СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ПОТОКА ГАЗОВОЙ СМЕСИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АДСОРБЦИИ ПРИ ПЕРЕМЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ И УСТАНОВКА ДЛЯ АДСОРБЦИИ ПРИ ПЕРЕМЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
METHOD FOR SEPARATING THE FLOW OF A GAS MIXTURE USING ADSORPTION AT A VARIABLE TEMPERATURE AND A PLANT FOR ADSORPTION AT A VARIABLE TEMPERATURE

Изобретение относится к способу разделения потока газовой смеси с применением адсорбции при переменной температуре и к установке для адсорбции при переменной температуре согласно соответствующим ограничивающим частям независимых пунктов формулы изобретения, выполненной с возможностью осуществления такого способа.
Предшествующий уровень техники
Абсорбция при переменной температуре (адсорбция при переменной температуре, TSA) представляет собой адсорбционный способ разделения газовых смесей, в которых использованный адсорбент регенерируется с применением тепловой энергии. Адсорбция при переменной температуре используется, например, для очистки выхлопных газов или для получения газовых смесей, таких как природный газ или синтез-газ. Соответствующим образом с использованием адсорбции при переменной температуре также можно разделять и другие газовые смеси, например такие газовые смеси, как биогаз или выхлопные газы из химических или физических способов отмывки газа, таких как ректизоловая или аминная отмывка, при условии, что они подходят по составу для соответствующего разделения. Настоящее изобретение не ограничивается применением конкретных адсорбентов или газовых смесей.
Адсорбция при переменной температуре позволяет использовать температурную зависимость адсорбционных процессов. В этих процессах через адсорбент, который размещается в подходящем контейнере для адсорбента (именуемом в настоящем документе «адсорбционным модулем»), в рабочем цикле при пониженном уровне температуры проходит поток подлежащей разделению газовой смеси, и, таким образом, адсорбент загружается соответствующим компонентом или компонентами, отделяемыми от потока газовой смеси. В последующем рабочем цикле адсорбент может быть по большей части освобожден от этого или этих компонентов путем нагревания, т.е. введения тепловой энергии, и таким образом может быть «регенерирован». Таким образом, для непрерывного функционирования установки для адсорбции при переменной температуре необходимы по меньшей мере два адсорбционных модуля, чтобы через один из адсорбционных модулей всегда проходил поток подлежащей разделению газовой смеси и, таким образом, его можно было использовать для разделения потока газовой смеси.
Абсорбцию при переменной температуре можно использовать, в частности, в системах материалов, содержащих компоненты с высокими энтальпиями адсорбции. Как правило, продолжительность цикла в описанных рабочих циклах составляет несколько часов. Абсорбцию при переменной температуре, как правило, используют для удаления компонентов газовых смесей, имеющих низкую концентрацию и, как правило, она меньше подходит для удаления компонентов с более высокой концентрацией.
В традиционных установках для адсорбции при переменной температуре непосредственно над адсорбентом пропускают так называемый «регенерационный газ» в нагретом виде. В ходе процесса регенерационный газ вбирает компоненты, которые были ранее адсорбированы и в данный момент десорбируются из-за повышения температуры. Регенерационный газ может представлять собой, например, очищенный технологический продукт, водяной пар или азот. Возможно также использование других регенерационных газов.
В качестве альтернативы использованию регенерационного газа, который входит в непосредственный контакт с адсорбентом, также можно осуществлять опосредованный нагрев адсорбента для его регенерации. Для этой цели также можно использовать нагретый поток текучей среды, который однако направляют через адсорбент или слой адсорбента, например, с помощью нагревающих трубопроводов. В настоящем документе соответствующая текучая среда также называется «теплонесущей текучей средой». Таким образом, в терминологии, используемой в настоящем документе, теплонесущая текучая среда представляет собой жидкость или газ, который при опосредованном нагревании и/или охлаждении адсорбента направляют через отдельный проточный канал и который, таким образом, вступает в опосредованный теплообмен с адсорбентом. Например, в качестве теплонесущей текучей среды в установках для адсорбции при переменной температуре можно использовать воду, термическое масло, водяной пар или горячий азот.
Способы обработки потоков газовой смеси путем адсорбции при переменной температуре с использованием установки для адсорбции с тремя адсорбционными модулями известны из US 7,744,677 B2 и US 8,025,720 B2. Между стадиями нагрева и охлаждения осуществляют тепловую интеграцию. В публикации US 9,272,963 B2 предложен соответствующий способ, в котором однако применяют два адсорбционных модуля, причем также выполняют тепловую интеграцию, и в контексте теплонесущей текучей среды, используемой в способе, применяют емкости для хранения и нагреватели, рассчитанные на большой объем.
В публикациях US 6,630,012 B2 и US 6,974,496 B2 описаны способы разделения газов с помощью адсорбции с опосредованным нагревом и адсорбции при переменном давлении со вспомогательным нагреванием на основе так называемого «микроканального теплообменника». В публикации US 2003/0037672 A1 описан способ адсорбции при переменной температуре с опосредованным нагревом с использованием теплообменника с трубным пучком, причем адсорбент находится в трубах.
В принципе в случае способов адсорбции при переменной температуре и соответствующих установок существует необходимость в мерах, снижающих потребление энергии и, в частности, потери энергии.
Описание изобретения
С учетом этого в настоящем изобретении предлагается способ разделения потока газовой смеси с применением адсорбции при переменной температуре и установка для адсорбции при переменной температуре с характеристиками, указанными в независимых пунктах формулы патента, выполненная с возможностью осуществления такого способа. Предпочтительные варианты осуществления являются объектом зависимых пунктов формулы изобретения и последующего описания.
Перед объяснением признаков и преимуществ настоящего изобретения обсуждаются некоторые из используемых принципов и терминов.
Жидкие и газообразные смеси в терминологии настоящего документа могут быть обогащены или обеднены одним или более компонентами, причем термин «обогащен» относится к содержанию по меньшей мере 99%, 99,5%, 99,9%, 99,99%, 99,999%, или 99,9999%, а термин «обеднен» относится к содержанию не более 1%, 0,1%, 0,01%, 0,001%, 0,0001% или 0,00001% по молярности, массе или объему. Термин «преимущественно» может соответствовать определению термина «обогащенный».
Смеси компонентов в терминологии, используемой в настоящем документе, также могут быть обогащены или обеднены одним или более компонентами, причем эти термины относятся к соответствующему содержимому в другой смеси компонентов, с помощью которой получали рассматриваемую смесь компонентов. В соответствии с терминологией, используемой в настоящем документе, смесь компонентов считается «обогащенной» при по меньшей мере 10-кратном, 100-кратном или 1000-кратном содержании в ней указанного (-ых) компонента (-ов) и «обедненной» при максимум 0,1-кратном, 0,01-кратном или 0,001-кратном содержании в ней указанного (-ых) компонента (-ов).
В настоящей заявке термины «уровень давления» и «уровень температуры» используют для характеристики значений давления и температуры, что означает необязательное использование соответствующих значений давления и температуры в соответствующей установке в форме точных значений давления или температуры для реализации идеи изобретения. Однако такие значения давления и температуры, как правило, находятся в определенных диапазонах, максимальные и минимальные значения которых отличаются, например, не более чем на 1%, 5%, 10%, 20% или даже на 50%.
В этом случае соответствующие уровни давления и уровни температуры могут находиться в несвязанных диапазонах или в диапазонах, которые перекрывают друг друга. В частности, в уровнях давления, например, учитываются неизбежные или ожидаемые потери давления. То же самое относится и к уровням температуры.
Преимущества изобретения
В настоящем изобретении предложен способ адсорбции при переменной температуре и соответствующая установка, в которой используют несколько, в частности, три или по меньшей мере три контейнера с адсорбентом или адсорбционных модуля, каждый из которых по меньшей мере частично заполнен адсорбентом, например, в форме гранул или литых элементов. В рамках настоящего изобретения такие адсорбционные модули можно нагревать посредством опосредованного теплообмена, т. е. через них можно пропускать текучую среду, которая не вступает в прямой контакт с соответствующим адсорбентом, но может обмениваться с ним теплом. Как описано ниже, адсорбционные модули могут быть выполнены, например, в форме конфигурации пучка труб, причем трубы, которые образуют соответствующую конфигурацию пучка труб, заполнены адсорбентом, и вокруг труб течет соответствующий поток теплонесущей текучей среды, или наоборот.
Для удобства различения область адсорбционного модуля, в которой располагается адсорбент, в дальнейшем именуется «адсорбционной камерой». В этом случае адсорбционная камера не обязательно должна быть непрерывной, но может быть распределена, например, по нескольким трубам конфигурации пуска труб, как описано выше. Возможны также и другие типы распределений адсорбционной камеры. Иными словами, адсорбционная камера адсорбционного модуля представляет собой объем, в котором находится адсорбент. Понятно, что в случае, когда в настоящем документе указано, что адсорбент используется в единственном числе или что адсорбционная камера заполнена «адсорбентом», в рамках настоящего изобретения не исключается, что в адсорбционной камере также можно использовать несколько различных форм одного и того же адсорбента или нескольких разных адсорбентов.
Кроме того, ниже указано, что каждый из используемых адсорбционных модулей имеет «теплообменную конструкцию». В рамках настоящего изобретения такая теплообменная конструкция выполнена с возможностью опосредованной теплопередачи между потоком теплонесущей текучей среды и адсорбентом. Например, в случае описанной конфигурации пучка труб опосредованную теплопередачу осуществляют через стенки труб, образующих пучки труб, и, таким образом, теплообменная конструкция образована трубами или их стенками. Это обеспечивает отсутствие прямого контакта адсорбента с соответствующим потоком теплонесущей текучей среды.
В рамках настоящего изобретения адсорбцию при переменной температуре осуществляют для удаления одного или более компонентов из потока газовой смеси, причем, как в принципе известно в соответствующих способах, через один или более адсорбционных модулей, как правило, всегда протекает поток газовой смеси для выполнения соответствующей обработки. С помощью нескольких адсорбционных модулей можно одновременно проводить регенерацию в одном или более других контейнерах с адсорбентом или адсорбционных модулях. Однако также возможно, что через определенные периоды времени через несколько адсорбционных модулей параллельно пропускают поток газовой смеси, подлежащей обработке, и в ходе этого процесса не проводят одновременную регенерацию одного или более других адсорбционных модулей. Следует также понимать, что, в частности, в течение коротких периодов времени и, в частности, во время переключения между различными адсорбционными модулями, пропускание потока также может полностью отсутствовать.
Как известно, в дополнение к нагреванию для десорбции адсорбированных компонентов соответствующие меры регенерации также включают, в частности, охлаждение после десорбции, чтобы соответствующий контейнер с адсорбентом или адсорбционный модуль, более конкретно, присутствующий в них адсорбент, имел в дальнейшем температуру, подходящую для абсорбции компонентов из потока газовой смеси, подлежащей обработке. Более того, соответствующие меры регенерации в соответствии с предшествующим уровнем техники обычно включают промывку адсорбента для максимально возможного удаления десорбированных компонентов.
В рамках настоящего изобретения нагревание и охлаждение адсорбента происходит во время регенерации или после регенерации, но охлаждение адсорбента также происходит во время адсорбции, в частности, для того, чтобы таким образом удалить тепло адсорбции. Нагревание и охлаждение всегда выполняют посредством опосредованной теплопередачи, как описано ниже. Для сведения к минимуму энергопотребления особенно благоприятным оказалось применение нескольких буферных контейнеров, в частности по меньшей мере двух буферных контейнеров, один из которых или по меньшей мере один из которых предусмотрен в горячем контуре теплопередачи, а один или по меньшей мере один предусмотрен в холодном контуре теплопередачи. Кроме того, могут быть предусмотрены дополнительные буферные контейнеры, работающие, в частности, при одном или более уровнях температуры между уровнями, используемыми в вышеупомянутых буферных контейнерах. Используемые буферные контейнеры могут, в частности, работать с изменяемым уровнем текучей среды.
Преимуществом является то, что настоящее изобретение включает в себя, в начале нагревания для регенерации, подачу теплонесущей текучей среды или соответствующего потока теплонесущей текучей среды при повышенной температуре из горячего буферного контейнера или буферного контейнера средней температуры в соответствующий адсорбционный модуль или модули. При этом теплонесущая текучая среда, которая все еще находится в адсорбционном (-ых) контейнере (-ах) или адсорбционном (-ых) модуле (-ях) в начале регенерации, но также теплонесущая текучая среда, которая сравнительно сильно охладилась в начале регенерации, выходит из адсорбционного (-ых) контейнера (-ов) или адсорбционного (-ых) модуля (-ей) сначала на выпускной стороне со значительно сниженной температурой. Таким образом, преимущество заключается в том, что этот поток теплонесущей текучей среды сначала подают в буферный (-ые) контейнер (-ы) или контур для холодной теплонесущей текучей среды. Это также подробно показано, в частности, со ссылкой на варианты осуществления в соответствии с изобретением, которые показаны на фигурах. Преимуществом является то, что соответствующая подача происходит до тех пор, пока температура теплонесущей текучей среды на выходе из адсорбционного (-ых) контейнера (-ов) или адсорбционного (-ых) модуля (-ей) не повысится до фиксированного значения. В этом случае выходящую теплонесущую текучую среду вместо этого подают в горячий контур в или соответствующий буферный контейнер.
В рамках настоящего изобретения, в качестве альтернативы вышеописанным мерам, также может происходить по меньшей мере частичное и, в частности, полное перемешивание потоков теплонесущей текучей среды, выходящих из разных адсорбционных контейнеров или адсорбционных модулей при разных температурах. Смешанную теплонесущую текучую среду, сформированную таким образом, можно получать при промежуточном уровне температуры. В частности, ее можно в дальнейшем разделить, при этом одну часть можно нагреть и использовать для нагрева одного или более контейнеров или адсорбционных модулей, а другую часть можно охладить и использовать для охлаждения одного или более адсорбционных контейнеров или адсорбционных модулей. Соответствующее перемешивание может происходить путем простого объединения в собирающей магистрали, или может быть предусмотрен буферный контейнер, в который подают и в котором смешивают различные потоки теплонесущей текучей среды.
В целом в настоящем изобретении предлагается способ разделения потока газовой смеси с применением адсорбции при переменной температуре, в котором используют установку для адсорбции при переменной температуре с несколькими адсорбционными модулями, каждый из которых работает в первом и втором режимах работы.
Первый режим работы включает направление потока газовой смеси по меньшей мере частично через адсорбционную камеру соответствующего адсорбционного модуля и осуществление в этом потоке адсорбционного обмена материалами с по меньшей мере одним адсорбентом в адсорбционной камере соответствующего адсорбционного модуля. Таким образом, этот режим работы соответствует обычной операции адсорбции, при которой один или более адсорбционных модулей также можно использовать параллельно.
Кроме того, в этом способе во втором режиме первый поток теплонесущей текучей среды при первом уровне температуры направляют через теплообменную конструкцию в соответствующий адсорбционный модуль и тепло от первого потока теплонесущей текучей среды опосредованно передают по меньшей мере одному адсорбенту в адсорбционной камере соответствующего адсорбционного модуля. Первый уровень температуры по меньшей мере временно превышает уровень температуры, который характерен для по меньшей мере одного адсорбента во втором режиме работы. Таким образом, второй режим работы соответствует нагреванию соответствующего адсорбционного модуля и, следовательно, операции регенерации или ее первой фазе. Во втором режиме работы, в отличие от первого режима работы, поток газовой смеси или его часть не направляют через адсорбционную камеру соответствующего адсорбционного модуля. Иными словами, во втором режиме работы не происходит адсорбционный обмен материалами; вместо этого выполняют десорбцию адсорбированных компонентов для регенерации по меньшей мере одного адсорбента.
Иными словами, первый режим работы используют для адсорбционного разделения потока газовой смеси или его части, причем адсорбируемые компоненты адсорбируются соответствующим адсорбентом. С другой стороны, для регенерации используют режим работы, называемый в настоящем документе вторым режимом работы. Следует понимать, что в способе изобретения режимы работы разных адсорбционных модулей координируют друг с другом надлежащим образом. В частности, преимуществом является то, что по меньшей мере одна адсорбционный модуль всегда работает в первом режиме работы, так что адсорбирующее разделение можно проводить в любое время. Одновременно один или более других адсорбционных модулей в каждом случае могут работать во втором режиме работы. Это соответствует попеременному функционированию разных адсорбционных модулей, как было описано выше, и в принципе известно в области адсорбционной технологии. Количество адсорбционных модулей, работающих, соответственно, в разных режимах, зависит от общего количества имеющихся адсорбционных модулей и в принципе не имеет ограничений.
В соответствии с настоящим изобретением первый режим работы дополнительно включает направление второго потока теплонесущей текучей среды при втором уровне температуры через теплообменную конструкцию в соответствующий адсорбционный модуль и передачу тепла от по меньшей мере одного адсорбента в адсорбционной камере соответствующего адсорбционного модуля опосредованным способом второму потоку теплонесущей текучей среды. Второй уровень температуры по меньшей мере временно ниже уровня температуры, который характерен для по меньшей мере одного адсорбента в первом режиме работы. Таким образом, как уже упоминалось, может рассеиваться тепло адсорбции, которое высвобождается при адсорбции в соответствующей адсорбционном модуле во время цикла адсорбции, т. е. в первом режиме работы.
Кроме того, в рамках настоящего изобретения предусмотрено, что каждый из адсорбционных модулей может работать в третьем режиме работы, который включает направление третьего потока теплонесущей текучей среды при третьем уровне температуры, который, в частности, также может соответствовать второму уровню температуры, через теплообменную конструкцию соответствующего адсорбционного модуля, а тепло от по меньшей мере одного адсорбента в адсорбционной камере соответствующего адсорбционного модуля опосредованно передают третьему потоку теплонесущей текучей среды. Второй уровень температуры по меньшей мере временно ниже уровня температуры, который характерен для по меньшей мере одного адсорбента в третьем режиме работы. Таким образом, соответствующий адсорбционный модуль или по меньшей мере один содержащийся в нем адсорбент охлаждают с помощью третьего потока теплонесущей текучей среды, чтобы адсорбционный модуль или по меньшей мере один адсорбент имел подходящую температуру для последующих процессов адсорбции. В третьем режиме работы, в отличие от первого режима работы и второго режима работы, поток газовой смеси или его часть не направляют через адсорбционную камеру соответствующего адсорбционного модуля. Иными словами, в третьем режиме работы также не происходит адсорбционный обмен материалами; вместо этого проводят охлаждение по меньшей мере одного адсорбента после регенерации по меньшей мере одного адсорбента во втором режиме работы.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предусмотрено, что по меньшей мере один адсорбент соответствующего теплообменного модуля охлаждают в первом режиме работы, что по меньшей мере один адсорбент соответствующего теплообменного модуля нагревают во втором режиме работы, а по меньшей мере один адсорбент соответствующего теплообменного модуля снова охлаждают в третьем режиме работы. В рамках настоящего изобретения каждый из первого, второго и третьего режимов работы осуществляют в указанном порядке. Таким образом, первый, второй и третий режимы работы, применительно к соответствующему адсорбционному модулю, выполняются в неперекрывающиеся периоды времени.
Преимущество заключается в том, что адсорбционные модули включают в себя по меньшей мере три адсорбционных модуля, причем по меньшей мере в течение одного рабочего периода один из трех адсорбционных модулей может работать в первом режиме работы, другой из трех адсорбционных модулей может одновременно работать во втором режиме работы, а еще один из трех адсорбционных модулей может одновременно работать в третьем режиме работы.
Следует подчеркнуть, что настоящее изобретение не ограничивается использованием установки для адсорбции при переменной температуре, имеющей определенное количество адсорбционных модулей. В частности, также может быть предусмотрена параллельная адсорбция с помощью нескольких адсорбционных модулей или соответствующего параллельного разделения газа. Регенерацию в нескольких адсорбционных модулях также можно проводить параллельно. Однако в принципе используемые параллельно режимы работы являются одинаковыми.
Применение настоящего изобретения, в частности, приводит к экономии энергии за счет тепловой интеграции в сравнении с установками для адсорбции при переменной температуре с опосредованным нагревом, в которых теплонесущая текучая среда всегда нагревается или охлаждается полностью.
Энергия, высвобождающаяся при адсорбции газов, приводит к нагреву адсорбента и, таким образом, к снижению достижимой нагрузки. В результате охлаждения во время адсорбции, обеспечиваемого в первом режиме работы в соответствии с настоящим изобретением, за счет использования второй теплонесущей текучей среды, можно увеличить достижимую нагрузку и, таким образом, можно значительно увеличить рабочую поглотительную способность адсорбента. Под рабочей поглотительной способностью адсорбента специалисты в данной области понимают разницу в загрузке адсорбента после адсорбции и после регенерации.
Еще одним преимуществом, которое можно обеспечить за счет использования настоящего изобретения, является сведение к минимуму потерь продукта. Это преимущество является результатом опосредованного нагрева и охлаждения, причем для продувки в фазе регенерации используют только небольшие количества газа-продукта или подаваемого газа, или даже не используют газ-продукт или подаваемый газ. Напротив, в традиционных установках для адсорбции при переменной температуре или в соответствующих способах для нагревания и охлаждения требуются большие количества регенерационного газа. Когда в качестве регенерационного газа используют подаваемый газ или газ-продукт, это очевидно приводит к более высоким потерям продукта.
Преимущества в соответствии с настоящим изобретением можно обеспечить, в частности, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, который включает в себя первый поток теплонесущей текучей среды, используемый во втором режиме работы, по меньшей мере частично отбираемый из первого буферного контейнера при первом уровне температуры, а затем направляемый по теплообменной конструкции соответствующего адсорбционного модуля, второй поток теплонесущей текучей среды, используемый в первом режиме работы, по меньшей мере частично отбираемый из второго буферного контейнера при втором уровне температуры, который в данном случае ниже первого уровня температуры, а затем направляемый по теплообменной конструкции соответствующего адсорбционного модуля, и третий поток теплонесущей текучей среды, используемый в третьем режиме работы, по меньшей мере частично отбираемый из второго буферного контейнера при третьем уровне температуры, который в данном случае соответствует второму уровню температуры, а затем направляемый по теплообменной конструкции соответствующего адсорбционного модуля. Иными словами, в данном варианте осуществления в настоящем изобретении предлагается применение теплого и холодного буферного контейнера, причем «первый» буферный контейнер представляет собой теплый буферный контейнер, а «второй» буферный контейнер представляет собой холодный буферный контейнер.
В данном варианте осуществления настоящего изобретения первый уровень температуры, при котором работает первый (теплый) буферный контейнер и при котором обеспечивают первый поток теплонесущей текучей среды, составляет, в частности, от 50 до 250 °C, а предпочтительно от 90 до 220°C. С другой стороны, в данном варианте осуществления второй уровень температуры второго (холодного) буферного контейнера и, таким образом, второго потока теплонесущей текучей среды составляет, в частности, от 0 до 120 °C, а предпочтительно от 0 до 90°C. Как указано выше, третий уровень температуры в данном варианте осуществления соответствует второму.
Как уже было описано, экономия энергии достигается благодаря использованию двух буферных контейнеров для теплой и холодной теплонесущей текучей среды или путем создания соответствующих контуров для текучей среды, причем, в частности, с их помощью может распределяться нагрев всей теплонесущей текучей среды.
Преимуществом является то, что первый и/или третий режимы работы включают в себя, по меньшей мере частично, первый период времени и второй период времени после первого периода времени, отличающиеся с точки зрения обработки соответствующего потока теплонесущей текучей среды после его направления по соответствующему теплообменному модулю.
В первом варианте осуществления, после направления во втором режиме работы через теплообменную конструкцию соответствующего адсорбционного модуля, первый поток теплонесущей текучей среды по меньшей мере частично поступает во второй буферный контейнер в течение первого периода времени и по меньшей мере частично поступает в первый буферный контейнер в течение второго периода времени.
Преимущество заключается в том, что первый поток теплонесущей текучей среды, пока он все еще сравнительно холодный из-за того, что более холодная теплонесущая текучая среда все еще присутствует в соответствующем адсорбционном модуле, или адсорбционный модуль по-прежнему в целом является сравнительно холодным, подают во второй «холодный» буферный контейнер. Таким образом предотвращается избыточное охлаждение теплонесущей текучей среды в первом буферном контейнере. Когда поток теплонесущей текучей среды достигает достаточной температуры, его можно подавать в первый буферный контейнер. Таким образом, в предлагаемом варианте осуществления настоящего изобретения снижается энергопотребление из-за того, что нагрев теплонесущей текучей среды можно уменьшить.
Как правило, после направления в первом режиме работы через теплообменную конструкцию соответствующей адсорбционной установки второй поток теплонесущей текучей среды всегда по меньшей мере частично поступает во второй буферный контейнер. Таким образом, в первый и второй периоды времени не осуществляют разную подачу, поскольку тепло адсорбции, высвобождающееся в первом режиме работы, значительно меньше по сравнению с энергией, необходимой для нагрева всего адсорбента (массы стали и адсорбента). Это приводит лишь к незначительному нагреву теплонесущей текучей среды.
С другой стороны, в рамках настоящего изобретения может быть предусмотрено, что в качестве альтернативы или дополнения к соответствующей обработке первого потока теплонесущей текучей среды в течение первого и второго периодов времени третий поток теплонесущей текучей среды после направления в третьем режиме работы через теплообменную конструкцию соответствующего адсорбционного модуля можно по меньшей мере частично подавать в первый буферный контейнер в течение первого периода времени и по меньшей мере частично подавать во второй буферный контейнер в течение второго периода времени. Соответствующие первый и второй периоды времени, используемые во втором и третьем режимах работы, при необходимости могут быть выбраны независимо друг от друга.
Как указано выше, третий режим работы проводится для охлаждения адсорбента после предшествующей регенерации. Как правило, теплонесущая текучая среда, отобранная из соответствующего адсорбционного модуля сразу после окончания фазы нагревания, все еще имеет высокую температуру. Следовательно, с одной стороны, это будет чрезмерно увеличивать температуру во втором буферном контейнере. С другой стороны, энергия, содержащаяся в третьем потоке теплонесущей текучей среды в первый период времени, представляет собой пригодную для использования энергию, которая в противном случае была бы потеряна.
Напротив, в соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, который может быть представлен в качестве альтернативы ранее описанным вариантам осуществления, первый поток теплонесущей текучей среды после направления во втором режиме работы через теплообменную конструкцию соответствующего адсорбционного модуля, и/или второй поток теплонесущей текучей среды после направления в первом режиме работы через теплообменную конструкцию соответствующего адсорбционного модуля, и/или третий поток теплонесущей текучей среды после направления в третьем режиме работы через теплообменную конструкцию соответствующего адсорбционного модуля по меньшей мере частично подают на смешивание.
Таким образом, в рамках настоящего изобретения возможно задавать температуры смешивания, которые особенно подходят для определенных сфер применения. Кроме того, таким образом можно также формировать потоки теплонесущей текучей среды, которые впоследствии можно нагревать или охлаждать и, таким образом, использовать для регенерации или охлаждения. В частности, при соответствующем перемешивании теплонесущую текучую среду можно разделить при среднем уровне температуры, причем одну часть можно нагреть и использовать для нагрева одного или более адсорбционных модулей, а другую часть можно охладить и использовать для охлаждения одного или более адсорбционных модулей.
В рамках настоящего изобретения смешивание в данном случае может осуществляться путем объединения потоков текучей среды в собирающую магистраль и/или путем их подачи в контейнер для смешивания. Особым преимуществом подачи в контейнер для смешивания является то, что при колебаниях температуры может быть обеспечен буферный эффект посредством текучей среды, уже присутствующей в контейнере для смешивания, и, таким образом, можно избежать больших колебаний температуры.
Как уже отмечалось, в рамках настоящего изобретения соответствующие смешанные текучие среды также можно использовать в качестве теплонесущих текучих сред, так что особенно предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения включает использование одной или более смешанных текучих сред, образованных при смешивании, по меньшей мере частично, в ходе формирования первого, и/или второго, и/или третьего потока теплонесущей текучей среды. В частности, как уже отмечалось, в ходе этого процесса может происходить нагревание и/или охлаждение частей соответствующей смешанной текучей среды.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления способа в соответствии с изобретением через адсорбционную камеру соответствующих адсорбционных модулей во втором режиме работы и/или в третьем режиме работы по меньшей мере временно протекает циркулирующий поток газа, который может подаваться, в частности, с помощью газодувного устройства. Таким образом можно улучшить теплопередачу, и, следовательно, сократить время нагревания и охлаждения, поскольку можно избежать локальных максимумов и минимумов температуры.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления способа изобретения газ извлекают из адсорбционной камеры соответствующих адсорбционных модулей в начале второго режима работы и подают обратно в способ. Такую рециркуляцию можно осуществлять, в частности, по отношению к адсорбционному модулю, который в это время находится в режиме адсорбции, т. е. в первом режиме работы.
В частности, в рамках настоящего изобретения также может быть предусмотрено отведение газа из адсорбционной камеры соответствующих адсорбционных модулей во время по меньшей мере части второго режима работы и его перенос в буферный контейнер. Газ, выходящий из соответствующего адсорбционного модуля во время регенерации, как правило, имеет сильные колебания объемного потока и состава. Для компенсации этих флуктуаций можно использовать достаточно большой буферный контейнер. При этом на выходе соответствующего буферного контейнера необязательно устанавливают заслонку, посредством которой объемный поток, выходящий из буферного контейнера, можно удерживать на постоянном заданном давлении. Это давление ниже минимального давления газа, который течет из адсорбционного модуля во время регенерации. Соответственно, при флуктуациях входного потока давление в буферном контейнере будет меняться.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения поток газовой смеси имеет содержание от 0,01 до 20 мол.%, в частности от 0,1 до 10 мол.%, одного или более компонентов, предпочтительно адсорбирующихся по меньшей мере одним адсорбентом, а в остальном содержит один или более компонентов, которые в меньшей степени адсорбируются на первом, втором и третьем адсорбентах. Вопрос о том, какие компоненты являются «предпочтительно адсорбирующимися компонентами», а какие компоненты являются «в меньшей степени адсорбирующимися компонентами», зависит от выбора используемого в каждом случае адсорбента. В принципе адсорбция предпочтительно адсорбирующихся компонентов также в данном случае не происходит полностью. Небольшая часть в меньшей степени адсорбирующихся компонентов также адсорбируется соответствующим адсорбентом.
Примеры соответствующих пригодных для обработки газовых смесей уже были описаны выше. В частности, к одному или более предпочтительно адсорбирующимся компонентам могут относиться диоксид углерода, и/или вода, и/или углеводороды, имеющие более двух или более трех атомов углерода, а к одному или более в меньшей степени адсорбирующим компонентам могут относиться водород, и/или метан, и/или монооксид углерода. В таком варианте осуществления способ в соответствии с изобретением особенно подходит для обработки богатых метаном газов, например природного газа, биогаза или рудничного газа, или для обработки богатых водородом газов, таких как синтез-газ.
С другой стороны, в соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения к одному или более предпочтительно адсорбирующимся компонентам относятся вода и/или углеводороды, а к одному или более в меньшей степени адсорбирующимся компонентам относится диоксид углерода. В таком варианте осуществления способ в соответствии с изобретением особенно подходит для отделения воды и/или углеводородов от газовых смесей, таких как биогаз, выхлопной газ из систем очистки газа или аминной очистки, или газовые смеси из природных источников, таких как рудники, или туннели, или газовые месторождения.
Как уже отмечалось, в частности, в рамках настоящего изобретения в адсорбционных модулях можно использовать конфигурации пучков труб. Следовательно, особенно предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя первый, и/или второй, и/или третий адсорбционные модули, каждый из которых реализован в виде контейнеров с пучками труб, причем соответствующий адсорбент помещен во внутреннюю камеру труб, образующих пучки труб, и соответствующий поток теплонесущей текучей среды течет вокруг труб, или наоборот.
Иными словами, можно использовать, в частности, теплообменник с пучками труб, в котором адсорбент содержится в трубах, а теплонесущая текучая среда течет на кожуховой стороне в контексте труб. В частности, в такой конструкции, а также в конструкциях с пучками труб, которые описаны ниже, можно использовать внутренние диаметры труб от 2,6 до 4,9 см или 10 см. В описанном варианте осуществления, в частности, также возможно применение ребер на внутренней стороне труб для увеличения поверхности теплопередачи к адсорбенту и, таким образом, для более быстрого нагрева или охлаждения адсорбента. Однако в принципе можно также разработать соответствующую конфигурацию пучка труб таким образом, чтобы теплонесущая текучая среда или соответствующий поток теплонесущей текучей среды тек в трубах, а адсорбент находился с кожуховой стороны. В этом случае также могут быть предусмотрены дополнительные ребра, которые, однако, в данном случае расположены, в частности, на наружной стороне трубы, чтобы увеличить поверхность теплопередачи к адсорбенту.
В принципе в установке для адсорбции при переменной температуре в соответствии с изобретением или в соответствующем способе также может быть предусмотрена одна дополнительная стадия разделения. В частности, остаточный газ, образующийся в результате адсорбции при переменной температуре в соответствии с настоящим изобретением, можно, таким образом, обработать с помощью мембранной системы, например, для удаления остатков диоксида углерода в виде пермеата. Метансодержащий ретентат, полученный в результате этого процесса, можно направлять под высоким давлением в подаваемый газ или в газ-продукт.
В принципе теплонесущая текучая среда, которая используется в рамках настоящего изобретения в виде потоков теплонесущей текучей среды, может быть образована из воды или водяного пара. В альтернативном варианте осуществления также возможно применение, в частности, синтетических термических масел. Таким образом, соответствующее использование зависит, в частности, от температур, которые необходимо обеспечить в соответствующих установках.
В принципе, адсорбент (-ы) в рамках настоящего изобретения можно выполнить, например, в форме гранул или пакетов. Особенно подходящими являются цеолиты, варианты активированного угля, силикагели, алюмогели или металлоорганические каркасы.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения может быть предусмотрена компенсация изменений давления, вызванных первым, и/или вторым, и/или третьим теплообменом. Следовательно, нагрев, в частности, может осуществляться с одновременным выпуском газа из соответствующего (-их) адсорбционного (-ых) модуля (-ей) так, что давление в адсорбционном (-ых) модуле (-ях) может оставаться постоянным или уменьшаться, несмотря на десорбцию и тепловое расширение. Соответственно, также возможно охлаждение с одновременной подачей газа в соответствующий (-ие) адсорбционный (-ые) модуль (-и), так что давление в адсорбционном (-ых) модуле (-ях) может оставаться постоянным или повышаться, несмотря на адсорбцию газа адсорбентом и сжатие газа из-за снижения температуры. Это прежде всего относится к нагреву или охлаждению адсорбционной камеры как замкнутой системы. (Охлаждение и адсорбция в этом случае приводят к снижению давления в адсорбционной камере, а нагрев — к повышению давления.)
Настоящее изобретение также может включать продувку адсорбента во время или после нагревания очищенным продуктом для стимуляции десорбции. Дополнительным аспектом, который может быть реализован в рамках настоящего изобретения, является увеличение потока подаваемого газа, т. е. потока газовой смеси, который обрабатывается на установке на фазах продувки и/или накопления давления, чтобы таким образом предотвратить снижение тока продукта на этих стадиях и обеспечить постоянный поток продукта на выходе из установки.
Как также отмечалось, в частности, в рамках настоящего изобретения работа по меньшей мере двух адсорбционных модулей может происходить одновременно, по меньшей мере временно в режиме адсорбции, т. е. в первом режиме работы, чтобы таким образом свести к минимуму, в частности, изменения концентрации, и/или объемного потока, и/или колебаний температуры в потоке продукта.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения по меньшей мере часть остаточного газа можно сжечь в горелке, и часть теплонесущей текучей среды или соответствующего потока теплонесущей текучей среды, таким образом, можно нагреть по меньшей мере частью высвобожденного при этом тепла. Затем эту теплонесущую текучую среду можно использовать для опосредованного нагревания адсорбента.
Общий объем всех буферных контейнеров для теплонесущей текучей среды, применяемых в рамках настоящего изобретения, соответствует по меньшей мере общему объему теплонесущей текучей среды в адсорберах (относительно всех адсорберов вместе).
В рамках настоящего изобретения особенно предпочтительно для охлаждения теплонесущей текучей среды использовать паровые или охлаждающие башни с открытым (водным) контуром. В этом случае охлаждение теплонесущей текучей среды происходит опосредованно с помощью теплообменника. В альтернативном варианте осуществления для охлаждения теплонесущей текучей среды также можно использовать воздушные холодильники.
Как отмечалось, в настоящем изобретении также предлагается установка для адсорбции при переменном давлении, причем в отношении элементов делается отсылка к соответствующему независимому пункту формулы патента.
В частности, такая установка для адсорбции при переменной температуре характеризуется средствами, которые позволяют ей функционировать в соответствии с одним из описанных ранее способов или соответствующих вариантов осуществления. За информацией о дополнительных особенностях и преимуществах соответствующей установки для адсорбции при переменной температуре явным образом предлагается обратиться к приведенным выше описаниям.
Настоящее изобретение более подробно описано ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых проиллюстрирован вариант осуществления настоящего изобретения.
Краткое описание графических материалов
На Фиг. 1A показана установка для адсорбции при переменной температуре в соответствии с вариантом осуществления изобретения в первый временной период рабочего цикла.
На Фиг. 1B показана установка в соответствии с Фиг. 1A во второй временной период рабочего цикла, показанного на Фиг. 1A.
Подробное описание графических материалов
На Фиг. 1A представлена установка 100 для адсорбции при переменной температуре в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения в первый временной период рабочего цикла.
Необходимыми компонентами установки 100 для адсорбции при переменной температуре являются первый адсорбционный модуль A1, второй адсорбционный модуль A2 и третий адсорбционный модуль A3. Однако, как описано, настоящее изобретение не ограничивается применением только или точно трех адсорбционных модулей.
На снимке, показанном на Фиг. 1A, первый адсорбционный модуль A1 функционирует в первом режиме работы, подробно описанном выше, т. е. происходит разделение потока газовой смеси, который в данном случае обозначен как G и который для этой цели подвергается адсорбционному обмену материалами. Более того, на снимке, показанном на Фиг. 1A, второй адсорбционный модуль A2 нагревают для десорбции адсорбированных компонентов, т. е. он функционирует во втором режиме работы, подробно описанном выше. С другой стороны, третий адсорбционный модуль A3 охлаждают в указанное время для подготовки к использованию с разделением потока газовой смеси (потока G газовой смеси, протекающего через первый адсорбционный модуль A1 в показанном рабочем цикле). Таким образом, он работает в первом режиме работы. Снимок соответствует, например, рабочему циклу соответствующего способа.
В следующем рабочем цикле адсорбционный модуль A3, охлажденный в показанном рабочем цикле, можно использовать для адсорбции, т. е. он может далее функционировать в первом режиме работы, с другой стороны, ранее прошедший соответствующую регенерацию адсорбционный модуль A2 может охлаждаться, т. е. он может функционировать в третьем режиме работы, а адсорбционный модуль A1, ранее использованный для адсорбции, может подвергаться нагреванию, т. е. он может функционировать во втором режиме работы.
Иными словами, как показано на Фиг. 1A, первый адсорбционный модуль A1 функционирует таким образом, что поток G газовой смеси направляют через адсорбционную камеру этого первого адсорбционного модуля и подвергают адсорбционному обмену материалами с по меньшей мере одним адсорбентом в адсорбционной камере первого адсорбционного модуля. В ходе этого процесса происходит по меньшей мере частичное отделение более или предпочтительно адсорбируемых компонентов.
Кроме того, первый поток теплонесущей текучей среды, в данном обозначенный как W1, направляют при первом уровне температуры через теплообменную конструкцию второго адсорбционного модуля A2 и в этом процессе подвергают опосредованному теплообмену с по меньшей мере одним адсорбентом в адсорбционной камере второго адсорбционного модуля A2. В ходе этого процесса тепло от первого потока W1 теплонесущей текучей среды опосредованно передается по меньшей мере одному адсорбенту. Таким образом, происходит нагревание по меньшей мере одного адсорбента.
Кроме этого, в показанном примере второй поток теплонесущей текучей среды, в данном обозначенный как W2, направляют при втором уровне температуры через теплообменную конструкцию первого адсорбционного модуля A1 и в этом процессе подвергают опосредованному теплообмену с по меньшей мере одним присутствующим в нем адсорбентом, чтобы удалить тепло адсорбции. Таким образом, тепло от по меньшей мере одного адсорбента опосредованно передают второму потоку W2 теплонесущей текучей среды.
Третий поток теплонесущей текучей среды, в данном случае обозначенный как W3, направляют при третьем уровне температуры, который может соответствовать второму уровню температуры, через теплообменную конструкцию третьего адсорбционного модуля A3 и в этом процессе подвергают опосредованному теплообмену с по меньшей мере одним адсорбентом в адсорбционной камере третьего адсорбционного модуля. Таким образом, тепло от по меньшей мере одного адсорбента опосредованно передается третьему потоку W2 теплонесущей текучей среды.
Как показано на Фиг. 1A, в установке 100 для адсорбции при переменной температуре предусмотрены первый («теплый») контур 10 теплонесущей текучей среды и второй («холодный») контур 20 теплонесущей текучей среды. Эти контуры 10, 20 для теплонесущей текучей среды соединены с первым («теплым») буферным контейнером P1 и вторым («холодным») буферным контейнером P2 соответственно.
Как в каждом случае показано жирными стрелками, в первый период времени, показанный на Фиг. 1A, а также во второй период времени, показанный на Фиг. 1B, первый поток W1 теплонесущей текучей среды при первом уровне температуры по меньшей мере частично берут из первого буферного контейнера P1, а затем, как описано, используют во втором адсорбционном модуле A2.
Более того, второй поток W2 теплонесущей текучей среды при втором уровне температуры, который ниже первого уровня температуры, по меньшей мере частично берут из второго буферного контейнера P2, а затем, как описано, используют в первом адсорбционном модуле A1.
Третий поток W3 теплонесущей текучей среды, имеющий третий уровень температуры, который, как несколько раз упомянуто, может соответствовать второму уровню температуры, по меньшей мере частично берут из второго буферного контейнера, а затем, как описано, используют в третьем адсорбционном модуле A3.
Пути для текучей среды, в каждом случае показанные на Фиг. 1A и 1B жирными стрелками, можно регулировать, в частности, с помощью символически показанных в настоящем документе трехходовых клапанов V1–V6. Поток внутри адсорбционных модулей с A1 по A3 может, как показано, быть направлен сверху вниз, но также может быть направлен снизу вверх. Более того, в каждом случае один насос 11 или 21 и один теплообменник 12 и 22 встроены в соответствующие контуры 10 и 20 для теплонесущей текучей среды. Количество текучей среды можно регулировать, в частности, с помощью клапана 13 или 23.
Из комбинации Фиг. 1A и 1B видно, как показано жирными стрелками, первый поток W1 теплонесущей текучей среды по меньшей мере частично поступает во второй буферный контейнер P2 ниже по потоку от второго адсорбционного модуля A2, но по меньшей мере частично поступает в первый буферный контейнер P1 во второй период времени, как показано на Фиг. 1B.
С другой стороны, второй поток W2 теплонесущей текучей среды ниже по потоку от первого адсорбционного модуля A1 предпочтительно по меньшей мере частично подают во второй буферный контейнер P2 как в первый, так и во второй периоды времени, как показано на Фиг. 1A и 1B.
Наконец, третий поток W3 теплонесущей текучей среды ниже по потоку от третьего адсорбционного модуля A3 по меньшей мере частично подают в первый буферный контейнер P1 в первый период времени, показанный на Фиг. 1A, но по меньшей мере частично подают во второй буферный контейнер P2 во второй период времени.
Соответствующие текучие среды подают или выводят через соответствующие контуры 10 и 20 для текучей среды с помощью показанных дополнительных технических устройств. Соответствующие преимущества описанных мер уже подробно разъяснялись выше.