートポンプであってもよい。第１のヒートポンプ、第２のヒートポンプ、および第３のヒートポンプは、すべて同じヒートポンプであってもよい。再生容器は、収着物質の捕捉と回収のための収着物質の放出との間で移行するときに、収着剤構造が物理的に移動することができる開口部を含むことができる。収着物質には二酸化炭素が含まれていてもよい。少なくとも１つのヒートポンプは、蒸気圧縮サイクル、蒸気吸収サイクル、蒸気吸着サイクル、または熱電冷凍機のうちの１つとして動作することができる。少なくとも１つのヒートポンプの各ヒートポンプは、少なくとも１つの閉流体回路、少なくとも１つのヒートポンプ凝縮器、少なくとも１つのヒートポンプ蒸発器、少なくとも１つのヒートポンプ減圧器、少なくとも１つの冷媒、および／または少なくとも１つのヒートポンプ圧縮器を含み得る。各閉流体回路は、少なくとも１つのヒートポンプ凝縮器のうちの１つと、少なくとも１つのヒートポンプ蒸発器のうちの１つと、少なくとも１つの冷媒のうちの１つと、少なくとも１つのヒートポンプ減圧器のうちの１つと、少なくとも１つのヒートポンプ圧縮器のうちの１つと、を含む。第１の収着物質生成物ガスは、少なくとも１つのヒートポンプの第２の閉流体回路のヒートポンプ蒸発器と熱的に接触していてもよい。第２の閉流体回路は、第２の温度よりも低く、また水の融点よりも低くてもよい第３の温度で第１の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、その結果、第３の温度で第２の収着物質生成物ガスと固体水が得られ得る。第２の閉流体回路によって抽出される熱は、第２の閉流体回路によって、第１の温度の液体水供給装置および第２の温度と第１の温度との間の第４の温度で第１の閉流体回路のヒートポンプ蒸発器の下流の第１の閉流体回路のうちの１つに供給することができる。第２の収着物質生成物ガスは、少なくとも１つのヒートポンプの第３の閉流体回路のヒートポンプ蒸発器と熱接触していてもよい。第３の閉流体回路は、第３の温度よりも低く、また収着物質の沸点よりも低くてもよい第５の温度で第２の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、第５の温度で液化収着物質および揮発性ガスを得ることができる。第１の閉流体回路と第２の閉流体回路は、同じヒートポンプに属していてもよい。第１の閉流体回路、第２の閉流体回路、および第３の閉流体回路は、同じヒートポンプに属していてもよい。収着剤材料は固体であってもよい。収着剤材料は、イオン交換樹脂、官能化ポリマー、活性炭、炭酸塩、リン酸塩、アミン基を含む材料、アンモニウム基を含む材料、およびアミン基とアンモニウム基を含む材料のうちの少なくとも１つを含み得る。収着物質は、温度スイング、圧力スイング、および水分スイングのうちの少なくとも１つによって収着剤から除去され得る。第１の温度は、４０℃と１２０℃の間であってもよい。第２の温度は０℃と４０℃の間であってもよい。第３の温度は０°Ｃと－５６°Ｃの間であってもよい。固体水の少なくとも一部が融解して液体水供給装置に移送され得る。固体水は周囲熱を使用して融解することができる。固体水は、少なくとも１つのヒートポンプのうちの１つによって提供される熱を使用して融解することができる。揮発性ガスは、窒素、酸素、メタン、水素、および一酸化炭素のうちの少なくとも１つを含むことができる。流体には、１０モル％以下の高揮発性成分が含まれ得る。収着剤構造が水蒸気に曝露されている間の再生容器内の圧力は、５２０ｋｐａと３０００ｋｐａの間であり得る。第３の温度は、第３の温度での第２の収着物質生成物ガス中の水の濃度が第５の温度での液化収着物質の水溶解度濃度よりも低くなるように、十分に低く選択することができる。このシステムは、液化収着物質を受け取り、液化収着剤の圧力をさらに上昇させるように構成された機械ポンプをさらに含むことができる。液化収着物質の最終圧力は、二酸化炭素の超臨界圧力と少なくとも等しくてもよい。凝縮器によって第２の温度で液体水として凝縮された水は、液体水供給装置に戻される前に、まず周囲熱によって周囲温度付近またはそれ以下の第６の温度まで加熱され得る。再生容器に供給される水蒸気は、再生容器の全圧を加圧し、飽和蒸気圧に対応する圧力またはそれに近い圧力に維持することができる。再生容器は、第１の温度における水の飽和圧力の少なくとも８５％である全圧に維持され得る。第１の温度の液体水供給装置と再生容器との間の流体接続は、放出された収着物質ガスが全圧を第１の温度の水蒸気の飽和蒸気圧を超えるまで上昇させるように、断続的に閉じられてもよい。収着剤材料と接触する水蒸気の一部は、顕熱伝達、凝縮、吸収、吸着および発熱反応のうちの少なくとも１つによって収着剤材料に熱を提供することができる。水蒸気の一部は収着物質ガスと結合し得、その結果、再生容器の全圧は、収着剤材料と平衡にある収着物質蒸気の蒸気圧よりも高くなる可能性がある。第１の温度は、加熱中に水蒸気と収着剤構造との間の温度差が最小限になるように上昇し得る。このシステムは、再生容器内に液体水供給装置に連通可能に結合された少なくとも１つのノズルをさらに含むことができる。液体水供給装置からの加熱された液体水が少なくとも１つのノズルを通過し、加熱された液体水の一部が水蒸気に膨張するときに、水蒸気が再生容器に導入されてもよく、水蒸気と水滴を含む熱い霧を生成する。このシステムは、液体水供給装置と流体連通し、再生容器内の少なくとも１つのノズルに送出される加熱された液体水を加圧する第２の液体ポンプをさらに含むことができる。第２の収着物質生成物ガスは、少なくとも１つのヒートポンプの第２のヒートポンプと熱的に接触し得る蒸留ユニット内で凝縮されてもよく、蒸留ユニットは、第２の収着物質生成物ガスを液化収着物質および揮発性ガスに凝縮する。第２の収着物質生成物ガスは、少なくとも１つのヒートポンプの第２の閉流体回路のヒートポンプ蒸発器と熱的に接触し得る蒸留ユニット内で凝縮され得、蒸留ユニットは、第２の収着物質生成物ガスを液化収着物質と揮発性ガスに凝縮する。システムは、少なくとも１つのヒートポンプのうちの第４のヒートポンプをさらに含むことができる。第４のヒートポンプおよび第２のヒートポンプは、第１の収着物質生成物ガスと断続的に流体接触していてもよく、その結果、第４のヒートポンプと第２のヒートポンプのうちの一方が第１の収着物質生成物ガスと流体接触しているとき、第４のヒートポンプと第２のヒートポンプの他方は第１の収着物質生成物ガスから隔離され得る。第４のヒートポンプは、第１の収着物質生成物ガスから第３の温度で熱を抽出し、その結果、第３の温度で第２の収着物質生成物ガスと固体水が得られ得る。このシステムは、第４のヒートポンプおよび第２のヒートポンプのうちの一方が第１の収着物質生成物ガスと流体接触することができるとき、固体水の少なくとも一部が第４のヒートポンプの他方と熱的に接触し、第２のヒートポンプが融解して液体水供給装置に移送され得るように構成され得る。このシステムは、少なくとも１つのヒートポンプの第４の閉流体回路をさらに含むことができる。第４の閉流体回路および第２の閉流体回路は、第１の収着物質生成物ガスと断続的に流体接触していてもよく、その結果、第４の閉流体回路および第２の閉流体回路のうちの一方が第１の収着物質生成物ガスと流体接触しているとき、第４の閉流体回路および第２の閉流体回路の他方は、第１の収着物質生成物ガスから隔離され得る。第４の閉流体回路は、第３の温度で第１の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、その結果、第３の温度で第２の収着物質生成物ガスと固体水が得られ得る。システムが、第４の閉流体回路および第２の閉流体回路のうちの一方が第１の収着物質生成物ガスと流体接触しているとき、固体水の少なくとも一部が、第４の閉流体回路および第２の閉流体回路の他方と熱的に接触し、融解して液体水供給装置に移送されるように構成され得る。

[0010]本開示のさらに別の態様によれば、収着剤材料から収着物質ガスを回収するための方法は、再生容器内に収着物質ガスが収着された収着剤材料を含む収着剤構造を収容するステップを含む。この方法はまた、液体水供給装置に第１の温度の熱を提供することによって水蒸気を生成するステップと、再生容器の全圧を、第１の温度における水の飽和蒸気圧に相当する圧力未満に低下させるステップと、第１の温度の水蒸気を再生容器に導入するステップと、水蒸気を収着剤材料と流体接触させ、収着物質ガスの一部を放出させ、収着物質ガスと水蒸気を含む蒸気混合物を形成させるステップと、再生容器内の全圧を収着物質の三重点圧力よりも高くするステップと、を含む。この方法は、再生容器に連通可能に接続され、液体ポンプを介して液体水供給装置にも連通可能に接続された凝縮器と蒸気混合物を流体接触させることによって、蒸気混合物が再生容器から出ることを可能にするステップを含み、凝縮器は、液体水供給装置とも熱的に接触している第１のヒートポンプと熱的に接触しており、第１のヒートポンプは少なくとも１つのヒートポンプのうちの１つである。この方法はまた、第１のヒートポンプを使用して、第１の温度よりも低い第２の温度で蒸気混合物から熱を除去するステップと、蒸気混合物中の水蒸気の一部を凝縮させて液体水にするステップと、第２の温度で蒸気混合物から除去された熱を、第１の温度で液体水供給装置に供給するステップと、液体ポンプを使用して、蒸気混合物から凝縮した液体水を液体水供給装置に戻すステップと、を含む。最後に、この方法は、凝縮器に連通可能に接続された第１の圧縮器を用いて蒸気混合物の残りを圧縮して、第１の収着物質生成物ガスを形成することを含む。

[0011]特定の実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を備えることができる。この方法は、第１の収着物質生成物ガスと熱的に接触している第２のヒートポンプを用いて、第１の収着物質生成物ガスから第３の温度で熱を抽出し、第３の温度で第２の収着物質生成物ガスおよび固体水を得ることをさらに含んでもよい。第３の温度は、第２の温度より低くてもよく、また水の融点よりも低くてもよい。この方法は、少なくとも１つのヒートポンプの第２のヒートポンプによって抽出された熱を、第１の温度の液体水供給装置および第２の温度と第１の温度との間の第４の温度の第１のヒートポンプのうちの１つに提供することをさらに含むことができる。この方法はさらに、第２の収着物質生成物ガスと熱的に接触する第３ヒートポンプを用いて第５の温度で第２の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、第５の温度で液化収着物質および揮発性ガスを生成することを含んでもよい。第５の温度は、第３の温度より低くてもよく、また収着物質の沸点よりも低くてもよい。第１のヒートポンプと第２のヒートポンプは同じヒートポンプであってもよい。第１のヒートポンプ、第２のヒートポンプ、および第３のヒートポンプは、同じヒートポンプであってもよい。この方法は、再生容器の全圧を低下させる前に、再生容器の開口部を通して収着剤構造を再生容器内に物理的に移動させることをさらに含んでもよい。収着物質には二酸化炭素が含まれていてもよい。少なくとも１つのヒートポンプは、蒸気圧縮サイクル、蒸気吸収サイクル、蒸気吸着サイクル、または熱電冷凍機のうちの１つとして動作することができる。少なくとも１つのヒートポンプの各ヒートポンプは、少なくとも１つの閉流体回路、少なくとも１つのヒートポンプ凝縮器、少なくとも１つのヒートポンプ蒸発器、少なくとも１つのヒートポンプ減圧器、少なくとも１つの冷媒、および少なくとも１つのヒートポンプ圧縮器を含み得る。各閉流体回路は、少なくとも１つのヒートポンプ凝縮器のうちの１つ、少なくとも１つのヒートポンプ蒸発器のうちの１つ、少なくとも１つの冷媒のうちの１つ、少なくとも１つのヒートポンプ減圧器のうちの１つ、および少なくとも１つのヒートポンプ圧縮器のうちの１つを含むことができる。この方法は、第１の収着物質生成物ガスと熱的に接触している少なくとも１つのヒートポンプの第２の閉流体回路を用いて、第１の収着物質生成物ガスから第３の温度で熱を抽出するステップを含むことができ、その結果、第３の温度で第２の収着物質生成物ガスと固体水が得られる。第３の温度は、第２の温度より低くてもよく、また水の融点よりも低くてもよい。この方法は、第２の閉流体回路によって抽出された熱を、第１の温度の液体水供給装置および第２の温度と第１の温度との間の第４の温度で第１の閉流体回路のヒートポンプ蒸発器の下流の第１の閉流体回路のうちの１つに提供することを含むことができる。この方法は、第２の収着物質生成物ガスと熱的に接触している少なくとも１つのヒートポンプの第３の閉流体回路を用いて、第５の温度で第２の収着物質生成物ガスから熱を抽出するステップを含むことができ、その結果、第５の温度で液化収着物質と揮発性ガスが生成される。第５の温度は、第３の温度より低くてもよく、また収着物質の沸点よりも低くてもよい。第１の閉流体回路および第２の閉流体回路は、少なくとも１つのヒートポンプのうちの同じヒートポンプに属してもよい。第１の閉流体回路、第２の閉流体回路、および第３の閉流体回路は、少なくとも１つのヒートポンプのうちの同じヒートポンプに属してもよい。収着剤材料は固体であってもよい。収着剤材料は、イオン交換樹脂、官能化ポリマー、活性炭、炭酸塩、リン酸塩、アミン基を含む材料、アンモニウム基を含む材料、およびアミン基とアンモニウム基を含む材料のうちの少なくとも１つを含み得る。収着物質は、温度スイング、圧力スイング、および水分スイングのうちの少なくとも１つによって収着剤から除去され得る。第１の温度は４０℃と１２０℃の間であってもよい。第２の温度は０℃と４０℃の間であってもよい。第３の温度は０°Ｃと－５６°Ｃの間であってもよい。この方法は、固体水の少なくとも一部を融解するステップと、上記水を液体水供給装置に添加するステップとを含むことができる。固体水は周囲熱を使用して融解することができる。固体水は、少なくとも１つのヒートポンプのうちの１つによって提供される熱を使用して融解することができる。揮発性ガスは、窒素、酸素、メタン、水素、および一酸化炭素のうちの少なくとも１つを含むことができる。流体には、１０モル％以下の高揮発性成分が含まれ得る。収着剤構造が水蒸気に曝露されている間の再生容器内の圧力は、５２０ｋｐａと３０００ｋｐａの間であり得る。第３の温度は、第３の温度での第２の収着物質生成物ガス中の水の濃度が第５の温度での液化収着物質の水溶解度濃度よりも低くなるように、十分に低く選択され得る。この方法は、液化収着物質を受け取るように構成された機械ポンプを用いて液化収着剤の圧力を増加させることを含んでもよい。液化収着物質の最終圧力は、二酸化炭素の超臨界圧力と少なくとも等しくてもよい。この方法は、蒸気混合物から凝縮した液体水を液体水供給装置に戻す前に、周囲熱を使用して周囲温度付近またはそれ以下の第６の温度まで加熱することを含んでもよい。再生容器に供給される水蒸気は、再生容器の全圧を加圧し、飽和蒸気圧に対応する圧力またはそれに近い圧力に維持することができる。再生容器は、第１の温度における水の飽和圧力の少なくとも８５％である全圧に維持され得る。この方法は、第１の温度の液体水供給装置と再生容器との間の流体接続を断続的に閉じ、放出された収着物質ガスによって再生容器の全圧を第１の温度の水蒸気の飽和蒸気圧を超えるまで上昇させることを含むことができる。収着剤材料と接触する水蒸気の一部は、顕熱伝達、凝縮、吸収、吸着および発熱反応のうちの少なくとも１つによって収着剤材料に熱を提供することができる。水蒸気の一部は収着物質ガスと結合し得、その結果、再生容器の全圧は、収着剤材料と平衡にある収着物質蒸気の蒸気圧よりも高くなる可能性がある。第１の温度は、加熱中に水蒸気と収着剤構造との間の温度差が最小限になるように上昇し得る。この方法は、第５の温度の揮発性ガスをヒートシンクとして使用するステップを含んでもよい。この方法は、有用な作用を生み出すために第５の温度で揮発性ガスを使用するステップを含むことができる。この方法は、乾燥プロセスの一部として乾燥ガスの供給源として第５の温度の揮発性ガスを使用するステップを含んでもよい。この方法は、空気圧装置の動作のための乾燥ガスの供給源として第５の温度の揮発性ガスを使用するステップを含んでもよい。水蒸気を生成することは、加熱された液体水を液体水供給装置から少なくとも１つのノズルに通すことを含み、ノズルは再生容器内にあり、液体水供給装置に連通可能に接続されている。加熱された液体水の一部は、再生容器内で水蒸気と水滴を含む熱い霧を生成して水蒸気に膨張し得る。この方法は、液体水供給装置と流体連通する第２の液体ポンプを用いて、再生容器内の少なくとも１つのノズルに送出される加熱された液体水を加圧することを含んでもよい。この方法は、第２のヒートポンプと熱的に接触し得る蒸留ユニット内で第２の収着物質生成物ガスを凝縮することを含み得、蒸留ユニットは、第２の収着物質生成物ガスを液化収着物質および揮発性ガスに凝縮する。この方法は、少なくとも１つのヒートポンプの第２の閉流体回路のヒートポンプ蒸発器と熱的に接触している蒸留ユニット内で第２の収着物質生成物ガスを凝縮することを含んでもよく、蒸留ユニットは、第２の収着物質生成物ガスを液化収着物質と揮発性ガスに凝縮する。この方法は、第２のヒートポンプおよび第４のヒートポンプを第１の収着物質生成物ガスと流体接触するように断続的に配置することを含んでもよく、その結果、第４のヒートポンプと第２のヒートポンプのうちの一方が第１の収着物質生成物ガスと流体接触しているとき、第４のヒートポンプと第２のヒートポンプの他方が第１の収着物質生成物ガスから隔離される。この方法は、第４のヒートポンプを用いて第３の温度で第１の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、第３の温度で第２の収着物質生成物ガスおよび固体水を得ることを含むことができる。この方法は、第４のヒートポンプおよび第２のヒートポンプのうちの１つと熱接触して固体水の少なくとも一部を融解することを含むことができ、一方、第４のヒートポンプと第２のヒートポンプの他方は、第１の収着物質生成物ガスと流体接触している。この方法は、融解した固体水の一部から液体水を液体水供給装置に移送することを含んでもよい。この方法は、第２のヒートポンプおよび第４の閉流体回路を第１の収着物質生成物ガスと流体接触するように断続的に配置することを含んでもよく、その結果、第４の閉流体回路および第２の閉流体回路のうちの一方が第１の収着物質生成物ガスと流体接触しているとき、第４の閉流体回路および第２の閉流体回路の他方は第１の収着物質生成物ガスから隔離される。この方法は、第４の閉流体回路を用いて第３の温度で第１の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、第３の温度で第２の収着物質生成物ガスおよび固体水を得ることを含むことができる。この方法は、第４の閉流体回路および第２の閉流体回路のうちの１つと熱接触している固体水の少なくとも一部を融解することを含むことができ、一方、第４の閉流体回路および第２の閉流体回路の他方は、第１の収着物質生成物ガスと流体接触している。この方法は、融解した固体水の一部から液体水を液体水供給装置に移送することを含んでもよい。

[0012]ここで提示される開示の態様および応用は、以下の図面および詳細な説明で説明される。特に断りのない限り、本明細書および特許請求の範囲における単語および語句には、当業者にとって平易で、通常の、慣れ親しんだ意味が与えられることが意図されている。発明者らは、必要に応じて自分自身の辞書編纂者になれることを十分に承知している。発明者らは、特に明記しない限り、明細書および特許請求の範囲における用語の明白かつ通常の意味のみを使用することを自らの辞書編集者として明示的に選択し、さらに、その用語の「特別な」定義を明確に示し、それが明白な通常の意味とどのように異なるかを説明する。「特別な」定義を適用するというそのような明確な意図の表明がない場合、用語の単純、明白かつ通常の意味が明細書および特許請求の範囲の解釈に適用されることが発明者の意図および願望である。

[0013]発明者らは、英語の文法の通常の原則についても認識している。したがって、名詞、用語、または語句が何らかの方法でさらに特徴付けられ、特定され、または絞り込まれることが意図されている場合、次いで、そのような名詞、用語、または語句には、英語の文法の通常の規則に従って、追加の形容詞、記述用語、またはその他の修飾語が明示的に含まれる。そのような形容詞、記述用語、または修飾語が使用されていない場合、そのような名詞、用語、または語句には、上記の該当分野の当業者にとって明白で通常の英語の意味が与えられることが意図されている。

[0014]さらに、発明者らは、米国特許法第１１２条（ｆ）の特別規定の規格および適用について十分に知っている。したがって、詳細な説明または図面の説明または特許請求の範囲における「機能」、「手段」、または「ステップ」という用語の使用は、発明を定義するために何らかの形で米国特許法第１１２条（ｆ）の特別規定を発動したいという願望を示すことを意図したものではない。逆に、米国特許法第１１２条（ｆ）の規定が適用される場合、発明を定義するために援用されることが求められており、特許請求の範囲には、「手段」または「ステップ」という正確な語句が具体的かつ明示的に記載され、また、「機能」という単語も記載し（つまり、「［機能を挿入］の機能を実行するための手段」と述べる）、そのような語句では、その機能を支持する構造、材料、または行為も言及しない。したがって、特許請求の範囲に「～の機能を実行するための手段」または「の機能を実行するためのステップ」が記載されている場合でも、特許請求の範囲が、その手段やステップを支持する、または記載された機能を実行する何らかの構造、材料、または行為についても記載している場合、したがって、米国特許法第１１２条（ｆ）の規定を援用しないというのが発明者の明確な意図である。さらに、たとえ米国特許法第１１２条（ｆ）の規定が請求された態様を定義するために援用された場合でも、これらの態様は、好ましい実施形態で説明される特定の構造、材料、または動作のみに限定されないことが意図されている。しかしさらに、本開示の代替実施形態または形態に記載されているように、請求された機能を実行するまたは特許請求の範囲に記載されている機能を実行するための、現在または今後開発される周知の同等の構造、材料、または行為であるあらゆる構造、材料、または行為を含む。

[0015]前述および他の態様、特徴、および利点は、説明および図面、ならびに特許請求の範囲から当業者には明らかとなるであろう。

[0016]以下、本開示を添付の図面と併せて説明するが、同様の符号は同様の要素を示す。

[0017]収着物質回収システムおよび方法の概略図である。 [0018]少なくとも３つのヒートポンプを備える収着物質回収システムの別の実施形態の概略図である。 [0019]少なくとも３つのヒートポンプを備える収着物質回収システムの異なる実施形態の概略図である。 [0020]単一のヒートポンプを備える収着物質回収システムの一実施形態の概略図である。 [0021]単一のヒートポンプを備える収着物質回収システムの別の実施形態の概略図である。 [0022]２つのヒートポンプおよび蒸留ユニットを備える収着物質回収システムの一実施形態の概略図である。

[0023]本開示、その態様および実装は、本明細書に開示される特定の材料タイプ、構成要素、方法、または他の例に限定されない。当技術分野で知られている多くの追加の材料タイプ、構成要素、方法、および手順が、本開示の特定の実装で使用するために企図される。したがって、例えば、特定の実装が開示されているが、そのような実装および実装構成要素は、意図された動作と一致する、そのようなシステムおよび実装構成要素に関して当技術分野で知られている任意の構成要素、モデル、タイプ、材料、バージョン、数量などを含み得る。

[0024]用語「例示的な」、「例」、またはそのさまざまな形態は、本明細書では、例、実例、または図として機能することを意味するために使用される。「例示的」または「例」として本明細書に記載されるいかなる態様または設計も、必ずしも他の態様または設計より好ましいまたは有利であると解釈されるべきではない。さらに、例は、明確化および理解を目的としてのみ提供されており、いかなる形であっても本開示の開示主題または関連部分を制限または限定することを意図するものではない。さまざまな範囲の無数の追加または代替の例を提示することができたが、簡潔にするために省略したことを理解されたい。

[0025]本開示には、多くの異なる形態の多くの実施形態が含まれるが、これらは図面に示されており、本開示は、開示される方法およびシステムの原理の例示として考慮されるべきであり、開示される概念の広範な態様を図示された実施形態に限定することを意図するものではないことの理解の下で特定の実施形態を本明細書に詳細に説明する。

[0026]周囲空気から二酸化炭素を除去する技術の必要性は十分に確立されている。差し迫った気候変動の危機を回避するには、保全、炭素削減プロセス、現場での捕捉の取り組みに加えて、大気からかなりの量の二酸化炭素を除去する必要がある。それにもかかわらず、これらの技術はまだ新しく、初期の空気捕捉プロセスの動作には大量のエネルギーが必要である。周囲空気中の二酸化炭素は非常に希薄であるため、大気中の二酸化炭素回収装置は、空気を大量に吸引して処理するための厳しいエネルギー予算をすぐに超過してしまう可能性がある。

[0027]大気中の二酸化炭素濃度が低いため、大気から二酸化炭素を捕捉することは困難である。空気から二酸化炭素を除去するための理論上の最小エネルギー要件は非常に小さい（約２２ｋＪ／モル）にもかかわらず、ほとんどの実際のプロセスには大きな非効率が含まれており、理論上の最適値に近い動作を困難にしている。さらに、生成物流の精製と圧縮に必要なエネルギーも大量になる。

[0028]生成物流の効率的な精製および圧縮は、新しい炭素捕捉技術を広く採用するために極めて重要である。大規模に稼働する産業用用途は、パイプラインに対応しているか、高圧（つまり、超臨界圧力以上）で酸素と水の含有量が極めて低い状態で、十分に準備ができている必要がある。従来の方法とシステムを使用すると、これらの圧力と純度に対するエネルギー要件は、ほとんどの用途にとって法外なものになる。

[0029]本明細書では、資源効率の高い方法で大気中の二酸化炭素を捕捉するためのシステムおよび方法が企図されている。具体的には、本明細書で企図されるのは、二酸化炭素または他の収着物質ガスを収着剤から効率的に回収し、次に収着物質を精製して収着物質ガスの圧縮流、または収着物質の凝縮液体形態を生成することを可能にするシステムおよび方法である。本開示は、プロセス設計におけるエネルギー消費および他のコストを最小限に抑えるために、熱、圧力、および水分スイングアプローチを組み合わせるシステム、装置、およびプロセスについて説明する。さまざまな実施形態によれば、企図されるシステムおよび方法は、キャリアまたは掃引ガスとして蒸気を使用する。いくつかの実施形態はまた、機械機器を介してガス圧縮および精製ユニット内で必要な熱のすべてまたはほぼすべてを生成する間、システムに熱を供給し、システムから熱を除去するための機構として水の凝縮および蒸発を使用し、高圧で本質的に純粋な二酸化炭素を生成する分離技術を採用する。

[0030]以下に説明するように、さまざまな実施形態によれば、加熱に必要なエネルギーと消費される水の両方が実質的に回収され、全体のエネルギー効率が向上し、ガス分離のユーティリティ要件が低下する。過剰エネルギー（例えば、収着物質脱離によって直接消費されるエネルギーを超えるエネルギー）は、生成物流出物中の水蒸気、および蒸発冷却によって再生容器から除去される追加の水蒸気を冷却および凝縮することによって実質的に回収される。冷却と凝縮中に除去された顕熱と気化熱は、１つまたは複数のヒートポンプを使用して昇温され、その後蒸気の生成に使用される。いくつかの実施形態では、この水蒸気は、再利用のために実質的に回収される水を使用して生成される。これにより、プロセスの特定のエネルギー要件と水の消費量が最小限に抑えられる。

[0031]本明細書で企図されるシステムおよび方法を使用して、従来のシステムや方法で消費される資源（例えば、エネルギー、水など）の一部を使用して、大気から低品位の二酸化炭素を取り出し、精製された液体二酸化炭素を生成することが可能である。以下で説明するように、カスケード冷凍の概念を精製および加圧プロセスと調和して機能させることによって可能になる。

[0032]以下の説明の多くは、周囲の空気の流れから二酸化炭素を抽出するシステムの文脈で行われるが、本明細書で企図されるシステムおよび方法は、大気またはその他から採取される他の収着剤および収着物質ガスにも適用できることに留意されたい。例えば、いくつかの実施形態は、煙道ガスから二酸化炭素、または混合物から他のガスを除去するように適合されている。

[0033]一般に、収着／脱離システムは、サイクルの一部において収着物質の収着剤への結合を促進し、サイクルの別の部分において収着剤からの収着物質の放出を促進するために、１つまたは複数のプロセス条件の変更を伴う。収着剤の挙動を収着から脱着へ、またはその逆に変化させるために変更され得るプロセス変数には、温度、圧力、または他の化合物の存在の変化が含まれる。ガス状の収着物質の場合、温度が上昇すると収着物質の平衡分圧が上昇するため、収着物質の放出が促進される。逆に、一定の温度では、収着剤に対する収着物質の分圧が低下すると、収着剤と収着物質の間の反応が収着から脱離に逆転する。さらに、別の化学物質を導入することによって収着物質の放出に影響を与える可能性がある。これは、単に収着剤に競合的に結合して目的の収着物質を除去する別の収着物質である可能性がある。または、他の化学物質と収着剤および／もしくは収着物質の反応が収着物質と収着剤の結合の強度に影響を与える可能性がある。この後者の状況は、他の開示および研究文献に記載されている収着剤の水分スイングの場合に存在する。水分スイングは単に水が収着剤から二酸化炭素を置き換えることによって引き起こされるわけではないことに留意する必要がある。水の存在は収着物質（例えば、二酸化炭素など）と収着剤との間の相互作用を根本的に弱め、したがって収着物質の放出を誘発する。そうでない場合、収着剤を周囲条件に曝露するだけでは、一度結合した水は放出されない。

[0034]図１は、効率的な収着物質回収システム（以下、回収システムまたはシステム）の非限定的な例の概略図である。図示されるように、システム１００は、収着剤構造１０４、液体水供給装置１１０、少なくとも１つのヒートポンプ１２０、圧縮器１２６、および凝縮器１１８を封入するように構成された再生容器１０８を備える。いくつかの実施形態では、システム１００は、液体ポンプ１２２および何らかの追加の熱源（図示せず）を備えることもできる。これらの各要素については、以下で詳しく説明する。

[0035]再生容器１０８は、収着物質ガス１０２が収着された収着剤材料１０６を含む収着剤構造１０４を封入するように構成される。本開示は、二酸化炭素を効率的に回収するためのシステムおよび方法の非限定的な例に焦点を当てているが、本明細書で企図されるシステムおよび方法は、他の収着物質ガスを対象とする他の収着剤材料との使用に適合させることができることに、再度留意されたい。

[0036]再生容器１０８は、収着剤材料１０６から収着された収着物質ガス１０２を遊離させるために、収着物質構造１０４を高温および／または減圧に曝露するのに十分な程度に収着物質構造１０４を封入する。いくつかの実施形態では、図１～図６に示される非限定的な例を含み、再生容器１０８は、大気などの所望の供給源からの収着物質ガス１０２を収着剤材料１０６に装填した後、開口部１５４を通って容器１０８内で物理的に移動される収着剤構造１０４を受け入れるように構成され得る。いくつかの実施形態では、収着物質１０２は、自然対流によって収着剤構造１０４に運ばれる大気から収着剤構造１０４によって捕捉され得るが、他の実施形態では、収着物質１０２は、駆動された空気流から捕捉され得る。

[0037]いくつかの実施形態では、収着剤材料１０６は固体材料であり得るが、他の実施形態では、収着剤１０６は、周囲大気に曝露されるように固体材料内に保持された液体であり得る。例示的な収着剤１０６としては、イオン交換樹脂、官能化ポリマー、活性炭、炭酸塩、リン酸塩、またはアミン基、アンモニウム基、アミン基およびアンモニウム基を含む他の材料が挙げられるが、これらに限定されない。収着剤１０６からの収着物質１０２の放出を促進する多くの方法があり、これには、再生プロセスへの熱の使用（つまり、温度スイング）、低圧の使用（つまり、圧力スイング）、および水分の追加（つまり、水分スイング）が含まれるが、これらに限定されない。このアプローチにとって重要なことは、さまざまな実施形態によれば、水１３６の存在が収着物質１０２の放出を妨げないことである。上述したように、いくつかの実施形態では、収着物質１０２は周囲大気から捕捉され得るが、他の実施形態では、燃焼プロセスの出力などのより特定の供給源から捕捉され得る。

[0038]いくつかの実施形態では、収着剤材料１０６を含む収着剤構造１０４は、大気または周囲空気流と流体接触して配置され、その結果、１つまたは複数の構成成分である収着物質１０２が収着剤１０６に収着される。収着物質１０２が充填されると、収着剤構造１０４は固定再生容器１０８内に収容される。いくつかの実施形態では、収着剤構造１０４を再生容器１０８内に物理的に移動させることによって、収着剤構造１０４を大気から分離することができる。収着物質１０２が放出されて捕捉された後、収着剤構造１０４を容器１０８の外に移動させて、より多くの収着物質１０２を捕捉することができる。これが繰り返されて、脱着された収着物質１０２が断続的に流出する。いくつかの実施形態では、複数の収着剤構造１０４および再生容器１０８は、組み合わせられた流出流がほぼ定常状態の速度で提供されるように、順序をずらして動作することができる。

[0039]図示されるように、液体水供給装置１１０は、再生容器１０８に連通可能に結合される。いくつかの実施形態では、この流体連通は中断されなくてもよいが、他の実施形態では、バルブなどの流体接続１５６を介して制御可能であってもよく、これにより、以下でさらに説明するように、再生容器１０８と液体水供給装置１１０との間の流体連通を遮断することが可能になる。

[0040]システム１００は、少なくとも１つのヒートポンプ１２０も備える。さまざまな実施形態によれば、１つまたは複数のヒートポンプ１２０は、当技術分野で知られているように、蒸気圧縮サイクル、蒸気吸収サイクル、蒸気吸着サイクル、または熱電冷凍機のうちの１つとして動作する。例えば、いくつかの実施形態では、ヒートポンプは、１つまたは複数の閉流体回路１４２を有してもよく、各回路１４２は、１つまたは複数の冷媒１５０、１つまたは複数の蒸発器１４６、１つまたは複数の圧縮器１５２、１つまたは複数の凝縮器１４４、および１つまたは複数の減圧器１４８を有する。図示されるように、ヒートポンプ１２０は、（例えば、図１のシステム１００など）を中心とするまたは、（例えば、図３のシステム３００など）ヒートポンプ凝縮器１４４とヒートポンプ蒸発器１４６との間の熱交換器１６０を介してシステム１００の他の構成要素と相互作用する。ヒートポンプ（Ｓ）１２０は、さまざまな実施形態により、Ｒ－１２、Ｒ－１３、Ｒ－２２、Ｒ－２３、Ｒ－１３４ａ、Ｒ－１５２ａ、Ｒ－Ｅ１７０、Ｒ－２９０、Ｒ－５０２、Ｒ－５０３、Ｒ－５０７、Ｒ－５０８Ｂ、Ｒ－１２３４ｙｆ、Ｒ－４０４Ａ、Ｒ－４０７Ａ、Ｒ－６００、Ｒ－６００ａ、Ｒ－６３０、Ｒ－６３１、Ｒ－７１７、Ｒ－７６４、およびＲ－７４４から選択される冷媒１５０を使用してもよい。

[0041]以下は、本明細書で企図されるシステム１００を使用して収着物質ガス１０２を効率的に回収するための方法の非限定的な例である。まず、収着物質ガス１０２（例えば、二酸化炭素１０３など）を充填した収着剤構造１０４が、再生容器１０８内に配置される。「丸１」を参照されたい。

[0042]図１に示される非限定的な例は、再生容器１０８内に配置された収着剤材料１０６で覆われた単純なフレーム構造である。しかし、当業者であれば、このシステム１００は、再生容器１０８内に封入できる、上記の例などの適切な収着剤材料１０６を有する収着剤構造１０４の任意の実装とともに使用できることを認識するであろう（例えば、収着物質１０２の捕捉と回収のための収着物質１０２の放出との間で移行する際に、容器１０８内で物理的に移動することができる構造１０４）。

[0043]液体水供給装置１１０内の水は、水蒸気１１６が再生容器１０８に供給され得るように加熱される。「丸２」を参照されたい。示されるように、水蒸気１１６は、第１の温度１１２で再生容器１０８内の収着剤材料１０６に提供される。いくつかの実施形態では、第１の温度１１２は４０℃と１２０℃の間であってもよい。いくつかの実施形態では、第１の温度１１２はおよそ８０℃であってもよい。温度の選択は、水蒸気１１６が収着剤材料１０６と相互作用する圧力によって部分的に決まることに留意されたい。

[0044]以下で説明するように、液体水供給装置１１０は、水蒸気１１６がシステム１００内でさらに凝縮する際に、水蒸気１１６から回収された熱１２４を受け取る。いくつかの実施形態では、液体水供給装置１１０はまた、必要に応じて、追加のヒートポンプ１２０および／または他の熱源によって加熱されてもよい。

[0045]いくつかの実施形態では、収着剤構造１０４が再生容器１０８内に物理的に移動されると、容器１０８は他の大気ガス、特にエネルギーを費やして精製プロセスにさらに除去する必要がある揮発性ガスで満たされる。したがって、収着物質ガス１０２を放出する前に、これらの汚染ガス（例えば、窒素、酸素など）をできるだけ多く再生容器１０８から除去することが有利である。さらに、いくつかの実施形態では、容器１０８内で放出される水蒸気１１６は、大気圧または大気圧未満の圧力であってもよく、これは、水蒸気１１６の放出前に容器１０８を排気することによって予測され得る。もちろん、他の実施形態では、以下に説明するように、水蒸気１１６は高圧であってもよい。

[0046]容器１０８が閉じられた後、再生容器１０８の全圧１２８が低下する。「丸３」を参照されたい。さまざまな実施形態によれば、容器１０８は、第１の温度１１２（すなわち、「丸４」で水蒸気／蒸気が容器１０８に供給される温度）における水の飽和蒸気圧に対応する圧力よりも低い全圧１２８まで排気され得る。任意選択として、いくつかの実施形態では、収着物質ガス１０２および／または水蒸気１１６を使用して、排気前に残留する望ましくないガス成分を再生容器１０８から一掃することができる。

[0047]いくつかの実施形態では、容器１０８の全圧１２８は、凝縮器１１８と流体連通している圧縮器１２６によって低下させることができ、一方、他の実施形態では、容器１０８の圧力１２８は、異なる圧縮器（例えば、図６の第２の圧縮器６１６などを参照）を使用して、または異なる機構を通じて低減され得る。

[0048]収着剤材料１０６を充填した収着剤構造１０４が再生容器１０８内に密閉されると、再生サイクルの一部として、蒸気／水蒸気を介して熱および水分に曝露される。「丸４」を参照されたい。水蒸気１１６は、第１の温度１１２で容器１０８に導入され、水蒸気１１６を収着剤材料１０６と流体接触させ、収着物質ガス１０２の一部１３０を放出させて、収着物質ガス１０２と水蒸気１１６を含む蒸気混合物１３２を形成し、再生容器１０８内の全圧１２８を収着物質１０２の三重点圧力よりも高くする。この水蒸気は表面に結露を引き起こして、容器１０８内の収着剤１０６を均一に加熱し、それにより容器１０８内の収着物質１０２の分圧の増加を促進する。

[0049]さまざまな実施形態によれば、収着剤１０８と接触する水蒸気１１６の一部は、顕熱伝達、凝縮、吸収、吸着および発熱反応のうちの少なくとも１つによって収着剤１０８に熱を提供する。いくつかの実施形態では、第１の温度１１２の水蒸気１１６は、再生容器１０８の圧力を加圧し、飽和蒸気圧に対応する圧力またはその近くの圧力に維持する。他の実施形態では、再生容器１０８は、第１の温度１１２における水の飽和圧力の８５％以上の圧力に維持される。この水蒸気１１６は、より低い圧力にある容器１０８内で膨張する。

[0050]いくつかの実施形態では、液体水供給装置１１０は、事前に排気された容器１０８内に水蒸気１１６を形成させるのに多くの熱を必要としない。容器１０８を開いて液体水供給装置１１０を減圧に曝露すると、容器内で水蒸気１１６が自然発生し得る。

[0051]いくつかの実施形態では、第１の温度１１２にある液体水供給装置１１０と再生容器１０８との間の流体接続１５６は、断続的に閉じられる。これにより、脱着収着物質１０２は、全圧１２８を、第１の温度１１２における水蒸気１１６の飽和蒸気圧を超えるレベルまで増加させることができる。

[0052]いくつかの実施形態では、容器１０８に到達する水蒸気１１６が第１の温度１１２である一方、いくつかの実施形態では、容器１０８の内部は、水が収着剤材料１０６とどのように結合するかの性質により、第１の温度１１２よりわずかに高温になる可能性があることに留意されたい。他の実施形態では、収着剤構造１０４および収着剤材料１０６は、第１の温度１１２またはそれに近い温度であってもよい。

[0053]いくつかの実施形態では、システム１００が収着物質ガス１０２の処理を続けるにつれて、加熱中の水蒸気１１６と収着剤構造１０４との間の温度差が最小化されるように、第１の温度１１２が上昇し得る。さらに、いくつかの実施形態では、収着剤構造１０４が水蒸気１１６に曝露されている間の再生容器１０８内の圧力１２８は、５２０ｋＰａと３０００ｋＰａの間であってもよい。

[0054]さまざまな実施形態によれば、再生容器１０８に供給される水蒸気１１６は、再生容器１０８の全圧１２８を加圧し、飽和蒸気圧に対応する圧力またはその付近の圧力に維持する。いくつかの実施形態では、水蒸気１１６の一部は、再生容器１０８の全圧１２８が収着剤材料１０６と平衡にある収着物質蒸気１０２の蒸気圧よりも高くなるように、収着物質ガス１０２と結合する。

[0055]いくつかの実施形態では、第１の温度１１２の水蒸気１１６が液体水供給装置１１０内で形成され、すでに形成されている再生容器１０８に入る。他の実施形態では、水は、再生容器１０８に移動するとき、加熱された液体状態のままであってもよく、そこで急速に膨張して、少なくとも部分的に水蒸気１１６を形成する。図示されるように、いくつかの実施形態では、液体水供給装置１１０は、供給装置１１０内の液体水を加圧し得る液体ポンプ１１２に連通可能に結合され得る。他の実施形態では、以下の図６に関連して説明するように、熱および水分は、異なる方法または形態で容器１０８内の収着剤材料１０６に送達され得る。

[0056]次に、水蒸気１１６と収着物質ガス１０２を含む蒸気混合物１３２が再生容器１０８から取り出される。「丸５」を参照されたい。いくつかの実施形態では、蒸気混合物１３２は、凝縮器および／または真空圧縮器などの排気システムを使用して除去される。例えば、一実施形態では、第１の圧縮器１２６を使用して、蒸気混合物１３２を再生容器１０８から引き出すことができる。別の実施形態では、図６の第２の圧縮器６１６などの別個の装置が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、再生サイクル中、水蒸気１１６の一部が収着物質ガス１０２と結合し、その結果、収着剤１０８と平衡状態にある間に収着物質ガス１０２の蒸気圧よりも高い全圧１２８が得られる。

[0057]さらに他の実施形態では、蒸気混合物１３２は、再生容器１０８に導入された掃引ガスによって押し出されて、蒸気混合物１３２を追い出すことにより、再生容器１０８から掃引され得る。いくつかの実施形態では、追加の水蒸気１１６が掃引ガスとして使用され得るが、他の実施形態では、収着物質ガス１０２自体のバーストが使用され得る。

[0058]他の実施形態では、蒸気混合物１３２は、再生容器１０８に流体的に結合されたより低温の凝縮器１１８に曝露されると、再生容器１０８から引き出され得る。いくつかの実施形態では、蒸気混合物１３２の連続流は、収着剤構造１０４が収着物質枯渇のさまざまな段階にある再生容器１０８または複数の再生容器１０８から引き出され得、蒸気混合物１３２のほぼ一定の流れを可能にする。単一の再生容器１０８からの蒸気混合物１３２の連続流は、収着剤材料１０６が捕捉された収着物質ガス１０２を降ろすにつれて、容器１０８内の収着物質ガス１０２の分圧が連続生成物の流れとともに低下するという事実によって複雑になる。

[0059]しかし、他の実施形態では、再生容器１０８と凝縮器１１８との間の流体連通は断続的であってもよい。例えば、いくつかの実施形態では、バルブなどの流体接続１５８を使用して、再生容器１０８と凝縮器１１８との間の流体連通を制御することができる。場合によっては、収着剤構造１０４を再生容器１０８内の水蒸気１１６の熱および水分の中に滞留させて、収着剤材料１０６に収着された収着物質ガス１０２を放出する時間を与えることがより効率的である可能性がある。再生容器１０８と凝縮器１１８との間の流体接続１５６を閉じることにより、より多くの収着物質ガス１０２が収着剤材料１０６から放出されるにつれて、全圧１２８がより高いレベルまで増加することが可能になり得る。これらの実施形態は、連続的な生成物流を生成するのではなく、パルスモードで動作し、最適な効率（または場合によっては最適な収量）を達成するためにそのサイズおよび間隔を変更できる蒸気混合物１３２のバーストを放出するものとして説明することができる。

[0060]再生容器１０８から抽出された後、蒸気混合物１３８は凝縮器１１８に入る。図示のように、凝縮器１１８はヒートポンプ１２０と熱接触しており、ヒートポンプ１２０は液体水供給装置１１０とも熱接触している。凝縮器１１８はまた、液体水供給装置１１０と圧縮器１２６の両方に連通可能に接続されている。いくつかの実施形態では、凝縮器１１８は、液体ポンプ１２２を介して液体水供給装置１１０と連通可能に結合される。

[0061]さまざまな実施形態によれば、ヒートポンプ１２０は、凝縮器１１８から熱１２４を除去し、蒸気混合物１３８内の水蒸気１１６の少なくとも一部１３４を液体水１３６に凝縮させる。「丸６」を参照されたい。この水の凝縮により、蒸気混合物１３８の残り１３８が生じ、収着物質ガス１０２の濃度および収着物質ガス１０２の分圧が増加する。有利には、この凝縮により蒸気混合物１３８の体積も減少し、したがって圧縮器１２６によって行われる必要がある作用量が減少する。

[0062]いくつかの実施形態では、凝縮器１１８は、本質的に間接的であってもよく、何らかの他の媒体（例えば、ハウジング、コイルなど）を介した冷媒１５０との熱接触を介して、熱１２４を抽出し、水蒸気１１６を凝縮する。他の実施形態では、凝縮器１１８は本質的に直接的であってもよく、冷媒１５０との接触によって個別に冷却された冷却液体水との直接接触によって水蒸気１１６を凝縮させる。例えば、図６の直接凝縮器６１８を参照されたい。

[0063]収着物質ガス１０２から水蒸気１１６の一部１３４を分離するこのプロセスは、水蒸気１１６から熱１２４を除去して水蒸気１１６を凝縮させることによって推進される。図示されるように、熱１２４は、第２の温度１１４で凝縮器１１８から除去される（例えば、水蒸気１１６は、凝縮する際に第２の温度１１４になる）。第２の温度１１４は第１の温度１１２よりも低い。いくつかの実施形態では、第２の温度１１４は０℃と４０℃の間である。他の実施形態では、第２の温度１１４は０℃と１５℃の間である。さらに他の実施形態では、第２の温度１１４は、水の融点と沸点との間である。

[0064]さまざまな実施形態によれば、熱１２４は、第２の温度１１４またはその付近の水蒸気１１６からヒートポンプ蒸発器１４６に伝達される。そこから、熱１２４は昇温され、「丸７」で示されるように、第１の温度１１２またはその付近でヒートポンプ凝縮器１４４から液体水供給装置１１０に移送される。いくつかの実施形態では、第１の温度１１２は、加熱中に水蒸気１１６と収着剤構造１０４との間の温度差が最小限に抑えられるように、連続的に上昇するか、またはいくつかの温度増分で提供される。

[0065]上述したように、再生容器１０８から抽出された蒸気混合物１３２から除去された熱１２４は再利用される。液体水を最初に蒸発させて収着剤再生用の水蒸気を生成するのに必要なエネルギーは、収着物質（例えば、二酸化炭素など）生成物を生成するための全体の比エネルギーに大きく寄与する。このエネルギーのごく一部は、収着物質ガス１０２の脱着エネルギーに関連している。しかし、蒸気および材料の加熱に使われたか、または再生容器１０８流出物の水蒸気１１６内容物（すなわち、蒸気混合物１３２）中に存在するエネルギーのバランスを可能な限り回収することが望ましい。

[0066]これを行うためのプロセスは、再生流出物中の水蒸気１１６から熱を除去し、その一部を再生容器１０の外側で凝縮し、真空蒸発によって再生容器１０８内の水凝縮物の一部をさらに再蒸発させ、続いて熱を除去してその一部を凝縮する。流出物から除去される顕熱、特に流出物中の水を凝縮することによって除去される蒸発熱は、初期の水の蒸発温度よりも低い温度での熱交換によって回収される。この回収された熱は、ヒートポンプ１２０（または、いくつかの実施形態では、複数のヒートポンプ１２０）によって、より高い温度に（例えば、第２の温度１１４から第１の温度１１２に）昇温されるため、再生熱や蒸気の発生に利用できる。

[0067]いくつかの実施形態では、ヒートポンプ１２０は、カルノーサイクルの単純な近似として動作することができ、一方、他の実施形態では、ヒートポンプ１２０の動作に消費されるエネルギーが、回収され伝達される熱１２４よりもはるかに少なくなるように、より複雑な最新のサイクルを採用することができる。回収され、昇温された熱１２４は、その後の収着剤の再生に使用するために、より多くの水蒸気１１６を生成するために使用される。

[0068]凝縮して液体水１３６に戻る水蒸気１１６の部分１３４は、液体水供給装置１１０に戻され、第１の温度１１２で再加熱され、ヒートポンプ１２０によって凝縮器１１８から抽出された熱１２４を少なくとも部分的に使用する。「丸８」を参照されたい。図示されるように、いくつかの実施形態では、再利用された液体水１３６は、凝縮器１１８と液体水供給装置１１０の両方と流体連通する液体ポンプ１２２または同様の装置によって液体水供給装置１１０に輸送されて戻される。さまざまな実施形態によれば、熱１２４は、直接的または間接的な熱伝達によって液体水１３６に提供され得る。

[0069]ある程度の水の損失は避けられ得ないが、この資源を再利用することにより、企図されたシステム１００の効率が向上する。いくつかの実施形態では、企図されるシステムは、再生容器１０８を開いたときなどに失われる水蒸気１１６による損失を補うために、補給水の供給源をさらに備え得る。例えば、図６の補給水６１２を参照されたい。

[0070]蒸気混合物１３８の残りは、ここで凝縮器１１８によって凝縮された水蒸気１１６の部分１３４から分離される。さまざまな実施形態によれば、この分離はほぼ一定の圧力で起こり得、その結果、水蒸気１１６の凝縮により、残りのガスが再生容器１０８内の圧力１２８に近いレベルまで効果的に加圧される。この精製され、加圧された収着物質が豊富なガスは、さらなる処理、保管、または即時使用のために除去することができる。「丸９」を参照されたい。いくつかの実施形態では、このガスは第１の圧縮器１２６に送られ、さらに加圧されて、第１の収着物質生成物ガス１４０が形成される。

[0071]示されるように、いくつかの実施形態では、再生流出物は、生成物ガスの精製と圧縮の両方を行う凝縮器１１８を通過した後に圧縮される。他の実施形態では、凝縮器１１８によって熱が除去される前にガスを圧縮することができ、これは、機械的圧縮に関連する資源コストが凝縮器１１８によって実行される熱伝達に関連する資源コストよりも低い特定の実施形態では有利であり得る。

[0072]いくつかの実施形態では、蒸気混合物１３２が再生容器１０８から抽出された後、容器１０８に含まれるすべてのもの（例えば、収着剤構造１０４など）が加熱される。さらに、蒸気混合物１３２が実質的に除去された後、残留水が容器１０８内に残る可能性がある。いくつかの実施形態では、容器１０８を開く前に、容器１０８を少なくとも部分的に排気してもよい（例えば、そのため収着剤構造１０４を物理的に除去できるなど）。

[0073]再生容器１０８内の圧力１２８を低下させると、容器１０８内の残留液体水１３６が再蒸発する。この水蒸気１１６は凝縮器１１８に送られ、液体水供給装置１１０に再利用されるだけでなく、再蒸発により装置が効果的に冷却され（例えば、容器１０８の内部、収着剤構造１０４、収着剤材料１０６など）、その熱１２４の少なくとも一部も再利用できるようにする。

[0074]企図されるシステムおよび方法のいくつかの実施形態は、追加の、資源効率の高い収着物質１０２の精製および加圧のための機構および手順をさらに備え、追加の水および高揮発性成分を分離することができ、同時に収着物質１０２を産業上でより有用な状態にする。図２～６は、企図されるシステムおよび方法の実施形態の非限定的な例の概略図である。

[0075]図２は、効率的な収着物質回収システムの別の実施形態の非限定的な例の概略図である。このシステム２００は、システム１００の生成物である第１の収着物質生成物ガス１４０の効率的な精製および加圧を提供する、図１に示される非限定的な例が省略したところを取り上げている。図２に示されるように、このシステム２００は、追加のヒートポンプ１２０を使用して精製および加圧のプロセスを継続することができる。前述したように、本明細書で企図されるシステムは、図１および図２のシステム１００、２００を含み、１つまたは複数のヒートポンプ１２０は、従来の方法を使用すると失われる熱、水、および揮発性ガスを再利用するために実装される。

[0076]図示のように、システム２００は、再生容器１０８に加えて、図１のシステム１００の液体水供給装置１１０、凝縮器１１８、第１の圧縮器１２６、および液体ポンプ１２２を含み、追加のヒートポンプ１２０が使用されている。具体的には、システム２００は、第１のヒートポンプ１２０ａ、第２のヒートポンプ１２０ｂ、および第３のヒートポンプ１２０ｃを利用する。これらの各ヒートポンプの役割については、以下で説明する。

[0077]ただし、先に進む前に、これらのヒートポンプ１２０ａｂｃのそれぞれは、図１に示される単一のヒートポンプ１２０と同様に、複数のヒートポンプ１２０、または１つまたは複数のヒートポンプ１２０を表すことができ、その少なくともいくつかは複数の閉流体回路１４２を有することに留意されたい。複数の閉流体回路１４２を有するヒートポンプ１２０については、図３と４に関連してさらに説明し、以下の図５の状況では、複数の圧力降下を有する単一回路１４２を備えたヒートポンプ１２０が示されている。さらに、図２に示される非限定的な例に関する以下の説明は、３つの代表的なヒートポンプ１２０に関連して行われ、これらについては、その内部構造（例えば、閉流体回路１４２など）や、使用され得るさまざまなタイプのヒートポンプ１２０を深く掘り下げることなく、それらの役割の観点から検討する。留意すべき点として、さまざまな実施形態によれば、企図されるシステムのヒートポンプ１２０は、当技術分野で知られているように、蒸気圧縮サイクル、蒸気吸収サイクル、蒸気吸着サイクル、または熱電冷凍機で動作することができる。本開示においてさまざまな非限定的な実施形態の内部構造を説明する際に、いくつかのタイプのヒートポンプ１２０の描写が欠如していることは、限定として解釈されるべきではない。当業者は、本開示におけるヒートポンプ１２０の役割を果たすために、さまざまなヒートポンプ１２０を適合させることができることを認識するであろう。

[0078]さらに、図１に示し説明したシステム１００に存在するいくつかの要素が、図２のシステム２００には存在しないことに留意されたい。いかなる省略も制限として解釈されるべきではない。図１のシステム１００の非限定的な例、および水蒸気１１６、収着物質ガス１０２、および他の大気ガス（後述する揮発性ガス２１２を含む）を含む同じ第１の収着物質生成物ガス１４０を生成する幅広い実施形態は、以下で説明するシステム２００の要素と組み合わせることができる。図１に示される要素の省略は、視覚的にわかりやすくするために省略されており、限定として解釈されるべきではない。

[0079]相当量の水蒸気１１６は、第１のヒートポンプ１２０ａと熱的に接触している凝縮器１１８を通過する間に凝縮して液体水１３６になるときに除去されるが、十分な水蒸気１１６が残っているため、生成物流が多くの産業用途に適さなくなる可能性がある。図示のように、第２のヒートポンプ１２０ｂは、第１の圧縮器１２６と、第３のヒートポンプ１２０ｃと熱的に接触している凝縮器または容器の両方と流体連通しており、第１の収着物質生成物ガス１４０を第１の圧縮器１２６から第２の温度１１４またはその付近で受け取る。本説明、図面およびそれに続く特許請求の範囲の文脈において、本明細書で企図されるシステムおよびそれらを構成する要素は、たとえ特定の構造の正確な性質が特定されていなくても、システムが作用するさまざまな蒸気および液体のための十分な空間を備えることが留意されるべきである。例えば、当業者であれば、第２のヒートポンプ１２０ｂが第１の収着物質生成物ガス１４０を冷却し、熱１２４を奪い、水蒸気を固化させるものとして説明されている場合、これらの気体や固体は、容器またはコンテナ、熱交換器、凝縮器内に含まれるか、またはこれらを通過し得、あるいは、単にシステム２００が効率的に動作するのに十分な容積を保持するのに十分な大きさの導管内をシステム２００内を移動しているだけであることを認識する。重要な態様、および企図されるシステムの基礎となる特徴は、さまざまな実施形態による、回収、精製、および加圧プロセスのさまざまな時点で中間生成物流から熱１２４を除去することである。

[0080]示されるように、第１の収着物質生成物ガス１４０は、ほぼ第２の温度１１４で、第２のヒートポンプ１２０ｂと熱接触し、水の融点温度よりも低い第３の温度２０２までさらに冷却され、二酸化炭素１０３（例えば、収着物質１０２）の三重点温度よりも高い。「丸１」を参照されたい。その結果、第１の収着物質生成物ガス１４０中にまだある水の一部が固体水２０６として凍結し、その後、固体水２０６が流体から分離されて除去される。いくつかの実施形態では、第３の温度２０２は０℃と－５６℃の間であってもよい。この冷却の結果、第１の収着物質生成物ガス１４０は、固体水２０６と、第１の収着物質生成物ガス１４０よりもさらに精製された第２の収着物質生成物ガス２０４とに分割される。

[0081]さまざまな実施形態によれば、第３の温度２０２で第１の収着物質生成物ガス１４０から抽出された熱１２４は、（第１の温度１１２で）液体水供給装置１１０内の液体水に熱を提供するために使用され得る。「丸２」を参照されたい。

[0082]最後に、第２の収着物質生成物ガス２０４は、第３のヒートポンプ１２０ｃと熱的に接触するように配置され、第２の収着物質生成物ガス２０４から熱を抽出し、第５の温度２０８までさらに冷却され、その結果、実質的に高揮発性成分からなる蒸気２１２と、実質的に収着物質１０２（例えば、二酸化炭素１０３）からなる液体２１０が得られる。「丸３」を参照されたい。さまざまな実施形態によれば、第５の温度２０８は、第３の温度２０２より低く、収着物質１０２の沸点より低く、その結果、第５の温度２０８で液化収着物質２１０および揮発性ガスが得られる。

[0083]さまざまな実施形態によれば、第３の温度２０２は、第３の温度２０２における第２の収着物質生成物ガス２０４中の水の濃度が、第５の温度２０８における液化収着物質２１０中の水溶解度濃度よりも低くなるように、十分に低く選択され得る。いくつかの実施形態では、液化収着物質２１０は、窒素、酸素、メタン、水素、一酸化炭素を含み得るがこれらに限定されない、１０モル％以下の高揮発性成分を含むことができる。第５の温度２０８は、高揮発性成分の９０％超が蒸気状態（ここでは揮発性ガス２１２として示されている）で残るように、液化収着物質２１０の気液平衡に関連し得る。

[0084]企図されたシステム２００内の他のヒートポンプ１２０ａおよび１２０ｂと同様に、さまざまな実施形態によれば、第５の温度２０８で第２の収着物質生成物ガス２０４から抽出された熱１２４は、第１の温度１１２で液体水供給装置１１０内の液体水に熱を提供するために使用され得る。「丸４」を参照されたい。

[0085]収着物質１０２を実質的に含む液体２１０は、続いて機械ポンプ２１４を使用して加圧され得る。「丸５」を参照されたい。さまざまな実施形態によれば、液体収着物質２１０の最終圧力２１６は、収着物質１０２（例えば、二酸化炭素１０３など）の超臨界圧力以上である。いくつかの実施形態では、蒸気２１２中に残る収着物質１０２の一部（例えば、二酸化炭素１０３）も、第３の温度２０２で高揮発性成分を実質的に含み、残留水が第２のヒートポンプ１２０ｂによって除去された方法と同様に、収着物質１０２の大部分が液化した後、固体（例えば、ドライアイス）として揮発性ガスからさらに分離され得る。

[0086]いくつかの実施形態では、抽出された高揮発性成分は廃棄されてもよいが、他の実施形態では、それらはシステム２００内の他の場所で使用されてもよい。例えば、一実施形態では、第５の温度２０８で高揮発性成分を実質的に含む蒸気２１２を、他のプロセスのヒートシンク２２４として使用することができる。別の実施形態では、この高揮発性成分が豊富な流体を減圧して、有用な作用２２６を生成することができる。さらに別の実施形態では、第５の温度２０８で高揮発性成分を実質的に含む蒸気は、乾燥プロセス２３０および／または空気圧装置２３２の動作のための乾燥ガス２２８の供給源として使用され得る。「丸６」を参照されたい。

[0087]さまざまな実施形態によれば、精製プロセスによって抽出された水１３６は、再生サイクルの他の場所で使用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、第３の温度２０２で固体２０６として分離された水の一部を液体水供給装置１１０に供給して、第１のヒートポンプ１２０ａによって提供される第１の温度１１２で加熱して水蒸気１１６を生成することができる。任意選択として、液体水供給装置１１０に供給される水は、最初に周囲熱２１８によって周囲温度２２２に近いか、または周囲温度２２２より低い第６の温度２２０まで加熱されてもよい。他の実施形態では、固体水２０６は、周囲熱および複数のヒートポンプ１２０のうちの少なくとも１つによって提供される熱のうちの少なくとも１つを使用して融解され得る。

[0088]前述のように、第２の温度１１４（すなわち、液体水１３６の凝縮）、第３の温度２０２（すなわち、固体水２０６の凍結）、および第５の温度２０８（すなわち、収着物質１０２の液化）への冷却中に除去される熱１２４は、１つまたは複数のヒートポンプ１２０によって温度を上昇させ、第１の温度１１２の熱１２４として使用して、収着剤材料１０６の再生のための水蒸気１１６を生成することができる。さまざまな実施形態によれば、ヒートポンプ１２０は、精製プロセスの連続する冷却温度に対応する複数の温度で熱１２４を除去することができる。いくつかの実施形態では、ヒートポンプ１２０は、互いに熱的に接触していてもいなくてもよい複数の閉流体回路１４２を備え得る。他の実施形態では、ヒートポンプ１２０は、精製プロセスのさまざまな連続冷却温度に対応する複数の圧力降下を有する単一の閉流体回路１４２を有してもよい。

[0089]図３および図４は、複数の相互接続された閉流体回路１４２を有するヒートポンプ１２０を利用する効率的な収着物質回収システム３００、４００の２つの非限定的な例の概略図である。具体的には、図３は、２つのヒートポンプ１２０ｃおよび１２０ｅを有するシステム３００の非限定的な例の概略図であり、そのうちの１つは２つの接続された閉流体回路１４２ａおよび１４２ｂを有する。図４は、３つの熱的に結合された閉流体回路１４２ａ、１４２ｂ、および１４２ｃを備える単一のヒートポンプ１２０ｆを有するシステム４００の非限定的な例の概略図である。

[0090]図３に示すシステム３００では、２つのヒートポンプ１２０のうちの１つは、熱的に結合された複数の閉流体回路１４２を有する。さまざまな実施形態によれば、ヒートポンプ（例えば、第５のヒートポンプ１２０ｅ）は、２つの流体回路１４２を備え得、この場合、第１の流体回路１４２ａの蒸発器１４６は第２の温度１１４またはその付近で動作し、一方、第２の流体回路１４２ｂの蒸発器１４６は第３の温度２０２またはその付近で動作する。図３に示されるように、これらの２つの閉流体回路１４２ａおよび１４２ｂは、第２の閉流体回路１４２ｂの凝縮器１４４が熱１２４を第４の温度３０２で第１の閉流体回路１４２ａの蒸発器１４６に伝達するようにカスケード配置で構成される。他の実施形態では、これらの２つの回路は、別個のヒートポンプ（例えば、図２の第１および第２のヒートポンプ１２０ａ、ｂなど）内にあり、依然として熱的に結合され得、第２のヒートポンプ１２０ｂによって抽出された熱が、第２のポンプ１２０ｂによって第１の温度１１２の液体水供給装置１１０または第２の温度１１４と第１の温度１１２との間の第４の温度３０２で第１のヒートポンプ１２０ａのいずれかに提供されるようにする。別の言い方をすると、これは、図２に示すシステム２００の非限定的な例では、第１のヒートポンプ１２０ａと第２のヒートポンプ１２０ｂが同じヒートポンプ１２０であるかのように等価である。他の実施形態では、第２の閉流体回路１４２ｂによって抽出される熱は、第２の閉流体回路１４２ｂによって、第１の閉流体回路１４２ａのヒートポンプ蒸発器１４６の下流の第１の閉流体回路１４２ａに、第２の温度１１４と第１の温度１１２との間である第４の温度３０２で提供され得る。

[0091]これは、２つの圧力降下を伴う単一回路を備えたヒートポンプによっても実現でき、熱は第２の温度度またはその付近の温度で蒸気からヒートポンプ蒸発器に伝達され、熱は、第３の温度またはその付近の温度で蒸気からヒートポンプ蒸発器に伝達され、最後に熱はヒートポンプ凝縮器から第１の温度またはその付近の温度で液体水に伝達される。さまざまな実施形態によれば、ヒートポンプは、１つの閉流体回路と２レベルの減圧を備え、その結果、１つの蒸発器が第２の温度またはその付近で動作し、１つの蒸発器が第３の温度またはその付近で動作する。３つの減圧レベルを有するヒートポンプについては、以下の図５を参照して説明する。

[0092]図４は、カスケード状に配置された、熱を移動させるための複数の閉流体回路１４２を有する単一のヒートポンプを備える収着物質回収システム４００の実施形態の非限定的な例の概略図である。図示のように、このヒートポンプ（例えば、第６のヒートポンプ１２０ｆ）は、第２の収着物質生成物ガス２０４がヒートポンプ１２０ｆの第３の閉流体回路１４２ｃのヒートポンプ蒸発器１４６と熱的に接触するように配置される。第３の閉流体回路１４２ｃは、第３の温度２０２より低く、また収着物質１０２の沸点よりも低い第５の温度２０８で第２の収着物質生成物ガス２０４から熱を抽出し、その結果、第５の温度２０８で液化収着物質１０２と揮発性ガス２１２が生じる。第３の回路１４２ｃの凝縮器１４４は、第２の回路１４２ｂの蒸発器１４６の上流かつ第２の回路１４２ｂの凝縮器１４４の下流で第２の回路１４２ｂに熱的に結合される。図示されるように、熱１２４は、第７の温度４０２で第３の回路１４２ｃから第２の回路１４２ｂに伝わる。

[0093]図５は、単一の閉流体回路１４２を有する単一のヒートポンプ１２０ｇを有するシステム５００の実施形態の非限定的な例の概略図である。いくつかの実施形態によれば、そのヒートポンプ１２０は、複数の蒸発器１４６が連続冷却温度またはその付近で動作できるように、複数レベルの減圧を伴う蒸気圧縮サイクルを備え得る。このヒートポンプ１２０（例えば、図５のシステム５００の第７のヒートポンプ１２０ｇなど）は、複数の減圧レベルで動作し、連続的な圧力降下を与える１つまたは複数の閉流体回路１４２（例えば、ヒートポンプ減圧器１４８ａ、１４８ｂ、および１４８ｃなど）を含み得るため、複数の蒸発器１４６が、連続する冷却温度に対応する温度またはそれに近い温度で動作できるようにする（例えば、第２の温度１１４、第３の温度２０２、第５の温度２０８など）。

[0094]図６は、効率的な収着物質回収システム６００の別の実施形態の非限定的な例の概略図である。図３に示される実施形態と同様に、このシステム６００は、水蒸気の初期除去および加圧を駆動するフロントエンドヒートポンプ６２０と、追加の精製および圧縮を駆動するバックエンドヒートポンプ６２２として考えることができる２つのヒートポンプを使用する。さまざまな実施形態によれば、これらの２つのサブシステムは、範囲が互いに一致するように設計され、これにより、それらを繰り返しユニットとして機能させることができ、さらに多数のユニットが協働してさらに多数の再生容器１０８および収着剤構造１０４から収着物質を回収することにより、システム６００のサイズを容易にスケールアップすることができる。

[0095]このシステム６００の特徴の多くは、企図されるシステムおよび方法の他の実施形態に関連して詳細に説明されている。しかし、多くの違いがある。図示されるように、システム６００は第２の圧縮器６１６を備える。前述の実施形態とは異なり、この圧縮器６１６は凝縮器６１８の上流にある。

[0096]最初に、密閉再生容器１０８内の空隙は、収着物質生成物を実質的に汚染するのに十分な量の空気で満たされる。いくつかの実施形態によれば、容器１０８の排気は、この圧縮器６１６などの専用の真空システムの使用によって促進され、これは、水蒸気の導入前に大気汚染物質を除去するだけでなく、容器１０８内に初期真空を作り出すこともできる。これは、システム６００がスケールアップされ、システム６００内のさまざまな資源の使用を調整する必要がある実施形態では有利である可能性がある。

[0097]別の違いは、容器１０８内の収着剤材料１０６に加熱水を送達する方法である。水蒸気１１６は、液体水１３６よりもエネルギー的にはるかに高価であるが、容器１０８内に配備される液体水の質量は、システムの全体的な効率に影響を与える（例えば、大量の重水を移動させる際の熱の浪費、エネルギーの浪費、等）。さまざまな実施形態によれば、システム６００は、加熱された水を、膨張する水蒸気によって１つまたは複数のノズル６１０から押し出される熱液体水として収着剤材料１０６に送達する。

[0098]高温の加圧液体水は、ノズルを通して再生容器１０８内に圧力が下げられる。飽和圧力を下回ると、液体の一部が蒸発して急速に膨張する。蒸気と液体水の混合物は、質量ベースでは依然として大部分が液体であるが、体積ベースでは大部分が蒸気である。急速な膨張により高温の霧６１４が生成され、液体水の液滴６０８が蒸気によって収着剤構造１０４の面の中に入り、そこを通って運ばれることが望ましい。蒸気／液体比は、供給温度と圧力によってある程度制御できる。任意選択として、いくつかの実施形態は、補助的な水蒸気を配備することもできる。いくつかの実施形態では、液体水供給装置と流体連通する第２の液体ポンプ６０６は、再生容器１０８内のノズル６１０に送達される加熱された液体水を加圧することができる。

[0099]さまざまな実施形態によれば、システム６００は、説明される他の実施形態の一部に見られる間接的な熱交換ではなく、冷却水６１４との直接接触を通じて熱を抽出し、水蒸気を凝縮させる直接凝縮器６１８を備えることができる。冷却水６１４の使用は、１つまたは複数の圧縮器１２６に拡張されてもよい。いくつかの実施形態では、凝縮器後の蒸気混合物１３２は、水、この場合は冷却水６１４の一部を使用して内部シールを形成する１つまたは複数の液封圧縮器によって圧縮されてもよい。これにより直接冷却が行われ、冷水を使用することでさらに強化される。他の実施形態では、他のタイプの真空圧縮器が使用されてもよい。

[00100]除去された水は、その後加熱され、補給水６１２とともに液体水供給装置１１０に再循環されて、システム６００の動作中に避けられない水の一部の損失を補う。任意選択として、いくつかの実施形態によれば、ヒートポンプサイクルを使用して、凝縮のための冷凍と再加熱のための熱の両方を同時に生成することができる。

[00101]他の多くの実施形態と同様に、このシステム６００の精製プロセスの一部には、水相変化を通じて水蒸気から収着物質ガスおよび揮発性ガスを分離することが含まれる。まず、水蒸気が凝縮して液体になるが、残りは気体のままである。次に、残った水蒸気を凍結させて固体水にし、分離する。最終的に、収着物質ガスは液化され、後で使用するために加圧される。

[00102]水の凍結は、切り替えサイクルで動作するバッチステップである。このステップで形成された氷を融解することによって、再利用のために水を回収することが望ましい。さまざまな実施形態によれば、システム６００は、０℃と－５０℃の間で動作し得る２つ以上のスイッチング熱交換器６２４ａおよび６２４ｂを利用し得る。１つの熱交換器（例えば交換器６２４ａ）が使用され、氷から精製ガスが分離されると、時間の経過とともに凍結した残留水が蓄積する。氷が事前に定義されたレベルに達すると、または時間が経過した後、または他の測定基準に基づいて、交換器の位置が切り替わる。もう一方の交換器６２４ｂが使用され、フロントエンドサブシステムからの後続の第１の収着物質生成物ガス１４０の受け手となる。第１の交換器６２４ａにはここで氷が充填されており、水を除去するために再構成される。例えば、ヒートポンプ１２０からの熱および／または周囲熱および／または外部熱源を使用して、凍結した水が融解し、得られた液体水が残りの回収水とともに送られる。さまざまな実施形態によれば、２つ以上の交換器は役割を切り替え続け、それぞれがシステム６００の効率および有効性を改善するように機能する。

[00103]示されるように、いくつかの実施形態では、システム６００は、蒸留ユニット６０２を利用して複数の凝縮ステップを提供し、収着物質１０２（例えば、二酸化炭素）と揮発性大気ガスとのより良好な分離を実現し得る。例示的な蒸留ユニットには、分縮器または流下膜凝縮器が含まれるが、これらに限定されない。このような蒸留ユニット６０２は、蒸留を実行するための単純な機器構成要素であり得る。収着物質１０２が二酸化炭素１０３である場合、二酸化炭素固体の形成を避けるために、この蒸留は５２０ｋＰａを超える温度で実行しなければならないことに留意されたい。

[00104]いくつかの実施形態では、蒸留ユニット６０２は、留出物蒸気中の二酸化炭素１０３の濃度を低減するための精留セクション、および／または塔底液中の高揮発性成分の濃度を低減するためのストリッピングセクションを含んでもよい。さまざまな実施形態によれば、蒸留ユニット６０２は、第２のヒートポンプ（すなわち、バックエンドヒートポンプ）と熱的に接触している。

[00105]次に、蒸留ユニット６０２からの高純度の液体二酸化炭素を、１つまたは複数の高密度流体ポンプで高圧に汲み上げることができる。このようにして、二酸化炭素を超臨界圧力で供給することができ、これは地質学的隔離または石油回収の促進のためのパイプライン移送に好ましい。

[00106]上記の例、実施形態および実装が参考例である場合、収着物質ガスを効率的に捕捉するための他のシステムおよび方法を、提供されるシステムおよび方法と混合または置き換えることができることを当業者は理解すべきである。上記の説明が収着物質ガスを効率的に捕捉するためのシステムおよび方法の特定の実施形態に言及している場合、その趣旨から逸脱することなく多くの修正を行うことができ、これらの実施形態および実装は他のガス回収技術にも同様に適用できることが容易に明らかである。したがって、開示された主題は、本開示の趣旨および範囲、ならびに当業者の知識に含まれるすべての変更、修正および変形を包含することを意図している。

Claims (108)

1. 開口部を含み、前記開口部を通して物理的に移動された収着剤構造を封入するように構成された再生容器であって、前記収着剤構造は、前記収着物質ガスが収着された前記収着剤材料を含む、再生容器と、
   前記再生容器に連通可能に接続され、第１の温度に加熱されて水蒸気を生成する液体水供給装置と、
   少なくとも１つのヒートポンプであって、前記少なくとも１つのヒートポンプの各ヒートポンプは少なくとも１つの閉流体回路、少なくとも１つのヒートポンプ凝縮器、少なくとも１つのヒートポンプ蒸発器、少なくとも１つのヒートポンプ減圧器、少なくとも１つの冷媒、および少なくとも１つのヒートポンプ圧縮器を含み、各閉流体回路は、前記少なくとも１つのヒートポンプ凝縮器のうちの１つ、前記少なくとも１つのヒートポンプ蒸発器のうちの１つ、前記少なくとも１つの冷媒のうちの１つ、前記少なくとも１つのヒートポンプ減圧器のうちの１つ、および前記少なくとも１つのヒートポンプ圧縮器のうちの１つを含む、前記少なくとも１つのヒートポンプと、
   前記再生容器に連通可能に接続され、液体ポンプを介して前記液体水供給装置にも連通可能に接続された凝縮器であって、前記少なくとも１つのヒートポンプの第１の閉流体回路と熱的に接触し、前記第１の閉流体回路も前記液体水供給装置と熱接触し、その結果、前記第１の温度よりも低い第２の温度で前記凝縮器から熱が除去され、前記第１の閉流体回路によって前記第１の温度で前記液体水供給装置に熱が提供される、凝縮器と、
   前記凝縮器に連通可能に結合された第１の圧縮器と
   を含み、
   前記再生容器内の前記収着剤構造は、前記再生容器が前記第１の温度の水の前記飽和蒸気圧に対応する前記圧力よりも低い全圧まで排気された後、前記第１の温度で前記液体水供給装置からの前記水蒸気と流体接触し、前記水蒸気が前記収着剤材料と接触すると、前記収着物質ガスの一部が放出され、前記収着物質ガスと前記水蒸気を含む蒸気混合物が形成され、前記全圧を前記収着物質の前記三重点圧力よりも高くし、
   前記蒸気混合物は前記再生容器から除去され、前記凝縮器によって冷却され、前記蒸気混合物内の前記水蒸気の一部は液体水に凝縮され、前記液体ポンプによって前記液体水供給装置に戻され、
   前記蒸気混合物の残りは、前記第１の圧縮器によって第１の収着物質生成物ガスに圧縮され、
   前記収着物質ガスは二酸化炭素を含み、
   前記少なくとも１つのヒートポンプは、第２の閉流体回路および第３の閉流体回路をさらに含み、
   前記第１の収着物質生成物ガスは、前記少なくとも１つのヒートポンプの前記第２の閉流体回路の前記ヒートポンプ蒸発器と熱的に接触し、
   前記第２の閉流体回路は、前記第２の温度より低く、また水の融点よりも低い第３の温度で前記第１の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、その結果、前記第３の温度で第２の収着物質生成物ガスと固体水が得られ、
   前記第２の閉流体回路によって抽出された前記熱は、前記第２の閉流体回路によって、前記第１の温度の前記液体水供給装置および前記第２の温度と前記第１の温度との間の第４の温度で、前記第１の閉流体回路の前記ヒートポンプ蒸発器の下流の前記第１の閉流体回路のうちの１つに提供され、
   前記第２の収着物質生成物ガスは、前記少なくとも１つのヒートポンプの前記第３の閉流体回路の前記ヒートポンプ蒸発器と熱的に接触し、
   前記第３の閉流体回路は、前記第３の温度より低く、また前記収着物質の沸点よりも低い第５の温度で前記第２の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、その結果、前記第５の温度で液化収着物質および揮発性ガスが得られる、
   収着剤材料から収着物質ガスを回収するためのシステム。
2. 前記第１の閉流体回路および前記第２の閉流体回路が同じヒートポンプに属する、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の閉流体回路、前記第２の閉流体回路、および前記第３の閉流体回路が同じヒートポンプに属する、
   請求項１に記載のシステム。
4. 前記収着剤材料が固体である、
   請求項１に記載のシステム。
5. 前記収着剤材料は、イオン交換樹脂、官能化ポリマー、活性炭、炭酸塩、リン酸塩、アミン基を含む材料、アンモニウム基を含む材料、およびアミン基とアンモニウム基を含む材料のうちの少なくとも１つを含む、
   請求項４に記載のシステム。
6. 前記収着物質ガスが、温度スイング、圧力スイング、および水分スイングのうちの少なくとも１つによって前記収着剤から除去される、
   請求項１に記載のシステム。
7. 前記第１の温度が４０℃と１２０℃の間である、
   請求項１に記載のシステム。
8. 前記第２の温度が０℃と４０℃の間である、
   請求項１に記載のシステム。
9. 前記第３の温度が０℃と－５６℃との間である、
   請求項１に記載のシステム。
10. 前記固体水の少なくとも一部が融解され、前記液体水供給装置に移送される、
    請求項１に記載のシステム。
11. 前記固体水が周囲熱を使用して融解される、
    請求項１０に記載のシステム。
12. 前記固体水は、前記少なくとも１つのヒートポンプのうちの１つによって供給される熱を使用して融解される、
    請求項１０に記載のシステム。
13. 前記揮発性ガスは、窒素、酸素、メタン、水素、および一酸化炭素のうちの少なくとも１つを含む、
    請求項１に記載のシステム。
14. 前記第３の温度は、前記第３の温度での前記第２の収着物質生成物ガス中の水の濃度が前記第５の温度での前記液化収着物質の水溶解度濃度よりも低くなるように、十分に低く選択される、
    請求項１に記載のシステム。
15. 前記液化収着剤を受け取り、前記液化収着物質の前記圧力をさらに上昇させるように構成された機械ポンプをさらに含む、
    請求項１に記載のシステム。
16. 前記液化収着物質の最終圧力が二酸化炭素の超臨界圧力に少なくとも等しい、
    請求項１に記載のシステム。
17. 前記凝縮器によって前記第２の温度で液体水として凝縮された前記水が、前記液体水供給装置に戻される前に、まず周囲熱によって周囲温度に近いかそれ以下の第６の温度まで加熱される、
    請求項１に記載のシステム。
18. 前記第１の温度は、加熱中に前記水蒸気と前記収着剤構造との間の温度差が最小になるように上昇する、
    請求項１に記載のシステム。
19. 収着物質ガスが収着された収着剤材料を含む収着剤構造を封入するように構成される再生容器と、
    前記再生容器に連通可能に接続され、第１の温度に加熱されて水蒸気を生成する液体水供給装置と、
    少なくとも１つのヒートポンプと、
    前記再生容器に連通可能に接続され、液体ポンプを介して前記液体水供給装置にも連通可能に接続された凝縮器であって、前記少なくとも１つのヒートポンプの第１のヒートポンプと熱的に接触しており、前記ヒートポンプはまた、前記液体水供給装置と熱接触しており、その結果、熱が前記第１の温度よりも低い第２の温度で前記凝縮器から除去され、前記第１のヒートポンプによって前記第１の温度で前記液体水供給装置に供給される、凝縮器と、
    前記凝縮器に連通可能に結合された第１の圧縮器と
    を含み、
    前記再生容器内の前記収着剤構造は、前記再生容器が前記第１の温度の水の前記飽和蒸気圧に対応する前記圧力よりも低い全圧まで排気された後、前記第１の温度で前記液体水供給装置からの前記水蒸気と流体接触し、前記水蒸気が前記収着剤材料と接触し、前記収着物質ガスの一部を放出させて前記収着物質ガスと前記水蒸気を含む蒸気混合物を形成させ、前記全圧を前記収着物質の前記三重点圧力よりも高くし、
    前記蒸気混合物は前記再生容器から除去され、前記凝縮器によって冷却され、前記蒸気混合物内の前記水蒸気の一部は液体水に凝縮され、前記液体ポンプによって前記液体水供給装置に戻され、
    前記蒸気混合物の残りは、前記第１の圧縮器によって第１の収着物質生成物ガスに圧縮される、
    収着剤材料から収着物質ガスを回収するためのシステム。
20. 前記第１の収着物質生成物ガスは、前記少なくとも１つのヒートポンプの第２のヒートポンプと熱的に接触しており、
    前記第２のヒートポンプは、前記第２の温度より低く、また水の融点よりも低い第３の温度で前記第１の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、その結果、前記第３の温度で第２の収着物質生成物ガスと固体水が得られる、
    請求項１９に記載のシステム。
21. 前記少なくとも１つのヒートポンプの前記第２のヒートポンプによって抽出された前記熱は、前記第２のポンプによって前記第１の温度の前記液体水供給装置および前記第２の温度と前記第１の温度との間の第４の温度で前記第１のヒートポンプの一方に提供される、
    請求項２０に記載のシステム。
22. 前記第２の収着物質生成物ガスは、前記少なくとも１つのヒートポンプの第３のヒートポンプと熱的に接触しており、
    前記第３のヒートポンプは、前記第３の温度より低く、また前記収着物質の沸点よりも低い第５の温度で前記第２の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、その結果、前記第５の温度で液化収着物質および揮発性ガスが得られる、
    請求項２０または２１に記載のシステム。
23. 前記第１のヒートポンプと前記第２のヒートポンプは同じヒートポンプである、
    請求項２０または２１に記載のシステム。
24. 前記第１のヒートポンプ、前記第２のヒートポンプ、および前記第３のヒートポンプがすべて同じヒートポンプである、
    請求項２２に記載のシステム。
25. 前記再生容器が、収着物質の捕捉と回収のための収着物質の放出との間で移行する際に、前記収着剤構造が物理的に移動する開口部を含む、
    請求項１９～２４のいずれか一項に記載のシステム。
26. 前記収着物質が二酸化炭素を含む、
    請求項１９～２５のいずれか一項に記載のシステム。
27. 前記少なくとも１つのヒートポンプが、蒸気圧縮サイクル、蒸気吸収サイクル、蒸気吸着サイクル、または熱電冷凍機のうちの１つとして動作する、
    請求項１９に記載のシステム。
28. 前記少なくとも１つのヒートポンプの各ヒートポンプは、
    少なくとも１つの閉流体回路と、
    少なくとも１つのヒートポンプ凝縮器と、
    少なくとも１つのヒートポンプ蒸発器と、
    少なくとも１つのヒートポンプ減圧器と、
    少なくとも１つの冷媒と、
    少なくとも１つのヒートポンプ圧縮器と
    を含み、
    各閉流体回路は、前記少なくとも１つのヒートポンプ凝縮器のうちの１つ、前記少なくとも１つのヒートポンプ蒸発器のうちの１つ、前記少なくとも１つの冷媒のうちの１つ、前記少なくとも１つのヒートポンプ減圧器のうちの１つ、および前記少なくとも１つのヒートポンプ圧縮器のうちの１つを含む、
    請求項１９に記載のシステム。
29. 前記第１の収着物質生成物ガスは、前記少なくとも１つのヒートポンプの第２の閉流体回路の前記ヒートポンプ蒸発器と熱的に接触し、
    前記第２の閉流体回路は、前記第２の温度より低く、また水の融点よりも低い第３の温度で前記第１の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、その結果、前記第３の温度で第２の収着物質生成物ガスと固体水が得られる、
    請求項２８に記載のシステム。
30. 前記第２の閉流体回路によって抽出された前記熱は、前記第２の閉流体回路によって、前記第１の温度の前記液体水供給装置および前記第２の温度と前記第１の温度との間の第４の温度で前記第１の閉流体回路の前記ヒートポンプ蒸発器の下流の前記第１の閉流体回路のうちの１つに提供される、
    請求項２９に記載のシステム。
31. 前記第２の収着物質生成物ガスは、前記少なくとも１つのヒートポンプの第３の閉流体回路の前記ヒートポンプ蒸発器と熱的に接触し、
    前記第３の閉流体回路は、前記第３の温度より低く、また前記収着物質の沸点よりも低い第５の温度で前記第２の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、その結果、前記第５の温度で液化収着物質および揮発性ガスが得られる、
    請求項２９または３０に記載のシステム。
32. 前記第１の閉流体回路および前記第２の閉流体回路が同じヒートポンプに属する、
    請求項２９または３０に記載のシステム。
33. 前記第１の閉流体回路、前記第２の閉流体回路、および前記第３の閉流体回路が同じヒートポンプに属する、
    請求項３１に記載のシステム。
34. 前記収着剤材料が固体である、
    請求項１９に記載のシステム。
35. 前記収着剤材料は、イオン交換樹脂、官能化ポリマー、活性炭、炭酸塩、リン酸塩、アミン基を含む材料、アンモニウム基を含む材料、およびアミン基とアンモニウム基を含む材料の少なくとも１つを含む、
    請求項３４に記載のシステム。
36. 前記収着物質が、温度スイング、圧力スイング、および水分スイングのうちの少なくとも１つによって前記収着剤から除去される、
    請求項１９に記載のシステム。
37. 前記第１の温度が４０℃と１２０℃の間である、
    請求項１９、２１、および３０のいずれか一項に記載のシステム。
38. 前記第２の温度が０℃と４０℃の間である、
    請求項１９、２１、および３０のいずれか一項に記載のシステム。
39. 前記第３の温度が０℃と－５６℃との間である、
    請求項２０または３１に記載のシステム。
40. 前記固体水の少なくとも一部が融解され、前記液体水供給装置に移送される、
    請求項２０または３１に記載のシステム。
41. 前記固体水が周囲熱を使用して融解される、
    請求項４０に記載のシステム。
42. 前記固体水は、前記少なくとも１つのヒートポンプのうちの１つによって供給される熱を使用して融解される、
    請求項４０に記載のシステム。
43. 前記揮発性ガスは、窒素、酸素、メタン、水素、および一酸化炭素のうちの少なくとも１つを含む、
    請求項２２または３１に記載のシステム。
44. 前記流体が１０モル％以下の高揮発性成分を含む、
    請求項２２または３１に記載のシステム。
45. 前記収着剤構造が前記水蒸気に曝露されている間の前記再生容器内の前記圧力が５２０ｋＰａと３０００ｋＰａの間である、
    請求項１９に記載のシステム。
46. 前記第３の温度は、前記第３の温度における前記第２の収着物質生成物ガス中の水の濃度が、前記第５の温度における前記液化収着物質中の水溶解度濃度よりも低くなるように、十分に低く選択される、
    請求項２２または３１に記載のシステム。
47. 前記液化収着物質を受け取り、前記液化収着剤の前記圧力をさらに上昇させるように構成された機械ポンプをさらに含む、
    請求項２２または３１に記載のシステム。
48. 前記液化収着物質の最終圧力が二酸化炭素の超臨界圧力に少なくとも等しい、
    請求項４７に記載のシステム。
49. 前記凝縮器によって前記第２の温度で液体水として凝縮された前記水は、前記液体水供給装置に戻される前に、まず周囲熱によって周囲温度に近いかそれより低い第６の温度まで加熱される、
    請求項１９に記載のシステム。
50. 前記再生容器に供給される前記水蒸気が、前記再生容器の前記全圧を加圧し、前記飽和蒸気圧に対応する圧力またはその付近の圧力に維持する、
    請求項１９に記載のシステム。
51. 前記再生容器が、前記第１の温度における水の前記飽和圧力の少なくとも８５％である全圧に維持される、
    請求項５０に記載のシステム。
52. 前記放出された収着物質ガスが前記全圧を前記第１の温度の水蒸気の前記飽和蒸気圧よりも高くするように、前記第１の温度の前記液体水供給装置と前記再生容器との間の流体接続が断続的に閉じられる、
    請求項１９に記載のシステム。
53. 前記収着剤材料と接触する前記水蒸気の一部が、顕熱伝達、凝縮、吸収、吸着および発熱反応のうちの少なくとも１つによって前記収着剤材料に熱を与える、
    請求項１９に記載のシステム。
54. 水蒸気の一部が前記収着物質ガスと結合し、その結果、前記再生容器の前記全圧が前記収着剤材料と平衡状態にある前記収着物質蒸気の前記蒸気圧よりも高くなる、
    請求項１９に記載のシステム。
55. 前記第１の温度は、加熱中に前記水蒸気と前記収着剤構造との間の温度差が最小になるように上昇する、
    請求項１９に記載のシステム。
56. 前記再生容器内にあり、前記液体水供給装置に連通可能に結合された少なくとも１つのノズルをさらに含み、
    前記液体水供給装置からの加熱された液体水が前記少なくとも１つのノズルを通過し、前記加熱された液体水の一部が前記水蒸気に膨張するときに前記水蒸気が前記再生容器に導入され、前記水蒸気と水滴を含む熱い霧を生成する、
    請求項１９に記載のシステム。
57. 前記液体水供給装置と流体連通し、前記再生容器内の前記少なくとも１つのノズルに送られる前記加熱された液体水を加圧する第２の液体ポンプをさらに含む、
    請求項５６に記載のシステム。
58. 前記第２の収着物質生成物ガスは、前記少なくとも１つのヒートポンプの前記第２のヒートポンプと熱的に接触している蒸留ユニット内で凝縮され、
    前記蒸留ユニットは前記第２の収着物質生成物ガスを液化収着物質と揮発性ガスに凝縮する、
    請求項２０または２１に記載のシステム。
59. 前記第２の収着物質生成物ガスは、前記少なくとも１つのヒートポンプの前記第２の閉流体回路の前記ヒートポンプ蒸発器と熱的に接触している蒸留ユニット内で凝縮され、
    前記蒸留ユニットは、前記第２の収着物質生成物ガスを液化収着物質と揮発性ガスに凝縮する、
    請求項２９または３０に記載のシステム。
60. 前記少なくとも１つのヒートポンプのうちの第４のヒートポンプをさらに含み、
    前記第４のヒートポンプおよび前記第２のヒートポンプは、前記第１の収着物質生成物ガスと断続的に流体接触し、その結果、前記第４のヒートポンプと前記第２のヒートポンプの一方が前記第１の収着物質生成物ガスと流体接触しているとき、前記第４のヒートポンプと前記第２のヒートポンプの他方が前記第１の収着物質生成物ガスから隔離され、
    前記第４のヒートポンプは、前記第１の収着物質生成物ガスから前記第３の温度で熱を抽出し、その結果、前記第３の温度の前記第２の収着物質生成物ガスと固体水が得られ、
    前記システムが、前記第４のヒートポンプおよび前記第２のヒートポンプのうちの一方が前記第１の収着物質生成物ガスと流体接触しているとき、前記第４のヒートポンプおよび前記第２のヒートポンプの他方と熱的に接触している前記固体水の少なくとも一部が、融解して前記液体水供給装置に移送されるように構成される、
    請求項２０に記載のシステム。
61. 前記少なくとも１つのヒートポンプの第４の閉流体回路をさらに含み、
    前記第４の閉流体回路および前記第２の閉流体回路は、前記第１の収着物質生成物ガスと断続的に流体接触し、その結果、前記第４の閉流体回路および前記第２の閉流体回路のうちの一方が前記第１の収着物質生成物ガスと流体接触しているとき、前記第４の閉流体回路および前記第２の閉流体回路の他方が前記第１の収着物質生成物ガスから隔離され、
    前記第４の閉流体回路は、前記第３の温度で前記第１の収着物質生成物ガスから熱を抽出し、その結果、前記第３の温度で前記第２の収着物質生成物ガスと固体水が得られ、
    前記システムは、前記第４の閉流体回路および前記第２の閉流体回路のうちの１つが前記第１の収着物質生成物ガスと流体接触しているとき、前記第４の閉流体回路および前記第２の閉流体回路の他方と熱的に接触している前記固体水の少なくとも一部は、融解して前記液体水供給装置に移送されるように構成される、
    請求項２９に記載のシステム。
62. 再生容器内に収着剤構造を収容するステップであって、前記収着剤構造は前記収着物質ガスが収着された前記収着剤材料を含む、ステップと、
    第１の温度の熱を液体水供給装置に提供することによって水蒸気を生成するステップと、
    前記再生容器の前記全圧を、前記第１の温度における水の前記飽和蒸気圧に相当する前記圧力未満に低下させるステップと、
    前記第１の温度の前記水蒸気を前記再生容器に導入し、前記水蒸気を前記収着剤材料と流体接触させ、前記収着物質ガスの一部を放出させて前記収着物質ガスと前記水蒸気を含む蒸気混合物を形成させ、前記再生容器内の前記全圧を前記収着物質の前記三重点圧力よりも高くするステップと、
    前記蒸気混合物を、前記再生容器に連通可能に接続され、液体ポンプを介して前記液体水供給装置にも連通可能に接続された凝縮器と流体接触させることによって、前記蒸気混合物を前記再生容器から流出させることを可能にするステップであって、前記凝縮器は、前記液体水供給装置とも熱的に接触している第１のヒートポンプと熱的に接触しており、前記第１のヒートポンプは少なくとも１つのヒートポンプのうちの１つである、ステップと、
    前記第１のヒートポンプを使用して前記第１の温度よりも低い第２の温度で前記蒸気混合物から熱を除去し、前記蒸気混合物中の前記水蒸気の一部を凝縮させて液体水にするステップと、
    前記第２の温度で前記蒸気混合物から除去された前記熱を、前記第１の温度で前記液体水供給装置に提供するステップと、
    前記液体ポンプを使用して、前記蒸気混合物から凝縮した前記液体水を前記液体水供給装置に戻すステップと、
    前記凝縮器に連通可能に接続された第１の圧縮器で前記蒸気混合物の残りを圧縮し、第１の収着物質生成物ガスを形成するステップと
    を含む、
    収着剤材料から収着物質ガスを回収するための方法。
63. 前記第１の収着物質生成物ガスと熱的に接触している第２のヒートポンプを用いて第３の温度で前記第１の収着物質生成物ガスから熱を抽出するステップをさらに含み、その結果、前記第３の温度で第２の収着物質生成物ガスと固体水が得られ、
    前記第３の温度は前記第２の温度より低く、また水の融点よりも低い、
    請求項６２に記載の方法。
64. 前記少なくとも１つのヒートポンプの前記第２のヒートポンプによって抽出された前記熱を、前記第１の温度の前記液体水供給装置および前記第２の温度と前記第１の温度との間の第４の温度の前記第１のヒートポンプのうちの一方に提供するステップをさらに含む、
    請求項６３に記載の方法。
65. 前記第２の収着物質生成物ガスと熱的に接触する第３のヒートポンプを用いて、第５の温度で前記第２の収着物質生成物ガスから熱を抽出するステップを含み、その結果、前記第５の温度で液化収着物質および揮発性ガスが得られ、
    前記第５の温度は、前記第３の温度より低く、また前記収着物質の沸点よりも低い、
    請求項６３または６４に記載の方法。
66. 前記第１のヒートポンプと前記第２のヒートポンプは同じヒートポンプである、
    請求項６３または６４に記載の方法。
67. 前記第１のヒートポンプ、前記第２のヒートポンプ、および前記第３のヒートポンプが同じヒートポンプである、
    請求項６５に記載の方法。
68. 前記再生容器の前記全圧を低下させる前に、前記再生容器の開口部を通して前記収着剤構造を前記再生容器内に物理的に移動させるステップをさらに含む、
    請求項６２～６７のいずれか一項に記載の方法。
69. 前記収着物質が二酸化炭素を含む、
    請求項６２～６８のいずれか一項に記載の方法。
70. 前記少なくとも１つのヒートポンプが、蒸気圧縮サイクル、蒸気吸収サイクル、蒸気吸着サイクル、または熱電冷凍機のうちの１つとして動作する、
    請求項６２に記載の方法。
71. 前記少なくとも１つのヒートポンプの各ヒートポンプは、
    少なくとも１つの閉流体回路と、
    少なくとも１つのヒートポンプ凝縮器と、
    少なくとも１つのヒートポンプ蒸発器と、
    少なくとも１つのヒートポンプ減圧器と、
    少なくとも１つの冷媒と、
    少なくとも１つのヒートポンプ圧縮器と
    を含み、
    各閉流体回路は、前記少なくとも１つのヒートポンプ凝縮器のうちの１つ、前記少なくとも１つのヒートポンプ蒸発器のうちの１つ、前記少なくとも１つの冷媒のうちの１つ、前記少なくとも１つのヒートポンプ減圧器のうちの１つ、および前記少なくとも１つのヒートポンプ圧縮器のうちの１つを含む、
    請求項６２に記載の方法。
72. 前記第１の収着物質生成物ガスと熱的に接触している前記少なくとも１つのヒートポンプの第２の閉流体回路を用いて、前記第１の収着物質生成物ガスから第３の温度で熱を抽出するステップをさらに含み、その結果、前記第３の温度で第２の収着物質生成物ガスと固体水が得られ、
    前記第３の温度は前記第２の温度より低く、また水の融点よりも低い、
    請求項７１に記載の方法。
73. 前記第２の閉流体回路によって抽出された前記熱を、前記第１の温度の前記液体水供給装置および前記第２の温度と前記第１の温度との間の第４の温度で前記第１の閉流体回路の前記ヒートポンプ蒸発器の下流の前記第１の閉流体回路のうちの１つに提供するステップをさらに含む、
    請求項７２に記載の方法。
74. 前記第２の収着物質生成物ガスと熱接触している前記少なくとも１つのヒートポンプの第３の閉流体回路を用いて、前記第２の収着物質生成物ガスから第５の温度で熱を抽出するステップを含み、その結果、前記第５の温度で液化収着物質および揮発性ガスが得られ、
    前記第５の温度は、前記第３の温度より低く、また前記収着物質の沸点よりも低い、
    請求項７２または７３に記載の方法。
75. 前記第１の閉流体回路および前記第２の閉流体回路が、前記少なくとも１つのヒートポンプのうちの同じヒートポンプに属する、
    請求項７２または７３に記載の方法。
76. 前記第１の閉流体回路、前記第２の閉流体回路、および前記第３の閉流体回路は、前記少なくとも１つのヒートポンプのうちの同じヒートポンプに属する、
    請求項７４に記載の方法。
77. 前記収着剤材料が固体である、
    請求項６２に記載の方法。
78. 前記収着剤材料は、イオン交換樹脂、官能化ポリマー、活性炭、炭酸塩、リン酸塩、アミン基を含む材料、アンモニウム基を含む材料、およびアミン基とアンモニウム基を含む材料のうちの少なくとも１つを含む、
    請求項７７に記載の方法。
79. 前記収着物質が、温度スイング、圧力スイング、および水分スイングのうちの少なくとも１つによって前記収着剤から除去される、
    請求項６２に記載の方法。
80. 前記第１の温度が４０℃と１２０℃の間である、
    請求項６２、６４、および７３のいずれか一項に記載の方法。
81. 前記第２の温度が０℃と４０℃の間である、
    請求項６２、６４、および７３のいずれか一項に記載の方法。
82. 前記第３の温度が０℃と－５６℃の間である、
    請求項６３または７４に記載の方法。
83. 前記固体水の少なくとも一部を融解し、前記水を前記液体水供給装置に加えるステップをさらに含む、
    請求項６３または７４に記載の方法。
84. 前記固体水を周囲熱を使用して融解する、
    請求項８３に記載の方法。
85. 前記固体水は、前記少なくとも１つのヒートポンプのうちの１つによって提供される熱を使用して融解される、
    請求項８３に記載の方法。
86. 前記揮発性ガスが、窒素、酸素、メタン、水素、および一酸化炭素のうちの少なくとも１つを含む、
    請求項６５または７４に記載の方法。
87. 前記流体が１０モル％以下の高揮発性成分を含む、
    請求項６５または７４に記載の方法。
88. 前記収着剤構造が前記水蒸気に曝露されている間の前記再生容器内の前記圧力が５２０ｋＰａと３０００ｋＰａの間である、
    請求項６２に記載の方法。
89. 前記第３の温度は、前記第３の温度での前記第２の収着物質生成物ガス中の水の濃度が、前記第５の温度での前記液化収着物質中の水溶解度濃度よりも低くなるように、十分に低く選択される、
    請求項６５または７４に記載の方法。
90. 前記液化収着物質を受け取るように構成された機械ポンプを用いて前記液化収着剤の前記圧力を増加させるステップをさらに含む、
    請求項６５または７４に記載の方法。
91. 前記液化収着物質の最終圧力が二酸化炭素の超臨界圧力に少なくとも等しい、
    請求項９０に記載の方法。
92. 前記液体水を前記液体水供給装置に戻す前に、周囲熱を使用して、前記蒸気混合物から凝縮した前記液体水を周囲温度付近またはそれ以下の第６の温度まで加熱するステップをさらに含む、
    請求項６２に記載の方法。
93. 前記再生容器に供給される前記水蒸気が、前記再生容器の前記全圧を加圧し、前記飽和蒸気圧に対応する圧力またはその付近の圧力に維持する、
    請求項６２に記載の方法。
94. 前記再生容器が、前記第１の温度における水の前記飽和圧力の少なくとも８５％である全圧に維持される、
    請求項９３に記載の方法。
95. 前記第１の温度の前記液体水供給装置と前記再生容器との間の流体接続を断続的に閉じるステップをさらに含み、
    前記放出された収着物質ガスにより前記再生容器の前記全圧が前記第１の温度の水蒸気の前記飽和蒸気圧を超えるまで上昇する、
    請求項６２に記載の方法。
96. 前記収着剤材料と接触する前記水蒸気の一部が、顕熱伝達、凝縮、吸収、吸着および発熱反応のうちの少なくとも１つによって前記収着剤材料に熱を与える、
    請求項６２に記載の方法。
97. 前記水蒸気の一部が前記収着物質ガスと結合し、その結果、前記再生容器の前記全圧が前記収着剤材料と平衡状態にある前記収着物質蒸気の前記蒸気圧よりも高くなる、
    請求項６２に記載の方法。
98. 前記第１の温度は、加熱中に前記水蒸気と前記収着剤構造との間の温度差が最小になるように上昇する、
    請求項６２に記載の方法。
99. 前記第５の温度で前記揮発性ガスをヒートシンクとして使用するステップをさらに含む、
    請求項６５または７４に記載の方法。
100. 有用な作用を生成するために前記第５の温度で前記揮発性ガスを使用するステップをさらに含む、
     請求項６５または７４に記載の方法。
101. 乾燥プロセスの一部として乾燥ガスの供給源として前記第５の温度で前記揮発性ガスを使用するステップをさらに含む、
     請求項６５または７４に記載の方法。
102. 空気圧装置の前記動作のための乾燥ガスの供給源として、前記第５の温度で前記揮発性ガスを使用するステップをさらに含む、
     請求項６５または７４に記載の方法。
103. 前記水蒸気を生成することは、加熱された液体水を前記液体水供給装置から少なくとも１つのノズルを通して通過させるステップを含み、
     前記ノズルは前記再生容器内にあり、前記液体水供給装置に連通可能に接続されており、
     前記加熱された液体水の一部は膨張して前記水蒸気となり、前記再生容器内で前記水蒸気と水滴を含む熱い霧を生成する、
     請求項６２に記載の方法。
104. 前記液体水供給装置と流体連通する第２の液体ポンプを用いて、前記再生容器内の前記少なくとも１つのノズルに送られる前記加熱された液体水を加圧するステップをさらに含む、
     請求項１０３に記載の方法。
105. 前記第２のヒートポンプと熱的に接触している蒸留ユニット内で前記第２の収着物質生成物ガスを凝縮させるステップをさらに含み、
     前記蒸留ユニットは、前記第２の収着物質生成物ガスを液化収着物質と揮発性ガスに凝縮する、
     請求項６３または６４に記載の方法。
106. 前記少なくとも１つのヒートポンプの前記第２の閉流体回路の前記ヒートポンプ蒸発器と熱的に接触している蒸留ユニット内で前記第２の収着物質生成物ガスを凝縮させるステップをさらに含み、
     前記蒸留ユニットは、前記第２の収着物質生成物ガスを液化収着物質と揮発性ガスに凝縮する、
     請求項７２または７３に記載の方法。
107. 前記第２のヒートポンプと第４のヒートポンプを断続的に前記第１の収着物質生成物ガスと流体接触させるステップであって、その結果、前記第４のヒートポンプと前記第２のヒートポンプの一方が前記第１の収着物質生成物ガスと流体接触しているとき、前記第４のヒートポンプと前記第２のヒートポンプの他方が前記第１の収着物質生成物ガスから隔離される、ステップと、
     前記第４のヒートポンプを用いて前記第１の収着物質生成物ガスから前記第３の温度で熱を抽出するステップであって、その結果、前記第３の温度で前記第２の収着物質生成物ガスと固体水が得られる、ステップと、
     前記第４のヒートポンプと前記第２のヒートポンプの他方は、前記第１の収着物質生成物ガスと流体接触している間に、前記第４のヒートポンプおよび前記第２のヒートポンプのうちの１つと熱接触して前記固体水の少なくとも一部を融解するステップと、
     融解した前記固体水の前記一部から前記液体水を前記液体水供給装置に移送するステップと
     をさらに含む、請求項６３に記載の方法。
108. 前記第２のヒートポンプと第４の閉流体回路を断続的に前記第１の収着物質生成物ガスと流体接触させるステップであって、その結果、前記第４の閉流体回路および前記第２の閉流体回路のうちの一方が前記第１の収着物質生成物ガスと流体接触しているとき、前記第４の閉流体回路および前記第２の閉流体回路の他方が前記第１の収着物質生成物ガスから隔離される、ステップと、
     前記第４の閉流体回路を用いて前記第３の温度で前記第１の収着物質生成物ガスから熱を抽出するステップであって、その結果、前記第３の温度で前記第２の収着物質生成物ガスと固体水が得られる、ステップと、
     前記第４の閉流体回路および前記第２の閉流体回路の他方は、前記第１の収着物質生成物ガスと流体接触している間に、前記第４の閉流体回路および前記第２の閉流体回路のうちの一方と熱接触している前記固形水の少なくとも一部を融解するステップと、
     前記融解した固体水の前記一部から前記液体水を前記液体水供給装置に移送するステップと
     をさらに含む、請求項７２に記載の方法。

Images