JP5291855B2 - 流体混合物から流体成分を分離する方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱的にサイクル化された収着と脱離により分離させるための諸方法と装置に関する。本発明はまた、熱的にサイクル化された収着と脱離による水素分離に関するものであり、また、水素収着剤を含む１つの装置に関する。

流体混合物由来の流体成分の分離は１００年以上もの間、科学的かつ経済的な非常に大きな興味の対象となってきた。本発明は流体混合物に由来する流体成分を熱的にサイクル化させた収着と脱離により分離させるための諸方法と装置に関する。われわれの実験作業と、以下の説明の多くは、水素ガスを分離させることに関する。しかしながら、そのより広範な観点からみると、本発明は、あらゆる流体、超臨界流体を含む気体かあるいは液体かのいずれにも適用することが可能である。

精製された水素は、さまざまな工業プロセスの中で使用されてきたし、またこれからも引き続き使用される。例えば、石油の精製には、ディーゼル、ガソリン、そしてその他の石油製品について法的な要求事項に適合させるために、水素量を増加させる手段が用いられている。北アメリカ、ヨーロッパ、およびその他の地域では燃料に関する規制が次第に厳しくなってきているため、水素をベースとした処理プロセスが実質的に増加することが予想される。例えば、米国のディーゼル燃料における硫黄のレベルは、２５０ｐｐｍという現行のレベルから１５ｐｐｍへと２００７年までに減らさなければならない。硫黄のレベルを低くするためにはいくつかの選択肢が存在するが、商業的に入手可能なプロセスでは全て、水素入力ストリームを必要としている。

水素使用において主要なものをもう１つ挙げるとすると、原油をグレードアップして、ガソリンを作る段階である。ガソリンに対する増大する世界的需要に応えるために、さらに密度の高いさらに等級の低い原油を開発する必要があり、また、ガソリンにグレードアップするためには水素添加が必要となる。

さらに、１０年以上にわたって、燃料電池用の清浄な電力源としての水素に対して集中的な研究調査と開発努力が向けられてきた。従来からの電力システムと比較すると、水素を電力源とする燃料電池はエネルギー的に効率的なものであり、頑丈であり、また、環境汚染を生じることが少ない。燃料電池は完全に、スモッグのもっとも悪名高い前駆体であるオゾンと窒素酸化物を取り除くことができる。しかしながら、かかりすぎるコスト、装置の大きさなどの問題、また、そのプロセスの複雑さが、もっとも一般的な電力源を水素をベースとする燃料電池技術が代替するのを妨げてきたのである。

本発明は流体を分離するための装置と諸方法を提供する。本発明は、例えば、水蒸気改質（リフォーミング）反応（典型的には、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を含むガス）の中で形成される水素を精製するのに使用することができる。従来からの流体分離技術に比べると、本発明の本構造と手順の多くのものが比較的簡単であり、小さなものを含めて広範な範囲にわたって計測可能であり、また、コスト効果的な大量生産を受け入れることが可能である。

第１の局面では、本発明は、少なくとも２つのステップを含む、流体混合物由来の１つの流体成分を分離する方法を提供する。第１ステップでは、流体混合物が、第１の温度で１つのフローチャネルの中に入ってきて通過する。フローチャネルは、上記チャネル内にある収着剤を含み、また、上記フローチャネルを通るフローは、上記チャネルの少なくとも１つの断面の中で、上記フローチャネルの高さが１ｃｍ以下であるように限定される。上記収着剤から発生する熱はマイクロチャネル熱交換器に運ばれる。上記流体混合物は、接触子を通過することなく上記収着剤と接触する。その後、第２ステップでは、エネルギーが付加され、また、上記収着剤の温度が上昇する。１つの流体成分は第２温度で上記収着剤から脱離され、また、第１ステップで収着された流体成分が得られる。第２温度は第１温度よりも高い。

第２の局面では、本発明は少なくとも２つのステップを含む、流体混合物由来の流体成分を分離するもう１つの方法を提供する。第１のステップでは、気体の混合物が第１温度でフローチャネルの中に入って通過していく。フローチャネルはチャネル内に収着剤を含み、チャネルを通るフローはチャネルの少なくとも１つの断面の中で、フローチャネルの高さが１ｃｍ以下であるよう制約される。その後に、第２ステップでは、エネルギー源から発せられるエネルギーが付け加えられ、また、上記収着剤の温度が上昇する。１つの流体成分は第２温度で脱離され、また、第１ステップで収着された流体成分が得られる。第２温度は第１温度よりも高い。非濃縮流体混合物（すなわち、気体あるいは超臨界流体）に関しては、第１と第２ステップを併せて、１０秒以下しかかからず、また、その場合は、第１ステップで収着された気体成分の少なくとも２０％が上記収着剤から脱離されるか、あるいは、液体混合物に関しては、１０００秒以下かかり、またその場合は、第１ステップで収着された上記流体成分の少なくとも２０％が上記収着剤から脱離される。

第３局面では、本発明は流体混合物由来の流体成分を分離するためのもう１つの方法を提供する。本方法では、流体混合物は第１温度と第１圧力で第１収着領域の中に入って通過していき、そこでは第１収着領域は第１収着剤を含み、また、そこでは、第１収着領域では温度と圧力が、第１収着領域にある第１収着剤の中への流体成分の収着をしやすくするように選択される。第１収着領域から発生する熱はマイクロチャネル熱交換器の中に運ばれる。上記流体混合物由来の流体成分は選択的に収着され、したがって結果的には、第１収着剤の中に収着された成分と、上記成分が相対的に減損された流体混合物が生じる。相対的に成分が減損した流体混合物は第２温度と第２圧力で第２収着領域の中に入れられ、通過させられ、そこでは、第２収着領域は、第２収着剤を含み、またそこでは第２収着領域の中での温度と圧力は、第２収着領域内での上記収着剤の中への流体成分の収着を容易にするように選択される。熱は第２収着領域からマイクロチャネル熱交換器の中に伝達されていく。流体成分は上記相対的に成分が減損した流体混合物から選択的に収着され、したがって、結果的に第２収着剤の中に収着された成分と、相対的にさらに成分が減損された気体混合物が生じる。第２温度は第１温度とは異なる。実質的に第１収着剤全体に対して約１ｃｍ以下の距離で、第３温度まで第１収着剤の温度を上昇させるために熱は第１収着剤に加えられ、また、前記成分は第１収着剤から脱離させる。第４温度にまで第２収着剤の温度を上昇させるために、第２収着剤全体に対して実質的に約１ｃｍ以下の距離で熱は第２収着剤に加えられ、また、成分は第２収着剤から脱離させる。そして、第１と第２収着剤から脱離させた成分が得られる。

第４局面では、本発明は以下のものを含む流体分離装置を提供する。すなわち、多孔質収着剤を含むフローチャネルであって、上記フローチャネルは少なくとも１つの１ｃｍ以下の寸法を有し、上記フローチャネルの少なくとも１つの断面では、上記多孔質収着剤が上記断面の少なくとも９０％を占有する上記フローチャネルと、上記フローチャネルと熱接触しているマイクロチャネル熱交換器と、を含む。本発明はまた、流体混合物由来の流体成分を精製する本装置の使用法を提供する。

第5の局面では、本発明は以下のものを含む、流体分離装置を提供する。すなわち、フローチャネルの第１アレイと、フローチャネルの第２アレイと、第２アレイの入口に第１アレイの出口を接続する少なくとも１本の導管と、流体導管を通るフローを制御することができる弁と、を含む。フローチャネルの第１アレイには、少なくとも２つのフローチャネルが含まれるが、それぞれのフローチャネルには、１つの入口と、１つの出口と、上記入口と上記出口の間に配置された収着剤が含まれる。上記少なくとも２つのフローチャネルのそれぞれは、マイクロチャネル熱交換器と熱接触しており、また、１ｃｍ以下という少なくとも１つの寸法を有する。この寸法はマイクロチャネル熱交換器に向かう方向の寸法である。第１アレイにはまた、少なくとも１つのアレイ入口と少なくとも１つのアレイ出口が含まれる。フローチャネルの第２アレイには少なくとも２つのフローチャネルが含まれるが、フローチャネルのそれぞれには、１つの入口と、１つの出口と、上記入口と上記出口の間に配置されている収着剤とが含まれる。上記少なくとも２つのフローチャネルのそれぞれはマイクロチャネル熱交換器と熱接触しており、また、１ｃｍ以下という少なくとも１つの寸法を有する。この寸法はマイクロチャネル熱交換器に向かう方向における測定寸法である。第２アレイにはまた、少なくとも１つのアレイ入口と少なくとも１つのアレイ出口が含まれる。本発明にはまた、流体成分が第１アレイに収着され、また、同時に第２アレイにある流体成分が脱離される本装置を使用する１つの方法が含まれる。

第6の局面では、本発明が水素ガスを分離する１つの方法を提供する。本方法では、水素含有ガス混合物が第１温度で１つのチャネルの中に入って通過していく。本チャネルには、上記ガスに対して曝露される１つの表面を有する上記チャネル内にある収着剤が含まれる。上記チャネルを通るフローは、上記チャネルの少なくとも１つの断面では、チャネル壁までのもっとも遠い距離は０．５ｃｍ以下であるよう制約される。この第１温度における収着は少なくとも０．１モルＨ_２／（秒）（収着剤のｃｍ^３）の速度で起こり、そこでは収着剤の容量は本方法で使用される収着剤の容量であり、またそこでは、その速度はそれぞれのサイクルの収着相にわたって平均化され、また、「第１温度」は収着相時の収着剤（収着剤フィルムの界面における、また、フローチャネルの表面におけるフィルムに関して測定され、あるいは多孔質収着剤に関して、多孔質収着剤内において測定される）の平均温度である。その後、第１温度よりも高い第２温度に、収着剤の温度を上昇させるために、エネルギーが収着剤に加えられる。第２温度においては、水素は脱離され、また、水素ガスが得られる。「第２温度」は脱離相時の収着剤（上述のとおりに測定される）の平均温度である。

第7の局面では、本発明は、水素ガスを収着する第１ステップを含む水素ガスを分離する１つの方法を提供する。この第１ステップでは、水素を含むガス混合物を第１温度でチャネルの中に入れて通過させる。このチャネルは、チャネル内部に気体に曝露する表面を有する収着剤を含む。第２ステップでは、第１の温度より高い温度に収着剤の温度を上げるため収着剤にエネルギーが加えられる。その後、第３ステップでは、第１温度よりも高い第２温度で水素ガスが脱離し、水素ガスが得られる。本方法では、第２と第３ステップを組み合わせたものは、１０秒以下しか時間がかからず、第１ステップにおいて収着される水素の少なくとも２０％が上記収着剤から脱離される。

第８の局面では、本発明は、気体混合物から水素ガスを分離する方法を提供するが、その方法においては、第１ステップで、第１温度において、水素を含むガス混合物が、水素を収着する収着剤と接触する。この収着剤には、水素収着剤の上に重なるＰｄ（パラジウム）あるいはＰｄ（パラジウム）合金の層が含まれる。その後引き続いて、第２ステップでは、エネルギーが上記収着剤に加えられ、したがって、上記収着剤を、第１温度よりも少なくとも５℃高い第２温度に上昇させ、水素が上記収着剤から脱離する。得られた脱離水素は供給ガス混合物よりも高い純度のものである。

第9の局面では、本発明はガス混合物から水素を分離するための１つの方法を提供し、そこでは、水素含有ガス混合物は第１温度と第１圧力で第１収着領域の中に入れて通過される。そこでは、第１収着領域が、第１収着剤を含み、またそこでは、第１収着領域における収着剤の温度と圧力が第１収着領域にある第１収着剤の中への水素の収着を容易にするように選択される。水素はガス混合物から選択的に取り除かれ、結果として第１収着剤に収着された水素と相対的に水素の減損したガス混合物を生じる。相対的に水素を減損したガス混合物が、第２温度と第２圧力で第２収着領域の中に入り、通過する。第２収着領域は第２収着剤を含み、また、第２収着領域における温度と圧力は、第２収着領域における収着剤の中への水素の収着を容易にするように選択される。水素は相対的に水素を減損したガス混合物から選択的に取り除かれ、結果として第２収着剤に収着された水素と相対的にさらに水素を減損したガス混合物を生じる。第２温度は第１温度とは異なる。第３温度に第１収着剤を上昇させるために、第１収着剤全体に対して実質的に約１ｃｍ以下の距離をおいて熱が第１収着剤に加えられ、また、水素が第１収着剤から脱離する。第４温度に第２収着剤を上昇させるために、第２収着剤全体に対して実質的に約１ｃｍ以下の距離をおいて熱が第２収着剤に加えられ、また、水素が第２収着剤から脱離する。第１と第２収着剤から脱離した水素が得られる。第１と第２収着剤から得られる水素の量は、加えられた合計熱量が同じであると仮定して、同じ温度で第１と第２収着剤を操作することにより得られるであろう量よりも多い。本発明のこの第４の局面は一般的に適用可能なものであるが、急速で効率的な熱伝達を達成するために、熱交換器と熱接触していて、１ｃｍ以下という寸法を有するチャネルのなかに上記収着剤を置くことが好ましい。

本発明はまた、内部表面を有するフローチャネルが少なくとも上記内部表面の一部ではパラジウム（パラジウム合金を含む）を含む水素分離装置を提供する。フローチャネルは１ｃｍ以下の少なくとも１つの寸法を有し、また、熱交換器は上記フローチャネルと熱接触している。

本発明はさらに、フローチャネルには入口と、出口と、上記入口と出口との間に配置された収着剤とが含まれる１つの水素分離装置を提供する。上記収着剤は水素収着剤の表面の９０％よりも大きな割合の表面コーティングを有する水素収着剤を含み、そこでは、上記表面コーティングはパラジウムを含む。熱交換器は収着剤と熱接触している。

さらにもう１つの局面では、本発明は、水素収着剤の薄いフィルムを供えたフローチャネルを含む水素分離装置を提供する。上記フィルムは非常に薄いため、通常の水素収着剤（ニッケルなど）が粉々になる複数の収着／脱離サイクル条件後であっても上記装置に密着する。

本明細書に記載されている上記装置のいずれもが、１つの水素含有ガス混合物から水素を分離するのに使用することができる。本発明には、水素を分離するための、本明細書に記載されている上記装置のいずれかを使用するこの装置と諸方法が含まれる。

本発明の温度スイング収着（ＴＳＳ）プロセスに関与している低圧変化によって非常に薄い金属シムとフォイル構築物が可能となり、したがって、非常に小さな金属質量が可能となり、また、したがって非常に迅速なサイクル時間が可能となる。薄い壁で仕切られた構築物によりまた、温度スイング収着（ＴＳＳ）装置の容量当たりの表面積の大きな値が可能となり、それによって、装置の単位容量当たりの高率の生産性で生産し、それによって、工業規模処理用に必要とされる高い生産率が提供される。また、本発明の重要な小平面（ファセット）は、そのハードウェアの単位容量（ＳＡ／Ｖ）機構当たりの表面積の高い値により、大きな値を有する表面積、薄いフィルムの形態で上記装置内に蓄積される上記収着剤が可能になる。そのため、上記収着剤種、例えば、水素分離した場合の水素化物などは、上記収着剤の表面上にいったん形成されると、上記収着剤内部固体容量を完全に負荷するほど遠くに移動する必要はなく、比較すると、床全体にわたる圧力低下を減少させるために粗い粒子を含有する通常の厚い収着剤床では、遅いプロセスになると考えられている。例えば、これらの条件での水素分離を実施する場合は、Ｐｄ（パラジウム）は非常にわずかな水素を負荷し、また、上記薄い金属フィルム／フォイル／シムは、短い拡散距離のため、水素化物を急速に完全に負荷することができる。さらに一般的には、非常に薄い収着剤層のみが必要とされるため、また、任意に急速サイクル化することができるため、Ｐｄ（パラジウム）のように通常非常にコスト高のものであると考えられている収着剤材料を使用することができるという利点が、上記温度スイング収着（ＴＳＳ）設計に対してある。

大容量の水素を選択的に収着するパラジウムの能力は長い間知られてきたが、われわれは、水素に関して、適当に構築された装置では、あるいは適当に実施される諸方法では、収着および脱離の迅速速度が生じ、それにより、比較的小さなハードウェア容量で水素ガス（ここ以降、単に水素と言う）の比較的大容量を効率的に分離することが急速サーマルサイクル化には可能となる。

以下のものを含む本発明のさまざまな実施態様により非常に数多くの利得が提供される。すなわち、コスト減少、分離容量を減少させたハードウェア、耐久性、安定性、分離速度、小さな容量の装置を用いて流体成分の大容量を分離する能力、パッケージされた床あるいは膜技術に関連したエネルギー効率の改善と、コスト削減である。

本発明には、数字に示されている構造のいずれかを有する装置が含まれる。しかしながら、こうした特異的な構造は、本発明を実施するための唯一の手段ではなく、したがって、本発明の装置あるいは諸方法を限定するものとして解釈されるべきではない。本発明にはまた、流体混合物が、図示説明されている装置のいずれかを通過する諸方法が含まれる。例えば、図５ａに参照し、本発明には、流体混合物がフロー分布シートを通って流れ、また、上記分布フローが収着剤含有コンパートメントの中に入って通過していく１つの方法が含まれる。

（用語集）
「ハードウェア容量」とは、上記装置が単一ユニットの中に統合されない場合には、全ての部分品の合計を含む上記分離装置の外部容量を意味する。

「内部表面」は、流れる流体、例えば、気体に晒されている上記フローチャネルの内部にあるいずれかの表面を言う。内部表面は、光学測定あるいはＮ₂吸着などの適切な技術により測定することが可能である。

「収着／脱離」とは、流体、例えば、気体が取り込まれるメカニズムには関係なく、取り込まれた気体の合計量を言う。言い換えれば、「収着」は吸着と吸収を合計したものである。

「流体混合物」という用語は、第１成分の百万部のうちの１部および９９９，９９９部（ｐｐｍ）の間と、上記第１成分ではない１つの成分の少なくとも１部（ｐｐｍ）を含有する流体混合物を意味する。例えば、「水素含有ガス混合物」という用語は百万部のうちの１部および９９９，９９９部水素（そのアイソトープを含む）の間のものと水素あるいはそのアイソトープではない１つの気体の少なくとも１ｐｐｍを含有するガス混合物を意味する。

「成分」という用語は分子を言う。本明細書に記載されている上記諸方法のいずれもが２つ以上の成分を分離する（例えば、収着する）ことができる。しかし、上記収着ステップは選択的に成分を分割し、すなわち、１つの収着ステップが、上記気体混合物の中にある１つの選択された成分の相対的な量を増加させるかあるいは減少させるかのいずれかを行う。

場合によっては、本明細書では、「溶質」という用語を用いる。この用語は成分を意味する。「溶質」という用語を用いる場合に、５０容量％あるいは５０質量％よりも少ない割合でその成分が存在していなければならないという条件は要求されない。

本明細書中で用いられている「水素」という用語には水素とその同位元素（アイソトープ）全てが含まれる。

「得る」という用語は、その成分、例えば、水素が、燃焼、燃料電池操作、化学合成、その他などのその後に引き続いて行われる化学的プロセスの中で蓄積されるかあるいは使用されるかのいずれかのために回収されることを意味する。しかし、「得る」というその用語は、その成分、例えば、水素を単に冷媒として使用することを意味するわけではない。

「熱交換器」という用語は、熱を加える、また取り除くもしくは移すことができる１つの成分、あるいは複数の成分の組み合わせを意味する。熱交換器の好ましい実施例には、温度の高い流体から温度の低い流体へと切り換えることができるマイクロチャネルと、ヒートシンクとを組み合わせた電気抵抗器と、熱電材料とが含まれる。

「ＴＳＡ」とは、サーマルスイング吸着のことである。

「多孔性接触器」とは、それにより収着剤に達するようにフローが生起する多孔質あるいは多孔材料のことである。

［微量化学システムにおけるサーマルスイング収着の理論］
マイクロチャネルアーキテクチャの使用法は収着をべースとする分離と精製のプロセスに関する明瞭な長所を有する。特に、サーマルスイングをベースした収着に関しては、急速加熱冷却システムに対する能力により、上記収着剤の床のさらに効果的な使用が可能になる。さらに、工学的に処理された収着剤の形態により物質移動抵抗を減少させることができる。

［物質移動時間比較］
不定常状態の物質移動に関しては、溶質が多孔質マトリックスを通って拡散する時間は等式（１）に定義されている。すなわち、

ここでは、τは距離ｘを拡散するのに必要とする時間に等しく、また、ｘは拡散が起こる距離であり、また、Ｄ_ｅは多孔質マトリックス内の溶液中の溶質に関する効果的拡散係数である。効果的拡散係数は、特定の多孔質幾何学形に関するくねり係数により分割された分子拡散係数（Ｄ_ａ）として定義される。ほぼ直線であるポアに関しては、くねり係数は１単位に近づく。非直線であって、また、固体マトリックスを曲がりくねって通るポアに関しては、くねり係数は１０程度であると考えられる。

上記分子拡散の値はさまざまな温度と圧力における溶質と溶液の両方の機能として変化する。気体相に関する分子拡散係数（Ｄａ）の典型的な値は、気体溶質中で０．１〜０．０１ｃｍ^２／Ｓの範囲にある。液体相溶液中の液体相溶質に関する分子拡散係数（Ｄ_ａ）の典型的な値は、１０^−４〜１０^−５ｃｍ^２／ｓの範囲にある。くねり係数は多孔質ペレットあるいは基板内のポアのくねり性質の機能として大きく変化する。マイクロチャネルシステムを従来のものと比較する目的で、３という共通くねり値が選択される。

円筒状あるいは球形状のペレットに関しては、拡散距離ｘはペレット直径（ｄ_ペレット）の半分である。従来の収着システムで使用されているペレットに関する典型的な寸法は１ｃｍ程度である。多孔質ペレット内の溶質の気体相拡散に必要とされる典型的な時間は以下の式（２−３）により定義される。

（気相溶液に対して７．５から７５秒）

（液相溶液に対して７５００から７５０００秒）

拡散のための時間は、距離の２乗の関数としてさまざまに変化するため、拡散距離を減少させることは、拡散に必要とされる時間を減少させる際にそれを不均衡なものにする役割を果たす。通常の収着技術においては、より小さなペレットを使用することが可能であるが、しかしそれはシステム全体の圧力低下という代償を払ってのことである。バルクフローは、無作為に詰め込まれたペレットの間にある隙間の中を移動していく。上記ペレットの大きさが減少されるため、上記隙間の大きさもまた減少され、従って、等しい大きさの床の長さに対して、より大きな正味圧力低下を与えることになる。

微量化学をベースにした収着システムのための拡散通路の長さは通常の技術のものよりもかなり小さい。マイクロチャンネルにおいて工学的に処理された収着剤のための最大の厚さあるいは拡散距離は約２ｍｍである。好適には、上記工学的に処理された収着剤の厚さ（例えば、金属フォーム上にコーティングされた収着剤）は１ｍｍ未満であり、さらに好適には、０．２５ｍｍに近いものとなる。工学的に処理された収着剤の実際の厚さは対立変数の最適化により設定することができる。工学的に処理された収着剤が厚くなれば、収着剤の容量（収着に対する活性部位）がさらに大きくなり、また、したがって、さらに大きな収容能力を有することになる。しかしながら、工学的に処理された収着剤が厚くなれば、さらに長い物質移動と熱伝達時間を有することになる。マイクロチャネルをベースにした工学的に処理された収着剤における物質移動のための典型的な時間は、（４−５）で定義される。すなわち、

（気相溶液に対しては０．０２から０．２秒）

（液相溶液に対しては２０から２００秒）

１つのマイクロチャネル内に収納された工学的に処理された収着剤の中にあるソルベート（収着された物質）のための物質移動時間は、気相および液相分離の両方のための通常の収着剤ペレットにおけるものよりも１００〜１０００倍程度短いものとなっている。物質移動時間の実際の値は、分子拡散係数、くねり係数、ペレットあるいは工学的に処理されたソルベート内での物質移動の実際の距離といった実際の値とともにさまざまに変化することになる。

（熱伝達時間の比較）
熱伝達のための固有時間は、熱伝達流体を分離する媒体を通じてか、あるいは収着剤を通じてかのいずれかによる伝熱の関数となりうるものであり、あるいは上記時間は上記熱伝達流体と上記分離媒体あるいは壁との間に発生する対流熱伝達に要する時間の関数となりうる。

対流限界熱伝達の場合に関しては、集中定数法が、熱伝達のための固有時間を予測するには適切なものである。この方法は、Ｂｉｏｔ（Ｂｉ）数が０．１未満である場合に適当なものとなる。Ｂｉｏｔ数は式（６）で定義される。

ｈが対流熱伝達係数と等しい場合は、Ｖは熱伝達が起こる容量と等しく、Ａは熱伝達の平面の表面積かつ熱伝達に対して直角の平面の表面積により定義され、ｋは材料の熱伝導率である。

気体熱伝達流体に関して経験的に測定されたものとしてのマイクロチャネルにおける対流熱伝達係数（ｈ）の値は、２００から２０００Ｗ／ｍ²−Ｋへと典型的には変化する。マイクロチャネル中の液体熱伝達流体の値は典型的には、１０，０００〜３０，０００Ｗ／ｍ^２−Ｋの範囲で変化する。通常の大きさの熱交換システムにおける対流熱伝達係数の値は、典型的には、気体および液体熱伝達流体の両方に対してそれぞれ、少なくとも１桁小さい絶対値である。

熱伝導率（ｋ）の値はたいていの金属に対してよく定義されており、上記多孔質収着剤に関しては測定することができる。マイクロチャネルをベースにしたシステムを通常の収着システムと比較する目的で、典型的な値がｋに対して選択される。アルミニウムを構築材料と仮定すると、この金属の熱伝導率は大雑把に言って２２０Ｗ／ｍ−Ｋである。アルミニウムフォームが典型的な工学的に処理された収着剤の基板として選択され、概算有効熱伝導率は約１０Ｗ／ｍ−Ｋと定義される。通常の収着剤システムの中の基板として使用されるセラミックをベースにしたペレットは、２Ｗ／ｍ−Ｋに近いものである少々低い効果的な熱伝導率を有することになる。

マイクロチャネルをベースにしたシステムにおけるＶ／Ａの値は、Ｖが高さｘ 長さx幅に等しく、また、Ａが高さｘ長さに等しい典型的な直線（レクティリニア）幾何学形をベースにして簡単に計算される。その結果生じるＶ／Ａの値は、熱が上記熱交換器および収着剤へ、また、上記熱交換器および収着剤からそこを通って伝達させなければならない臨界厚さである幅に減少される。

収着剤ペレットの通常の固定床を収納するための典型的なものである円筒形の管に関しては、Ｖ／Ａの値は、４で割った上記管の直径の値に減少される。容量は、πｘ直径の２乗／４ｘ長さとして定義される。熱伝達のための面積Ａは、πｘ管の直径ｘ長さである。

気体熱伝達流体に関してその結果生じるＢｉｏｔ数の計算法は等式（７−９）に示す。

マイクロチャネルシステム（ｈはＷ／ｍ^２／Ｋという単位で表わされ、ｋはＷ／ｍ／Ｋという単位で表わされ、Ｖ／Ａはｍという単位で表わされ、また、典型的なウェブと工学的に処理された、（すなわち、多孔質の）収着剤の両方とも厚さ０．２５ｍｍを有すると仮定する。）

従来のシステム（ｈ、ｋ、Ｖ／Aの単位は同じ。典型的な床の直径は１０ｃｍ以上）

したがって、気体熱伝達流体の場合に関しては、マイクロチャネルシステムにおける熱伝達の固有時間は対流抵抗により優位に決定され、また、通常の収着システムに関しては、固有熱伝達時間は、伝導抵抗により優位に決定される。

液体が熱伝達流体として使用される場合、対流熱伝達係数はおよそ１つの桁大きくなる。このレジームでは、上記工学的に処理された収着剤を通る熱伝達のＢｉｏｔ数は０．１を超え、また、したがって、マイクロチャネルをベースにした収着装置における熱伝達の固有時間は対流抵抗よりも伝導抵抗により優位に決定される。通常のシステムに関しては、Ｂｉｏｔ数は大きくなるだけになり、また、その優位に決定している熱伝達抵抗は伝導性のまま残る。

集中定数分析に関しては、熱伝達の固有時間は、等式（１０−１３）により定義される。これら等式では、Ｔは時間の関数としての実際の温度であり、Ｔ_ＳＳは安定状態の温度であり、また、Ｔ０は０に等しい時間における、あるいは１つのサイクルの出発点における開始時間である。

固有熱伝達時間に関して等式を再構成すると、ｔは等式１３で定義される。

周囲条件においてはアルミニウムウェブに対するαの値は、おおよそ９ｘ１０^−５ｍ^２／ｓである。アルミニウムフォームに対するαの値はおおよそ４ｘ１０⁻⁵ｍ^２／ｓである。

上記壁内の温度が上記熱伝達流体の温度の９５％に到達するために、必要とされる時間は等式（１４）に示す。

上記工学的に処理された収着剤の温度が上記熱伝達流体の温度の９５％に到達するために必要とされる時間に対する解は等式（１５）に示す。

上記工学的に処理された収着剤の温度が上記熱伝達流体の初期温度の９５％に達するために必要な合計時間は、約２秒である。

上記熱伝達流体の温度が所望される収着温度あるいは脱離温度よりもずっと高い温度で維持される場合、その場合は、熱伝達の固有時間はかなり短いものになる。１つの例として、安定状態のたった１０％だけが所望される場合、その場合は、熱伝達の固有時間は、２８という因子により減少される。１つの例の計算は等式（１６）に示す。

上記工学的に処理された収着剤を通しての熱伝達の付加的な時間は０．００７秒になる。伝熱−抵抗優先レジームにおける熱伝達の固有時間は等式（１７）により定義される。

上記因子は経験的な熱伝達曲線から決定され、また、異なる幾何学的形状に対して定義される。無限の長さのシリンダー（例えば、直径よりもずっと長い長さ）と安定状態の９５％の所望される温度アプローチに関しては、上記因子は０．６に等しい。

セラミック収着ペレットのパッケージされた床に関しては、αの値はおよそ１．３ｘ１０^−６ｍ^２／ｓである。通常の収着床の固有熱伝達時間に対する解は等式（１８）により定義される。

安定状態の９５％というアプローチが要求されているものではなく、またその装置が安定状態のたったの１０％以内までのみで運転される場合、その場合は、固有時間は等式（１９）により定義される。

対流抵抗ではなく伝熱抵抗により優位に決定されている（例えば、気体熱伝達流体ではなく液体熱伝達流体）マイクロチャネルをベースにした収着システムに関しては、その場合は、平衡状態に対して９５％アプローチが所望されるときには、熱伝達の固有時間は等式（２０）により定義される。平衡状態に対してより制限が少ないアプローチが要求される場合、その場合は、熱伝達の固有時間はより短くなることもある。

［マイクロチャネルをベースにした収着装置と通常の収着ハードウェアとの間の比較］
マイクロチャネルをベースにした収着装置における熱伝達の固有時間は、上記マイクロチャネル装置において液体熱伝達流体かあるいは気体熱伝達流体かのいずれかが使用される場合は、典型的には、通常のパッケージ床収着装置よりも１００倍からさらに１０００倍短い。

熱および物質移動の固有時間は、必要不可欠なマルチステージ分離装置に対して要求されるサイクル時間を駆動するわけであるが、しかしながら、それら熱伝達および物質移動の固有時間は上記サイクル時間に等しいわけではない。

（サイクル時間）
サイクル時間は気体および気体分離に対して推定することができる。液体熱伝達流体の場合に関しては、物質移動時間に必要とされる時間が上記サイクル時間を優位に決定することが考えられる。気相分離に関しては、固有物質移動時間は０．０２〜０．２秒である。これは、マルチステージ平衡状態ステージ分離モデルの中で平衡化する理論上の平面に対する時間と等しい。サイクルは、例えば、５〜１０あるいはそれ以上の理論上のステージを有する場合もある。さらに、上記装置のデッドゾーンを通って移動する混合物の時間は上記サイクル時間の計算の中に含めなければならない。したがって、気相分離用の５〜１０ステージマイクロチャネルをベースにした収着装置のサイクル時間はおおよそ０．１〜１秒という低値となることが多い。実際の値は、活用できない容量（デッドボリューム）を減少させる設計効率を含めた複数の変数による。

液相分離に関しては、物質移動に要求される時間は常にマイクロチャネル装置におけるサイクル時間を優位に決定することになる。固有物質移動時間は、マイクロチャネル装置ではおおよそ２０〜２００秒である。最低５〜１０ステージサイクル時間はおよそ１００〜１０００秒になることが考えられる。

マイクロチャネルをベースにした収着装置において同じ程度の分離をより短いサイクル時間で達成しようとすれば、床容量は大幅に小さくなり、またしたがってハードウェアのコストが大幅に安くなる可能性が出てくる。加熱および冷却用の付加的なカラムおよびパージストリームは、マイクロチャネル装置では必要ない。通常のＴＳＡプロセスは多くの場合、収着あるいは脱離サイクルの前に、大量熱伝達により床を加熱あるいは冷却する目的で分離パージストリームを導入することにより上記床容量により伝導性熱伝達の長い固有時間を減少させる。余剰ストリームのこの付加は、したがって、収着、あるいは脱離のいずれでも常に上記収着剤床を完全には利用し得ないことにより収着床の非効率ならびに付加コストを招いてしまうことになる。

図１は、開放チャネル４と収着剤６を含むフローチャネル２の１つの実施例を図示説明する。上記チャネルを通る正味ガスフローの方向は矢印により示されている。フローガスは内部表面８で上記収着剤６と接触する。上記フローチャネルの少なくとも１部に関しては、上記開放チャネルの中のいずれかのポイントから上記内部表面までの距離（フローに対して直角である平面の中で測定される）は、１０ｍｍ以下であり、好適には、０．１ｍｍ以下である。フローガス、例えば、水素は上記収着剤に近接しているサーマルスイング収着装置を利用することにより、上記距離と物質移動の時間が最小になる。

好適な実施態様では、上記フローチャネル（あるいはいくつかの好適な実施態様では、上記開放チャネル）は以下のものを有する。すなわち、１ｃｍ未満の高さｈ、さらに好適には、２ｍｍ未満の高さｈを有し、また、いくつかの実施態様では、０．５〜２ｍｍの高さｈを有する。幅と長さは、どんな値のものでもよい。しかしながら、これらパラメーターは、最適な設計になるよう設計を考慮したものとなっている。さらに長い長さを使用することにより、いずれかの一定のサイクルの間に収着に対するさらなる活性部位が作り出されることになるが、しかし、少なくともいくつかの状況では、そしてまた、さらに長いレジデンス時間ではさらに高い圧力低下という代償を支払わなければならない。上記収着剤ゾーンの幅を増加させることにより、また、収着のためのさらなる活性部位を作り出すことになる。しかしながら、幅を増加することにより、上記幅があまりに大きい場合は、フロー分散要素を使用して緩和することができるが、フロー不適正分布の問題につながることになるであろう。長さと幅は、流体特性とチャネルサイズに比したアクセス可能なヘッダーサイズという観点から最適化することができる。いくつかの好適な実施態様では、幅（高さとフローに対して直角）は０．０１ｃｍ〜３００ｃｍであり、さらに好適には、２ｃｍ〜２５ｃｍである。また、長さは０．０１ｃｍ〜３００ｃｍであり、さらに好適には、２ｃｍ〜２５ｃｍである。

上記フローチャネルは熱交換器マイクロチャネルのアレイの上、あるいはその下、あるいは隣りにあるチャンバの中に配置することができる。１つの代替的な配置（図示せず）では、上記フローチャネルは、熱交換器チャネルの隣接しているチャネルの間で相互配置のやり方で（すなわち、共平面により交互に）配置することができる。いくつかの実施態様では、フローチャネルを有する少なくとも３層は、熱交換器１０を有する少なくとも４層と相互に重ねる。上記フローチャネルは、いずれの形状でも可能であるが、好適には、非閉塞性開放チャネルを有する直線的なものである。

上記内部表面８は好適には、Ｐｄ（パラジウム）合金あるいは金属Ｐｄ（パラジウム）である。Ｐｄ（パラジウム）は驚くほどの早い速度で水素を収着し、また、脱離することができ、サイクル時間を減少させることが分かっている。Ｐｄ（パラジウム）はまた、良好な熱伝導体である。触媒におけるのとは異なり、表面パラジウムは、酸化物表面上に分散されており、また、好適には、１つの連続的な層である。低温では、水素は収着剤６の中に表面８を通って急速に収着される。いくつかの好適な実施態様では、上記水素収着剤６は上記表面８と同じ材料である。他の実施態様では、上記水素収着剤６には水素を逆に収着するもう１つの材料が含まれる。例えば、上記収着剤には、上記金属水素化物形成要素のいずれかを含むことができる（Ｇｒｅｅｎｗｏｏｄら、Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ（１９８４）を参照）。好適な収着剤材料には、Ｐｄ（パラジウム），Ｐｄ（パラジウム）合金、Ｔｉ（チタン），Ｖ（バナジウム），ＬａＮｉ_５，Ａｌ（アルミニウム）ドープドニッケルランタナイド、Ｎｉ（ニッケル）が含まれる。上記表面８上の水素に対してＰｄ（パラジウム）あるいはＰｄ（パラジウム）合金を良好に選択するので、下に横たわっている収着剤６には、水素に対する選択性は必要ない。例えば、１０ｍｍ〜１ｍｍという厚さを有する水素化物形成収着剤下層は、０．０２５ｍｍ未満の厚さ、さらに好適には０．０００１ｍｍ〜０．０２ｍｍという厚さを持つ薄いＰｄ（パラジウム）表面露出下層でコーティングされる。好適には上記収着剤の露出表面（すなわち、フローチャネル中の水素含有ガスに露出されている表面）の少なくとも８０％、さらに好適には、少なくとも９０％が、Ｐｄ（パラジウム）あるいはＰｄ（パラジウム）合金で塗布される。いくつかの適用に関しては、良好な選択性は要求されず、上記収着剤はＰｄ（パラジウム）表面を有する必要はない。上記収着剤層の厚さは、一定の水素量を収着するのに要求される収着剤の容量をベースにして選択されることが考えられる。

好適な実施態様では、上記水素収着剤は薄い層である。通常の水素収着剤はサイクリングの結果としてぼろぼろになって崩壊し、したがって、熱伝達特性を低下させ、また、装置の安定性を低下させる。本発明においては、上記収着剤層は上記収着剤／水素化物層の拡大と収縮によりぼろぼろになって崩壊するという結果を招かないようにその厚さを薄いまま維持することができる。代わりに、その薄さのために割れ目が形成される可能性があるが、上記収着剤層はその下に横たわっているチャネルあるいは熱交換壁に対する良好な接着性を維持している。フローチャネルの高さを非常に小さなものにすることができるため、また、高速度でサイクル化された上記装置、薄い収着剤層を含む複数フローチャネルは水素の優位な量を分離するために一緒に使用することができる。好適な実施態様では、表面８を含む上記収着剤６は、０．０００１〜１ｍｍの厚さを有し、さらに好適には、０．００４〜０．１ｍｍの厚さを有する。いくつかの好適な実施態様では、上記収着剤は濃縮（非多孔質）薄層であり、したがって、それによって上記熱交換器表面に対する接着性を最大にし、また、容量の関数として収着能力を最大にする。

空間の最大限度の使用に関しては、好適な実施態様では、上記フローチャネルの内部表面の少なくとも８０％はＰｄ（パラジウム）あるいはＰｄ（パラジウム）合金でコーティングされる。サイクル化の後、残留水素の何らかの量は、上記収着剤の中に残るが、収量喪失ということにはならない。他の好適な収着剤には、パラジウム銀合金などのパラジウム合金が含まれる。パラジウム合金は複数のサイクルにわたって崩壊することに対するその大きな抵抗力のため、上記装置の耐久性を向上させることができる。好適には、例えば、収着速度および／または収着能力および／または収着選択性を向上させるために収着時に水素化物を形成するために上記収着剤材料は相転移を行う。

（水素あるいはいずれかの他の成分を収着するための）上記収着剤には、解離キネティックスを改善し、したがって収着時間を減少させ、また、サイクル時間全体を減少させるプロモーターあるいは金属間化合物が含まれるのがよい。例えば、Ｐｄ（パラジウム）の表面上のＲｕ（ルテニウム）粒子は収着と脱離の速度を増加させることが可能である。一般的には、１次材料に対して２次（あるいは３次）の材料の付加（多くの場合で非常に少量）が、不均一系における上記１次材料の表面上への水素吸着の正味速度（あるいは他の気体）に影響を及ぼす。上記吸着プロセスのキネティックスと表面組成に影響を与えることにより、上記付加された材料はまた、１次材料表面の最終的な吸着能力（あるいは見かけ上の能力）を増大することができる。収着の速度（純粋にキネティックス現象）を増大する第１効果は、上記付加的な材料の上記化学的性質（それは、水素の場合は、さらに速い解離性水素吸着という結果を生じる）の２倍の成績であり、また、物理的に分離された表面構造、それが今度は最終的な吸着能力（あるいは見掛け上の能力）に影響を及ぼすことができるという結果を生むために、この化学的性質がいかにして上記１次材料と相互作用するかである。

減損部位様部位にあるＲｕ（ルテニウム）は、「底面」中の端部あるいは隅から離れて横たわっているＲｕ原子よりもさらに速い速度で水素を吸着する（そしてその後には解離する）。したがって、Ｒｕ上での水素吸着の観察された（あるいは「見掛け上の」）キネティックスは異なるＲｕ部位の異なるキネティックスの重ね合わせを実際に表わしている。この現象は反対の効果を有するように適用することもできる。すなわち、容易に／急速には水素を吸着することはない１つのシステムにＲｕのような元素を付加することは、さらに速い見掛け上の吸着キネティックスを生じるという結果になる。

第２の効果の説明（１つの材料の最終的な吸着能力の見掛け上の改変）はさらにもう少し複雑になっているが、基本的には、それは同じ考え方を延長したものである。キネティックスを改変することでは、１つのシステムの平衡状態を変えることはできないため、この考え方は熱力学を侵害するものであるように考えられる。しかし現実には、観察された効果は、重ね合わせ効果のデコンボリュウション（分解分離）が実際には原因となっているのである。すなわち、１つの材料の異なる相は異なる吸着化学量論組成を有しており（すなわち、表面金属原子（Ｍ）の１つのパッキング配置（この配置を配置１１１と呼ぶ）は、Ｍ（１１１）：Ａ＝１：１という比率で気体（Ａ）を吸着することが可能であり、一方、もう１つの配置（配置１１０と呼ぶ）（これは、ある一定の比率で同じ材料の中に存在している）では、Ｍ（１１０）：Ａ＝１：２とさらに多く吸着される。選択的に（１１１）部位を占有し、また、さらに多くのＡを，Ｎ（１１１）：Ａ＝１：２で吸着する第２の材料（Ｎ）を付加することにより、上記気体Ａのさらに多くの正味吸着を結果的に生じることになる。ＮもまたＭよりもＡをより速く吸着する場合、その場合は、第１の効果と第２の効果は互いに補い合う。

一般的には、上記収着剤は所望される成分の収着に合せて選択される。上記収着剤は、上記フローチャネル壁上に濃密な、あるいは多孔質の収着剤層として配置することができる。上記収着剤は、上記フローチャネル上に直接コーティングすることができる。上記収着剤は一種の多孔質収着剤でありうるものであり、好適には、１つのフローチャネルの中に挿入されたモノリス（一体型）である。上記収着剤はまた、１つの多孔質基板上に配置することも可能であり、好適には、熱伝導型フェルトあるいは熱伝導型連続多孔質フォームである。１つの多孔質収着剤は、好適には、モノリスの形態であるが、１つのフローチャネルの中に挿入することができるものである。セラミックなどの比較的薄い界面層は、接着力を向上させ、および／または収着表面積を増加させるために上記多孔質基板と収着剤との間に挿入することが可能である。代替的には、上記多孔質基板は、上記収着剤材料から完全に形成することができる。いくつかの実施態様では、１つの多孔質収着剤が、実質的には、全ての気体のフローが上記多孔質収着剤（典型的には収着剤を塗布された多孔質基板）を通るように、上記開放チャネルを充填するあるいは実質的に充填する。

熱交換器１０は、上記フローチャネルと熱的に接触している。好適には、上記熱交換器は上記チャネル（単数あるいは複数）が、約２ｍｍ未満の高さ（上述されている寸法）および／または幅ｄを有することを意味しているマイクロチャネル熱交換器である。上記熱交換器内の上記熱交換流体のフローは、上記フローチャネルを通る気体フローと比べて、クロスフロー（図示説明あり）、カウンターフローあるいはコフローでありうる。好適には、熱交換器は上記フローチャネルに直接隣接しており、また、さらに好適には、上記熱交換器は実質的に上記フローチャネルと重複している。１つの特に好適な実施態様では、熱交換器とフローチャネルは隣り合っており、また、実質的には、互いに広がっている、高さよりも実質的に幅と長さが大きい、薄い層である。好適には、同じ壁１２は、上記熱交換器とフローチャネルの両方の壁を含み、また、この実施態様では、上記壁は、上記熱交換器の高さを計算する際には含められているが、上記フローチャネルの高さを計算する際には含められていない。上記熱交換器はスチール、アルミニウムあるいはプラスチックなどの熱的に伝導性のある材料を通じて上記フローチャネルと接触する。上記熱交換器は、特に好適なものである水と熱伝達液体（ＴｈｅｒｍｉｎａｌＴＭなど）、気体と水蒸気はさほど好適なものではないが、それらとともにいずれかの適当な熱交換流体を利用することができる。１つの特に好適な実施態様では、収着および／または脱離のための条件が、熱輸送流体の相変化と一致させるために選択され、例えば、熱伝達の非常に高速度のものが、ストリームを濃縮するおよび／または蒸発させることにより得ることができる。

一般的に、最小熱質量を有する１つのシステムを形成することは非常に望ましいことである。好適には、サーマルスイング収着は、比較的薄い壁が上記システムを収容するのに使用することができるように、低い圧力で（好適には、約１〜１０００ｐｓｉｇ、さらに好適には、１〜３００ｐｓｉｇ）で実施される。低圧力運転はさらに、１つの特別な圧力範囲に対して最適化されている比較的狭い温度範囲を有するステージにおける収着と脱離を操作することにより補いまた助けることができる。好適な実施態様では、構造的な支持体が少しだけ、比較的低い圧力で運転することになる領域に設けられる。

図２は、そのそれぞれが熱交換器（複数）の間に挟まれている複数のフローチャネルの間に１つの供給ストリームが分配されている本発明の１つの実施態様を概略的に図示説明している。弁（黒丸で図示されている）は熱交換流体だけではなく気体のフローも制御している。

図３ａは、１つの収着剤（斜交線の陰影を付けてある）が１つの開放チャネルの両側に配置されているケースを図示説明している。上記供給ストリーム中の１つの成分が、上記開放チャネルから、それが収着され、また、したがって上記供給ストリームから分離されることが可能である上記壁の中に拡散することができる。図３ａ中の点により図示されているように、上記装置の能力は、フローチャネルと熱交換器の反復層を束ねることにより、容易に増加させることができた。図３ｂは、図３ａの中で表現されていたものなどの装置により分離プロセスを図示説明している。弱く収着された分子（○）と強く収着された分子（●）を含む１つの気体混合物は上記フローチャネルの中に入る。陰影を付けた分子は、上記収着剤の中に、あるいはその上に実際に収着させた分子を表わしている軽く陰影を付けた円を伴う好適に収着された分子を示している。ポアは蛇行性の３次元構造内への迅速な分子拡散を可能にするのには十分大きいものである。その後、溶質は分子的に、あるいはクヌーセン拡散によるかのいずれかで、上記工学的に処理された収着剤基板上にコーティングされた活性収着剤内に見つかったさらに小さなポアの中に拡散することが可能である。上記さらに小さなポアの大きさは、上記大きなポアの大きさよりも小さいものである。好適には、上記ポアは、急速な収着のための数多くの部位を備えた広い表面積を可能なものとするマイクロ多孔質から中程度の多孔質範囲にある。収着は低温で起こり、また、温度は上記好適に収着された分子が上記チャネルから溶出する前に高温に切り換えられる。上記精製されたストリーム（○）はこのプロセスから生じる少なくとも２つの産物ストリームの一つである。上記プロセスは複数成分分離用に設計し、また、運転することができたが、そこでは、３次あるいはそれ以上の混合物は、ただ２分するだけではなく成分に分離される。しかしながら、複数のストリームを分離すること、あるいは精製することは、付加的なステージを必要とするようになる。好適には、上記マイクロチャネル寸法は約２ｍｍ以下である。上記高さと長さはいずれかの値のものである。工学的に処理された、例えば、多孔質、収着剤の厚さは好適には、１００ミクロンと５００ミクロンの間である。さらに好適には、上記工学的に処理された収着剤の厚さは１００と２５０ミクロンの間である。対流フローは上記工学的に処理された収着剤に隣接しているギャップを本来的には通っていく。上記溶質は最初上記工学的に処理された収着剤へのギャップを通して拡散し、そしてその後は、上記工学的に処理された収着剤を通じて拡散を続ける。上記工学的に処理された拡散の方向は、最初、対流フローの方向に対して直角方向である。

図４ａは、１つの多孔質収着剤（斜交線の陰影を付けてある）は上記フローチャネルを充填している構造を図示説明している。上記収着剤は多孔質であるため、フローは上記収着剤を通って起こるが、しかし、上記フローチャネルを通過する圧力低下は一般的には、開放チャネルの場合よりも高い。

図４ｂは、１つのマイクロチャネルをベースにした収着装置内の１つの多孔質収着剤のための１つの代替的な実施態様を図示説明している。本実施態様では、フローは最初上記収着剤を直接通っていく。本実施態様内での物質移動の拡散距離は、図１〜３に図示されている構造による上記フローよりも短いものとなる可能性がある。上記物質移動距離は本来的には、対流フローが起こる上記大きなポアの大きさにより、また、上記工学的に処理された収着剤基板の表面上に置かれた上記活性収着剤薬の上記コーティング厚さにより制限される。これらポアの大きさは典型的には、１０〜５００ミクロンの範囲にある。しかしながら、物質移動抵抗における減少は、圧力低下での増加により相殺されることになる。フローは開放性ポアの上記蛇行性ネットワークを通る力であるため、増加する摩擦の喪失が圧力低下を増大させることになる。低圧力の下降維持に敏感ではない適用の場合には、このアブローチは好ましいものとなる可能性がある。

本明細書に説明されている上記「多孔質材料」（「多孔質収着剤」を含めて）は、５〜９８％のポア容量を有する多孔質材料を言い、さらに好適には、合計の多孔質材料の容量の３０〜９５％を有する多孔質材料を言う。上記材料のポア容量の少なくとも２０％（さらに好適には少なくとも５０％）は０．１〜３００ミクロンの大きさ（直径）の範囲にあるポアを含み、さらに好適には、０．３〜２００ミクロン、そしてその上さらに好適には、１〜１００ミクロンの大きさ（直径）の範囲にあるポアを含む。ポア容量とポアの大きさの分布は水銀ポリシメトリーと窒素吸着とにより測定される（上記ポアが円筒形幾何学形状であると仮定）。知られているように、水銀ポリシメトリーと窒素吸着は補完的な技術であって、水銀ポリシメトリーのほうは大きなポアサイズ（３０ｎｍよりも大きなもの）を測定するにはより正確であり、また，窒素吸着のほうは小さなポア（５０ｎｍ未満）に関してはより正確である。約０．１〜３００ミクロンの範囲にあるポアサイズは、たいていの気相収着条件下で上記材料を通って分子が分子的に拡散することを可能にする。好適な多孔質材料には、フォームおよびフェルトが含まれており、フェルトは繊維あるいはより糸の集合体である。さらに好適には、１つの多孔質材料は、１つのフローチャネル内に適合するように寸法取りされていて、上記フローチャネルの断面の選択された部分を占有する材料の単一片（モノリスとも呼ばれる）である。

図５ａは、装置８６０を示し、そこではフロー分布層８６２（典型的には無作為、定型、あるいは間隔を空けたポア、スロット、穴などを有するシート）がチャンバ８６６の長さに沿って供給原料８６４を分配することができる。上記チャンバ８６６は好適には、１つの収着剤材料８６８を含む（このように、低い圧力低下を可能にすることができる、上記チャンバの長さに沿った単一層として図示説明されているが、１つの収着剤８６８が本明細書に記載されている上記構造のいずれかを有することが可能であることを認識すべきである）。

図５ｂは、ある種のフローは上記多孔質材料の中にある上記大きなポアを通って対流的に移動することが可能であるが、バルクフローパス８２０が多孔質収着剤材料８２２の間に配置される１つの実施態様を図示説明している。上記大きなポアを通るフローは上記多孔質挿入のボア直径が大きくなると、増加し、また、上記開放領域の液圧直径よりも下の大きさに近づいていく。このチャンバは、収着剤のリングあるいは部分リングを備えた１本の管として形状化することができるが、さらに好適には、平面上での配置である。上記平面上での配置により、付加的なチャンバ、熱交換器などのその他の成分を備えたチャンバを経済的に束ねることが可能になる。バルクフローチャネルが近接していて直線的に通る構造により、低い圧力低下のみを伴う気相分離を実施する機会が作り出される。

図５ｃと５ｄは、波形挿入片８２６により収着のための広い表面積が設けられ、一方、近接しているフローパス８２８，８３２により、少しの圧力低下で収着を実行するのが可能になる収着チャンバの構造を図示する。上記挿入片８２６は１つの多孔質収着剤材料の表面コーティングを有するか、あるいは好適には、１つの多孔質収着剤材料を含むかのいずれかである。同様の構造が図９ｄで図示説明される。

図５ｅは、気体フローが部分的に上記収着剤を通って、またその周辺にあるように、１つの波形多孔質収着剤材料８２６が上記収着チャンバの中に配置される１つの実施態様を図示説明している。本構造は、上記多孔質収着剤との接触を確実なものとする。しかしながら、本構造は、１つの開放チャネルによるものよりも有意に大きな圧力低下という短所を有しているが、上記収着剤表面との上記気体のさらに密接な接触を保てるという長所を有する。

図５ｆと５ｇは、収着剤繊維８３６，８３８を用いている。これら繊維は、例えば、多孔質セラミック、金属あるいは複合材料繊維であるのがよい。圧力低下を起こすことがより少ないので、平行繊維８３６が好ましいものとなる。上記繊維８３８は、上記チャンバを通る蛇行性フローを作り出す。いずれの場合でも、圧力低下を起こすことが少なく、より良好な熱伝導性を有することができ、また、さらに均一で、制御された表面を設けることができるため、収着繊維のほうが粉末よりも好ましい。上記チャンバ壁８４０，８４２は、セラミック、プラスチック、金属（良好な熱伝導性に関して）あるいは複合材料であってよい。

図５ｈと５ｉは、バッフル８４６，８４８を備えたチャンバを図示説明している。バッフル８４６はある種の多孔質収着剤材料から構成されるプレートあるいはロッド、あるいはある種の収着剤材料で塗布されているプレートあるいはロッドを含む。バッフル８４８は、ある種の多孔質収着剤材料から構成されるプレートあるいはロッドを含む。フローは、平行８４９かあるいは非平行８４７かのいずれかであることが可能であり、あるいは異なる溶質は、異なる方向に流れることができる（例えば、直交溶質フロー）。いずれの場合でも、上記チャンバを通る近接しているバルクフローがある。これらバッフルは乱流を作り出すことができ、また、上記収着剤との気体溶質の接触を向上させることができる。好適には熱伝導性金属を含む上記バッフルは、上記壁に、（あるいは上記壁から）良好な熱伝達を提供する。上記チャンバ壁８５４は、壁８４２に関して上で説明されている同じ材料のものであってよい。

図５ｊは、近接しているバルクフローチャネル８５２がその中にあるある種の多孔質収着剤材料８５０を図示説明している。マトリックス８５０は上記チャンバ壁でありうるし、あるいはアーティクル８５５全体が１つの開口部の中に適合している挿入片でありうる。好適には、上記マトリックス材料には、１〜１０，０００バルクフローチャネル８５２が含まれ、さらに好適には、１０〜１０００バルクフローチャネル８５２が含まれる。１つの好適な実施態様では、これらチャネルは蛇行性のものである。さらにもう１つの実施態様では、上記チャネル８５２は収着剤材料およびバルクフローで充填され、また、溶質は最初上記マトリックスを通る。

図６ａは、管／チャンバ９０４を備えている１つの収着装置９０２を図示説明しているが、そのそれぞれは本明細書に記載されている上記構造のいずれにおいてもある種の多孔質収着剤（図示せず）を含めることが可能である。上記気体混合物は上記管を通って流れる。これら管の外側にあるのは、バルクフロー容量９０６である。１つの好適な実施態様では、１つの熱交換流体が上記バルクフロー容量の中を通って流れる。すなわち、上記熱交換流体のフローは、気体の溶質および産物の上記フローに対するクロスフローであり、並流フローあるいはカウンターフローでありうる。

図６ｂは、１つの多孔質収着剤材料９０８が、上記チャンバ壁９１０に対して直接接触することなく上記チャンバ内に配置される構造を図示説明している。本実施態様は、より高い熱伝達抵抗を克服するためにより長いサイクル時間を必要とする場合がある。もう１つの実施態様（図示せず）では、上記材料９０８は（分子拡散が起こる）大きなポア構造のコアと、外側上にある小さなポア構造（それを通してクヌーセン拡散が起こる）を含む。収着剤は、上記小さなポア構造にコーティングする、あるいは上記大きなポア構造、あるいは両方にコーティングすることが可能である。

図６ｃの上面は、バルクフローパス９１２および多孔質収着剤材料９１４，９１６を有するチャンバ９１１を図示説明している。多孔質プラグ９１６はバルクフローパス９１２を通過した後に収着されずにそのまま残っているいずれかの気体種に対する接触をもたらすのに役立つ。本実施例およびその他の図におけるフローレジームは典型的には、２０００未満のＲｅｙｎｏｌｄｓ番号という伝統的な定義をベースにした層流である。上記フローレジームが上記マイクロチャネルの中にある遷移性のものかあるいは乱流性のものであってもよいが、これは一般的ではない。層流フローに関しては、上記チャネルの中央線に沿って移動する気体種になる。全ての分子が上記多孔質収着剤に拡散する機会を有する可能性があるわけではない。収着する上記壁に対して拡散しないそうした分子に関しては、それを「スリップ」と言う。したがって、平衡状態よりも低い数パーセンテージポイントとなる全体の収着が達成可能であることが示唆されるであろう。上記チャネルの長さの一部分の全体断面を通る上記多孔質収着剤材料を使用することは、スリップを軽減するのに役立ち、また、全体のより高い収着能力を可能にするのに役立つ。

図６ｃの底面は、マルチ収着チャンバ９２２と混合チャンバ９２４から構成される１つの収着装置を図示説明している。上記混合チャンバは少なくとも２つのチャンバ９２２から出てくる気体を混ぜ合わせる。上記混合チャンバは、複数のチャンバの間の濃度をおそらく層流フローストリームラインとなるものを混合することにより均等にするのを手助けし、また、流体の中央線スリップを減少させることにより少なくとも２つのチャンバが１つのチャンバに接合される場合よりもさらに高い全体の収着率を確実なものとする手助けをする。

図６ｄは、少なくとも２つの収着チャンバ９３０，９３２からの上記バルクフローが多孔質材料９３４の中に流れて入るセパレータを図示説明している。運転の１つの代替的なモードでは、フローはフローパス９３０を通って流れ、多孔質材料９３４を通り、そしてフローパス９３２を通って出る。本実施態様はまた、流体の起こる可能性があるスリップを減少させ、また、平衡状態で予測されるものに近い全体の収着をもたらすのに役立つ。

図６ｅはフォーク型構造を示し、そこでは気体混合物は、約２ｍｍ以下の寸法を有する第１コンパートメント９３６に入り、また、対流的に多孔質収着材料９３８を通過していき、またその後に多孔質材料９４０を対流式に通って移動する。コンパートメント９３６の中を移動しながら、上記供給原料は、上記多孔質収着剤に拡散してもよい。上記多孔質材料９４０に中に存在している気体は第２コンパートメント９４２の中に流れる。上記コンパートメント９３６と９４２は、偏向される、あるいは偏向されない場合がある。多孔質分割器９３８を偏向させることにより、隣接する第１コンパートメントの中にある上記気体フローは、成分のスリップを減少させるためにさらに混合される。

図６ｆは、上記第１フローパスの中のある種の多孔質収着剤の１つの側に沿って上記供給原料が流れ、少なくとも１つの曲がりを作り、またその後には、少なくとも１つの第２フローパスを形成するように、反対側のフロー方向に上記多孔質収着剤のもう１つの側に沿って移動して戻るフロー構造を図示説明している。１つの代替的な構造では、第２の収着剤は第２のフローパス用に使用するのがよい。もう１つの構造では、１つの壁が上記第１と第２のフローパスの中で使用される上記多孔質収着剤を分離するのがよい。

もう１つの好適な実施態様は、図７に図示説明されている。本実施態様では、１つの流体混合物供給ストリーム７０２、例えば、水素含有供給ストリームは開放チャネル７０４の中に入って通過していく。１つのサイクルの冷却相時には、１つの成分、例えば、水素は選択的に収着剤７０６に収着される。脱離するためには、上記供給ストリームは中断され、また、熱は電気的に抵抗性のある加熱要素７０８から加えられる。制約された容量の装置における電気的な加熱により急速に温度を上昇させることができ（秒当たり１００℃以上、これについては、例えば、本明細書に参考文献として組み込まれている米国特許第６，１７４，０４９号および米国特許第４，８４９，７７４号を参照）、したがって、非常に短い脱離相を可能なものにする。上記電気抵抗器７０８からの熱はその後にマイクロチャネル冷却器７１０を通って移動していく。この構造では、上記熱交換器は冷却液流体７１２と電気抵抗加熱との組み合わせにより形成される（任意の向流フローの中に図示されている）。１つの代替的な実施態様では、上記収着剤が、ヒートシンク（上記構造には、例えば、熱伝導性材料の比較的質量の大きなブロックを含めることが可能となっている）と熱接触している電気的に遮断する材料の上に１枚の薄いフィルムの形態になっている。脱離に関しては、上記加熱は非常に迅速であるので、上記熱の無視できる部分は、上記絶縁材料を通って伝えられていき、また、上記ヒートシンクの中に入っていく。上記電流を停止するに当たっては、上記収着剤は上記ヒートシンクの温度にまで急速に冷却され、また、１つの収着サイクルを開始することができる。

水素分離の場合、Ｐｄ（パラジウム）上にある水素の上記収着熱は８００ｃｃに対して約３７，０００Ｊ／モル、あるいは１２４７Ｊである。Ｐｄ（パラジウム）１ｃｃ、１１．９８グラムは、水素８００ｃｃ（２８９Ｋ）を吸着することができる。Ｐｄ（パラジウム）の熱容量は０．２４３Ｊ／ｇｍＫである。２０Ｋという温度変化を仮定すると、上記Ｐｄ（パラジウム）により吸着される上記熱は５８Ｊ／ｃｃとなる。水素８００ｃｃに対して要求される合計の熱は１３０６Ｊになる。Ｐｄ（パラジウム）の上記電気抵抗性は１３．８Ｏｈｍ ｃｍ（３７１Ｋ）である。上記Ｐｄ（パラジウム）フィルムは３μｍの厚さであり、１ｃｍの幅である場合は、Ｐｄ（パラジウム）の１ｃｃに対して、ストリップは３３３３ｃｍの長さとなる。ｎ ｃｍの長さである場合は、断面は０．０００３*ｎ ｃｍ²であり、また、その長さは３３３３／ｎ ｃｍになる。上記フィルムの抵抗はその後に１．５３*１０^８／ｎ^２である。上記Ｐｄ（パラジウム）を加熱するのに、また水素を脱離するのに必要とされるエネルギーは８００ｃｃ当たり１３０６ワット秒、あるいはリットル当たり１６３２ワット秒である。ｎが１０００である場合は、０．３秒の加熱を行うのに必要とされる電流は５．３アンペアであり、電位は８１６ボルトである。ｎが２０００である場合、０．０１秒の加熱を行うのに必要とされる電流は５８．４アンペアであり、また、そのポテンシャルは２２４ボルトである。

１つの好適な実施態様では、迅速かつ効率的な熱交換は、熱交換層の間に１つのフローチャネル層を挟むことにより達成される。さらに好適には、上記分離装置は、熱交換器とフローチャネルの複数の交互に重なる層で作り上げられる。上記熱交換器とフローチャネルは、より大きなシステムの中に多岐管化して入れることができる。１つのこうしたシステムは図８に概略的に図示説明される。上記概略的に図示説明されている装置の運転では、１つの流体混合物は、第１ヘッダーの中に通過して入っていき、また、介在する熱交換器（図示せず）とともに複数のフローチャネルの中に分配される。１つの成分は、上記フローチャネル中の上記収着剤、例えば、上記Ｐｄ（パラジウム）表面の中に、あるいは上記収着剤を通して選択的には収着される。成分減損流体が１つのヘッダーの中に集められ、また、さらなる成分が収着される第２ユニット（ステージＩＩ）の中に通され、また、その上さらに残留成分をステージＩＩＩにおいて上記フローチャネルの中に移動することができる。最後に、少なくとも１つの成分で減損している産物流体は出口８２を通じて放出されるか、あるいは集められる。いくつかの実施態様では、１つの入口弁が閉じられ、また、温度を上昇させる。より高い温度では、上記成分は脱離され、また集められる。所望される場合は、掃引流体、例えば、掃引ガスを使用することができる。

上記収着剤の能力は、１つのフローチャネルの開始部に供給原料を導入しながら、収着流体、例えば、ガスを駆逐するために１つのフローチャネルの長さにわたって加熱することによりさらに増強することができる。この技術においては、加熱は、非収着供給ストリームが上記フローチャネル出口に達する前に、上記脱離種が出て行くようにその時間が調節される。

水素などの可燃性成分に関しては、上記システムは、脱離が起こっている上記装置の別の領域（あるいはステージ）では、上記供給ストリームとともに出て行く非収着成分を燃焼することにより、さらに効率的に作り上げることができる。適当な導管および弁は、１つの収着層と熱接触している加熱器層に対して上記非収着成分ストリームを方向付けるのに使用することができる。

非常に数多くの付加的なステップを本発明の諸方法に付け加えることができる。例えば、上記供給流体は、上記収着剤表面を害することができる上記供給混合物から構成成分を取り除くために事前に処理することができる。１つの選択肢は１つ事前処理ゾーンあるいは床の中のゼオライトなどの分子篩収着剤を使用することである。脱離は、加熱掃引流体、例えば、加熱掃引ガスを使用することによりさらに迅速に行うことができる。いずれかのステージで得られた流体は、再循環させて、より早い時期のステージに戻すことができる。

上記フローチャネルおよび熱交換器は独立したユニットでありえ、あるいは水蒸気リフォーマー、水−ガスシフト反応炉、その他などの反応炉の出口に接続することができ、また、分離された水素はその後に、燃料電池などの別の装置の中に通すことができ、したがって、電力システムを形成することができる。本明細書に記載されている水素収着装置を組み込んでいるシステムには、以下のものを含めることができる。すなわち、大きな水素プラント（１日当たりの１００+数百万基準立方フィートまで：ＭＭＳＣＦＤ）から、モジュラー水素発電ユニット（〜１ＭＭＳＣＦＤ）、分配発電機用の燃料プロセッサー、自動車用燃料電池のための燃料プロセッサー、携帯装置の中にあるバッテリーに代わる燃料電池のための非常に小さい燃料プロセッサーまでが含められる。

上記流体分離装置は、例えば、薄い金属あるいは複合材料プレート、例えば、Ｐｄ（パラジウム）複合材料プレートを上記熱交換器表面に接合することにより形成することが可能であり、あるいは１つの収着剤、例えば、Ｐｄ（パラジウム）を、上記熱交換器の壁に対する材料として使用することにより、形成することが可能である。これらプレートはきわめて薄いものとすることができ、例えば、１μｍ以下とすることができる。熱交換器用のチャネルプレートは、放電加工（ＥＤＭ）、ミリング、エッチング、蒸着金属あるいは合金、また、無電解めっきＰｄ（パラジウム）金属、リン化物および合金などの技術により作り上げることができる。フローチャネルは、中央プレートが１つのチャネルあるいはそれにより切断されたチャネルを有し、また、上面および底面プレートは、収着剤をコーティングした内部表面、例えば、水蒸気コーティングＰｄ（パラジウム）内部表面を有する３枚のプレートを接合することにより製造することができる。フローチャネルは代替的には、上記構造全体に均一な蒸着をもたらす技術、無電解めっきを施すのがよい。１つの多孔質挿入片は、上記フローチャネルの中に挿入することができている。上記熱交換器プレートを含む上記プレートは、上記Ｐｄ（パラジウム）材料を収着剤として蒸着させながら、束ねて、また、拡散結合し、あるいは上記Ｐｄ（パラジウム）含有プレートで密封することができる。

上記収着装置は、プラスチックなどの非金属材料から構築することができる。約４００℃より下の温度に関しては、たいていの収着システムのための運転温度に耐えることができるさまざまなプラスチックがある。たいていの溶質用の収着剤の能力は、低温で達成されるもっとも高い能力を備えていて、温度に反比例するため、たいていの収着システムは比較的低い温度で運転する。１つの好適なプラスチック材料は、電気的に加熱することができるポリイミドである。すなわち、したがって、電気ヒーターは、上記熱交換流体の代わりに、あるいは上記交換流体に加えて、使用することが可能である。また、収着剤あるいは上記収着剤を含有する上記基板材料を電気的に加熱することができ、またしたがって、上記装置を構築するのに使用される上記バルク材料を加熱することを回避することが可能となっている。

薄い収着剤層の使用は、高度に信頼できる薄いコーティングを生み出す表面仕上げプロセスが高価なミリング技術だけということではなく使用することができるので、本発明の装置の製造には１つの利得である。こうした表面仕上げの諸方法は無電解めっき法、電解質めっき法、スパッタリングコーティング法、化学的蒸着法、電解研磨法、電鋳法、その他である。こうした技術はまた、純金属、合金、および／またはこれらの複数層の堆積を容易に可能なものにする。それらは、一日に何千平方フィートも生成することができる、ロール焼付けプロセスにおいてさえもバッチあるいは高度に経済的な連続モードで運転することができる。これらのコーティング平坦シートはその後に切断され、上記装置の製造を仕上げるためにフロー分散剤と伝熱流体担体層とにより層化される。最終的な密封は、いずれも関わっている上記材料と寸法に対してもっとも実際的なものである接着剤、溶接、拡散接合法、ロウ付け、その他を使用して行うことができる。

入力流体混合物には、Ｈ₂，ＣＯ，ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏ，Ｃ₁〜Ｃ₁₀アルカン類、特に、ＣＨ₄，Ｃ_２Ｈ_６，Ｃ_３Ｈ_８，Ｃ_４4Ｈ₁₀，ナフタおよび他の軽石油をベースにした供給成分、Ｎ₂，Ｏ₂，Ａｒ（アルゴン），アンモニア、低級アルコール、特にメタノール、エタノール、プロパノール、亜硫酸ガス、そしてＳＯ₂，ＳＯ₃，Ｈ₂Ｓ，ＣＳ₂，ＣＯＳなどの非常に数多くの気体が含まれうる。上記流体混合物にはまた、溶液中のアルカン類、アルケン類、アルコール類、エーテル類、酸類、水、そしてその他の有機あるいは無機成分を含む液体の混合物が含まれうる。

上記流体混合物供給原料は、上記の源のＴとＰ特性を有することになり、また、精製された産物のための望ましいＴとＰを有することになる。さまざまな供給原料と標的Ｐ−Ｔプロフィールを収容するように上記収着剤組成が選択されるので、ガスを特定のＴおよび／またはＰに事前調整する必要がないのは、本発明の１つの長所である。特殊な収着剤とＰ−Ｔ範囲に関しては、上記流体混合物、例えば、水素含有ガスは１ｘ１０^−４ｍｂａｒ〜２０ｂａｒ、そしてより好ましく１ｘ１０^−３ｍｂａｒ〜３ｂａｒはという好適な部分圧（絶対値）範囲にあって上記フローチャネルの中に流れ込むことが可能である。上記圧力は、上記装置は破裂しないように十分に低く維持されるべきである。いくつかの実施態様では、上記フローチャネルには、層流フローを最小にするように、内部バッフルが含まれ、あるいは上記気体は十分に狭くなっているので、上記選択された成分の収着を可能にするのに十分に頻繁に上記収着剤と衝突し、少なくとも上記選択成分、例えば、水素含量の実質的な部分を可能にする。上記装置を通るフロー速度は上記装置の大きさにより、また、望ましい効率や背圧などのその他の因子による。運転の好適なモードにおいては、圧力の変化が典型的にはサーマルサイクリングの結果として起こるが、ポンピング（排気あるいは圧縮用のいずれも）は使用されない。

上記分離プロセスは好適には、少なくとも１つの後者のステージが早期ステージよりも低い収着温度で運転される複数ステージで運転される。さらに好適には、上記プロセスには、少なくとも３つの連続的な収着ステージが含まれ、そのそれぞれが連続的に低い温度範囲で実施される。上記選択成分の部分圧は減少するので、低い温度が上記成分をさらに効果的に収着するのに使用される。この技術により、上記温度範囲が全てのステージで同じであった場合は、それよりも狭い平均温度スイングで運転しながら、さらに大量の全体の成分分離がもたらされる。

１つの装置において、１つのステージは、１つの流体溶液から１つの成分を収着させるか、あるいは脱離させるかのいずれかを行うマイクロチャネルの平行アレイなどの１つの装置、あるいは１つの装置の一部分である。単一の装置はマルチステージ工程を有することができる。１つのプロセスにおいては、１つのステージは、分離が起こる１つの収着あるいは脱離運転であり、好適には、平衡状態が実質的に達成される（少なくとも約８５％）１つの収着あるいは脱離運転である。

（３ステージ収着装置の説明）
３ステージ収着装置の前提は、温度が上記収着サイクル時にもっとも低く、また、上記脱離サイクル時にもっとも温度が高いという点で２ステージ収着装置に類似している。上記供給原料は、１つの連続的あるいは半連続的なやり方で左から右に循環され（図９ａ〜９ｃに図示）、あるいは右から左に（図示せず）交互に循環される。

２ステージと３ステージ収着装置の間にある主要な差異は、上記脱離と収着ステージの間にある付加的なステージの付加である。典型的には、そこにはまた、回収収率、産物純度、および／またはエネルギー利用における増加がある。付加的なチャネルは、１つの溶質を強力に保持し、あるいはさらにゆっくりと温度を変化させる部位を含む高度な表面不均質性を上記収着剤は有する場合には脱離に対する付加的な時間を設けることを含めて、１つあるいは複数の目的に役立つことになる。第３ステージの付加はまた、供給スイッチの前に上記収着チャネルを事前に冷却するのに使用される可能性がある。上記収着サイクルの全ての時間の間、温度がＴ_ｃに等しいため、これにより、特定のステージの能力を事実上増加させることになる。

高い温度および低い温度は可燃性ガスあるいは水蒸気を含む加熱された、あるいは冷却された伝熱流体、水あるいはガスにより制御することができる。電気（ジュール熱）によってもまた制御することができる加熱は好適には、−５０〜１０００℃の範囲にあり、さらに好適には、８〜１６０℃の範囲である。たいていの例では、上記フローチャネルの温度は上記熱交換器を通って流れる上記熱交換流体の温度により制御される。温度は連続的に変化していくことができるが、しかしながら、温度は好適には、最小遷移時間で高い温度から低い温度にジャンプして、あるいは低い温度から高い温度にジャンプして、一般的には１０秒当たり１回よりも速く、好適には、秒当たり１〜１０回、また、もっとも好適には秒当たり１００〜１０００回遷移する。その良好な熱伝導性、低熱キャパシティ、短い熱輸送距離を備えた本発明の装置の上記構築は、上記フローチャネルにおける急速な温度変化を可能なものにする。急速な温度変化のこの能力は、上記収着剤、例えば、Ｐｄ（パラジウム）あるいはＰｄ（パラジウム）合金、水素収着表面が上記フローチャネルの上記壁上に配置されるところではさらに向上される。上記Ｐｄ（パラジウム）表面の温度変化（例えば、熱電対により測定されるように）が、２００〜２０００℃／秒の１つの好適な範囲を有して、少なくとも２０℃／秒の速度で実施される。

本発明のプロセスは好適には、０．１〜１０００Ｈｚ、さらに好適には、１００〜１０００Ｈｚという収着／脱離サイクル時間にわたり実施される。さらに好適には、それぞれのサイクルの収着（低Ｔ）部分が好適には０．１〜１０秒間、さらに好適には、０．００１〜２秒間生じる。一方、それぞれのサイクルの脱離部分は好適には、０．１〜１秒間生じ、さらに好適には０．００１〜０．０１秒間生じる。

回収された成分の純度（１つの実施例として水素を使用して）は、いくつかのやり方で改善することが可能である。合計空隙容量は好適には、ＴＳＳ収着／脱離装置の設計において最小化される。したがって、流体通路は好適には短くまた小さい。この特徴はまた、ガス拡散と輸送距離が短いため、収着のための時間を減少させる手助けともなる。上記Ｐｄ（パラジウム）の実施例に関しては、ＳＴＰにおけるＨ₂ガスの８００容量を超える量がＰｄ（パラジウム）の容量当たり収着可能である。したがって、上記収着容量は１０μｍの厚さであり、また、上記ガスコンパートメントが１００μｍの厚さであり、その後は汚染物を有する元の供給ガスのおよそ１／１０はまだ上記ガスコンパートメント内に残留する。Ｐｄ（パラジウム）に対する高いＨ₂収着係数のためそれを完全に負荷するためには上記収着剤に対して供給ガスの容量の数百倍を流すことが必要であることは留意するべきことである。したがって、この好適なケースでは、上記残留ガス汚染物がまだ負荷の後も上記チャネルに存在する場合であって、この残留供給ガスが、上記脱離サイクル時に上記供給ガスコンパートメントの中に残ることが可能になる場合であっても、上記汚染物の約９０％が取り除かれる。

上記残留供給ガスの中にある上記汚染物を操作する第２手段は、上記精製された産物ストリームから再循環して戻された上記精製されたＨ₂の小さな量を上記ガス空間にバックフラッシュすることになり、おそらく、上記産物ガスの０．１〜１０％が再循環される。バックフラッシュがさらに大量になると、上記水素ガス産物はさらにそれだけ純度を増す。マルチステージＴＳＳ装置では、産物ガス純度とエネルギー保存を改善するために、中間部分精製ストリームを上記フラッシュガス用に使用することもまた可能となっている。

供給ガスと精製された産物ガスとの間での交差汚染を最小にする第３の手段は、脱離の前の非常に短い（＜２秒、好適には、０．１秒未満）時間に上記ガスコンパートメントを少なくとも部分的に排気することになる。減圧曝露時間は排気時にＨ₂の低い部分圧のため、未熟Ｈ₂脱離が原因となってＨ₂の喪失を最小にするように非常に短く維持される。また、完全な排気は必要なく、排気レベルは正比例して所望される残留不純物レベルに達する。

本発明の諸方法と装置はその特性により特徴付けることができる。例えば、水素分離の場合は、本発明の上記諸方法と装置は、以下の特性の１つあるいはそれ以上により特徴付けることができる。好適には、単一の収着ステップにおいては、水素は、収着剤の立方センチメートル（ｃｃ）当たり０．００１〜約０．０５モルＨ₂という速度で収着され、さらに好適には、少なくとも０．０１、また、その上さらに好適には収着剤の少なくとも０．０３モルＨ₂である。この収着ステップは好適には１０秒未満に起こり、また、さらに好適には、１秒未満であり、また、その上さらに好適には、０．１秒未満である。

好適には、単一の脱離ステップでは、水素は、収着剤の立方センチメートル（ｃｃ）当たり０．００１〜約０．０５モルＨ_２という速度で脱離され、さらに好適には、少なくとも０．０１、また、その上にさらに好適には、収着剤の立方センチメートル（ｃｃ）当たり少なくとも０．０３モルＨ₂という速度で脱離される。この脱離ステップは好適には、１０秒未満で起こり、さらに好適には１秒未満で、また、その上さらに好適には、０．１秒未満で起こる。

全体として見直した場合、本発明のもっとも重要な特性は、分離能力と生産性である。好適には、本発明のプロセスと装置から得られるガスは、純度で少なくとも２倍であり、さらに好適には少なくとも１０倍（汚染物の初期質量の１／１０、例えば、９０％の純度〜９９％の純度）であり、その上さらに好適には少なくとも１００倍であり、初期水素含有混合物よりもさらに純度が高くなる。また、好適には、本発明は、１日当たりの収着剤の立方センチメートル（ｃｃ）当たり１００〜約３０００基準立方フィート（ｓｃｆ）Ｈ₂、さらに公的には少なくとも１０００、また、その上さらに好適には、少なくとも１日当たり収着剤の立方センチメートル（ｃｃ）当たり２０００ｓｃｆ Ｈ₂という速度で水素を生産する。この速度はバッチ、半連続あるいは連続形態で生じさせることができ、また、１日のいずれかの部分に対して、また、複数日数に対してはさらに好適に生じさせることができる。

試験装置は、Ｐｄ（パラジウム）金属、Ｐｄ（パラジウム）−Ｐ合金、あるいはＰｄ（パラジウム）−Ｎｉ（ニッケル）合金かのいずれかのＰｄ（パラジウム）コーティングで覆われたその外部表面を有した０．５インチステンレスあるいは低炭素スチール管を使用して構築された。上記Ｐｄ（パラジウム）で覆われた管の８インチは、ガス入口と圧力計を有する２インチ直径管の中に外被されて入れられた。冷水（８〜１５℃）と１０９〜１５３℃水蒸気が、１つのサイクルのコールド部分とホット部分用の管をそれぞれ通された。

パラジウム、すなわち、パラジウム−リン合金は以下のように無電解めっきされた。すなわち、２．０ｇ Ｐｄ（パラジウム）Ｃｌ_２，３．８ｇ酒石酸カリウムナトリウム四水化物、５．１２ｇエチレンジアミン、２００ｍｌの水の中に入っている０．８２ｇ次亜リン酸ナトリウムを混合して、１つのパラジウム溶液を作成し、また、ＨＣｌを添加することによりｐＨを８．５に調節した。ステンレススチールバーは、硫酸で処理され、水で洗浄され、また、いかなる油を取り除くためにトルエンで拭き取られた。上記ステンレススチールバーはその後に、２．４ｇ硫酸スズと２５０ｍｌの水の中に入っている１０ｍｌ濃縮ＨＣｌを溶解させることにより作成された増感剤と３分間反応させた。増感されたスチールバーはその後、０．０１２５ｇ Ｐｄ（パラジウム）Ｃｌ_２と２５０ｍｌ水の中に入っている１０ｍｌ濃縮ＨＣｌを溶解させることにより作成された種溶液に１分間移送された。上記スチールバーは取り除かれ、水で洗浄され、そして、上記パラジウム溶液の中に浸漬させることにより、すぐにめっきされた。所望される厚さに蒸着した後、上記バーは取り除かれ、イソプロピルアルコールで洗浄され、また乾燥された。脱イオン化された水が全ての配合物の中で使用された。

パラジウムは以下のように電解質めっきされた。電解質パラジウム溶液は、２．５ｇ亜硝酸ジアミンパラジウム（ＩＩ）を、２５０ｍｌの水の中に入っている２７．５ｇスルファミン酸アンモニウムと混合することにより作成され、また、アンモニアを添加することによりｐＨを７．５〜８．５に調節した。ステンレススチールバーは水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、ラウリル硫酸ナトリウムの溶液の中に浸漬することにより洗浄された。上記スチールバーはこの溶液から取り除き、また、油を取り除くためにトルエンで拭き取った。電線は上記バーに取り付けられ、一方、上記バーは水酸化ナトリウム洗浄溶液の中にあって、電流は５０Ａ／ｆｔ^２の電流密度で２分間印加された。上記バーは取り除かれ、またすぐに上記電解質パラジウム溶液の中に置かれ、カソード（陰極）として上記スチールバーにより５Ａ／ｆｔ²が印加された。低炭素スチールは相似プロセスにより電気めっきされた。

Ｐｄ（パラジウム）−ニッケルサーメットでコーティングしている１本の管が製造業者の指示により作成された。

それぞれの管に対して、複数のサイクルが実施された。残留酸素が仮性の結果（水に成長した）を導くが、これら運転は被覆物を適応させることが必要であったため、初期運転の結果は破棄された。データの実施例は図１０ａと１０ｂに図示されている。数回の運転の結果は平均化され、また、その結果は下の表に示す。窒素ガスとベアステンレススチールがそれぞれ対照と空試験で使用された。

対照と空試験を用いて、吸着／脱離速度はその後、全てのガスが温度の変化のために起こす膨張／収縮の効果に対して訂正される。さらに、その空（ベアステンレススチールバー）方法での脱離／吸着速度がパラジウムの効果を完全に調べるために差し引かれる。

再び、上記無電解パラジウムシステムを１つの実施例として使用する（表１のデータ）

パラジウム上の窒素についての平均脱離速度はステンレススチール上の窒素についての脱離速度よりも遅いことに留意。差（０．０１ｐｓｉｇ／秒）は値の不確定性内にあって、数字は実質的に等しいものと仮定される。

不確定を伝搬するためには、一般的な誤差伝搬等式が使用される。

われわれの等式は実質的にＸ＝［Ａ−Ｂ］−［Ｃ−Ｄ］であるので、その場合は、すなわち、

そのため、上記無電解パラジウム系についての訂正された水素脱離速度は、０．１８６±０．０６４ｐｓｉｇ／秒であると報告される。これは圧力における変化であるので、その場合は、ｐｓｉｇ／秒＝ｐｓｉａ／秒である。
次のステップはｐｓｉａ／秒から脱離時に放出される水素ガスのモル数に変換することなる。この変換は、理想気体の法則、ｐＶ＝ｎＲＴを用いて達成される。この場合、（Δｐ／ｄｔ）Ｖ＝（Δｎ／ｄｔ）ＲＴ，ここでは（Δｐ／ｄｔ）はｐｓｉａ／秒の脱離速度（上で計算されている）、Ｖは反応炉の容量（０．６２０±０．００１Ｌ），（Δｎ／ｄｔ）は水素／秒のモル数の脱離速度である。Ｒは理想気体の定数（１．２０６０４９Ｌ*ｐｓｉａ／モル*Ｋ），Ｔは脱離温度（１５０℃≒４２３Ｋ）である。そこで、

誤差は、一般的な誤差伝搬等式を使用して再び伝搬され、また、この値は（２．２６±０．７８）ｘ１０^−４モルＨ₂／秒として報告される。上記無電解パラジウム系に関しては、上記バー上にめっきされたパラジウムの質量は、電子平衡により０．０６６１±０．０００１ｇであると測定された。パラジウムが１２．０２ｇ／ｃｍ^３の公知の密度を有するため、めっきされたパラジウムの容量が以下の式を用いて計算される。すなわち、

以前と同様、誤差は伝搬され、また、めっきされたパラジウムの容量は（５．５０±０．０１）ｘ１０^−３ｃｍ³として報告される。
パラジウムの立方センチメートル当たり秒当たり生産された水素ガスの量βはここでは計算することができる。すなわち、

誤差伝搬の後、βが（４．１１±１．４１）ｘ１０^−２モルＨ_２／秒*ｃｍ^３Ｐｄ（パラジウム）であると報告される。

図１０ａから、近似脱離時間は≒０．６秒である。この値は記録され、またその後にサイクル５と６についての脱離時間に沿って、平均脱離時間が計算される。上記無電解パラジウム系に関しては、平均脱離時間は０．６±０．１秒である。ここでは、パラジウムの立方センタメートル当たりサイクル当たり脱離で放出された水素のモル数εを計算することが可能となる。

誤差伝搬の後、ε＝（２．４７±０．９４）ｘ１０^−２モルＨ_２／サイクル*ｃｍ³Ｐｄ（パラジウム）．
上記サイクル時間が分かると、１日当たりの脱離サイクルの理論数を計算することが可能となる。

ここにおいて、ｖ＝１４４０００±２４０００サイクル／日

最終的には、パラジウムの立方センチメートル当たり1日当たり放出された水素の標準立方フィートφを算出することができる。

誤差伝搬の後、この値は以下のものであることが記録される。

このように、１日当たり水素の１００万標準立方フィートを脱離するため、パラジウムの必要量は、Ｖ_{Ｐｄ（パラジウム），ＭＳＣＦ}は以下のようになる。すなわち、

（３．５６±１．４８）ｘ１０^２ｃｍ^３Ｐｄ（パラジウム）と記録される。この値をパラジウムの質量，ｍ_{Ｐｄ（パラジウム），ＭＳＣＦ}に変換する。

４．２８±１．７９ｋｇＰｄ（パラジウム）と記録される。これら計算は吸着と電解質パラジウム系について繰り返された。

以下の条件:
初期圧力＝−７．００＋／−０．０５ｐｓｉｇ
初期温度＝２９８＋／−３Ｋ
脱離に対するΔＴ＝＋１３９Ｋ（４２３Ｋ）（１５０℃）
吸着に対するΔＴ＝−１３９Ｋ（２８４Ｋ）（１１℃）

無電解めっきパラジウム（ステンレススチール上）:
脱離速度＝(2.81±1.17) x 10³ scfH₂/(day*cm³Pd)
m_Pd,MSCF=4.28±1.79kgPd

吸着速度＝(2.55±1.36) x 10³ scfH₂/(day*cm³Pd)
m_Pd,MSCF=4.71±2.51kgPd

単一サイクル脱離＝(2.47±0.94) x 10^-2 molH₂/(day*cm³Pd)

単一サイクル吸着＝(4.11±1.82) x 10^-2 molH₂/(day*cm³Pd)

無電解系の諸特性：
０．０６６１ｇＰｄ（パラジウム）＝５．５０ｘ１０^−３ｃｍ^３Ｐｄ（パラジウム）＝６．２１１ｘ１０^−４モルＰｄ（パラジウム）＝８１．７９ｃｍ²の面積にわたる０．６７２ミクロン厚さ。脱離サイクル時間＝０．６±０．１秒。吸着サイクル時間＝１．１±０．２秒。

電解めっきパラジウム（低炭素スチール上）：
脱離速度＝(1.73±0.49) x 10³ scfH₂/(day*cm³Pd)
m_Pd,MSCF=6.95±1.97kgPd

吸着速度＝(2.77±0.76) x 10³ scfH₂/(day*cm³Pd)
m_Pd,MSCF=4.34±1.19kgPd

単一サイクル脱離＝(2.03±0.51) x 10^-2 molH₂/(day*cm³Pd)

単一サイクル吸着＝(3.64±0.91) x 10^-2 molH₂/(day*cm³Pd)

電解質系の諸特性：
０．２６８７ｇＰｄ（パラジウム）＝２．２３５ｘ１０^−２ｃｍ^３Ｐｄ（パラジウム）＝２．５２５ｘ１０^−３モルＰｄ（パラジウム）＝７９.８０ｃｍ²の面積にわたる２.８０ミクロン厚さ。脱離サイクル時間＝０．８±０．１秒。吸着サイクル時間＝０．９±０．１秒。

さらに、本発明における水素ガスに関する収着／脱離速度は水素（Ｐ_Ｈ２）の部分圧とともに増加することが発見された。Ｐ_Ｈ２に伴う速度のこの増加は表２に示されており、そこでは、上記供給ガスのＰ_Ｈ２が約２．１７という因子により変化された収着／脱離データの２つのセットが比較されている。

われわれとしてはいかなる理論によっても拘束されることは望むところではないが、Ｐ_Ｈ２依存性を示すことが通常予想されていないと考えられる脱離例に関するこの予想外の結果は、上記収着サイクル時に上記収着剤におけるＨ₂のより高い負荷が原因となっていることが考えられる。この供給圧力の恩恵は、本発明を実施するのに用いられるもっと低い温度ジャンプ範囲をも可能にするほど顕著なものである。こうした短いジャンプ時間はプロセスサイクル時間と伝熱要求数量を減らし、それによって、エネルギー要求数量を減らし、また、ある一定の装置設計と構造に関する精製水素の生産性を増加させる。

［通常ステージ化収着装置対マイクロチャネルをベースにしたステージ化収着装置を比較する計算実施例］
ステージ化されたマイクロチャネルサーマルスイング収着装置は図１１と１２に図示されている。この２ステージの合計収着時間は１秒よりも少々少なく、そこでは、上記収着時間は０．４秒と１秒の間に設定される。実施例の設計に関しては、０．６という収着時間が選択される。この装置の収着時間とハードウェア容量を含む期待された結果が文献に記載されているサイクル収着装置に対して記録されている値に比較される。明瞭さに関しては、収着時間はある一定の分離を達成するために異なるステージの数を要求する装置を比較するための手段として、１つのステージを通って上記供給原料が流れる時間としてこの実施例においては定義される。

通常の４ステージ収着装置における上記収着時間は６０秒程度であって、また、２ステージマイクロチャネル装置での上記収着時間は０．６秒である。この１００倍の改善はまた上記活性収着剤容量における減少を伴って実現する。上記通常実施例における合計収着剤ハードウェアは大雑把に言って３立方インチであり、また、上記要求された収着剤負荷は３８グラムであった。上記マイクロチャネル収着装置（上記通常の実施例を超える５倍の上記溶質レベルにおける増加も操作する）では、要求される活性収着剤容量は０．６立方インチ、要求された収着剤負荷は０．８９グラムである。本発明の実施例はある一定の分離を達成するために、活性収着薬剤の分量あるいは重量における５０倍減少を示す。本実施例はまた、５倍を超える上記収着剤容量における減少を示している。
さらなる改善は上記設計変数の最適化により可能である。

［通常のステージ化された収着装置］
通常のステージ化された収着装置は１９９６年にＴｏｎｋｏｖｉｃｈとＣａｒｒにより記載されている。発泡性溶液の中に入っていて、また、窒素を含有しているジメチルエーテルからのプロピレンの分離は、上記供給ポイントを固定収着床を通り越して移動させることにより達成された。
ステージは、Ａｌｌｔｅｃｈ Ｃｈｒｏｍｏｓｏｒｂ １０１の６０／８０メッシュペレットの通常のパッケージされた床から構成されている。周囲条件では、上記ジメチルエーテルは上記プロピレンよりもさらに強く収着される。窒素はこれら条件下では収着することはない。３ステージかあるいは４ステージかのいずれか（最適）の上記記載されている系に関しては、それぞれのカラムには、０．５”ＯＤ１２″の長さのステンレススチール管に設置された収着剤がおおよそ９．５ｇ含まれる。パッケージされた床に対して０．４の典型的な空隙部分が想定される。５００ｍＬ／分の窒素フロー速度では、ジメチルエーテルに関するブレークスルー時間は１０２秒であり、プロピレンに関しては、４２秒である。プロピレンの入口モル部分は０．０３５であって、また、ジメチルエーテルの入口モル部分は０．０１である。合計フロー速度はおおよそ５２３ｍＬ／分であった。このフロー速度と床容量で、個々のステージ（カラム）内の不動作時間は０．５秒程度であった。この装置の目標は、この希薄複数成分混合物用の２本の超高純度産物ストリームを生産することであった。

上記記載されているプロセスは理想的清浄カラムを作り出すために、供給スイッチングの直前にカラム（ステージ）から強力に収着された溶質（ジメチルエーテル）の残留量を完全に脱離するよう付加的カラムと分離パージガスの付加を必要とした。収着時間あるいは上記供給原料が隣接しているカラムに切り替えられる時間は５０〜８１秒の実験的な範囲にある。全ての場合において、上記供給スイッチング時間は、分離される溶質破過時間の間に設定しなければならない。

第３分離以上の例では、上記供給スイッチング時間がある値に理想的に選択されるが、その値が複数になると連続した供給スイッチングが連続した分離溶質の間におさまる。１つの実施例として、付加的な溶質Ｃは、シメチルエーテルとプロピレンの２分分離混合物に添加され、その破過時間は２００秒であり、その後は８０秒のスイッチング時間の選択は十分となる。第１ステージでは、プロピレンは、ジメチルエーテルとＣの混合物から分離されることになっている。第２ステージでは、１６０秒という時間でジメチルエーテルは、上記非常に強力な収着されているＣを後に残して上記ステージから溶出される。最終ステージでは、２４０秒という時間で、上記非常に強力に収着されたＣは溶出し、また、上記システムから取り除かれる。

要約すると、本実施例に関しては、プロピレンとジメチルエーテルの２分混合物を分離することためには３８グラムの合計収着剤重量が必要であった。合計収着剤量はおおよそ３立方インチあるいは４９立方センチメートルであった。

［マイクロチャネルをベースにしたステージ化された収着装置］
マイクロチャネルをベースにしたサーマルスイング収着装置の使用法は、上記参考文献に記載されている上記システムを超えるはっきりとした長所を有することになる。当初、サーマルスイング収着の使用法は、供給スイッチングの前に、１つのステージを洗浄する急ぎの目的で付加的なパージカラムを必要とする可能性を減少させることになる。上記脱離ステージを加熱することにより、上記強力に収着されたジメチルエーテルはさらに急速に溶出する。上記サーマルスイングマイクロチャネルをベースにした分離のその他の明瞭な長所は減少された収着であり、また、脱離時間（またしたがって、減少させたハードウェアと収着剤容量）である。
想像上の装置設計が図１０と１１に図示されている。マイクロチャネル装置の中の１つのステージは６つの熱交換マイクロチャネルを持つ５つの同様に間にはさみ込まれた収着剤含有マイクロチャネルの平行アレイである。上記収着剤含有マイクロチャネルは、フロースルー工学的に処理された収着剤で充填されることが可能である。上記収着剤は０．０３幅（７５０ミクロン）であり、また、隣接しているマイクロチャネル熱交換チャネルの隣りにあるアルミニウム装置の中に設置される。

同じ活性収着剤、Ｃｈｒｏｍｏｓｏｒｂ １０１は多孔質ニッケルあるいはアルミニウムフォーム上に堆積される、あるいはコーティングされる。それぞれの収着マイクロチャネルは長さ２で、高さ１である。収着含有マイクロチャネルの合計容量は０．０６立方インチ、あるいは約１立方センチメートルである。上記容量は上記多孔質の工学的に処理された収着剤でほぼ完全に充填される。上記工学的に処理された基板（多孔質ニッケルあるいはアルミニウム）はおおよそ９０％多孔質であり、また、１０％金属である。１０％の重量負荷に対してＣｈｒｏｍｏｓｏｒｂ １０１により上記工学的に処理された収着剤基板をコーティングすることが考えられる（収着剤であるものが上記金属重量の１０％に添加されている）。新しいシステムの１つのチャネルにある活性収着剤の合計重量はここでは収着剤の１ｃｃｘ８．９グラム／ｃｃｘ０．１金属密度ｘ０．１収着負荷〜０．０８９グラムである。５チャネルを含む１つのステージに対する上記収着剤負荷は０．４４５グラムである。２ステージ装置全体に対する合計収着剤負荷は０．８９グラムである。ステージ当たりのこの負荷は、参考文献の実施例におけるステージ当たりの負荷のおおよそ４．７％である。上記マイクロチャネル装置に対する合計負荷は上記参考文献の実施例における負荷のおおよそ２．３％である。
上記通常の装置では、９．５グラムの収着剤負荷により５２３ｍＬ／分の合計フローストリームにおける０．０３５モル分率の供給混合物のための４２秒のプロピレンの破過時間が与えられる。上記ステージの０．５秒と相互接続パイプにおける推定０．５秒から上記システムに関する不動作時間を差し引くことにより、０．０３５ｘ５２３ｍＬ／分／９．５グラムｘ４１秒という収着剤の能力が収着剤のグラム当たりのプロピレンの１．３２ｍＬに等しいとする。上記ジメチルエーテルに関しては、上記収着剤能力は０．０１ｘ５２３ｍＬ／分／９．５グラムｘ１０１秒あるいは収着剤のグラム当たりジメチルエーテルの０．９３ｍＬに等しい。
ステージ当たり０．４４５グラムの収着剤重量にわたる室温で約５２３ｍＬ／分で流れる０．１７５モル分率プロピレンと、０．０５モル分率ジメチルエーテルと、０７７５モル分率窒素の混合物に関しては、期待されていた破過時間は、プロピレンに関しては約０．３９秒、また、ＴｏｎｋｏｖｉｃｈとＣａｒｒが１９９６年に報告した値から算出された同様の収着剤能力を使用することをベースにしたジメチルエーテルに関しては、約０．９５秒である。

上記マイクロチャネル装置では、上記収着サイクルが室温で起こり、一方、上記脱離サイクルがさらに高い温度で起こることが考えられる。２０〜５０℃という温度上昇は、上記脱離サイクル時に上記収着剤されたジメチルテルを駆逐するのに十分であって然るべきである。伝熱に対する上記対流抵抗を減少するために加熱と冷却が液体伝熱流体、水の使用を通して達成されることになる。上記収着サイクル時に、５℃の水は、上記収着ステージにおける２０℃まで温度を下げるために、上記隣接していて間にはさみ込まれた伝熱マイクロチャネルの中に入る。上記脱離サイクル時に、９０℃の水は上記脱離ステージの温度を４０℃に上昇させるために、上記隣接していて間にはさみ込まれたマイクロチャネル伝熱チャネルを通って流れる。
上記供給スイッチング時間は、上記２つの溶質の上記破過時間の間に設定されなければならず（０．３９秒と０．９５秒）、また、０．６秒で選択される。このスイッチング時間で、上記収着と脱離ステージをそれぞれ、冷却し、また加熱するのに上記伝熱流体にとっては十分な時間がある。

［マイクロチャネルをベースとした収着装置における物質移動のための時間］
マイクロチャネルをベースにした工学的に処理された収着剤における物質移動のための特性時間は（２１）に定義されている。１つの多孔質ニッケルあるいはアルミニウムフォームの中に空いている上記ポアの平均的なサイズは約２００と２５０ミクロンの間である。室温および１気圧での窒素溶液の中のプロピレンとジメチルエーテルの拡散度はＣｈａｐｍａｎ−Ｅｎｓｋｏｇ理論により計算される約０．１ｃｍ²／ｓと０．１２ｃｍ²／ｓである。０．１１ｃｍ²／ｓという平均値を用いて、両方の溶質のための固有物質移動時間は約０．０２秒である。この実施例に関しては、０．６秒という供給スイッチング時間は、分離のための３０の平衡状態ステージといった程度のものを提供することになる。これは、１つのマイクロチャネルの中にある上記２つの溶質の良好な分離を達成するのに十分以上のものである。

［マイクロチャネルをベースにした収着装置における伝熱に要する時間］
対流抵抗ではなく伝導抵抗により優位に決定される上記マイクロチャネルをベースにした収着システム（例えば、ガス伝熱流体ではなくて液体伝熱流体）の場合、その場合は、伝熱の固有時間は等式（２２〜２４）により定義されている。
上記収着ステージと脱離ステージの温度は、５℃と９０℃の間でそれぞれ循環されている伝熱流体の使用により、それぞれ２０℃と４０℃の間で循環される。

［収着時伝熱の固有時間］
上記熱伝達チャネルと上記収着含有マイクロチャネルの間にある上記金属ウェブを通る伝導時間は等式（２５）に示されており、そこでは、アルミニウムウエブについてｘ＝０．０００２５ｍ、α＝９．１６×１０^−５ｍ^２／Ｓである。工学的に処理された収着剤を通る伝導時間は等式（２６）に示されており、そこでは、ｘ＝０．０００３７５ｍ（上記間にはさみ込まれているマイクロチャネルの間の熱伝達対称性のため、工学的に処理された収着剤の幅の半分）と、αはおおよそ４ｘ１０⁻⁵ｍ²／ｓである。上記「因子」は、矩形チャネルの中の伝導制限熱伝達に関する経験的な熱伝達曲線から求められる。

上記工学的に処理された収着剤を通る熱伝達の合計固有時間は、この実施例に記載されている温度の上記収着サイクル時に、約０．００３秒よりも少ない。これは、０．６秒収着サイクルの開始時に上記熱交換流体の迅速なスイッチングは、収着に関する合計時間の０．５％よりも少ない時間しかかからないことになる。

［脱離時熱伝達の固有時間］
上記熱交換マイクロチャネルと上記工学的に処理された収着剤の間上記金属ウェブを通る上記脱離サイクル時に熱伝達の合計固有時間を等式（２7）に示す。 上記工学的に処理された収着剤を通る伝導の時間を等式（２８）に示す。上記脱離サイクル時の伝導の合計時間は約０．００３秒よりも短い。これは、０．６秒収着サイクルの開始時に上記熱交換流体の迅速なスイッチが脱離の合計時間の０．５％よりも少ない時間しかかからないことを示している。

［サイクル時不動作時間の推定］
この装置の完全サイクル時間は、収着と脱離の時間に加えて上記不動作時間を含めることが必要となる。４ウェイソレノイド弁（図Aに図示される構造）から上記相互接続パイプを通り、上記ヘッダーを通り、また、最終的には上記マイクロチャネルそれ自体を通って移動するのに、供給スイッチング直後、冷却剤ストリーム（収着の場合）あるいはホットストリーム（脱離の場合）には時間の一定量がかかることになる。１つの実施例として、ＡＳＣＯソレノイド弁は、３０Ｈｚのサイクル速度で都合よく使用することが可能である。
１０Ｌ／分の合計冷却剤フロー速度に関しては、上記熱伝達マイクロチャネル（０．０２”幅および収着剤マイクロチャネルと同じ高さと長さ）を通る対流の推定時間は上記フロー速度により分割された容量として計算される。上記チャネル容量は、２インチｘ１インチｘ０．０２”＝０．０２立方インチ、あるいは０．１３立方センチメートルである。個々の熱交換マイクロチャネルを通るフロー速度（６伝熱マイクロチャネル内に散在している５収着剤マイクロチャネルを仮定する）はおおよそ１６６７ｍＬ／分である。個々の平行伝熱マイクロチャネルを通る対流フローの時間は約０．００５秒である。

上記ヘッダーを通る対流フローの時間は、合計フロー速度（１０Ｌ／分）により上記ヘッダーを分割することにより推定される。上記ヘッダー容量は上記面（１”）の高さｘ均一なフロー分布に必要とされるヘッダー深さ（０．２５”） ｘチャネルのアレイの幅（６ｘ０．０２”＋５ｘ０．０３”＋１０ｘ０．０１″＝０．３７”）であり、それは、０．０９立方インチあるいは約１．５立方センチメートルに等しい。上記ヘッダーにおける上記不動作時間は１０Ｌ／分により分割された１．５立方センチメートルであり、それは約０．００９秒と等しい。
上記４方向ソレノイド弁から出ている上記相互接続パイプ中での対流の時間は、パイプの中の３／８の１”フロー長さと推定される。合計容量は０．０３５２立方インチあるいは０．５８立方センチメートルである。このパイプを通る対流の上記不動作時間はおおよそ０．００４秒である。
上記熱伝達側の合計不動作時間は、上記チャネルを通る対流に関しては０．００５秒であり、上記ヘッダーを通る対流に関してはプラス０．００９秒であり、上記相互接続パイプを通る対流に関してはプラス０．００４秒である。合計不動作時間はおおよそ０.０１８秒である。
０．６秒という合計サイクル時間に関しては、おおよそ０．０１８秒が、上記伝熱側についての不動作時間の一部として浪費されている。これは、合計サイクル時間のおおよそ３％に等しく、これは受け入れることが可能なものである。
低いフロー速度が上記熱伝達流体に関して所望される場合、その場合は、上記熱伝達側についての上記不動作時間は合計サイクル時間のより大きなパーセンテージとなる。しかしながら、上記フローヘッダーおよび／または上記相互接続パイプのいずれにおけるさらなる容量の削減も熱伝達側の不動作時間を減らすことが可能となっている。
要約すると、上記マイクロチャネルをベースにした収着装置は、システム当たり０．８９グラムの合計収着容量に関しては、ステージ当たり収着剤０．４４５グラムを必要としている。選択されたサイクル時間は０．６秒である。

本発明の好適な実施態様を説明してきたが、広範な局面においては本発明から逸脱することなく数多くの変更例や修正例を実施することが可能であることは、熟練した技術を有する同業者であれば、明らかなことであろう。添付されている請求項はしたがって、本発明の真の精神とその範囲内のものとなる全てのこうした変更例と修正例を網羅することを意図している。

図１は、フローチャネルと熱交換器の略断面図である。 図２は、弁（黒丸）を含む流体収着装置の略図である。 図３は、フローチャネルと熱交換器の略断面図である。収着剤はフローチャネル壁上に配置されている。 図３は、フローチャネルと熱交換器の略断面図である。収着剤はフローチャネル壁上に配置されている。 図４ａは、フローチャネルと熱交換器の略断面図である。 図４ｂは、多孔質収着剤を含むフローチャネルと、上記収着剤に隣接している対流フロー用のフローパスの略断面図である。 図４ｃは、多孔質収着剤が充填されたフローチャネルの略断面図である。上記収着剤は、フローが実質的に上記収着剤を通るように上記フローチャネルの中に配置されている。 図５は、（ａ）収着含有コンパートメントの中へのフローを分配するフロー分配シートと、（ｂ）多孔質収着剤層の間に配置されたバルクフローチャネルと、（ｃ）２重波形収着剤と、（ｄ）上記収着剤表面の上にわたる気体フローを伴う波形収着剤と、（ｅ）上記収着剤を通る気体フローを伴う波形収着剤と、（ｆ）収着剤材料のワイヤーと、（ｇ）ファイバー、（ｈ）多孔質収着剤材料のコーティングを有するバッフルと、（ｉ）多孔質収着剤材料から構成されるバッフルと、（ｊ）バルクフローチャネルを備えた多孔質マトリックスと、を含む収着チャンバ構造の略断面図を図示説明している。 図６は、（ａ）熱交換流体のクロスフローを伴う収着剤チャネルの斜視図と、（ｂ）上記チャンバの上記壁に直接接触しない多孔質収着剤材料の断面図と、（ｃ）上蓋−多孔質プラグを備えたチャンバと、底一混合チャンバを備えた複数のフローチャネル、（ｄ）多孔質収着剤剤利用を充填したＵ字形チャネルと、（ｅ）多孔質仕切り板と、（ｆ）多孔質収着剤材料の層の間に流れるように方向つけられている混合ストリームと、を含む収着剤チャンバ構造の略図を図示説明している。 図７は、フローチャネルと熱交換器の略断面図である。 図８は、複数のフローチャネルがそれぞれの段階で使用される複数の収着装置を概略的に図示説明している。 図９ａは、３段階収着プロセスを概略的に図示説明している。 図９ｂは、３段階収着プロセスを概略的に図示説明している。 図９ｃは、３段階収着プロセスを概略的に図示説明している。 図１０ａは、水素脱離のプロット作図である。 図１０ｂは、水素脱離のプロット作図である。 図１０ｃは、水素脱離のプロット作図である。 図１１は、２段階収着プロセスを概略的に図示説明している。白丸は上記熱交換流体のフローを制御する弁を表している。黒丸は産物流体のフローを制御する弁を表している。 図１２は、収着プロセスにおける１つの段階として機能することができるマイクロチャネル装置を図示説明している。十字領域は多孔質収着剤を示し、白丸の線は熱交換チャネルを表している。

Claims (21)

1. 流体混合物から流体成分を分離する方法であって、
   流体成分を収着することを含む第１ステップであって、この第１ステップは流体混合物を第１温度でフローチャネルの中に入れて通過させることを含み、
   収着剤は前記フローチャネル内にあり、前記流体混合物は多孔性接触器を通過することなく前記収着剤に接触することを特徴とし、また、前記フローチャネルは入口から出口までの長さを有し、前記フローチャネルを通るフローは前記チャネルの長さ方向に対する少なくとも１つの断面では前記フローチャネルの高さが１ｃｍ以下であるように制約され、この断面は高さ、幅を有し、その高さは１ｃｍ以下であることを特徴とする前記第１ステップと、
   前記収着剤表面の温度を上昇させることを含む第２ステップであって、エネルギー源からエネルギーを付加することを含む前記第２ステップと、
   前記収着剤から流体成分を第２温度で脱離させ、また、前記第１ステップで収着された流体成分を得ることを含む第３ステップであって、
   前記第２温度は前記第１温度よりも高いことを特徴とする前記第３ステップと、
   を含み、前記方法は更に前記第１、第２及び第３ステップは複数のサイクルにわたり繰り返され、それぞれのサイクルは１０秒未満であり、前記流体混合物はガス溶液であり、前記第２と第３ステップは同時に起こることを特徴とする前記方法。
2. 前記収着剤からの熱がマイクロチャネル熱交換器に伝達されることを特徴とする請求項１に記載されている前記方法。
3. 前記フローチャネルは少なくとも１つのチャネル壁を含み、また、前記収着剤は前記流体混合物に曝露されることを特徴とする請求項１と２のいずれかに記載されている前記方法。
4. 前記方法が、前記第３ステップに続くものであって、前記フローチャネルからマイクロチャネル熱交換器の中に熱を移す１つのステップをさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されている前記方法。
5. 前記収着剤はモノリシック（一体式）多孔質挿入片であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載されている前記方法。
6. 組み合わされた前記第１と第２ステップは、
   非濃縮流体混合物に関しては、１０秒以下しかかからず、また、前記第１ステップで収着された気体成分の少なくとも２０%が前記収着剤から脱離されることを特徴とする、
   請求項１〜５のいずれかに記載されている前記方法。
7. 前記フローチャネルを通って流れる全ての前記流体が多孔質収着剤を通って流れることを特徴とする請求項６に記載されている前記方法。
8. 流体混合物から流体成分を分離する方法であって、
   第１温度と第１圧力において第１収着領域の中に流体混合物を入れて通過させる第１のステップであって、前記第１収着領域がフローチャネルおよび前記フローチャネル内にある第１収着剤を含み、前記流体混合物は多孔性接触器を通過することなく前記第１収着剤に接触することを特徴とし、また、前記収着領域における前記温度と圧力が前記第１収着領域中の前記第１収着剤の中への前記流体成分の収着を容易なものにするように選択される前記ステップと、
   前記第１収着領域からマイクロチャネル熱交換器の中に熱を伝達し、また、前記流体混合物から前記流体成分を選択的に取り除き、したがって前記第１収着剤の中の収着された成分と前記成分の中で減損したものとなる流体混合物を結果的に生じる第２のステップと、
   前記成分が減損した流体混合物を第２温度と第２圧力において第２収着領域の中に入れて通過させる第３のステップであって、前記第２収着領域が第２収着剤を含むことを特徴とし、また、前記第２収着領域における前記温度と圧力が、前記第２収着領域における前記収着剤の中に前記流体成分の収着を容易にするように選択されることを特徴とする前記ステップと、
   前記第２収着領域からマイクロチャネル熱交換器の中に熱を伝達し、また、前記成分を減損させた流体混合物から前記流体成分を選択的に取り除き、したがって前記第２収着剤の中の収着された成分とさらに成分が減損した気体混合物を結果的に生じる第４のステップであって、
   前記第２温度が第１温度とは異なっていることを特徴とする前記ステップと、
   前記第１収着剤を第３温度に上昇させるように、第１収着剤全体への１ｃｍ以下の距離を通じて第１収着剤に対して熱を付加し、同時に、前記第１収着剤から前記成分を脱離する第５のステップと、
   前記第２収着剤を第４温度に上昇させるように、第２収着剤全体への１ｃｍ以下の距離を通じて第２収着剤に対して熱を付加し、同時に、前記第２収着剤から前記成分を脱離する第６のステップと、
   前記第１と第２収着剤から脱離された前記成分を得る第７のステップと、
   を含み、前記方法は更に前記第１から第７のステップは複数のサイクルにわたり繰り返され、それぞれのサイクルは１０秒未満であり、前記流体混合物はガス溶液であることを特徴とする前記方法。
9. 前記第２圧力は前記第１圧力とは異なることを特徴とする請求項８に記載されている前記方法。
10. 前記第１収着剤は多孔質収着剤であることを特徴とする請求項８と９のいずれかに記載されている前記方法。
11. 前記第１と第２収着剤から脱離された前記成分が前記第１収着領域の中に再循環されて戻ることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載されている前記方法。
12. 前記流体混合物は水素含有ガス混合物であり、また、前記流体成分は水素であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載されている前記方法。
13. 前記チャネルの通るフローは、前記チャネルの少なくとも１つの断面では、いずれかのポイントからチャネル壁までのもっとも遠い距離は０．５ｃｍ未満であり、また、水素ガスを収着する前記ステップがＨ₂／（秒）（収着剤のｃｍ³）の少なくとも０．０１ｍｍｏｌの速度で行われるよう制約されることを特徴とする請求項１２に記載されている前記方法。
14. 前記第１収着剤はパラジウムまたはパラジウム合金を含むことを特徴とする請求項１２と１３のいずれかに記載されている前記方法。
15. 前記得られた水素は圧縮されていないことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載されている前記方法。
16. 前記第５及び第６のステップは秒当たり少なくとも１００℃の速度で温度を上昇させることを含むことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれかに記載されている前記方法。
17. 前記第５及び第６のステップにおける脱離の速度は加熱された掃引ガスを使用することにより増加させることを特徴とする請求項１６に記載されている前記方法。
18. 前記方法が前記フローチャネルの入口に供給原料を導入しながら、収着されたガスを駆逐するように前記チャネルの長さを加熱していくステップを含むことを特徴とする請求項１２〜１７のいずれかに記載されている前記方法。
19. 前記方法は産物ガスを生産し、また、前記得られた産物ガスは前記水素含有ガス混合物よりも少なくとも１０倍高い水素純度を有し、また、前記方法は１日当たり収着剤のｃｃ当たり少なくとも２０００ｓｃｆＨ₂の速度で水素を生産することを特徴とする請求項１８に記載されている前記方法。
20. 前記第５及び第６のステップは１０秒以下しかかからず、また、前記第１のステップで収着された前記水素の少なくとも２０%が前記第１収着剤から脱離されることを特徴とする請求項１２〜１９のいずれかに記載されている前記方法。
21. 前記方法はさらに、前記第５及び第６のステップから得られた前記水素が前記第１収着領域の中に再循環されることを特徴とする請求項２０に記載されている前記方法。

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