УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ В СПОСОБАХ КОРОТКОЦИКЛОВОЙ АДСОРБЦИИ
IMPROVEMENTS IN METHODS OF SHORT-CYCLE ADSORPTION

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к способам разделения сырьевой газовой смеси путем короткоцикловой адсорбции. Как используют в данном описании, термин "разделение" включает удаление загрязняющих веществ и/или примесей из газового потока, который затем может подвергаться дальнейшей очистке. Изобретение, в частности, но не исключительно, касается удаления или по меньшей мере снижения уровня диоксида углерода в сырьевом газе и его преобразования для последовательной переработки. Изобретение является особенно полезным для удаления диоксида углерода из воздуха, который используют в качестве сырьевого газа в процессе криогенного разделения или очистки воздуха.
Диоксид углерода представляет собой относительно высококипящий газообразный материал и удаление этого и других высококипящих материалов, например воды, которые могут присутствовать в сырьевом газе, является необходимым, когда смесь подвергают дальнейшей обработке при низкой температуре, например криогенным способом. Если относительно высококипящие материалы не удалены, они могут сжижаться или застывать при дальнейшей обработке и приводить к перепадам давления и затруднениям течения потока при последовательной обработке. Также может быть необходимым или желательным удалить опасные, например, взрывчатые материалы, перед дальнейшей обработкой сырьевого газа и, таким образом, снизить риск накопления при последующей обработке и, в связи с этим, возникновения взрывоопасности. Углеводородные газы, например ацетилен, также могут представлять угрозу.
Известно несколько способов выделения одного или нескольких компонентов из сырьевой газовой смеси с применением селективной адсорбции с помощью твердого адсорбента. Такие способы включают адсорбцию с переменной температурой (TSA), адсорбцию с переменным давлением, или короткоцикловую адсорбцию (PSA), адсорбцию с переменной температурой и давлением (TPSA) и термически улучшенную адсорбцию с переменным давлением (TEPSA). Обычно процесс проводят циклически, в котором один слой адсорбента находится в рабочем режиме, при котором адсорбат адсорбируется из сырьевой газовой смеси, проходящей через слой, в то время как другой слой адсорбента находится в режиме регенерации, при котором адсорбированный адсорбат десорбируется из данного слоя, и указанные слои чередуют между указанными режимами.
Как правило, в таких способах, где используют воздух в качестве сырьевого газа, воду и диоксид углерода удаляют из воздушного сырьевого газа путем взаимодействия смеси с одним или более адсорбентами, которые адсорбируют воду и диоксид углерода. Адсорбирующий воду материал обычно представляет собой силикагель, оксид алюминия или молекулярные сита, и адсорбирующий диоксид углерода материал обычно представляет собой молекулярные сита, например цеолит. Традиционно сначала проводят удаление воды и затем диоксида углерода путем пропускания сырьевого воздуха через один слой адсорбента или разделенные слои адсорбентов, выбранных для предпочтительного адсорбирования воды и диоксида углерода в колонне. Удаление диоксида углерода и других высококипящих компонентов до очень низкого уровня является особенно желательным для эффективного проведения последовательных процессов.
После адсорбции поток сырьевого газа изолируют от слоя адсорбента, и адсорбент обрабатывают регенерирующим газом, который удаляет адсорбированные материалы, например диоксид углерода и воду, из адсорбента и, таким образом, регенерирует его для дальнейшего использования.
В способе TSA для удаления диоксида углерода и воды атмосферный воздух обычно сжимают с использованием магистрального воздушного компрессора (MAC), с последующим водоохлаждением и удалением сконденсированной таким образом воды в сепараторе. Воздух затем может быть охлажден с использованием, например, охлажденного этиленгликоля. Основную часть воды удаляют на данной стадии путем конденсирования и отделения конденсата. Затем газ пропускают в систему адсорбирующего слоя, где оставшуюся воду и диоксид углерода удаляют адсорбцией.
При использовании двух адсорбирующих слоев при параллельном размещении один может действовать для адсорбции, в то время как другой регенерируется, и их роли в технологическом цикле периодически меняются на противоположные.
Поскольку компонент, который удаляют из сырьевого газа, адсорбируют, пока данный слой находится в эксплуатации, процесс адсорбции будет генерировать теплоту адсорбции, вызывающую тепловой импульс, проходящий вниз по адсорбенту. Тепловому импульсу позволяют пройти до нижнего конца слоя адсорбента в течение периода подачи или рабочего цикла. В ходе процесса регенерации тепло должно подаваться для десорбции компонента газа, который был адсорбирован на слое. На стадии регенерации, часть получаемого газа, например азот или отработанный пар из технологического процесса, используют для десорбции адсорбированных компонентов и может быть сжата в дополнение к нагреванию. Горячий газ пропускают через регенерированный слой для удаления адсорбата. Регенерацию традиционно проводят в направлении, противоположном тому, в котором проводят стадию адсорбции.
В системе PSA время циклов обычно короче, чем в системе TSA, но температура и давление сырья и регенерирующего газа часто являются аналогичными. Однако в системах PSA давление регенерирующего газа ниже, чем давление сырьевого газа, и изменение давления используют для удаления диоксида углерода и воды из адсорбента. Регенерацию соответственно начинают перед тем, как тепловой импульс, указанный выше в отношении TSA, достигает нижней части данного слоя. Направление теплового импульса изменяют на противоположное с помощью процесса регенерации и тепло, которое получают при адсорбции данного газового компонента, оставляют в слое и используют для десорбции такого компонента в процессе регенерации. В противоположность способу TSA нагревать регенерируемый газ не является необходимым.
Адсорбция с переменным тепловым давлением (TPSA) также является подходящей для удаления диоксида углерода и воды из сырьевого воздуха. В системе TPSA воду обычно ограничивают в зоне, в которой располагается адсорбирующая воду среда, например активированный оксид алюминия или силикагель. Отдельный слой, содержащий, например, молекулярные сита, которые обычно используют для адсорбции диоксида углерода, и слой молекулярных сит и зону для адсорбции воды традиционно разделяют. В противоположность системе TSA, вода не попадает в слой молекулярных сит в какой-либо значительной степени, что преимущественно предотвращает необходимость приложения большого количества энергии для десорбции воды из слоя молекулярных сит. Способы TPSA описаны, например, в патентах США 5885650 и 5846295, содержание которых включено в данное описание посредством ссылки.
Термически усовершенствованный способ PSA (TEPSA), подобно TPSA, представляет собой способ двухстадийной регенерации, в котором предварительно адсорбированный диоксид углерода десорбируют по способу TSA и адсорбированную воду десорбируют по способу PSA. В данных способах десорбция протекает путем введения регенерирующего газа при давлении ниже, чем у сырьевого потока, и температуре выше, чем у сырьевого потока, и последующей замены горячего регенерирующего газа холодным регенерирующим газом. Нагретый регенерирующий газ позволяет удлинять время цикла по сравнению со временем цикла в системе PSA, таким образом уменьшая потери при переключении, поскольку тепло, выделившееся в процессе адсорбции в слое, может быть частично заменено теплом от горячего регенерирующего газа. Способ TEPSA описан, например, в патенте США 5614000, содержание которого включено в данное описание посредством ссылки.
В противоположность способу PSA, все способы TSA, TEPSA и TPSA требуют введения термической энергии путем нагревания регенерирующего газа, но каждый способ имеет свои собственные характеристические преимущества. Температуры, требуемые для регенерирующего газа, обычно являются достаточно высокими, например от 50°C до 200°C, в отношении требований, предъявляемых к проектированию системы, что увеличивает затраты. Обычно требуется более чем один адсорбат, который удаляют в процессе, и, как правило, один или более из таких компонентов, например вода, будут адсорбироваться сильнее, и другие, например диоксид углерода, значительно более слабо. Высокая температура, используемая для целей регенерации, должна быть подходящей для десорбции более сильно адсорбированного компонента. Высокая температура, применяемая в системах TSA, TPSA и TEPSA, может потребовать использования изолированных сосудов, подогревателя регенерирующего газа и охладителя входного конца, и обычно высокие температуры требуют использования более точной и дорогой механической спецификации для системы. При эксплуатации возникают дополнительные энергетические затраты, связанные с использованием нагревателя продувочного газа. Система PSA позволяет избежать многих из указанных недостатков, поскольку не требует поддержания высоких температур, хотя короткое время цикла, которое характеризует PSA, вносит свои собственные недостатки.
Схема короткоцикловой адсорбционной системы учитывает потенциальные вариации композиции смеси сырьевого газа, которая должна быть разделена, и традиционно основывается на худших возможных условиях подачи для удовлетворения всех потенциальных вариантов. Обычно для системы заранее определяют условия процесса и оставляют неизменными в ходе процесса, чтобы иметь уверенность в том, что сырьевой газ, имеющий более высокое возможное содержание адсорбата, может быть обработан без риска превышения способности системы к удалению адсорбата и, таким образом, избежания неприемлемых уровней адсорбата, переходящих в процесс направленного вниз потока. В случае удаления диоксида углерода и воды из воздуха принимают во внимание преимущественные условия окружающей среды в месте, в котором данный процесс должен осуществляться, поскольку уровень диоксида углерода изменяется в зависимости от уровней загрязнения, и (уровень) воды изменяется в зависимости от колебания локальной температуры и относительной влажности воздуха. В частном случае загрязнения диоксидом углерода, содержание диоксида углерода сырьевого воздуха может изменяться быстро и в значительной степени в ответ на изменение направления ветра, если это факельная труба, испускающая диоксид углерода в окрестностях, или в ответ на изменение локальных погодных условий. Например, фиг.1 представляет собой диаграмму, показывающую колебание концентрации диоксида углерода в окружающей среде на воздухоразделительном устройстве Air Products' в Уигане, Великобритания в течение периода с 20 до 23 ноября 2005. С 20 по 22 ноября была туманная погода, в течение которой концентрация диоксида углерода была выше нормального уровня приблизительно 450 ч. на млн и достигала пика приблизительно в 680 ч. на млн. Аналогично фиг.2 представляет собой диаграмму, показывающую колебание концентрации диоксида углерода в окружающей среде на воздухоразделительном устройстве Air Products' в Айл-оф-Грейн, Великобритания в течение периода с 4 по 8 сентября 2006. Здесь, по соседству с установкой расположена факельная труба сжиженного природного газа (LNG) и влияние диоксида углерода, испускаемого этой трубой на воздухоразделительную устройство, зависит от направления ветра. Как можно увидеть, концентрация диоксида углерода достигает максимума свыше 10000 ч. на млн.
В предшествующем уровне техники выдвигались предложения варьировать время короткоцикловой адсорбции, чтобы приспособить изменения к композиции сырьевого газа. Например, в патенте США 3808773 раскрыта адсорбционная очистка газа, содержащего воду и один или более вторичных компонентов, путем пропускания газа через слой молекулярных сит для удаления адсорбируемых компонентов, прерывания газового потока перед попаданием в сита адсорбированных паров воды, предпочтительно до попадания наименее легко адсорбируемого вторичного компонента, и затем регенерации молекулярных сит при относительно низкой температуре 100-200°C путем пропускания нагретого продувочного газа через молекулярные сита в направлении, противоположном газовому потоку. Описана система двойного слоя, в которой адсорбцию проводят в одном слое, в то время как другой подвергается регенерации в установленный период времени.
В патенте США 4197095 раскрыта адсорбция компонента(ов) из сырьевого газа с применением двухслойного адсорбционного способа, в котором условия работы, включающие скорость потока, температуры на входе и выходе, давления на входе и выходе и давления регенерации, являются регулируемыми; количество продувочного газа, требуемое для регенерации слоя, рассчитывается; скорость продувочного газа в условиях работы рассчитывается, и время регенерации контролируется таким образом, что продувочный поток перекрывается, когда слой регенерирован. Время цикла контролируют таким образом, чтобы оно было не короче времени регенерации, и слои переключают в конце этого периода времени.
В патенте США 4472178 раскрыта адсорбция диоксида углерода из обедненного водой газового сырьевого потока путем последовательности TSA, в которой обедненный диоксидом углерода газовый продукт адсорбционного слоя первоначально проходит через рекуператор для возвращения тепла, но после того, как газ достигает заранее определенной более низкой температуры, обходит рекуператор. Поток сырьевого газа перекрывают, когда газовый продукт достигает заранее измеренной концентрации диоксида углерода, давление слоя снижают и слой первоначально очищают противотоком продувочного газа, который был нагрет от внешнего теплового источника и рекуперировал тепло от рекуператора, до тех пор, пока в слое существует термическая зона. Продув продолжают без внешнего подвода тепла до тех пор, пока термическая зона находится приблизительно в загрузочном конце слоя, и затем прекращают, давление в конце восстанавливают противотоком обедненного водой и диоксидом углерода газа до тех пор, пока слой не достигнет заданного давления, при котором адсорбционный цикл может быть начат вновь. Описана двухслойная система, в которой адсорбцию проводят в одном слое, в то время как другой подвергается регенерации в течение установленного периода времени.
В патенте США 4693730 раскрыт способ адсорбции с переменным давлением, в котором характеристика сброса давления отходящего газа из параллельного потока является направленной и введение ответных поправок используют для контроля чистоты продукта. Такое воздействие может оказываться путем регулирования количества продувочного газа, получаемого слоем адсорбента для контроля степени регенерации. В иллюстративных вариантах осуществления направленной характеристикой является концентрация примеси и время цикла, и целевые значения уровня примеси регулируют, и характеристика отходящего газа при сбросе давления одного слоя влияет на корректировочные действия, затрагивающие все слои.
В патенте США 5989313 раскрыта предварительная очистка воздуха способом PSA, в которой время цикла для каждого из по меньшей мере двух адсорбентов контролируют методом "реального времени", при котором действительный общий поток в промышленном адсорбере аккумулируется на основе измеренных значений потока в течение определенного периода времени, и подвергаются мониторингу показатели вводимого воздуха, например температура, давление, относительная влажность. Периодически рассчитывается максимальный общий поток в адсорбер на основе определенных показателей воздушного потока, величина действительного общего потока сравнивается с текущим рассчитанным максимальным значением общего потока, и, когда между ними достигается заранее определенное соотношение, рабочий адсорбер отсоединяют от вводимого воздуха и вместо него подключают другой адсорбер. Контроль времен цикла для каждого адсорбера также принимается в рассмотрение: изменения графика нагрузки, соотношение промывочного газа к вводимому воздуху и пробои, которые имеют место при переключении адсорбционных слоев. Соотношение продувочного газа к вводимому воздуху может контролироваться на основании воздушного потока и восстановления колонны, а также, если температура слоя является высокой, например летом, поток продувочного газа может быть снижен.
В патенте США 6277174 раскрыт способ PSA, в котором максимальное давление сырьевого потока в каждом из по меньшей мере двух слоев подвергают мониторингу в течение адсорбции и минимальное давление откачки из каждого указанного потока подвергают мониторингу в процессе десорбции, и время индивидуальных стадий изменяют в ходе цикла в соответствии с наблюдаемыми давлениями, для контролирования потоков в и между слоями, чтобы поддерживать практически постоянное соотношение давлений. Периоды времени стадий выпуска и выравнивания нахлестов могут быть отрегулированы в соответствии с наблюдаемыми давлениями.
В патенте США 6402809 раскрыта очистка газа, такого как воздух, содержащего диоксид углерода и/или воду, с применением способа TSA, в котором по меньшей мере один энергетический параметр, выбранный из скорости потока регенерирующего газа, входящего и/или покидающего адсорбер, продолжительности стадии регенерации и температуры регенерации регенерирующего газа, входящего в адсорбер, контролируют, модифицируют и/или регулируют в зависимости от по меньшей мере одного технологического параметра, выбранного из давления газа, подвергаемого очистке, входящего и/или выходящего из адсорбера, скорости потока газа, подвергаемого очистке, входящего и/или выходящего из адсорбера, температуры газа, подвергаемого очистке, входящего в адсорбер, и содержания примесей, содержащихся в газе, подвергающемся очистке, входящем в адсорбер, и зависящего от термического фронтального профиля адсорбера в конце регенерации. Предпочтительно адсорбцию проводят в одном слое, в то время как другой слой подвергается регенерации.
В патенте США 6599347 раскрыта адсорбция воды и диоксида углерода из сырьевого газа с применением способа адсорбции с переменной температурой (TSA), в котором один или более параметров, связанных с содержанием воды в сырьевом газе, определяют прямо или косвенно, и адсорбент регенерируют, применяя параметры, основанные на указанном параметре(ах). Параметр(ы) сырьевого газа могут определяться непрерывно или периодически, например ежечасно или ежедневно, и поток продувочного газа и/или температуру модифицируют в ответ на измеренные данные.
Ни один из таких способов, описанных в предшествующем уровне техники, не дает возможности автоматически контролировать процесс короткоцикловой адсорбции, в котором время завершения регенерации слоя адсорбента может быть изменено, чтобы приспособить к времени завершения для параллельной адсорбции и непрерывно заменять рабочий слой на регенерированный. Задачей настоящего изобретения является обеспечение такого контроля, при котором система могла функционировать в оптимальных условиях при нормальной концентрации адсорбата в сырьевом газе, но делать регенерированный слой доступным для более быстрого применения чем обычно, чтобы приспособить к снижению рабочего времени, которое является результатом увеличения концентрата адсорбата выше нормального уровня. По сравнению с традиционным построением систем, обеспечивающих работу в условиях самых высоких ожидаемых концентраций адсорбата, такой способ даст возможность продлить рабочее время для нормального процесса, но позволит снизить рабочее время, чтобы приспособить к более высоким, чем нормальные, концентрациям адсорбата или непредвиденным неожиданным изменениям концентрации адсорбата без ограничения по времени, требуемого для завершения регенерации сменного слоя.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к короткоцикловому способу, в котором один адсорбционный слой находится в рабочем режиме, при котором адсорбат адсорбируют из сырьевой газовой смеси, проходящей через слой, в то время как другой адсорбционный слой находится в режиме регенерации, при котором адсорбированный адсорбат десорбируют из слоя, и указанные слои чередуют между указанными режимами, где время, требуемое для завершения рабочего режима, определяют по общему количеству адсорбата в сырьевой газовой смеси, поступившей в течение указанного режима, концентрацию адсорбата в сырьевой газовой смеси подвергают мониторингу в течение указанного рабочего режима, и время, требуемое для завершения рабочего режима, прогнозируют на основании указанной измеренной концентрации, и по меньшей мере один технологический параметр режима регенерации модифицируют в ответ на изменения в указанном спрогнозированном времени таким образом, что режим регенерации завершается в то же самое время, что и параллельный рабочий режим.
Настоящее изобретение также относится к устройству для короткоцикловой адсорбции для осуществления указанного способа. Указанное устройство включает:
по меньшей мере два адсорбционных слоя;
схему управления для поддержания одного слоя в рабочем режиме в течение времени, определенного из общего количества адсорбата в сырьевой газовой смеси, вводимой в слой в течение указанного режима, в котором находящийся в рабочем режиме адсорбат может быть адсорбирован из сырьевой газовой смеси, проходящей через слой, и другого слоя, находящегося в режиме регенерации, в котором адсорбированный адсорбат может быть десорбирован из слоя, и чередования указанных слоев между указанными режимами; и
общий адсорбционный сенсор для определения общего количества адсорбата в сырьевой газовой смеси, вводимой в слой в течение рабочего режима, для определения продолжительности рабочего режима;
концентрационный монитор для измерения концентрации адсорбата в сырьевой газовой смеси в течение указанного рабочего режима; и
процессор для прогнозирования времени, требуемого для завершения рабочего режима из указанной измеренной концентрации,
указанную схему управления, модифицирующую по меньшей мере один технологический параметр режима регенерации в ответ на изменение в указанном спрогнозированном времени, посредством чего регенерирующий режим завершается в то же время, что и параллельный рабочий режим.
Краткое описание нескольких видов чертежей
Фиг.1 представляет собой диаграмму, показывающую колебания концентрации диоксида углерода в окружающей среде на воздухоразделительном устройстве Air Products' в Уигане, Великобритания в течение периода с 20 по 23 ноября 2005.
Фиг.2 представляет собой диаграмму, показывающую колебания концентрации диоксида углерода в окружающей среде на воздухоразделительном устройстве Air Products' в Иль-оф-Грейн, Великобритания в течение периода с 4 по 8 сентября 2006.
Фиг.3 представляет собой схематическое изображение фронтальной части устройства предварительной очистки для криогенного воздухоразделительного устройства, применяющей способ TSA, функционирующий в соответствии с настоящим изобретением, для удаления диоксида углерода и воды из воздуха, поступающего в устройство.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает контроль системы короткоцикловой адсорбции таким образом, что система может функционировать при оптимальных условиях для нормальной концентрации адсорбата в сырьевом газе, но регенерированный слой может быть доступен для более быстрого применения, чем в нормальном процессе, чтобы приспособить к снижению рабочего времени, которое является результатом увеличения концентрации адсорбата выше нормального уровня. Это достигается постоянным или циклическим определением концентрации адсорбата в сырьевом газе, рассчитываемой из полученных данных оценки рабочего времени, которое будет получено, и автоматическим регулированием продувочного потока или другого технологического параметра для слоя, подвергаемого регенерации, чтобы он достигал требуемого уровня регенерации, когда рабочий слой становится насыщенным. Таким образом, скорость продувочного газа, используемая для нормального функционирования, может снижаться для того, чтобы способствовать нормальному рабочему времени, тем самым снижая, по сравнению с традиционно сконструированными системами, количество требуемого продувочного газа, а также перепад давления по слою в процессе регенерации. Это позволяет использовать минимальное количество продувочного газа в течение всего периода времени.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения раскрывается способ короткоцикловой адсорбции, в котором один адсорбционный слой находится в рабочем режиме, при котором адсорбат адсорбируется из сырьевой газовой смеси, проходя через данный слой, в то время как другой адсорбционный слой находится в регенерационном режиме, при котором адсорбированный адсорбат десорбируют из данного слоя, и указанные слои чередуют между режимами, где время, требуемое для завершения действующего рабочего режима, определяют из общего количества адсорбата в сырьевой газовой смеси, вводимой в слой в процессе указанного режима, концентрацию адсорбата в сырьевой газовой смеси подвергают мониторингу в течение указанного рабочего режима, и время, требуемое для завершения действующего рабочего режима, прогнозируют на основании указанной измеренной концентрации, и по меньшей мере один технологический параметр регенерационного режима модифицируют в ответ на изменения в указанном спрогнозированном времени, таким образом регенерационный режим завершается в то же время, что и параллельный рабочий режим.
За исключением случая, когда рабочий и регенерационный режимы соответствуют друг другу, адсорбционный и регенерационный режимы могут функционировать любым традиционным способом.
В предпочтительном варианте осуществления существует минимальное время для завершения рабочего режима, основанное на базовой концентрации адсорбата в сырьевой газовой смеси, и спрогнозированное время для завершения изменяется, только когда измеряемая концентрация превышает указанную базовую концентрацию до величины, при которой спрогнозированное время превышает указанное минимальное время. Обычно базовая концентрация будет самой высокой концентрацией, регулярно ожидаемой в сырьевом газе при нормальных технологических условиях. Например, в случае адсорбции диоксида углерода из сырьевого воздуха в Великобритании базовая концентрация составляет около 400 ч. на млн.
Концентрацию адсорбата можно подвергать мониторингу путем измерения в верхней части сырьевой газовой смеси после действующего адсорбционного слоя и/или в действующем адсорбционном слое. Следует учитывать, что, когда измерения проводят выше адсорбционного слоя, существует больше времени для регулирования условий регенерации, но оценочное прямое время будет менее точным, чем если бы измерение проводили в слое. Чем ближе к выходу слоя осуществляется измерение, тем более точное определение прямого времени будет возможно осуществить, но возможность осуществить такой расчет возникает только после того, как фронт адсорбата пройдет через слой до положения, в котором осуществляют измерения. В результате существует задержка во времени перед тем, как регулирующий регенерационные параметры контроллер начнет работать, что означает, что регенерационные параметры могут быть недостаточно оптимальными. Измерения могут проводиться в более чем одном положении.
Соответственно, выходную концентрацию адсорбата измеряют для того, чтобы удостовериться, что подсчитанное рабочее время является корректным и что адсорбаты не являются существующим слоем адсорбента. Такое измерение можно использовать в качестве обратной связи для программного вычислителя рабочего времени и внесения корректировок в его расчеты.
По меньшей мере одним технологическим параметром регенерационного режима, который модифицируют в ответ на изменение в концентрации адсорбата, может быть скорость потока продувочного газа, и/или температура данного газа, и/или время регенерирующего нагрева для способа TSA, или укорочение времени цикла способа PSA для выигрыша в производительности.
Хотя изобретение будет описано ниже как применяемое для систем TSA, имеющих два слоя, оно также может применяться для других адсорбционных циклов, особенно систем PSA, TEPSA и PSA, и для любых давлений, температур, адсорбентов и адсорбатов. Оно может применяться для многочисленных слоев с многочисленными входящими потоками, продуктами и регенерационными потоками. Адсорбционные слои могут содержать многочисленные слои адсорбентов и рабочее время может контролироваться таким образом, чтобы каждый компонент адсорбата в сырьевом газе мог оставаться в своей заранее определенной секции. В частности, в одном варианте осуществления изобретения в сырьевой газовой смеси существует два или более адсорбата, время, требуемое для завершения рабочего режима, определяют из общего количества двух или более адсорбатов в сырьевой газовой смеси, подаваемой в слой в течение указанного режима, концентрации указанных адсорбатов в сырьевой газовой смеси, определяющие указанное рабочее время, измеряют в течение указанного рабочего режима, и время, требуемое для завершения рабочего режима, прогнозируют на основании указанных определенных концентраций, и по меньшей мере один технологический параметр регенерационного режима модифицируют в ответ на изменения в указанном спрогнозированном времени, посредством чего регенерационный режим завершается в то же время, что и параллельный рабочий режим.
Изобретение имеет конкретное применение для удаления диоксида углерода из воздуха или других содержащих диоксид углерода газов, таких как природный газ или синтетический газ (синтезгаз), особенно во входных устройствах предварительной очистки для криогенных воздухоразделительных устройств, обеспечивающих получение по меньшей мере кислорода и/или азота в качестве продуктов.
При применении для удаления диоксида углерода из воздуха, воздух соответственно обрабатывают путем его взаимодействия с адсорбентом в первой зоне, таким образом удаляя воду перед удалением диоксида углерода во второй зоне, соответственно на втором адсорбенте. Соответственно, адсорбенты включают оксид алюминия, силикагель, активированный оксид алюминия, импрегнированный оксид алюминия и молекулярные сита, например цеолиты типа A и типа X. Адсорбирующий воду материал предпочтительно представляет собой силикагель, активированный оксид алюминия, импрегнированный оксид алюминия или оксид алюминия, и материал, адсорбирующий диоксид углерода, предпочтительно представляет собой молекулярные сита, например цеолит. Цеолит может быть связанным или несвязанным и предпочтительно представляет собой цеолит 13X, более предпочтительно несвязанный цеолит 13X.
Предпочтительно, когда адсорбент воды и адсорбент диоксида углерода располагают в составном слое с адсорбентом диоксида углерода, расположенным ниже адсорбента воды, хотя, при желании, могут использоваться отдельные слои.
В способе TSA сырьевой газ соответствующим образом подают на стадию адсорбции при температуре от -50 до 80°C и предпочтительно от 0 до 60°C, особенно от 10 до 50°C. Соответственно, давление сырьевого газа составляет по меньшей мере 0,1 МПа, предпочтительно от 0,2 до 4 МПа, более предпочтительно от 0,2 до 3 МПа и желательно от 0,2 до 1,5 МПа. Предпочтительно, когда регенерирующий газ включает газ, регенерированный из действующего процесса, например обогащенный азотом отходящий газовый поток из воздухоразделительного устройства, который является сухим и не включает диоксида углерода. Регенерацию адсорбента проводят при температуре выше температуры адсорбции слоя, соответственно, при температуре от 50 до 400°C, предпочтительно от 65 до 240°C. Соответственно, регенерационное давление составляет от 0,01 до 3 МПа и предпочтительно составляет от 0,03 до 1 МПа. Особенно желательно, чтобы регенерационное давление не превышало 50% давления сырьевого газа.
Когда диоксид углерода и воду удаляют из сырьевого воздуха любой другой традиционной короткоцикловой адсорбционной обработкой сырьевого воздуха на воздухоразделительном устройстве, предпочтительные параметры процесса приведены в таблице 1:
<b>Таблица 1</b>
<b><u>Предпочтительный интервал</u></b>
<b><u>Самый предпочтительный интервал</u></b>
Давление подачи (МПа)
0,3-4
0,5-1,5
Температура подачи воздуха
5-60
10-30
Содержание CO<sub>2</sub> (ч. на млн) на входе
100-10000
300-1000
Давление выпуска (МПа)
0,03-3
0,01-1
Температура холодной продувки (°C)
5-80
10-40
Температура горячей продувки (°C)
50-300
65-240
Согласно второму аспекту настоящего изобретения раскрывается способ разделения воздуха, в котором воздух сжимают в магистральном воздушном компрессоре для получения сжатого воздуха; диоксид углерода удаляют из сжатого воздуха способом короткоцикловой адсорбции, в котором один адсорбционный слой находится в рабочем режиме, при котором диоксид углерода адсорбируют из сжатого воздуха и получают воздушное сырье, свободное от диоксида углерода, в то время как другой адсорбционный слой находится в регенерационном режиме, при котором диоксид углерода десорбируют из данного слоя, и указанные слои чередуют между указанными режимами; и воздушное сырье, свободное от диоксида углерода, вводят в воздухоразделительное устройство для получения по меньшей мере одного продукта, обогащенного компонентом воздушного сырья, свободного от диоксида углерода, где время, требуемое для завершения рабочего режима, определяют по общему количеству диоксида углерода в сжатом воздухе, концентрацию диоксида углерода в сжатом воздухе измеряют в течение указанного рабочего режима, и время, требуемое для завершения рабочего режима, прогнозируют на основании указанной измеренной концентрации, и по меньшей мере один технологический параметр регенерационного режима модифицируют в ответ на изменения в указанном спрогнозированном времени, посредством чего регенерационный режим заканчивается в то же время, что и параллельный рабочий режим.
Все альтернативы и предпочтения, обсуждаемые выше в связи с первым аспектом изобретения, когда они являются релевантными для разделения воздуха, используют для второго аспекта.
В третьем аспекте настоящего изобретения раскрывается устройство короткоцикловой адсорбции для осуществления способа в соответствии с первым аспектом, где указанное устройство включает:
по меньшей мере два адсорбционных слоя;
схему управления для поддержания одного слоя в рабочем режиме в течение времени, определенного из общего количества адсорбата в сырьевой газовой смеси, вводимой в слой в течение указанного режима, при котором находящийся в рабочем режиме адсорбат может быть адсорбирован из сырьевой газовой смеси, проходящей через слой, и другого слоя, находящегося в режиме регенерации, при котором адсорбированный адсорбат может быть десорбирован из слоя, и чередования указанных слоев между указанными режимами; и
общий адсорбционный сенсор для определения общего количества адсорбата в сырьевой газовой смеси, вводимой в слой в течение действующего рабочего режима, для определения продолжительности рабочего режима;
концентрационный монитор для измерения концентрации адсорбата в сырьевой газовой смеси в течение указанного рабочего режима; и
процессор для прогнозирования, из указанной измеренной концентрации, времени, требуемого для завершения рабочего режима;
указанную схему управления, модифицирующую по меньшей мере один технологический параметр режима регенерации в ответ на изменение в указанном спрогнозированном времени, посредством чего регенерирующий режим завершается в то же время, что и параллельный рабочий режим.
Подходящим является, чтобы общий адсорбционный сенсор был совместим с концентрационным монитором.
Все альтернативы и предпочтения, обсуждаемые выше в связи с первым аспектом изобретения, когда они являются релевантными для структуры устройства, используют для третьего аспекта. Например, концентрационный монитор может измерять концентрацию адсорбента в сырьевой газовой смеси выше рабочего адсорбирующего слоя и/или в рабочем адсорбирующем слое; схема управления может контролировать скорость потока и/или температуру продувочного газа; и устройство предпочтительно представляет собой устройство для температурной короткоцикловой адсорбции.
Четвертый аспект настоящего изобретения раскрывает воздухоразделительную систему для осуществления способа по второму аспекту, содержащую:
магистральный воздушный компрессор для подачи сжатого воздуха;
устройство для короткоцикловой адсорбции в соответствии с третьим аспектом для обеспечения свободного от диоксида углерода воздушного сырья, и
воздухоразделительное устройство для разделения указанного свободного от диоксида углерода воздушного сырья и получения по меньшей мере одного продукта, обогащенного его компонентом.
Ссылаясь на фиг.3, воздух, подвергаемый очистке, подают в магистральный воздушный компрессор (MAC) 1, в котором его сжимают и затем подают в холодильник 2 для конденсации по меньшей мере части водяных паров из охлажденного сжатого воздуха. Сжатый охлажденный воздух подают в сепаратор 3, который используют для удаления капель воды из сырья. Сепаратор соединяют с входным отверстием 4, в котором поток разделяют на два пути 5, 6, имеющих входные распределительные клапаны 7, 8 соответственно. Ниже от распределительных клапанов 7, 8 входные пути 5, 6 имеют перегородку с воздушным клапаном 9, содержащим дренажные клапаны 10, 11. Глушитель 12 связан с воздушным клапаном 9. Адсорбционные сосуды 13, 14 соответственно связаны с входными путями 5, 6 ниже воздушного вентиля 9. Каждый сосуд 13, 14 включает слой адсорбента, содержащий два адсорбента 15, 16 и 15', 16' соответственно. Верхние части 15, 15' слоев адсорбента содержат адсорбенты для удаления воды, например активированный оксид алюминия или модифицированный оксид алюминия, и нижние части 16, 16' адсорбционных слоев содержат адсорбент для удаления диоксида углерода, например цеолит. Выходные пути 17, 18 связаны с каждым адсорбционным сосудом 13, 14 и имеют выходные распределительные клапаны 19, 20. Отдельные выходные пути 17, 18 соединяются ниже распределительных клапанов 19, 20 и обеспечивают одно выходное отверстие 21, которое, соответственно, соединяют с расположенной ниже рабочим устройством, например криогенным воздушным сепаратором (не показан). Выше выходных распределительных клапанов 19, 20 выходные пути 17, 18 имеют перегородку с выходом продувочного газа 22, перегородка имеет распределительные клапаны продувочного газа 23, 24. Дополнительная перегородка 25 выше выхода продувочного газа 22 также включает распределительный клапан 26.
Выходное отверстие продувочного газа 22 связано с входом продувочного газа 27 через нагреватель 28 или обводной трубопровод 29. Распределительные клапаны 30, 31 обеспечивают контроль потока и направления продувочного газа. Продувочный газ, соответственно, получают из расположенного ниже рабочего устройства, которое питают из выходного отверстия 21.
Входную линию продувочного газа 27 обеспечивают регулятором расхода 32 для измерения и контроля потока продувочного газа во входное отверстие 22. Регулятор расхода 32 получает контрольный сигнал от процессора 33, который также обеспечивает контрольный сигнал на нагревательный контроллер последовательности 34 для контроля нагревания продувочного газа. Сенсор диоксида углерода 35, расположенный ниже сепаратора 3, обеспечивает входной сигнал на процессор 33, пропорционально концентрации диоксида углерода в очищенном воздушном сырье на адсорбционных слоях.
В эксплуатации воздух сжимают на MAC 1 и затем подают во входное отверстие 4 через охладитель 2 и сепаратор 3 и проводят через один ("рабочий" сосуд) из двух адсорбционных сосудов 13, 14 в нисходящем направлении. Другой адсорбционный сосуд ("нерабочий" сосуд) получает продувочный газ из входного отверстия 22, который проходит в противоположном направлении по отношению к потоку воздуха в первом адсорбционном сосуде.
Когда сосуд 13 находится в рабочем режиме, воздух проходит через открытый клапан 7 в сосуд 13 и через открытый клапан 19 в выходное отверстие 21 для дальнейшей обработки. Клапан 8 закрыт, так как адсорбционный сосуд 14 отсоединен от подачи воздуха. Клапаны 20, 23, 24, 26, 10 и 11, все закрыты. Для начала регенерации слоя в адсорбционном сосуде 14 клапан 11 открывают для снижения давления в сосуде 14, и клапан 24 открывают для протекания продувочного газа, проходящего через адсорбционный сосуд. Продувочный газ обычно представляет собой сухой, очищенный от диоксида углерода азот, полученный из расположенного ниже рабочего устройства, например теплоизолированного кожуха воздухоразделительного устройства. Клапан 30 открывают для прохождения продувочного газа через нагреватель 28 и нагревания до, например, температуры 100°C или более перед попаданием в сосуд 14 при требуемой температуре. Когда продувочный газ проходит через сосуд 14, диоксид углерода десорбирует, и тепловая волна проходит через слой адсорбента 16'. В течение подходящего периода времени, например пока тепловая волна проходит в слое 15', клапан 30 закрыт и клапан 31 открыт, таким образом продувочный газ не нагревается и проводится в сосуд 14, и сдвигают тепловой импульс далее через адсорбент 15'.
Пока адсорбент 16' регенерируют способом TSA, холодный продувочный газ, в силу его пониженного давления, десорбирует воду из адсорбента 15' способом PSA и в зависимости от того, проходит ли тепловая волна в адсорбент 15', также способом TSA.
В конце периода регенерации клапан 24 закрывают и клапан 26 открывают для сдвига продувочного газа из слоя в сосуд 14. Клапан 11 затем закрывают для повышения давления в сосуде 14 с помощью очищенного воздуха. Клапан 26 затем закрывают и клапаны 8 и 20 открывают, тем самым вводя сосуд 14 в рабочий режим. Сосуд 13 может затем быть регенерирован аналогично способу, описанному выше, с сосудами 13, 14 в рабочем режиме путем снижения давления, регенерации, повышения давления и возвращения в рабочий режим в постадийных циклах технологического процесса.
Процессор 33 оценивает из данных концентраций диоксида углерода от сенсора 35 время, требуемое для завершения рабочей стадии. Если оценочное рабочее время снижается, процессор дает сигнал контроллеру потока увеличить поток продувочного газа, и, при необходимости, температуру нагрева и/или продолжительность нагрева таким образом, чтобы тепловой импульс проходил через нерабочий слой быстрее и слой быстрее охлаждался, для полного регенерирования слоя до времени возвращения в рабочий режим. Если параметры подачи изменяются таким образом, что оценочное рабочее время увеличивается, процессор затем снижает поток продувочного газа и, при необходимости, температуру нагрева и/или продолжительность нагрева, сохраняя энергию.
Без обеспечения контроля процессором в ответ на концентрацию диоксида углерода в сырьевом воздухе, примеси могут попадать в рабочий сосуд в течение периода времени, когда тепловой импульс все еще находится в слое нерабочего сосуда, подвергающегося регенерации. В результате слой будет недорегенерирован, дополнительное тепло будет потеряно, что может иметь серьезные последствия для расположенного далее оборудования, если оно не выдержит доставленного к нему теплового импульса. Например, в воздухоразделительном устройстве обычно существует граница температуры подачи около 65°C. Традиционно этого плана действий стараются избежать путем увеличения слоев, чтобы всегда было достаточно времени для охлаждения нерабочего слоя до того, как примеси попадут в рабочий слой. Однако обычно является неэкономичным использовать слои в режиме "худшего случая" на протяжении большей части года из-за увеличения мощности подогрева и перепада давления. Настоящее изобретение значительно улучшает эффективность путем измерения концентрации адсорбата в сырьевом воздухе, подаваемом в рабочий слой, и дает итоговую информацию для контроля потока продувочного газа в нерабочем слое.
Примеры
Изобретение более подробно иллюстрируется ссылкой на следующие примеры, но следует понимать, что настоящее изобретение не считается ограниченным указанными примерами.
Конкретная практика состоит в создании слоев для предварительной очистки сырьевого воздуха на криогенном воздухоразделительном устройстве с использованием искусственной концентрации диоксида углерода около 400 ч. на млн. Однако как показано выше, измерения, произведенные в туманную погоду или в местах, где выход главного воздушного компрессора расположен близко к такому источнику диоксида углерода, как LNG терминал, показывают, что концентрация диоксида углерода может быстро и сильно возрастать. Было зафиксировано (возрастание) до 10000 ч. на млн, но 600 ч. на млн является более типичным. Адсорбционная система может быть разработана для работы в указанных условиях, но потребуется гораздо большее количество продувочного газового потока, чем в случае, при котором в воздухе присутствует только 400 ч. на млн диоксида углерода. Соответственно, выгодно эксплуатировать адсорбционную систему с гораздо более длительным сроком эксплуатации, когда большую часть года концентрация на входе составляет 400 ч. на млн, и, следовательно, оперировать меньшим продувочным газовым потоком и увеличивать данный поток только при увеличении уровня диоксида углерода. Ниже приведены примеры потенциального сокращения затрат на преодоление перепадов давления (и тем самым сокращения мощности компрессора).
Пример 1: цикл TPSA (как описано в патенте США 5855650)
<u>Специальное устройство</u>
<u>Нормальное рабочее устройство с пониженным СО</u><sub>2</sub><u> в сырье</u>
Диаметр сосуда (мм)
6000
6000
Длина сосуда от касательной до касательной (мм)
3006
3006
Температура подачи сырья (°C)
18,3
18,3
Давление подачи сырья (МПа)
0,6
0,6
Содержание СО<sub>2</sub> на входе (ч. на млн)
1000
400
Содержание воды на входе (ч. на млн)
3602
3602
Скорость смешанного сырьевого потока (Кмоль/ч)
5928
5928
Рабочее время (ч)
3,07
5
Время регенерации (ч)
2,57
4,5
Масса оксида алюминия (кг)
26958
26958
Масса 13X (кг)
22869
22869
Температура регенерации (°C)
200
200
Требуемая скорость регенерационного потока (Кмоль/ч)
1121
735
Падение давления на стадии подачи (КПа)
14,6
14,6
Падение давления на стадии регенерации (КПа)
12,3
6,17
Сила сжатия, требуемая для преодоления падений давления (КВт)
321
229
Как видно из вышеприведенных данных, настоящее изобретение обеспечивает экономичность 92 КВт.
<b>Таблица 2</b><b><u>Цикл TSA</u></b>
<b><u>Специальное устройство</u></b>
<b><u>Нормальное рабочее устройство с пониженным СО</u></b><sub>2</sub><b><u> в сырье</u></b>
Диаметр сосуда (мм)
2438
2438
Длина сосуда от касательной до касательной (мм)
2527
2527
Температура подачи сырья (°C)
35
35
Давление подачи сырья (МПа)
0,9
0,9
Содержание СО<sub>2</sub> на входе (ч. на млн)
600
400
Содержание воды на входе (ч. на млн)
6433
6433
Скорость смешанного сырьевого потока (Кмоль/ч)
743
743
Рабочее время (ч)
3,94
5
Время регенерации (ч)
3,44
4,5
Масса оксида алюминия (кг)
2869
2869
Масса 13X (кг)
3703
3703
Температура регенерации (°C)
200
200
Требуемая скорость регенерационного потока (Кмоль/ч)
200
169
Падение давления на стадии подачи (КПа)
7,93
7,93
Падение давления на стадии регенерации (КПа)
18,1
15,8
Сила сжатия, требуемая для преодоления падений давления (КВт)
59
53
Как видно из приведенных выше данных, настоящее изобретение обеспечивает экономичность 6 кВт.
Несмотря на то что настоящее изобретение было детально описано со ссылками на конкретные примеры, для специалистов в данной области очевидно, что различные изменения и модификации могут быть проведены без изменения сущности и объема изобретения.