JP2014509556A - ガスを分離するための急速温度スイング吸着接触器 - Google Patents

Abstract

ガス分離用途および熱交換用途での温度スイング吸着に使用するための新規な吸着剤接触器および方法が本明細書に開示される。

Description

（発明の分野）
本発明は、新規な吸着剤接触器（又は吸着接触器）、およびガス分離用途での温度スイング吸着におけるそれらの使用方法に関する。

（発明の背景）
ガスの分離は、多くの産業において重要であり、混合物のより容易に吸着される成分を、あまり容易に吸着されない成分に対して優先的に吸着する吸着剤上にガス混合物を流すことによって通常は行うことができる。より重要な種類のガス分離技術の１つが、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）などのスイング吸着である。ＰＳＡプロセスは、加圧下でガスが、ミクロ多孔性の吸着材料（又は吸着剤材料）の細孔構造中、またはポリマー材料の自由体積中に吸着されやすいことを利用している。圧力が高いほど、多くの量のより容易に吸着される成分が吸着される。圧力を低下させると、吸着した標的成分が放出され、すなわち脱着（又は脱離）される。ガスが異なると吸着剤のミクロ孔を満たす傾向も異なるため、ＰＳＡプロセスを用いてガス混合物のガスを分離することができる。

もう１つの重要なガス分離技術は温度スイング吸着（ＴＳＡ）である。ＴＳＡプロセスでも、加圧下でガスが、ミクロ多孔性の吸着材料の細孔構造中、またはポリマー材料の自由体積中に吸着されやすいことを利用している。ＴＳＡプロセスの主要な問題の１つは、標的ガス材料が吸着すると、吸着中に生じる発熱のために床の熱が増加することである。床の全体の吸着効率および生成される生成物の純度を最適化するために、この温度上昇の制御が非常に重要となる。吸着剤の温度を上昇させると、吸着したガスが放出され、すなわち脱着（又は脱離）される。吸着床の温度を周期的に変化させることで、ガス混合物中の１種類以上の成分に選択的な吸着剤を用いた場合に、ＴＳＡプロセスを用いて混合物中のガスを分離することができる。

プロセスの再生サイクルのために吸着剤に熱を供給する種々の方法が提案されている。このようなものとしては、マイクロ波エネルギー（特許文献１）、吸着器の充填吸着床の内側への電気ヒーターの取り付け（特許文献２）、および電気収着のための吸着器への電流の直接使用（特許文献３）が挙げられる。しかし、従来の多くのＴＳＡプロセスは、サイクル時間が非常に長く、多くの場合１２時間の長さとなる。

米国特許第４，３１２，６４１号明細書 米国特許第４，２６９，６１１号明細書 米国特許第４，０９４，６５２号明細書

ＴＳＡは、圧力の代わりにガス混合物の温度を変化させることによって、圧縮コストを最小限にできたり、さらには回避できたりするという利点を有する。ＴＳＡの別の利点は、吸着等温線が温度による強い影響を受けることである。したがって、低温（吸着が強い）で不純物を吸着することによって、非常に高純度の生成物を得ることができ、脱着（又は脱離）のための高温によって、強く保持された不純物種を放出することができる。しかし、既存のＴＳＡ装置および方法は、いくつかの欠点を有する。たとえば、所望の分離を行うのに十分な温度範囲にわたって吸着床を変化させる時間は、比較的長くなることがあり、これは装置を大型にする必要があり、その結果、経済的な魅力がないことを意味する。さらに、当技術分野において適切に機能する吸着剤接触器の構成は複雑な設計となることが多く、設計および製造に費用がかかる。したがって、より短いサイクル時間となることができ、容易に入手可能な材料から製造され、それによってＴＳＡプロセスを経済的により魅力的にするＴＳＡハードウェア構成要素が当技術分野において必要とされている。

（発明の要旨）
本明細書中、本発明の好ましい一実施形態は、入口端および出口端を含んで構成される温度スイング吸着剤接触器（又は吸着接触器）であって、さらに、
ｉ）前記接触器の前記入口端を前記出口端に流体接続する長さを有する複数の開放フローチャネル（又はオープンフローチャネル）であって、前記少なくとも１つの開放フローチャネルの少なくとも１つの壁が吸着材料（又は吸着剤材料）を含んで構成される開放フローチャネルと、
ｉｉ）前記吸着材料に接触し、それを支持する少なくとも１つの支持層と、
ｉｉｉ）前記少なくとも１つの支持層に接触し、それによって支持される複数のマイクロチューブと
を含む温度スイング吸着剤接触器を包含することができる。

ある好ましい実施形態においては、前記吸着剤接触器は、少なくとも２つの支持層を含むことができ、前記支持層は、前記開放フローチャネルの長さに対して垂直な面で見た場合に、それぞれが実質的に平坦（又はフラット）であってよく、そして互いに対して実質的に平行であってよい。さらに、またはこれとは別に、前記吸着剤接触器は、前記開放フローチャネルの長さに対して垂直な面で見た場合に、螺旋状に巻き付けられている少なくとも１つの支持層を含んで構成されてよい。

さらにこれに加えて、またはこれとは別に、本明細書に記載の吸着剤接触器は、０．２０ｍｍ〜２ｍｍの内径を有するマイクロチューブを含むことができる。

本発明のさらなる好ましい一実施形態は、少なくとも１種類の標的ガス成分を含有する供給ガス混合物（又はフィードガス混合物）から汚染ガス成分（又はコンタミナントガス成分）を分離するためのスイング吸着方法であって、
ａ）前記供給ガス混合物を、少なくとも入口端および出口端を有する温度スイング吸着剤接触器に通すこと（又は工程もしくはステップ）であって、前記吸着剤接触器が、さらに、
ｉ）前記接触器の前記入口端を前記出口端に流体接続する長さを有する複数の開放フローチャネルであって、前記少なくとも１つの開放フローチャネルの少なくとも１つの壁が吸着材料を含んで構成される開放フローチャネルと、
ｉｉ）前記吸着材料に接触し、それを支持する少なくとも１つの支持層と、
ｉｉｉ）前記少なくとも１つの支持層に接触し、それによって支持される複数のマイクロチューブと
を含むこと（又は工程もしくはステップ）と、
ｂ）前記供給ガス混合物の少なくとも一部を前記開放フローチャネルを通して流すこと（又は工程もしくはステップ）と、
ｃ）吸着サイクル中、前記標的ガスの少なくとも一部を前記吸着材料に吸着させること（又は工程もしくはステップ）と、
ｄ）第１の生成物ストリーム（又はプロダクトストリーム）を前記出口端から回収すること（又は工程もしくはステップ）であって、前記第１の生成物ストリームが、前記供給ガス混合物よりも低いｍｏｌ％の前記標的ガス成分を含むこと（又は工程もしくはステップ）と、
ｅ）脱着サイクル中、加熱用流体を、前記マイクロチューブの少なくとも一部に通し、それによって前記吸着材料中の前記標的ガスの少なくとも一部を脱着させて、第２の生成物ストリーム（又はプロダクトストリーム）を形成すること（又は工程もしくはステップ）と
を含む方法を包含することができる。

ある好ましい方法の実施形態においては、前記供給ガス混合物はメタンおよびＣＯ_２を含むことができ、ＣＯ_２が前記標的ガス成分であってもよい。

さらに、以下は、本出願に関連し、それらの関連する開示であるため、それらの全体が参照により本明細書に援用される：それぞれ２０１１年３月１日に出願された、米国特許出願第６１／４４７，８０６号明細書、米国特許出願第６１／４４７，８１２号明細書、米国特許出願第６１／４４７，８２４号明細書、米国特許出願第６１／４４７，８３５号明細書、米国特許出願第６１／４４７，８４８号明細書、米国特許出願第６１／４４７，８６９号明細書、および米国特許出願第６１／４４７，８７７号明細書、ならびにそれらに対する優先権を主張して出願された７件の米国非仮特許出願。さらに、以下は、本出願に関連し、それらの関連する開示であるため、それらの全体が参照により本明細書に援用される：それぞれ２０１１年３月１日に出願された、米国特許出願第６１／４４８，１１７号明細書、米国特許出願第６１／４４８，１２０号明細書、米国特許出願第６１／４４８，１２１号明細書、米国特許出願第６１／４４８，１２３号明細書、および米国特許出願第６１／４４８，１２５号明細書、２０１２年２月３日に出願された米国特許出願第６１／５９４，８２４号明細書、およびＲｏｂｅｒｔ Ｆ．Ｔａｍｍｅｒａらによる本出願と同日に出願された「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｈａｖｉｎｇ ａ Ｒｏｔａｒｙ Ｖａｌｖｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ａｎｄ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｔｈｅｒｅｔｏ」と題される出願、ならびにそれらに対する優先権を主張して出願されたあらゆるＰＣＴ出願および米国非仮特許出願。

図１は、らせん巻きの支持部材の層で構成され、層の間に入れられた複数のマイクロチューブを有する、らせん巻きの円筒形のスイング吸着接触器の図である。 図２は、図１の吸着剤接触器の断面の図であり、複数のマイクロチューブが間に存在する複数の支持層、および支持層とマイクロチューブとの間に入れられた吸着材料とを示している。吸着材料中の複数のガスチャネルも示されている。 図３は、本発明の好ましい接触器の１つの単位または区画を示す本発明の別の一実施形態である。この図は、１組の支持層の間の複数のマイクロチューブを示しているが、支持層の反対側の上に吸着材料を有し、マイクロチューブとは接触していない。個別の組を分離し、複数のガスチャネルの大きさを画定するためにスペーサーが使用される。 図４は、図３の吸着剤接触器の層の複数の組の図である。 図５は、本発明の別の好ましい一実施形態の１つの単位の図であり、前記支持層の一方の側に複数のマイクロチューブを有し他方の側に吸着材料を有する１つの支持層が提供されている。 図６は、複数の図５の単層構造で構成される吸着剤接触器の断面である。 図７は、本発明の吸着剤接触器の別の一実施形態の図であり、各支持層が、一連の交互の隆起および溝を有する波形（又はうね状）であり、溝の少なくとも一部がマイクロチューブで占められている。吸着材料、および層の間の吸着剤によって画定されるガスチャネルも示されている。 図８は、図７に示される構造の複数の単位で構成される本発明の吸着剤接触器の図である。 図９は、本発明の層状吸着剤接触器の別の一実施形態である。この実施形態は、１つの支持層で構成され、その上に複数のマイクロチューブが設けられている。マイクロチューブを含む表面全体が吸着材料で覆われている。 図１０は、本明細書の図９に示される構造の複数の単位で構成される本発明の別の好ましい吸着剤接触器の図である。 図１１は、図９の複数の接触器層とともに好適な寸法の複数のスペーサーを使用する吸着剤接触器の図である。 図１２は、本発明の円筒形の吸着剤接触器組立体の図であり、接触器の両端の末端キャップ配列が示されており、末端キャップの中には、接触器の端から延在するマイクロチューブが封入されている。この末端キャップ配列によって、加熱／冷却用流体が、供給ガス混合物および生成ガスストリームから離れて維持される。 図１３のＡ〜Ｂは、比較的に急勾配の（又は急カーブ、鮮明もしくはシャープな）熱波を生成可能な本発明による装置の写真（それぞれ装置の全体図、および基準となる鉛筆を有する端面図）である。 図１４のＡ〜Ｅは、約１０、約２０、約４０、約６０、および約８０ｍＬ／分の流体流量で熱波を移動させるための実施例１の装置の能力のプロットである。

（実施形態の詳細な説明）
本明細書における詳細な説明および特許請求の範囲におけるすべての数値は、記載の値が「約」または「おおよそ」で修飾され、当業者によって予想される実験誤差およびばらつきが考慮される。

本発明は、天然ガスストリームなどのガス混合物からＣＯ_２などの標的ガスを捕捉可能な温度スイング吸着プロセス中に使用するための新規な吸着剤接触器に関する。用語「吸着接触器」および「吸着剤接触器」は本明細書において同義で使用されることに留意されたい。本発明の吸着接触器は、吸着ステップと、熱によって補助される脱着／再生ステップとの少なくとも２つのステップを介して繰り返しサイクルされる少なくとも１つの接触器を使用するＴＳＡプロセスにおいて使用される。本明細書に記載の方法における吸着接触器の再生は、吸着ステップ中に吸着剤により吸着した標的成分の少なくとも一部、好ましくは実質的にすべてが脱着するのに有効な温度まで接触器の温度を上昇させることにより実現することができる。次に接触器は、別の吸着ステップを行えるように冷却することができる。好ましい一実施形態においては、熱スイング吸着プロセスは、急速サイクルで行うことができ、その場合、急速サイクル熱スイング吸着（ＲＣＴＳＡ）プロセスと呼ばれる。本発明の目的での温度スイング吸着プロセスの全サイクル時間は、連続する吸着ステップの開始の間の全体の時間として定義される。この場合の好ましい実施形態においては、全サイクル時間は、３０分以下、たとえば、１０秒〜２０分の間、１０秒〜１５分の間、１０秒〜１０分の間、または１０秒〜５分の間であってよい。サイクル時間は、好都合には、所望の純度およびパーセント回収範囲を実現するためにできるだけ速くてよいものと理解されたい。ある実施形態においては、急速サイクル時間の最終目標は１０秒〜６０秒とすることができる。本発明の方法の熱再生ステップは、分圧パージ置換、またはさらには圧力スイングを用いて補助することができる。再生ステップ中のある段階で吸着剤に誘導される入熱、好ましくは吸着剤の温度上昇が使用されるステップが用いられるのであれば、これらの方法の組み合わせを本明細書では温度スイングプロセスと呼ぶ。

あらゆるスイング吸着プロセスにおいて、最初のステップは吸着ステップである。吸着ステップでは、ガス混合物の１種類以上の成分は、吸着剤接触器を流れるときに、供給ガス混合物から床（または構造化吸着剤）上に吸着されることで除去することができる。これらの吸着された成分は、本明細書においては強吸着成分、標的ガス成分、または汚染ガス成分（又はコンタミナントガス成分）と呼ばれ、これらは、本発明の温度スイング吸着プロセス全体の吸着サイクル（または「ステップ」）中に吸着すると熱を放出する傾向がある。吸着しない成分は、弱吸着成分と呼ばれ、これらは、強吸着成分がなくなった吸着ステップからの生成物として、ほとんどが接触器を通過する傾向にある。好ましい効率的に設計された本発明の接触器では、接触器の物質移動および熱管理は、強吸着成分が、比較的に急勾配の（又は急カーブ、鮮明もしくはシャープな）濃度フロントとして接触器を通過するのに十分となることができる。本発明の好ましい実施形態においては、吸着サイクル／ステップは、先端が吸着床末端を通過するよりかなり前に停止することができる。

本発明の好ましい一実施形態においては、熱波を生成できる方法で接触器と吸着剤とを組み合わせることで熱交換構造が得られる。熱波吸着（ＴＷＡ）においては、吸着剤をある組の熱交換器チャネル中に配置することができ、一方、別の組のチャネルは、吸着装置に熱を送り込むおよび／または吸着装置から熱を取り出すために使用することができる。吸着剤および加熱／冷却用チャネルの中を流れる複数の流体および／またはガスは、一般に互いに接触しない。好ましくは、サイクル中の加熱および冷却ステップ中の吸着剤と、加熱および冷却用流体との両方に比較的に急勾配の（又は急カーブ、鮮明もしくはシャープな）温度波が得られるように、加熱／熱除去チャネルを設計し動作させることができる。比較的に急勾配の熱波を生成できる接触器の一例は、本発明による接触器である。

吸着ステップにおける供給流の方向に対して並流または向流で加熱および冷却用流体が流される場合に、このような接触器中で熱波を生成することができる。多くの場合、吸着ステップ中に加熱または冷却用流体の有意な流れを有さないことが好ましくなりうる。熱波吸着（ＴＷＡ）および他の適切な接触器構造のより包括的な説明は、たとえば、米国特許第７，９３８，８８６号明細書（参照により本明細書に援用される）に見ることができる。この参考文献は、熱波の鋭さおよび性質を制御するための、接触器の設計および操作の方法を示している。重要な操作パラメータとしては、接触器中の流体速度を挙げることができる。重要な設計パラメータとしては、接触器の質量、ならびに接触器の形成に使用される材料および伝熱流体の熱容量および熱伝導率を挙げることができる。接触器のさらなる重要な設計の目的として、熱が伝達される距離を短縮／最小限にする１つ以上の方法を見いだすことを挙げることができ、これが比較的に急勾配の熱波が望ましくなりうる理由である。

好ましい一実施形態においては、加熱ステップ中、生成される接触器の端部よりも１０℃以下で高い温度の流体の体積は、加熱のため接触器中に導入される流体の体積の少なくとも２５％（たとえば、少なくとも５０％または少なくとも７５％）となることができる。同様に、熱波を得るために本発明が実施される場合、冷却ステップ中、低温流体（加圧水など）を接触器中に流すことができ、回収ステップの終了時に接触器の温度付近の高温流体を接触器から流し出すことができると好ましくなりうる。大部分の回収ステップは、接触器が加熱された後で一般に行うことができる。したがって、これに加えて、またはこれとは別に、冷却ステップ中、生成される接触器の端部よりも１０℃以下で低い温度の流体の体積は、冷却のため接触器中に導入される流体の体積の少なくとも２５％（たとえば、少なくとも５０％または少なくとも７５％）となることができる。

本発明による装置中で熱波を効率的に利用するための方法の１つは、熱回収の方法であってよい。回収したエネルギーは、接触器の加熱および冷却のため、連続プロセスに必要な多数の接触器の異なる接触器のため、および／または他のあらゆる目的のためのエネルギー要求を減少させるために使用することができる。より具体的には、冷却ステップ中に接触器を出る高温ストリーム中に含まれるエネルギーは、加熱ステップ中に供給する必要があるエネルギーを減少させるために利用することができる。同様に、加熱ステップ中に接触器を出る低温ストリームは、冷却ステップ中に接触器に供給される低温流体に供給する必要があるエネルギーを減少させるために利用することができる。エネルギーを取り戻す方法は多数存在する。たとえば、１つの接触器から流出した高温熱流体を別の接触器に送って、それらの加熱を調節することができ、および／または１つの接触器から流出した低温流体を別の接触器に送って、それらの間の加熱を調節することができる。接触器間の熱流体の流路は、全体のスイング吸着サイクルの適切な時点で接触器間の熱流体の経路を決めるために調節される弁によって決定することができる。熱流体が接触器の間で流れる実施形態においては、熱流体は、流れる熱流体に熱を加える、または熱流体から熱を除去する熱交換器に流すこともできるし、および／または所望の速度で接触器に流すことができるように加圧するコンプレッサ、ポンプ、および／またはブロアなどの装置に流すこともできる。１つの接触器を移動する熱波からのエネルギーを貯蔵できるように蓄熱媒体を構成することができる。非限定的な例は、高温流体および低温流体を別々に貯蔵するタンクシステムであり、これによって、各流体を生成した接触器に戻したり、および／または別の接触器に供給したりすることができる。多くの実施形態においては、接触器を通過する流体の全体的な流れの方向での流体の混合を最小限にし、温度波の鋭さに対する流体の熱伝導率の影響を最小限にするように、接触器を通過する熱流体の流れを配置することができる。

エネルギーが回収される場合、接触器の加熱および冷却のために供給する必要がある顕熱の量を減少させるために、回収されたエネルギーが使用されることが好ましい場合がある。顕熱は、接触器の熱容量および温度上昇（または低下）によって測定される。ある好ましい実施形態においては、接触器の加熱に必要な顕熱の少なくとも６０％（たとえば、少なくとも８０％または少なくとも９５％）が取り戻され、および／または、接触器の冷却に必要な顕熱の少なくとも６０％（たとえば、少なくとも８０％または少なくとも９５％）が取り戻される。

本発明は、本明細書の図面を参照することによってより十分に理解することができる。これらの図面は、本発明の新規な吸着剤接触器の種々の好ましい実施形態を表している。これらの実施形態のそれぞれの構造は、非常に小さい直径の管の使用に基づいており、これらの管を本明細書では「マイクロチューブ」と呼んでいる。用語「マイクロチューブ」は、０．２０ｍｍ〜２ｍｍの範囲、たとえば０．２５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲の内径を有する管を意味する。マイクロチューブは、一般に低体温（ｈｙｐｏｔｈｅｒｍｉｃ）の管材料と類似の構造を有することができる。本発明のマイクロチューブは、ＴＳＡプロセスに使用される場合にさらされる気体環境ならびに圧力および温度スイングに耐えることができる完全性を有する限りは、あらゆる好適な材料から製造することができる。本発明のマイクロチューブを製造できる材料の非限定的な例としては、金属（ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケルなど、ならびにそれらの組み合わせまたは合金など）；ポリマー材料；炭素；ガラス；セラミック；ならびにそれらの組み合わせおよび複合材料を挙げることができる。ある実施形態においては、金属製マイクロチューブ、特にステンレス鋼および／またはアルミニウムで構成されるマイクロチューブが好ましい場合がある。マイクロチューブの長さは、吸着剤接触器の所望の全長に依存して変動させることができる。冷却／加熱用流体を運搬するマイクロチューブは、供給ガス混合物の流れと実質的に平行に配置することが好ましい場合があり、マイクロチューブを、供給ガスの流れの方向に対して実質的に垂直またはその他のあらゆる好適な角度で配列することはあまり好ましい方式となる場合がある。

あらゆる好適な加熱用または冷却用流体をマイクロチューブ中に通すことができるが、水が好都合な加熱／冷却用流体となりうる。本発明のある実施形態においては、吸着プロセスの少なくとも一部の間に管を加熱／冷却用流体の少なくとも一部が通過することが好ましくなりうるが、典型的（理想的）な運転パラメータが選択されるのであれば、吸着中に流体が必ずしもマイクロチューブを流れる必要はなく、静止状態で維持できることも本発明の範囲内となる。好適な設計のシステムにおいて、マイクロチューブ中に含まれる冷却用流体の存在によって、好都合には、吸着剤接触器の全熱容量が増加して、吸着中の温度上昇を効果的に狭い範囲に制限することができる。マイクロチューブを通過する冷却／加熱用流体は、開放吸着剤チャネルに流入し、通過し、流出する供給ガス混合物および生成ガスから一般に隔離して維持できることを理解されたい。これは、接触器の各末端に好適なマニホルドを有することで、冷却／加熱用流体が収集されて冷却／加熱用流体サイクルの次のステップに送られることなどのあらゆる好適な手段によって行うことができる。

本明細書に記載の接触器の説明を単純化するために、本明細書においてこれらは、開放吸着剤チャネルおよび加熱／冷却用流体チャネルが、接触器中で互いに実質的に平行に配向される場合と、それぞれの開放吸着剤チャネルおよび加熱／冷却用流体チャネルの入口端および出口端が、実質的に反対の端部上で接触器中で配向し、それによって供給ガスおよび加熱／冷却用流体が、接触器の一方の端部から他方の端部まで互いに実質的に平行に通過する場合とで説明することができる。しかし、本明細書において特に制限しない限り、本開示の接触器は、本明細書において特により詳細に開示される接触器の明らかな変形である「非平行の」チャネルおよび／または管を考慮している。単純にするため、平行板構成（すなわち、別個の吸着剤層およびチャネルが実質的に平坦で互いに平行に配向する場合）およびらせん巻き構成（すなわち、製造プロセス中に別個の吸着剤層およびチャネルが実質的に平坦に配向され、次に最終的な螺旋状の層構成に「巻き付けられる」場合）の両方について、本明細書でより詳細に議論する。さらに、単純にするためと、これら２つの特殊な設計構成の有効性のため、これらは、本発明の吸着剤接触器設計の好ましい（しかし限定的ではない）実施形態である。

マイクロチューブの支持体は、あらゆる好適な材料および／またはあらゆる好適な構造で構成されることができ、多孔質でも非多孔質でもよい。支持体は、全体が吸着材料で構成されてもよいし、全体が（比較的）非吸着性の材料で構成されるが、吸着材料を層として含む、支持体の構造中に埋め込まれるなど、あるいはそれらの組み合わせまたは変形であってもよい。たとえば、支持体は、繊維織布または繊維メッシュであってよく、繊維の少なくとも一部が吸着材料で構成され、残りの部分が非吸着性材料で構成される。吸着材料は、支持材料中に埋め込まれたゼオライト結晶で構成されてもよい。本発明の支持層のための好適な組立構造の非限定的な例としては、フィルム、箔、繊維布、金網メッシュ、ポリマー膜、および表面処理された材料、特に表面処理された金属箔、あるいは以上のいずれかの組み合わせまたは複合材料が挙げられる。支持層の厚さは、あらゆる有効厚さを有することができる。「有効厚さ」は、その厚さが、らせん巻き構造、層状の非らせん状構造などの吸着接触器の意図する全体構造でのプロセス条件下で必要な少なくとも最低限の完全性を得ることができるであろうことを意味する。

支持体が全く吸着性を有さない場合は、支持材料の上または内部に少なくとも有効量の吸着材料を組み込むためのあらゆる好適な処理技術によって処理することができる。本発明の支持体に吸着材料を塗布するための非限定的な処理技術としては、ウォッシュコーティング技術、合成溶液から支持体上に直接吸着材料を堆積するその場結晶化方法、ドクターブレード法、スプレー、電着などを挙げることができる。これらの技術のすべては当業者に周知であり、したがってこれらの技術の具体的な詳細については本明細書では議論しない。本発明の接触器の実施形態においては、ウォッシュコーティングが好ましい技術となりうる。ウォッシュコーティングは、典型的には支持体上への直接堆積を含み、たとえば、参考文献（Ｓ．Ｌ．Ｓｕｉｂ，Ｃ−Ｌ Ｏ’Ｙｏｕｎｇ，“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｐｏｒｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”，Ｍ．Ｌ．Ｏｃｃｅｌｌｉ，Ｈ．Ｋｅｓｓｌｅｒ，ｅｄｓ，Ｍ．Ｄｅｋｋｅｒ，Ｉｎｃ．，ｐ．２１５，１９９７を参照されたい）に記載の操作手順を用いて吸着相をコーティングすることは、当業者には周知である。

典型的なウォッシュコーティングプロセスの１つは、スラリー調製（たとえば、モレキュラーシーブ粒子、好適なバインダー、および場合により増粘剤）、平塗りまたは浸漬によるスラリー塗布、乾燥、および焼結を伴う。未乾燥のコーティングが形成された後、乾燥させ、比較的高温（たとえば、３００℃〜６００℃）で焼結させて、コーティング成分間の結合およびコーティングと支持体方面の間の接着を形成する必要がある。このような高温処理では、下にある合金の性質に悪影響が生じる場合があるので、注意すべきである。

コーティングされる支持体は、通常、互いに反対側の２つの表面を有し、これらの表面の片方または両方に吸着材料をコーティングすることができる。基材支持体に、塗布された吸着剤および／または他の材料（乾燥剤、触媒など）を加えた厚さは、本発明の好ましい実施形態においては、約１０ミクロン〜約２０００ミクロン、たとえば約１５０ミクロン〜約３００ミクロンの範囲となりうる。

本発明による装置は、従来の熱交換器／吸着剤支持体装置とは区別される設計の特徴を有することができることを、当業者は理解すべきである。ミニチューブおよび箔の設計は、熱交換または吸着剤支持のための表面積を効率的に利用し最大化することができ、系の質量および／または全体的な顕熱要求を減少させ最小限にすることができる。さらに、比較的に高い圧壊強度および破裂強度を伴う、加熱用および冷却用流体が収容される非常に小さい直径の管を使用することで、供給流体と伝熱流体との間で比較的高い圧力差を有する接触器／熱交換器の使用が可能となる。このような比較的高い圧力差は、少なくとも１００ｐｓｉ、たとえば少なくとも２００ｐｓｉ、少なくとも３００ｐｓｉ、少なくとも４００ｐｓｉ、または少なくとも５００ｐｓｉであってよい（たとえば、約１００ｐｓｉ〜約２０００ｐｓｉ、約２００ｐｓｉ〜約２０００ｐｓｉ、約３００ｐｓｉ〜約２０００ｐｓｉ、約４００ｐｓｉ〜約２０００ｐｓｉ、約５００ｐｓｉ〜約２０００ｐｓｉ、約１００ｐｓｉ〜約１５００ｐｓｉ、約２００ｐｓｉ〜約１５００ｐｓｉ、約３００ｐｓｉ〜約１５００ｐｓｉ、約４００ｐｓｉ〜約１５００ｐｓｉ、約５００ｐｓｉ〜約１５００ｐｓｉ、約１００ｐｓｉ〜約１０００ｐｓｉ、約２００ｐｓｉ〜約１０００ｐｓｉ、約３００ｐｓｉ〜約１０００ｐｓｉ、約４００ｐｓｉ〜約１０００ｐｓｉ、約５００ｐｓｉ〜約１０００ｐｓｉ、約１００ｐｓｉ〜約７００ｐｓｉ、約２００ｐｓｉ〜約７００ｐｓｉ、約３００ｐｓｉ〜約７００ｐｓｉ、約３００ｐｓｉ〜約７００ｐｓｉ、約１００ｐｓｉ〜約５００ｐｓｉ、約２００ｐｓｉ〜約５００ｐｓｉ、または約３００ｐｓｉ〜約５００ｐｓｉの範囲となることができる）。さらに、またはこれとは別に、比較的高い圧力の天然ガス供給材料などのガス（たとえば、約１００ｐｓｉｇ〜約２０００ｐｓｉｇ、約２００ｐｓｉｇ〜約２０００ｐｓｉｇ、約３００ｐｓｉｇ〜約２０００ｐｓｉｇ、約４００ｐｓｉｇ〜約２０００ｐｓｉｇ、約５００ｐｓｉｇ〜約２０００ｐｓｉｇ、約１００ｐｓｉｇ〜約１５００ｐｓｉｇ、約２００ｐｓｉｇ〜約１５００ｐｓｉｇ、約３００ｐｓｉｇ〜約１５００ｐｓｉｇ、約４００ｐｓｉｇ〜約１５００ｐｓｉｇ、約５００ｐｓｉｇ〜約１５００ｐｓｉｇ、約１００ｐｓｉｇ〜約１０００ｐｓｉｇ、約２００ｐｓｉｇ〜約１０００ｐｓｉｇ、約３００ｐｓｉｇ〜約１０００ｐｓｉｇ、約４００ｐｓｉｇ〜約１０００ｐｓｉｇ、約５００ｐｓｉｇ〜約１０００ｐｓｉｇ、約１００ｐｓｉｇ〜約７００ｐｓｉｇ、約２００ｐｓｉｇ〜約７００ｐｓｉｇ、約３００ｐｓｉｇ〜約７００ｐｓｉｇ、約３００ｐｓｉｇ〜約７００ｐｓｉｇ、約１００ｐｓｉｇ〜約５００ｐｓｉｇ、約２００ｐｓｉｇ〜約５００ｐｓｉｇ、または約３００ｐｓｉｇ〜約５００ｐｓｉｇの範囲）を箔層の間に形成されるガスチャネルに流すことができ、一方、比較的低い圧力の水（たとえば、約７５ｐｓｉｇ未満、約６０ｐｓｉｇ未満、約５０ｐｓｉｇ未満、約４０ｐｓｉｇ未満、約３０ｐｓｉｇ未満、約２０ｐｓｉｇ未満、約１５ｐｓｉｇ未満、約１０ｐｓｉｇ未満、約５ｐｓｉｇ未満、約１ｐｓｉｇ〜約７５ｐｓｉｇ、約５ｐｓｉｇ〜約７５ｐｓｉｇ、約１０ｐｓｉｇ〜約７５ｐｓｉｇ、約１５ｐｓｉｇ〜約７５ｐｓｉｇ、約２０ｐｓｉｇ〜約７５ｐｓｉｇ、約３０ｐｓｉｇ〜約７５ｐｓｉｇ、約４０ｐｓｉｇ〜約７５ｐｓｉｇ、約１ｐｓｉｇ〜約６０ｐｓｉｇ、約５ｐｓｉｇ〜約６０ｐｓｉｇ、約１０ｐｓｉｇ〜約６０ｐｓｉｇ、約１５ｐｓｉｇ〜約６０ｐｓｉｇ、約２０ｐｓｉｇ〜約６０ｐｓｉｇ、約３０ｐｓｉｇ〜約６０ｐｓｉｇ、約１ｐｓｉｇ〜約５０ｐｓｉｇ、約５ｐｓｉｇ〜約５０ｐｓｉｇ、約１０ｐｓｉｇ〜約５０ｐｓｉｇ、約１５ｐｓｉｇ〜約５０ｐｓｉｇ、約２０ｐｓｉｇ〜約５０ｐｓｉｇ、約３０ｐｓｉｇ〜約５０ｐｓｉｇ、約１ｐｓｉｇ〜約４０ｐｓｉｇ、約５ｐｓｉｇ〜約４０ｐｓｉｇ、約１ｐｓｉｇ〜約２５ｐｓｉｇ、約５ｐｓｉｇ〜約２５ｐｓｉｇ）を伝熱チャネル管中に流すことができる。これに加えて、またはこれとは別に、必要ではないが、管および箔は互いに良好な熱的接触を有することが好ましい場合があり、そのためにこれらは、伝熱速度の増加および構造の強化の両方のために少なくとも一部の位置で互いにろう付け、溶接、またははんだ付けすることができる。

部分的には、装置の表面積当たり比較的小さい質量のためと、熱交換流体の間および／または伝熱流体と本発明の吸着剤との間の伝熱距離が比較的短いために、本発明の装置は好都合には、熱スイング吸着に使用する場合に比較的速い温度スイングが可能となり、熱交換に使用する場合には比較的に低い到達温度が可能となる。さらに、本発明の装置は、吸着剤の通路中および／または伝熱流体チャネル中の両方で比較的に急勾配の（又は急カーブ、鮮明もしくはシャープな）熱波を形成するのに有用な系を得ることができる。これらの急勾配の熱波は、複数の吸着種の選択的な逐次脱着と、効率的な熱回収との両方に有用となり得る。本明細書において使用される場合、比較的に急勾配の熱波は、装置中の質量移動／熱伝達流の長さに対する距離にわたる標準温度差で表すことができる。質量移動／熱伝達に関して、本発明者らは、最高温度Ｔ_ｍａｘ、および最低温度Ｔ_ｍｉｎ、ならびにＴ_ｍｉｎよりも約１０％高い温度（Ｔ_１０）とＴ_ｍａｘよりも約１０％低い温度（Ｔ_９０）との好都合な温度を定義することができる。少なくとも（Ｔ_９０−Ｔ_１０）の温度差が、質量移動／熱伝達に関与する装置の長さ最大５０％（たとえば、最大４０％、最大３０％、または最大２５％）にわたって生じる場合に、熱波が比較的に急勾配であると言うことができる。これに加えて、またはこれとは別に、比較的に急勾配の熱波は、最大ペクレ数Ｐｅで表すことができ、これは、流体流の方向に対してほぼ垂直の拡散伝熱に対して加熱／冷却用流体の軸流速度を比較するために定義される。Ｐｅは、（Ｕ×Ｌ）／αで定義することができ、式中、Ｕは、加熱／冷却用流体の速度（単位ｍ／ｓ）を表し、Ｌは、流体流に対してほぼ垂直な方向で熱が輸送される（吸着剤の加温／冷却のため）特性距離（characteristic distance）を表し、αは、距離Ｌにわたる接触器の有効熱拡散率（単位ｍ^２／ｓ）を表す。長さにわたる温度差に加えて、またはこれとは別に、熱波は、Ｐｅが１０未満、たとえば１未満、または０．１未満の場合に比較的に急勾配であると言うことができる。フローチャネルの損傷がわずかまたは損傷が起こらずに、接触器の加熱／冷却の時間を最小限にするために、Ｕが約０．０１ｍ／ｓ〜約１００ｍ／ｓの範囲内、たとえば約０．１ｍ／ｓ〜約５０ｍ／ｓの範囲内、または約１ｍ／ｓ〜約４０ｍ／ｓの範囲内となることが好ましい場合がある。これに加えて、またはこれとは別に、サイズおよびエネルギーの要求を最小限にするために、Ｌが０．１メートル未満、たとえば０．０１メートル未満、または０．００１メートル未満となることが好ましい場合がある。

本発明は、本明細書の図面を参照することでより十分に理解できる。図面に示されるすべての構造は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、決して限定と解釈すべきではない。冷却／加熱用流体を運搬するための複数のマイクロチューブで構成され、マイクロチューブが、ガス混合物の１種類以上の成分の選択的吸着が可能な吸着材料と関連する吸着剤支持体の上にある、または接触しているのであれば、他の構造も想定され、それらも本発明の範囲内となるべきである。

本明細書の図１は、本発明の好ましい一実施形態の図であり、接触器がらせん巻き構造Ａの形態である。マイクロチューブ１２は、支持体の少なくとも１つの層によって支持され、ほとんどの場合、支持体１０の２つの表面の間にはさまれている。らせん巻き構造が使用される場合は、複数のマイクロチューブが、支持材料の実質的に平坦なシートの上に配置される予備製造技術によって構成することができる。支持材料自体が、意図するガス分離に容易な吸着剤ではない場合、マイクロチューブの配置の前、またはマイクロチューブの配置の後のいずれかに、吸着材料層を取り付けることができる。吸着剤は、当技術分野において周知のあらゆる好適な技術によって塗布することができ、たとえば、本明細書に記載されるようなウォッシュコーティング技術によって、またはウォッシュコーティング以外の技術によって吸着材料のコーティングを塗布した後、たとえば、ドクターブレード法またはスプレーコーティングによって所望の厚さにすることができる。１０ミクロン〜２ｍｍの吸着剤層の厚さが一般に利用できる。支持材料が多孔質材料である場合は、多孔質構造の細孔の少なくとも一部を吸着材料粒子が満たす方法で吸着材料を塗布することができる。たとえば、吸着剤結晶を含有するスラリーを、多孔質層状材料に吸収させたり加圧により浸透させたりした後に、乾燥および焼成を行うことができる。らせん巻き構造が使用される場合は、接触器の所望の最終的にらせん状に巻き取られた構造に対して好適な組成および寸法のマンドレルに巻き付けることが好ましい場合がある。希望するなら、たとえば、ほぐれ／テレスコープを防止するために、好適な結束装置を使用して、らせん巻き構造を円筒形に固定することができる。ろう付け材料または接着剤を場合により使用して、マイクロチューブを支持体に結合させ、それによって全体構造に剛性および強度を付与することができる。

本明細書の図１は、支持層上の吸着材料層を特に示していないが、好ましい吸着剤層構成の実施形態は図２〜１２により詳細に示している。本明細書の図２は、本明細書の図１のらせん巻き接触器Ａの断面Ｂの図であるが、表示の支持体１０の表面上には好適な吸着剤１４がコーティングされている。図２の構造は、図１の構造を平らにした断面を表してもよいし、または同様に本発明の範囲内である積層層状シート構造を表してもよい。フローチャネル１６も設けられており、これらは吸着材料の内部に画定され、開放フローチャネルは吸着剤接触器の入口から出口まで連続している。ガス混合物はフローチャネル１６を通過することができ、冷却用および加熱用流体はマイクロチューブ１２に通すことができる。吸着剤接触器が層状積層シート設計の場合、そのような設計は、最初に単層の基礎構造を形成し、次に、最終構造が得られるまで、それを複数回前後に折り重ねる（図示せず）ことによって構成することが好ましい場合がある。本明細書の図面には、そのような構造の各端部に現れる折り目が示されていないが、このような図のこの説明で、当業者には明らかとなるであろう。

本明細書の図３は、本発明の別の好ましい吸着剤接触器の基礎構造Ｃの図である。本明細書の図４は、スペーサー１５によって分離された基礎構造Ｃの複数の層で構成されるより大きな構造の断面Ｄを示している。スペーサーは、支持材料と一体となっても、または一体ではない独立した材料であってもよい。スペーサーが支持材料と一体となる場合は、所望のフローチャネル容積を得るための所定の大きさのくぼみまたは波形などを支持体の製造中に形成することができる。スペーサーが支持材料と一体ではない場合、これらは、プロセス環境に対して比較的不活性であることができ、プロセス条件化で通常は分解しないあらゆる好適な材料で構成されることができる。このような材料の非限定的な例としては、ガラス微小球などの粒子、好適な大きさのワイヤーなど、またはそれらの組み合わせを挙げることができる。

一般に、本明細書の図面の共通の番号が付けられたすべての要素は、種々の構造で特定の配列となることを除けば、同じ要素を意味している。たとえば、すべての図面で、要素１４は常に吸着材料を表すべきであり、マイクロチューブは常に要素１２として表されるべきである。本明細書の図３および４の構造は、２つの支持層の間に配置された複数のマイクロチューブ１２を示している。支持層は、マイクロチューブ１２に接触する内側に向かう表面と、意図する分離のための吸着材料１４を含有する外側に向かう表面とを有すると考えることができる。各基礎構造は、ガスフローチャネル１６の寸法を画定するスペーサー１５の使用によって、別の基礎構造から分離することができる。各組の支持層の間の空間は、マイクロチューブ１２の直径によって画定することができ、好ましくはガス混合物、ならびに冷却用または加熱用流体のいずれの運搬にも使用されない。

本明細書の図５および６は、本発明の別の好ましい吸着剤接触器構造の図であり、マイクロチューブ１２は支持層の一方の表面に接触しており、支持層の他方の表面は、本明細書の図６に断面が示される最終接触器構造を形成するために複数の基礎構造Ｅが組み立てられた場合にマイクロチューブ１２と接触可能な吸着材料１４を含む。

本明細書の図７は、本発明の吸着剤接触器の別の好ましい構造の基礎構造Ｇの図であり、支持層１０は、折り目または溝１７の少なくとも一部を占めるマイクロチューブを有する波形の形態である。波形支持層の両側は、マイクロチューブ１２が占有することができる溝の中の表面を除けば、吸着材料を有することができる。２つの向かい合う基礎構造の間に、フローチャネル１６を形成することができる。構造の両面上への均一な厚さの吸着材料のウォッシュコーティングまたは吹き付けによって、吸着剤層を形成することができる。本明細書の図８は、複数の基礎構造Ｇで構成される接触器組立体の断面Ｈである。

本明細書の図９は、本発明の別の好ましい吸着剤接触器構造の基礎構造Ｉを示している。図９中、基礎構造Ｉは、複数のマイクロチューブ１２に接触する１つの表面を有する支持層１０で構成されるとして示されている。マイクロチューブ１２に接触する基礎構造Ｉの表面全体、およびマイクロチューブ自体に、好適な吸着材料１４がコーティングされる。支持層の反対側の表面は、一般に吸着材料を有さない。本明細書の図１０は、本明細書の図９の複数の基礎構造Ｉで構成される製造接触器構造の断面Ｊを示している。

本明細書の図１１は、本明細書の図１０の接触器とは反対に配置された本明細書の図９の複数の基礎構造で構成される本発明の吸着剤接触器の図である。すなわち、支持層のマイクロチューブ側が、次の支持層のマイクロチューブ側に面して配置される。ガスチャネルは、支持層の組の間の吸着剤がコーティングされたマイクロチューブの間に形成することができ、次の支持層の組の中にスペーサーを使用することによって形成することができる。１種類の好適な吸着材料が、支持層の両面に関連することができる。

本明細書の図１２は、本発明の円筒形の吸着剤接触器組立体の図であり、伝熱流体を接触器の吸着剤から隔離して維持する好ましい方法を示している。たとえば、この図は、本明細書の図１および２のらせん巻き構造Ａの側面図を示しているが、マイクロチューブ１２の少なくとも一部が、円筒形構造Ａの端部から延在しているか、表面と同一平面上にある。円筒形接触器の端部から延在するマイクロチューブ１２の一部は、好適な封止末端キャップ２０中で支持されることができ、この封止末端キャップは、典型的には円筒形接触器構造とは接触しないが、典型的には所定の距離で接触器構造から離れており、一方の端部で供給ガスが流れるための間隙２２が残り、他方の端部からは生成ガスが離れていく。末端キャップは、中実であってよく、マイクロチューブのみが、一般にその中を通って延在すべきであり、そのため、末端キャップ２０を通過できる流体のみが、マイクロチューブ１２を通過することによってのみ、そのように通過することができる。この図は、末端キャップを超えて延在するマイクロチューブを示しているが、別の一実施形態においては、末端キャップを超えては延在せずに末端キャップの位置で終了し、両端は開放されたままとなり、流体が自由に流れることができる。本発明の実施に使用できる末端キャップの種類の非限定的な例としては、はんだ、ろう付け材料、および／またはエポキシなどのポリマー材料を挙げることができ、その中でマイクロチューブ１２が封止されて埋め込まれる。末端キャップは、運転条件での長時間の使用に耐えることができる好適な物理的完全性を有するべきである。

本発明の接触器は、温度スイング吸着（ＴＳＡ）プロセスに使用すると特に有益である。前述したように、本発明の目的では、ＴＳＡプロセスは、少なくとも１種類のガス成分（すなわち、標的ガス成分）を、供給ガス混合物中の少なくとも１種類の別のガス成分よりも選択的に吸着するための吸着プロセスであり、このプロセスは、少なくとも１回の吸着ステップ（すなわち、標的ガスが選択的に収着される）および少なくとも１つの脱着のステップ（すなわち、標的ガスが選択的に脱着される）を含み、脱着は、少なくとも部分的には、吸着床に熱を加えることで、標的ガス成分の少なくとも一部を脱着させることを含む。これらのプロセスのある実施形態においては、熱再生ステップは、分圧パージ置換、またはさらには圧力スイングを使用してさらに補助することができる。再生ステップ中のある段階で吸着剤に誘導される入熱、好ましくは吸着剤の温度上昇が使用されるステップが用いられるのであれば、これらの方法の組み合わせを本明細書では温度スイングプロセスと呼ぶことができる。

本明細書に開示される吸着剤接触器を利用するＴＳＡプロセスにおいて、吸着ステップは、好ましくは−１９５℃〜３００℃の範囲、たとえば２０℃〜１５０℃の範囲、または３０℃〜１２０℃の範囲の第１の温度で行うことができる。吸着ステップ中の全絶対圧は、１ ｂａｒａ〜６００ ｂａｒａの範囲内、たとえば２ ｂａｒａ〜２００ ｂａｒａの範囲内、または１０ ｂａｒａ〜１５０ ｂａｒａの範囲内であってよい。

本発明のある好ましいプロセスにおいては、吸着床は、吸着ステップ中に使用される第１の温度よりも高い第２の温度に加熱することができる。この第２の温度は好ましくは１０℃〜３００℃（たとえば２０℃〜２００℃または４０℃〜１２０℃）であってよい。これに加えて、またはこれとは別に、標的ガス成分を比較的（実質的に）含まない床の生成物端を維持するために、加熱中に、パージガスストリームを吸着床に流すことができる。特定の好ましい実施形態においては、パージガスストリームは、供給ガス混合物よりも実質的に低い含有量の標的ガス成分を有することができ、たとえば、パージガスストリームは、供給ガス混合物中の標的ガス成分の１０ｍｏｌ％未満、たとえば５ｍｏｌ％未満の含有量を有することができる。

本発明の接触器の好ましい用途においては、スイング吸着プロセスにおいて天然ガスからＣＯ_２を除去することができる。この場合、速度論的選択性を有するある特定の種類の８員環ゼオライト材料を用いて吸着剤を配合することが好ましい場合があるが、平衡に基づく吸着が代替法となりうる。この種類の８員環ゼオライト材料の速度論的選択性によって、ＣＯ_２をゼオライト結晶中に迅速に移動させながら、メタンの輸送は妨害することができ、そのため、ＣＯ_２およびメタンの混合物からＣＯ_２を選択的に分離することが可能となる。天然ガスからのＣＯ_２の除去の場合、この特定の種類の８員環ゼオライト材料は、Ｓｉ／Ａｌ比が約１〜約２５、または２〜約１０００、約１０〜約５００、または約５０〜約３００となることができる。本明細書において使用される場合、Ｓｉ／Ａｌ比は、ゼオライト構造のシリカ対アルミナのモル比として定義される。この種類の８員環ゼオライトでは、ＣＯ_２のメタンに対する単成分拡散係数の比（すなわち、Ｄ_ＣＯ２／Ｄ_ＣＨ４）が、１０を超え、好ましくは約５０を超え、約１００を超え、または約２００を超えうるような方法で、ＣＯ_２は８員環ウィンドウを通って内部細孔構造に到達することができる。

これに加えて、またはこれとは別に、多くの場合、窒素含有ガスから精製メタン生成物を高回収率で得るために、天然ガスまたは石油生産に関連するガスから窒素を除去することが望ましい場合がある。メタンからの窒素の分離に関して顕著な平衡または速度論的選択性を有するモレキュラーシーブ収着剤は非常にわずかしか存在していない。天然ガスからＮ_２を分離する場合は、ＣＯ_２の場合と同様に、速度論的選択性を有するある種類の８員環ゼオライト材料を用いて吸着剤を配合することが好ましくなりうる。この種類の８員環材料の速度論的選択性によって、Ｎ_２はゼオライト結晶中に迅速に移動することができ、一方、メタンの輸送は妨害され、それによって、Ｎ_２およびメタンの混合物からＮ_２を選択的に分離することが可能となる。天然ガスからＮ_２を除去する場合、この特定の種類の８員環ゼオライト材料は、Ｓｉ／Ａｌ比が約２〜約１０００、たとえば約１０〜約５００、または約５０〜約３００となることができる。この種類の８員環ゼオライトでは、Ｎ_２のメタンに対する単成分拡散係数の比（すなわち、Ｄ_Ｎ２／Ｄ_ＣＨ４）が、５を超え、好ましくは約２０を超え、約５０を超え、または１００を超えうるような方法で、Ｎ_２は８員環ウィンドウを通って内部細孔構造に到達することができる。天然ガスからＮ_２の除去中のスイング吸着プロセスにおける汚れ抵抗性は、この種類の８員環ゼオライト材料によって得られる利点の１つとなりうる。

ＣＯ_２に加えて、またはこれとは別に、約０．００１体積％のＨ_２Ｓ〜約７０体積％のＨ_２Ｓ（たとえば、約０．００１体積％〜約３０体積％、約０．００１体積％〜約１０体積％、約０．００１体積％〜約５体積％、約０．００１体積％〜約１体積％、約０．００１体積％〜約０．５体積％、または約０．００１体積％〜約０．１体積％）を含有することがある天然ガスからＨ_２Ｓを除去することが望ましい場合がある。この場合、スタノシリケート、および速度論的選択性を有することができる前述の種類の８員環ゼオライトを用いて吸着剤を配合すると好都合となりうる。この種類の８員環材料の速度論的選択性によって、Ｈ_２Ｓはゼオライト結晶中に迅速に移動することができ、一方、メタンの輸送は妨害され、それによって、Ｈ_２Ｓおよびメタンの混合物からＨ_２Ｓを選択的に分離することが可能となる。天然ガスからＨ_２Ｓを除去する場合、この特定の種類の８員環ゼオライト材料は、Ｓｉ／Ａｌ比が約２〜約１０００、たとえば約１０〜約５００、または約５０〜約３００となることができる。この種類の８員環ゼオライトでは、Ｈ_２Ｓのメタンに対する単成分拡散係数の比（すなわち、Ｄ_Ｈ２Ｓ／Ｄ_ＣＨ４）が５を超え、好ましくは約２０を超え、約５０を超え、または１００を超えうるような方法で、Ｈ_２Ｓは８員環ウィンドウを通って内部細孔構造に到達することができる。ＤＤＲ、Ｓｉｇｍａ−１、および／またはＺＳＭ−５８が、天然ガスからＨ_２Ｓを除去するのに好適な材料の例である。ある用途では、Ｈ_２Ｓをｐｐｍレベルまたはｐｐｂレベルまで除去することが望ましい場合がある。

本発明の実施形態において使用される選択的吸着材料の他の非限定的な例としては、ミクロ多孔性材料、たとえばゼオライト、ＡｌＰＯ、ＳＡＰＯ、ＭＯＦ（金属有機骨格）、ＺＩＦ（ゼオライト型イミダゾレート骨格、たとえばＺＩＦ−７、ＺＩＦ−８、ＺＩＦ−２２など）、および炭素類、ならびにアミン官能化ＭＣＭ材料などのメソ多孔性材料など、ならびにそれらの組み合わせおよびそれらの反応生成物を挙げることができる。天然ガスストリーム中に典型的に見られる硫化水素および二酸化炭素などの酸性ガスの場合、カチオンゼオライト類、アミン官能化メソ多孔性材料、スタノシリケート類、炭素類、およびそれらの組み合わせなどの吸着剤が、特定の実施形態において好ましくなる場合がある。

吸着的速度論的分離の方法、装置、およびシステムは、ガスおよび油の処理などの炭化水素の開発および生成に有用となりうる。特に、提供される方法、装置、およびシステムは、ガス混合物から種々の標的ガスを迅速に大規模で効率的に分離するために有用となりうる。

本発明による装置、およびそれに関連する方法は、平衡選択性および速度論的選択性の両方の吸着剤を使用することができる。ここで、平衡選択性吸着剤は、平衡競合収着が確立されるのに十分な時間が与えられる場合に、分離される化学種間の選択性が、各化学種の収着能力に基づく吸着材料を表すことを意味する。天然ガスからＨ_２Ｓおよび／またはＣＯ_２を分離するのに有用なこのような平衡吸着剤の非限定的な例としては、カチオンゼオライト類、シリカ系ゼオライト類、アルミナ類、シリカ−アルミナ類、非ゼオライト系シリカ類、それらの上／中に担持されたアミン種など、およびそれらの組み合わせを挙げることができる。速度論的選択性吸着剤は、それぞれの化学種の平衡性能／選択性とは無関係に、ある化学種と他の化学種との吸着速度の顕著な差によって化学種を区別する。収着時間が数分以下に制限される本発明による装置によって実現されるプロセスなどの急速サイクルプロセスは、速度論的収着剤／プロセス条件に大きく依拠する傾向にある。急速サイクルの吸着剤は、速度論的分離収着剤と類似していてよく、好都合には特に、標的種の最小直径または動的直径のおおまかなサイズ範囲内（しかし典型的には１桁パーセントほど大きい）である細孔開口部を有するゼオライト類を挙げることができる。

提供される方法、装置、およびシステムを使用して、汚染物質および重質（Ｃ_２＋）炭化水素を除去することによって、天然ガス生成物を製造することができる。提供される方法、装置、およびシステムは、露点制御、スイートニング／無毒化、腐食防止／制御、脱水、発熱量、コンディショニング、および精製などの分離用途などのユーティリティで使用するためのガス状供給ストリーム（又はガス状フィードストリーム）の製造に有用となりうる。１つ以上の分離用途を利用するユーティリティの例としては、燃料ガス、シールガス、非飲料水、ブランケットガス、インストルメントおよびコントロールガス、冷媒、不活性ガスの生成、および炭化水素の回収を挙げることができる。代表的な「限度を超えない」生成物（または「標的」）酸性ガス除去の仕様としては：（ａ）２体積％のＣＯ_２、４ｐｐｍのＨ_２Ｓ；（ｂ）５０ｐｐｍのＣＯ_２、４ｐｐｍのＨ_２Ｓ；または（ｃ）１．５体積％のＣＯ_２、２ｐｐｍのＨ_２Ｓを挙げることができる。

提供される方法、装置、およびシステムは、炭化水素ストリームから酸性ガスを除去するために使用することができる。残存するガス埋蔵量が、より高い濃度の酸性（サワー）ガス資源を示しているため、酸性ガス除去技術は、ますます重要となっている。炭化水素供給ストリームは、酸性ガスの量が広範囲で変動することがあり、たとえば数ｐｐｍから９０体積％まで変動しうる。代表的なガス埋蔵量から得られる酸性ガス濃度の非限定的な例としては、少なくとも：（ａ）１体積％のＨ_２Ｓ、５体積％のＣＯ_２；（ｂ）１体積％のＨ_２Ｓ、１５体積％のＣＯ_２；（ｃ）１体積％のＨ_２Ｓ、６０体積％のＣＯ_２；（ｄ）１５体積％のＨ_２Ｓ、１５体積％のＣＯ_２；または（ｅ）１５体積％のＨ_２Ｓ、３０体積％のＣＯ_２の濃度を挙げることができる。

所望の生成物ストリームを得ながら、比較的高い炭化水素回収率を維持するために、本明細書で提供される方法、装置、およびシステムとともに以下の１つ以上を利用することができる：
（ａ）１つ以上の速度論的スイング吸着プロセス、たとえば圧力スイング吸着（ＰＳＡ）、熱スイング吸着（ＴＳＡ）、ならびに分圧スイングまたは置換パージ吸着（ＰＰＳＡ）、たとえばこれらのプロセスの組み合わせの使用；各スイング吸着プロセスは、１つ以上の急速サイクル圧力スイング吸着（ＲＣ−ＰＤＳ）ユニットの使用、１つ以上の急速サイクル温度スイング吸着（ＲＣ−ＴＳＡ）ユニットの使用、または１つ以上の急速サイクル分圧スイング吸着（ＲＣ−ＰＰＳＡ）ユニットの使用など急速サイクルで利用することができ；代表的な速度論的スイング吸着プロセスは、米国特許出願公開第２００８／０２８２８９２号明細書、米国特許出願公開第２００８／０２８２８８７号明細書、米国特許出願公開第２００８／０２８２８８６号明細書、米国特許出願公開第２００８／０２８２８８５号明細書、および米国特許出願公開第２００８／０２８２８８４号明細書（それぞれの全体が参照により本明細書に援用される）に記載されている；
（ｂ）２０１１年３月１日に出願された米国仮特許出願第６１／４４７，８５８号明細書、およびその優先権を主張し整理番号２０１１ＥＭ０６０−ＵＳ２を有する米国特許出願（どちらも、その全体が参照により本明細書に援用される）に記載されるような改良されたサイクルおよびパージを使用したＲＣ−ＴＳＡを用いた酸性ガスの除去；
（ｃ）米国特許出願公開第２００８／０２８２８９２号明細書、米国特許出願公開第２００８／０２８２８８５号明細書、および米国特許出願公開第２００８／０２８２８６号明細書（それぞれの全体が参照により本明細書に援用される）に記載されるような、吸着剤中に捕捉されるメタン量を減少させ、全体の炭化水素回収量を増加させるためのメソ多孔性フィラーの使用；
（ｄ）米国特許出願公開第２００８／０２８２８８７号明細書および米国特許出願公開第２００９／０２１１４４１号明細書（それぞれの全体が参照により本明細書に援用される）に記載される１種類以上のゼオライトなどの、高い選択性が得られ、メタンおよび他の炭化水素の吸着（および損失）を減少させ／最小限にするために適切な吸着材料の選択；
（ｅ）酸性ガス排出物をより高い平均圧力で捕捉することができるような、複数のステップにおける１つ以上ＲＣ−ＰＳＡユニットの中間圧力までの減圧によって、酸性ガス注入に必要な圧縮を減少することができ；中間減圧ステップの圧力レベルを、酸性ガス圧縮器の段間圧力に合わせることで、圧縮システム全体を最適化することができる；
（ｆ）排出または再循環ストリームを使用して、処理および炭化水素損失を最小限にする、たとえば１つ以上のＲＣ−ＰＳＡユニットからの排出ストリームを、再注入またはガス抜きの代わりに燃料ガスとして使用する；
（ｇ）単一床内に複数の吸着材料を用いて、微量の第１の汚染要因物、たとえばＨ_２Ｓを除去し、その後第２の汚染要因物、たとえばＣＯ_２を除去する；このようなセグメント化床は、最小限のパージ流量によりＲＣ−ＰＳＡユニットでｐｐｍレベルまで厳格に酸性ガスを除去することができる；
（ｈ）１つ以上のＲＣ−ＰＳＡユニットの前に供給物の圧縮を使用して、所望の生成物純度を達成する；
（ｊ）非酸性ガス汚染物質、たとえばメルカプタン類、ＣＯＳ、およびＢＴＥＸの同時除去；それを達成するための方法および材料の選択；
（ｋ）気体−固体接触器用に構造化吸着剤を使用して、従来の充填床と比較して圧力低下を最小限にする；
（ｌ）吸着材料の速度論に基づいたサイクル時間およびサイクルステップの選択；ならびに
（ｍ）特に装置の中で、２つのＲＣ−ＰＳＡユニットを直列に使用する方法および装置を使用し、第１のＲＣ−ＰＳＡユニットは供給ストリームを所望の生成物純度まで浄化し、第２のＲＣ−ＰＳＡユニットは、メタンを捕捉し高い炭化水素回収率を維持するために第１のユニットからの排出物を浄化する；この直列設計の使用は、メソ多孔質フィラーの必要性を減少させることができる。

本明細書で提供される方法、装置、およびシステムは、５百万標準立方フィート／日（ＭＳＣＦＤ）を超える天然ガス、たとえば１５ＭＳＣＦＤを超える、２５ＭＳＣＦＤを超える、５０ＭＳＣＦＤを超える、１００ＭＳＣＦＤを超える、５００ＭＳＣＦＤを超える、１０億標準立方フィート／日（ＢＳＣＦＤ）を超える、または２ＢＳＣＦＤを超える量を処理する施設などの大型ガス処理施設において有用となりうる。

従来技術と比較して、提供される方法、装置、およびシステムは、より少ない資本投資、より少ない運転費、および／またはより少ない物理的空間しか必要とせず、それによって、沖合、および北極環境などの遠隔地での実施が可能となる。提供される方法、装置、およびシステムは、前述の利益を得ながら、従来技術と比較して高い炭化水素回収率を得ることができる。

本発明による装置は、熱スイングプロセスにおける吸着剤の支持体として使用できるが、これらには、熱交換用途に好都合に使用できる設計特性を組み込むことができる。比較的大きい表面積および比較的短い伝熱距離のために、かなり低い到達温度実現をすることができる。さらに、本明細書に記載の本発明の設計に使用される小さな管の高い圧壊強度および破裂強度のために、熱交換流体を、比較的高い圧力（たとえば、少なくとも約１００ｐｓｉｇ、少なくとも約２５０ｐｓｉｇ、少なくとも約４００ｐｓｉｇ、少なくとも約５００ｐｓｉｇ、約１００ｐｓｉｇ〜約２０００ｐｓｉｇ、約２５０ｐｓｉｇ〜約２０００ｐｓｉｇ、約４００ｐｓｉｇ〜約２０００ｐｓｉｇ、約５００ｐｓｉｇ〜約２０００ｐｓｉｇ、約１００ｐｓｉｇ〜約１５００ｐｓｉｇ、約２５０ｐｓｉｇ〜約１５００ｐｓｉｇ、約４００ｐｓｉｇ〜約１５００ｐｓｉｇ、約５００ｐｓｉｇ〜約１５００ｐｓｉｇ、約１００ｐｓｉｇ〜約１２５０ｐｓｉｇ、約２５０ｐｓｉｇ〜約１２５０ｐｓｉｇ、約４００ｐｓｉｇ〜約１２５０ｐｓｉｇ、約５００ｐｓｉｇ〜約１２５０ｐｓｉｇ、約１００ｐｓｉｇ〜約１０００ｐｓｉｇ、約２５０ｐｓｉｇ〜約１０００ｐｓｉｇ、約４００ｐｓｉｇ〜約１０００ｐｓｉｇ、または約５００ｐｓｉｇ〜約１０００ｐｓｉｇ）の下、または比較的大きな圧力差（たとえば、少なくとも約１００ｐｓｉ、少なくとも約２５０ｐｓｉ、少なくとも約４００ｐｓｉ、少なくとも約５００ｐｓｉ、約１００ｐｓｉ〜約２０００ｐｓｉ、約２５０ｐｓｉ〜約２０００ｐｓｉ、約４００ｐｓｉ〜約２０００ｐｓｉ、約５００ｐｓｉ〜約２０００ｐｓｉ、約１００ｐｓｉ〜約１５００ｐｓｉ、約２５０ｐｓｉ〜約１５００ｐｓｉ、約４００ｐｓｉ〜約１５００ｐｓｉ、約５００ｐｓｉ〜約１５００ｐｓｉ、約１００ｐｓｉ〜約１２５０ｐｓｉ、約２５０ｐｓｉ〜約１２５０ｐｓｉ、約４００ｐｓｉ〜約１２５０ｐｓｉ、約５００ｐｓｉ〜約１２５０ｐｓｉ、約１００ｐｓｉ〜約１０００ｐｓｉ、約２５０ｐｓｉ〜約１０００ｐｓｉ、約４００ｐｓｉ〜約１０００ｐｓｉ、または約５００ｐｓｉ〜約１０００ｐｓｉ）を有する流体間で利用することが可能となる。

さらに、またはこれとは別に、本発明は、実施形態の１つ以上を含むことができる。

実施形態１
入口端および出口端を含んで構成される温度スイング吸着剤接触器であって、さらに、
ｉ）前記接触器の前記入口端を前記出口端に流体接続する長さを有する複数の開放フローチャネルであって、前記少なくとも１つの開放フローチャネルの少なくとも１つの壁が吸着材料を含んで構成される開放フローチャネルと、
ｉｉ）前記吸着材料に接触し、それを支持する少なくとも１つの支持層と、
ｉｉｉ）前記少なくとも１つの支持層に接触し、それによって支持される複数のマイクロチューブと
を含む温度スイング吸着剤接触器。

実施形態２
少なくとも１種類の標的ガス成分（例えばＣＯ_２および／またはＨ_２Ｓ）を含有する供給ガス混合物（例えば、メタンを含む供給ガス混合物、および／または天然ガスストリームを含んで構成される供給ガス混合物）から汚染ガス成分を分離するためのスイング吸着方法（又はプロセス）であって、
ａ）前記供給ガス混合物を、少なくとも入口端および出口端を有する温度スイング吸着剤接触器に通すことであって、前記吸着剤接触器が、さらに、
ｉ）前記接触器の前記入口端を前記出口端に流体接続する長さを有する複数の開放フローチャネルであって、前記少なくとも１つの開放フローチャネルの少なくとも１つの壁が吸着材料を含んで構成される開放フローチャネルと、
ｉｉ）前記吸着材料に接触し、それを支持する少なくとも１つの支持層と、
ｉｉｉ）前記少なくとも１つの支持層に接触し、それによって支持される複数のマイクロチューブと
を含むことと、
ｂ）前記供給ガス混合物の少なくとも一部を前記開放フローチャネルを通して流すことと、
ｃ）吸着サイクル中、前記標的ガスの少なくとも一部を前記吸着材料に吸着させることと、
ｄ）第１の生成物ストリームを前記出口端から回収することであって、前記第１の生成物ストリームが、前記供給ガス混合物よりも低いｍｏｌ％の前記標的ガス成分を含むことと、
ｅ）脱着サイクル中、加熱用流体を、前記マイクロチューブの少なくとも一部に通し、それによって前記吸着材料中の前記標的ガスの少なくとも一部を脱着させて、第２の生成物ストリームを形成することと
を含む方法。

実施形態３
少なくとも２つの支持層を含み、前記開放フローチャネルの長さに対して垂直な面で見た場合に、前記支持層がそれぞれ実質的に平坦であり、互いに対して実質的に平行である、実施形態１または実施形態２の接触器または方法。

実施形態４
前記開放フローチャネルの長さに対して垂直な面で見た場合に、前記少なくとも１つの支持層が螺旋状に巻き付けられている、実施形態１または実施形態２の接触器または方法。

実施形態５
各マイクロチューブが０．２０ｍｍ〜２ｍｍの内径を有する、上記の実施形態のいずれか１つの接触器または方法。

実施形態６
前記接触器が複数の支持層を含んで構成され、少なくとも２つの支持層が、それぞれ第１の表面および第２の表面を含んで構成され、前記第１の表面が、前記マイクロチューブの少なくとも一部に接触し、前記第２の表面が前記吸着材料のコーティングに接触し、各マイクロチューブが前記吸着材料の少なくとも一部に接触するようにサブユニットを形成することで前記接触器が構成される、上記の実施形態のいずれか１つの接触器または方法。

実施形態７
前記接触器が複数の支持層を含んで構成され、少なくとも２つの支持層がそれぞれ波形（又はうね状）であり、前記少なくとも２つの支持層のそれぞれが、前記マイクロチューブの少なくとも一部に接触し、さらに前記支持層の両面が、前記吸着材料の少なくとも一部に接触する、実施形態１〜５のいずれか１つの接触器または方法。

実施形態８
複数の支持層を含んで構成されることを特徴とし、少なくとも２つの支持層のそれぞれが第１の表面および第２の表面を有し、前記第１の表面が、前記マイクロチューブの少なくとも一部に接触し、前記吸着材料が、前記第１の表面の少なくとも一部の上側に含まれ、それによって前記第１の表面の少なくとも一部が覆われ、かつ前記マイクロチューブの少なくとも一部が覆われる、実施形態１〜５のいずれか１つの接触器または方法。

実施形態９
前記接触器が、場合により互いに流体接続されていなくてもよい複数の開放フローチャネルを含んで構成され、前記供給ガス混合物の流れ（又はフロー）を前記複数の開放フローチャネルを通して配向すること（directing）のできる容器内に収容され、前記供給ガス混合物および加熱用流体／冷却用流体（例えば水および蒸気から選択される加熱用流体／冷却用流体）への別々の流体接続を含む、上記の実施形態のいずれか１つの接触器または方法。

実施形態１０
前記マイクロチューブが、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、ポリマー材料、炭素、ガラス、セラミック、ならびにそれらの組み合わせおよび複合材料から選択される材料を含んで構成されること、
前記吸着材料が、カチオンゼオライト類、アミン官能化メソポーラス材料、スタノシリケート類、炭素、ならびにそれらの組み合わせおよび複合材料から選択される材料を含んで構成されること、
前記吸着材料が、ゼオライト類、ＡｌＰＯ類、ＳＡＰＯ類、ＭＯＦ類、ＺＩＦ類、炭素、ならびにそれらの組み合わせおよび複合材料から選択されるミクロ多孔性材料を含んで構成されること、
前記吸着材料が、８員環ゼオライトを含んで構成されること、
前記吸着材料が、約１〜約２５のＳｉ／Ａｌ比を有するゼオライトを含んで構成されること、
前記吸着材料が、メタンに対するＣＯ_２の拡散係数（Ｄ_ＣＯ２／Ｄ_ＣＨ４）が１０を超えるゼオライトを含んで構成されること、
前記吸着材料が、メタンに対するＮ_２の拡散係数（Ｄ_Ｎ２／Ｄ_ＣＨ４）が１０を超えるゼオライトを含んで構成されること、
前記吸着材料が、メタンに対するＨ_２Ｓの拡散係数（Ｄ_Ｈ２Ｓ／Ｄ_ＣＨ４）が１０を超えるゼオライトを含んで構成されること、
前記吸着材料が、ＤＤＲ、Ｓｉｇｍａ−１、ＺＳＭ−５８、およびそれらの組み合わせから選択されるゼオライトを含んで構成されること
のうち１つ以上を満たす、上記の実施形態のいずれか１つの接触器または方法。

実施形態１１
前記温度スイング方法の前記脱着サイクルの少なくとも一部の間に、前記加熱用流体が前記マイクロチューブの少なくとも一部を通過し、前記温度スイング方法の前記吸着サイクルの少なくとも一部の間に、冷却用流体（例えば水を含んで構成される冷却用流体）が前記マイクロチューブの少なくとも一部を通過する、実施形態８または実施形態９の方法。

実施形態１２
全サイクル時間が１０秒を超え１０分未満である急速サイクル温度スイング吸着方法である、および／または１０００ｐｓｉｇを超える圧力で前記供給ガス混合物が前記開放フローチャネルに通される、実施形態２〜１０のいずれかに記載の方法。

実施形態１３
前記脱着サイクル中において、前記吸着材料の温度を上昇させ、前記標的ガスの分圧を低下させ、かつ／またはパージガスを前記開放フローチャネルの少なくとも一部に通す、実施形態２〜１０のいずれかに記載の方法。

実施形態１４
熱交換方法（又はプロセス）であって、
ａ）少なくとも入口端および出口端を有し、任意の長さを有する温度スイング吸着剤接触器にガス状供給ストリームを通すことであって、前記吸着剤接触器が、さらに、
（ｉ）前記接触器の前記入口端を前記出口端に流体接続する長さを有する複数の開放フローチャネルであって、前記少なくとも１つの開放フローチャネルの少なくとも１つの壁が吸着材料を含んで構成される開放フローチャネルと、
（ｉｉ）前記吸着材料に接触し、それを支持する少なくとも１つの支持層と、
（ｉｉｉ）前記少なくとも１つの支持層に接触し、それによって支持される複数のマイクロチューブと
を含むことと、
ｂ）前記ガス状供給ストリームの少なくとも一部を第１の温度および第１の圧力で前記開放フローチャネルを通して流すことと、
ｃ）前記吸着剤接触器が急勾配の（又は急カーブ、鮮明もしくはシャープな）熱波を示し、前記第１の温度よりも低い第２の温度および第２の圧力で生成物ストリームを形成するのに十分な条件下で、前記ガス状供給ストリームを含む前記吸着剤接触器を熱交換流体と接触させることであって、前記条件が、約２５０ｐｓｉｇ〜約２０００ｐｓｉｇの供給ストリーム圧を含み、かつ／または約２５０ｐｓｉｇ〜約２０００ｐｓｉｇの前記ガス状供給ストリームの圧力と前記熱交換流体の圧力との間の圧力差を得るのに十分な熱交換流体圧を含むことと
を含む方法。

実施形態１５
前記第１の温度に関してＴ_９０およびＴ_１０が定義され得る熱交換温度で、かつ温度差（Ｔ_９０−Ｔ_１０）が前記接触器の前記長さの最大５０％にわたって生じるような前記熱交換温度で前記熱交換流体が最初に存在する、実施形態１３の方法。

実施形態１６
最大ペクレ数Ｐｅが１０未満である（ここでＰｅ＝（Ｕ×Ｌ）／αであり、式中、Ｕは、熱交換流体の速度を表し、Ｌは、流体流に対してほぼ垂直な方向で熱が輸送される特性距離（characteristic distance）を表し、αは、距離Ｌにわたる前記接触器の有効熱拡散率を表し、Ｕは、約０．０１ｍ／ｓ〜約１００ｍ／ｓであり、Ｌは、０．１メートル未満である）、実施形態１３または実施形態１４の方法。

実施例１
本発明のプロトタイプの装置の一例（収着剤はコーティングされない）を作製して装置の急速伝熱能力を実証し、図１３に示している。この装置は、外径約５６０ミクロンおよび内径約３７０ミクロン（公称）の約１０９本の薄肉で約２４ゲージのステンレス鋼管を用いて作製した。これらの管を、スポット溶接およびろう付けによって、厚さ５０ミクロンのステンレス鋼箔に、約２ｍｍの管の中心間距離で取り付け、これらの管および箔を、直径約１／８インチのマンドレル管の周囲に巻き付けた。管は箔を超えて延在し、鋼管の直径約５／８インチの部分の中にエポキシを「充填」した。管を開放状態に維持するような方法でこの充填を行った。最終的な組立体の長さは約１１インチであった。

この装置に、箔の入口側（後述の水の流れる方向によって定義される）から測定して約２インチ、約４．５インチ、および約９．５インチの距離で箔の外層の下部に３つの熱電対を取り付け、装置全体に絶縁材料を巻き付けた。約１０９本の管のすべてに同時に水を流せるようにプラスチック管およびホースクランプを使用して、冷水から熱水に迅速に切り替え可能な給水源に末端キャップを取り付けた。

以下のステップによって以下のデータを収集した：１）水流を停止して装置を室温（約２０〜２５℃）で維持し；２）プラスチックの入口管中の水をヒートガンで、熱水水供給源（通常約９０℃）とほぼ同じ温度まで加熱して、管部分の水の冷却を防止し；３）熱水の流れを、種々の制御された水流量で開始し；４）埋め込んだ３つの熱電対の温度を時間の関数として記録した。

このようにして、熱水流の方向で装置を進行する比較的に急勾配の熱波の存在が確認できた。図１４Ａ〜Ｅは、一連の水流量における、装置の箔領域中の約２インチ、約４．５インチ、および約９．５インチの位置で記録した温度を示しており、熱水流を開始した時間、ならびに約２インチの位置および約９．５インチの位置で測定した温度間の温度差も記載している。任意の開始時間からの秒の単位でプロットした時間軸はグラフごとに異なる。

約１０９本の管の約１１インチ内に含まれた水の体積は約３ｃｍ^３であった。したがって、試験条件での水の速度、ならびに約２インチおよび約９．５インチの位置の熱電対の間の約７．５インチを水が横断するのに要する時間は、使用した水流量の関数として以下のようになった。

上記開示のデータおよび図１４から分かるように、ある範囲の水流量にわたって装置中で比較的に急勾配の熱波が形成され、より多い流量では、装置全体で１分よりはるかに短い温度スイングが可能だった。これらの実験は、装置の高い熱伝導性を照明しており、急速サイクル温度スイング吸着プロセスが本発明の装置によって可能であり、比較的に効率的な熱回収が可能であることが示された。

Claims (16)

1. 入口端および出口端を含んで構成される温度スイング吸着剤接触器であって、さらに、
   ｉ）前記接触器の前記入口端を前記出口端に流体接続する長さを有する複数の開放フローチャネルであって、前記少なくとも１つの開放フローチャネルの少なくとも１つの壁が吸着材料を含んで構成される開放フローチャネルと、
   ｉｉ）前記吸着材料に接触し、それを支持する少なくとも１つの支持層と、
   ｉｉｉ）前記少なくとも１つの支持層に接触し、それによって支持される複数のマイクロチューブと
   を含む温度スイング吸着剤接触器。
2. 少なくとも１種類の標的ガス成分（例えばＣＯ_２および／またはＨ_２Ｓ）を含有する供給ガス混合物（例えば、メタンを含む供給ガス混合物、および／または天然ガスストリームを含んで構成される供給ガス混合物）から汚染ガス成分を分離するためのスイング吸着方法であって、
   ａ）前記供給ガス混合物を、少なくとも入口端および出口端を有する温度スイング吸着剤接触器に通すことであって、前記吸着剤接触器が、さらに、
   ｉ）前記接触器の前記入口端を前記出口端に流体接続する長さを有する複数の開放チャネルであって、前記少なくとも１つの開放フローチャネルの少なくとも１つの壁が吸着材料を含んで構成される開放チャネルと、
   ｉｉ）前記吸着材料に接触し、それを支持する少なくとも１つの支持層と、
   ｉｉｉ）前記少なくとも１つの支持層に接触し、それによって支持される複数のマイクロチューブと
   を含むことと、
   ｂ）前記供給ガス混合物の少なくとも一部を前記開放フローチャネルを通して流すことと、
   ｃ）吸着サイクル中、前記標的ガスの少なくとも一部を前記吸着材料に吸着させることと、
   ｄ）第１の生成物ストリームを前記出口端から回収することであって、前記第１の生成物ストリームが、前記供給ガス混合物よりも低いｍｏｌ％の前記標的ガス成分を含むことと、
   ｅ）脱着サイクル中、加熱用流体を、前記マイクロチューブの少なくとも一部に通し、それによって前記吸着材料中の前記標的ガスの少なくとも一部を脱着させて、第２の生成物ストリームを形成することと
   を含む方法。
3. 少なくとも２つの支持層を含み、前記開放フローチャネルの長さに対して垂直な面で見た場合に、前記支持層がそれぞれ実質的に平坦であり、互いに対して実質的に平行である、請求項１または請求項２に記載の接触器または方法。
4. 前記開放フローチャネルの長さに対して垂直な面で見た場合に、前記少なくとも１つの支持層が螺旋状に巻き付けられている、請求項１または請求項２に記載の接触器または方法。
5. 各マイクロチューブが０．２０ｍｍ〜２ｍｍの内径を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の接触器または方法。
6. 前記接触器が複数の支持層を含んで構成され、少なくとも２つの支持層が、それぞれ第１の表面および第２の表面を含んで構成され、前記第１の表面が、前記マイクロチューブの少なくとも一部に接触し、前記第２の表面が前記吸着材料のコーティングに接触し、各マイクロチューブが前記吸着材料の少なくとも一部に接触するようにサブユニットを形成することで前記接触器が構成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の接触器または方法。
7. 前記接触器が複数の支持層を含んで構成され、少なくとも２つの支持層がそれぞれ波形であり、前記少なくとも２つの支持層のそれぞれが、前記マイクロチューブの少なくとも一部に接触し、さらに前記支持層の両面が、前記吸着材料の少なくとも一部に接触する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の接触器または方法。
8. 複数の支持層を含んで構成されることを特徴とし、少なくとも２つの支持層のそれぞれが第１の表面および第２の表面を有し、前記第１の表面が、前記マイクロチューブの少なくとも一部に接触し、前記吸着材料が、前記第１の表面の少なくとも一部の上側に含まれ、それによって前記第１の表面の少なくとも一部が覆われ、かつ前記マイクロチューブの少なくとも一部が覆われる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の接触器または方法。
9. 前記接触器が、場合により互いに流体接続されていなくてもよい複数の開放フローチャネルを含んで構成され、前記供給ガス混合物の流れを前記複数の開放フローチャネルを通して配向することのできる容器内に収容され、前記供給ガス混合物および加熱用流体／冷却用流体（例えば水および蒸気から選択される加熱用流体／冷却用流体）への別々の流体接続を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の接触器または方法。
10. 前記マイクロチューブが、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、ポリマー材料、炭素、ガラス、セラミック、ならびにそれらの組み合わせおよび複合材料から選択される材料を含んで構成されること、
    前記吸着材料が、カチオンゼオライト類、アミン官能化メソポーラス材料、スタノシリケート類、炭素、ならびにそれらの組み合わせおよび複合材料から選択される材料を含んで構成されること、
    前記吸着材料が、ゼオライト類、ＡｌＰＯ類、ＳＡＰＯ類、ＭＯＦ類、ＺＩＦ類、炭素、ならびにそれらの組み合わせおよび複合材料から選択されるミクロ多孔性材料を含んで構成されること、
    前記吸着材料が、８員環ゼオライトを含んで構成されること、
    前記吸着材料が、約１〜約２５のＳｉ／Ａｌ比を有するゼオライトを含んで構成されること、
    前記吸着材料が、メタンに対するＣＯ_２の拡散係数（Ｄ_ＣＯ２／Ｄ_ＣＨ４）が１０を超えるゼオライトを含んで構成されること、
    前記吸着材料が、メタンに対するＮ_２の拡散係数（Ｄ_Ｎ２／Ｄ_ＣＨ４）が１０を超えるゼオライトを含んで構成されること、
    前記吸着材料が、メタンに対するＨ_２Ｓの拡散係数（Ｄ_Ｈ２Ｓ／Ｄ_ＣＨ４）が１０を超えるゼオライトを含んで構成されること、
    前記吸着材料が、ＤＤＲ、Ｓｉｇｍａ−１、ＺＳＭ−５８、およびそれらの組み合わせから選択されるゼオライトを含んで構成されること
    のうち１つ以上を満たす、請求項１〜９のいずれか一項に記載の接触器または方法。
11. 前記温度スイング方法の前記脱着サイクルの少なくとも一部の間に、前記加熱用流体が前記マイクロチューブの少なくとも一部を通過し、前記温度スイング方法の前記吸着サイクルの少なくとも一部の間に、冷却用流体（例えば水を含んで構成される冷却用流体）が前記マイクロチューブの少なくとも一部を通過する、請求項８または請求項９に記載の方法。
12. 全サイクル時間が１０秒を超え１０分未満である急速サイクル温度スイング吸着方法である、および／または１０００ｐｓｉｇを超える圧力で前記供給ガス混合物が前記開放フローチャネルに通される、請求項２〜１０のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記脱着サイクル中において、前記吸着材料の温度を上昇させ、前記標的ガスの分圧を低下させ、かつ／またはパージガスを前記開放フローチャネルの少なくとも一部に通す、請求項２〜１１のいずれか一項に記載の方法。
14. 熱交換方法であって、
    ａ）少なくとも入口端および出口端を有し、任意の長さを有する温度スイング吸着剤接触器にガス状供給ストリームを通すことであって、前記吸着剤接触器が、さらに、
    （ｉ）前記接触器の前記入口端を前記出口端に流体接続する長さを有する複数の開放チャネルであって、前記少なくとも１つの開放フローチャネルの少なくとも１つの壁が吸着材料を含んで構成される開放チャネルと、
    （ｉｉ）前記吸着材料に接触し、それを支持する少なくとも１つの支持層と、
    （ｉｉｉ）前記少なくとも１つの支持層に接触し、それによって支持される複数のマイクロチューブと
    を含むことと、
    ｂ）前記ガス状供給ストリームの少なくとも一部を第１の温度および第１の圧力で前記開放フローチャネルを通して流すことと、
    ｃ）前記吸着剤接触器が急勾配の熱波を示し、前記第１の温度よりも低い第２の温度および第２の圧力で生成物ストリームを形成するのに十分な条件下で、前記ガス状供給ストリームを含む前記吸着剤接触器を熱交換流体と接触させることであって、前記条件が、約２５０ｐｓｉｇ〜約２０００ｐｓｉｇの供給ストリーム圧を含み、かつ／または約２５０ｐｓｉｇ〜約２０００ｐｓｉｇの前記ガス状供給ストリームの圧力と前記熱交換流体の圧力との間の圧力差を得るのに十分な熱交換流体圧を含むことと
    を含む方法。
15. 前記第１の温度に関してＴ_９０およびＴ_１０が定義され得る熱交換温度で、かつ温度差（Ｔ_９０−Ｔ_１０）が前記接触器の前記長さの最大５０％にわたって生じるような前記熱交換温度で前記熱交換流体が最初に存在する、請求項１３に記載の方法。
16. 最大ペクレ数Ｐｅが１０未満である（ここでＰｅ＝（Ｕ×Ｌ）／αであり、式中、Ｕは、熱交換流体の速度を表し、Ｌは、流体流に対してほぼ垂直な方向で熱が輸送される特性距離を表し、αは、距離Ｌにわたる前記接触器の有効熱拡散率を表し、Ｕは、約０．０１ｍ／ｓ〜約１００ｍ／ｓであり、Ｌは、０．１メートル未満である）、請求項１３または請求項１４に記載の方法。

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