МОНОЛИТНЫЙ КОНТАКТОР И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ СБОРА ДИОКСИДА УГЛЕРОДА
MONOLITHIC CONTACTOR AND CORRESPONDING SYSTEM AND METHOD OF CARBON DIOXIDE COLLECTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение в целом относится к сбору диоксида углерода и, более конкретно, к применению монолитного контактора на основе цеолитного материала для сбора диоксида углерода.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Диоксид углерода собирают для множества применений. Природные источники диоксида углерода обычно разрабатывают для сбора диоксида углерода для различных промышленных целей. Диоксид углерода также собирают в виде побочного продукта промышленных процессов и при удалении избытка диоксида углерода из приточного воздуха.
Диоксид углерода может быть получен из различных источников с применением различных методов. Однако традиционные методы сбора диоксида углерода могут быть очень энергоемкими, особенно если проводятся в промышленном масштабе. Два наиболее энергоемких процесса при сборе диоксида углерода обычно связаны с энергией, требуемой для продвижения потока газа за или через собирающую среду, и энергией, требуемой для восстановления и поглощения диоксида углерода из собирающей среды. Поэтому затраты на материал на основе диоксида углерода могут стать значительными, особенно, если используются большие количества.
Наиболее известным методом сбора диоксида углерода является применение аминов для химического связывания диоксида углерода. Такие методы включают химические реакции и требуют значительного количества энергии для выделения диоксида углерода из аминов.
Еще один метод сбора диоксида углерода включает применение карбоната натрия в качестве катализатора, при этом поток газа вводят в поток жидкого гидроксида натрия с получением карбонатных солей. Такие методы требуют значительного количества энергии, так как карбонатные соли необходимо нагревать до очень высоких температур для выделения удерживаемого диоксида углерода.
Еще одним методом сбора диоксида углерода является применение плотного слоя цеолитного порошка или сферических цеолитных экструдатов. Такие методы также требуют значительного количества энергии для продвижения потока газа через плотный слой цеолитного материала.
Таким образом, специалисты в данной области техники продолжают исследования и разработки в области сбора диоксида углерода.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одним объектом настоящего изобретения является система в соответствии с данным изобретением, которая может включать монолитный контактор для сбора целевых молекул, где монолитный контактор может включать монолитный корпус, имеющий вход и продольно противоположный выход и множество ячеек, проходящих от области вблизи входа до области вблизи выхода, где целевые молекулы адсорбируются на поверхность корпуса.
В другом варианте выполнения настоящего изобретения описанная система может включать систему для сбора целевых молекул, таких как вода и диоксид углерода, из технологического газа, где система может включать конденсатор для удаления тепла из технологического газа, где конденсатор конденсирует водный пар в технологическом газе, камеру с влагопоглотителем для адсорбции дополнительной воды из технологического газа с получением по существу сухого газа, контактную камеру для адсорбции диоксида углерода из сухого газа. Описанная система также, при необходимости, может включать вакуумную камеру для откачивания адсорбированного диоксида углерода из контактной камеры и превращение откачанного диоксида углерода из газа в жидкость, например, сублимацией, и теплопереносящее устройство для сбора тепла, удаленного из технологического газа и теплопередачи.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ получения монолитного контактора для сбора целевых молекул, где способ может включать стадии: (1) получения адсорбирующей композиции, содержащей адсорбирующий материал (например, цеолитный материал), носитель и связующий агент, (2) экструдирования адсорбирующей композиции с получением монолитного корпуса, имеющего вход и продольно противоположный выход, и множество по существу параллельных ячеек, проходящих от области вблизи входа до области вблизи выхода, (3) высушивания корпуса, и (4) высушивания корпуса обжигом.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ сбора диоксида углерода, где способ может включать стадии: (1) получения газовой смеси, включающей диоксид углерода и воду, и (2) адсорбции по меньшей мере части диоксида углерода из газовой смеси в монолитный контактор, где монолитный контактор включает адсорбирующий материал, собранный в виде монолитного корпуса, определяющего множество каналов.
Другие варианты описанного монолитного контактора, системы и способа будут очевидны из представленного ниже подробного описания, сопроводительных чертежей и формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлена блок-схема варианта описанной системы для сбора диоксида углерода;
На фиг. 2 представлена блок-схема, иллюстрирующая вариант описанного способа для сбора диоксида углерода;
На фиг. 3 представлен вид спереди в перспективе варианта описанного монолитного контактора;
На фиг. 4 представлена передняя вертикальная проекция монолитного контактора по фиг. 3;
На фиг. 5 представлена блок-схема, иллюстрирующая вариант описанного способа получения монолитного контактора; и
На фиг. 6 представлено поперечное сечение контактной камеры описанной системы для сбора диоксида углерода.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Представленное ниже подробное описание относится к приложенным чертежам, которые иллюстрируют конкретные варианты реализации. Другие варианты, имеющие различные конструкции и операции, не выходят за объем данного описания. Также одинаковые ссылочные обозначения могут относиться к одинаковым элементам или компонентам на различных чертежах.
Согласно фиг. 1, один вариант описанной системы для сбора диоксида углерода, в целом обозначенной 10, может включать источник 12 газа, вентиляторный агрегат 14, конденсатор 16, камеру 18 с влагопоглотителем и контактную камеру 20. При необходимости система 10 также может включать вакуумную камеру 22 и/или теплопереносящее устройство 24. Дополнительные компоненты и подсистемы могут быть введены в систему 10 без выхода за объем настоящего изобретения.
Источником 12 газа может быть источник технологического газа 26. Технологическим газом 26 может быть любой газ, содержащий диоксид углерода. Например, технологическим газом 26 может быть газовая смесь, и она может включать диоксид углерода, а также другие составляющие, такие как водяной пар, азот, кислород, инертные газы и подобные.
Технологический газ 26 может иметь повышенную температуру по сравнению с условиями окружающей среды, например, технологический газ 26 содержит избыток тепла. В одном варианте реализации, технологический газ 26 может иметь температуру по меньшей мере 25°С. В другом варианте реализации, технологический газ 26 может иметь температуру по меньшей мере 50°С. В другом варианте реализации, технологический газ 26 может иметь температуру по меньшей мере 100°С. В другом варианте реализации, технологический газ 26 может иметь температуру по меньшей мере 200°С. В другом варианте реализации, технологический газ 26 может иметь температуру по меньшей мере 300°С. В другом варианте реализации, технологический газ 26 может иметь температуру по меньшей мере 400°С. В еще одном варианте реализации, технологический газ 26 может иметь температуру по меньшей мере 500°С.
В одном конкретном варианте реализации, источником 12 газа может быть электростанция, и технологическим газом 26 могут быть сточные воды из электростанции. Например, электростанцией может быть электростанция, работающая на углеводородном сырье, такая как газовая электростанция, и технологическим газом 26 могут быть продукты сгорания электростанции, работающей на углеводородном сырье. Поэтому технологический газ 26 может иметь относительно высокую температуру по отношению к условиям окружающей среды, и может включать значительные количества диоксида углерода в результате реакции сгорания кислорода и углеводорода. При необходимости, отделительные устройства, такие как газопромыватели, могут применяться между источником 12 газа и вентиляторным агрегатом 14 для удаления примесей (например, металлов) из сточных вод до того, как технологический газ 26 будет подан в систему 10.
Вентиляторный агрегат 14, хотя и является необязательным, может способствовать переносу технологического газа 26 из источника 12 газа в конденсатор 16. Вентиляторным агрегатом 14 может быть вентилятор, газодувка или подобные, и он может контролировать поток (например, скорость потока) технологического газа 26 в конденсатор 16. Применение множества вентиляторных агрегатов 14 также предполагается.
Конденсатор 16 может получать технологический газ 26 из вентиляторного агрегата 14, и может конденсировать водяной пар в технологическом газе 26 до выхода частично (если не полностью) сухого газа 28. Могут применяться различные типы и конфигурации конденсатора, и применение одностадийного или мультистадийного конденсатора 16 также предполагается.
Конденсатор 16 может конденсировать водяной пар в технологическом газе 26 через охлаждение технологического газа 26. Тепло, извлеченное из технологического газа 26 через конденсатор 16 во время охлаждения, может быть перенесено в теплопереносящее устройство 24 для дальнейшего применения, как более подробно описано ниже.
Таким образом, конденсатор 16 может понижать температуру технологического газа 26. В одном варианте, конденсатор 16 может понижать температуру технологического газа 26 по меньшей мере на 10°С. В другом варианте, конденсатор 16 может понижать температуру технологического газа 26 по меньшей мере на 20°С. В другом варианте, конденсатор 16 может понижать температуру технологического газа 26 по меньшей мере на 30°С. В другом варианте, конденсатор 16 может понижать температуру технологического газа 26 по меньшей мере на 40°С. В другом варианте, конденсатор 16 может понижать температуру технологического газа 26 по меньшей мере на 50°С. В другом варианте, конденсатор 16 может понижать температуру технологического газа 26 по меньшей мере на 100°С. В другом варианте, конденсатор 16 может понижать температуру технологического газа 26 по меньшей мере на 150°С. В еще одном варианте, конденсатор 16 может понижать температуру технологического газа 26 по меньшей мере на 200°С.
Вода, удаленная из технологического газа 26 конденсатором 16, может быть собрана в виде побочного продукта системы 10. Собранная вода затем может применяться для любой подходящей цели или выбрасываться в сливное отверстие.
Камера 18 с влагопоглотителем может принимать частично сухой газ 28 из конденсатора 16, и может выпускать по существу сухой газ 30. Камера 18 с влагопоглотителем может включать влагопоглотитель, выбранный так, чтобы удалять практически всю воду, оставшуюся в частично сухом газе 28. Могут применяться различные неорганические или органические влагопоглотители, такие как оксиды алюминия, диоксиды кремния, цеолиты, углероды, полимеры, биомасса и подобные. Применение другого влагопоглотителя также предполагается, не выходя за объем данного описания.
В одном конкретном варианте реализации описанной системы 10, влагопоглотитель в камере 18 с влагопоглотителем может быть (или может включать) адсорбирующий материал, такой как молекулярные сита. В одном из не ограничивающих примеров влагопоглотитель (адсорбент) может быть выполнен как монолитный корпус, полученный из молекулярного сита с алюмосиликатом щелочного металла, который имеет эффективную раскрытость пор не более чем около 5 ангстремов (например, около 3 ангстремов). В другом конкретном не ограничивающем варианте влагопоглотитель (адсорбент) может быть выполнен как монолитный корпус, полученный из цеолитного материала. В еще одном конкретном не ограничивающем примере влагопоглотитель (адсорбент) может быть выполнен как монолитный корпус, полученный из цеолита 3А.
Влагопоглотитель может истощаться после сбора определенного количества воды и, поэтому, может потребовать регенерации. Регенерация влагопоглотителя может проводиться с применением тепла к влагопоглотителю с помощью теплопереносящего устройства 24, как описано более подробно ниже. Другие методы, такие как применение вакуума, также могут применяться для регенерации влагопоглотителя. Сочетания методик, таких как тепло и вакуум, также предполагаются.
Вода, удаленная из частично сухого газа 28 в камере 18 с влагопоглотителем, может быть собрана в виде побочного продукта системы 10.
Собранная вода затем может применяться для любой подходящей цели или сливаться в сливное отверстие.
Таким образом, конденсатор 16 и камера 18 с влагопоглотителем могут удалять практически всю воду, изначально содержащуюся в технологическом газе 26. Полученный сухой газ 30 затем может применяться для сбора диоксида углерода. Одним из преимуществ описанной системы 10 является экономичность секвестрации и сбора диоксида углерода, где отношение водяного пара к диоксиду углерода в сухом газе 30 равно или меньше одного массового процента.
Контактная камера 20 может принимать сухой газ 30 из камеры с 18 влагопоглотителем, и может выпускать практически не содержащий диоксид углерода газ 32. Контактная камера 20 может включать адсорбирующий материал, который адсорбирует диоксид углерода из сухого газа 30 через адгезию молекул диоксида углерода из потока сухого газа 30 на поверхность адсорбирующего материала. Далее, во время процесса адсорбции, диоксид углерода также может быть адсорбирован во внутреннюю структуру адсорбирующего материала, например, диффузией или подобным явлением переноса молекул диоксида углерода с поверхности адсорбирующего материала.
Множество подходящих органических или неорганических адсорбирующих материалов может подходить для применения в контактной камере 20 для адсорбции диоксида углерода из сухого газа 30, таких как оксиды алюминия, диоксиды кремния, цеолиты, углероды, полимеры, биомасса и подобные. Применение другого адсорбирующего материала также предполагается.
В одном конкретном варианте описанной системы 10, адсорбирующим материалом в контактной камере 20 может быть (или может включать) молекулярные сита. В одном конкретном не ограничивающем варианте адсорбирующий материал может быть выполнен в виде монолитного корпуса, полученного из молекулярного сита со структурой на основе алюмосиликата щелочного металла, которая имеет эффективную раскрытость пор от около 8 до около 13 ангстрем (например, около 10 ангстрем). В другом конкретном не ограничивающем примере адсорбирующий материал может быть выполнен в виде монолитного корпуса, полученного из цеолитного материала. В еще одном конкретном не ограничивающем примере, адсорбирующий материал может быть выполнен в виде монолитного корпуса, полученного из цеолита 13Х (или модификации цеолита 13Х).
Когда значительное количество диоксида углерода адсорбировано адсорбирующим материалом (на и в адсорбирующий материал) в контактной камере 20, процесс десорбции может быть инициирован для выделения диоксида углерода из адсорбирующего материала. Процесс десорбции адсорбированного диоксида углерода из адсорбирующего материала может регенерировать адсорбирующий материал, тем самым позволяя дальнейшее использование адсорбирующего материала.
2
Адсорбированный диоксид углерода может быть выделен из адсорбирующего материала с применением различных методов. Одна из подходящих методик десорбции диоксида углерода из адсорбирующего материала включает помещение адсорбирующего материала в вакуум. В одном примере, контактная камера 20 может быть практически герметичная для потока газа, и вакуум может создаваться в контактной камере 20. Падение давления может быть относительно низким, например, от около 8 до около 12 ф./д. В качестве другого примера, контактная камера 20 может быть практически герметична для потока газа, и затем контактная камера 20 может быть соединена по текучей среде с необязательной вакуумной камерой 22. Дополнительно (или альтернативно) тепло может подаваться в контактную камеру 20 и, в конечном счете, на адсорбирующий материал, например, с помощью теплопереносящего устройства 24, для того, чтобы способствовать выделению диоксида углерода из адсорбирующего материала. Поэтому применяемый вакуум и/или тепло могут способствовать выделению диоксида углерода из адсорбирующего материала в контактной камере 20, как показано стрелкой 34.
Не ограничиваясь конкретной теорией, полагают, что применение вакуумной регенерации может значительно понизить общую потребность в энергии благодаря относительно низкому падению давления, требуемому для проведения десорбции, тем самым делая описанный процесс физической адсорбции очень эффективным. Например, процесс физической адсорбции с последующей вакуумной десорбцией может потребовать в три или четыре раза меньше энергии для регенерации, чем традиционный процесс химической адсорбции. Использование монолитной структуры, как описано здесь, может также улучшить рабочий КПД.
При необходимости, газообразный диоксид углерода (стрелка 34), выходящий из контактной камеры 20, может быть превращен в твердое вещество с применением любого подходящего метода, такого как замораживание или подобное осаждение. Например, охлажденная поверхность 36, такая как погружной охлаждающий термостат, может быть расположена после контактной камеры 20 для контакта с газообразным диоксидом углерода (стрелка 34). Охлажденная поверхность 36 может быть охлаждена криогенным насосом 38, который прокачивает холодную жидкость через охлажденную поверхность 36. Охлажденная поверхность 36 может быть охлаждена до температуры, которая является достаточно низкой для того, чтобы отверждать газообразный диоксид углерода на охлажденной поверхности 36.
Отвержденный диоксид углерода затем может быть собран, либо в виде твердого вещества, либо превращением диоксида углерода обратно в газ (т.е., сублимацией) (например, теплом). Собранный диоксид углерода затем может быть передан на хранение или для транспортировки к месту использования.
Теплопереносящее устройство 24 может термически соединять конденсатор 16 с одной или более другими подсистемами системы 10 для применения тепла, собранного в конденсаторе 16, к другим подсистемам системы 10. В качестве примера, теплопереносящее устройство 24 может термально соединять конденсатор 16 с камерой 18 с влагопоглотителем. В качестве другого примера, теплопереносящее устройство 24 может термально соединять конденсатор 16 с контактной камерой 20. В качестве другого примера, теплопереносящее устройство 24 может термально селективно соединять конденсатор 16 с камерой 18 с влагопоглотителем и контактной камерой 20.
Теплопереносящее устройство 24 может включать трубопровод 50 для текучей среды, насос 52, теплообменники 54, 56, 58 и необязательный теплоотвод 60. Первый теплообменник 54 может быть связан с конденсатором 16, и может собирать тепло из технологического газа 26 на конденсаторе 16. Второй теплообменник 56 может быть связан с камерой 18 с влагопоглотителем, и может переносить тепло в камеру 18 с влагопоглотителем, так, например, во время регенерации влагопоглотителя. Третий теплообменник 58 может быть связан с контактной камерой 20, и может переносить тепло в контактную камеру 20, например, во время десорбции диоксида углерода из адсорбирующего материала.
Трубопровод 50 для текучей среды может гидравлически соединять первый теплообменник 54 со вторым и третьим теплообменниками 56, 58. Насос 52 может прокачивать по замкнутой системе охлаждающую жидкость (например, водно-гликолевую смесь или подобную) через трубопровод 50 для текучей среды так, что охлаждающая жидкость собирает тепло из первого теплообменника 54 и переносит тепло на одну или более другие подсистемы системы 10. Например, охлаждающая жидкость может переносить тепло на камеру 18 с влагопоглотителем с помощью второго теплообменника 56 или на контактную камеру 20 с помощью третьего теплообменника 58.
Первый клапан 62 может быть соединен с трубопроводом 50 для текучей среды в непосредственной близости к камере 18 с влагопоглотителем для контроля потока охлаждающей жидкости во второй теплообменник 56. Обводная линия 64 может быть выполнена для обхода второго теплообменника 56, когда первый клапан 62 закрыт.
Второй клапан 66 может быть соединен с трубопроводом 50 для текучей среды в непосредственной близости к контактной камере 20 для контроля потока охлаждающей жидкости к третьему теплообменнику 58. Обводная линия 68 может быть выполнена для обхода третьего теплообменника 58, когда второй клапан 66 закрыт.
Таким образом, клапаны 62, 66 могут быть селективно запущены для контроля момента, когда тепло подается на камеру 18 с влагопоглотителем и контактную камеру 20, соответственно.
Трубопровод 50 для текучей среды также может сообщаться по текучей среде с теплоотводом 60. Теплоотвод 60 может удалять остаточное тепло из охлаждающей жидкости до того, как охлаждающая жидкость будет рециркулирована обратно через теплопереносящее устройство 24. Устройства для теплопередачи, которые не рециркулируют охлаждающую жидкость, также предполагаются.
Согласно фиг. 2, также описан способ, в целом обозначенный 100, для сбора диоксида углерода. Способ 100 может начинаться в блоке 102 со стадии получения газа, содержащего диоксид углерода. Как описано выше, газ, содержащий диоксид углерода, может быть в горячем потоке с электростанции, такой как электростанция, работающая на углеводородном топливе. Применение других газов, содержащих диоксид углерода, также предполагается.
Как показано в блоке 104, избыток тепла может быть удален из газа, содержащего диоксид углерода. Избыток тепла может быть удален в конденсаторе, который также может предпочтительно удалять некоторое количество (если не все) водяного пара из газа, содержащего диоксид углерода. Остаточная вода может быть удалена из газа, содержащего диоксид углерода, с применением влагопоглотителя, как показано в блоке 106, с получением практически сухого газа, содержащего диоксид углерода.
Диоксид углерода из газа, содержащего диоксид углерода, может быть адсорбирован на (и в) адсорбирующий материал, как показано в блоке 108. Затем, как показано в блоке 110, адсорбированный диоксид углерода может быть десорбирован из адсорбирующего материала, например, теплом и/или вакуумом. Десорбированный диоксид углерода может быть превращен в твердое вещество, например, замораживанием, как показано в блоке 112, и диоксид углерода может быть собран, как показано на блоке 114.
Как показано в блоке 116, избыток тепла, удаленный из газа, содержащего диоксид углерода в блоке 104, может применяться для регенерации влагопоглотителя и/или адсорбирующего материала. Применение тепла, собранного в блоке 104 на другие подсистемы также предполагаются.
Следовательно, описанная система 10 и способ 100 могут собирать избыток тепла из технологического газа, содержащего диоксид - тепло, которое должно быть удалено в любом случае - и могут применять собранное тепло для одной или более подсистем, тем самым снижая общую потребность в энергии систем и способов.
Согласно фиг. 3 и 4, также описан монолитный контактор, в целом обозначенный 200, для адсорбции целевых молекул, таких как диоксид углерода, вода или сочетание диоксида углерода и воды. В одном варианте, монолитный контактор 200 может применяться в контактной камере 20 (на фиг. 1) описанной системы 10 (на фиг. 1). В другом варианте, монолитный контактор 200 может применяться в камере 18 с влагопоглотителем (на фиг. 1) описанной системы 10 (на фиг. 1).
Монолитный контактор 200 может включать монолитный корпус 202, который определяет множество каналов 206. Каналы 206 могут быть расположены в виде ячеистой структуры 204, где каналы 206 определены тонкими стенками 208 монолитного корпуса 202.
Монолитный контактор 200 может быть получен из адсорбирующего материала. Адсорбирующим материалом может быть природный или синтетический сухой адсорбент, такой как молекулярные сита (например, цеолит). Адсорбирующий материал может быть пористым или не пористым.
Например, адсорбирующим материалом может быть природный или синтетический цеолитный порошок, который, как будет более подробно описано ниже, может быть склеен, сформован, отлит или экструдирован с получением монолитного корпуса 202. Адсорбирующие материалы, подходящие для получения монолитного контактора 200, описаны выше в связи с влагопоглотителями, применяемыми в камере 18 с влагопоглотителем (на фиг. 1), и адсорбирующими материалами, применяемыми в контактной камере 20 (на фиг. 1).
Из-за того, что монолитный контактор 200 сформирован в виде одного монолитного корпуса 202 из адсорбирующего материала, такого как пористый, керамический, цеолитный или другой подходящий адсорбирующий материал (например, гомогенный адсорбирующий материал), изнашивание или деградация внешней поверхности 210 монолитного корпуса 202 и поверхностей стенок 208 может воздействовать на свежий цеолитный материал. Поэтому монолитный контактор 200 может быть, до некоторой степени, долговечной самоподдерживающейся системой, которая требует относительно незначительного обслуживания или замены для сохранения эффективности.
В одном варианте, монолитный контактор 200 может быть сформирован из цеолита 3А или подобного, где цифра означает доступный размер пор, и буква означает структурный каркас цеолита. Монолитный контактор на основе цеолита 3А 200 (или множество монолитных контакторов на основе цеолита 3А 200) может применяться в камере 18 с влагопоглотителем (на фиг. 1) описанной системы 10 (на фиг. 1) в первую очередь для достижения и удаления молекул воды из потока газа.
В другом варианте, монолитный контактор 200 может быть сформирован из цеолита 13Х или подобного, где цифра означает доступный размер пор, и буква означает структурный каркас цеолита. Монолитный контактор на основе цеолита 13Х 200 (или множество монолитных контакторов на основе цеолита 13Х 200) может применяться в контактной камере 20 (на фиг. 1) описанной системы 10 (на фиг. 1) в первую очередь для достижения и удаления молекул диоксида углерода из потока газа.
Здесь специалисту в данной области техники будет очевидно, что адсорбирующий материал, применяемый для формирования монолитного контактора 200, может быть выбран в зависимости от предполагаемого применения (например, целевой молекулы) монолитного контактора 200. Адсорбирующий материал может быть представлен во множестве вариантов отверстий пор, полостей и размеров каналов, и каркасного отношения Si/Al, в зависимости от целевой молекулы для адсорбции.
Не ограничиваясь конкретной теорией, целевые молекулы (например, диоксид углерода; вода) могут удерживаться на поверхности (включая внутреннюю поверхность пор) монолитного корпуса 202 электростатическими силами (т.е. силами Ван дер Ваальса), которые представляют собой скорее физические связи, чем химические связи. Поэтому, благодаря физическому связыванию целевых молекул с монолитным корпусом 202, количество энергии, требуемой для высвобождения диоксида углерода, может быть минимальным по сравнению с высвобождением диоксида углерода из химической связи. Как описано выше, десорбция из монолитного корпуса 202 может проводиться с применением тепла и/или вакуума. Процесс десорбции адсорбированных молекул из монолитного корпуса 202 может регенерировать монолитный корпус 202, тем самым позволяя дальнейшее использование монолитного контактора 200.
Монолитный корпус 202 может включать внешнюю поверхность 210, вход 212 и выход 214, и может быть сформирована в различных геометрических формах. Как показано на фиг. 3, монолитный корпус 202 может иметь длину L, ширину W и высоту Н.
В качестве одного не ограничивающего примера, монолитный корпус 202 может включать по существу прямоугольную продольную форму, имеющую длину L, значительно большую, чем ширина W и высота Н, и по существу линейную форму поперечного сечения. В качестве другого не ограничивающего примера, монолитный корпус 202 может включать по существу квадратную продольную форму, имеющую длину L, практически равную ширине W и высоте Н, и по существу квадратное поперечное сечение, имеющее равную ширину W и высоту Н. Применение любого другого геометрического продольного и поперечного сечения и форм для монолитного корпуса 202 также предполагается.
Каналы 206, определенные монолитным корпусом 202, могут быть удлиненными каналами, и могут быть расположены по существу параллельно продольной оси D (на фиг. 3) монолитного корпуса 202. Например, каналы 206 могут проходить от области вблизи (т.е. у или рядом) входа 212 монолитного корпуса 202 до области вблизи выхода 214 монолитного корпуса 202.
Вход 212 монолитного корпуса 202 может иметь площадь поперечного сечения А (на фиг. 4), которая может быть определена шириной W и высотой Н монолитного корпуса 202. Также, выход 214 монолитного корпуса 202 может иметь площадь поперечного сечения, которая может быть определена шириной W и высотой Н монолитного корпуса 202. Хотя показано, что вход 212 может иметь практически такую же площадь поперечного сечения А, как и площадь поперечного сечения выхода 214, специалист в данной области техники поймет, что площади входа и выхода 212, 214 могут быть различными.
Каналы 206 могут быть, в основном, колоннообразными каналами, проходящими по длине L монолитного корпуса 202. Как показано на фиг. 4, каждый канал 206 может иметь ширину W' и высоту Н', определяющие открытую площадь А'. Поэтому каждый канал 206 может иметь квадратный (или прямоугольный) профиль при виде с торца. Однако другие торцевые виды, например, правильной формы (например, шестиугольной, круглой, овальной) и неправильной формы, также предполагаются.
Поперечное сечение А монолитного корпуса 202 может быть достаточным для того, чтобы прерывать поток газа, тем самым заставляя газ проходить через каналы 206 от входа 212 до выхода 214. При прохождении газа через монолитную основу 202, он может контактировать с внешней поверхностью 210 и стенками каналов 208, что способствует адсорбции.
В одно варианте, каналы 206 могут быть практически линейными перепускными каналам, проходящими вдоль длины L монолитного корпуса 202 для того, чтобы пропускать поток сухого газа 30 (на фиг. 1) от входа 212, через монолитный контактор 200, и от выхода 214, являющегося частью контактной камеры 20 (на фиг. 1); или для того, чтобы пропускать поток практически сухого газа 28 (фиг. 1) для прохождения через монолитный контактор 200, являющийся частью камеры 18 с влагопоглотителем (на фиг. 1).
В другом варианте, каналы 206 могут включать не линейные проходы, расположенные вдоль длины L монолитного корпуса 202. Каналы 206, имеющие не линейные проходы или проходы с изменяющимся направлением, могут увеличивать количество энергии, необходимой для продвижения потока газа через монолитный контактор 200, и могут увеличивать падение давления. Специалист в данной области техники должен понимать, что изменение линейных характеристик продольных проходов, образованных каналами 206, может зависеть от различных факторов, включая желаемую скорость потока или падение давления газового потока через монолитный контактор 200 вдоль продольной оси D.
По сравнению с не линейными каналами, особенным преимуществом линейных каналов 206 (например, аксиально, вдоль продольного направления D) является то, что меньшее количество энергии требуется для продвижения потока газа через монолитный контактор 200, и снижается падение давления при прохождении потока газа через каналы 206 вдоль продольного направления D.
Каналы 206 могут быть расположены по соседству и могут располагаться параллельно вдоль продольной оси D (на фиг. 3) монолитного корпуса 202. Количество каналов 206 на единицу площади поперечного сечения (например, плотность каналов) может варьироваться в зависимости от различных факторов, таких как скорость потока. В одном варианте, монолитная основа 202 может включать по меньшей мере около 10 каналов 206 на квадратный дюйм (вид с торца) монолитного корпуса 202. В другом выражении, монолитная основа 202 может включать по меньшей мере около 20 каналов 206 на квадратный дюйм. В другом выражении, монолитная основа 202 может включать по меньшей мере около 50 каналов 206 на квадратный дюйм. В другом выражении, монолитная основа 202 может включать по меньшей мере около 100 каналов 206 на квадратный дюйм. В другом выражении, монолитная основа 202 может включать от около 20 до около 500 каналов 206 на квадратный дюйм. В еще одном варианте, монолитная основа 202 может включать от около 100 до около 400 каналов 206 на квадратный дюйм.
В целом, ячеистая структура 204 (на фиг. 4) монолитного корпуса 202 может обеспечивать определенную заранее матрицу каналов 206, так, чтобы проходы, проходящие через каналы 206, могли быть согласующимися и контролируемыми. Применение монолитного структуры, а также согласующейся геометрии матрицы каналов 206 и минимизация помех обеспечивает такой дизайн, который позволяет контролировать скорость потока и падение давлении в монолитном контакторе 200 и, следовательно, количество энергии, требуемой для продвижения потока газа. Это резко контрастирует с применением плотных слоев адсорбирующих гранул, применяемых для адсорбции диоксида углерода, которые обычно требуют значительно большего количества энергии для продвижения потока газа через произвольные пустоты в уплотненных гранулах.
Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что форма монолитного корпуса 202 и форма, размеры и конфигурация каналов 206 могут быть оптимизированы для сохранения наибольшей площади поверхности для адсорбции диоксида углерода и минимизации препятствий проходу потока через монолитный контактор 200. Не ограничиваясь конкретной теорией, полагают, что отношение площади поверхности к объему, достигнутое с применением монолитного корпуса 202, является предпочтительным и не может быть достигнуто с применением других материалов (суспендированные амины) или конфигураций (уплотненные слои). Поэтому системы, в которых применяют описанные монолитные корпуса 202, могут иметь относительно маленькую площадь основания, по сравнению с системами, в которых применяют другие материалы и конфигурации.
Оптимизация размеров, формы и конфигурации монолитного корпуса 202 и каналов 206 может позволить адсорбировать большие количества диоксида углерода (или другой целевой молекулы) при минимизации общей площади основания и мощности/энергии, необходимой для продвижения потока газа вокруг и через монолитный контактор 200, например, вентиляторным агрегатом 14 (на фиг. 1), тем самым минимизируя операционные расходы. Поэтому сочетание применения процесса физической адсорбции с последующей вакуумной десорбцией, которое может потребовать значительно меньшего количества энергии для регенерации, чем традиционные процессы химической адсорбции, с низким падением давления, связанным с монолитной структурой, могут значительно снижать общие энергозатраты и общую площадь основания системы.
Структурная конфигурация и форма монолитного контактора 200 также могут включать высокую конструктивную целостность благодаря ячеистой структуре 204 монолитного корпуса 202, так, что монолитный контактор 200 может быть стабилен в широком диапазоне температур, давления и условий окружающей среды.
Согласно фиг. 5, также описан способ, в целом обозначенный 300, получения монолитного контактора. Способ 300 обычно включает стадию связывания, литья или экструдирования природного или синтетического адсорбента в когезионную монолитную основу. Способ 300 может начинаться в блоке 302 со стадии приготовления и получения адсорбирующей композиции. Как показано в блоке 304, адсорбирующая композиция может быть пропущена (например, протолкнута или прокачана) через отверстие экструдера, имеющего поперечное сечение, соответствующее спроектированной форме и конфигурации, с получением экструдированной монолитного корпуса, которая образует монолитный контактор. Как показано в блоке 306, экструдированная монолитная основа может быть высушена до сырого состояния. Как показано в блоке 308, высушенная монолитная основа может быть обожжена (т.е. высушена огнем), например, в обжиговой печи. Например, высушенная монолитная основа может быть обожжена медленным повышением температуры вплоть до 700°С и затем поддерживанием при 700°С в течение тридцати (30) минут. Могут применяться различные другие температуры обжига.
Адсорбирующая композиция может включать носитель, связующий агент и адсорбирующий материал. Например, адсорбирующим материалом может быть цеолитный материал. Цеолитным материалом может быть цеолит 3А, цеолит 13Х или подобные. В одном варианте, адсорбирующий материал может быть в форме порошка. Носителем может быть любой подходящий жидкий материал, применяемый для суспендирования цеолитного материала и добавления влаги, такой как вода, спирт, вода и спирт и подобные. Тип носителя может варьироваться в зависимости от необходимой вязкости, необходимой формы, например, для литья, шликерного литья или экструзии. Связующим агентом может быть диоксид кремния, оксид алюминия, фосфат или любой другой подходящий связующий агент. После того, как он высушен и обожжен, связующий агент может иметь мостики и поперечные связи между частицами цеолита через спекание частиц вместе.
Альтернативно, носитель и связующий агент могут быть представлены в виде одного компонента или адсорбирующей композиции, где связующий агент может быть суспендирован в жидком носителе. Например, системой связующий агент/носитель может быть коллоидный диоксид кремния, коллоидный оксид алюминия или подобные. Применение других систем связующий агент/носитель также предполагается.
Применяемый в качестве связующего агента водорастворимый коллоидный диоксид кремния может окружать и проникать в частицы цеолита. Связующий агент может иметь подходящую концентрацию для того, чтобы обеспечивать повышенную прочность монолитному контактору, при этом, не ухудшая физические свойства цеолитного материала, например, не приводят к потере пористости или снижению адсорбирующих свойств.
Применение водорастворимого коллоидного диоксида кремния с небольшими дополнительными количествами фосфата в качестве связующего агента дает достаточно прочный и надежный монолитный контактор, который может выдерживать тестирование и прогоняться по замкнутому контуру множество раз без ухудшения эффективности адсорбции. Фосфат может применяться для того, чтобы способствовать спеканию коллоидного диоксида кремния, сохраняя характеристики цеолитного порошка, такие как форма пор, без потери эффективности (т.е. способности адсорбировать диоксид углерода). Дополнительно, фосфатные добавки могут обеспечивать большую прочность монолитного контактора, чем связующий агент на основе только диоксида кремния.
Подразумевается, что монолитный контактор, полученный из цеолита 13Х, может быть способен адсорбировать (т.е. собирать) восемьдесят (80) процентов или более доступного диоксида углерода из потока газа, имеющего концентрацию диоксида углерода по меньшей мере десять (10) процентов.
Согласно фиг. 6, в другом варианте описанной системы 10, показанной на фиг. 1, множество монолитных контакторов 200 может быть пакетировано, сгруппировано или другим образом собрано в сосуд с получением либо камеры 18 с влагопоглотителем (на фиг. 1) или контактной камеры 20 (на фиг. 1). Надежность монолитного корпуса 202 позволяет множеству монолитных контакторов 200 поддерживать массу дополнительно пакетированных множеств монолитных контакторов 200. В таком устройстве конкретный монолитный контактор 200 или набор монолитных контакторов 200 может быть удален или заменен отдельно или в группе, как требуется. На фиг. 6 показан один вариант контактной камеры 20 (на фиг. 1) или системы; однако должно быть понятно, что камера 18 с влагопоглотителем (на фиг. 1) может быть выполнена практически таким же методом.
Контактная камера 20' может включать удерживающую камеру 70, такую как резервуар, имеющий боковые стенки 72 и полый внутренний объем 74. Множество монолитных контакторов 200' может быть уложено или сгруппировано в сборку внутри внутреннего объема 74. Один или более теплообменников 58 могут быть расположены внутри и по всему внутреннему объему 74. При необходимости, теплообменники 58 могут быть в прямом контакте с одним или более монолитными контакторами 200'. Например, теплообменниками 58 могут быть нагревательными лентами, пленочными нагревателями, ленточными нагревателями, зажимные нагреватели или подобные. В одном варианте, теплообменники 58 (например, ленточный нагреватель) могут быть обернуты вокруг внешней поверхности каждого монолитного контактора 200'. В другом варианте, теплообменник (например, ленточный теплообменник) может быть положен между пакетированными колоннами монолитных контакторов 200', тем самым образуя слоистую нагревательную конфигурацию. При необходимости, наполнитель 76 может быть расположен внутри внутреннего объема 74 и окружать множество монолитных контакторов 200'. Наполнитель 76 блокирует поток газа и предотвращает сильный поток газа вокруг одного или более монолитных контакторов 200'. Таким образом, большая часть потока газа пропускается над внешней поверхностью монолитного контактора 200 и через каналы 206 (на фиг. 4) для увеличения адсорбции. Например, наполнителем 76 может быть деревянная рама или деревянный наполнитель. В качестве другого примера, наполнителем 76 может быть инертный материал, такой как керамический материал. В одном варианте, керамический материал может быть нарезан или другим образом сформован так, чтобы в достаточной мере заполнить зазоры между монолитными контакторами 200' и сосудом 70 (например, формованный керамический наполнитель). Наполнитель 76 также может стабилизировать пакетированную колонну монолитных контакторов 200. При необходимости наполнитель 76 может обеспечивать тепловую изоляцию контактной камеры 20'.
При необходимости, наполняющие пробки 78 могут устанавливаться на или вокруг теплообменников 58 или между теплообменниками 58 и одним или более монолитными контакторами 200'. Наполняющие пробки 78 блокируют поток газа и предотвращают сильный поток газа вокруг одного или более монолитных контакторов 200'. Таким образом, большая часть потока газа будет пропускаться вокруг внешней поверхности монолитного контактора 200 и через каналы 206 (на фиг. 4) для увеличения адсорбции. В одном примере, наполняющие пробки 78 могут быть деревянными. В другом примере, наполняющие пробки 78 могут быть из инертного материала, такого как керамический материал. В одном варианте, керамический материал может быть нарезан или другим образом сформован так, чтобы в достаточной мере заполнить зазоры между монолитными контакторами 200' и теплообменниками 58 (например, формованные керамические наполняющие пробки).
Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что, когда описанную выше конфигурацию применяют в качестве контактной камеры 20 (на фиг. 1) системы 10 (на фиг. 1), монолитные контакторы 200 могут быть сформированы с применение цеолита 13Х для адсорбции молекул диоксида углерода. Также специалисту в данной области техники должно быть понятно, что когда описанную выше конфигурацию используют в качестве камеры 18 с влагопоглотителем (на фиг. 1), монолитные контакторы 200 могут быть сформованы из цеолита 3А для адсорбции молекул воды.
Хотя различные варианты описанной системы и способа показаны и описаны, специалисту в данной области техники при прочтении описания станут очевидны различные модификации. Данное изобретение включает такие модификации и ограничено только формулой изобретения.
Пункт 1. Монолитный контактор 200, содержащий монолитную основу 202, имеющую вход 212 и выход 214, противоположный указанному входу 212, где указанная монолитная основа 202 содержит адсорбирующий материал, и где указанная монолитная основа 202 определяет множество каналов 206, проходящих от области вблизи входа 202 до области вблизи выхода 214.
Пункт 2. Монолитный контактор по пункту 1, где указанный адсорбирующий материал содержит молекулярные сита.
Пункт 3. Монолитный контактор по пункту 1, где указанный адсорбирующий материал содержит цеолитный материал.
Пункт 4. Монолитный контактор по пункту 3, где указанный цеолитный материал содержит цеолит 13Х.
Пункт 5. Монолитный контактор по пункту 3, где указанный цеолитный материал содержит цеолит 3А.
Пункт 6. Монолитный контактор по любому из предшествующих пунктов, где указанное множество каналов 206 является практически линейным.
Пункт 7. Монолитный контактор по пункту 1, где указанное множество каналов 206 имеет плотность каналов по меньшей мере 10 каналов на квадратный дюйм.
Пункт 8. Монолитный контактор по пункту 1, где указанное множество каналов 206 имеют плотность каналов по меньшей мере 50 каналов на квадратный дюйм.
Пункт 9. Монолитный контактор по пункту 1, где указанное множество каналов 206 имеют плотность каналов по меньшей мере 100 каналов на квадратный дюйм.
Пункт 10. Монолитный контактор по пункту 1, где указанное множество каналов 206 имеют плотность каналов от около 100 до около 400 каналов на квадратный дюйм.
Пункт 11. Монолитный контактор по любому из предшествующих пунктов, где указанная монолитная основа 202 определяет продольную ось D, и где каждый канал из указанного множества каналов 206 расположен вдоль указанной продольной оси D.
Пункт 12. Монолитный контактор по пункту 1, где указанная монолитная основа 202 также содержит связующий агент.
Пункт 13. Контактная камера, содержащая: сосуд 70; и указанный монолитный контактор 200 по пункту 1, вставленный в указанный сосуд 70.
Пункт 14. Множество указанных монолитных контакторов 200' по пункту 1, расположенных в сборке.
Пункт 15. Система для сбора диоксида углерода из технологического газа 26, где указанная система содержит контактную камеру 20 для адсорбции диоксида углерода из указанного сухого газа, где указанная контактная камера 20 содержит монолитный контактор 200, где указанный монолитный контактор 200 содержит: монолитную основу 202, имеющую вход 212 и выход 214, расположенный напротив указанного входа 212; где указанная монолитная основа 202 содержит цеолитный материал; и где указанная монолитная основа 202 определяет множество каналов 206, проходящих от области вблизи входа 212 до области вблизи выхода 214.
Пункт 16. Система по пункту 15, где указанный цеолитный материал содержит цеолит 13Х.
Пункт 17. Система по пункту 15 или 16, где указанная контактная камера 20 содержит множество указанных монолитных контакторов 200.
Пункт 18. Система по любому из пунктов 15-17, также содержащая камеру 18 с влагопоглотителем для удаления воды их указанного технологического газа 26 с получением практически сухого газа.
Пункт 19. Система по пункту 18, где указанная камера 18 с влагопоглотителем содержит второй цеолитный материал.
Пункт 20. Система по пункту 19, где указанный второй цеолитный материал собран как вторая монолитная основа, определяющая второе множество каналов.
Пункт 21. Система по любому из пунктов 15-20, также содержащая конденсатор 16 для удаления тепла из указанного технологического газа 26.
Пункт 22. Способ получения монолитного контактора, включающий стадии: получения адсорбирующей композиции, содержащей носитель, связующий агент и адсорбирующий материал [способ 302]; экструдирования указанной адсорбирующей композиции с формированием монолитного корпуса, которая определяет множество каналов [способ 304]; сушки указанной монолитного корпуса [способ 306]; и сушка обжигом указанной высушенной монолитного корпуса [способ 308].
Пункт 23. Способ по пункту 22, где указанный адсорбирующий материал выбирают из группы, включающей цеолит 13Х и цеолит 3А.
Пункт 24. Способ сбора диоксида углерода, включающий стадии: получения газовой смеси, содержащей диоксид углерода и воду [способ 102]; и адсорбции по меньшей мере части указанного диоксида углерода из указанной газовой смеси в монолитный контактор, где указанный монолитный контактор содержит цеолитный материал, собранный в виде монолитного корпуса, определяющей множество каналов [способ 108].
Пункт 25. Способ по пункту 24, где указанный цеолитный материал содержит цеолит 13Х.
Пункт 26. Способ по пункту 24, также включающий стадии: адсорбции по меньшей мере части указанной воды из указанной газовой смеси во второй монолитный контактор с получением практически сухой газовой смеси, где указанный второй монолитный контактор содержит второй цеолитный материал, собранный в виде второй монолитного корпуса, определяющей второе множество каналов; и адсорбции по меньшей мере части указанного диоксида углерода из указанной сухой газовой смеси в указанный монолитный контактор.
Пункт 27. Способ по пункту 26, где указанный цеолитный материал содержит цеолит 13Х, и указанный второй цеолитный материал содержит цеолит 3А.
Пункт 28. Способ по пункту 26, также включающий стадии: удаления тепла из указанной газовой смеси [способ 104]; и переноса указанного удаленного тепла.