JP5188663B2 - 圧力スイング吸着式化学反応器 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、ガス相又は蒸気相で生ずる化学反応に関するものである。反応は発熱反応又は吸熱反応とし、触媒に触れるか又は反応を促進するよう外部励起の適当な形態の下で行なう。若干の特別な用途としては、アンモニア合成、メタノール合成、天然ガス又は合成ガスの液体燃料への変質、水素添加反応及び脱水素反応、及び制御した酸化反応がある。
【０００２】
（発明の背景）
化学プロセス産業における基本的な問題は、適切な反応条件の下で所要の選択性を有する高い転化を得るための反応の平衡状態及び分子運動に関する管理の問題、及び反応温度を制御しまた高いエネルギ効率を得るための反応熱の管理の問題がある。
【０００３】
代表的には、供給反応体のシングルパス転化は平衡条件の限界があるため複雑ではない。このとき、有用な生成物を反応器出力から抽出する分離システムを設け、次に消費されなかった反応体を反応器の入口に再循環（リサイクル）させることが必要になる。従来技術としては、凝縮、蒸留、薄膜透過、吸収及び吸着に基づく分離プロセスがある。多くの場合、このような従来の分離プロセスは反応自体の作動温度と両立しないものであった。多くの普通の分離プロセスは外気温度又は二次的外気温度で作動させており、一方反応は高い温度で動作させており、従って、リサイクルループにはコストのかかる熱交換を必要としていた。
【０００４】
高い温度は反応速度を良好にするが、発熱反応の平衡状態を低い転化側にシフトする。リサイクルの必要性を少なくするため、熱交換、リサイクル圧縮器、及び他の補助設備に高いコストを投入すれば、極めて高い圧力及び温度の反応減少での動作を保証する。代表的なアンモニア合成の発熱反応の実施例では、強制的に平衡状態を高圧動作で生じさせることにより満足のいく転化が得られ、リサイクルループからの生成物分離を、通常冷却後に凝縮することにより行なう。
【０００５】
重要な用途としては、上昇した温度でスチームを含む反応混合ガスから二酸化炭素を分離する場合、又はこのような分離がプロセス効率や、簡便性や、経済性を大幅に高めることにある。重要な実施例としては、天然ガスのスチーム改質によって水素を生成することがある。幾つかの従来技術のプロセスは、スチーム改質を促すためスチームとメタンとの反応混合体から二酸化炭素を除去する吸収、及び高い転化効率で適切な純度の改質を促すための水ガスシフト反応均衡状態を行なうことが提案されていた。流動床反応器に熱再生吸収体として石灰を使用することが、Brum-Tsekhovoi氏らによって提案された（ペルガモン・プレス社による1988年発行のHydrogen Energy Progress VII, Proceedings of the World Hydrogen Energy Conference,第８８５頁 "The Process of Catalytic Steam-Reforming of Hydrocarbons in the Presence of Carbon Dioxide Acceptor"参照）。最近では、スチームメタン改質のための固定床圧力スイング吸着反応器として、Gaffney 氏らによって提案され、変更したアルミナ吸着体を使用するもの（米国特許第５，９１７，１３６号参照）、また、J.R. Hufton, S.G. Mayorga, 及びS. Sircar氏らによって提案され、ハイドロタルサイトから派生し、炭酸カリウムによって促進される混合した酸化金属を使用するもの（ ＡＩＣｈＥＪ第４５号，２４８頁の記事"Sorption Enhanced Reaction Process for Hydrogen Production"参照）がある。
【０００６】
圧力スイング吸着（ＰＳＡ）によるガス分離は、混合体のうちの吸着し易い成分を吸着しにくい成分に対して優先的に吸着する吸着体床に対して調和した圧力の周期的な変動及び及び流れの逆転を加えることによって行なう。全体圧力は、吸着体床の第１端部から第２端部に通過する第１方向の流れを生じている間に上昇させ、また逆方向への流れが生じている間に減少させる。サイクルを繰り返すとき、吸着しにくい成分は第１方向で濃縮され、吸着し易い成分は逆方向で濃縮される。
【０００７】
吸着し易い成分が少なくかつ吸着しにくい成分が多く含まれる「軽」生成物は吸着体床の第２端部から送給される。吸着し易い成分が多く含まれる「重」生成物は吸着体床の第１端部から排出される。代表的には、吸着体床の圧力を高い作動圧力に上昇させるとき、供給は吸着体床の第１端部に導入し、また第２生成物は吸着体床の第２端部から送給し、一方第２生成物はサイクルの低い圧力の作動圧力で吸着体床の第１端部から排出する。
【０００８】
圧力スイング吸着によるガス分離のための普通のプロセスは、２個又はそれ以上の吸着体床を並列させ、各吸着体床の各端部に一方向バルブを設け、圧力源とシンク側との交互のシーケンスを加え、作動圧力と流れの方向の変化を生じさせている。この普通の圧力スイング吸着プロセスは、高い圧力と低い圧力との間で吸着体床を切り換えながら大きな圧力差でバルブにわたる不可逆膨張を行なうため、加えるエネルギを有効利用していない。
【０００９】
（発明の開示）
本発明は、生成物／反応体分離プロセスとして圧力スイング吸着を行なう化学反応器を組み込む。
【００１０】
本発明は、高いエネルギ効率で、低コストのコンパクトな機械類を使用し、反応体から反応生成物を圧力スイング吸着分離するための回転モジュールと連係動作する化学反応を生ずる。
【００１１】
本発明装置は、吸着し易い成分及び吸着しにくい成分を有する混合ガスをＰＳＡ分離する回転モジュールを有し、圧力上昇の下に吸着体材料によって供給混合ガスから優先的に吸着し易い成分を吸着し、混合ガスから吸着し易い吸着成分を多く含んだ重生成物ガス、及び吸着しにくい成分を多く含みかつ吸着し易い成分が少ない軽生成物ガスを分離する。装置は、代表的には、１個又は平行に配列した複数個のＰＳＡモジュールと連係動作する軸方向型又は遠心型圧縮機械類を有する。各ＰＳＡモジュールは、複数個の吸着体を有し、各吸着体は流路の第１端部と第２端部との間の吸着体材料に接触する流路を有する。
【００１２】
各ＰＳＡモジュールには、更に、吸着体と連係動作して供給ガスを吸着体の第１端部に流入させ、また吸着体の第１端部から重生成物ガスを排出する第１バルブ手段を設ける。各ＰＳＡモジュールには、更にまた、吸着体に連係動作して吸着体の第２端部から軽生成物ガスを送給し、また吸着体の第２端部から軽生成物ガスを送給し、吸着体の第２端部から軽還流ガスを引き出し、また吸着体の第２端部から軽還流ガスを帰還（リターン）させる第２バルブ手段を設ける。この用語「軽還流」は、軽ガス（吸着しにくい成分が多く含まれるガス）を第２バルブ手段を介して吸着体の第２端部から引き込み、これに続いて第２バルブ手段を介して低い圧力の下でこの引き込んだ軽ガスを他の吸着体に圧力低下させまた帰還させることを言う。第１及び第２のバルブ手段は各吸着体内で順次行われるＰＳＡサイクルのステップを画定するよう動作するとともに、特定の全体圧力レベルにおいて吸着体と圧縮機械類との間の流れのタイミングを制御する。
【００１３】
本発明のＰＳＡプロセスは、各吸着体内でＰＳＡサイクルを成立させ、各吸着体内では全体的作動圧力をＰＳＡサイクルの高い圧力と低い圧力との間で循環させる。ＰＳＡプロセスは、高い圧力と低い圧力との間の複数個の中間圧力を有する。装置の圧縮機械類は多段の軸方向型又は遠心型の圧縮器及び膨張器とを有する。
【００１４】
本発明によれば、供給圧縮器は、複数個の段階において個別の中間圧力で吸着体の供給加圧を行なうため供給ガスを供給し、また軽生成物を生成するため高い圧力で第１バルブ手段に供給する。膨張器は、複数個の段階において個別の中間圧力で吸着体の逆方向流ブローダウンのために第２生成物ガスを受け取り、また第１バルブ手段から低い圧力を受け取る。軽還流膨張器は、更に、複数個の個別の還流段階で圧力低下を行い、次いで第１バルブ手段から一連の個別の中間圧力レベルの圧力で引き出し、膨張後に第２バルブ手段に個別の中間圧力レベルの低い側の圧力群で帰還する。熱交換器は、膨張しようとする熱ガスストリームを生じてエネルギ回収の熱的に向上させる。
【００１５】
各圧力レベルで圧縮機械類に対して流入又は流出するガスストリームをほぼ均一の圧力及び速度にするため、各ＰＳＡモジュールは相当多くの吸着体を設け、そのうちの数個の吸着体がどの瞬間にもＰＳＡサイクルの各ステップを受けるようにすると好適である。加圧及びブローダウンステップ中は、このステップにある数個の吸着体を、吸着体が受けた先行のステップの圧力レベルから絞った圧力による均等化を行なって、順次に各ステップに固有の通常圧力に位相転換して近づけていく。流れは、加圧ステップで吸着体に生じさせ、ブローダウンステップでこのブローダウンの通常の圧力レベルにおいて圧縮機械類によって流れを引き出す。各中間圧力レベルで圧縮機械類に見られる流れ及び圧力の脈動は、各吸着体が圧力及び流れの大きな周期的な変動を受けるにもかかわらず、そのステップを通過する数個の吸着体を平均化することによって少なくなる。
【００１６】
機構的に簡単な構成のＰＳＡモジュールに多数の吸着体を設ける好適な方法としては、このような吸着体をロータに角度的に離して配置した素子として据え付け、このロータの両側の面にはポート付きのステータシール面を有するシール面が第１及び第２のバルブ手段をなすようにする。角度的に適度に離れた多数のポートを設けて第１及び第２のバルブ面の各々に所要圧力レベル（高い圧力レベル、低い圧力レベル及び中間圧力レベル）を受け入れるようにすることによって、所要のＰＳＡサイクルが得られる。
【００１７】
少ない数の吸着体を各ＰＳＡモジュールに使用する場合、サージ吸着体室を設けて、圧縮機械類の各段を流れ及び圧力の過剰な脈動から隔絶することが必要になる。十分大きなサージ吸着体室を有する場合、圧縮機械類に見られる流れ及び圧力の脈動は減少する。
【００１８】
圧縮機械類及び膨張機械類（吸着体の第１端部に主に連通して圧縮を行ない、また、吸着体の第２端部から順方向流のブローダウンで膨張エネルギ回収を行なう）を使用して高い効率のＰＳＡサイクルを生ずる原理は、「熱的結合圧力スイング吸着（Thermally Coupled Pressure Swing Adsorption)」又はＴＣＰＳＡと称され、これは固有の熱ポンピング作用が、機械的なスターリング式又はエリクソン式サイクルの熱力学的エンジンと極めて類似するからである。
【００１９】
逆方向流ブローダウンガスの膨張（このステップは大気圧より高い圧力で行われる）、及び軽還流流出隔室と帰還隔室との間で圧力低下膨張器での膨張によってエネルギ回収が行われる。本発明によれば、本発明ＰＳＡプロセスによって可能になる互いに密接する多数る個別の中間圧力レベルで多段のガス流を生じさせる多段又は分割したストリーム圧縮／膨張機械類を提供する。多段機械類は直列又は並列動作する個別のマシンとして設けるか、又は単独のケーシング内の単独のシャフトに縦列させた複数個のインペラとして設けると好適である。熱交換器は、随意に圧縮の熱を排除する圧縮インタークーラーとして、又は逆方向流ブローダウンガス又は膨張すべき軽還流ガスのいずれかを加熱するヒータとして設けることができる。ヒータには外部熱源から熱を供給するか、又は本発明の装置及び方法（プロセス）内での他のエネルギ回収モードとして圧縮インタークーラーからの圧縮熱を使用することができる。熱は、更に、ロータ内の熱交換器表面を設けることによって吸着体に対して熱を供給したり又は除去したりすることもできる。
【００２０】
（好適な実施例の詳細な説明）
図１及び図２
図１は、複数個の「Ｎ」個の互いに協調動作する吸着体３を並列的に配置した吸着組立体２を有する基本的なＰＳＡ（圧力スイング吸着）装置１を示す。各吸着体３は、吸着体３の第１端部５と第２端部６との間の流路４を有し、吸着材料が流路に接触する。吸着体３には第１バルブ手段７及び第２バルブ手段８が協調動作する。矢印９は、図１に示すように、第１バルブ手段７及び第２バルブ手段８のポートに接続されている吸着体３の進行方向を示す。本発明の好適な実施例である回転吸着体の場合、吸着体ロータ２を回転軸線の周りに３６０゜展開したものを図１に示し、従って、この回転により吸着体３を矢印９の方向に進行させて図２のサイクルを受ける。
【００２１】
ロータ２の展開図の左側端縁１３は３６０゜の回転後に右側端縁１４に復帰する。更に、本発明では単独のロータ２における「Ｎ」吸着体のグループを「Ｍ」個の多重グループにして一体的に設けることもでき、この場合、端縁１３から端縁１４にいたる角度範囲は３６０゜／Ｍとなる。しかし、この構成は第１及び第２のバルブ手段７，８への流体接続がより複雑になるという欠点があるが、回転速度をより遅くできる（同一のＰＳＡサイクル周波数がＭ倍になることにより）という利点、また、圧力分布及び応力分布が対称的になるという利点がある。この「Ｍ」＝２とした場合、図１は本発明によるロータの各１８０゜にわたる側方部分を示すことになる。
【００２２】
図２は、「Ｎ」個の吸着体３の各々により順次にそれぞれサイクル周期「Ｔ」にわたって受けるＰＳＡサイクルを示す。連続的な吸着体３におけるサイクルはＴ／Ｎの時間間隔の移送のずれがある。図２において、縦軸１０は吸着体素子における作動圧力を示す。ＰＳＡプロセスの高い作動圧力及び低い作動圧力を、それぞれ点線１１，１２で示す。
【００２３】
横軸１５は時点１６，１７間の時間間隔で決まるＰＳＡサイクル周期における時間を示す。時点１６，１７において、図１の左側における第１吸着体３の作動圧力は圧力１８である。時点１６からスタートしてサイクルは吸着体３の第１端部５が第１バルブ手段７によって開かれて第１中間供給圧力２１の第１供給サプライ手段２０に接続されることから開始される。このとき、吸着体３の圧力は時点１７において圧力１８から第１中間供給圧力２１に上昇する。処理が進むにつれ、第１端部５は次の第２中間供給圧力２３の第２供給サプライ手段２２に開かれる。吸着体の圧力は第２中間供給圧力になる。
【００２４】
次に第１端部５はＰＳＡプロセスの高い圧力１１の第３供給サプライ手段２４に開かれる。吸着体の圧力が十分高い作動圧力まで上昇すると、第１端部６は第２バルブ手段８により軽生成物(light product)送給導管２５に開かれて精製された軽生成物を送給する。供給ガスが第３供給サプライ手段２４から吸着体３の第１端部に依然として供給され続けている間、第２端部６が軽生成物送給導管２５との接続が閉じられ、導管２９との接続が開かれ、「軽還流(light reflux)」ガス（第２生成物ガスと同様、吸着されにくい成分が多く含まれる）を第１軽還流圧力低下手段３０に送給する。この第１軽還流圧力低下手段３０は、流入ヒータ又はスロットルオリフィスのような随意の熱交換器を有する膨張器（エキスパンダ）とすることができる。供給サプライ手段のすべて又は若干は、供給圧縮段をなすものとすることができる。
【００２５】
この後、吸着体３の第１端部５が第１バルブ手段７によって閉じられるとともに、第２端部６が第２バルブ手段８によって開かれて、ａ）導管３３によって軽還流ガスを第２軽還流圧力低下手段３４に送給している間に、吸着体の圧力を第１順方向流（コカレント）ブローダウン圧力３２まで低下させ、ｂ）軽還流ガスを導管３７によって第３軽還流圧力低下手段３８に送給している間に、吸着体の圧力を第２順方向流ブローダウン圧力３６に低下させ、ｃ）軽還流ガスを導管４１によって第４軽還流圧力低下手段４２に送給している間に、吸着体の圧力を第３順方向流ブローダウン圧力４０に低下させる。この後、第２端部６を、軽還流リターンステップが逆方向流（カウンターカレント）ブローダウンステップの後に続いて生ずるまでの時間間隔にわたり閉じる。
【００２６】
軽還流圧力低下手段３０，３４，３８，４２は、膨張エネルギ回復のための機械的膨張段とするか、又は不可逆圧力低下のための制限オリフィス又はスロットルバルブとすることができる。
【００２７】
最終軽還流流出ステップ後に第２端部６が閉じたとき（図２参照）、又は軽還流流出ステップが依然として行われている間のいずれかで、第１端部５を第１排出手段４６に開放し、「重い」ガス（より強く吸着された成分が多く含まれる）を第１排出手段４６に放出する間に吸着体の圧力を第１逆方向流ブローダウン中間圧力４８に低下させる。次に、第１端部５を第２排出手段５０に開放し、「重い」ガスを放出する間に吸着体の圧力を第２逆方向流ブローダウン中間圧力５２に低下させる。また次に、第１端部を第３排出手段５４に開放し、「重い」ガスを放出する間に吸着体の圧力をＰＳＡプロセスの低い圧力１２に低下させる。第１端部５を第３排出手段５４に開放している間に吸着体の圧力がほぼ低い圧力１２に達したとき、第２端部６を開いて導管５５により第４軽還流圧力低下手段４２からの第４軽還流ガス（パージガス）を受け入れ、より多くの重いガスを第３排出手段５４に押し出すようにする。第１、第２、第３の排出手段４６，５０，５４４からの重いガスはともに合わさって重生成物５６として送給される。排出手段のすべて又は若干は機械的排出段であり、圧力を減少すべき場合には膨張段、又は第２生成物の排出が上昇した圧力で送給される場合には排出圧縮段のいずれかとすることができる。排出手段は、外部シンク例えば、外気に通気することによって構成することもできる。
【００２８】
次に、第１端部５を閉じた後、吸着体３を軽還流ガスによって加圧する。これに引き続いて、第２端部６を開いて、ａ）導管５９によって軽還流ガスを第３軽還流圧力低下手段３８から受け入れて吸着体の圧力を第１軽還流加圧圧力６０まで増圧し、ｂ）導管６１によって軽還流ガスを第２軽還流圧力低下手段３４から受け入れて吸着体の圧力を第２軽還流加圧圧力６２まで増圧し、またｃ）導管６３によって軽還流ガスを第１軽還流圧力低下手段３０から受け入れて吸着体の圧力を第３軽還流加圧圧力６４まで増圧する。軽還流加圧のための軽還流帰還が依然として行われている間に供給加圧が既に開始されていない限り、第３軽還流加圧ステップが終了したら即座に、プロセスは、時点１７後に次のサイクルのための供給加圧を開始する。
【００２９】
各供給サプライ手段（例えば、手段２０）からの供給流は導管７０によって随意のサージ吸着体室７１を経て、第１バルブ手段７における供給ポート７３に開口する供給加圧隔室７２に送給される。供給加圧隔室７２は数個の吸着体３に同時に開口し、また制限された入口７４を有しており、各吸着体３が供給加圧隔室７２に開放されるとき絞りを加えながら次第に圧力の均衡化を生ずるようにする。第１供給加圧隔室７２は導管７０によって供給され、第２供給加圧隔室７５は導管７６によって供給され、供給生成物サプライ隔室７７は導管７８によって供給されるようにする。
【００３０】
各排出手段（例えば、手段４６）には、排出流が導管８０によって随意のサージ吸着体室８１を経て、第１バルブ手段７の排出ポート８３に開口する排出隔室８２から送給される。排出隔室８２は数個の吸着体３に同時に開口し、また制限入口８４を有しており、各吸着体３が排出隔室８２に開放されるとき絞りを加えながら次第に圧力の均衡化を生ずるようにする。排出隔室を分類するため、第１逆方向流ブローダウン排出隔室８２を導管８０に排出し、第２逆方向流ブローダウン排出隔室６１を導管６３に排出し、パージ排出隔室６５を導管６７に排出する。
【００３１】
軽生成物導管２５に対して、軽生成物が、第２バルブ手段８の軽生成物ポート８８に開口する軽生成物出口隔室８７から随意のサージ吸着体室８６を経て送給される。
【００３２】
各軽還流圧力低下手段（例えば、３４）に対しては、軽還流の流れが導管９０によって、第２バルブ手段８の軽還流出口ポート９３に開口する軽還流出口隔室９２からの随意のサージ吸着体室９１を経て送給される。軽還流出口隔室９２は数個の吸着体に同時に開口しており、また制限した入口９４を設け、各吸着体３が軽還流出口隔室９２に開かれたとき、絞りが加わりつつ次第に圧力が均衡化されるようにする。
【００３３】
各軽還流圧力低下手段（例えば、手段３４）からは、軽還流の流れが、導管９５によって、随意のサージ吸着体室９６を経て第２バルブ手段８の軽還流入口ポート９８に開いている軽還流入口隔室９７に送給される。軽還流出口隔室９７は数個の吸着体３に同時に開いており、また制限した入口９９を設け、各吸着体３が軽還流入口隔室９７に開かれるとき、絞りが加わって次第に圧力の均衡化を生ずるようにする。
【００３４】
各加圧又はブローダウンステップにおける圧力変動の速度は、第１及び第２のバルブ手段７，８の隔室内で絞りが加わることにより、又は吸着体３の第１及び第２の端部５，６におけるポートにおける絞りが加わることにより制限され、図２に示す典型的な圧力波形となる。圧力変動が過剰に速い速度であると、吸着体３は機械的応力を受けるとともに、流れの過渡状態を生じて吸着体３における波頭の集中部分が軸線方向に分散する傾向が増大する。流れ及び圧力の脈動は、サイクルの各ステップに同時に移行する複数個の吸着体を設けること、及び／又は第１及び第２のバルブ手段７，８に接続する導管にサージ吸着体を設けることによって減少することができる。
【００３５】
図２に示すサイクルは供給加圧、逆方向流ブローダウン排出、又は軽還流の各ステップにおけるより多くの又はより少ない中間段を設けることによって一般化することもできる。特に、吸着体加圧は、供給加圧（即ち、供給成分での加圧によって）、又は軽還流再加圧によって全体的に行なうようにすることができる。更に、ステップ（工程）の長さはポートの角度幅を変化させることにより容易に変更することができる。このようにして、プロセスの高い圧力及び低い圧力のそれぞれにおいて、生成時間及びパージステップの時間を延ばし、これらステップ中に吸着体３における圧力低下を減少するようにすることが望ましい。逆に、比較的ゆっくりとした加圧及びブローダウンステップは、運動力学的な制限又は機械的応力制限に打ち勝つようにすることが望ましい。
【００３６】
吸着体３の第１端部５及び第２端部６は、それぞれ温度Ｔ１及びＴ２に維持する。
【００３７】
図３
図３は半径方向流用に構成した回転モジュール１００の断面を示す。ロータ２は「Ｎ」個の吸着体３を有し、この場合の流路は吸着体３の第１端部５と第２端部６との間で半径方向に指向する。吸着体の第１端部５は、開孔１０６によって第１バルブステータ１０８を有するシール面１０７に向かって開き、この第１バルブステータ１０８は第１バルブ手段７を画定するポート１０９を有する。第１バルブステータ１０８は、ポート１０９によってシール面１０７に流体連通する複数個の機能隔室を有し、この機能隔室としては第１供給加圧サプライ隔室７２と、第２供給加圧サプライ隔室７５と、高い圧力側の供給生成サプライ隔室７７と、第１逆方向流ブローダウン排出隔室８２と、第２逆方向流ブローダウン排出隔室６１と、低い圧力側のパージ排出隔室６５とを有する。
【００３８】
吸着体の第２端部６は、開孔１１８によって、第２バルブステータ１０５を有するシール面１１９に向かって開き、この第２バルブステータ１０５は第２バルブ手段８を画定するポート１２０を有する。第２バルブステータ１０５は、ポート１２０によってシール面１１９に流体連通する各隔室、即ち、高い圧力側の軽生成物送給隔室８７と、この場合、単なる隔室８７の下流側端部であってガスを導管２５に送給する第１軽還流出口隔室と、ガスを導管３３に送給する第２軽還流出口隔室９２と、ガスを導管３７及び導管４１にそれぞれ送給する第３及び第４の軽還流出口隔室と、低い圧力側でパージガスを導管５５から受け取る第４軽還流戻り隔室９７と、ガスを導管５９から受け取る第３軽還流戻り隔室と、ガスを導管６１から受け取る第２軽還流戻り隔室と、ガスを導管６３から受け取る第１軽還流戻り隔室とを有する。第１及び第２のバルブステータ１０８，１０５における隔室に連通するポート間の角度間隔は、図２のサイクルと同様のＰＳＡサイクルステップのタイミングを画定する。
【００３９】
この実施例において、シール面１０７，１０９はそれぞれ環状のロータ２の外径及び内径によって画定される。シール面１０７，１０９における機能隔室間の流体封鎖はクリアランスシールによって行なう。このクリアランスシールは、第１及び第２のバルブステータ１０８，１０５に隔壁１３１によって取り付けたスリッパ１３０として設ける。隔壁１３１は隣接する隔室間の静的なシールを行なう。スリッパ１３０は狭い流体封鎖クリアランスでシール面１０７，１１９に掛合し、各圧力変動ステップにおける吸着体３と機能隔室との間のガス流の絞りをも行ない、各吸着体の圧力が、正にその吸着体３に向かって開かれようとしている次の機能隔室の圧力にスムーズに均等化することができるようにする。機能隔室の他に、静的圧力均衡化隔室（例えば、隔室１３２，１３３）を若干のクリアランスシールのスリッパ１３０の背後に設ける。静的圧力均衡化隔室は、機能隔室としては使用されない第１及び第２のバルブステータ１０８，１０５の角度セクタ内に配置し、クリアランスシールのスリッパ１３０の背後に制御した圧力分布を生じて過剰な圧力及びこれに基づく過剰な摩擦のない確実なシール掛合を維持する。
【００４０】
図４及び図５
図４は軸方向流用に構成した回転モジュール２００の断面を示し、図５は図４の回転モジュールの第１バルブ面、吸着体３及び第２バルブ面の断面を示す。吸着体３の流路は軸線２０１に平行である。プロセス隔室及び機能隔室のステップは、やはり吸着体３の半径方向流又は軸方向流の方向とは無関係に同じ角度関係にあるものとする。断面２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃは、矢印２０２‐２０３，２０４‐２０５，２０６‐２０７によってそれぞれ画定される平面におけるモジュール２００の断面である。図４は高い圧力側の隔室７７，８７及び低い圧力側の隔室６５，９７を通過するモジュール２００の軸線方向断面を示す。吸着体ロータ２は吸着体ホイール２０８に「Ｎ」個の吸着体３を有し、ステータ１０３内で回転する。
【００４１】
ロータ２の端部において、周縁シール２１５，２１６は第１シール面１０７を区切り、また周縁シール２１７，２１８は第２シール面１１９を区切る。シール面は平坦なディスク形状をなしている。周縁シールは、更に機能隔室間のシール面におけるクリアランススリッパ１３０の端部をも画定する。ロータ２は軸受２２０によってハウジング２２５に支持し、この軸受２２０は第１及び第２のバルブステータと一体に組み立てる。ロータ２は、リム駆動モータ２３０により駆動し、このリム駆動モータ２３０はロータ２の外側リムに対して、摩擦又は歯車又はベルトによって掛合するものとすることができる。
【００４２】
断面２００Ａは、図４の実施例のモジュール２００の断面２０２‐２０３における第１バルブ面を示し、供給及び逆方向流ブローダウン隔室に流体連通する。矢印２７０は、吸着体ロータ２の回転方向を示す。供給隔室及び排出隔室に連通するバルブ面１０７の開放領域は影付けしていない角度セグメント７７，８２，６１，６５，７２，７５及び７７で示し、これら角度セグメントは周縁シール２１５，２１６間の各機能隔室に対応する。機能隔室間のバルブ面１０７のほぼ閉じている領域はハッチングを付けたセクタ２７５，２７６によって示し、これらセクタはクリアランススリッパ１３０とする。代表的な閉じたセクタ２７５は、吸着体のための２個の互いに隣接する隔室間で開こうとしている隔室間の移行部をなす。漸進的開放はスリッパとシール面との間のテーパ付きのクリアランスチャンネルによって生じ、新たな隔室に開こうとしている吸着体の圧力均衡化をおだやかに行なうようにする。幅広の閉じたセクタ（例えば、セクタ２７６）は、加圧又はブローダウンを他方の端部から行なっているとき、吸着体３の一方に端部に対する流入又は流出の閉鎖を行なう。
【００４３】
断面２００Ｃは、図４の実施例のモジュール２００の断面２０６‐２０７における第２バルブ面を示す。同様の原理及び代替案が半径方向流及び軸方向流のジオメトリ（幾何学的構成配置）に適用され、円筒形又はディスク状の面をそれぞれシールする。
【００４４】
断面２００Ｂは、図４の実施例のモジュールの断面２０４‐２０５における吸着体ホイールの構成を示す。吸着体構成は、係属中の米国特許出願第０８／９９５，９０６号に示す半径方向流ジオメトリと類似している。この実施例の場合、「Ｎ」＝７２である。吸着体３は吸着体ホイール２０８の外壁２８０と内壁２８１との間に取り付ける。各吸着体は、吸着剤シート２８２をラミネートした矩形の平坦パックよりなり、シート間のスペーサが軸方向のフローチャンネルを画定する。セパレータ２８４は吸着体間に設けて何もない空間を埋め、吸着体３間の漏れを阻止する。
【００４５】
吸着剤シート２８２は補強材料、好適な実施例においてはグラスファイバ、金属フォイル、又はワイヤメッシュにより構成し、このような補強材料に対して吸着材料を適当な結合剤によって取り付ける。代表的な吸着剤としてはゼオライトがあり、このゼオライトの多くは重要な反応の触媒としても有効である。ゼオライト結晶をシリカ、粘土、又は他のバインダと結合させるか、又は吸着剤シートマトリックスに自己結合させる。
【００４６】
申し分のない吸着剤シートとしては、ゼオライト結晶に結合剤成分を混合したスラリーを補強材料にコーティングすることによって形成し、補強材料の成功した例としてはグラスファイバの不織スクリム、織成した金属織物、伸展したアルミニウムフォイルがある。スペーサは、吸着剤シートに隆起したパターンでプリント加工又はエンボス加工することによって、又は互いに隣接する吸着剤シート対間に予め形成したスペーサを配置することによって設ける。代案としての申し分のないスペーサとしては、織成金属スクリーン、不織のグラスファイバのスクリム、及び金属フォイルがあり、このようなスペーサに写真平版パターンでフローチャンネルをエッチング加工する。
【００４７】
代表的なシート厚としては１５０ミクロンとし、スペーサの高さは１００ミクロンの範囲とし、吸着剤のフローチャンネルの長さを約２０ｃｍとする。
【００４８】
図６
例えば、アンモニア合成におけるような発熱反応を導く装置３００は、回転モジュールの吸着体３の第２端部６の近傍のゾーン３０１内で反応を導く。ゾーン３０１は吸着体３の拡張部分での反応を促進するのに有効な触媒を有し、この触媒は、吸着剤シートについて上述した積層した平行通路構造のシート上に支持すると好適である。ロータを通過する流路は、吸着剤材料及びゾーン３０１における触媒に接触するフローチャンネルを有する。
【００４９】
図６の下方部分はＰＳＡサイクルの圧力パターンを示し、横軸３０５は時間軸であり、図６の上方部分に示す第１及び第２のバルブ面７，８における機能隔室の角度シーケンスを示す。縦軸３０６は圧力軸を示し、ＰＳＡサイクルの低い圧力３０７、高い圧力３０８及び中間圧力３０９の範囲の変動を示す。
【００５０】
吸着体３の第１端部５は熱交換器３１０によりほぼ第１温度Ｔ１に維持し、この熱交換器３１０は第１機能隔室に連通する導管と連係動作する。吸着体３の第２端部６は熱交換器３１１によりほぼ第２温度Ｔ２に維持し、この熱交換器３１１は第２機能隔室に連通する導管と連係動作する。この実施例においては、反応は上昇した温度の温度Ｔ２のあたりで導かれる。反応生成物は生成物セパレータ３２０において低い温度の温度Ｔ１のあたりで凝縮する。
【００５１】
Ｔ１とＴ２と間の大きな温度差によって、吸着体３は流路に沿って対応の温度勾配を保持し、これによって、流路における周期的な可逆ガス流と、吸着剤材料、吸着剤支持材料、補強材、及びフローチャンネルに関連するスペーサを含む流路における固体材料の熱容量との間で循環する再生熱交換が生ずるようにする。従って、流路には大きな固体材料熱容量を組み込み、フローチャンネルに緊密な温度接触を生ずるようにすると好適である。この実施例において、流路に沿う固体材料の熱伝導経路は、高い頻度の間隔で中断し、流路に沿う固体材料の大きな熱伝導を回避するようにするのが望ましい。更に、吸着剤材料は、異なる温度の異なるゾーン（例えば、ゾーン境界３３０で区切った吸着剤ゾーン３２８，３２９）に最適に選択した吸着剤で層分けすると好適である。
【００５２】
装置３００は、導管８０，６３，６７からのより多く吸着された成分が多く含まれるガスを受け入れ、また導管８０，６３，６７に復帰するこのようなガスを圧縮する複数個の入口ポート及び送給ポートを有する多段圧縮器３４０を有する。プロセスは、このようにして、第１バルブ面から吸着されやすい成分が多く含まれるガスを引込み、このようなガスの圧力を増圧し、このようなガスを第１バルブ面に、次いで増加した圧力で流路に還流させ、第１バルブ面に隣接する部分で吸着され易い成分の濃度を高めるようにする。圧縮器３４０の段３４１に続いて、吸着され易い成分が多く含まれるストリームガスを凝縮器３２０に通過させ、この凝縮器３２０から反応生成液体を導管３４２に送給し、導管３４３によってパージストリームを随意に送給し、溜まった不活性成分を除去し、またオーバーヘッドストリームを導管３４４によって圧縮器３４０の次の段の入口に帰還させ、次いで第１バルブ面に、又は第１バルブ面に直接帰還させる。
【００５３】
装置３００には、更に、第２バルブ面に連通する導管２５，３３，３７及び４１からの吸着しにくい成分が多く含まれるガスを収容し、またこのようなガスを平行ストリームとして膨張させて導管６１，５９，５５及び６３によって第２バルブ面に帰還するための多段膨張器を有する。
【００５４】
装置３００は、供給サプライ導管３５９と、第１バルブ面に流入する１個又はそれ以上のガスストリームに反応剤の供給ガスを供給するための随意の供給圧縮器３６０とを有する。
【００５５】
圧縮器３４０は重還流圧縮器であり、膨張器３５０はＰＳＡサイクルを行なうための軽還流膨張器である。重還流圧縮器３４０及び供給圧縮器３６０は単一のシャフト３６１上で軽還流膨張器３５０及び原動機３６２に結合する。膨張器３５０の出力が圧縮器３４１，３６０の出力消費を凌駕する場合には、原動機３６２は発電機又はパワーを有効に吸収する他の機械的負荷と置き換えることができる。
【００５６】
アンモニア合成の実施例では、反応剤はアンモニアを生成するよう反応する水素及び窒素であり、代表的には反応を促進する鉄の触媒上で４００゜Ｃ〜５００゜Ｃの範囲の温度Ｔ２で反応する。重還流圧縮器の機能を行なう圧縮ピストンを使用して、また軽還流圧縮器の機能をなす膨張ピストンを使用する研究室規模（ベンチスケール）の装置は、米国特許第４，７０２，９０３号の機械的実施例における単独の粒状吸着体で動作した。吸着体には、本発明による参照符号に基づいて、還元鉄触媒３０１、ゾーン３０９における吸着剤として１３‐Ｘゼオライト、及びゾーン３０８における吸着剤としてシリカゲルを装填した。ＰＳＡサイクルの上方圧力は約３００ｋＰａであり、下方圧力は約４００ｋＰａであった。水素及び窒素の混合体を供給した。第２端部６に隣接するガス成分は約７０％の水素、２８％の窒素、２％のアンモニアであった。第２端部に隣接する部分からの生成物の成分は、約０％の水素、４０％の窒素、及び６０％のアンモニアであった。このように、直接一体に組み合わせた反応器及びＰＳＡ装置によれば、供給した水素を１００％転化するとともに、反応平衡状態をシフトして触媒に低濃度の生成物成分が存在し、極めて低い圧力での発熱反応の反応速度を向上させることができた。
【００５７】
本発明装置によれば、往復運動装置の代わりに回転運動装置を使用することによって米国特許第４，７０２，９０３号のプロセスと同様のプロセスをスケールアップしまた経済的に実現することができる。
【００５８】
図７
実施例４００は、実施例３００と同様ではあるが、回転モジュールの外部の反応器で化学反応する発熱反応を導く他の装置である。この装置は、アンモニア合成にも適用することができる。
【００５９】
反応器４０１，４０２，４０３及び４０４は適切な触媒を収容し、それぞれ介在する導管２５，３３，３７，及び４１によって吸着しにくい反応体成分が多く含まれるガスを収容する。各反応器は、それぞれが安定して動作することができる異なる圧力で動作する。随意に、反応器４０２，４０３，及び４０４を省略して、反応全体を高い圧力で動作する反応器４０１で行なうようにすることもできる。
【００６０】
発熱反応による熱は、軽還流膨張器４０４内で熱膨張として吸収して所要の反応温度Ｔ２をインジケータするようにするとともに、機械的膨張の動作として熱を回収する。
【００６１】
図７の下方部分はやはり、図６に示すようなＰＳＡサイクル圧力パターンを示す。
【００６２】
図８
実施例５００は、回転モジュールの外部の反応器内で化学反応を生じて発熱反応をもたらす装置である。ＰＳＡサイクルパターンを図８の下方部分に示す。この実施例は水素のような還元ガスを発生するためアンモニア分解に適用する。
【００６３】
反応器５０１，５０２及び５０３は導管７８，７６，及び７０によりガスを第１バルブ面７に供給する。所要に応じ、単に１個の反応器（例えば、反応器５０１）を設けることもできる。吸着し易い反応体を含む供給ガスを、供給導管５０４によって重還流圧縮器３４０の段に供給し、必要であれば気化器５０５を設けて反応体が確実に気体相となるようにする。吸着し易い反応体成分が多く含まれるガスを重還流ガスとして、第１バルブ面における逆方向流ブローダウン隔室及び排出隔室から導管８０，６３，６７によって引き込み、次に重還流圧縮段の流入ポートに送給する。重還流ガスを圧縮し、またこの圧縮により生ずる熱によって加熱する。随意に、圧縮した重還流ガスを更に、熱交換器５１０におけるより高い温度の熱を有する外部熱源から加熱して反応器５０１，５０２，５０３に導入する。この実施例において、一般的にはＴ２はＴ１よりも高いが、（重還流の圧縮及び加熱、また熱交換器５１０による加熱後に）反応器に流入する圧縮した重還流ガス流の温度はＴ２（発熱反応器の出口温度）よりも相当高く、発熱反応により生じた熱は反応器に導入される熱として見なすことができる。代案として、又は追加的に、発熱反応器は炉又は当業者に既知の他の手段によって外部から加熱することもできる。
【００６４】
吸着しにくい生成物成分が多く含まれるガスの精製ストリーム（流れ）を生成物送給導管５２０によってより高い圧力で送給する。このストリームは、アンモニア分解の実施例ではアンモニアから完全に精製した水素及び窒素である。この実施例において、本発明は１００％転化の精製した生成物の供給及び送給を生ずるという重要な進歩をもたらし、従来技術よりも相当低い温度で触媒反応器を実用的に動作させることができる。これは、反応体が触媒に集中することができるためである。
【００６５】
図９，図１０，図１１
実施例６００は、発熱反応をもたらす装置でって、回転モジュール内で化学反応を行い、回転モジュール自体が熱交換器反応器である装置である。この実施例は、天然ガスから水素を生成するためのメタンスチーム改質に適用することができる。スチーム改質触媒（例えば、アルミナ上に支持するニッケル又はプラチナ族の金属）及び高温の二酸化炭素吸収剤（ソーベント）を吸着体３に支持する。二酸化炭素吸収剤は、J.R. Hufton, S.G. Mayorga, 及びS. Sircar氏らにより開発された炭酸カリウムを助触媒とするハイドロタルサイト（ ＡＩＣｈＥＪ第４５号，２４８頁の記事"Sorption Enhanced Reaction Process for Hydrogen Production"参照）、又は高温スチームの部分的な圧力の存在の下で有効な同様の他の高温二酸化炭素吸収剤に基づくものとする。この吸収剤は４００゜Ｃ〜５００゜Ｃの温度範囲で良好な二酸化酸素吸収容量を示す。
【００６６】
実施例６００をメタンスチーム改質に適用する場合、吸着体の作動温度は４００゜Ｃ〜５００゜Ｃの温度範囲の上限の規模が望ましく、Ｔ１及びＴ２はほぼ同一の温度とするか、又は適度の差を有してＴ２＞Ｔ１とする。脱硫した天然ガス及びスチームの供給混合体を多段供給圧縮器６０３の入口６０１に導入する。好適には、圧縮して供給混合体を順次上昇する圧力の下で導管７０，７６及び７８によって、ヒータ６０５及び回復器６０６によって加熱した後のＴ１の温度にして第１バルブ面７に送給する。
【００６７】
吸着体３に流入する際に、供給混合ガスは触媒に接触し、水素と酸化炭素を生ずる反応を促進する。反応ガス混合体は同時に二酸化炭素を吸収する吸収剤にも接触し、メタンとスチームとの反応を一層促し、水素を発生し、また同時に二酸化炭素とスチームとの反応を生じてより多くの水素及び二酸化炭素を発生し、この二酸化炭素は吸収剤によって吸収される。熱は吸着体内での熱交換によって、また部分的に吸収剤における吸収の際の発熱の熱からも激しい発熱反応をもたらす。このようにして、第２バルブ面８から導管２５に送給される生成物ガスは、水素を含むスチームと、僅かな濃度の未転化メタンと、ごく少量の二酸化炭素及び一酸化炭素である。導管２５内における生成物の大部分（軽還流部分を除く）は、スチーム凝縮器６１０を経て引き込まれ、導管６１１からその後の更なる精製例えば、必要であればほぼ外気温度での圧力スイング吸着処理によって行なうのための精製用の生成物として送給する。
【００６８】
導管２５，３３，３７及び４１からの水素が多く含まれるガスを軽還流ガスとして熱交換器３１１と連係動作する多段膨張器３５０を通過させて膨張させる。このガスに、低圧スチームを、パージステップを助成するためにパージストリーム供給導管６１５によって特に低圧で添加する。
【００６９】
導管８０，６３及び６７により逆方向流ブローダウンステップ及びパージステップ中に順次に低くなる圧力の下で二酸化炭素が多く含まれる排気ガスをバルブ面７から引き込む。これらのストリームは、供給物を予加熱するための補助を行なう回復器６０６内で冷却され、また、熱交換器６２０により更に冷却される。二酸化炭素排気ストリームは、所要に応じて膨張又は圧縮されて（メタン、一酸化炭素、及び水素の漏れから残余エネルギを回収するため触媒燃焼した後に）、純粋な二酸化炭素の第２生成物ストリームとして送給するか、又は大気に廃棄する。図示の実施例６００では、導管８０，６３及び６７からの排気ガスは、多段圧縮器６２２によって圧縮され、第２生成物として導管６２３によって送給される。この実施例によれば、圧縮器６２２の第１段６２４が真空ポンプとして動作する場合、処理の低圧を大気圧力とすることができる。
【００７０】
発熱反応を生ずるため、熱を反応性の吸着体３に供給する。この反応熱は、通常のスチーム改質プロセスのための発熱条件よりも低い。即ち、より多くの発熱反応のブランチ（分岐プロセス）で生ずる一酸化炭素が本発明による二酸化炭素吸収によって抑制されるからである。更に、高い圧力での生成ステップ中の発熱条件の大きな部分（約２５％と見積もられる部分）は、二酸化炭素吸収による発熱によってもたらされるとともに、この吸収熱は低い圧力での二酸化炭素放出中に吸着体３に供給されることは勿論である。
【００７１】
発熱する熱に関する条件の若干又はすべては、熱交換器６０５，６０６によって導入される供給ガス及び熱交換器３１１によって導入される軽還流ガス及びパージガスに付与される感熱伝導の熱として設定することができる。吸着体における軸線方向の熱伝導特性は熱漏れを減少するために低いものとした図６の実施例３００の場合とは異なり、この実施例では、軸線方向の熱伝導性が高い吸着体のほうが、吸着体の反応ゾーンと外部熱交換器６０５，６０６及び３１１との間の熱伝導を向上させるのに都合がよい。更に、サイクルの高い圧力での生成ステップ中に発熱反応がより激しく生ずるとき、若干の熱を蓄積しかつ反応温度のスイングを減少するには、固相の高い熱容量が反応性吸着体３内では好ましい。触媒及び吸着体３における吸収剤のための金属フォイル又は金属メッシュの支持体は、軸線方向の熱伝導性及び固相の熱容量を向上させることができる。
【００７２】
熱交換器６０５，３１１で必要とされる熱は、導管６２３によって送給される第２生成物における残留燃料成分を燃焼することにより形成する。この燃料は、供給用のストックからの、又は導管６１１から送給される生成物水素の下流域最終精製からの低い圧力の残留ガスとして回収するかしたメタンによって補充される。
【００７３】
発熱する熱に関する条件の若干又はすべては、酸素又は空気をパージストリームの導入導管６１５に導入することによって吸着体３内で設定することができ、燃料成分（特に、未反応メタン）の部分的な触媒反応燃焼がパージステップ中に生ずるようにする。このプロセスは、随意に行なう「自己発熱改質（オートサーマル・リフォーミング）」プロセスである。低い圧力でのパージステップ中の直接燃焼による放熱は、二酸化炭素の放出の補助を行なうとともに、高い圧力での次の生成ステップ中の発熱反応を行なうため吸着体の固体マトリックスに残存する熱を蓄積する補助も行なうこと勿論である。
【００７４】
代案として、熱を吸着体３の壁を構成する拡張した熱交換表面を経て横方向の熱伝導によっても得るようにする。回転モジュール２を図１０に示し、この図は図４の断面２０４‐２０５に対応する断面を示し、ロータ２内の吸着体に対する熱交換に好適な簡素化した構成である。図５の断面２００Ｂに示すように、吸着体３をラミネートした平坦シートの矩形の平坦パックとして示す。各吸着体は、外被６３０内に収容し、この外被６３０の外面を熱交換チャンネル６３１に接触させ、この熱交換チャンネル６３１は壁６３２，６３３によって区切られる。チャンネル６３１における熱交換は、例えば、輻射加熱、送気管からの感熱伝導、凝縮蒸気からの潜熱伝導、液状金属からの感熱伝導等の任意の手段で行なうことができる。流体からの熱伝導のため、流体の流れの方向は、吸着体３内のプロセス流の方向に対してほぼ平行な方向又は交差する方向のいずれかとすることができる。バッフルを使用して吸着体の長さ又は幅に沿った熱交換を行なう流体流の方向を逆転することもできる。
【００７５】
図１０はロータ２における吸着体の単独の環状リングを示すが、より複雑なアレイ（例えば、吸着体の２個又はそれ以上の数の環状リング）も本発明の範囲内である。
【００７６】
図１１は、外被６３０内における単独の吸着体３の詳細な断面図である。吸着体３は平坦シート６４０の平行パックであり、各平坦シート６４０には触媒及び吸着剤の双方を支持し、隣接するシート６４０の各対間のスペーサ６４２によって画定されるフローチャンネル６４１と接触するようにする。外被６３０はシート６４０に平行の側壁６５１，６５２と、シート６４０の端縁を区切る端壁６５３，６５４とを有する。吸着体パックを横切る横方向の温度勾配を最小にする良好な熱伝導を得るためには、シート６４０と端壁６５３，６５４との間、及び側壁６５１，６５２とスペーサとシートとの間の密接な熱接触及び大きな熱伝導を行なうようにすることが望ましい。
【００７７】
シート６４０を、主に、反応ガスの種類、作動温度と共存できる任意の補強材料、例えば、金属フォイル、金属メッシュ、織成した又は不織のガラスファイバ又は無機ファイバの生地、又は無機ファイバ又はグラスファイバのペーパー取付することができる。高い熱伝導性及び高い熱容量の所要の熱特性にするためには金属フォイル又はワイヤ生地が極めて好ましい。触媒（例えば、アルミナ支持体におけるニッケル）及び二酸化炭素吸収剤の混合体を金属製の支持体上にコーティングし、無機結合剤又は吸収剤による自己結合のいずれかによりシート６４０を形成することができる。スペーサ６４２は、チャンネル６４１を画定するため流れの方向に平行な狭い幅の金属細条として設けるか、又は代案として、写真平版技術により金属フォイルにチャンネルをエッチング処理して形成する。この後外被６３０を金属フォイルのスタックを拡散結合することによって製造し、吸収剤と触媒とで交互に被覆し、長手方向のフローチャンネル６４１を形成するようエッチング処理を行なう。吸収剤／触媒の双方をコーティングしたシート及びスペーサからなる金属フォイルの端縁は端壁に貫通させ、この端壁は側壁をなすプレートと一緒にフォイルを流体密のシールを生ずるよう結合することによって形成する。
【００７８】
図１０及び図１１の熱交換反応器の構造は発熱反応とともに吸熱反応にも適用することができる。
【００７９】
上述したところは本発明の好適な実施例を詳細に説明したに過ぎず、これに限定することとなく、添付した特許請求の範囲内で変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＰＳＡ装置の簡略化した線図的説明図である。
【図２】 本発明に適用するフォーマットの代表的なＰＳＡサイクルを示すグラフである。
【図３】 ラジアル流の形態にした回転モジュールの断面図である。
【図４】 軸流の形態にした回転モジュールの断面図である。
【図５】 図４の回転モジュールの第１バルブ面、吸着体、及び第２バルブ面を示す断面図である。
【図６】 回転モジュール内の吸着体のゾーン内で化学反応を生じて発熱反応を導く装置の簡略化した線図的説明図である。
【図７】 回転モジュールの外部の反応器内で化学反応を生じて発熱反応を導く装置の簡略化した線図的説明図である。
【図８】 回転モジュールの外部の反応器内で化学反応を生じて吸熱反応を導く装置の簡略化した線図的説明図である。
【図９】 例えばスチームメタン改質の実施例において回転モジュールの吸着体内で反応を生じかつ吸着体と熱交換を行って吸熱反応を導く装置の簡素化した線図的説明図である。
【図１０】 図９の装置の回転モジュールの断面図である。
【図１１】 図１０の回転モジュールの単独の吸着体の縦断面図である。

Claims (65)

1. ガス相の反応体とガス相の生成物とを有する化学反応を導くとともに、圧力が増加した条件では反応体成分及び生成物成分のうちの一方が吸着し易い成分となり、他方が吸着しにくい成分となって、吸着材料全体にわたり反応体成分から生成物成分を圧力スイング吸着によって分離する方法において、
   以下の工程のステップ、即ち、
   ａ） 反応体を含有する供給ガスを反応空間（３０１，４０１，５０１，３）に導入するステップと、
   ｂ） 反応体成分及び生成物成分を含む混合ガスを得るため、反応空間内で反応を導くステップと、
   ｃ） 反応体成分と生成物成分とを含む混合ガスを、ロータ（２）がポートを有するステータに対して回転することにより前記ポートに対して開度が変動してバルブ作用を生ずる、前記ステータの前記ロータに対する境界面である第１バルブ面（７）と第２バルブ面（８）との間に延在する流路（４）における吸着体材料（３）に接触させるステップと、
   ｄ） 漸進的にプロセスの高い圧力まで徐々に圧力を増大させつつ第１又は第２のバルブ面にガスを供給するステップと、
   ｅ） 漸進的にプロセスの低い圧力まで徐々に圧力を減少させつつ第１又は第２のバルブ面からガスを引き出すステップと、
   ｆ） 周期的なシーケンスにおいて前記第１及び第２のバルブ面を通過する流路の各々と周期的な流体連通を生じ、前記高い圧力のあたりで前記第１バルブ面から前記第２バルブ面に指向する各流路への流れを生じ、また前記低い圧力のあたりで前記第２バルブ面から前記第１バルブ面に指向する各流路への流れを生ずるようロータをある回転速度で回転させるステップと
   よりなることを特徴とする化学反応圧力スイング吸着分離方法。
2. 前記反応体成分を吸着しにくい成分とし、吸着し易い成分が多く含まれる生成物を、前記流路（４）における前記吸着体材料（３）の前記第１バルブ面に隣接する位置から引き出す請求項１記載の方法。
3. 吸着し易い成分が多く含まれるガスを前記第１バルブ面から引き出し、この吸着し易い成分が多く含まれるガスを増加した圧力に圧縮し、この圧縮したガスを前記第１バルブ面に還流させて前記増加した圧力で前記流路に流入させ、前記流路（４）における前記吸着体材料（３）の前記第１バルブ面に隣接する位置で前記吸着し易い成分の濃度を高める請求項２記載の方法。
4. 前記反応を発熱反応とした請求項２記載の方法。
5. 第１反応成分を水素、及び第２反応成分を窒素とし、前記生成物成分をアンモニアとした請求項４記載の方法。
6. 第１反応成分を水素、及び第２反応成分を一酸化炭素とし、前記生成物成分をメタノールとした請求項４記載の方法。
7. 第１反応成分を水素、及び第２反応成分を一酸化炭素とし、前記生成物成分を外気温度では液体となる炭化水素とした請求項４記載の方法。
8. 第１反応成分をメタン、第２反応成分を酸素とし、前記生成物成分を高級炭化水素とした請求項４記載の方法。
9. 第１反応成分をメタン、第２反応成分を酸素とし、前記生成物成分をエチレンとした請求項８記載の方法。
10. 前記反応成分を吸着し易い成分とし、前記流路（４）における前記吸着体材料（３）の前記第２バルブ面に隣接する部分から吸着しにくい成分が多く含まれる生成物を引き出す請求項１記載の方法。
11. 前記第２バルブ面から吸着しにくい成分が多く含まれるガスを第２バルブ面から引き出し、この吸着しにくい成分が多く含まれるガスを前記低い圧力よりも低くない減少した圧力で膨張させ、この膨張したガスを第２バルブ面に還流させて前記減少した圧力で前記流路に流入させ、前記流路（４）における前記吸着体材料（３）の前記第２バルブ面に隣接する部分で前記吸着しにくい成分の濃度を増加させるようにした請求項１０記載の方法。
12. 前記反応を吸熱反応とした請求項２記載の方法。
13. 前記反応成分をアンモニアとし、第１生成物成分を水素、及び第２生成物成分を窒素とした請求項１２記載の方法。
14. 前記反応成分をメタノールとし、第１生成物成分を水素、第２生成物成分を一酸化炭素とした請求項１２記載の方法。
15. 第１反応成分をメタノール、第２反応成分を水蒸気とし、第１生成物を水素、第２生成物成分を二酸化炭素とした請求項１２記載の方法。
16. 前記流路（４）における前記吸着体材料（３）の前記第１バルブ面に隣接する部分の温度が第１温度となるよう維持し、前記流路（４）における前記吸着体材料（３）の前記第２バルブ面に隣接する部分の温度が、前記第１温度とは異なる第２温度となるよう維持する請求項１記載の方法。
17. 前記第１温度を前記第２温度よりも高く維持し、前記流路における混合ガスと、前記流路に沿って配置しかつ熱容量を有する固体材料との間で熱交換する請求項１６記載の方法。
18. 前記第２温度を前記第１温度よりも高く維持し、前記流路における混合ガスと、前記流路に沿って配置しかつ熱容量を有する固体材料との間で熱交換する請求項１６記載の方法。
19. 前記流路内で反応を生じ、前記流路の各々の一部を反応空間とした請求項１記載の方法。
20. 前記ロータにおける熱交換チャネル（６３１）を区画するよう各吸着体（３）を区切る壁（６５１，６５２，６５３，６５４）により構成した熱交換表面と、前記第１及び第２のバルブ面間の流路との間で熱伝導するステップを更に組み込む請求項１記載の方法。
21. 熱伝導流体が外部で接触する前記ロータの熱交換表面（６５１，６５２，６５３，６５４）から前記流路（６４１）に熱を伝導するステップを組み込む請求項１２記載の方法。
22. 空気又は酸素を前記流路（６４１）に導入する空気又は酸素導入ステップであって、熱伝導流体が外部で接触する前記ロータの熱交換表面（６５１，６５２，６５３，６５４）からの熱により、前記流路（６４１）内の反応成分を触媒燃焼させることによって前記流路（６４１）に熱を付与する、該空気又は酸素導入ステップを更に組み込んだ請求項１２記載の方法。
23. 前記反応成分を、炭化水素である第１成分と、スチームよりなる第２成分とよりなるものとし、前記生成物成分を、二酸化炭素である吸着性の強い成分及び水素である成分とし、吸着材料は上昇した温度でスチームの存在の下で二酸化炭素を選択的に吸着するものとした請求項１２記載の方法。
24. 前記流路内にニッケル触媒を設けるステップを更に組み込んだ請求項２３記載の方法。
25. 前記流路内にプラチナ族触媒を設けるステップを更に組み込んだ請求項２３記載の方法。
26. 前記第１及び第２の反応成分を前記高い圧力のあたりで前記第１バルブ面に導入するとともに、水素を前記第２バルブ面からロータ外へ送給し、また前記低い圧力のあたりで二酸化炭素を前記第１バルブ面からロータ外へ送給する請求項２３記載の方法。
27. 前記低い圧力のあたりでスチームを前記第２バルブ面に導入してパージを促進する請求項２４記載の方法。
28. 前記低い圧力のあたりで空気又は酸素を第２バルブ面に導入してパージを促進するとともに、吸熱反応のため流路に熱を供給する請求項２３記載の方法。
29. 化学反応を生じてガス相の反応成分とガス相の生成物成分を有し、吸着材料にわたり圧力が上昇した状態の下では反応成分及び生成物成分のうちの一方が吸着し易い成分であり、他方が吸着しにくい成分である化学反応装置において、
    ａ）前記反応成分と前記生成物成分とよりなる混合ガスを圧力スイング吸着分離するための回転モジュール（１００）であって、ポートを有するステータ（１０８）と、回転軸線を有するロータ（２）とを有し、これらステータ及びロータを相互に掛合させ、回転軸線を中心として前記ロータが前記ステータに対して回転することにより前記ポートに対して開度が変動してバルブ作用を生ずる、前記ステータの前記ロータに対する境界面である第１バルブ面（７）及び第２バルブ面（８）を横切って流体連通を生ずるようにし、前記ステータには、前記第１バルブ面に対してある角度セクターでそれぞれ開口する複数個の第１機能隔室（６１，６５，７２，７５，７７，８２）と、前記第２バルブ面に対してある角度セクターでそれぞれ開口する複数個の第２機能隔室（８７，９２，９７）とを設け、前記ロータには、角度間隔をおいて配置した複数個の吸着素子（３）を設け、吸着材料が、前記第１バルブ面に対する第１開孔によって連通する第１端部（５）と、前記第２バルブ面（１０５）に対する第２開孔（１１８）によって連通する第２端部（６）との間に流れの方向（９）に延在する流路（４）に接触する構成とし、またロータの回転によって前記第１開孔の各々が前記第１機能隔室に流体連通するよう開口して各第１機能隔室の角度セクタに順次に送るとともに、ロータの回転によって前記第２開孔の各々が前記第２機能隔室に流体連通するよう開口して各第２機能隔室の角度セクタに順次に送るようロータを回転させる手段を設け、高い圧力と低い圧力との間で各吸着素子における圧力を周期的に変動させる構成とした回転モジュールと、
    ｂ）供給機能隔室と連係動作して前記高い圧力のあたりで前記流路の第１端部から第２端部に指向する各流路に流れを生じ、また排出機能隔室と連係動作して前記低い圧力のあたりで前記流路の第２端部から第１端部に指向する各流路に流れを生ずる圧縮手段及び膨張手段と、
    ｃ）前記流路に連通して反応を導く反応空間（３０１，４０１，５０１，３）と、
    ｄ）前記反応成分を装置本体（２０，７０，７１，２２，７６）に供給する手段及び装置本体（８８，８７，８６，２５）から前記生成物成分を送給する手段と
    を具え、
    ｅ）前記反応空間（３０１）を前記回転モジュールの流路内に配置し、このような流路の各々は同一の反応空間を有する構成とした
    ことを特徴とする化学反応装置。
30. 前記反応空間を前記回転モジュールの外部に配置してこの回転モジュールの機能隔室に連通させ、前記流路の開孔が前記機能隔室に順次に開口するとき前記反応空間と各流路との間の流体連通を生ずるようにした請求項２９記載の装置。
31. 前記反応空間内での前記化学反応を促進する手段を設けた請求項２９記載の装置。
32. 前記化学反応を促進する手段を不均一触媒とした請求項３１記載の装置。
33. 前記反応を発熱反応とし、前記反応成分を吸着しにくい成分とし、また、前記生成物成分を吸着し易い成分とした請求項２９記載の装置。
34. 前記第１バルブ面から前記吸着し易い成分が多く含まれるガスを引き出し、この引き出したガスを高い圧力に圧縮し、またこの圧縮したガスを第１バルブ面に、次いで流路に増加した圧力で還流させ、前記第１バルブ面に隣接する部分で前記吸着し易い成分の濃度を高める圧縮手段を設けた請求項３３記載の装置。
35. 前記反応を吸熱反応とし、前記反応成分を吸着し易い成分とし、また、前記生成物成分を吸着しにくい成分とした請求項２９記載の装置。
36. 前記第２バルブ面（８）から前記吸着しにくい成分を多く含むガスを引き出し、この引き出したガスを減圧するが前記低い圧力よりも高い減少した圧力となるよう膨張させ、またこの減少した圧力のガスを前記第２バルブ面（８）に、次いで前記流路に還流させて、前記流路における前記第２バルブ面（８）に隣接する部分で前記吸着し易い成分の濃度を高める圧力低下手段（３０，３４，３８，４２）を設けた請求項３５記載の装置。
37. ガス相の反応成分及びガス相の生成物成分とを有する化学反応を生じ、また吸着材料にわたり増加した圧力の下で前記反応成分及び前記生成物成分のうちの一方が吸着し易い成分であり、他方が吸着しにくい成分として圧力スイング吸着によって前記生成物成分から前記反応成分を分離する回転モジュールにおいて、ポートを有するステータ（１０８）と、回転軸線を有するロータ（２）とを有し、これらステータ及びロータを相互に掛合させ、回転軸線を中心として前記ロータが前記ステータに対して回転することにより前記ポートに対する開度が変動してバルブ作用を生ずる、前記ステータの前記ロータに対する境界面である第１バルブ面（７）及び第２バルブ面（８）を横切って流体連通を生ずるようにし、前記ステータには、前記第１バルブ面に対してある角度セクターでそれぞれ開口する複数個の第１機能隔室（６１，６５，７２，７５，７７，８２）と、前記第２バルブ面に対してある角度セクターでそれぞれ開口する複数個の第２機能隔室（８７，９２，９７）とを設け、前記ロータには、角度間隔をおいて配置した複数個の流路（４）を設け、各流路が、第１開孔によって前記第１バルブ面に連通する第１端部（５）と、第２開孔（１１８）によって前記第２バルブ面（１０５）に連通する第２端部（６）との間に流れの方向（９）に延在する構成とし、前記吸着材料（３）を各流路内のフローチャンネルに接触させ、並びに各流路内に前記化学反応を生ずる反応空間（３０１，４０１，５０１，３）を設け、またロータの回転によって前記第１開孔の各々が前記第１機能隔室に流体連通するよう開口して各第１機能隔室の角度セクタに順次に送るとともに、ロータの回転によって前記第２開孔の各々が前記第２機能隔室に流体連通するよう開口して各第２機能隔室の角度セクタに順次に送るようロータを回転させる手段を設け、前記機能隔室と連係動作する圧縮手段及び膨張手段によって高い圧力と低い圧力との間で各吸着素子における圧力を周期的に変動させる構成としたことを特徴とする回転モジュール。
38. 前記機能隔室として、更に、前記流路に対して前記高い圧力と前記低い圧力との間における複数個の段階的圧力上昇を加える複数個の加圧隔室を設けた請求項３７記載の回転モジュール。
39. 前記加圧隔室として、前記第１バルブ面に開口し、前記高い圧力と前記低い圧力との間の漸進的に異なる圧力で前記混合ガスを前記流路に送給する供給加圧隔室（７２，７５，７７）を設けた請求項３８記載の回転モジュール。
40. 前記加圧隔室として、前記第２バルブ面（９３）に開口し、吸着しにくい成分を多く含むガスを漸進的に異なる複数個の圧力で前記流路に送給する軽還流隔室（９２）を設けた請求項３８記載の回転モジュール。
41. 前記機能隔室として、更に、前記流路に対して前記高い圧力と前記低い圧力との間で漸進的に低下する複数個の圧力減少を加える複数個のブローダウン隔室（８２，６１，６５）を設けた請求項３７記載の回転モジュール。
42. 前記ブローダウン隔室として、前記第２バルブ面に開口し、前記流路に対して複数個の漸進的に異なる圧力に順方向流ブローダウンとして吸着しにくい成分を多く含むガスを除去する軽還流出口隔室（９２）を設けた請求項４１記載の回転モジュール。
43. 前記ブローダウン隔室として、前記第１バルブ面に開口し、前記流路から複数個の漸進的に異なる圧力で吸着し易い成分を多く含むガスを除去する逆方向流ブローダウン隔室を設けた請求項４１記載の回転モジュール。
44. 前記機能隔室を各バルブ面の周りに配置し、各流路に対して順次に共通の所定シーケンスで流路に対してガスを出入りさせ、前記シーケンスとしては、(１)前記高い圧力で前記混合ガスを供給隔室としての第１機能隔室から流路の第１端部に供給するとともに、前記高い圧力のあたりで軽生成物ガスとして吸着しにくい成分を多く含むガスを前記流路の第２端部から軽生成物隔室としての第２機能隔室に除去するステップと、(２)前記第２端部から軽還流ガスとして吸着しにくい成分を多く含むガスを放出して流路における圧力を中間圧力レベルに減少するステップと、(３)吸着し易い成分を多く含むガスを第１端部から逆方向流ブローダウンガスとして放出して流路内の圧力を中間圧力レベルに減少させるステップと、(４)吸着し易い成分を多く含むガスを重生成物ガスとして前記低い圧力で前記第１端部から重生成物隔室としての第１機能隔室に除去するステップと、(５)前記高い圧力と前記低い圧力との中間の圧力で軽還流ガスを軽還流帰還隔室に、次いで第２端部に供給するステップとよりなるシーケンスとした請求項３７記載の回転モジュール。
45. 前記シーケンスのステップ（５）の後に更に、（６）前記高い圧力よりも低い中間圧力で前記混合ガスを供給加圧隔室に、次いで第１端部に供給するステップを設けた請求項４４記載の回転モジュール。
46. 各機能隔室は、第１又は第２のバルブ面のそれぞれの機能隔室に対応の角度セクターを通過するガス流を均一化する形状とした請求項３７記載の回転モジュール。
47. 各機能隔室は、角度的に離れる少なくとも２個の吸着体素子への開孔に同時に連通し、各隔室を通過するほぼ安定した圧力でほぼ均一なガス流を生ずるようにした請求項３７記載の回転モジュール。
48. 第１及び第２の開孔におけるデッド容積をほぼゼロとした請求項３７記載の回転モジュール。
49. 流路におけるフローチャンネルを前記吸着体材料を通過する互いにほぼ同一で平行な複数個の通路として設けた請求項３７記載の回転モジュール。
50. 前記吸着体材料を薄いシートに支持し、前記シートを順次スペーサを介在させて積層させ、前記フローチャンネルを隣接するシート対間のスペーサによって生ずるようにした請求項４９記載の回転モジュール。
51. ステータと連係動作する流体シール手段（１３０，１３１）を更に設け、第１及び第２のバルブシール面における機能隔室間の流体漏れを制限し、かつ第１及び第２のバルブ面の各々に対する流体漏れをほぼ回避する請求項５０記載の回転モジュール。
52. 前記ロータには、前記第１バルブ面における流体シール手段に掛合する第１ロータ面と、前記第２バルブ面における流体シール手段に掛合する第２ロータ面とを設け、前記第１ロータ面には前記第１開孔を貫通させかつ第２ロータ面には前記第２開孔を貫通させ、前記高い圧力と前記低い圧力との間の個別の複数個の圧力レベルに各吸着体素子を周期的にさらすようにした請求項５１記載の回転モジュール。
53. 各流路における吸着体素子を複数個の吸着体シート（２８２）
    により形成し、各吸着体シートは、補強材料と、この補強材料に堆積させた吸着体材料と、吸着体材料を固定するための結合剤と、各隣接の吸着体シート対間に配置してフローチャンネルを生ずるスペーサ（２８４）とにより構成した請求項３７記載の回転モジュール。
54. 前記補強材料を、無機ファイバ又はグラスファイバのマトリックス、金属ワイヤマトリックス、又は陽極酸化被膜を形成した金属フォイルから選択した請求項５３記載の回転モジュール。
55. 前記吸着体材料をゼオライトとした請求項３７記載の回転モジュール。
56. 前記反応空間を内部でフローチャンネルに接触する不均質触媒を有する吸着体素子のゾーンとした請求項５３記載の回転モジュール。
57. 前記吸着体材料の成分として、第１端部と第２端部との間の流路に沿う多重ゾーンのそれぞれで異なる成分を選択した請求項３７記載の回転モジュール。
58. 少なくとも１個のゾーンの吸着体材料を不均質触媒として有効なものとした請求項５７記載の回転モジュール。
59. 前記吸着体素子は両側に端部を有し、各開孔を両側の端部のそれぞれに直接隣接させて設けた請求項５３記載の回転モジュール。
60. 前記ロータには前記吸着体素子を含む環状容積部を設け、流れの方向を回転軸線に同軸状に指向させ、また第１ロータ面をロータの円形端面としかつ第２ロータ面をロータの円形端面とし、第１及び第２のロータ面を回転軸線にほぼ直交させた請求項３７記載の回転モジュール。
61. 前記ロータには前記吸着体素子を含む環状容積部を設け、流れの方向の回転軸線に対してほぼ半径方向指向させ、前記第１ロータ面をロータの円筒形外面表面とし、前記第２ロータ面の前記ロータの円筒形内面とした請求項６０記載の回転モジュール。
62. 前記シートには触媒を支持した請求項５０記載の回転モジュール。
63. 前記吸着体素子を外被内に収納し、この外被の熱伝導面が外部の熱伝導流体に接触するようにした請求項５４記載の回転モジュール。
64. 前記補強材料を金属とし、この金属が前記外被と熱伝導接触するものとした請求項６３記載の回転モジュール。
65. 前記補強材料を金属フォイルとし、各隣接の吸着体シート対間のスペーサを写真平版パターンによりエッチング加工で形成したフローチャンネルを有する金属フォイルとし、また外被を、部分的に前記吸着体シートフォイル及び介在するスペーサフォイルの隣接端縁を拡散結合することによって形成した請求項６４記載の回転モジュール。

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