JP5624358B2 - 再循環された少なくとも１つの分離ループを含む回転ベッド収着システム、およびこのようなシステムを設計して作動させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、回転ベッド収着システム、特に、再循環された１つ以上の分離ループを含む回転ベッド収着システムに関する。また、本発明は、このようなシステムを設計して作動させる方法に関する。

プロセス流体の流れまたは収着流体の流れとも呼ばれる一方の流体の流れから収着物を収集して、収着物をより濃縮した形態で、脱着流体の流れまたは再生流体の流れとも呼ばれる第２の流体の流れまで移動させるために、回転ベッド収着システムが長年にわたって使用されてきた。除去された収着物は、一般的に、水蒸気、揮発性有機化合物（「ＶＯＣｓ」）、窒素酸化物（「ＮＯｘ」）等を含む。

回転ベッド収着システム、特に、処理された流体で低い収着物濃度が所望される回転ベッド収着システムにおいて、プロセス流体の流れと再生流体の流れとの間の交差汚染を最小限に抑えることが重要である。汚染物質により、流体の流れ自体に圧力差が生じるか、または回転する収着剤ディスクのマトリックス内に蒸気圧の差が生じることがある。

汚染物質が生じる他の原因は、活性収着剤領域に隣接しているが、サイクル中に活性流体の流れが見られない収着剤ディスクの領域にある。通常、これらの領域は、シールシステムによって覆われる収着剤ディスクの中央および外周縁にある。典型的には、収着剤ディスクは、断熱体として機能する収着剤ディスクの「不感帯」を有するように意図的に設計されるので、ロータハウジングが低温に保持され、構成要素の早期の機械的故障を発生させることがあるロータハウジングの熱膨張が防止される。処理された流体の流れで非常に低い収着物濃度を達成するように設計されるシステムにおいて、これらの領域が、蒸気を除去するための「シンク」として機能できることが実証されている。シンクは再生領域に隣接している場合に蒸気を蓄積し、ここで、シンクは、拡散力によって再生領域の高濃度蒸気に暴露されるが、ガラス／セラミック構造の高い断熱特性により、再生領域の熱を受けない。次に、収着剤は、はるかに低い温度で、高濃度蒸気にほぼ釣り合うことができる。シンクは、システムのプロセス部の非常に低い濃度の流体に隣接している場合にシンクの有効荷重を解除する。蒸気圧の差は構造の拡散力を克服し、トレース量の蒸気は、処理された流体の流れ内に放出され、有害な濃度にまで増加した蒸気が除去される。

収着剤マトリックスを冷却するために、再生領域の熱を回収するために、または再生流体の流れを収着剤マトリックスに通過させる前に再生流体の流れを予め調整するために、回転ベッド収着システムにパージ領域を組み込むことが知られている。再循環パージループを含む収着ベッドシステムの一例が特許文献１に開示されている。しかし、従来技術では、１つ以上の領域を使用して、より高い濃度の流体の流れから収着剤マトリックスを通した水分の拡散を低減するか、またはより高圧の流体の流れから、より低圧の流体の流れへの蒸気のキャリーオーバーを低減するという原理が考慮されてこなかった。
米国特許第４，７０１，１８９号明細書

本発明は、１つ以上の分離ループを使用して、種々の流体の流れの圧力アンバランスおよび大きな蒸気圧差によって生じる回転収着ベッドの収着領域と脱着領域との間の交差汚染を低減する。

本発明の一実施形態では、再生可能な収着剤材料の回転塊を備える収着ベッドシステムを使用してプロセス流体の流れの収着物濃度を低下させる方法は、所定の体積の収着剤塊が、動作サイクルで、第１の領域を通過し、第１の領域に戻る前に、第２の領域、第３の領域、第４の領域、第５の領域、および第６の領域を順次通過するように、収着剤塊を回転させるステップと、プロセス流体の流れを収着剤塊の第１の領域に通過させるステップと、再生流体の流れを収着剤塊の第４の領域に通過させるステップと、プロセス流体の流れおよび再生流体の流れとは分離して、第１の分離流体の流れを収着剤塊の第２の領域と収着剤塊の第６の領域との間で閉ループで再循環させるステップと、プロセス流体の流れ、再生流体の流れ、および第１の分離流体の流れとは分離して、第２の分離流体の流れを収着剤塊の第３の領域と収着剤塊の第５の領域との間で閉ループで再循環させるステップとを含む。

好ましくは、第１の領域、第５の領域、および第６の領域の各々における流体の流れの方向が同一であり、第２の領域、第３の領域、および第４の領域の各々における流体の流れの方向が、第１の領域、第５の領域、および第６の領域の流体の流れの方向とは反対方向にある。

プロセス流体の流れの収着物濃度のさらなる低下を所望した場合、再循環された追加の分離ループを同様の方法で必要に応じて付加できる。

本明細書に用いられる際、「動作サイクル」という用語は、収着剤塊が収着プロセスおよび脱着プロセスの両方を受ける収着剤塊の移動経路を意味する。「順次」という用語は、相対順序を指すが、必ずしも、互いが直後に続くようにする必要はない。この実施形態では、例えば、他の領域が第１の領域と第２の領域との間に挿入されたとしても、収着剤塊が、第１の領域、第２の領域等を順次通過することは言うまでもない。

本発明の他の実施形態では、回転ベッド収着システムは、プロセス流体の流れと、再生流体の流れと、プロセス流体の流れおよび再生流体の流れとは分離して閉ループで再循環する第１の分離流体の流れと、プロセス流体の流れ、再生流体の流れ、および第１の分離流体の流れとは分離して閉ループで再循環する第２の分離流体の流れと、プロセス流体の流れ、再生流体の流れ、第１の分離流体の流れ、および第２の分離流体の流れの各々が通過する再生可能な収着剤材料の回転塊とを含む。動作サイクルにおいて、所定の体積の収着剤塊は、プロセス流体の流れを通過させ、プロセス流体の流れに戻る前に、第１の分離流体の流れ、第２の分離流体の流れ、再生流体の流れ、第２の分離流体の流れ、および第１の分離流体の流れを順次通過させる。プロセス流体の流れと再生流体の流れとが反対方向に収着剤塊を通過し、第１の分離流体の流れおよび第２の分離流体の流れの各々が、収着剤塊の回転方向のそれぞれの第１または第２の分離流体の流れの直後にある流体の流れと同一方向に収着剤塊を通過することが好ましい。

必要に応じて、この実施形態のシステムは、プロセス流体の流れ、再生流体の流れ、第１の分離流体の流れ、および第２の分離流体の流れとは分離して閉ループで再循環する第３の分離流体の流れをさらに含み得る。所定の体積の収着剤塊が、プロセス流体の流れを通過させ、プロセス流体の流れに戻る前に、第１の分離流体の流れ、第２の分離流体の流れ、第３の分離流体の流れ、再生流体の流れ、第３の分離流体の流れ、第２の分離流体の流れ、および第１の分離流体の流れを順次通過させるように、第３の分離流体の流れが準備されることが好ましい。プロセス流体の流れと再生流体の流れとが反対方向に収着剤塊を通過し、第１の分離流体の流れ、第２の分離流体の流れ、および第３の分離流体の流れの各々が、収着剤塊の回転方向のそれぞれの第１、第２、または第３の分離流体の流れの直後にある流体の流れと同一方向に収着剤塊を通過することが好ましい。

本発明のさらに他の実施形態では、所定の体積の収着剤塊がプロセス流体の流れと再生流体の流れとを交互に通過させるように、再生可能な収着剤材料の塊が回転される収着ベッドシステムを設計する方法は、（ａ）（ｉ）一方の流体の流れの温度が、隣接する流体の流れの露点以下である基準と、（ｉｉ）隣接する流体の流れが通過する収着剤材料の領域の間に少なくとも約１５０Ｐａの蒸気圧の差がある基準と、（ｉｉｉ）隣接する流体の流れの間の絶対圧の差が収着ベッドシステムのシール構造の設計圧力を超えている基準と、（ｉｖ）一方の流体の流れが収着剤材料を通して、隣接する流体の流れに浸透することが、隣接する流体の流れの一方または両方の収着物濃度に少なくとも１０％だけ影響を及ぼす基準とから選択された少なくとも１つの基準を満たしているかどうかを決定するステップと、（ｂ）ステップ（ａ）において、少なくとも１つの基準を満たしていることが決定された場合に、他の流体の流れとは分離して閉ループで再循環する分離流体の流れをシステムに付加するステップと、（ｃ）ステップ（ｂ）において、少なくとも１つの基準を満たさなくなることが決定されるまで、ステップ（ａ）と（ｂ）を繰り返すステップとを含む。所定の体積の収着剤塊が、動作サイクルで、分離流体の流れを２回通過させ、すなわち、前記プロセス流体の流れの前および前記再生流体の流れの後に１回、ならびに前記プロセス流体の流れの後および前記再生流体の流れの前に１回通過させるように、付加された各分離流体の流れが準備される。また、本明細書に用いられる際、「前に」および「後に」という用語は、相対順序を意味しており、そのように指定されない限り、互いが直前にあるかまたは直後に続くようにする必要はない。好ましくは、（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、および（ｉｖ）から選択された複数の基準のいずれかを満たしている場合に分離ループが付加される。より好ましくは、基準（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、および（ｉｖ）を満たしている場合に分離ループが付加される。例えばコンピュータ等でモデル化することによってまたは物理試験によって、収着ベッドシステムの設計を行うことが可能である。

本発明の別の実施形態では、回転ベッド収着システムは、動作サイクルで、処理領域と再生領域と少なくとも１つの分離領域とを含む複数の領域を通過する収着剤材料の回転ディスクを含む。再生領域および少なくとも１つの分離領域の各々は、処理領域よりも大きな範囲に収着剤ディスクの周縁に向かって半径方向外側に延在する。このようにして、処理領域で収着物が取着する収着剤ディスクの領域が、再生領域および分離領域における再生または他の処理を行わなくなる可能性が低くなる。

好ましくは、少なくとも１つの分離領域は、再生領域よりも大きな範囲に収着剤ディスクの周縁に向かって半径方向外側に延在する。さらにより好ましくは、再生領域は、少なくとも１つの縦溝高さだけ処理領域よりも大きく収着剤ディスクの周縁に向かって半径方向外側に延在し、少なくとも１つの分離領域は、少なくとも１つの縦溝高さだけ再生領域よりも大きく収着剤ディスクの周縁に向かって半径方向外側に延在する。本明細書に用いられる際、「縦溝高さ」という用語は、流体の流れが流れる収着剤ディスクの流路の最も広い寸法を指す。円形断面の流路を有するディスクでは、縦溝高さは流路径に相当する。

この実施形態は、各分離領域が、少なくとも処理領域よりも大きな範囲に、好ましくは再生領域よりも大きな範囲に収着剤ディスクの周縁に向かって半径方向外側に好ましくは延在する複数の分離領域を含むシステムに使用することもできる。

本発明のさらに他の実施形態では、回転ベッド収着システムの性能を向上させる方法は、所定の体積の収着剤塊が、動作サイクルで、第１の領域を通過し、第１の領域に戻る前に、第２の領域、第３の領域、および第４の領域を順次通過するように、再生可能な収着剤材料の塊を回転させるステップと、プロセス流体の流れを第１の領域を通して第１の方向に通過させるステップと、再生流体の流れを第３の領域を通して、第１の方向とは反対方向である第２の方向に通過させるステップと、分離流体の流れが収着剤塊を第２の方向に通過する収着剤塊の第２の領域と、分離流体の流れが収着剤塊を第１の方向に通過する収着剤塊の第４の領域との間で、少なくとも１つの分離流体の流れを再循環させることによって、プロセス流体の流れと再生流体の流れとの間の交差汚染を低減するステップとを含む。

本発明の好ましい実施形態が図示されている図面と、本発明の好ましい実施形態が説明されている添付の説明とを参照すれば、本発明のこれらのおよび他の態様をより良く理解することができる。

図１は、本発明による回転ベッド収着システム１０の第１の好ましい実施形態を示している。このシステムは、再生可能な収着剤材料を含むかまたはそれでコーティングされた従来の構造の回転ディスク型多孔質塊１１を含み、この回転ディスク型多孔質塊は、動作サイクルにおいて、第１の領域１、第２の領域２、第３の領域３、および第４の領域４を順次通過する。収着剤塊１１は、既知のロータ機構（図示せず）によって、収着剤塊１１の軸線を中心として、矢印Ａで示した方向に回転される。

収着物（例えば水蒸気）を伴うプロセス流体の流れ１２は、収着剤塊１１の第１の領域１を通過し、ここで、収着物は収着剤塊１１の上に収着する（すなわち取着する）。収着剤塊から出るプロセス流体の流れは、収着剤塊に入るプロセス流体の流れと比較して収着物濃度が低下している。ファン、送風機、または他の流体移動装置１３を必要に応じて使用して、プロセス流体の流れを配管（図示せず）に流すことができる。

再生流体の流れ１４は、プロセス流体の流れ１２の流動方向とは反対方向に収着剤塊１１の第３の領域３を通過する。収着剤塊１１に収集されたプロセス流体の流れからの収着物は、再生流体の流れの中に放出される。再生流体の流れ１４が収着剤塊１１を通過する前に、再生流体の流れ１４を加熱するように、加熱器１５を設けることができる。プロセス流体の流れと同様に、ファン、送風機、または他の流体移動装置１６を使用して、再生流体の流れを流すことができる。

プロセス流体の流れ１２も再生流体の流れ１４も閉ループ回路として図１に示されていないが、当業者は、プロセス流体の流れ１２および再生流体の流れ１４の一方または両方を閉ループで再循環させることができることを理解するであろう。例えば、図１４は、再生流体の流れが収着剤塊から出ると、流体の流れからの蒸気を凝縮させるように再生流体の流れが冷却され、次に、収着剤塊を通って経路に戻る前に再加熱される構成を示している。

分離流体の流れ１７は、プロセス流体の流れ１２および再生流体の流れ１４に関係なく、収着剤塊１１の第２の領域２と収着剤塊１１の第４の領域４との間で閉ループで再循環される。分離流体の流れ１７が収着剤塊１１を通って流れる方向は、流体が、収着剤塊１１の回転方向の分離領域の直後にある領域を通って流れる方向と同一方向であることが好ましい。図１では、例えば、分離流体の流れ１７は、再生流体の流れ１４が第３の領域３を通って流れる方向と同一方向に第２の領域２を通過し、プロセス流体の流れ１２が第１の領域１を通って流れる方向と同一方向に第４の領域４を通過する。あるいは、分離流体の流れが収着剤塊を通って流れる方向は、流体が、収着剤塊の回転方向の分離領域の直後にある領域を通って流れる方向とは反対方向であってもよい。分離流体の流れを流すために、ファン、送風機、または他の流体移動装置１８を必要に応じて設けることができる。特定の実施例に関連して以下により詳細に説明するように、再循環された分離ループを供給することにより、プロセス流体の流れ１２と再生流体の流れ１４との間における交差汚染の低減が促進される。

いくつかの用途においては、再循環された追加の分離ループを供給することによって、さらなる利点を得ることができる。図２は、２つの分離流体の流れ１１７、１１９が、回転する収着剤塊１１１を通して独立して再循環される回転ベッド収着システム１１０の他の好ましい実施形態を示している。収着剤塊１１１は、動作サイクルにおいて、第１の領域１０１、第２の領域１０２、第３の領域１０３、第４の領域１０４、第５の領域１０５、および第６の領域１０６を順次通過する。第１の実施形態と同様に、収着剤塊１１１は、既知のロータ機構（図示せず）によって、収着剤塊１１１の軸線を中心として、矢印Ｂで示した方向に回転される。

プロセス流体の流れ１１２は第１の領域１０１の収着剤塊１１１を通過する。ファン、送風機、または他の流体移動装置１１３を必要に応じて使用して、プロセス流体の流れを流すことができる。

再生流体の流れ１１４は、プロセス流体の流れ１１２の流動方向とは反対方向に収着剤塊１１１の第４の領域１０４を通過する。再生流体の流れ１１４が収着剤塊１１１を通過する前に、再生流体の流れ１１４を加熱するように、加熱器１１５を設けることができる。プロセス流体の流れと同様に、必要に応じて、ファン、送風機、または他の流体移動装置１１６を使用して、再生流体の流れを流すことができる。

第１の分離流体の流れ１１７は、プロセス流体の流れ１１２、再生流体の流れ１１４、および第２の分離流体の流れ１１９に関係なく、収着剤塊１１１の第３の領域１０３と収着剤塊１１１の第５の領域１０５との間で閉ループで再循環される。第１の分離流体の流れ１１７が収着剤塊１１１を通って流れる方向は、流体が、収着剤塊１１１の回転方向の分離領域の直後にある領域を通って流れる方向と同一方向であることが好ましい。例えば、図２では、第１の分離流体の流れ１１７は、第４の領域１０４を通過する再生流体の流れ１１４の流動方向と同一方向に第３の領域１０３を通過し、第６の領域１０６を通過する第２の分離流体の流れ１１９の流動方向と同一方向に第５の領域１０５を通過する。あるいは、第３および第５の領域を通過する分離流体の流れの方向を、図２に示した方向とは反対方向にしてもよい。ファン、送風機、または他の流体移動装置１１８を使用して、第１の分離流体の流れを流すことができる。

一方、第２の分離流体の流れ１１９は、プロセス流体の流れ１１２、再生流体の流れ１１４、および第１の分離流体の流れ１１７に関係なく、収着剤塊１１１の第２の領域１０２と収着剤塊１１１の第６の領域１０６との間で閉ループで再循環される。第１の分離流体の流れと同様に、第２の分離流体の流れ１１９が収着剤塊１１１を通過する方向は、流体が、収着剤塊１１１の回転方向の分離領域の直後にある領域を通って流れる方向と同一方向であることが好ましい。例えば、図２では、第２の分離流体の流れ１１９は、第１の分離流体の流れ１１７が第３の領域１０３を通って流れる方向と同一方向に第２の領域１０２を通過し、プロセス流体の流れ１１２が第１の領域１０１を通って流れる方向と同一方向に第６の領域１０６を通過する。あるいは、第２および第６の領域を通過する分離流体の流れの方向を、図２に示した方向とは反対方向にしてもよい。ファン、送風機、または他の流体移動装置１２０を使用して、第２の分離流体の流れを流すことができる。

上記の好ましい実施形態において、当業者は、特定の流量、圧力、温度、相対湿度等の選択が収着システムの特定用途に依存しており、所定の用途に合わせた適切な選択を行うことができることを認識するであろう。

本発明は、２つの分離ループに限定されず、種々の流体の流れの特性と所望の処理レベルとに応じて３つ以上の分離ループを使用できる。分離流体の流れが、収着剤塊の回転方向の分離流体の流れに従うプロセス流体の流れまたは再生流体の流れと同一方向に収着剤塊を通過するように、各々の追加の分離ループが配置されることが好ましい。また、回転サイクルにおいて、収着剤塊が、上昇し、次に下降する順序で分離流体の流れを順次通過させるように、各々の追加の分離ループが配置されることが好ましい。言い換えれば、例えば、３つの分離ループを有する８領域型システムでは、収着剤塊は、再生流体の流れ、第１の分離流体の流れ、第２の分離流体の流れ、第３の分離流体の流れ、プロセス流体の流れ、第３の分離流体の流れ、第２の分離流体の流れ、第１の分離流体の流れを順次通過させ、以下同様にそれらの流体を順次通過させる。

以下に説明するように、温度、蒸気圧、絶対圧、および／または漏れに関する所定の選択基準を満たしているかどうかの決定に基づいて、分離ループの数を選択できる。シミュレーションによってまたは物理試験によって、基準を満たしているかどうかを決定できる。結果的に、選択基準の１つ以上を満たしていることが決定され、次に、このことにより、分離ループをシステムに付加する際に利点を得ることが可能であることが示される。分離ループが付加された後に、選択基準を満たさなくなると、再び、決定が行われる。

絶対圧に関する設計基準
本発明の最も簡単な実施形態、例えば、閉ループで動作するホッパドライヤ収着ユニットにおいて、設計者は、そのユニットに閉ループプロセスファンを配置するという選択を行う。図１８に示した実施例には、ホッパ５０、プロセス空気流５１、プロセス空気ファン５２、回転収着剤ディスク５３、再生空気流５４、再生空気加熱器５５、および再生空気ファン５６が示されている。ホッパ５０は、３０インチＷＣ（約７６水柱ｃｍ）を超えることがある空気側の非常に大きな圧力低下を生じさせる。ホッパ５０は、閉ループの最も「開いた」位置であり、このようにして、気圧に釣り合う。ループの他の部分は、ループ内における他の部分のそれぞれの位置に応じたおよびループ内の空気移動装置に従った圧力を取る。

本出願では、−４０°Ｆ（約−４０℃）以下の露点が必要とされる。典型的には、制御ループ内のすべての点は、１４°Ｆ（約−１０℃）未満の露点を有する。このことにより、制御周囲ループへの（およびそれからの）限界空気浸透に対する厳しい要件が付与される。これらの露点に達するような分離空気流または冷却空気流（図１８に図示せず）が要求される。

この装置の収着剤ベッドの形態において、乾燥剤が充填された二重塔は乾燥媒体として利用される。これらの塔は金属からなるので、説明した大きさの圧力は設計上の問題とはならない。しかし、乾燥剤ディスクが多孔質であるため、高すぎる圧力（空気移動装置の後方に乾燥剤ディスクが位置決めされた場合によく生じるであろう）は、ディスクに損傷を引き起こし、そして第２の空気経路を雰囲気に形成することがあり、このことにより、ループ内に移動する新鮮空気の量が著しく増加し、したがって乾燥が激しくなる。

本出願では、１つの閉ループは、高圧閉ループと再生空気領域との間の分離領域を可能にするように設置され、この分離領域は、典型的に、近傍の雰囲気圧に存在する。次に、この閉ループは、高圧処理領域と雰囲気圧再生領域との間の中間点の圧力に釣り合う。最終的に、プロセスループからの漏れが少なくとも半分になるという結果が得られ、分離流の性能の利点が維持される。

閉じられたホッパループを通して空気を移動させるのに必要な圧力に応じて、２つ以上の分離領域を必要とし得る。いくつかの場合において、圧力は５０水柱インチ（約１２７水柱ｃｍ）を超えることがあり、この場合、２つの分離領域を必要とし得る。どのくらいの数の領域が必要となるかが、ディスクの気孔率と、ループの主漏れ領域における許容可能な最大汚染率と、プロセス空気流と再生空気流との間の相対圧力差とに基づいて決定される。隣接する流体の流れの間の絶対圧の差が、典型的には７〜１０水柱インチ（約１７．８〜２５．４水柱ｃｍ）のオーダーである収着剤ディスクシールシステムの設計圧力を超えなくなるまで、分離ループがシステムに付加されることが好ましい。

逆に、収着剤ディスクがファンの前方に配置された場合、収着剤ディスクは負圧雰囲気で動作し、空気が収着剤ディスクに浸透することにより、用途に必要な空気の低い露点に対する大きな効果が得られる。この場合、閉ループ分離領域は、湿った再生領域から、乾燥したプロセスループへの漏れを最小限に抑える。再度、圧力と湿度とディスクの気孔率とに基づくプロセスループへの許容可能な浸透によって、ループの数が決定される。

凝縮または凍結に関する設計基準
この設計基準の決定において、任意の２つの隣接する領域の接点における凝縮または凍結の可能性があるかどうかという問題が生じる。境界における凍結生成の影響は破壊的なものである場合がある。凍結物がディスク面に凍り付くことがあり、氷の蓄積により、ディスク面が損傷することがある。凝縮の影響はそれほど破壊的なものではないが、多種類の乾燥剤、特にシリカゲルに長期にわたって水が衝突することにより、著しい劣化の影響が生じることがあり、最終的には、性能の低下または損失が生じることになる。分離方法に関連してまたは分離方法のあるいは、上記の決定を用いて、凝縮生成または凍結生成を防止することができる。

さらに除湿するために冷気を必要とする以下に説明する冷凍室用途において、湿った周囲空気のみが再生に利用可能である。図３では、プロセス流体の流れは８００ＳＦＰＭ（標準フィート／分）（２４０標準メートル毎分）の速度で領域１を通過し、再生流体の流れは２５０ＳＦＰＭ（７５標準メートル毎分）の速度で領域２を通過する。図３に見られるように、領域１の温度状態と領域２の湿度状態とから、領域１と２の境界は凝縮生成および氷生成の可能性が明らかである。具体的には、再生出口空気は７６．２°Ｆ（約２４．６℃）の露点（１３７グレイン／ポンド）を有し、温度が０°Ｆ（約−１８℃）のプロセス入口空気の隣に位置する。上記の状態において、漏れまたは伝導からの局所冷却により、凍結がすぐに生じる可能性がある。

図４は、分離ループが、図３に示したシステムに付加されている４領域型システムを示している。また、図４では、領域１はプロセス流体の流れを表しており、領域３は再生流体の流れを表しており、領域２と４は分離ループの分離流体の流れを表している。この場合にも、領域１と４の温度状態および湿度状態は、図４の破線矢印で示したように、凍結の可能性が領域１と４の境界に沿ってまだ存在するような状態である。

したがって、図５に示したように、追加の分離ループがシステムに付加される。図５では、領域１はプロセス流体の流れを表しており、領域４は再生流体の流れを表しており、領域２と５は一方の分離ループの分離流体の流れを表しており、領域３と６は他方の分離ループの分離流体の流れを表している。ここで、領域６から出る分離流体の流れの露点は、領域１から出るプロセス流体の流れの温度よりも低いので、凍結または凝縮の可能性が排除されている。

蒸気圧に関する設計基準
２つの空気流領域の境界において、ロータ材料の蒸気圧は激変する。この境界における蒸気圧の差は、典型的に、２つの空気回路の静圧の差または絶対圧の差よりもはるかに大きい。結果として、蒸気流は、ディスクの波状流路の透過性壁にわたって発生する。このことは、米国特許５，６５３，１１５号明細書に示したような空気漏れなしに発生することがある。１つ以上の分離ループを付加して、最も乾燥した空気流と最も湿った空気流とを互いに分離することにより、この水分移動の影響を軽減することができる。蒸気圧の差が、隣接する流体の流れが通過する収着剤材料の領域の間の約１５０Ｐａよりも小さくなるまで、分離ループが付加されることが好ましい。

一例として、従来の２領域型形状を有するロータを考慮すると、図６に示したように、プロセス空気流と再生空気流との間で面積が３：１に分割される。図６では、処理領域が数字の１で表されており、再生領域が数字の２で表されている。再生（領域２）の最後の部分と処理（領域１）の最初の部分とを分離する境界に沿った蒸気圧の差が、図７に示されている。マトリックスの壁部にわたる蒸気圧の差は、非常に大きく、空気流の方向の位置に基づいている。ロータのプロセス出口側においても、マトリックス蒸気圧の定常状態の差は９９５Ｐａ（３８７２Ｐａ−２８７７Ｐａ）である。この場合、ロータから出たばかりの空気は、３１７３Ｐａの蒸気圧、または１４０グレインの水分／ポンドの乾燥空気（ｇｐｐまたはｇｒ（約０．０６４８ｇ）／ＬＢ（約４５３．６ｇ））に釣り合う。この空気は、全プロセス空気流の小さな部分であるが、図６に示した２．２１ｇｐｐの平均出口状態全体の重要な部分である。

収着領域範囲、および空気流の流量を維持しつつ、２つの空気流を分離するために、分離ループが付加された場合、図８に示した結果が得られる。図８では、処理領域が数字の１で表されており、再生領域が数字の３で表されており、分離ループに対応する２つの分離領域が数字の２と４で表されている。図８に示したように、分離ループを付加することにより、最終的に、処理されたプロセス空気の湿度が２．１１ｇｐｐ（−１６．８Ｆ ＤＰ（約−２７．１℃の露点））から０．４９ｇｐｐ（−４２Ｆ ＤＰ（約−４１℃の露点））まで低下するという結果が得られる。

このことは、図９に示したように、領域４と１の境界におけるマトリックス蒸気圧の差を検査することによって明らかにすることができる。分離ループを付加することにより、境界におけるマトリックス蒸気圧の差が、図６と図７の２領域型の場合よりも小さい少なくとも１つの大きさだけ低減されている。それに応じて、空気の湿度比が、領域１の最初の部分の境界のすべての深さ位置で低下し、領域１からの空気の全残留湿度比を２．２１ｇｐｐから０．４９ｇｐｐまで（または−１６．８Ｆ ＤＰから−４２Ｆ ＤＰまで（露点、約−２７．１℃から−４１℃まで））低下させることに寄与する。分離ループを付加することにより、１２２Ｐａまで蒸気圧デルタが低下されており、これは、上記の好ましい１５０Ｐａ範囲内にある。

上記において、領域４と１の境界における蒸気圧の差が検査されており、領域１と２の境界におけるのと同様の有益な結果が得られる。

より小さな蒸気圧差が各領域境界で生じるように、追加の分離ループを付加することによって、性能をさらに向上させることが可能である。例えば、上記の１つのループが、２つの独立したループに分割された場合、各々が元のループのサイズの半分になり、図１０に示したような性能が得られる。図１０では、処理領域が数字の１で表されており、再生領域が数字の４で表されており、第１の分離ループに対応する２つの分離流が数字の３と５で表されており、第２の分離ループに対応する２つの分離流が数字の２と６で表されている。

蒸気圧のより段階的な遷移が領域１と周囲領域２および周囲領域６との境界にほぼわたっているため、追加の分離ループにより、処理された空気の状態が０．４６ｇｐｐから０．３７ｇｐｐまで（または−４２Ｆ ＤＰから−４６．３Ｆ ＤＰまで（露点、約−４１℃から−４３．５℃まで））低下されていることを図１０で見ることができる。

図１１は、図８の４領域型システム対図１０の６領域型システムに関する領域１の最初の部分の空気蒸気圧の差を示している。６領域型システムの追加の分離ループは、４領域型システムと比較して、供給空気境界において蒸気圧を約２０％低下させるだけであるが、供給空気の水分濃度が少なくとも２０％だけ低下するということは重要な因子である。

分離ループを同一サイズにするかまたは正確に対称にすることが不要である。ループの第２の通過の後の温度状態および水分状態（すなわち、プロセス流体の流れに隣接する分離流体の流れ）が領域１に入る空気状態にほぼ等しい場合に、各ループの流速が最適となる。

漏れに関する設計基準
１つの分離閉ループをシステムに加えることにより、空気の漏れがほぼ半分まで低減される。このことは分離ループの閉ループ特性によるものであり、これにより、分離ループが処理領域と再生領域との間の中間点にある絶対圧に釣り合う。

いくつかの用途において、回路の間の漏れを可能な限り最小限に抑えなければならない。低い露点環境（基準ＯＰＧ反応器）にある閉ループ再生によるＶＯＣ濃度または水濃度になる濃度サイクルにおいて、サイクルを効率的に行うためには、蒸気対再生空気流の濃度比を最大にしなければならないので、プロセス流からの脱出は浸透と同様に有害である。ＶＯＣ濃縮装置の場合、濃度比を最大にするようにプロセス回路と再生回路との間の圧力バランスをさらに保証する追加の特別な配慮がなされる。

しかし、図１２に示したように、ロータサイクルの逆流特性によって、圧力低下が、各空気流のためのロータを通して種々の方向に生じるので、２つの流れの間に交差汚染が生じる。この結果、プロセス入口空気が再生出口に流れ、再生入口空気がプロセス出口に流れる。この流れは、ディスクの細い縦溝の壁が透過性であるために生じる。

例えば、図１２は、プロセス流と再生流との間の圧力に関して適切にバランスされている回転収着剤ディスクを通った種々の空気流、すなわち、プロセス流、再生流、およびパージ流の絶対圧を表している。注目できるように、ディスクを通過する空気流が逆流であることにより、多くとも１つの箇所を除いて、２つの流れの間には圧力差が常に存在する。図１３は、流れに対して垂直方向における、標準立方フィート／分／平方フィート（ｓｃｆｍ／ｆｔ^２）を単位としたディスクの漏れまたは透過性を示している。

異なる種類の収着剤媒体に関して典型的である一般的な３つのマトリックス漏れ率が概説されている。典型的に、分子ふるいによるマトリックスは、マトリックスの３つの値とほぼ同様の漏れ率を有する。また、ＭＳ材料が使用され、ここで、水蒸気除去においても、ＶＯＣ除去においても、最小出口濃度が所望されるので、内部漏れの影響が、システム性能に関して現実世界における大きな制約となることに留意されたい。

図１４に示した従来の３領域型システムでは、収着剤マトリックス３０に入るプロセス空気が数字の１で表されており、収着剤マトリックス３０から出るプロセス空気が数字の３で表されており、収着剤マトリックス３０から出るパージ空気が数字の２で表されており、収着剤マトリックス３０に入る再生空気が数字の４で表されており、収着剤マトリックス３０から出る再生空気が数字の５で表されている。図１４の流れ構成ならびに図１２と図１３の圧力値および漏れ値を前提とすると、空気はプロセス入口から再生出口に漏れ、再生入口からプロセス出口に漏れる。マトリックスの３つの媒体に関する所定の曲線および所定の用途では、約１．４ｓｃｆｍ（約０．０３７８標準立方メートル毎分）の再生入口空気がプロセス出口に漏れ、３．５ｓｃｆｍ（約０．０９４５標準立方メートル毎分）の再生入口空気がプロセス回路から再生回路に漏れる。この漏れにより、プロセス出口湿度比が１．４５から１．６５ｇｒ／ｌｂまで増加され、再生出口湿度比が１８６ｇｒ／ｌｂから１８４ｇｒ／ｌｂまで低下される。

プロセス側の残存露点性能はそれほど低下せず、交差回路の漏れにより、凝縮による除去に利用可能な水の量が、この場合最大５％まで著しく低減される。図１４に示した開パージ構造ではなく、分離閉ループを適用することにより、この水分が再収集され、そして交差回路の圧力差が低下する。

分離ループを含む４領域型システムが図１５に示されており、図１５では、収着剤マトリックス３０に入るプロセス空気が数字の１で表されており、収着剤マトリックスから出るプロセス空気が数字の３で表されており、収着剤マトリックス３０のプロセス空気脱出側の分離空気が数字の２で表されており、収着剤マトリックス３０のプロセス空気進入側の分離空気が数字の２ａと２ｂで表されており、収着剤マトリックス３０に入る再生空気が数字の４で表されており、収着剤マトリックスから出る再生空気が数字の５で表されている。図１６は、分離ループが釣り合う相対圧力を示している。グラフにより、分離ループが、交差回路の漏れを低減する性能を有しているということを理解することが極めて容易である。より小さな「漏れ矢印」は、より低い漏れ率を反映している。さらに、分離領域はその最高湿度が同じではなく、したがって、プロセス出口の再生物質および汚染物質の希釈に対する影響を極めて少なくするので、漏れの影響が少なくなる。一方の流体の流れが収着剤材料を通って、隣接する流体の流れに浸透することが、隣接する流体の流れの一方または両方の収着物濃度に約１５％未満だけ、より好ましくは約１０％未満だけ影響を及ぼすまで、分離ループが付加されることが好ましい。

この例はＶＯＣ濃縮装置の例に対応することに留意されたい。除去効率の小さな変化により、ＶＯＣ濃度比の大きな低下が生じる。分離ループが同様に機能して、このようなシステムの濃度比を著しく向上させる。

蒸気「沈殿」の低減
これらのシステムの性能は、収着剤ディスクの種々の領域のために異なる直径を用いることによってさらに向上させることが可能である。上記のように、極端な影響により、収着剤ディスクの除去効率に対して有害な影響が生じる可能性がある。典型的には、この影響は、ディスクの中央および／または縁部における収着剤媒体の不完全な再生、あるいはこれらの範囲の不完全なパージまたは冷却の結果によるものである。また、面シールが利用された場合には、再生領域に隣接して充満しまたプロセス流の処理された空気に侵入することがある蒸気沈殿が生じる。ディスク面ではなく、ディスクのリムをシールするために、周辺シールが使用された場合には、ハウジングの主要部がヒートシンクとして機能することがあり、かなり外側にある乾燥剤材料の完全な再生を妨げる。

これらの影響に抗するために、再生領域および任意の分離領域は、処理領域よりも大きい範囲に収着剤ディスクの周縁に向かって半径方向外側に延在すべきである。さらに好ましくは、分離領域は、再生領域よりも大きい範囲に半径方向外側に延在すべきである。

図１６に示した好ましい実施形態では、再生領域の直径は、収着剤ディスクの周縁の再生が完全になることを保証するために、少なくとも１つのディスク気孔径、すなわち縦溝高さだけ処理領域の直径よりも大きい。分離領域の直径は、１つの気孔サイズだけ再生領域の直径よりも大きい。リムシールが周辺で使用された場合、空気が、処理領域のディスクのかなり外側にある縁部を通って流れるのを防止するように、面シールを設けるべきである。

上記の実施形態は、本発明の好ましい実施形態を表しており、例示目的のために提供されているに過ぎない。上記の実施形態は、本発明の範囲を限定するようには意図されない。特定の形状、特定の構造、特定の状態等について図示および説明してきたが、これらのことに限定されない。修正および変更は本発明の範囲内で意図され、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるように意図される。

本発明による回転ベッド収着システムの好ましい実施形態を示した概略フローチャートである。 本発明による回転ベッド収着システムの他の好ましい実施形態を示した概略フローチャートである。 従来の２領域型回転ベッド収着システムの概略図である。 ４領域型回転ベッド収着システムの概略図である。 ６領域型回転ベッド収着システムの概略図である。 従来の２領域型回転ベッド収着システムの概略図である。 図６に示したシステムの隣接する領域の境界に沿った蒸気圧をプロットしたグラフである。 ４領域型回転ベッド収着システムの概略図である。 図８に示したシステムの隣接する領域の境界に沿った蒸気圧をプロットしたグラフである。 ６領域型回転ベッド収着システムの概略図である。 図８と図１０に示したシステムの蒸気圧を比較したグラフである。 ロータ深さの関数として圧力低下をプロットしたグラフである。 典型的なマトリックス漏れ値のグラフである。 ３領域型回転ベッド収着システムの概略フローチャートである。 ４領域型回転ベッド収着システムの概略フローチャートである。 図１５に示したシステムに関するロータ深さの関数として圧力低下をプロットしたグラフである。 本発明による４領域型回転ベッド収着システムの好ましい形状の概略図である。 ホッパドライヤ収着ユニットの概略フローチャートである。

Claims (5)

1. 収着ベッドシステムを設計する方法において、
   収着ベッドシステムは、設計の初期段階では、再生可能な所定体積の吸着剤材料の塊が、プロセス流体の流れと再生流体の流れとがそれぞれ通過する隣接する区域を交互に通過するように、前記吸着剤材料の塊が回転されるものであり、
   （ａ）（ｉ）前記プロセス流体及び再生流体の流れ一方の温度が、近隣の他方の流体の流れの露点以下である基準と、
   （ｉｉ）前記吸着剤材料の塊が通過する前記プロセス流体の流れの区域と前記再生流体の流れの区域とにおいて、前記プロセス流体の流れの蒸気圧と前記再生流体の流れの蒸気圧との間に少なくとも１５０Ｐａの差がある基準と、
   （ｉｉｉ）隣接する流体の流れの間の絶対圧の差が、前記収着ベッドシステムのシール構造の設計圧力を超えている基準と、
   （ｉｖ）前記プロセスの流れ及び前記再生流体の流れの何れか一方の前記吸着材材料内での被吸着物の浸透により、前記プロセス流体又は前記再生流体に隣接する流体の流れの一方又は双方の前記吸着剤材料から流出するときの被吸着物の濃度が、吸着剤材料に流入する際に比して、１０％以上増加又は減少している基準、
   から選択された少なくとも１つの基準を満たしているかどうかを判断するステップと、
   （ｂ）前記ステップ（ａ）において、少なくとも１つの基準を満たしていると判断された場合に、他方の流体の流れとは分離して閉ループで再循環する分離流体の流れを前記システムに付加するステップであって、前記所定の体積の収着剤材料の塊が、動作サイクルで、前記分離流体の流れを２回通過させ、すなわち、前記プロセス流体の流れの前および前記再生流体の流れの後に１回、ならびに前記プロセス流体の流れの後および前記再生流体の流れの前に１回通過させるように、前記分離流体の流れが構成されるステップと、
   （ｃ）前記ステップ（ａ）において前記少なくとも１つの基準を満たさなくなると判断されるまで、前記ステップ（ａ）と（ｂ）を繰り返すステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記ステップ（ａ）において、基準（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、および（ｉｖ）の各々を満たしているかどうかが判断され、前記ステップ（ｂ）において、基準（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、および（ｉｖ）のいずれかが満たされた場合に分離流体の流れが付加されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ステップ（ａ）において、（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、および（ｉｖ）から選択された複数の基準を満たしているかどうかが判断され、前記ステップ（ｂ）において、前記選択された複数の基準が満たされた場合に分離流体の流れが付加されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記ステップ（ｂ）において、前記所定の体積の収着剤材料の塊が、動作サイクルで、分離流体の流れを２回通過させ、すなわち、前記プロセス流体の流れの直前に１回、および前記プロセス流体の流れの直後に１回通過させるように、前記分離流体の流れが構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記ステップ（ｂ）において、前記所定の体積の収着剤材料の塊が、動作サイクルで、前記分離流体の流れを２回通過させ、すなわち、前記再生流体の流れの直前に１回、および前記再生流体の流れの直後に１回通過させるように、前記分離流体の流れが構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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