CN103237586A

CN103237586A - 动力学分馏器和分馏气体混合物的循环方法

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Publication number: CN103237586A
Application number: CN2011800549742A
Authority: CN
Inventors: N·孙达拉姆; P·S·诺思罗普
Original assignee: Exxon Production Research Co
Current assignee: ExxonMobil Upstream Research Co
Priority date: 2010-11-15
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2031-09-26
Also published as: AR083871A1; AU2011329448A1; CA2817506C; MX2013004914A; CA2817506A1; TWI495501B; CN103237586B; EP2640489A4; AU2011329448B2; BR112013009850A2; MY161348A; EP2640489A1; US20130225898A1; JP6084928B2; SG189921A1; US20150082986A1; US8921637B2; US9028595B2; JP2014500791A; TW201228710A

Abstract

一种在一个或多个容器中利用变压吸附从天然气混合物分离甲烷的方法。每一个容器具有吸附剂材料，其具有大于5的污染物相比甲烷的动力学选择性。天然气混合物内的污染物成为动力学吸附在吸附剂材料内的气体。将容器置于压力下，从而使污染物吸附到吸附剂材料的表面和微孔中。该方法包括从容器的第一气体出口释放由按体积计至少95%的甲烷组成的产物流，和通过减小容器内的压力从吸附剂材料解吸污染物气体。在不对容器施加热的情况下进行解吸步骤，因此，传输由按体积计至少95%的污染物气体组成的废气流。也提供了具有主要和次要流动通道的改进的分馏容器。

Description

动力学分馏器和分馏气体混合物的循环方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年11月15日提交的题目为Kinetic Fractionators,andCycling Processes for Fractionation of Gas Mixtures ASSET CONTROLAND MANAGEMENT SYSTEM的美国临时专利申请61/413,845的权益，其全部内容通过引用并入本文。

本申请与2008年4月4日提交并公布为美国专利公开号2008/0282887的在审美国专利申请12/080,783相关。那个申请的题目是“Removal of CO₂,N₂,and H₂S from Gas Mixtures Containing Same”，并且其全部内容通过引用并入本文。那个申请又要求2007年5月18日提交的美国临时专利申请60/930,826的权益。

背景

本章节旨在介绍本领域的多个方面，其可与本公开的示例性实施方式相关。相信本讨论有助于提供促进更好理解本公开具体方面的框架。因此，应理解，应该从这个角度阅读该章节，并且不必是对现有技术的承认。

发明领域

本发明涉及流体分离的领域。更具体地，本发明涉及二氧化碳和其他酸气从烃流体流的分离。

技术讨论

从储层生产烃时常带有非烃气体的偶然产生。这样的气体包含污染物如二氧化碳（CO₂）、硫化氢（H₂S）和硫醇。当这样的污染物作为烃气体流的部分产生时，可将该气体流称为“酸性气体（sour gas）”。进一步地，该酸性气体内的CO₂、H₂S和硫醇组分可被单独地或一起称为“酸气（acid gas）”。

期望的是在气体处理设备上分离出酸气组分。这可以通过首先从原料气体流除去大部分水来完成。一般通过将二元醇化学混合到原料气体流中以使水脱出溶液来除去水。然后通过底部水流捕获水和二元醇。释放单独的脱水的气体流。

脱水的气体流是酸性气体流，在脱水之后，剩下酸性气体组分。因此，应用进一步的气体分离方法。在二氧化碳组分特别高的一些情况中，也可使酸性气体通过焦耳-汤普逊阀，进行闪蒸冷却，然后带进低温蒸馏塔或整体分馏单元(bulk fractionation unit)，以除去CO₂。

在其他情况中，特别是H₂S组分或重烃组分较高的情况中，酸性气体流可流过吸附床。吸附床基于不同分子可具有不同吸附亲合力的原理操作。这提供了吸附剂在不同气体之间进行区别的机制。

已知不同类型的吸附床。典型的吸附剂包括活性炭、硅胶、氧化铝、和沸石。在一些情形中，可将聚合材料用作吸附剂材料。在任何情况中，相对于气体混合物的不易被吸附的组分（称为“轻”气体），吸附床优先吸附更容易地被吸附的组分（称为“重”气体）。

为了实现分离，吸附床采用高度多孔的微结构。气体分子被附着到沿着孔提供的表面区域上。在微孔材料的内表面上吸附的气体可由仅一个或至多几个分子厚度的层组成；然而，每克几百平方米的表面区域能够实现大部分吸附剂重量吸附气体。因而，吸附床可有益地用于分离组分。

除了它们对不同的气体的亲合力之外，沸石和一些类型的活性炭——称为碳分子筛，还可利用它们的分子筛特征，以排除或减慢一些气体分子到它们结构的扩散。这提供了基于分子大小选择性吸附的机制。在该情况中，吸附床限制较大分子被吸附的能力，因而允许气体以多组分气体混合物的一个或多个种类选择性填充吸附剂材料的多孔结构。

在一些情况中，在通过吸附床之前，不对气体流脱水。一些吸附床将优先地结合水分子连同其他污染物，允许甲烷和惰性气体组分如氢气和氮气通过。然而，水的存在可使后来的解吸阶段（称为“再生”）更具有挑战性。在此方面，因为吸附床的微孔变得充满分子污染物，必须停止使用吸附床并且使其减压。当有大量水存在时，水的除去可能需要加热。

气体分离的不同吸附技术是已知的。一种吸附技术是变压吸附，或“PSA”。PSA方法依赖于以下事实：在压力下，气体污染物倾向于不同程度地吸附在吸附剂材料的孔结构内，或在聚合材料的自由体积内。吸附容器中压力越高，吸附气体越多。在天然气的情况下，天然气混合物可在压力下通过吸附容器。聚合的或微孔的吸附剂的孔变得比充满甲烷更大程度充满硫化氢和二氧化碳。因而，大多数或甚至所有的H₂S和CO₂将停留在吸附床中，同时从容器出来的气体将富含甲烷。也将保留任何剩余的水和任何重烃（如乙烷）。另外，将保留任何苯、甲苯、或其他挥发性有机化合物。

当吸附床达到它的吸附污染物的容量限度时，可通过减小压力使其再生。这引起容器释放被吸附的组分。因而，浓的污染物流被释放，与甲烷流分离。这样，可使吸附床再生，用于随后的再利用。

在大多数PSA情形中，将加压室中的压力减少至大气压将引起大多数硫化氢和其他污染物从吸附床释放。在一些情形中，可通过使用真空室将低于大气压施加于浓的污染物流，辅助变压吸附系统。在更低压的情况中，将更完全地从构成吸附床的固体基体解吸含硫组分、二氧化碳、和重烃。

一种相关的气体分离技术是变温吸附，或“TSA”。TSA方法也依赖于以下事实：气体倾向于不同程度地吸附在多孔吸附剂材料的孔结构内，或在聚合材料的自由体积内。当增加容器中吸附床的温度时，被吸附的气体分子释放或解吸。通过周期地改变容器内吸附床的温度，TSA方法可用于分离混合物中的气体。

可采用变温再生和变压再生的组合。在任一情况中，如果必要的话，可使释放的富含甲烷的气体通过随后的冷却单元，使CO₂组成减小到管道或LNG规格。这使得任何剩余的CO₂液化，并作为液体酸气流除去。任选地，可应用更进一步的冷却能量，以产生液化天然气或LNG。

吸附床系统可依靠多个平行的床。这些床可装填有例如活性碳或分子筛。第一床用于吸附。这称为使用床。在使用第一床的同时，例如通过压力减小，使第二床经历再生。还有第三床已经再生，并且保持备用，以在第一床变得完全饱和时用于吸附系统。因而，为了更有效操作，可平行地使用最少三个床。

变压吸附系统可以是快速循环变压吸附系统。在所谓的“快速循环”方法中，循环时间可能少到几秒钟。快速循环PSA（“RCPSA”）单元可能是特别有利的，因为，相对于正常的PSA设备，这样的单元相当紧凑。进一步地，当与传统的PSA比较时，RCPSA接触器能够显著地增加方法集约程度(process intensification)（例如，更高的操作频率和气体流速）。

现有的PSA和RCPSA方法主要地依靠平衡分离或依靠变温操作。这些操作导致更大的循环时间和更大的设备占地面积。因此，对采用变压吸附获得高纯度产品分离而不需要加热吸附容器或变温操作的方法存在需求。

概述

本文提供了用于从天然气混合物分离甲烷的方法。该方法在一个或多个容器中采用变压吸附。每一个容器具有吸附剂材料，吸附剂材料具有其值大于5的污染物相比甲烷的动力学选择性。这样，天然气混合物内的污染物成为动力学地吸附在吸附剂材料内的气体。污染物可能是CO₂、H₂S、H₂O、重烃、VOC、或其组合。

每一个容器具有进气口和第一出气口。另外，每一个容器具有通过吸附剂材料的至少两个主要流动通道。主要流动通道使气体进口和第一气体出口流体连通。

依照该方法，方法也包括将天然气混合物引入气体分离单元。该方法进一步包括将至少一个容器置于压力下，以使天然气混合物中的污染物吸附到吸附剂材料上。在压力下，污染物驻留在吸附剂材料的表面和微孔中。

然后，该方法包括释放按体积计包含至少95％的甲烷的产物流。从容器中的第一出气口释放产物流。产物流可进一步包括氢气、氮气、或其组合。该方法也包括通过减少容器内的压力，从吸附剂材料解吸污染物气体。在不将热施加于容器的情况下进行解吸步骤。因此，传输了包括按体积计至少95%的污染物气体的废气流。

优选地，在少于一分钟的联合循环中进行释放和解吸步骤。

可通过进气口传输来自解吸步骤的废气流。可选地，可布置阀门组，以便废气流通过出气口传输。在一个方面，至少一个吸附剂容器进一步包括进气口和第一出气口中间的第二出气口。在该情况中，解吸污染物气体从第一出气口释放第一部分废气流，从第二出气口释放第二部分废气流。

另外或可选地，在一些执行中，解吸污染物气体的步骤包括在第一时间期间释放第一部分废气流，和在第二时间期间释放第二部分废气流。第一部分废气流可包括按体积计至少98%的CO₂；第二部分废气流可包括氮气、氢气、甲烷、H₂O、或其组合。因而，第一和第二废气流部分可具有不同的组成。

本文也提供了用于从天然气混合物分离甲烷的分馏容器。在一些实施例中，容器包括外壳。容器也包括用于将天然气混合物接收到外壳内的进气口，和用于将至少部分天然气混合物从外壳释放的第一出气口。在至少100psig的压力下，进气口能够将天然气混合物接收到外壳内。

容器进一步包括外壳内的吸附剂材料。吸附剂材料具有大于5的污染物相比甲烷的动力学选择性。这样，污染物变得以气相动力学地吸附在吸附剂材料内。

容器也包括通过吸附剂材料的至少两个主要流动通道。主要流动通道使气体进口和第一气体出口流体连通。容器进一步包括通过吸附剂材料的至少一个次要流动通道。次要通道与主要通道流体连通。

在一个方面，分馏容器也具有第二出气口。第二出气口在进气口和第一出气口中间。当解吸容器时，第二出气口释放部分废气流。

在一些执行方式中，至少两个主要流动通道由多个杆并沿着多个杆的长轴形成。进一步地，多个杆基本上等距地隔开，提供具有基本均匀体积的流动通道。

在一个方面，至少两个次要流体通道由沿着各个杆的多个阶梯式表面形成。在另一个方面，至少两个次要流动通道由相交于至少两个主要流动通道并且使进气口和第二出气口流体连通的流动通道形成。

附图简述

为了能够更好理解本发明，将一些图示、图表、图形和/或流程图附于本文。然而，应该注意，附图只阐明本发明的选择的实施方式并且因此不应认为是限制范围，因为本发明可允许其他等同有效的实施方式和应用。

图1是可用于本发明方法的变压吸附容器的透视图。该容器也代表本发明的动力学分馏器。

图2A是图1的变压吸附容器的吸附床和流动通道的透视图。可见主要流动通道沿着吸附床的长轴在吸附杆之间。

图2B提供图2A的吸附床的分解图。图2B提供任选的第二出气口的分解图。显示延伸到容器中的横向流动通道，充当次要流动通道。

图2C是图2A的吸附床的纵向横截面图。该图从图2A的线C-C获得。这里，沿着吸附杆看到一系列阶梯状表面，其充当次要流动通道。

图3是图1的变压吸附容器的吸附床和流动通道的透视图。可见主要流动通道沿着吸附床的长轴在吸附杆之间。在吸附床的分解部分中看到横向流动通道，其充当次要流动通道。

图4是图1的变压吸附容器的吸附床和流动通道的横截面图。再次看到主要流动通道沿着吸附床的长轴在吸附杆之间。这里，长轴是曲线的。

图5是说明用于从天然气混合物分离甲烷的方法的步骤的流程图。

图6A是可用于本发明方法的变压吸附容器的一部分。这里，提供旋转式阀门组，用于快速地循环天然气混合物。

图6B显示可用于本发明方法的变压吸附容器的一部分。这里，除了用于快速地循环天然气混合物的旋转式阀门组之外，还提供非旋转式阀门组。

一些实施方式的详述

定义

如本文使用的，术语“烃”指有机化合物，如果非排他地，其主要包含元素氢和碳。通常将烃分成两类：脂肪族或直链烃和环状或闭环烃，其包括环萜烯。含烃材料的实例包括任何形式的可用作燃料或升级为燃料的天然气、石油、煤和沥青。

如本文使用的，术语“烃流体”指是气体或液体的烃或烃混合物。例如，烃流体可包括在形成条件下、在加工条件下或在环境条件下（15℃和1大气压压力）是气体或液体的烃或烃混合物。烃流体可包括例如气态或液态的油、天然气、煤层甲烷、页岩油、裂解油、裂解气、煤的裂解产物和其他烃。

如本文使用的，术语“流体”指气体、液体、以及气体和液体的组合，也指气体和固体的组合、液体和固体的组合、以及气体、液体和固体的组合。

如本文使用的，术语“可冷凝烃”意思是在大约15℃和一个绝对大气压下冷凝的那些烃。可冷凝烃可包括例如碳数目大于4的烃的混合物。

如本文使用的，术语“地表下岩石”指在地球表面下存在的地质学岩层。

如本文使用的，术语“变压吸附”应考虑包括将压力变化应用于吹扫循环的任何一种或多种方法（例如PSA、PPSA、RCPSA和RCPPSA）。

如本文使用的，术语“井筒”指在地表下岩石中通过将通道钻入或插入到地表下岩石中制造的孔。井筒可具有大致圆形的横截面或其他横截面形状。如本文使用的，术语“井”当指地层中的开口时，可与术语“井筒”互换使用。

选择的具体实施方式的描述

本文结合具体实施方式描述本发明。然而，在下列详述针对具体实施方式或具体应用方面，这意欲仅仅是说明性的，不应被解释为限制本发明的范围。

本发明涉及从烃气体流除去不期望气体组分的新的变压吸附方法。这样的组分包括例如CO₂、H₂S、H₂O、重烃、VOC、硫醇或其组合。所述组分代表天然气混合物中的污染物。

可参考其附图更好理解本发明方法。首先，图1是变压吸附容器100的透视图。容器100是为了接收天然气混合物的目的并且将混合物分离成至少两种基本纯的组分而操作的接触器容器或“接触器”。那些组分的一种是CH₄或甲烷。

来自地表下储层的天然气流（未处理天然气）的组成在油田与油田之间将是不同的。可构成未处理天然气流的组分的非限制性实例包括水、冷凝物（较高分子量的有机物）、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、CO₂、N₂、He、H₂S、Hg、和硫醇。一般在将天然气引入容器100之前除去水和冷凝物，并将冷凝物送至炼油厂。

容器100限定细长的、耐压(pressure-containing)的主体。容器100包括外壳105。优选地，用铁或钢制成外壳105。在图1的布置中，在基本水平方向图解容器100。然而，可选地，可在垂直方向操作容器100。在任一情况中，容器100可包括多个支撑腿或支撑垫115。

能够在高压下操作容器100，以允许天然气处理经历的进气压力。例如，这样的进气压力可超过200psig，更经常地可大于1000psig，或甚至3000psig。为了监视内部压力，容器100包括压力计或其他压力监视设备。在图1的150处显示典型的压力计。当然，应理解，现代压力监视设备主要地作为与阀门、钟表和操作控制软件相互作用的数字系统起作用。

容器100具有在102显示的第一末端和在104显示的第二末端。在第一末端102提供进气口110，同时在第二末端104提供第一出气口130。任选地，在第一末端102和第二末端104中间，或在进气口110和第一出气口130中间提供第二出气口120。

在操作中，容器100充当动力学分馏器，或吸附剂接触器。通过进气口110，将天然气混合物或原料流引入容器100。箭头“I”指流体到容器100的流动。吸附床（没有在图1中显示）在容器100内接触天然气。吸附床利用动力学吸附捕获污染物。同时，吸附床通过第一出气口130释放天然气产物流。在本布置中，产物流包括按体积计至少95％的甲烷。在箭头O_I指示天然气产物流从容器100的流动。

应理解，容器100是更大气体分离单元（没有显示）的部分。根据需要，气体分离单元将包括阀门组、容器和压力计，以进行吸附床的再生和分离的气体组分的捕获。利用变压吸附进行再生。更具体地，利用快速循环PSA进行再生。

图6A显示可用于本发明方法的变压吸附容器600A的一部分，用于快速循环PSA。这里，提供旋转式阀门组，用于快速地循环天然气混合物。在箭头I处显示天然气混合物进入容器600A。

阀门组首先包括旋转式歧管610。歧管靠近容器600A的第一末端602旋转。阀门组也包括进口流动通道620。这里，进口流动通道620相对于歧管610旋转。

图6B显示可用于本发明方法的第二变压吸附容器600B的一部分，用于快速循环PSA。这里，与旋转式阀门组一起，提供非旋转式阀门组，用于快速循环天然气混合物。

阀门组再次包括旋转式歧管610。歧管靠近容器600B的第一末端602旋转。阀门组也包括进口流动通道620。这里，进口流动通道620相对于歧管610往复运动。

在图6A和6B中显示的阀门组相互关系是说明性的。应理解，可采用旋转式和非旋转式管和歧管的多种组合。进一步，阀门组可被延长，以适用于多个容器歧管，以便进行完整的循环。

容器100和容器600A、600B利用吸附床在微孔吸附剂材料的表面上和沿着其中的孔空间捕获污染物。图2A是根据一些执行方式的吸附床200的透视图。这里，说明性的吸附床200具有环形的吸附环205。吸附环205的尺寸做成适合图1的容器100的外壳105的内径。

在吸附环205内是多个吸附杆215。吸附杆215基本沿着吸附床200的长度延伸。这意味着，杆215基本从容器100的第一末端102延伸到第二末端104。在吸附杆215之间提供流动通道210。

由优先吸附不期望气体的材料制作吸附环205和吸附杆215。不期望气体可能是CO₂、H₂S、硫醇、气相的重烃、或其组合。

优选地，吸附剂材料选自Si∶Al比大约1∶1至大约1000∶1的8-环沸石，或优选地大约10∶1至大约500∶1，或更优选地大约50∶1至大约300∶1。如此处使用的术语“Si∶Al比”意思是沸石结构的硅与铝的摩尔比。用于捕获酸性气体的更优选的8-环沸石包括DDR、Sigma-1和ZSM-58。具有适当孔径以除去重烃的沸石材料包括MFI、八面沸石、MCM-41、和β。优选的是，为了阻止吸附剂的过度污染，用于除去重烃的沸石的Si∶Al比是大约20∶1至大约1000∶1，优选地大约200∶1至大约1000∶1。

在脱水的原料流含有硫化氢的情况，可能有利的是，利用硅酸锡配制吸附剂。具体地，可利用硅酸锡制作8-环沸石。这类8-环材料的动力学选择性允许快速地将H₂S转移到沸石晶体中，同时阻止甲烷的传输。这增强了从H₂S和甲烷的混合物的选择性分离H₂S。

沸石可以任何适当形式存在于吸附环205和吸附杆215中。例如，沸石材料可以是装填以形成吸附剂材料的珠子形式。用于变吸附方法的吸附性珠或聚集物是本领域已知的，并且可以是任何适当的形状，包括球形或不规则形状。可通过将微孔沸石晶体与粘结剂材料粘附在一起形成吸附性聚集物。由于沸石的晶体结构——在该情形中优选地是8-环沸石——存在微孔。粘结剂材料一般是不具有吸附性能但是用于结合沸石晶体的致密材料。为了有效地起作用，粘结剂颗粒的大小必须小于各个沸石晶体的大小。

在变压吸附方法期间，原料流“I”被注入接触器100，并通过吸附剂材料。优选地，吸附剂材料是8-环沸石材料。8-环沸石允许CO₂（或其他酸性气体组分）以下述方式通过8-环窗口进入内部孔结构：CO₂和甲烷的单组分扩散系数的比例（即D_CO2/D_CH4）大于5，优选地大于10，更优选地大于50，甚至更优选地大于100。在原料流含有H₂S的情况，8-环沸石允许H₂S以下述方式通过8-环窗口进入内部孔结构：H₂S和甲烷的单组分扩散系数的比例（即D_H2S/D_CH4）大于5，优选地大于20，更优选地大于50，甚至更优选地大于100。

单组分扩散系数看作是在吸附等温线的亨利定律体系中对于纯气体测量的传输扩散系数。在亨利定律体系中，沸石中分子的载荷量低，并且在该体系中，Fickian扩散系数和Stephan-Maxwell扩散系数几乎相等。下面更充分地描述支持扩散系数分析的数学。

在吸附床200的一些实施中，可将磁性材料并入吸附杆215中。例如，每一个杆215可具有内孔，并且可沿着内孔放置磁性材料。然后，在装填期间，可使杆215经受磁场或电磁场。磁场引起杆215彼此排斥，因此确保杆215之间的均匀间隔。杆215的均匀装填对于动力学和快速循环吸附方法是特别重要的，这样气体组分相对于彼此不会被优先驱动通过一个流动通道210。

在一个方面，在每一个吸附剂装载周期期间，应用磁场或电磁场。这帮助杆215分开。磁场的应用可进一步提供沸石材料的均匀定向。任选地，可在循环本身期间，应用磁场。

再次参考图2A，在环形吸附环205内和在吸附杆215之间是多个流动通道。在210看到流动通道。流动通道210限定沿着吸附床200的长轴流动的主要流动通道。

流动通道210形成结构化吸附剂接触器类型，称为“平行通道接触器”。平行通道接触器是包括结构化（工程设计）吸附剂的吸附剂接触器——其中基本平行的流动通道被并入吸附剂结构中——的子设备。通过多种方式形成流动通道210，在前面通过引用并入本文的题目为“Removal of CO₂,N₂,and H₂S from Gas Mixtures Containing Same”的美国专利公开号2008/0282887中描述了其中一些。

形成环形的环205和杆215的吸附剂材料对两种或多种气体组分具有“动力学选择性”。如本文使用的，术语“动力学选择性”定义为两种不同种类的单组分扩散系数D（m²/sec）的比例。也将单组分扩散系数称为Stefan-Maxwell传输扩散系数，其针对给定纯气体组分的给定吸附剂进行测量。因此，例如，组分A相对于组分B的具体吸附剂的动力学选择性等于D_A/D_B。

可通过吸附材料领域中已知的检验，测定材料的单组分扩散系数。优选的测量动力学扩散系数的方式是利用由Reyes等人在FrequencyModulation Methods for Diffusion and Adsorption Measurements inPorous Solids,"J.Phys.Chem.B.101，614-622页(1997)中描述的频率响应技术，通过引用将其并入本文。在容器100的动力学控制分离中，优选的是，第一组分（如CO₂）相对于第二组分（如甲烷）的所选吸附剂的动力学选择性（即D_A/D_B）大于5。

如本文使用的术语“选择性”基于在具体的系统操作条件和原料流组成下原料流中组分的摩尔浓度和在工艺循环的吸附步骤期间被具体吸附剂吸附的这些组分的摩尔总数的二元比较。对于含有组分A、组分B和任选地另外组分的进料，对组分A比对组分B具有更大“选择性”的吸附剂在变吸附工艺循环的吸附步骤结束时具有比例：

U_A=（吸附剂中A的总摩尔）/（进料中A的摩尔浓度），其大于比例：

U_B=（吸附剂中B的总摩尔）/（进料中B的摩尔浓度）

其中U_A是“组分A的吸附摄取量”，和

U_B是“组分B的吸附摄取量”。

因此，对于组分A比组分B具有选择性大于1的吸附剂：

选择性＝U_A/U_B（其中U_A>U_B）。

在天然气进料流中不同组分的比较之中，在变吸附方法中，吸附剂中获得的总摩尔数与原料流中其摩尔浓度之比最小的组分是最轻的组分。轻组分被看成是在吸附过程中不被吸附剂优先获取的种类或分子组分。这意思是，在吸附步骤期间出来的流中最轻组分的摩尔浓度大于原料流中该最轻组分的摩尔浓度。在本公开中，吸附剂接触器100具有的第一组分（如CO₂）相比第二组分（如甲烷）的选择性至少为5，更优选地第一组分相比第二组分的选择性至少为10，最优选地第一组分相比第二组分的选择性至少为25。

注意，可能同时地除去两种或多种污染物；然而，为了方便起见，在本文通常将通过选择性吸附除去的组分或多组分称为单一污染物或重组分。

也通过相对流速表征轻组分的回收率。因而，可将甲烷的回收率定义为产物流（在第一出口130的O₁处显示）中的甲烷的时间平均摩尔流速除以原料流（描绘为进气口110）中甲烷的时间平均摩尔流速。类似地，将二氧化碳和其他重组分的回收率定义为污染物流（在第二出气口120的O₂处显示）中重组分的时间平均摩尔流速除以原料流（描绘为进气口110）中重组分的时间平均摩尔流速。

为了增强气体分离方法的效率，本文提出在容器100中提供次要流动通道。次要流动通道沿着杆215增加吸附剂材料的表面区域暴露。

图2B提供图2A吸附床200的分解图。吸附床200被穿过任选的第二出气口120切开。再次看到通过吸附床200延伸的主要流动通道210。另外，在220看到横向流动通道。横向流动通道220充当次要流动通道。看到流动通道220部分地延伸到吸附床200中。然而，任选地，横向流动通道220可延伸绕环形吸附环205周长的大部分路线。

在图2B的布置中，只显示了单个次要流动通道220。然而，吸附床200可具有多个次要流动通道220。任选地，这些可汇集在一起而流动会聚在第二出气口120上。

图2C是图2A吸附床200的纵向横截面图。该图是穿过图2A的线C-C切开的。在图2C中看到纵向的吸附杆215。另外，可在杆215之间看到主要流动通道210。

沿着吸附杆215看到一系列阶梯状表面225。阶梯状表面225也充当次要流动通道。代替阶梯状表面225，表面225可以是螺旋形的或盘旋形的表面。在任何布置中，除了或代替横向通道220之外，可使用阶梯状表面225，以增加表面积和提高动力学选择性而不需要大且昂贵的传热单元。

主要流动通道210和次要流动通道220、225在接触器200中提供气体可流过的通路。通常，流动通道210、220、225提供相对低的流体阻力外加相对高的表面积。流动通道长度应该足够提供期望的传质区域，其至少是流体速度和表面积与通道体积之比的函数。

优选地，流动通道210、220、225可被配置为最小化容器100中的压降。因而，最小化或避免曲折流动路径。如果在床200上出现太多的压降，则不容易获得较高的循环频率，如大于100cpm的量级。另外，优选的是，等距地将杆215排开，以形成一定程度的通道均匀性。

在一个方面，通常分开流动通道210，以便几乎没有或没有交叉流动。在此情况中，在接触器100的第一末端102处进入通道210的流体流动部分不与在第一末端102进入另外的通道210的任何其他流体部分明显连通，直到这些部分在第二末端104离开时重新结合。在这种布置中，主要流动通道210的体积基本上相等，从而确保充分利用基本上所有的通道210以及基本上相等地包含由接触器容器100的内部体积限定的传质区域。

可考虑沿着接触器容器100的压降计算流动通道210的尺寸。优选的是，流动通道210具有大约5至大约1000微米的通道间隙，优选地大约50至大约250微米。如本文使用的，流动通道210的“通道间隙”定义为垂直于流动路径观看时跨过流动通道210的最小尺寸的线的长度。例如，如果流动通道210的横截面是圆形的，则通道间隙是圆的内径。然而，如果通道间隙的横截面是矩形的，流动间隙是垂直于并且连接矩形的两个最长边的线的距离（例如矩形的最小边的长度）。

应该注意，主要流动通道210可以是任何横截面构造或几何轮廓。在图2A和2B中，主要流动通道210是星形的。不管形状如何，优选的是，吸附剂接触器100中吸附剂材料的体积与流动通道体积的比例是大约0.5∶1至大约100∶1，更优选地大约1∶1至大约50∶1。

在一些变压应用中，特别是RCPSA应用，当吸附片被层压在一起时形成流动通道。片内的流动通道包含间隔物或充当间隔物的网状物。然而，间隔物占去许多需要的空间。因此，在本接触器100和相关方法中，层压的片是不期望的。

代替层压的片，可穿过吸附杆加工出多个小的、横向的次要流动通道。图3提供改进布置中的图1变压吸附容器的吸附床300的透视图。吸附床300具有外表面305。外表面305的尺寸做成适合图1容器100的外壳105的内径。

在整块吸附剂材料315内提供主要流动通道310。沿着吸附床300的长轴形成主要流动通道310。然而，为了沿着吸附杆进一步增加表面积，穿过整块材料315形成小的横向通道320。这些通道充当次要流动通道320。

次要流动通道320可以是非常小的管状通道，例如，具有小于大约25微米的直径。次要流动通道320不能如此大以致完全地切断吸附杆315。这样，避免需要支撑用间隔物。

次要流动通道320促进主要流动通道310之间的压力平衡。如果存在过度的通道不一致性，生产力和气体纯度可能受损。在此方面，如果一个流动通道大于临近的流动通道，或比另一个接收更多的气体流，可发生过早的产物穿过。这又导致产物气体纯度减少到不能接受的纯度水平。此外，在大于大约每分钟50循环（cpm）的循环频率下操作的设备比在每分钟更少循环下操作的那些需要更大的流动通道均一性和更小的压降。

现在参考图1和2，图1中容器100显示为圆筒形，其中的吸附杆215显示为管状构件。然而，可采用适用于变吸附方法设备的其他形状。容器布置的非限制性实例包括多种形状的整块材料，其具有多个从整块材料的一个末端延伸到另一端的基本平行的通道；多个管状构件；在每一个片之间具有间隔物的吸附片堆叠层；中空纤维的多层螺旋形卷或束，以及基本平行固体纤维的束。

图4是在可替换布置中变压吸附容器400的横截面图。在该布置中，容器400是半圆形的。容器400同样限定细长的耐压主体。容器400包括外壳401。优选地，用铁或钢制作外壳401。

容器400具有在402显示的第一末端和在404显示的第二末端。在第一末端402提供进气口410，同时在第二末端404提供第一出气口430。任选地，在第一末端402和第二末端404中间，或在进气口410和第一出气口430中间提供第二出气口420。

沿着容器400的长轴提供多个吸附杆415。换句话说，杆415（或纤维）符合容器400的曲线形状。优选地，也在容器400内和沿着它的内表面提供吸附环405。在吸附杆415之间的是主要流动通道450。脱水的原料气流流动经过主要流动通道450，以分离气体。

在图4中，显示五个吸附杆415；然而，应理解，容器400将含有十个或甚至上百个或甚至几千个小的杆415。优选地，杆415之间的主要流动通道450的直径是50至100微米。

应理解，关于图4的布置，在多种形式的吸附剂容纳器的两侧上可布置用于与阀门组接口（如旋转式或非旋转式阀门组接口）连接的端口的单独平行歧管，因而能够在不用产生死体积的空连接管的情况下使循环传输给吸附剂材料。也应理解，如图3中说明的，可使流动通道450和杆415的位置颠倒。

在图4的容器400中，也提供次要流动通道。那些可能依照图2B的横向通道220、图2C的阶梯状（或螺旋形）表面225、或两者。在任一这些布置中，可将吸附剂材料涂覆到容器200/400和杆215/415上。可选地，可用适当的粘结剂从吸附剂材料直接形成杆215/415。直接地从吸附剂加上粘结剂形成的几何形状的实例可以是将沸石/聚合物复合材料挤出成整块材料。直接地从吸附剂形成的几何形状的另一个实例可以是由沸石/聚合物复合材料制造的挤出或旋纺中空纤维。

在优选的变压吸附方法中，气态混合物经过第一容器中的第一吸附床。富含轻组分的产物流从耗尽的床脱出，同时污染物或重组分仍吸附在床中。在预定的时间之后，或者可选地当观察到污染物或重组分穿出时，将气态混合物的流动切换到第二容器中的第二吸附床，以继续纯化。在第二床用于吸附的同时，通过压力的减少，从第一吸附床除去吸附的污染物或重组分。在一些实施方式中，压力的减少伴随着气体的逆流，以帮助解吸重组分。随着容器中的压力减少，逐渐地使床中先前吸附的重组分解吸成富含重组分的产物流。当完成解吸时，可利用惰性气体流，如氮气或工艺气体的纯化流，吹扫吸附床。

在再生第一床以便它再次准备用于吸附之后，将气态混合物的流动从第二床切换到第一床，并且使第二床再生。总的循环时间是从在第一循环中首先将气态混合物引入第一床的时间到在紧随其后的循环中即在第一床的单次再生之后首先将气态混合物引入第一床的时间的长度。当床的吸附循环时间比床的解吸和吹扫循环的循环时间短时，除了第二容器之外，第三、第四、第五等容器的使用可用于增加循环时间。

为了说明接触器容器100的使用，基于动力学快速循环变压吸附（RCPSA）方法的模型提供实施例。该模型称为连续逆流稳态（CCS）。在实施例中，将含有氢气、甲烷和二氧化碳的原料流引入虚拟(virtual)的容器中。然后释放两个单独的产物流——一个代表吸附剂装载之后的产物流（1），另一个代表净化或吹扫之后的产物流（2）。

CCS模型允许当该过程达到它的周期性稳态时计算离开RCPSA单元的分离的产物流的组成。CCS表示法依赖于这样的观察：在周期性状态上RCPSA产生恒定的产物组成（即纯度）。在任何单个循环上，吸附床上的载荷（即被吸附的材料）在产物流的两个固定极端值之间摆动。CCS模拟计算周期性状态轴向分布图和产物组成，作为联立微分方程的解。在技术文献如M.Suzuki,AIChE Symposium Ser.81(242)p.67(1985)以及Farooq和Ruthven,AIChE J.,36(2)p.310(1990)中讨论了该模型。

利用这种方法，说明了组分气体分离的实施例：

实施例1

首先在表1中显示利用非变温PSA（即没有热步骤）的动力学分离。该分离从含有CO₂、CH₄和H₂的原料流中提供以高纯度回收CO₂和CH₄。

在该分离中，原料流含有按体积计25％CO₂、72％CH₄和剩下3.0％的H₂。在吸附剂材料如Takeda3A碳分子筛上，通过动力学分离分离组分。在吸附期间，二氧化碳被吸附到分子筛上，同时甲烷和氢气作为第一产物释放。

如在表1中可见，在产物流（1）处指示的第一产物含有95.08％CH₄。这表示高纯度流。在吹扫循环期间，回收在产物流（2）处指示的第二产物。产物流（2）含有99.76vol.%CO₂。这也表示高纯度流。

表1

具有高纯度产物的动力学RCPSA分馏的实施例

mol％	原料流	产物流（1）	产物流（2）
				H₂	3.0	3.96	0.00
CH₄	72.0	95.08	0.24
				CO₂	25.0	0.95	99.76

表1中示出的纯度和回收率与Urano等人在1991年公开的EP0426937中声称获得的那些相当。该欧洲专利由Saibo Gas Co.,Ltd.和Mitsubishi Petrochemical Engineering Co.,Ltd.一起获得。Urano等人声称下列分离：

表2

EP0426937

mol％	原料流	产物流（1）	产物流（2）
				H₂	2.7	3.61	0.00
CH₄	72.1	96.05	1.03
				CO₂	25.2	0.34	98.97

然而，Urano等人依赖于热步骤。相反，利用快速循环动力学的本方法能够提供基本相同的分离，而在再生期间不利用变温。因此，不需要Urano等人要求的热交换器和相关设备。本方法能够利用更高的传质和动力学循环而设备更少。

实施例2

本文也提供气体组分分离的第二实施例。在该另外实施例中，再次提供利用非变温PSA（即无热步骤）的动力学分离，结果显示在表3中。该分离提供以高纯度从含有CO₂、CH₄和H₂的原料流回收CO₂和CH₄。

在该分离中，原料流含有按体积计50.0％CO₂、48.5％CH₄和剩余1.5％H₂。这里注意，与表1比较，该实施例2中的原料流含有两倍的CO₂相对量。再次，在吸附剂材料如Takeda3A碳分子筛上，通过动力学分离将组分分离。在吸附期间，二氧化碳被吸附到分子筛上，同时甲烷和氢气作为第一产物释放。

在产物流（1）处指示的第一产物含有96.04％CH₄。这表示高纯度流。在吹扫循环期间，回收在产物流（2）处指示的第二产物。如表2中显示，产物流（2）含有99.95vol.％CO₂。这表示非常高纯度流。

再次，表3中的纯度类似于表2中显示的Urano等人获得的那些。然而，利用快速循环动力学的本公开方法能够提供相同的分离而不用Urano等人要求的热步骤和相关设备。

表3

具有多种高纯度产物的动力学RCPSA分馏的实施例

mol％	原料流	产物流（1）	产物流（2）
				H₂	1.5	2.97	0.00
CH₄	48.5	96.04	0.05
				CO₂	50.0	0.99	99.95

一种单独的模型也可用于预测组分分离和用于设计PSA接触器。该模型依赖于吸附等温线。在这个方面，对于精心设计的动力学控制变吸附方法，可从与接触器中其局部气相浓度平衡的重组分的吸附等温线，近似地计算吸附材料的微孔中重组分的量。类似地，对于精心设计的平衡控制的变吸附方法，可从与接触器中它们的局部气相浓度平衡的重组分和轻组分的竞争性吸附等温线，近似地计算微孔中重组分的量。这些近似是可能的，因为在精心设计的变吸附方法中，接触器在接触器的微孔中的气相和吸附相之间提供良好的传质特性。

将接触器的微孔或自由体积中重组分的最大可实现载荷称为q_s（q_s的单位是毫摩尔/m³微孔或聚合材料）。在低压，重组分的吸附等温线通常遵守亨利定律。因此，可将微孔或聚合材料中吸附的重组分的量表示为：

q_重组分＝K_重组分P_重组分q_s（毫摩尔/m³）

其中，K_重组分是亨利常数，和

P_重组分是重组分的分压。

亨利常数（K_重组分）依赖于温度，通常依照下述等式变化：

K_重组分＝Koe△H/RT（帕斯卡^-1），和

△H是吸附热（焦耳/摩尔）。

为了提高动力学控制的变吸附方法的选择性和回收率，应选择入口温度和压力，使得在吸附步骤结束时靠近将原料流引入接触器的点的微孔中的重组分的载荷应大于0.15q_s，优选地大于0.3q_s，甚至更优选地大于0.6q_s。这种要求给入口压力设置了下限和给入口温度设置了上限。随着吸附剂的微孔中重组分的载荷增加，接触器中选择性吸附的材料量增加，并且在解吸步骤中可选择性释放的材料量增加。增加载荷显著超过该范围减小了轻组分的回收率，因为吸附等温线的斜率倾向于随着压力增加而减小。

为了最大化轻组分的回收率，也优选的是，在靠近将原料流引入接触器的点，重组分的吸附等温线的斜率足够大，使得：

其中α=1/50，或更优选地α=1/25，或甚至更优选地α=1/8。

该不等式给入口压力设置了上限，给入口温度设置了下限。因此，该要求限定了优化轻组分回收率的原料流压力和温度的窗口（即最大值和最小值）。该窗口在天然气分离中是重要的，因为一些天然气通常在范围从1500至7000psi的压力下生产。这些进料压力通常太大而不落在甲烷的最佳回收率窗口内，在变吸附分离中甲烷充当轻组分。

这里注意，可以以考虑固有扩散率和平衡等温线斜率的方式表达有效扩散比率或选择性。平衡等温线斜率是：

\frac{Δq}{Δc}

其中：△q是组分载荷的变化；和

△c是该组分浓度的变化。

在低组分浓度下该倾斜等于亨利常数。

可利用下列结果得到有效扩散比率（或吸附剂的种类1优先于种类2的选择性，其中种类1是“重的”，例如CO₂，种类2是“轻的”，例如CH₄）：

其中：D₁是重种类的扩散率；

D₂是轻种类的扩散率；

是固有扩散比率，其量度所关注动力学吸附剂的摄取率的差异。该值可在100至500的量级，可能更高。

斜率2是轻种类的浓度变化。

斜率1是重种类的浓度变化。

对于所关注的动力学吸附剂，斜率比

的守恒值（利用典型的亨利区域）具有0.3量级。因此，选择性具有100×0.3×0.3＝9的量级。注意，如果轻种类变得甚至更不易被吸附（即斜率2减小），则它的D₂值也减小，以反映下降的摄取。

通过利用涡轮膨胀机预处理天然气，对于大多数重组分（如CO₂、N₂、和H₂S）分离，可能进入最佳轻组分回收窗口。涡轮膨胀机从气体膨胀回收能量。然后，从气体膨胀回收的能量可用于产生动力，或帮助再压缩分离的酸气组分（如CO₂或H₂S），以便可将它们处理在地下地层中。适合于处理/隔离CO₂和H₂S的地下地层包括含水层——其具有阻止注入的酸气组分显著损失的顶部密封、储油层、储气层、耗尽的储油层和耗尽的储气层。

一般地，必须将分离的CO₂和H₂S再压缩到大于2000psi的压力，经常到大于5000psi的压力，以进行酸气注射。因而，能够将从涡轮膨胀机回收的能量再用于再压缩是有益的。涡轮膨胀机的成本小于气体燃烧的涡轮产生相同量的动力。因此，利用涡轮膨胀机从用于处理天然气以获得最佳甲烷回收窗口的气体膨胀捕获能量在经济上是有利的。可用联轴发电机或用联轴压缩机回收能量。

基于上述技术和改进的接触容器100、600A和600B，本文提供了从天然气混合物分离甲烷的方法500。图5提供说明从天然气混合物分离甲烷的方法500的步骤的流程图。方法500在一个或多个容器中采用变压吸附，而在吹扫循环期间不进行容器的热量加热。

如方法500中使用的，术语变压吸附包括传统的变压吸附（PSA），以及所谓的分压变化吸附或排代脱附吸附（PPSA）技术。任选地，可利用快速循环进行变吸附方法，在这种情形中将它们称为快速循环变压吸附（RCPSA），和快速循环分压变化吸附或排代脱附吸附（RCPPSA）技术。

方法500首先包括将天然气混合物引入气体分离单元。这在框510中提供。气体分离单元包括至少一个变压吸附容器。该容器利用污染物相比甲烷的动力学选择性大于5的吸附剂材料。污染物可以是CO₂、H₂S、H₂O、重烃、VOC、或其组合。

每一个容器具有进气口和第一出气口。另外，每一个容器具有穿过吸附剂材料的至少两个主要流动通道。主要流动通道使进气口和第一出气口流体连通。

所述容器是独特的，因为它们也包括穿过吸附剂材料的至少两个次要流动通道。次要流动通道与主要通道流体连通。次要流动通道增加吸附剂材料的表面积，因此增加吸附性。

在一些执行方式中，至少两个主要流动通道的每一个由多个杆和/或沿着多个杆的长轴形成。基本上等距地排开杆，给流动通道提供基本上均匀的流动体积。在该实施方式中，至少两个次要流动通道可通过沿着各个杆的多个阶梯式表面或通过螺旋形表面形成。可选地，至少两个次要流动通道通过与至少两个主要流动通道相交并且使进气口和第二出气口流体连通的流动通道形成。优选地，至少两个次要流动通道基本上横向于至少两个主要流动通道。

方法500也包括将至少一个容器置于压力下，以使天然气混合物中的污染物吸附到吸附剂材料上。这在框520中可见。依照方法500，天然气混合物内的污染物以气相被动力学地吸附在吸附剂材料内。在压力下污染物驻留在吸附剂材料的表面和微孔中。

方法500进一步包括从容器的第一出气口释放由按体积计至少95％的甲烷组成的产物流。这在框530显示。虽然产物流主要包括甲烷，它也可含有氢气、氮气或其组合。

方法500也包括从吸附剂材料解吸或吹扫污染物气体。这通过减少容器内的压力进行。在框540提供解吸步骤。在不给容器加热的情况下，进行框540的解吸步骤。从框540的解吸步骤，传输包括按体积计至少95％的污染物气体或多种污染物气体的废气流。

优选地，在小于一分钟的联合循环中进行吸附520和解吸540步骤。这样，方法500提供快速循环变压吸附方法。RCPSA接触器可利用旋转式阀门组系统，以引导气体流动通过旋转式吸收器模块，尽管也可使用非旋转式阀门组。吸收器模块包括在环形路径周围有角度地排开的阀门组元件。通常，旋转式吸收器模块也包括在模块的任一端上的两个密封板之间支撑的多个管。密封板与由单独的歧管组成的固定片接触，其中将进口气引入RCPSA管中，以及将处理的纯化的产物气引导离开模块。通过密封板和歧管的适当布置，许多单独的隔间或管可经过循环。更具体地，每一个管或隔间相继地在适当的方向和压力下经过气体流动通路，以便在完整的RCPSA循环中完成一个增加的压力/流动方向步骤。管或隔间可移动或可以是静止的，以便产生阀门组。

优选的是，利用RCPSA进行方法500。在RCPSA中，随着旋转式模块完成操作循环，每一个管相继地循环通过吸附520和解吸540步骤。该循环方法允许RCPSA技术更有效使用吸附剂材料。对于完成相同的分离数量和质量，RCPSA技术需要的吸附剂材料的数量可以比传统的PSA技术需要的数量小得多。结果，RCPSA需要的占地面积、投资和活性吸附剂量一般显著地低于处理相等气体量的传统PSA单元。

返回步骤540，对于从吸附剂材料解吸二氧化碳（或其他污染物气体），可通过进气口输送废气流。可选地，可布置阀门组，以便通过第一出气口输送废气流。在一个方面，至少一个吸附剂容器进一步包括在进气口和第一出气口中间的第二出气口。在这种情形中，经框540解吸污染物气体可从第一出气口释放第一部分废气流和从第二出气口释放第二部分废气流。

在方法500的一些执行方式中，解吸污染物气体的步骤540包括在第一时间期间释放第一部分废气流，和在第二时间期间释放第二部分废气流。第一部分废气流可包括按体积计至少98%的CO₂。第二部分废气流可主要地包括氮气、氢气、甲烷、H₂O、或其组合。注意，可颠倒或操纵排气的具体顺序。

在一些执行方式中，方法500进一步包括选择离子流体作为吸附剂。这在框550显示。离子流体用于增强吸附剂材料的吸附性能。然后方法500包括在将天然气混合物引入进气口之前，沿着主要和/或次要流动通道将选择的离子流体置于吸附剂材料的表面上。这在框560提供。离子液体可被认为是阳离子交换沸石的液相形式。

在另一个方面，方法500进一步包括将磁场应用于容器中的吸附剂材料。这在框570显示。磁场激发了可沿着吸附杆放置的铁磁材料，基本上引起杆彼此排斥。这又为原料流形成均匀的流动通道。

通过利用形成细长的主要流动轴的吸附剂材料，本方法甚至当在高压下供给天然气时，例如入口压力大于大约50psig，优选地入口压力大于大约150psig，更优选地入口压力大于大约500psig，甚至更优选地入口压力大于大约1000psig，能够获得大于大约80vol%的甲烷回收率，更优选地大于大约85vol%，甚至更优选地大于大约90vol%，还更优选地大于大约95vol%。实际上，甚至当气体流在大约3000psig的特别高压力下，也可使用本方法。

虽然显然本文所述发明被很好地设计以获得上述益处和优势，但应理解，在不背离其精神的情况下，可对本发明进行改进、改动和改变。

Claims

1.从天然气混合物分离甲烷的方法，所述方法包括：

将天然气混合物引入气体分离单元，所述气体分离单元具有至少一个容器，其由下列组成：

用于接收所述天然气混合物的进气口，

第一出气口，

吸附剂材料，其具有大于5的污染物相比甲烷的动力学选择性，以便污染物成为动力学吸附在所述吸附剂材料内的气体，

至少两个主要流动通道，其通过所述吸附剂材料，使所述进气口和所述第一出气口流体连通，和

至少一个次要流动通道，其通过所述吸附剂材料，所述次要流动通道与所述主要流动通道流体连通；

将所述至少一个容器置于压力下，以使污染物吸附到所述吸附剂材料；

从所述第一出气口释放由按体积计至少95%的甲烷组成的产物流，和

通过减小所述至少一个容器内的压力，不对所述容器施加热，从所述吸附剂材料解吸污染物气体，因此传输由按体积计至少95％的所述污染物气体组成的废气流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述污染物包括CO₂、H₂S、H₂O、重烃、VOC、硫醇、或其组合。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个容器配置用于通过所述进气口传输所述废气流。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个容器配置用于通过所述出气口传输所述废气流。

5.根据权利要求2所述的方法，其中：

所述至少一个吸附容器进一步包括所述进气口和所述第一出气口中间的第二出气口；和

解吸所述污染物气体从所述第一出气口释放第一部分废气流，以及从所述第二出气口释放第二部分废气流。

6.根据权利要求2所述的方法，其中：

所述容器进一步包括多个杆；

所述至少两个主要流动通道的每一个在所述多个杆之间并且沿着所述多个杆的长轴形成；和

所述多个杆基本上等距地隔开，提供具有基本均匀体积的所述主要流动通道。

7.根据权利要求6所述的方法，其中：

所述至少一个次要流动通道由沿着各个杆的多个阶梯式表面形成。

8.根据权利要求6所述的方法，其中：

所述多个杆的每一个包括其中的孔；

所述多个杆的每一个包括沿所述孔放置的铁磁性材料；和

所述方法进一步包括将磁场施加于所述多个杆，以形成所述多个杆的均匀间隔。

9.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：

选择离子流体作为吸附剂，以增强所述吸附剂材料的吸附性能；和

在将所述天然气混合物引入所述进气口之前，将选择的离子流体置于所述阶梯式表面上。

10.根据权利要求6所述的方法，其中：

所述至少一个吸附剂容器进一步包括所述进气口和所述第一出气口中间的第二出气口；和

所述至少一个次要流动通道由与所述至少两个主要流动通道相交并且使所述进气口和第二出气口流体连通的流动通道形成。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一个次要流动通道横向于所述至少两个主要流动通道。

12.根据权利要求2所述的方法，其中：

解吸所述污染物气体在第一时间期间释放第一部分废气流和在第二时间期间释放第二部分废气流。

13.根据权利要求12所述的方法，其中：

所述第一部分废气流包括按体积计至少98%的CO₂。

14.根据权利要求13所述的方法，其中：

所述第二部分废气流包括氮气、氢气、甲烷、H₂O、或其组合。

15.根据权利要求2所述的方法，其中在小于一分钟的联合循环中进行所述释放和解吸步骤。

16.根据权利要求2所述的方法，其中所述吸附剂材料进一步包括沿着所述至少一个容器的内径的环形环。

17.根据权利要求2所述的方法，其中所述吸附剂材料包括具有形成所述至少两个主要流动通道的纵向通孔的整块体。

18.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：

在将所述天然气混合物引入所述气体分离单元之前，使所述天然气混合物脱水。

19.从天然气混合物分离甲烷的分馏容器，所述容器包括：

外壳；

进气口，其用于在至少100psig的压力下将所述天然气混合物接收到所述外壳内；

第一出气口，其用于从所述外壳释放至少部分所述天然气混合物；

在所述外壳内的吸附剂材料，所述吸附剂材料具有大于5的污染物相比甲烷的动力学选择性，以便所述污染物以气相被动力学吸附在所述吸附剂材料内；

至少两个主要流动通道，其通过所述吸附剂材料，所述至少两个主要流动通道使所述进气口和所述第一出气口流体连通；和

至少一个次要流通通道，其通过所述吸附剂材料，所述至少一个次要通道与所述主要通道流体连通。

20.根据权利要求19所述的分馏容器，进一步包括：

歧管，其用于在小于一分钟的联合循环中使所述天然气混合物循环通过连续的释放和解吸阶段，所述歧管包括阀门组接口。

21.根据权利要求20所述的分馏容器，其中所述阀门组接口包括旋转式阀门、非旋转式阀门、或其组合。

22.根据权利要求20所述的分馏容器，其中所述阀门组接口与其他分馏容器合作，形成变压吸附系统，所述变压吸附系统包括：

提供吸附的至少一个使用床，

进行减压的至少一个再生床，和

至少一个已再生床，当所述至少一个使用床变得基本饱和时，所述至少一个已再生床保持备用于所述吸附系统。

23.根据权利要求19所述的分馏容器，进一步包括：

在所述进气口和所述第一出气口中间的第二出气口，其在使所述容器解吸时用于释放部分废气流。

24.根据权利要求23所述的分馏容器，其中所述第二出气口基本上正交于所述主要流动通道。

25.根据权利要求19所述的分馏容器，其中：

所述至少一个次要流动通道由与所述至少两个主要流动通道相交并且使所述进气口和所述第二出气口流体连通的流动通道形成。

26.根据权利要求19所述的分馏容器，其中：

所述至少两个主要流动通道的每一个由多个杆并且沿着多个杆的长轴形成；和

所述多个杆基本上等距地隔开，提供具有基本均匀体积的所述流动通道。

27.根据权利要求26所述的分馏容器，其中所述至少两个次要流动通道由沿着各个杆的多个阶梯式表面、由沿着各个杆的螺旋形表面、或其组合形成。

28.根据权利要求26所述的分馏容器，其中：

所述多个杆的每一个包括其中的孔；和

所述多个杆的每一个包括沿所述孔放置的磁性材料。

29.根据权利要求28所述的分馏容器，其中所述至少一个次要流动通道横向于所述至少两个主要流动通道。

30.根据权利要求19所述的分馏容器，其中所述吸附剂材料包括用离子流体至少部分地涂覆的外表面，以增强所述吸附剂材料的吸附性能。

31.根据权利要求19所述的分馏容器，其中所述吸附剂材料包括沿着所述容器的内径的环形环。

32.根据权利要求19所述的分馏容器，其中所述吸附剂材料包括具有形成所述至少两个主要流动通道的纵向通孔的整块体。