特表 2023-553032 湿気の多い条件下で二酸化炭素を捕捉するための装置、システム、および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-12-20

(54)【発明の名称】湿気の多い条件下で二酸化炭素を捕捉するための装置、システム、および方法

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/26 20060101AFI20231213BHJP

   B01D 53/04 20060101ALI20231213BHJP

   B01D 53/047 20060101ALI20231213BHJP

【ＦＩ】

B01D53/26 200

B01D53/04 110

B01D53/047

B01D53/04 240

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023534262

(86)(22)【出願日】2021-12-08

(85)【翻訳文提出日】2023-08-07

(86)【国際出願番号】 US2021062492

(87)【国際公開番号】W WO2022125718

(87)【国際公開日】2022-06-16

(31)【優先権主張番号】63/123,219

(32)【優先日】2020-12-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】507243142

【氏名又は名称】アリゾナ・ボード・オブ・リージェンツ・オン・ビハーフ・オブ・アリゾナ・ステイト・ユニバーシティー

【氏名又は名称原語表記】Ａｒｉｚｏｎａ Ｂｏａｒｄ ｏｆ Ｒｅｇｅｎｔｓ ｏｎ ｂｅｈａｌｆ ｏｆ Ａｒｉｚｏｎａ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100210398

【弁理士】

【氏名又は名称】横尾 太郎

(72)【発明者】

【氏名】チルッチ，ジョン

(72)【発明者】

【氏名】ラックナー，クラウス

【テーマコード（参考）】

4D012

4D052

【Ｆターム（参考）】

4D012BA01

4D012BA02

4D012BA04

4D012CA01

4D012CA03

4D012CB15

4D012CD07

4D012CD08

4D012CD10

4D012CE01

4D012CE02

4D012CF10

4D012CG01

4D052AA00

4D052CE00

4D052DA00

4D052DA05

4D052GA01

4D052GA03

4D052GB00

4D052GB08

4D052HA01

4D052HA03

(57)【要約】

ＣＯ_２を捕捉するための装置、方法、およびシステムが開示される。この方法は、水およびＣＯ_２を含むプロセス蒸気を吸気口圧力で容器内に受け取るステップを含み、容器は乾燥剤およびＣＯ_２収着剤材料を有する。この方法は、プロセス蒸気を乾燥剤および収着剤に通過させ、乾燥剤が水を吸収して乾燥蒸気を生成し、収着剤が乾燥蒸気からＣＯ_２を吸収してＣＯ_２の少ない乾燥蒸気を生成することを含む。この方法は、プロセス蒸気を停止するステップと、乾燥剤の下流側の圧力を吸気口圧力よりも低くすること、および乾燥剤の温度を上昇させることのうちの少なくとも１つによって、乾燥剤から水を脱離させるステップと、脱着された水を収着剤と接触させることによって収着剤からＣＯ_２を脱着するステップと、脱着されたＣＯ_２を生成物出口を通して生成物流として除去し、残留水を乾燥剤および収着剤から脱着するステップと、を含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

乾燥剤と、
ＣＯ_２収着剤材料と、
前記乾燥剤と前記ＣＯ_２収着剤材料を封入し、蒸気吸気口と生成物出口を含む、容器と
を含み、
第１の相、第２の相、および第３の相の間を循環するように構成され、
前記第１の相は、吸気口圧力で前記蒸気吸気口を介して前記容器内に受け入れられる、水蒸気と二酸化炭素ガスを有するプロセス蒸気を含み、
前記プロセス蒸気は前記乾燥剤と前記ＣＯ_２収着剤材料を通過し、
前記乾燥剤が前記プロセス蒸気中の前記水蒸気の少なくとも一部を吸収して乾燥蒸気を生成し、
前記ＣＯ_２収着剤材料が前記乾燥蒸気から二酸化炭素を吸収し、ＣＯ_２の少ない乾燥蒸気が生成され、前記乾燥剤によって吸収される前記水蒸気の前記一部は、ＣＯ_２収着剤材料が前記残留水によって阻害されずに前記乾燥蒸気から二酸化炭素を吸収するのに十分な大きさであり、
前記第２の相は、閉じられた前記蒸気吸気口、前記吸気口圧力よりも低下する前記乾燥剤の下流の第１の圧力、および上昇する前記乾燥剤の温度の少なくとも１つを含み、
前記乾燥剤から脱着された前記水が前記ＣＯ_２収着剤材料と直接接触することに応答して、前記乾燥剤からの水の前記脱着と、前記ＣＯ_２収着剤材料からの二酸化炭素の前記脱着とが生じ、
前記第２の相は、前記生成物出口を通して除去されるＣＯ_２に富む生成物流をさらに含み、
前記第３の相は、前記乾燥剤と前記ＣＯ_２収着剤材料の両方から回収水として脱着される残留水を含む、
二酸化炭素を捕捉するための装置。

【請求項2】

前記プロセス蒸気の方向で前記ＣＯ_２収着剤材料の下流にある前記容器内のＣＯ_２濃度センサと、
前記プロセス蒸気の方向で前記ＣＯ_２収着剤材料の下流にある前記容器内の水の濃度センサと
をさらに含み、
前記ＣＯ_２収着剤材料の下流におけるＣＯ_２濃度の増加に応答して、前記第１の相から前記第２の相に移行するように構成されて、
前記ＣＯ_２収着剤材料の下流の水の濃度の増加に応答して、前記第２の相から前記第３の相に移行するように構成される、
請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記乾燥剤と前記ＣＯ_２収着剤材料はそれぞれ前記容器内の少なくとも１つの床内に含まれており、
前記少なくとも１つの床のそれぞれ内の水および二酸化炭素のうちの少なくとも１つの収着および脱着は、各相中に移動物質移行フロントとして下流に進む、
請求項１または２に記載の装置。

【請求項4】

前記乾燥剤および前記ＣＯ_２収着剤材料が同じ床内にある、
請求項３に記載の装置。

【請求項5】

前記乾燥剤と前記ＣＯ_２収着剤材料が混合され、均一に混合されるか、または前記床全体で実質的な乾燥剤から実質的なＣＯ_２収着剤材料に徐々に変化するように混合される、
請求項４に記載の装置。

【請求項6】

前記乾燥剤および前記ＣＯ_２収着剤材料が別個の床内にある、
請求項３に記載の装置。

【請求項7】

前記吸気口圧力が大気圧に近い圧力である、
請求項１～３のいずれか一項に記載の装置。

【請求項8】

前記ＣＯ_２収着剤材料の下流で前記容器に結合される第１の真空圧縮器をさらに含み、
前記乾燥剤の下流の前記第１の圧力は、前記第１の真空圧縮器によって確立され、維持される、
請求項１、２、３、または７のいずれか一項に記載の装置。

【請求項9】

前記乾燥剤から脱離した前記水を前記第２の相に置き、前記ＣＯ_２収着剤材料と直接接触させるように構成された液体ポンプをさらに含む、
請求項１、２、３、６、または８のいずれか一項に記載の装置。

【請求項10】

前記乾燥剤と前記ＣＯ_２収着剤材料が同じである、
請求項１、２、３、６、８、または９のいずれか一項に記載の装置。

【請求項11】

吸気口圧力で蒸気吸気口を介してプロセス蒸気を容器内に受け取るステップであって、前記プロセス蒸気は水蒸気と二酸化炭素ガスを含み、前記容器は乾燥剤とＣＯ_２収着剤材料を含む、ステップと、
前記プロセス蒸気を前記乾燥剤と前記ＣＯ_２収着剤材料に通過させるステップであって、前記乾燥剤が前記プロセス蒸気中の前記水蒸気の少なくとも一部を吸収して乾燥蒸気を生成し、前記ＣＯ_２収着剤材料が前記乾燥蒸気から二酸化炭素を吸収し、ＣＯ_２の少ない乾燥蒸気が生成され、前記乾燥剤によって吸収される前記水蒸気の前記一部は、前記ＣＯ_２収着剤材料が前記残留水によって阻害されずに前記乾燥蒸気から二酸化炭素を吸収するのに十分な大きさである、ステップと、
前記蒸気吸気口を閉じることによって前記プロセス蒸気を停止するステップと、
前記乾燥剤の下流側の第１の圧力を前記吸気口圧力よりも低くすること、および前記乾燥剤の温度を上昇させることのうちの少なくとも１つによって、前記乾燥剤から前記水を脱着するステップと、
前記乾燥剤から脱着された前記水を前記ＣＯ_２収着剤材料と直接接触させることによって、前記ＣＯ_２収着剤材料から前記二酸化炭素を脱着するステップと、
前記脱着された二酸化炭素を生成物流として前記生成物出口を通して除去するステップと、
前記乾燥剤と前記ＣＯ_２収着剤材料から残留水を脱着するステップと
を含む、
二酸化炭素を捕捉する方法。

【請求項12】

前記容器内のＣＯ_２センサが前記ＣＯ_２収着剤材料の下流でのＣＯ_２濃度の増加を観察することに応答して、前記蒸気吸気口が閉じられ、前記プロセス蒸気が停止され、
前記ＣＯ_２収着剤材料の下流でＣＯ_２濃度の増加を観測した前記容器内の水センサに応答して、前記蒸気吸気口が閉じられ、前記プロセス蒸気が停止される、
請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記乾燥剤と前記ＣＯ_２収着剤材料はそれぞれ前記容器内の少なくとも１つの床内に含まれており、
前記少なくとも１つの床のそれぞれ内の水および二酸化炭素のうちの少なくとも１つの収着および脱着は、各相中に移動物質移行フロントとして下流に進む、
請求項１１または１２に記載の方法。

【請求項14】

前記乾燥剤と前記ＣＯ_２収着剤材料が同じ床内にある、
請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記乾燥剤と前記ＣＯ_２収着剤材料が混合され、均一に混合されるか、または前記床全体で実質的な乾燥剤から実質的なＣＯ_２収着剤材料に徐々に変化するように混合される、 請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記乾燥剤と前記ＣＯ_２収着剤材料が別個の床にある、請求項１３に記載の方法。

【請求項17】

前記吸気口圧力が大気圧に近い圧力である、
請求項１１、１２、または１３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項18】

前記乾燥剤の下流の前記第１の圧力が、前記ＣＯ_２収着剤材料の下流で前記容器に結合された第１の真空圧縮器を使用して前記吸気口圧力未満に減圧される、
請求項１１、１２、１３、または１７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項19】

前記乾燥剤から脱着された前記水が、液体ポンプを使用して前記ＣＯ_２収着剤材料と直接接触して配置される、
請求項１１、１２、１３、１７、または１８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項20】

複数のＣＯ_２捕捉装置を含む、二酸化炭素を捕捉するためのシステムであって、
各装置は、
乾燥剤と、
ＣＯ_２収着剤材料と、
前記乾燥剤と前記ＣＯ_２収着剤材料を封入し、蒸気吸気口と生成物出口を含む、容器と
を含み、
前記装置は、第１の相、第２の相、および第３の相の間で循環するように構成され、
前記第１の相は、吸気口圧力で前記蒸気吸気口を介して前記容器内に受け入れられる、水蒸気と二酸化炭素ガスを有するプロセス蒸気を含み、
前記プロセス蒸気は前記乾燥剤と前記ＣＯ_２収着剤材料を通過し、前記乾燥剤が前記プロセス蒸気中の前記水蒸気の少なくとも一部を吸収して乾燥蒸気を生成し、前記ＣＯ_２収着剤材料が前記乾燥蒸気から二酸化炭素を吸収してＣＯ_２の少ない乾燥蒸気が生成され、前記乾燥剤によって吸収される前記水蒸気の前記一部は、前記ＣＯ_２収着剤材料が前記残留水によって阻害されずに前記乾燥蒸気から二酸化炭素を吸収するのに十分な大きさであり、
前記第２の相は、閉じられた前記蒸気吸気口、前記吸気口圧力よりも低下する前記乾燥剤の下流の第１の圧力、および上昇する前記乾燥剤の温度の少なくとも１つを含み、
前記乾燥剤から脱着された水が前記ＣＯ_２収着剤材料と直接接触することに応答して、前記乾燥剤からの前記水の前記脱着と、前記ＣＯ_２収着剤材料からの二酸化炭素の前記脱着とが生じ、前記第２の相は、前記生成物出口を通して除去されるＣＯ_２に富む生成物流をさらに含み、
前記第３の相は、前記乾燥剤と前記ＣＯ_２収着剤材料の両方から回収水として脱着される残留水を含む、
システム。

【請求項21】

各ＣＯ_２捕捉装置が、
前記プロセス蒸気の方向で前記ＣＯ_２収着剤材料の下流にある前記容器内のＣＯ_２濃度センサと、
前記プロセス蒸気の方向で前記ＣＯ_２収着剤材料の下流にある前記容器内の水の濃度センサと
をさらに含み、
前記複数の装置のうちの各装置は、前記ＣＯ_２収着剤材料の下流のＣＯ_２濃度の増加に応答して、前記第１の相から前記第２の相に移行するように構成され、
前記複数の装置のうちの各装置は、前記ＣＯ_２収着剤材料の下流の水の濃度の増加に応答して、前記第２の相から前記第３の相に移行するように構成される、
請求項２０に記載のシステム。

【請求項22】

前記複数のＣＯ_２捕捉装置の各ＣＯ_２捕捉装置について、前記乾燥剤および前記ＣＯ_２収着剤材料はそれぞれ、その装置の前記容器内の少なくとも１つの床内に含まれ、
その装置の前記少なくとも１つの床のそれぞれ内の水および二酸化炭素のうちの少なくとも１つの収着および脱着は、各相中に移動物質移行フロントとして下流に進む、
請求項２０または２１に記載のシステム。

【請求項23】

前記複数のＣＯ_２捕捉装置の各ＣＯ_２捕捉装置について、前記乾燥剤および前記ＣＯ_２収着剤材料が同じ床内にある、
請求項２２に記載のシステム。

【請求項24】

前記複数のＣＯ_２捕捉装置の各ＣＯ_２捕捉装置について、前記乾燥剤および前記ＣＯ_２収着剤材料が別個の床内にある、
請求項２２に記載のシステム。

【請求項25】

前記複数のＣＯ_２捕捉装置の各ＣＯ_２捕捉装置について、前記吸気口圧力が大気圧に近い、
請求項２０、２１または２２のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項26】

前記複数のＣＯ_２捕捉装置の各ＣＯ_２捕捉装置が、
前記ＣＯ_２収着剤材料の下流で前記容器に結合される第１の真空圧縮器をさらに含み、
前記第１の圧力は、前記第１の真空圧縮器によって確立され、維持される、
請求項２０、２１、２２、または２５のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項27】

前記複数のＣＯ_２捕捉装置のうちの各ＣＯ_２捕捉装置は、前記第２の相において前記乾燥剤から脱着された前記水を前記ＣＯ_２収着剤材料と直接接触させるように構成された液体ポンプをさらに含む、
請求項２０、２１、２２、２５、または２６のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項28】

前記複数のＣＯ_２捕捉装置から構成される複数の装置対であって、各装置対は第１の装置と第２の装置とを含む、複数の装置対と、
複数の熱伝達回路であって、各熱伝達回路は、ポンプを介して流体ループ内を循環する熱伝達流体を含み、各熱伝達回路は、前記熱伝達回路が前記第１の装置および前記第２の装置の前記乾燥剤と熱的に接触するように、異なる装置対に結合される、複数の熱伝達回路と
をさらに含み、
前記第１の装置と前記第２の装置は相がずれているため、前記第１の装置が前記第１の相にあるとき、前記第２の装置は前記第２の相または前記第３の相のいずれかにあり、
各熱伝達回路は、前記装置対内の前記装置間で熱を伝達するように構成され、その結果、前記熱伝達流体は、前記第１の相では前記装置の前記乾燥剤によって間接的に加熱され、前記第２の相または第３の相では前記装置の前記乾燥剤に熱を伝達するときに冷却される、
請求項２０、２１、２２、２５、２６、または２７のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項29】

前記複数のＣＯ_２捕捉装置から構成される複数の装置対であって、各装置対は第１の装置と第２の装置とを含む、複数の装置対と、
複数のヒートポンプであって、各ヒートポンプは、圧縮器および圧力降下装置を含む流体ループ内を循環する熱伝達流体を含み、各ヒートポンプは、前記ヒートポンプが前記第１の装置および前記第２の装置の前記乾燥剤と熱的に接触するように、異なる装置対に結合される、複数のヒートポンプと
をさらに含み、
前記第１の装置と前記第２の装置は相がずれているため、前記第１の装置が前記第１の相にあるとき、前記第２の装置は前記第２の相または前記第３の相のいずれかにあり、
各ヒートポンプは、前記第１の相の前記装置の前記乾燥剤内のより低い温度から、前記第２の相または前記第３の相の前記装置の前記乾燥剤内のより高い温度に熱を伝達するように構成される、
請求項２０、２１、２２、２５、２６、または２７のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項30】

前記複数のＣＯ_２捕捉装置から構成される複数の装置トライアドをさらに含み、
各装置トライアドは、前記第１の相の第１の装置、前記第２の相の第２の装置、および前記第３の相の第３の装置をさらに含み、
各装置トライアドは、
流体ループ内を循環する熱伝達流体を含むヒートポンプであって、前記流体ループは圧縮器と圧力降下装置を含み、前記ヒートポンプは前記装置トライアドに結合され、その結果、前記ヒートポンプは、前記装置トライアドの前記３つの装置の前記乾燥剤と熱的に接触しており、前記ヒートポンプは、前記第１の相の前記第１の装置から前記第２の相の前記第２の装置、および前記第３の相の前記第３の装置に熱を伝達するように構成される、ヒートポンプと、
前記第２の装置の前記生成物出口に結合され、前記第２の装置の前記ＣＯ_２に富む生成物流を圧縮するように構成される第２の真空圧縮器と、
前記第３の装置の前記生成物出口に結合され、前記第３の装置の前記水蒸気を圧縮するように構成された第３の真空圧縮器と、
前記第３の装置の前記生成物出口と流体連通し、第１の熱交換器を介して、前記第２および第３の真空圧縮器からの圧縮熱を、前記第２の装置および前記第３の装置の前記乾燥剤と熱接触している前記ヒートポンプの前記流体ループに加えるように構成される第１の熱伝達回路と、
前記第１の装置に結合された冷却塔と流体連通し、第２の熱交換器を介して、前記第２の装置からの水の前記第１の装置の前記ＣＯ_２の少ない乾燥蒸気への前記再蒸発による再蒸発熱を除去するように構成される第２の熱伝達回路と
を含み、
前記再蒸発熱は前記ヒートポンプの前記流体ループから除去される、
請求項２０、２１、２２、２５、２６、または２７のいずれか一項に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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

【0002】

[0002]この文書の態様は、一般に二酸化炭素の捕捉に関する。

【背景技術】

【0003】

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

【0004】

[0004]大気中の二酸化炭素濃度が低いため、大気から二酸化炭素を捕捉することは困難である。空気から二酸化炭素を除去するための理論上の最小エネルギー要件は非常に小さい（約２２ｋＪ／モル）にもかかわらず、ほとんどの実際のプロセスには大きな非効率が含まれており、理論上の最適値に近い動作を困難にしている。新しい炭素捕捉技術を広く採用するには、有用な生成物流を効率的に捕捉して分離することが不可欠である。

【0005】

[0005]二酸化炭素を捕捉するための水分スイング吸収（「ＭＳＡ」）プロセスは、ＣＯ_２の脱着のための駆動力機構として水または水蒸気を必要とし、収着剤の再生を完了するために乾燥蒸気を必要とする。ＭＳＡサイクルを採用するいくつかの直接空気捕捉（「ＤＡＣ」）スキームでは、風によって受動的に送られる周囲空気によって乾燥蒸気が提供される。しかし、これにより地理的環境は相対湿度の低い地域に限定される。周囲湿度が高い地域では、ＣＯ_２吸収の前に供給空気から水を除去し、除去した水を次の再生ステップで使用することが有利である。しかし、水の除去とＣＯ_２回収の比率は非常に高く、水の除去とシステムの再生のためのエネルギーは非常に大きくなる。さらに、理想的な乾燥気候に置かれた場合、これらのＭＳＡＤＡＣスキームは通常、再生のためにかなりの量の水を必要とする。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0006】

[0006]一態様によれば、二酸化炭素を捕捉するための装置は、乾燥剤、ＣＯ_２収着剤材料、および乾燥剤およびＣＯ_２収着剤材料を封入し、蒸気吸気口および生成物出口を有する容器を含む。装置は、第１の相、第２の相、および第３の相の間で循環するように構成される。第１の相は、吸気口圧力で蒸気吸気口を介して容器内に受け入れられる、水蒸気と二酸化炭素ガスを有するプロセス蒸気を含む。プロセス蒸気は乾燥剤とＣＯ_２収着剤材料を通過し、乾燥剤はプロセス蒸気中の水蒸気の少なくとも一部を吸収し、乾燥蒸気が生成される。ＣＯ_２収着剤材料は乾燥蒸気から二酸化炭素を吸収し、ＣＯ_２の少ない乾燥蒸気が生成される。乾燥剤によって吸収される水蒸気の部分は、ＣＯ_２収着剤材料が残留水によって阻害されずに乾燥蒸気から二酸化炭素を吸収するのに十分な大きさである。第２の相は、閉じられた蒸気吸気口、吸気口圧力よりも低下する乾燥剤の下流の第１の圧力、および上昇する乾燥剤の温度の少なくとも１つを含み、その結果、乾燥剤から脱着された水がＣＯ_２収着剤材料と直接接触することに応答して、乾燥剤から水が脱着され、ＣＯ_２収着剤材料から二酸化炭素が脱着される。第２の相はさらに、生成物出口を通じて除去されるＣＯ_２に富む生成物流を有する。第３の相には、乾燥剤とＣＯ_２収着剤材料の両方から回収水として脱着される残留水が含まれる。

【0007】

[0007]特定の実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を備えることができる。この装置は、プロセス蒸気の方向でＣＯ_２収着剤材料の下流の容器内部にＣＯ_２濃度センサを含み得る。この装置は、容器内の、プロセス蒸気の方向でＣＯ_２収着剤材料の下流に水の濃度センサを含み得る。この装置は、ＣＯ_２収着剤材料の下流におけるＣＯ_２濃度の増加に応答して、第１の相から第２の相に移行するように構成され得る。この装置は、ＣＯ_２収着剤材料の下流の水の濃度の増加に応答して、第２の相から第３の相に移行するように構成され得る。乾燥剤およびＣＯ_２収着剤材料はそれぞれ、容器内の少なくとも１つの床内に収容されてもよい。少なくとも１つの床のそれぞれ内での水および二酸化炭素のうちの少なくとも１つの収着および脱着は、各相中に移動物質移行フロントとして下流に進行し得る。乾燥剤とＣＯ_２収着剤材料は同じ床にあってもよい。乾燥剤とＣＯ_２収着剤材料は混合することができ、均一に混合するか、床全体で実質的な乾燥剤から実質的なＣＯ_２収着剤材料に徐々に変化するように混合することができる。乾燥剤とＣＯ_２収着剤材料は別個の床にあってもよい。吸気口圧力は大気圧に近い圧力であってもよい。この装置は、ＣＯ_２収着剤材料の下流で容器に結合された第１の真空圧縮器を含むことができる。乾燥剤の下流の第１の圧力は、第１の真空圧縮器によって確立され、維持され得る。この装置は、乾燥剤から脱着された水を第２の相においてＣＯ_２収着剤材料と直接接触させるように構成された液体ポンプを含んでもよい。乾燥剤とＣＯ_２吸収剤材料は同じであってもよい。

【0008】

[0008]本開示の別の態様によれば、二酸化炭素を捕捉するための方法は、吸気口圧力で蒸気吸気口通して容器内にプロセス蒸気を受け取ることを含み、プロセス蒸気は水蒸気と二酸化炭素ガスを含み、容器は乾燥剤とＣＯ_２収着剤材料を有する。この方法には、プロセス蒸気を乾燥剤とＣＯ_２収着剤材料に通過させることも含まれ、乾燥剤がプロセス蒸気中の水蒸気の少なくとも一部を吸収して乾燥蒸気を生成し、ＣＯ_２収着剤材料が乾燥蒸気から二酸化炭素を吸収し、ＣＯ_２の少ない乾燥蒸気が生成され、乾燥剤によって吸収される水蒸気の部分は、ＣＯ_２収着剤材料が残留水によって阻害されずに乾燥蒸気から二酸化炭素を吸収するのに十分な大きさである。この方法は、蒸気吸気口を閉じることによってプロセス蒸気を停止することと、および乾燥剤の下流側の第１の圧力を吸気口圧力未満に低下させることと、乾燥剤の温度を上昇させることのうちの少なくとも１つによって乾燥剤から水を脱着することとを含む。この方法は、乾燥剤から脱離した水をＣＯ_２収着剤材料と直接接触させることによって、ＣＯ_２収着剤材料から二酸化炭素を脱着すること、脱着された二酸化炭素を生成物出口を通して生成物流として除去することと、乾燥剤とＣＯ_２収着剤材料から残留水を脱着することと、を含む。

【0009】

[0009]特定の実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を備えることができる。容器内のＣＯ_２センサがＣＯ_２収着剤材料の下流でのＣＯ_２濃度の増加を観察することに応答して、蒸気吸気口を閉じてプロセス蒸気を停止することができる。ＣＯ_２収着剤材料の下流でのＣＯ_２濃度の増加を観察する容器内の水センサに応答して、蒸気吸気口を閉じてプロセス蒸気を停止することができる。乾燥剤およびＣＯ_２収着剤材料はそれぞれ、容器内の少なくとも１つの床内に収容されてもよい。少なくとも１つの床のそれぞれ内での水および二酸化炭素のうちの少なくとも１つの収着および脱着は、各相中に移動物質移行フロントとして下流に進行し得る。乾燥剤とＣＯ_２収着剤材料は同じ床にあってもよい。乾燥剤とＣＯ_２収着剤材料は混合することができ、均一に混合するか、床全体で実質的な乾燥剤から実質的なＣＯ_２収着剤材料に徐々に変化するように混合することができる。乾燥剤とＣＯ_２収着剤材料は別個の床にあってもよい。吸気口圧力は大気圧に近い圧力であってもよい。乾燥剤の下流の第１の圧力は、ＣＯ_２収着剤材料の下流で容器に結合された第１の真空圧縮器を使用して、吸気口圧力よりも低くすることができる。乾燥剤から脱着された水は、液体ポンプを使用してＣＯ_２収着剤材料と直接接触して配置される。

【0010】

[0010]本開示のさらに別の態様によれば、二酸化炭素を捕捉するためのシステムは、複数のＣＯ_２捕捉装置を含み、各装置は、乾燥剤、ＣＯ_２収着剤材料、ならびに乾燥剤およびＣＯ_２収着剤材料を封入し、蒸気吸気口および生成物出口を有する容器を有する。装置は、第１の相、第２の相、および第３の相の間で循環するように構成される。第１の相には、吸気口圧力で蒸気吸気口を介して容器内に受け入れられる、水蒸気と二酸化炭素ガスを有するプロセス蒸気を含み、プロセス蒸気は乾燥剤とＣＯ_２収着剤材料を通過し、乾燥剤がプロセス蒸気中の水蒸気の少なくとも一部を吸収して乾燥蒸気を生成し、ＣＯ_２収着剤材料が乾燥蒸気から二酸化炭素を吸収し、ＣＯ_２の少ない乾燥蒸気が生成され、乾燥剤によって吸収される水蒸気の部分は、ＣＯ_２収着剤材料が残留水によって阻害されずに乾燥蒸気から二酸化炭素を吸収するのに十分な大きさである。第２の相は、閉じられた蒸気吸気口、吸気口圧力よりも低下する乾燥剤の下流の第１の圧力、および上昇する乾燥剤の温度の少なくとも１つを含み、乾燥剤から脱着された水がＣＯ_２収着剤材料と直接接触することに応答して、乾燥剤からの水の脱着と、ＣＯ_２収着剤材料からの二酸化炭素の脱着とが生じ、第２の相はさらに、生成物出口を通じて除去されるＣＯ_２に富む生成物流を有する。第３の相には、乾燥剤とＣＯ_２収着剤材料の両方から回収水として脱着される残留水が含まれる。

【0011】

[0011]特定の実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を備えることができる。各ＣＯ_２捕捉装置には、プロセス蒸気の方向でＣＯ_２収着剤材料の下流にある容器内のＣＯ_２濃度センサとおよび／または容器内のプロセス蒸気の方向でＣＯ_２収着剤材料の下流にある水の濃度センサも含まれ得る。複数の装置のうちの各装置は、ＣＯ_２収着剤材料の下流におけるＣＯ_２濃度の増加に応答して、第１の相から第２の相に移行するように構成され得る。複数の装置のうちの各装置は、ＣＯ_２収着剤材料の下流の水の濃度の増加に応答して、第２の相から第３の相に移行するように構成され得る。複数のＣＯ_２捕捉装置の各ＣＯ_２捕捉装置について、乾燥剤およびＣＯ_２収着剤材料はそれぞれ、その装置の容器内の少なくとも１つの床内に収容され得る。その装置の少なくとも１つの床のそれぞれ内での水および二酸化炭素のうちの少なくとも１つの収着および脱着は、各相中に移動物質移行フロントとして下流に進行し得る。複数のＣＯ_２捕捉装置の各ＣＯ_２捕捉装置について、乾燥剤およびＣＯ_２収着剤材料は同じ床内にあってもよい。複数のＣＯ_２捕捉装置の各ＣＯ_２捕捉装置について、乾燥剤およびＣＯ_２収着剤材料は別個の床にあってもよい。複数のＣＯ_２捕捉装置の各ＣＯ_２捕捉装置について、吸気口圧力は大気圧に近い圧力であってもよい。複数のＣＯ_２捕捉装置の各ＣＯ_２捕捉装置は、ＣＯ_２収着剤材料の下流で容器に結合された第１の真空圧縮器をさらに含むことができる。第１の圧力は、第１の真空圧縮器によって確立され、維持され得る。複数のＣＯ_２捕捉装置の各ＣＯ_２捕捉装置は、乾燥剤から脱着された水を第２の相においてＣＯ_２収着剤材料と直接接触させるように構成された液体ポンプをさらに含み得る。このシステムは、複数のＣＯ_２捕捉装置から構成される複数の装置対を含むこともでき、各装置対は第１の装置と第２の装置を有する。このシステムは、複数の熱伝達回路を含むこともでき、各熱伝達回路は、ポンプを介して流体ループ内を循環する熱伝達流体を有し、各熱伝達回路は、熱伝達回路が第１の装置および第２の装置の乾燥剤と熱的に接触できるように、異なる装置対に結合される。第１の装置と第２の装置は相がずれているため、第１の装置が第１の相にあるとき、第２の装置は第２の相または第３の相にあり得る。各熱伝達回路は、装置対内の装置間で熱を伝達するように構成でき、そのため、熱伝達流体は、第１の相では装置の乾燥剤によって間接的に加熱され、第２の相または第３の相では装置の乾燥剤に熱を伝達するときに冷却され得る。このシステムは、複数のＣＯ_２捕捉装置から構成される複数の装置対をさらに含むことができ、各装置対は第１の装置と第２の装置を有する。システムには複数のヒートポンプも含まれ得、各ヒートポンプは、圧縮器と圧力降下装置を備えた流体ループ内を循環する熱伝達流体を備え、各ヒートポンプは、ヒートポンプが第１の装置および第２の装置の乾燥剤と熱的に接触できるように、異なる装置対に結合される。第１の装置と第２の装置は相がずれているため、第１の装置が第１の相にあり得るとき、第２の装置は第２の相または第３の相にあり得る。各ヒートポンプは、第１の相の装置の乾燥剤内のより低い温度から、第２の相または第３の相の装置の乾燥剤内のより高い温度に熱を伝達するように構成され得る。このシステムは、複数のＣＯ_２捕捉装置から構成される複数の装置トライアドを含むこともできる。各装置トライアドには、第１の相の第１の装置、第２の相の第２の装置、および第３の相の第３の装置が含まれ得る。各装置トライアドには、流体ループ内を循環する熱伝達流体を備えたヒートポンプが含まれ得、流体ループには圧縮器と圧力降下装置があり、ヒートポンプが装置トライアドの３つの装置の乾燥剤と熱的に接触できるように装置トライアドにヒートポンプが結合され、ヒートポンプは、第１の相の第１の装置から第２の相の第２の装置に、そして第３の相の第３の装置に熱を伝達するように構成される。各装置トライアドは、第２の装置の生成物出口に結合され、第２の装置のＣＯ_２に富む生成物流を圧縮するように構成された第２の真空圧縮器を含み得る。各装置トライアドは、第３の装置の生成物出口に結合され、第３の装置の水蒸気を圧縮するように構成された第３の真空圧縮器を含むことができる。各装置トライアドは、第３の装置の生成物出口と流体連通し、第１の熱交換器を介して、第２および第３の真空圧縮器からの圧縮熱を、第２の装置および第３の装置の乾燥剤と熱接触しているヒートポンプの流体ループに加えるように構成される第１の熱伝達回路を含むことができる。各装置トライアドには、第１の装置に結合された冷却塔と流体連通し、第２の熱交換器を介して、第２の装置からの水の第１の装置のＣＯ_２の少ない乾燥蒸気への再蒸発による再蒸発熱を除去するように構成される第２の熱伝達回路が含まれ得、再蒸発熱はヒートポンプの流体ループから除去される。

【0012】

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

【0013】

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

【0014】

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

【0015】

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

【0016】

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

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】[0017]図１Ａは、第１の相内のさまざまな点におけるＣＯ_２捕捉装置の概略図である。図１Ｂは、第１の相内のさまざまな点におけるＣＯ_２捕捉装置の概略図である。図１Ｃは、第１の相内のさまざまな点におけるＣＯ_２捕捉装置の概略図である。

【図2】[0018]第２の相におけるＣＯ_２捕捉装置の概略図である。

【図3】[0019]第３の相におけるＣＯ_２捕捉装置の概略図である。

【図4】[0020]熱伝達回路によって連結された２つの捕捉装置からなるＣＯ_２捕捉システムの概略図である。

【図5】[0021]ヒートポンプによって連結された捕捉装置を備えたＣＯ_２捕捉システムの概略図である。

【図6】[0022]異なる相にある捕捉装置を有するＣＯ_２捕捉システムのプロセス図である。

【図7】[0023]水分スイング収着剤材料を使用する別のＣＯ_２捕捉システムの概略図である。

【図8】[0024]乾燥剤の代わりに凝縮を利用するＣＯ_２捕捉システムの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

[0025]本開示、その態様および実施は、本明細書に開示される特定の材料タイプ、構成要素、方法、または他の例に限定されない。当技術分野で知られている多くの追加の材料タイプ、構成要素、方法、および手順が、本開示の特定の実装で使用するために企図される。したがって、例えば、特定の実装が開示されているが、そのような実装および実装構成要素は、意図された動作と一致する、そのようなシステムおよび実装構成要素に関して当技術分野で知られている任意の構成要素、モデル、タイプ、材料、バージョン、数量などを含み得る。

【0019】

[0026]用語「例示的な」、「例」、またはそのさまざまな形態は、本明細書では、例、実例、または図として機能することを意味するために使用される。「例示的」または「例」として本明細書に記載されるいかなる態様または設計も、必ずしも他の態様または設計より好ましいまたは有利であると解釈されるべきではない。さらに、例は、明確化および理解を目的としてのみ提供されており、いかなる形であっても本開示の開示主題または関連部分を制限または限定することを意図するものではない。さまざまな範囲の無数の追加または代替例を提示することができたが、簡潔にするために省略したことを理解されたい。

【0020】

[0027]本開示には、多くの異なる形態の多くの実施形態が含まれるが、本開示は、開示される方法およびシステムの原理の例示としてみなされるべきであることを理解した上で、図面に示され、本明細書で特定の実施形態について詳細に説明され、開示された概念の広範な態様を図示された実施形態に限定することを意図したものではない。

【0021】

[0028]周囲空気から二酸化炭素を除去する技術の必要性は十分に確立されている。差し迫った気候変動の危機を回避するには、保全、炭素削減プロセス、現場での捕捉の取り組みに加えて、大気からかなりの量の二酸化炭素を除去する必要がある。それにもかかわらず、これらの技術はまだ新しく、初期の空気捕捉プロセスの動作には大量のエネルギーが必要である。周囲空気中の二酸化炭素は非常に希薄であるため、大気中の二酸化炭素回収装置は、空気を大量に吸引して処理するための厳しいエネルギー予算をすぐに超過してしまう可能性がある。

【0022】

[0029]大気中の二酸化炭素の濃度が低いため、大気から二酸化炭素を捕捉することは困難である。空気から二酸化炭素を除去するための理論上の最小エネルギー要件は非常に小さい（約２２ｋＪ／モル）にもかかわらず、ほとんどの実際のプロセスには大きな非効率が含まれており、理論上の最適値に近い動作を困難にしている。新しい炭素捕捉技術を広く採用するには、有用な生成物流を効率的に捕捉して分離することが不可欠である。

【0023】

[0030]二酸化炭素を捕捉するための水分スイング吸収（「ＭＳＡ」）プロセスは、ＣＯ_２の脱着のための駆動力機構として水または水蒸気を必要とし、収着剤の再生のために乾燥蒸気を必要とする。ＭＳＡサイクルを採用するいくつかの直接空気捕捉（「ＤＡＣ」）スキームでは、風によって受動的に送られる周囲空気によって乾燥蒸気が提供される。しかし、これにより地理的環境は相対湿度の低い地域に限定される。周囲湿度が高い地域では、ＣＯ_２吸収の前に供給空気から水を除去し、次いで除去した水を次の再生ステップで使用することが有利である。しかし、水の除去とＣＯ_２回収の比率は非常に高く、水の除去とシステムの再生のためのエネルギーは非常に大きくなる。さらに、理想的な乾燥気候に置かれた場合、これらのＭＳＡＤＡＣスキームは通常、再生のためにかなりの量の水を必要とする。

【0024】

[0031]本明細書では、水分スイング吸収を利用して湿った空気から二酸化炭素を捕捉するための装置、システム、および方法が企図される。以下に説明するように、企図されるシステム、装置、および方法は、処理される流体から水を除去し、その後、その水を使用して水分スイング収着剤材料から捕捉された二酸化炭素を放出することに中心を置いている。このエネルギーと水の操作は、戦略的な熱伝達と、従来のシステムでは失われるであろうエネルギーと資源の回収を通じて、効率的な方法で実行される。企図されるシステム、装置、および方法は、清潔で信頼性が高く安価な水源が利用できない乾燥地帯を含むあらゆる地域のＤＡＣに適合させることができる。さらに、これらの方法は、排ガスなど、ＣＯ_２と水分を含むプロセス蒸気流からのＣＯ_２回収にも適用できる。

【0025】

[0032]動作中、水およびＣＯ_２を含むプロセス蒸気は、まず、水を実質的に収着し、蒸気の含水量を実質的に減少させる乾燥剤の上を通過する。次に、乾燥蒸気は固体収着剤の上を通過し、ＣＯ_２が捕捉される。第２のステップでは、蒸気供給の流れが停止され、システム圧力を下げるか温度を上げるか、あるいはその両方によって乾燥剤から水が脱着される。脱着された水蒸気は乾燥剤から抽出され、次いでＣＯ_２含有収着剤と直接接触して優先的に吸収され、ＣＯ_２が脱着されてシステムから除去される。第３のステップでは、残留水分が乾燥剤とＣＯ_２収着剤から脱着され、システムから除去される。これらのステップは、非同期相変化で動作する複数のユニットで実行できる。熱は、システム内の装置間で有利かつ戦略的に伝達され得る。例えば、いくつかの実施形態では、水の吸着中に発生した熱が回収され、水の脱着中に熱を加えるために伝達される。圧縮に伴う追加の熱は、第３のステップで回収された圧縮水蒸気から除去され、次いで水分の脱着中に追加の熱を提供するために適用される。いくつかの実施形態では、第１のステップからの乾燥したＣＯ_２の少ないプロセス蒸気は、第３のステップからの水蒸気と結合され、その結果、蒸発冷却がもたらされ、これを適用して、第１の相からさらに熱を除去することができる。

【0026】

[0033]図１Ａ、１Ｂ、および１Ｃは、ＣＯ_２捕捉装置１００の非限定的な例の概略図である。具体的には、これは、第１の相１１２における、３つの異なる負荷レベルにおける装置１００の３つの概略図である。図示のように、ＣＯ_２捕捉装置１００（以下、「ＣＯ_２捕捉装置１００」、「捕捉装置１００」、または単に「装置１００」という）は、ＣＯ_２収着剤材料１０４と乾燥剤１０２を含み、両方とも、一端に蒸気吸気口１０８（すなわち、ガス／蒸気が通過できるバルブまたは他の動的開口部）を有する容器１０６内に封入され、生成物出口１１０（すなわち、使用またはさらなる処理のために装置１００から生成物流を受け取ることができるバルブまたは他の動的開口部）を含む。

【0027】

[0034]本明細書で企図されるプロセスは、二酸化炭素１１８用の固体捕捉材料および水蒸気１１６用の固体捕捉材料を使用する。さまざまな実施形態によれば、ＣＯ_２捕捉材料は、水分スイングサイクルで動作し、比較的低湿度の大気でＣＯ_２を捕捉し、比較的高湿度の大気でＣＯ_２を放出する。この材料は、モレキュラーシーブなどの物理吸着剤、またはイオン交換樹脂などの固体化学吸着剤を含むことができる。それは、周囲の大気からＣＯ_２１１８または水蒸気１１６のいずれかを捕捉する特性を有し、水の吸収がＣＯ_２の脱着を促進するように、プロセスの一般的な濃度で水を選択的に優先する。本明細書およびそれに続く特許請求の範囲の文脈において、この材料は「ＣＯ_２収着剤材料１０４」または「水分スイング収着剤１０４」と呼ばれる。しかし、本明細書で企図されるシステム、方法、および装置は、他のタイプのＣＯ_２収着剤材料１０４、または別のタイプのスイングからも利益を得る水分スイング収着剤材料との使用に適合させることができることに留意されたい（例えば、電気、熱、圧力など）。

【0028】

[0035]水捕捉材料は、物理的吸着、毛細管凝縮、または弱い化学吸収によって水蒸気１１６を選択的に捕捉する。それは、高い水負荷能力の特徴を備えていなければならず、水の収着は、圧力スイング、温度スイング、またはその両方の組み合わせによって可逆的でなければならない。ここでは、この物質を総称して「乾燥剤１０２」と呼ぶことにする。乾燥剤１０２は、さまざまな実施形態によれば、シリカゲルまたはゼオライトであってもよい。場合によっては、乾燥剤１０２の材料はまた、水分スイングＣＯ_２収着剤材料１０４であってもよい。

【0029】

[0036]プロセスおよびその変形は、３つの主要なステップまたは相を含む。第１に、ＣＯ_２捕捉。第２に、ＣＯ_２回収。そして第３に、水の回収である。各相について順番に説明する。本明細書で企図される装置１００は、さまざまな実施形態に従って、第１の相、第２の相、および第３の相の間を循環するように構成される。

【0030】

[0037]図１Ａ～１Ｃは、ＣＯ_２捕捉が進行するときの、それぞれ乾燥剤１０２およびＣＯ_２収着剤材料１０４にわたる水およびＣＯ_２の負荷レベルを含む、第１の相１１２の概念的な表現を示す。二酸化炭素ガス１１８および水蒸気１１６を含むプロセス蒸気流１１４は、吸気口圧力１２４で蒸気吸気口１０８を通って受け取られる。いくつかの実施形態では、装置１００は、自然の気流を通じてプロセス蒸気流１１４を受け取る受動的システムであってもよい。他の実施形態では、装置１００は、強制ガス輸送（例えば、強制対流、送風機またはポンプの使用など）を通じてプロセス蒸気流１１４を受け取ることができる。

【0031】

[0038]さまざまな実施形態によれば、プロセス蒸気１１４は、最初に乾燥剤１０２に曝露されて水１１６の一部１２６が除去され、その後、水分スイング収着剤１０４に曝露されてＣＯ_２１１８の一部が除去される。乾燥剤１０２上での水の捕捉は、残留水蒸気濃度がＣＯ_２収着剤材料１０４上でのＣＯ_２の捕捉を阻害しない範囲で達成されるべきである。乾燥剤１０２から出る蒸気には、水分が実質的に枯渇している。ＣＯ_２収着剤材料１０４から出る蒸気には、水とＣＯ_２の両方が実質的に枯渇している。

【0032】

[0039]プロセス蒸気流１１４が周囲空気であるＤＡＣ装置の場合、捕捉される水の量は、捕捉されるＣＯ_２の量よりも実質的に多い可能性がある。したがって、いくつかの実施形態では、乾燥剤１０２の質量は、水に対するその容量とともに、ＣＯ_２に対するＣＯ_２収着剤材料１０４の質量よりも比例して大きくなければならない。ＣＯ_２捕捉ステップは動的であり、それが進行するにつれて、乾燥剤１０２上の水の負荷およびＣＯ_２収着剤材料１０４上のＣＯ_２の負荷は両方とも時間とともに増加する。

【0033】

[0040]乾燥剤１０２およびＣＯ_２収着剤材料１０４は両方とも、１つまたは複数の床１２０内に保持される。理想的には、これらの「床」１２０は、水１１６と二酸化炭素１１８の両方の平衡負荷が、上流から下流まで床１２０を通って進む鋭い移動物質移行フロント１２２に近づくように構成される（つまり、プロセス蒸気の流れの方向）。

【0034】

[0041]本明細書およびそれに続く特許請求の範囲の文脈において、床１２０は、捕捉材料（すなわち、乾燥剤１０２、収着剤１０４など）を含み、流体が上記材料を通って流れる、またはそうでなければ上記材料に曝露されることを可能にするように構成された構造である。利用可能な幾何学的形状、および意図された目的に最も適した形状は、使用される捕捉材料の性質、そのさまざまな物理的および化学的特性、ならびにプロセス蒸気１１４の性質に応じて変化する。

【0035】

[0042]さまざまな実施形態によれば、乾燥剤１０２およびＣＯ_２収着剤材料１０４は、従来の充填床などの床１２０内に収容される。いくつかの実施形態では、乾燥剤１０２およびＣＯ_２収着剤材料１０４は、装置内の別個の床１２０に収容されてもよい。他の実施形態では、乾燥剤１０２およびＣＯ_２収着剤材料１０４は、同じ床１２０内に収容されてもよい。

【0036】

[0043]乾燥剤１０２およびＣＯ_２収着剤材料１０４が同じ床１２０内に含まれる実施形態では、いくつかの実施形態では、ＣＯ_２収着剤材料１０４および乾燥剤１０２は混合され、均一に混合される。他の実施形態では、混合したＣＯ_２収着剤材料１０４と乾燥剤１０２を混合して、床１２０の一端に純粋なＣＯ_２収着剤材料１０４、他端に純粋な乾燥剤１０２を有する勾配を形成することができる。言い換えると、いくつかの実施形態によれば、乾燥剤１０２とＣＯ_２収着剤材料１０４は、床１２０全体で実質的な乾燥剤１０２から実質的なＣＯ_２収着剤材料１０４に徐々に変化するように混合される。さらに他の実施形態では、ＣＯ_２収着剤材料１０４と乾燥剤１０２は同じ材料であってもよい。

【0037】

[0044]乾燥剤１０２とＣＯ_２収着剤材料１０４の総質量は、従来の水分スイングサイクルよりも大きくなる。例えば、ＤＡＣ捕捉の場合、乾燥剤１０２の量は、ＣＯ_２収着剤材料１０４よりもはるかに多くなる。このため、これらの床１２０を機械的に移動させて自然風の対流に直接曝露することができるように構成することが非現実的になる可能性がある。床１２０が静止位置に維持される場合、プロセス蒸気１１４を供給するために強制対流を使用することが好ましく、かつ必要である可能性がある。乾燥剤１０２とＣＯ_２収着剤材料１０４の「床」は、流れ方向に垂直な均一な流れ分布、プラグ流速プロファイル、鋭い物質移行フロント１２２、および循環する熱伝達流体との間接的な熱交換の適応を提供する方法で配置することができる（以下でさらに説明する）。

【0038】

[0045]球形または円筒形のペレットを含む従来の充填床は、これらの材料を収容するための１つの手段である。充填層は、流速、層の空隙率、およびペレットの形状に関連する圧力降下を引き起こす。典型的な低圧吸着プロセスでは、この圧力降下は床の移動距離１ｍあたり１～３ｋＰａ程度になることがある。ＤＡＣ適用では、ＣＯ_２を回収するために大量の空気を処理する必要がある。充填床の圧力降下を克服するために強制対流が必要な場合、単位ＣＯ_２あたりのエネルギー必要量が非常に大きくなる可能性がある。

【0039】

[0046]特定の非限定的な例として、７０％の効率で１ｋＰａの圧力増加をもたらす送風機は、８６ｋＪ／モルの含有ＣＯ_２を消費するであろう。この１ｋＰａ以上の圧力降下要件により、自然空気対流を使用するための最も創造的な任意選択も排除される。ＤＡＣの場合、入口抵抗と出口抵抗を含む総圧力降下は、好ましくは＜０．５ｋＰａ、理想的には＜０．１ｋＰａに維持される。これは、従来の充填床では容易に実現できない。

【0040】

[0047]構造化された充填物は、高性能の物質移行と、充填床と比較してはるかに低い圧力降下を提供することができる。構造化充填をＤＡＣに適用すると、送風機を使用して空気を供給できるようになる。構造化された充填にはさまざまな形式がある。押出モノリス、ラミネート、布地、またはフォームとして製造できる。ラミネートまたはファブリックは、平坦またはらせん状に巻かれた配置にすることができる。構造化充填は、熱伝導率を高める支持材料と設計を使用して製造することもできる。これは、循環流体との熱伝達を統合するのに有利である。

【0041】

[0048]さまざまな実施形態によれば、順次層状床（例えば、乾燥剤１０２は、充填または構造化材料を使用してＣＯ_２収着剤材料１０４の前に層状にされる）、均一混合材料（例えば、乾燥剤１０２とＣＯ_２収着剤材料１０４は、単一の床全体にわたって均一に混合される）を含むベッド内にはいくつかの代替配置がある。第１の相、第２の相を経る中で、吸着された水面は床１２０を通って進み、吸収されたＣＯ_２フロントをその前に押し出し）、勾配混合材料（例えば、均一混合材料、乾燥剤１０２およびＣＯ_２収着剤材料１０４のバリエーションとして）は、プロセス蒸気の流れの方向に乾燥剤１０２の組成を減少させ、ＣＯ_２収着剤材料１０４の組成を増加させるなど、床１２０に沿って漸進的な組成変化を伴って混合することができる。

【0042】

[0049]さまざまな実施形態によれば、この第１のＣＯ_２捕捉相は、収着剤材料床１０４が実質的に装填され、ＣＯ_２物質移行フロントが近づいているか、またはすでに「突破」を開始しているときに終了し、流出する蒸気流中のＣＯ_２濃度が増加し始める。いくつかの実施形態では、装置１００は、プロセス蒸気１１４の方向においてＣＯ_２収着剤材料１０４の下流で容器１０６内にＣＯ_２濃度センサ１３４を備え得る。装置１００は、ＣＯ_２収着剤材料１０４の下流におけるＣＯ_２濃度の増加１２８に応答して、第１の相１１２から第２の相に移行するように構成され得る。このような増加は、ＣＯ_２収着剤材料１０４が、乾燥剤１０２から来て通過する乾燥蒸気１３０中の二酸化炭素をもはや吸収できないことを示し、したがって、ＣＯ_２の少ない乾燥蒸気１３２は、第２の相が始まるまでＣＯ_２濃度が増加し始めるであろう。

【0043】

[0050]前述したように、ＣＯ_２収着剤材料１０４は乾燥蒸気１３０から二酸化炭素１１８を吸収し、ＣＯ_２の少ない乾燥蒸気１３２を生じる。さまざまな実施形態によれば、乾燥剤１０２によって吸収される水蒸気の部分１２６は、ＣＯ_２収着剤材料１０４が残留水によって阻害されない方法で乾燥蒸気１３０から二酸化炭素１１８を吸収するのに十分大きくなければならない。

【0044】

[0051]図２は、第２の相２００におけるＣＯ_２捕捉装置の非限定的な例の概略図である。さまざまな実施形態によれば、ＣＯ_２回収は、ＣＯ_２を含むＣＯ_２収着剤材料１０４を水蒸気１１６に曝露することによって影響を受ける。これは、乾燥剤１０２がその平衡負荷に近づくと、プロセス蒸気１１４中に存在する水蒸気１１６は、乾燥剤床１０２を突破して、収着剤材料床１０４に継続するように、第１の相１１２で行われる動作が単純に継続され得る場合に発生する可能性がある。

【0045】

[0052]他の実施形態では、第２の相２００へのこの移行は、装置１００がプロセス蒸気１１４の装置１００への添加を中止し、蒸気吸気口１０８を閉じることで始まり、次に、生成物出口１１０またはその近く（または少なくとも乾燥剤１０２の下流）に第１の圧力２０２を誘導し、第１の圧力２０２は元の吸気口圧力１２４よりも低く、下流への継続的な移動を促進する差を生み出す。

【0046】

[0053]吸気口圧力１２４が大気圧に近かった場合（例えば、ＤＡＣ装置などにおいて）、出口圧力は真空になるであろう。いずれにせよ、脱着中の所定の動作温度に対して適切な水とＣＯ_２の分圧を提供するには、真空が必要になり得る。いくつかの実施形態は、第１の圧力２０２を確立および維持するために使用され得るように、ＣＯ_２収着剤材料１０４の下流で容器１０６に結合された第１の真空圧縮器２１４を備え得る。乾燥剤１０２内の圧力が低下すると、水は脱離し、収着剤材料床１０４に進み、そこで吸収される。

【0047】

[0054]いくつかの実施形態では、乾燥剤１０２に対するＣＯ_２収着剤材料１０４の位置により、脱着水１１６が乾燥剤１０２から放出された後にＣＯ_２収着剤材料１０４と直接接触することになり得る。しかし、他の実施形態では、直接接触して二酸化炭素の放出を引き起こすために、最近解放された水をＣＯ_２収着剤材料１０４に輸送する必要があり得る。例えば、いくつかの実施形態では、装置１００は、ＣＯ_２収着剤材料１０４および乾燥剤１０２と流体連通する液体ポンプ２０８をさらに備え得、その結果、液体ポンプ２０８は、第２の相２００内の乾燥剤１０２から脱着された水１１６をＣＯ_２収着剤材料１０４と直接接触させることができる。

【0048】

[0055]これにより、二酸化炭素ガス１１６がＣＯ_２収着剤材料１０４から脱着され、生成物出口１１０に濃縮される。さまざまな実施形態によれば、ＣＯ_２に富む生成物流２０６は、著しく濃縮されることになる。実際、いくつかの実施形態では、装置１００の自由容積に含まれるプロセス蒸気１１４が第２の相２００の開始時に排気され、吸着剤材料床を通って移動する水蒸気１１６の物質移行が急激である場合、ＣＯ_２に富む生成物流２０６は本質的に純粋であり得る。

【0049】

[0056]乾燥剤床１０２からの水１１６の脱着は、温度スイング単独で、または圧力スイングと併せて、達成するか、またはさらに促進することもできる。例えば、いくつかの実施形態では、水の放出を促進するために、乾燥剤１０２の温度２０４を上昇させることができる。乾燥剤の温度の操作については、複数の企図された装置１００から構成される企図されたシステム４００のエネルギー管理に関してより詳細に説明される。

【0050】

[0057]図２は、第２の相２００が進行するときの、乾燥剤１０２床とＣＯ_２収着剤材料１０４床の相対的な負荷レベルを示す。ＣＯ_２回収は、ＣＯ_２がＣＯ_２収着剤材料１０４から実質的に脱着されたときに完了する。このとき、ＣＯ_２収着剤材料１０４には水１１６が充填される。

【0051】

[0058]これらすべてにより、乾燥剤１０２から脱着された水がＣＯ_２収着剤材料１０４と直接接触することに応答して、乾燥剤１０２から水１１６が脱着され、ＣＯ_２収着剤材料１０４から二酸化炭素１１８が脱着される。最後に、第２の相２００は、生成物出口１１０を通じて除去されるＣＯ_２に富む生成物流２０６を含む。

【0052】

[0059]さまざまな実施形態によれば、この第２の相２００、すなわちＣＯ_２回収相は、収着剤材料床１０４に二酸化炭素が実質的になくなり、水物質移行フロントが近づいているか、すでに「突破」を始めているときに終了し、流出する蒸気流中の水の濃度が増加し始める。いくつかの実施形態では、装置１００は、プロセス蒸気１１４の方向においてＣＯ_２収着剤材料１０４の下流で容器１０６内に水の濃度センサ２１０を備え得る。装置１００は、ＣＯ_２収着剤材料１０４の下流における水の濃度の増加１２８に応答して、第２の相２００から第３の相３００に移行するように構成され得る。このような増加は、ＣＯ_２収着剤材料１０４が、乾燥剤１０２から来て通過する水を吸収できなくなったことを示し、そのため、第３の相が始まるまで、ＣＯ_２の少ない乾燥蒸気１３２の水の濃度が増加し始めるであろう。

【0053】

[0060]図３は、第３の相３００におけるＣＯ_２捕捉装置の非限定的な例の概略図である。循環動作の場合、残留水３０２（すなわち、第２の相２００後の捕捉材料内にまだ残っている水）は、乾燥剤１０２およびＣＯ_２収着剤材料１０４から除去され、それらを初期状態に戻す（すなわち、第１の相１１２の開始時の状態）。ここで説明する非限定的な例は、ＤＡＣの場合と同様に、プロセス蒸気１１４中のＨ_２Ｏ：ＣＯ_２濃度が、水分スイング収着剤１０４への最大負荷におけるＨ_２Ｏ：ＣＯ_２平衡濃度よりもはるかに大きい用途に対するものとなる。例えば発電所の排ガス捕捉用途において、Ｈ_２Ｏ：ＣＯ_２濃度がＣＯ_２収着剤材料１０４の最大装填比よりも低い代替実施形態が存在する。この特定の実施形態では、第２の相２００でＣＯ_２脱着を達成するために、装置１００に水を追加することができる。この実施形態では、追加の装置の水の必要性がほとんどまたはまったくないように、水を回収することができる。

【0054】

[0061]ＤＡＣ動作用に構成された実施形態を含む他の実施形態では、水１１６は乾燥剤１０２床とＣＯ_２収着剤材料１０４床の両方から除去されなければならない。いくつかの実施形態では、この除去は、第２の相２００からの圧力スイングまたは温度スイングまたは組み合わせスイングを継続することによって実行され、違いは、回収された蒸気の大部分がＣＯ_２１１８ではなく水蒸気１１６であり、排出物がＣＯ_２生成物処理から回収水処理に転用されることである。排出蒸気を含む水は実質的に純粋である。圧縮すると、低圧蒸気として利用できるか、冷却して凝縮することができる。

【0055】

[0062]特定の非限定的な例として、平均相対湿度約８０％、平均温度約１０℃のアイルランドのダブリンなどの湿潤気候におけるＤＡＣに適合した企図される装置１００の実施形態を考慮する。この空気の水のモル分率は約０．０１、つまりＣＯ_２のモル分率の２５倍である。（ちなみに、これは６月のアリゾナ州テンペの気温３５°Ｃ、相対湿度２０％の空気中の水のモル分率とほぼ同じである）。このプロセスのエネルギー需要における全体的な要因は、第１の相１１２における乾燥したＣＯ_２の除去された空気副生成物と第３の相３００における純水蒸気１１６（別名蒸気）副生成物の同時生成に関連している。これらの副生物の生成を水モル分率０．０１、１０℃で達成するための最小熱力学的作用要件は、約３００ｋＪ／モルＣＯ_２である。副産物分離のためのこのエネルギー需要が５０％という非常に楽観的な効率と０．１０ドル／ｋＷｈの電力で供給されるとすると、コストはＣＯ_２トンあたり約４００ドルになる。

【0056】

[0063]この副生成物の分離に関連して、第２の相および第３の相における水を脱着するのに必要なエネルギーは、さまざまな実施形態によれば、真空圧縮器の作用、熱エネルギー、またはその両方によって提供され得る。ＤＡＣの場合、このエネルギー要件だけでも、回収されるＣＯ_２の量と比較して重要である。物理吸着の場合、吸着熱は吸着等温線と周期的負荷レベルに関係する。特定の非限定的な例として、水を１０％から３０％の質量負荷で動作するシリカゲル乾燥剤は、２０ｋＪ／モルＨ_２Ｏ程度の吸着熱（水の蒸発熱の約半分）を示す。このプロセスサイクルを動作させるための吸着熱が外部電力エネルギーによって０．１０ドル／ｋＷｈで供給される場合、この動作コスト部分はＣＯ_２トンあたり３００ドルを超えることになる。それに加えて、水の吸着熱が問題となる性能障害を引き起こす。第１の相１１２における乾燥剤１０２上での水の捕捉中に、熱が発生し、それに伴うプロセス蒸気１１４および乾燥剤１０２の温度上昇により、達成可能な平衡負荷レベルが低下する。乾燥剤１０２の冷却により水の除去がより困難になるため、このことは、第２の相および第３の相における水の脱着中にさらに悪化する。

【0057】

[0064]空気を直接捕捉するための二酸化炭素の水分スイング吸収に先立って空気から水を分離するためのエネルギー需要、動作上の問題、および関連コストは、従来の捕捉技術にとっては手に負えない、商業的な最大の障害であるように思われる。本明細書で企図されるのは、前述の装置１００を利用し、相互に熱を伝達できるようにそれらを統合するＣＯ_２捕捉システムである。より具体的には、上で説明した重大な障壁は、水の吸着熱を水の捕捉（つまり第１の相）と水の脱着ステップ（つまり第２の相と第３の相）の間で移動させ、分離作用を実質的に回収する方法で水と乾燥空気を再結合させることによって克服できる。

【0058】

[0065]第１の相１１２における水の吸着は発熱性である。第２の相および第３の相における水分の脱着は吸熱的である。理想的なシステムでは、正味のエネルギー変化は小さい可能性があり、吸着ステップと脱着ステップの間の圧力と温度の差に応じて正または負になる。複数の装置１００が並行して動作し、異なる段階時間で相変化を開始する場合、第１の相１１２の装置１００で生成された熱の一部は、第２の相および第３の相にある他の装置１００に熱入力を提供するために伝達され得る。

【0059】

[0066]いくつかの実施形態では、複数の床１２０は、平坦または同心円状に層状に配置され、層が交互に別個の流体供給チャネルおよび排出チャネルと流体接続されてもよい。これらの床１２０は、第１の相１１２で動作し熱を発生する床層が、第２の相または第３の相で熱を受け取る床層に隣接するように配置および順序付けされる。この配置により、間接的な熱伝達のための密接な接触が提供され、温度差を最小限に抑えることができる。

【0060】

[0067]図４は、熱伝達回路４１０によって連結された２つの捕捉装置１００からなるＣＯ_２捕捉システム４００の非限定的な例の概略図である。さまざまな実施形態によれば、熱４１８は、順不同で動作する（すなわち、異なる相を有する）複数の床の間で熱伝達流体４１２を循環させることによって伝達され得、その結果、流体４１２は、図４に示されるように、第１の相１１２で動作する床１２０に汲み出され、間接的に加熱され、その後、連続ループで、第２の相２００または第３の相３００で動作する別の床１２０に循環される。これは、温度の上昇および下降による熱伝達流体４１２内の感知エネルギー変化として達成され得る。床１２０間の温度差は、各床１２０との流体４１２の付加的な温度差となる。

【0061】

[0068]さまざまな実施形態によれば、ＣＯ_２捕捉システム４００（以下、「捕捉システム４００」または「システム４００」）は、複数の装置対４０４に組織化された複数の装置４０２を備えることができ、各対４０４は、第１の装置４０６および第２の装置４０８を有する。各装置対４０４内には、ポンプ４１６を介して流体ループ４１４内を循環する熱伝達流体４１２を含む熱伝達回路４１０がある。熱伝達回路４１０は、熱伝達回路４１０が第１の装置４０６および第２の装置４０８の乾燥剤１０２と熱的に接触するように、装置対４０４の両方の装置に結合される。これらの装置は相が異なるため、第１の装置４０６が第１の相１１２にあるとき、第２の装置４０８は第２の相２００または第３の相３００のいずれかにある。熱伝達回路４１０は、装置対４０４内の装置間で熱４１８を伝達するように構成され、その結果、熱伝達流体４１２は、第１の相１１２において装置１００の乾燥剤１０２によって間接的に加熱され、第２の相２００または第３の相３００において熱４１８を装置の乾燥剤１０２に伝達する際に冷却される。

【0062】

[0069]他の実施形態は、冷媒などの気液相変化流体を利用してもよく、これは、高い蒸発熱、高い熱伝導率、および実用的な循環ループ圧力での床の動作温度に近い沸点温度を持っている。循環相変化流体は液体として第１の相１１２床に汲み出され、そこで蒸発し、次に第２の相２００床または第３の相３００床に流れ、そこで凝縮して液体に戻る。相変化流体の循環速度は、顕熱伝達流体４１２の循環速度よりもはるかに低くなり得る。また、凝縮と蒸発により熱伝達効率が向上するため、熱伝達表面積および／または温度差が減少する。

【0063】

[0070]図５は、ヒートポンプ５００によって連結された捕捉装置１００を備えたＣＯ_２捕捉システム４００の非限定的な例の概略図である。図４に示されるシステム４００と同様に、このシステム４００は、それぞれが第１の装置４０６および第２の装置４０８を有する複数の装置対４０４を備える。対内の装置は互いに相が異なる。図５に示される非限定的な例が含まれるさまざまな実施形態によれば、熱伝達回路４１０はヒートポンプ５００に置き換えることができる。

【0064】

[0071]図示のように、図に関して説明した熱伝達流体４１２を有する流体ループ４１４は、ヒートポンプ５００として機能するように図５に示すように修正することができ、熱４１８を、第１の相１１２の床（例えば、乾燥剤床）のより低い温度５０６から、第２の相２００または第３の相３００の床（例えば、乾燥剤床）のより高い温度５０８に移動させる。これは、第１の相１１２蒸発器５１０からのループ４１４内の蒸気の圧力を高めるために圧縮器５０２および第２の相２００または第３の相３００凝縮器５１２からのループ４１４内の液体の圧力を低減する減圧装置（または圧力降下装置）５０４を組み込むことによって達成される。

【0065】

[0072]ヒートポンプ５００の使用により、床温度を制御するためのシステムの柔軟性が可能になる。一実施形態では、ヒートポンプ５００は、すべての動作相を通じてすべての床がほぼ同じ温度に維持されるように、伝熱温度差をちょうど克服するために小さな温度上昇を提供することができる。この動作モードには、相間の床の加熱と冷却によるスイッチング効率の損失がないという利点がある。別の実施形態では、ヒートポンプ５００は、第１の相１１２床と比較して、第２の相２００の床および第３の相３００の床においてより高い温度を提供することができ、そのため、乾燥剤１０２床（および潜在的にはＣＯ_２収着剤材料１０４床も）は、圧力スイングに加えて温度スイングサイクルで動作する。温度スイングは、ヒートポンプ圧縮器５０２および真空圧縮器に必要な総作用量が最小限に抑えられるように最適化することができる。

【0066】

[0073]さらに別の実施形態では、組み合わせであり、ヒートポンプ５００は温度スイングを可能にし、各相サイクルが次の移動に近づくにつれて、ヒートポンプ蒸発器５１０および凝縮器５１２の圧力は、床温度を次の相の要件近くに戻すように調整される。ＤＡＣの場合、第１の相１１２床で蒸発器５１０の熱伝達を動作させるため、床温度が流入するプロセス蒸気１１４の温度またはそれに近い温度に留まり、それによってこの大きな蒸気流の加熱または冷却を回避することが好ましい場合がある。次に、望ましい温度スイングへの寄与はすべて、第２の相２００または第３の相３００の床による凝縮器の熱伝達の制御によって提供される。

【0067】

[0074]さまざまな実施形態によれば、このプロセスにより、第１の相１１２からの乾燥蒸気１３０と第３の相３００からの水蒸気１１６が同時生成される。これらの副産物の再結合は、失われた作業を回復し、プロセス全体のエネルギー要件を削減する機会となる。例えば、一実施形態では、第３の相３００の水蒸気１１６が真空下で床１２０から除去され、真空圧縮器２１４で加圧される。この真空圧縮器２１４は、３０：１の圧縮比で断熱的に動作し、４００℃を超える低圧蒸気を生成する。圧縮熱を回収して、第２の相２００または第３の相３００中に床１２０を間接的に加熱することにより、水の脱着のための追加の熱入力を提供することができる。これは、圧縮中の段階的な熱除去、または最終圧縮蒸気からの熱除去によって達成できる。この熱を伝達する１つの手段は、第２の相２００または第３の相３００を動作させる床の上流で循環する熱伝達流体４１２と熱を交換することである。理想的には、凝縮および冷却された液体水流が得られる圧力および温度で、第３の相３００水生成物から熱が抽出される。

【0068】

[0075]この凝縮水流は、第１の相１１２で動作する装置１００から出る乾燥空気（すなわち、ＣＯ_２の少ない乾燥蒸気１３２）中にフラッシュ蒸発させることができる。関連する冷却を適用して、第１の相１１２中に水の吸着を受けている床１２０に追加の冷却を提供することができる。流出する冷却された湿った空気流からこの冷気を伝達する１つの手段は、それを第１の相１１２で動作する床の循環熱伝達流体４１２と交換することである。

【0069】

[0076]図６は、異なる相の捕捉装置１００を有するＣＯ_２捕捉システム４００の非限定的な例のプロセス図である。前述したように、いくつかの実施形態では、熱伝達を同時に提供するために、装置１００の第１の相１１２を動作させると同時に、装置１００の第２の相２００および第３の相３００を動作させることが望ましい。また、その後の精製および圧縮のために生成物の均一な流れを提供するために、第２の相２００からＣＯ_２を生成するいくつかの装置１００を連続的に有することが好ましい場合がある。水とＣＯ_２の脱着速度は、圧力と温度を制御することにより、吸着／吸収速度とは独立して変更できる。図６は、４つの装置１００を有するシステム４００の非限定的な例について、これらの好みに適応するための可能な装置相シーケンス配置を提供する。

【0070】

[0077]図７は、水分スイングＣＯ_２収着剤材料１０４を使用するＣＯ_２捕捉システム４００の別の非限定的な例の概略図である。これまでの数字とは異なり、この非限定的な例は、複数の捕捉装置トライアド７００に基づいており、各トライアド７００は、第１の相１１２の第１の装置７０２、第２の相２００の第２の装置７０４、および第３の相３００の第３の装置７０６を有する。

【0071】

[0078]ＤＡＣベースのシステム４００のこの非限定的な例は、３つの異なるエネルギー管理方法を使用する。第１に、システム４００は、相間で熱を伝達するために使用されるヒートポンプ５００を備える。より具体的には、循環熱伝達流体４１２は、第１の相１１２で動作する装置１００と、第２の相２００および第３の相３００で動作する装置１００との間で熱エネルギーをヒートポンプするために使用される。さまざまな実施形態によれば、システム４００は、流体ループ４１４内を循環する熱伝達流体４１２を含むヒートポンプ５００を備え、流体ループ４１４はまた、圧縮器５０２および圧力降下装置５０４を備える。図示のように、ヒートポンプ５００は、装置トライアド７００の３つの装置の乾燥剤１０２と熱的に接触するように、装置トライアド７００に結合され、ヒートポンプ５００は、第１の相１１２の第１の装置７０２から第２の相２００の第２の装置７０４および第３の相３００の第３の装置７０６に熱を伝達するように構成される。

【0072】

[0079]第２に、さまざまな実施形態によれば、第２の相２００および第３の相３００で動作する装置への熱の追加は、脱着水蒸気１１６の圧縮熱７１６からの追加の熱入力によって増強することができる。前の図および例示的な実施形態に見られるように、図７のシステム４００はまた、２つの真空圧縮器を備え、第２の真空圧縮器７０８は、第２の装置７０４の生成物出口１１０に結合され、第２の装置７０４のＣＯ_２に富む生成物流２０６を圧縮するように構成され、同様に、第３の真空圧縮器７１０が第３の装置７０６の生成物出口１１０に結合され、第３の装置７０６の水蒸気１１６を圧縮するように構成される。第１の熱伝達回路７１２は、第３の装置７０６の生成物出口１１０と流体連通し、第１の熱交換器７１４を介して、第２の装置７０４および第３の装置７０６の乾燥剤１０２と熱的に接触して第２および第３の真空圧縮器７０８、７１０からの圧縮熱７１６をヒートポンプ５００の流体ループ４１４に加えるように構成される。

【0073】

[0080]最後に、このシステム４００は、第１の相１１２において第１の装置７０２に対して実行される熱除去を増強する。さまざまな実施形態によれば、この熱除去は、第２の相２００からの水を第１の相１１２からのＣＯ_２の少ない乾燥蒸気１３２に再蒸発させることによる追加の冷却入力によって増強される。図示されるように、これは、第１の装置７０２に結合された冷却塔７２０と流体連通し、第２の熱交換器７２２を介して、第２の装置７０４から第１の装置７０２のＣＯ_２の少ない乾燥蒸気１３２に取り込まれた水の再蒸発から再蒸発熱７２４を除去するように構成される第２の熱伝達回路７１８を使用して行うことができ、再蒸発熱７２４はヒートポンプ５００の流体ループ４１４から除去される。

【0074】

[0081]図８は、乾燥剤１０２の代わりに凝縮を利用するＣＯ_２捕捉システム８００の非限定的な例の概略図である。いくつかの実施形態では、乾燥剤１０２が除去され、その代わりに、空気の含水量が単純な凝縮によって実質的に除去される。循環冷媒８１４を備えたヒートポンプ５００が使用される。ヒートポンプ冷媒蒸発器５１０は、空気温度を適切な露点まで下げ、空気からの凝縮水８２０が回収され、貯水器８１６に移送される。ヒートポンプ冷媒凝縮器５１２は、熱の第１の部分８２２を排除してＣＯ_２収着剤材料１０４の上流の乾燥空気１３０を再加熱し、熱の第２の部分８２４を貯水器８１６に排除する。貯水器の温度は、水の一部または全部を乾燥空気１３０に戻す蒸発冷却によって維持される。

【0075】

[0082]このプロセスの１つの構成を図８に示す。ヒートポンプ冷媒８１４は、バルブまたは他の減圧装置５０４を通じて減圧され、その後、液相を構成する。冷媒８１４は、周囲空気と間接的に接触して、この空気を冷却し、冷媒８１４が蒸発して加熱されるにつれて空気から水１１６を凝縮させる。これを行うための効率的な手段は、水凝縮器ゾーン８０４において、冷媒８１４がまず露点近くまですでに冷却された空気（例えば、空気予冷器８０２）から熱４１８を抽出するような向流配置である。空気側では、空気から水が凝縮して回収される。冷媒側では、冷媒液８１４が蒸発する。別のゾーンでは、最初は周囲温度に近い空気がその露点温度近くまで冷却される一方、蒸気を含む冷媒８１４は過熱される。この配置により、空気と冷媒８１４との間の温度差を常に小さい状態に維持しながら、熱伝達を達成することができる。

【0076】

[0083]冷媒８１４は空気から熱４１８を抽出した後、圧縮される。圧縮冷媒の一部は、吸気口８１８を介して受け取った周囲空気から凝縮物８２０として予め回収された水と間接的に接触し得るため、水が加熱され、冷媒８１４の一部が凝縮する。圧縮冷媒の別の部分を乾燥した冷却空気１４０と間接的に接触させて、収着剤材料床１０４内でのＣＯ_２捕捉に先立ってこの空気を再加熱し、冷媒８１４の一部を凝縮または冷却することができる。これらの熱伝達ステップは、図８、または直列に示すように並行して実行することができる。並列配置により、空気の再加熱に向けられた冷媒８１４の部分の制御が有利に可能となるため、空気の温度および相対湿度をＣＯ_２捕捉に好ましい条件に設定することができる。最初に貯水器８１６と間接的に接触して凝縮し、次に乾燥空気１３０と間接的に接触して過冷却される冷媒８１４の直列配置により、有利なことに、常に小さい温度差を維持しながら熱伝達を達成することができる。並列または直列配置では、水熱交換器と空気熱交換器の冷媒圧力を異なるレベルで制御して、異なる好ましい温度を実現できる。

【0077】

[0084]貯水器の温度は蒸発冷却によって維持される。蒸発冷却を提供する１つの手段は、貯留水を接触器８２６を通して循環させることによるものであり、この接触器８２６において、第１の相１１２のＣＯ_２捕捉中に、排気８０８に向かって収着剤材料床１０４から出る乾燥したＣＯ_２が減少した空気１３２に曝露される。蒸発冷却を提供する別の手段は、第２の相２００ＣＯ_２回収中に貯水器８１６を収着剤材料床１０４の入口に接続するため、水１１６が貯水器８１６から蒸発して収着剤材料床１０４に引き込まれてＣＯ_２脱着を行うことである。これらの蒸発冷却ステップの両方を、非同期に動作する複数の装置１００において同時に実行することが好ましい場合がある。単一の貯水器８１６が使用される場合、それは部分真空下にあり、真空圧縮器７０８を通してその床からＣＯ_２が除去されている間、収着剤材料床１０４の入口に接続され得る。

【0078】

[0085]第１の相１１２ＣＯ_２回収中に、空気から除去された水凝縮物８２０は、いくらかの溶解ＣＯ_２８２８を含むことになる。この水が第２の相２００ＣＯ_２回収中に真空に曝露され、真空下で収着剤材料床１０４に引き込まれると、かなりの量の溶解ＣＯ_２８２８が除去され、生成物８１０として回収され、システム全体の収率に寄与する。

【0079】

[0086]第３の相３００の水回収中に、水１１６が真空下で収着剤材料床１０４から除去される。真空圧縮器の排出物は主に水であり、冷却されて凝縮するまでは蒸気となる。この蒸気は、図８に示されるように水の脱着を促進するために、収着剤材料床１０４への間接的な熱伝達によって冷却および凝縮され得る。他の任意選択（図示されていない）には、段階間真空圧縮器流体による収着剤材料床１０４への間接的な熱伝達が含まれ、そのため、圧縮器の作用が軽減され、最高床温度が制限され、収着剤材料床１０４の上流の空気再熱温度を上昇させるために、段階間または排出真空圧縮器流体から第１の相１１２の乾燥空気１３０を用いて間接的に熱伝達し、余剰熱を除去するために、排気中の第１の相乾燥空気１３０または周囲空気を用いて、段階間または排出真空圧縮器流体からの間接熱伝達を行う。

【0080】

[0087]第３の相３００水回収中に回収された水は、図８に示されるように、凝縮され、冷却され、貯水器８１６に戻され得る。これにより、蒸発冷却が可能になる。あるいは、水８１２は、蒸気または水凝縮副生成物として回収されてもよい。

【0081】

[0088]凝縮によって空気から水を除去するために必要な正味エネルギーは、ヒートポンプ５０２の圧縮器によって実行される作用によって主に表される。熱い流体と冷たい流体の温度差が最小限に抑えられるため、圧縮器のエネルギー要件も最小限に抑えられる。理想的な可逆プロセスでは、温度差がゼロに近づくと、圧縮器のエネルギー要件もゼロに近づく。空気予冷器における冷媒蒸気の過熱および空気再加熱器８０６における冷媒液の過冷却を含むことによって、このサイクルによる空気と冷媒との間の温度差が最小限に抑えられ、高いシステム効率が達成される。

【0082】

[0089]上記の例、実施形態および実装が参考例である場合、他の二酸化炭素捕捉ユニット、収着剤および乾燥剤材料、システムおよび方法を、提供されるものと混合または置換できることが当業者には理解されるはずである。上記の説明が、湿潤条件下で二酸化炭素を捕捉するためのシステム、装置、および方法の特定の実施形態に言及している箇所では、その趣旨から逸脱することなく多くの修正を加えることができること、およびこれらの実施形態およびこの実装は、他の二酸化炭素捕捉技術にも同様に適用できることはすぐに明らかになるはずである。したがって、開示された主題は、本開示の趣旨および範囲、ならびに当業者の知識に含まれるすべてのそのような変更、修正および変形を包含することを意図している。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【国際調査報告】