CN103764255A - 热集成的吸附-脱附系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于从处理气流捕获目标气体的高容积效率热集成系统包括整体式本体(10)和分配系统。该整体式本体（10）包括第一组多个通道（25）和第二组多个通道（35），所述第一组多个通道和第二组多个通道各具有可逆地吸收目标气体的吸附表面。各通道热连通，从而来自一组多个通道中的目标气体的放热吸附的热量被来自另一组多个通道的目标气体的吸热脱附使用。将目标气体从处理气流分离的方法包括在第一状态与第二状态直接切换高容积效率热集成系统。第一状态中，第一组多个通道（25）经受脱附，同时第二组多个通道（35）经受吸附。第二状态中，第二组多个通道（35）经受脱附，同时第一组多个通道（25）经受吸附。

Description

热集成的吸附-脱附系统和方法
本申请根据35U.S.C.§120要求2011年8月24日提交的美国申请系列第13/216679号的优先权权益，且基于其内容并通过引用将其内容整体结合于此。
背景技术
领域
本发明总体涉及从处理气流捕获目标气体的方法和系统，更具体地涉及以热集成方式同时吸附和脱附目标气体的系统和方法。
技术背景
可以用多种方式来完成从除了目标气体还含有一种或多种气体的处理气流捕获目标气体。例如，目标气体的捕获可首先涉及将目标气体吸附到吸附材料上。当吸附材料饱和时，目标气体可从吸附材料脱附，由此再生吸附材料，用于进一步使用。吸附是放热（即，能量释放）过程，而脱附是吸热（即，能量吸收）过程。由此，当保持低温时，吸附过程反应良好，而脱附过程在升高的温度下反应良好。当在相同系统内同时发生吸附和脱附过程时，任何系统的热优化会是挑战性的。
涉及目标气体的吸附和脱附的复杂系统可包括热交换器，该热交换器带走在放热吸附过程期间产生的热。然后，为了释放所吸附的目标气体，可通过提高吸附温度（温度摆动调节或PSA）来形成化学势或通过降低周围环境中目标气体的分压力（压力摆动调节或PSA）来形成化学势。在吸热脱附过程期间，诸如在TSA过程中，可通过热交换器将能量供应至吸附材料，或者，诸如在PSA过程中，如果没有外部热源，整个系统的温度可能降低。
热交换器的制造提出多个制造挑战，且涉及热交换器的相关处理是能量密集型的。例如，在基于整体式的系统中，能使得选定的通道壁不透水，使得热交换器的流体与吸附剂层隔离。这种构造由于将某些通道仅专用于冷却剂而降低效率。此外，在吸附期间，需要外部能量来泵送冷却剂流体并提取热量，以及在脱附期间提供热量。
因此，存在着从处理气流捕获目标气体的替代系统和方法的需求。
发明内容
根据各实施例，提供了一种从处理气体捕获目标气体的高容积效率热集成系统。该高容积效率热集成系统可包括整体式本体和分配系统。该整体式本体可包括穿过该整体式本体的第一组多个分离通道和穿过该整体式本体的第二组多个分离通道。所述第一组多个分离通道和所述第二组多个分离通道布置成使得所述第一组多个分离通道的各个通道与所述第二组多个分离通道的各个通道热连通。所述第一组多个分离通道的第一分隔壁和所述第二组多个分离通道的第二分隔壁包括吸附材料的吸附表面，所述吸附表面从处理气流可逆地吸收目标气体。该分配系统为该整体式系统供应来自处理气体源的处理气流以及来自吹扫源的吹扫流。通过该分配系统的动作，该高容积效率热集成系统在第一状态与第二状态之间切换。第一状态中，该分配系统同时将处理气流供应至所述第二组多个分离通道和将吹扫流供应至所述第一组多个分离通道。第二状态中，该分配系统同时将处理气流供应至所述第二组多个分离通道和将吹扫流供应至所述第一组多个分离通道。
根据另一实施例，从处理气流分离目标气体的方法包括使用具有整体式本体的高容积效率热集成系统。该方法可包括引导步骤，其中，该处理气流被引入该整体式本体的该第一组多个分离通道，从而使得目标气体被吸入该第一组多个分离通道的吸附表面。接下来，可执行热集成第一阶段，包括三个同时进行的过程：（i）将处理气流流过整体式本体的所述第二组多个分离通道，从而致使所述目标气体放热地被吸入所述第二组多个分离通道的吸附表面，（ii）用流动吹扫流来吹扫所述第一组多个分离通道，从而使得所述目标气体从所述第一组多个分离通道的吸附表面吸热地脱附并进入所述流动吹扫流；以及（iii）从所述第二组多个分离通道排放处理气体排气和从所述第一组多个分离通道排放吹扫排气。
在下面的详细描述中将阐述本文所述的实施例的其它特征和优点，它们对本领域的技术人员来说部分地可从该说明书中变得显而易见，或可通过如本文（包括下面的详细描述、权利要求书以及附图）所述那样来实践本发明认识到。
应予理解的是，上面的总体说明和下面的详细说明都描述了本发明的各实施例，并意在提供概况或框架以便理解如所要求保护的主题的性质和特征。包括附图以提供对各实施例的进一步理解，附图包括在说明书中并构成说明书的一部分。附图示出本发明的各实施例并与说明书一起用于解释本主题的原理和操作。
附图说明
图1是根据本文所述的实施例的适合作为高容积效率热集成系统的部件的整体式主体的立体图；
图2是根据本文所述的一个或多个实施例的用于高容积效率热集成系统的圆柱形整体式主体的俯视图；
图3是图1的整体式主体的剖视图；
图4示意性示出根据本文实施例的构造为静态系统的高容积效率热集成系统；
图5A示意性示出根据本文所述的一个或多个实施例的构造为具有可旋转整体式主体的动态系统的高容积效率热集成系统；
图5B示意性示出在从第一状态切换到第二状态期间，图5A的动态系统，在该期间，整体式主体旋转；
图6以图形方式示出模拟一种热集成系统的连续周期的CO2吸附数据，该CO2吸附数据类似于根据本文描述的一个或多个实施例的高容积效率热集成系统的CO2吸附数据;
图7以图形方式示出非本发明的非集成系统的模拟数据，作为与来自图6的数据相比较的基础；
图8以图形方式示出模拟一种热集成系统的连续周期的热管理数据，该热管理数据类似于根据本文描述的一个或多个实施例的高容积效率热集成系统的热管理数据;以及
图9以图形方式示出非本发明的非集成系统的模拟数据，作为与来自图8的数据相比较的基础。
具体实施方式
现将详细参考用于捕获来自处理气体源的目标气体的高容积效率热集成系统和方法的实施例。在附图中示出各系统和方法。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。图1示意性示出用于高容积效率热集成系统中的整体式主体的一个实施例，该系统用于从处理气流移除目标气体。该整体式本体总体包括第一组多个分离通道和第二组多个分离通道，该第一组多个分离通道穿过该整体式本体并平行于整体式本体的第一流动轴线，该第二组多个分离通道穿过该整体式本体并平行于整体式本体的第二流动轴线。通道的分隔壁包括从处理气流吸收目标气体的吸附表面。该整体式本体可以联接到分配系统，以形成高容积效率热集成系统，该高容积效率热集成系统在第一状态与第二状态之间切换，在第一状态中，分配系统同时将处理气流供应至第二组多个分离通道和将吹扫流供应至第一组多个分离通道，在第二状态中，分配系统同时将处理气流供应至第二组多个分离通道并将吹扫流供应至第一组多个分离通道。这里将具体参考附图进一步描述高容积效率热集成系统及使用其来从处理气流移除目标气体的方法。
图1示出一个实施例的整体式本体10。图1中的该整体式本体包括四个堆叠的整块材料20a、20b、30a、30b。该四个堆叠的整块材料20a、20b、30a、30b包括两个第一整块材料20a,20b和两个第二整块材料30a,30b。第一组多个分离通道25延伸穿过两个第一整块材料20a、20b，且因此还穿过整体式本体10，通道25具有在整体式本体10相反端上的开口。图1所示的整体式本体10中，第一组多个分离通道25的各个通道彼此平行并平行于整体式本体10的第一流动轴线x。第二组多个分离通道35延伸穿过两个第二整块材料30a、30b，且因此还穿过整体式本体10，通道35具有在整体式本体10的相反端上的开口。虽然所示出的整体式本体10具有四个堆叠的整块材料20a、20b、30a、30b，但会理解，也可存在仅一个整块材料，或任何数量的堆叠的整块材料，诸如大于2、大于10、大于50、大于100或大于1000。
图1所示的整体式本体10的实施例中，第二组多个分离通道35的各个通道彼此平行并平行于整体式本体10的第二流动轴线y。第一组多个分离通道25的各个通道中没有一个与第二组多个分离通道35的各个通道的任一个流体连通。应理解，第一流动轴线x和第二流动轴线y可对应于或不对应于或者平行于或不平行于整体式本体10的对应对称轴；而是，第一流动轴线x和第二流动轴线y表示穿过整体式本体10的参考线，各分离通道的流动路径平行于该参考线布置。
如下面更详细描述的，图1所示的整体式本体10可以被纳入各种高容积效率热集成系统并用于从处理气流捕获目标气体的方法。该高容积效率热集成系统可以例如构造为静态系统或动态系统。动态系统及其使用方法可涉及旋转整体式本体10。如此，在一些系统构造中，可能要求该整体式本体10关于旋转轴线z旋转对称，从而当围绕旋转轴线z以增量90°或180°旋转该整体式本体时，例如，整体式本体10的各面或表面将与动态系统的其它部件对齐。虽然图1中的整体式本体围绕旋转轴线z以90°增量旋转对称，但应理解，整体式本体不一定具有相同的沿第一流动轴线x和第二流动轴线y的尺寸。
图2示出替代实施例的整体式本体。该实施例中，整体式本体是圆柱形的。该圆柱形整体式本体11可包括单个圆柱形整块材料或多个圆柱形整块材料，所述多个圆柱形整块材料首尾相接地堆叠，使得多个圆柱形整块材料的通道对齐。第一组多个分离通道25由圆柱形整体式本体11中的内圈通道构成。第一组多个分离通道25延伸穿过圆柱形整体式本体11，其开口在圆柱形整体式本体11的相反端上。第一组多个分离通道25的各个通道通过第一分隔壁22彼此分离（图2中仅标示其中一个）。第二组多个分离通道35由圆柱形整体式本体中的外圈通道构成。第二组多个分离通道35延伸穿过圆柱形整体式本体11，其开口在圆柱形整体式本体11的相反端上。第二组多个分离通道35的各个通道通过第二分隔壁32彼此分离（图2中仅标示其中一个）。第一组多个分离通道25的各个通道通过分离壁40（图2中仅标示其中一个）与第二组多个分离通道35的各个通道分离。由此，可通过分离壁40在第一组多个分离通道25与第二组多个分离通道35之间建立直接热连通。如本文所使用的，直接热连通意思是在第一组多个分离通道25的实心部分与第二组多个分离通道35的相对应实心部分之间直接发生热传递而不通过额外的介质的热通路，该额外的介质诸如为空气间隙、冷却通道或者介于第一本体与第二本体之间的冷却剂流体。
图2所示的圆柱形整体式本体11中，第一组多个分离通道25的各个通道彼此平行并平行于整体式本体11的第一流动轴线x。第二组多个分离通道35的各个通道彼此平行并平行于圆柱形整体式本体11的第二流动轴线y。由此，圆柱形整体式本体11的第一流动轴线x和第二流动轴线y相同，且由此第一组多个分离通道和第二组多个分离通道的各个通道限定对应的流动路径，所述对应的流动路径彼此平行。但是，第一组多个分离通道25的各个通道中没有一个与第二组多个分离通道35的各个通道的任一个流体连通。当第一组多个分离通道的对应流动路径平行于第二组多个分离通道的对应流动路径时，在任何给定时间，根据需要，穿过各分离通道的气流可以是共流布置（即对于所有分离通道，沿相同方向）或者逆流布置（即，第一组多个分离通道中的流动与第二组多个分离通道中的流动方向相反）。
类似图1的整体式本体10，图2所示的圆柱形整体式本体11也可被纳入各种高容积效率热集成系统和从处理气流捕获目标气体的方法。需要注意，圆柱形整体式本体11关于该圆柱形整体式本体11围绕旋转轴线z的180°旋转是对称的。因此，圆柱形整体式本体11可适于同时用于下文更详细描述的静态系统和动态系统中。
虽然图1和2代表整体式本体的两个实施例，应理解可使用其它形状和大小的整块材料来构造整体式本体，该整体式本体具有第一组多个分离通道和与所述第一组多个分离通道直接热连通、但不流体连通的第二组多个分离通道。另外，整体式本体中各个通道的横截面形状不限于图1和2所示的那些。而是，整体式本体中各个通道可具有任何想要的横截面，包括但不限于，长方形、正方形、圆形、椭圆形、六边形、三角形、具有3到20边的任何规则或不规则的多边形，以及它们的组合。较佳地，各个通道的横截面被选择成最大化各个通道的横截面面积与整体式本体的沿垂直于各个通道的流动方向的方向切的横截面面积的比率。因此，应容易地理解多种空间填充选项是可能的，例如一种或多种类型的几何形状构造通道的分格。除了图1和2所示的构造外，作为另一示例，各通道的六边形分格构造是合适的。
不考虑整体式本体的形状和整体式本体中各个通道的构造，该整体式本体作为整体可以由一个或多个整块材料构成，所述一个或多个整块材料由任何合适的材料制成，包括例如玻璃、陶瓷、非氧化物陶瓷（例如，碳化物、氮化物）、碳、金属、合金、金属、聚合物、复合材料、和它们的混合物。一般而言，材料可以是非多孔的或多孔的，条件是整体式本体或其各部分中任何空隙度大小不足以允许形成在整体式本体中的第一组多个分离通道的各个通道与第二组多个分离通道的各个通道之间的流体连通。较佳地，该整体式本体或其各部分由高导热材料制成，这提高了一个或多个第一通道组之间的热连通效率，所述一个或多个第二通道组中，吸热反应与在一个或多个第二通道组中发生的放热反应同时发生。
参考图3，图1所示的整体式本体10的横截面用于示出高容积效率热集成系统以及从处理气流捕获目标气体的方法的其它细节。如图1和3所示，四个堆叠的整块材料20a、30a、20b、30b共同构成整体式本体10。第一整块材料20a中分离通道25a、25b和第一整块材料20b中分离通道25c、25d全部限定沿第一流动轴线x的流动路径（参见图1），如图3中水平定向所示。第二整块材料30a中的分离通道35a、35b和第二整块材料30b的分离通道35c、35d全部限定延伸入图3的平面（即，沿图1的第二流动轴线y）的流动路径。第一分隔壁22分隔两个第一整块材料20a、20b中的各个分离通道25a、25b、25c、25d。第二分隔壁32分隔两个第二整块材料30a、30b中的各个分离通道35a、35b、35c、35d。虽然图1和3中整体式本体10的分离通道示出有特定定向并彼此垂直，应理解这些定向仅是说明性而非限制性。
参考图1和3，整体式本体10包括穿过该整体式本体10的第一组多个分离通道。第一组多个分离通道包括在第一整块材料20a中的分离通道25a、25b和在第一整块材料20b中的分离通道25c、25d。整体式本体10还包括穿过该整体式本体10的第二组多个分离通道。第二组多个分离通道包括在第二整块材料30a中的分离通道35a、35b和在第二整块材料30b中的分离通道35c、35d。第一组多个分离通道25a、25b、25c、25d的各个通道不与第二组多个分离通道35a、35b、35c、35d的各个通道中任一个流体连通。
第一组多个分离通道25a、25b、25c、25d和第二组多个分离通道35a、35b、35c、35d可以布置成使得第一组多个分离通道25a、25b、25c、25d的各个通道与第二组多个分离通道35a、35b、35c、35d的各个通道直接热连通。图3中示出直接热连通的示例性实施例，通道25b与通道35a之间、通道25c与通道35b之间、通道25d与通道35c之间的双头箭头指示通道之间的可能热流动方向。在热仅通过实心物体从属于第一组多个分离通道25a、25b、25c、25d的通道传递到属于第二组多个分离通道35a、35b、35c、35d的一个或多个通道的意义上说，这些通道之间的热连通可以是直接热连通。这种实施例中，热仅通过第一分隔壁22和第二分隔壁32传递，而不穿过诸如介于各通道之间的空气间隙、冷却通道或冷却剂流体的其它介质。当然，应理解，图3所示的直接热连通路径不是描述直接热连通的仅有可能的路径。而是，该直接热连通路径说明一机理，通过该机理协同使用通过一组多个分离通道中放热过程释放出来的热和由另一组多个分离通道中吸热过程吸收的热，以提高本文所描述的高容积效率热集成系统的效率。
参考图3，第一组多个分离通道25a、25b、25c、25d的第一分隔壁22和第二组多个分离通道35a、35b、35c、35d的第二分隔壁32包括吸附表面50。吸附表面50可包括吸附材料，该吸附材料可逆地吸收目标气体，通常从含有目标气体以及其它气体的处理气流吸附目标气体。例如,吸附材料可以从处理气流可逆地吸收二氧化碳或硫化氢，或者一种或多种其它气体，如甲烷、氮气、或氢气。如本文所使用的，“从处理气流可逆地吸收目标气体”意思是吸附材料可以以第一组运行参数（例如，温度、总压力和/或目标气体的分压力）从处理气流吸收目标气体以及通过改变到第二组运行参数（例如，通过提高温度、降低总压力，和/或降低目标气体的分压力）来从吸附材料脱附所吸收的目标气体。非限制性的实施例中，处理气流可以例如是天然气、烟气、空气、沼气、来自氢气生产过程中的水气变换混合物、燃烧过程的废气。其它非限制性实施例中，目标气体可以是存在于例如天然气或烟气的处理气流中的二氧化碳或硫化氢。
一些实施例中，吸附表面50可以包括吸附材料，该吸附材料不同于制成整体式本体10的材料。这种实施例中，吸附材料可以施加到整体式本体10，例如通过洗涂，从而吸附表面50是涂层。这种涂层可具有任何实际厚度，诸如10μm至5000μm、从100μm至2000μm，或者从200μm至1000μm，取决于分离通道的尺寸和整体式本体10对于目标气体所需要的吸附性能。或者，其它实施例中，整体式本体10本身可以完全由合适的吸附材料构造成。该情形中，吸附表面50仅仅是分离通道内的分隔壁的暴露表面，因为分隔壁本身作为整体式本体10的一部分且由此包括构成整体式本体10的吸附材料。
可被洗涂到整体式本体10的合适的吸附材料包括，作为非限制性实例，沸石、沸石咪唑酯骨架、金属有机骨架、碳、介孔氧化铝和包含SBA-15等的二氧化硅，和上述材料的任何组合，以及与胺或氨基基团官能化的任何上述材料。
可构造整体式本体10的合适的吸附材料包括，作为非限制性实例，沸石、活性炭、沸石咪唑酯骨架、金属有机骨架、碳、介孔氧化铝和包含SBA-15等的二氧化硅，和上述材料的组合。如果目标气体例如是二氧化碳，特别合适的吸附材料包括，作为非限制性实例，沸石、沸石咪唑酯骨架、金属有机骨架、碳、介孔氧化铝和包含SBA-15等的二氧化硅，和上述材料的组合，以及与胺或氨基基团官能化的任何上述材料。
如下面所描述的，整体式本体的任何合适构造可以被纳入各种构造的高容积效率热集成洗涂和用于从处理气流捕获目标气体的方法。将理解，图1的整体式本体10和图2的圆柱形整体式本体11仅仅是适于这种系统和方法的整体式本体类型的两种特定实施例，且在该系统和方法中可使用其它类型的整体式本体。但是，为了说明高容积效率热集成系统的工作原理以及包含呈特定实施例形式的整体式本体的方法，仅示出一种特定类型的整体式本体，具体地类似于图1和3中的整体式本体10的整体式本体。因此，应理解，本文描述的系统仅通过单种类型的整体式本体来说明，诸如直接热连通的各方面对于可用于本文描述的系统和方法的实施例中的任何类似的整体式本体是共通的。
现将参考两个特定实施例来描述从处理气流移除目标气体的高容积效率热集成系统和方法。虽然可能存在很多替代实施例以及该特定实施例的变型，这两个特定实施例可包括如图4所示的静态系统100以及如图5A和5B所示的动态系统101。
首先参见图4，高容积效率热集成系统的一个实施例示出为静态系统100。该静态系统100包括整体式本体10和分配系统150。该静态系统100中的整体式本体10包括关于图1和3描述的整体式本体10描述的所有结构元件。但是，图4中的整体式本体从顶部看，从而其中的所有分离通道都看不到。为了说明，图4中以虚线示出第一组多个分离通道25。这里，整体式本体10中的第一组多个分离通道每个平行于第一流动轴线x，并建立第二入口歧管130与第二出口歧管135之间的流体连通。类似地，整体式本体10中的第二组多个分离通道每个平行于第二流动轴线y，并建立第一入口歧管110与第一出口歧管115之间的流体连通。
第一入口歧管110和第二入口歧管130关于整体式本体10构造为任何合适的结构，该任何合适的结构将处理气流或吹扫流的流动引导和分配到整体式本体10的关于特定流动轴线对齐的各分离通道中。同样，第一出口歧管115和第二出口歧管135关于整体式本体10构造为任何合适的结构，该任何合适的结构将从整体式本体10的分离通道离开的处理气流或吹扫流的流动引导到合适的管道或其它排放装置中。第一出口歧管115与第一排放系统120流体连通，而第二出口歧管135与第二排放系统140流体连通。
虽然图4中的整体式本体10的俯视图示出整体式本体的顶部横截面为方形，与图1相一致，但该方形形状意指说明性而非限制性。将理解，也考虑整体式本体10的其它几何形状，且所述的其它几何形状也可被纳入具有下文描述的相同结构特征的相似高容积效率热集成系统。例如，该整体式本体10可具有沿第一流动轴线x的宽度，该宽度不同于沿第二流动轴线y的长度。替代实施例中，图4所示的整体式本体10可以由圆柱形整体式本体11（参见图2）替换，且歧管110、115、130、135可以被重新构造来适应该圆柱形整体式本体。
静态系统100还包括分配系统150。分配系统150为该整体式系统10供应来自处理气体源160的处理气流以及来自吹扫源170的吹扫流。作为非限制性示例，处理气体源160可包括诸如加压罐的容器、诸如泵的装置、连接到诸如天然气井的加压源的开口管道，或它们的任何组合。吹扫源170还可包括供应吹扫气体的吹扫流的任何合适的容器，包括例如加压罐。虽然所使用的处理气体源160的类型可能高度取决于静态系统100的所需应用，吹扫源170通常包括用于供应已知吹扫气体的容器。明显的是，可对图4所示的分配系统150进行多种变型和适应性改变，而不改变分配系统150的工作原理。
静态系统100能够在第一状态与第二状态之间切换。第一状态下，分配系统150同时将来自处理气体源160的处理气流经由第一入口歧管110供应至第二组多个分离通道（平行于第二流动轴线y）以及将来自吹扫源170的吹扫流经由第二入口歧管130供应至第一组多个分离通道（平行于第一流动轴线x）。第二状态下，分配系统同时将来自处理气体源160的处理气流供应至第二组多个分离通道和将来自吹扫源170的吹扫流供应至第一组多个分离通道。
可例如通过一个或多个切换阀，例如处理气体源切换阀180a、第一入口歧管切换阀180b、吹扫源切换阀180c以及第二入口歧管切换阀180d，来完成在图4所示的静态系统100中，从第一状态切换到第二状态或从第二状态切换到第一状态。
举例说明的切换阀180a、180b、180c、180d中的每个可以在两种状态下单独操作，可通过合适的控制装置（图未示）来控制。例如，处理气体源切换阀180a可以在第一状态下将处理气体源160置于与第一入口歧管切换阀180b流体连通，而在第二状态下将处理气体源160置于与第二入口歧管切换阀180d流体连通。吹扫源切换阀180c可以在第一状态下将吹扫源170置于与第二入口歧管切换阀180d流体连通，而在第二状态下将吹扫源170置于与第一入口歧管切换阀180b流体连通。第一入口歧管切换阀180b可以在第一状态下将第一入口歧管110置于与处理气体源切换阀180a流体连通，而在第二状态下将第一入口歧管110置于与吹扫源切换阀180c流体连通。第二入口歧管切换阀180d可以在第一状态下将第二入口歧管130置于与吹扫源切换阀180c流体连通，而在第二状态下将第二入口歧管130置于与处理气体源切换阀180a流体连通。
以此方式，当所有的示例性切换阀180a、180b、180c、180d处于其对应的第一状态中时，静态系统100在其第一状态下运行，其中，处理气流经由第一入口歧管110被从处理气体源160供应至第二组多个分离通道，同时吹扫流经由第二入口歧管130被从吹扫源170供应至第一组多个分离通道。同样，当所有的示例性切换阀180a、180b、180c、180d处于其对应的第二状态中时，静态系统100在其第二状态下运行，其中，吹扫流经由第一入口歧管110被从吹扫源170供应至第二组多个分离通道，同时处理流经由第二入口歧管130被从处理气体源160供应至第一组多个分离通道。
当静态系统100处于其第一状态时，到达第一排放系统120的气流是处理气流，减去在整体式本体100中被吸收的目标气体量。而且，在静态系统100的第一状态中，到达第二排放系统140的气流是通过从整体式本体10脱附进入流动吹扫流的目标气体形成的目标气体集中流。但是，当静态系统100处于其第二状态时，处理气流到达第二排放系统14且浓缩的目标气体流到达第一排放系统120。如此，第一排放系统120和第二排放系统140可包括额外的可切换机构（图未示），用于根据该静态系统100是处于第一状态或处于第二状态，将到达排放系统的气流收集、再循环或者排放至大气。
在第一状态和第二状态之间的切换仅通过示例性切换阀180a、180b、180c、180d的切换来发生而无需整体式本体10的任何定向的意义上，图4中示出为静态系统100的高容积效率热集成系统是静态的。通过图5A和5B示出的高容积效率热集成系统示出图4的静态系统的变型，作为动态系统101。动态系统101的所有结构元件具有与静态系统100（图4）中相对应结构元件相同的功能，除了在动态系统101中，吹扫源170总是与第二入口歧管130流体连通，而处理气体源160总是与第一入口歧管110流体连通。另外，动态系统101中每个歧管110、115、130、135可包括防止流动气体在整体式本体10的角部周围泄漏的合适的结构，诸如挡板壁190。
可考虑通过选择具有关于旋转轴线z旋转对称形状的整体式本体10来便于和简化动态系统101的构造。例如，图5A和5B中的整体式本体10示出有方形顶部，从而该整体式本体10沿第一流动轴线x的宽度等于其沿第二流动轴线y的长度。但是，应理解，不需要是这种四折旋转对称的整体式本体,只要歧管110、115、130、135可以适应整体式本体10的实际几何形状即可。替代实施例中，例如，整体式本体可以具有2折旋转对称，以使得整体式本体能够在动态系统101中旋转180°。例如，2折旋转对称可存在于圆柱形整体式本体11（参见图2）或者存在于立方形或矩形整体式本体中，其中第一和第二组多个分离通道的所有分离通道彼此平行。
动态系统101的分配系统在图5A和5B中没有具体标记出。但是，动态系统101中的分配系统可包括处理气体源160、吹扫源170以及旋转机构（图未示）。该旋转机构可包括适于围绕旋转轴线z（示出为在第一流动轴线x和第二流动轴线y的相交点处垂直于图5A的平面）旋转该整体式本体10的任何合适的机械装置。旋转机构可以例如是旋转工作台或柱子，并可以粘结或结合至整体式本体10或者可以构造成通过表面摩擦旋转该整体式本体10。由此，动态系统101与图4的静态系统的可区分之处在于整体式本体10是可旋转的。为了适应整体式本体的旋转，每个歧管110、115、130、135较佳地具有合适的轮廓，该合适的轮廓提供整体式本体10的边缘到整体式本体10的外间隙环195（以虚线示出）的间隙。图5A中，挡板壁190构造成与外间隙环195相交，从而当该整体式本体10的边缘接触挡板壁190时，防止围绕整体式本体10的角部的流动气体泄漏。
图5A中，示出动态系统101的第一状态，其中，来自处理气体源160的处理气流经由第一入口歧管110供应至第二组多个分离通道（平行于第二流动轴线y），且来自吹扫源170的吹扫流经由第二入口歧管130供应至第一组多个分离通道（平行于第一流动轴线x）。
图5B中，示出在从第一状态到第二状态的切换操作期间的动态系统101。在切换操作期间，该整体式本体10旋转直到第一组多个分离通道（与第一流动轴线x对齐）被置于与第一入口歧管110流体连通，而第二组多个分离通道（与第二流动轴线y对齐）被置于与第二入口歧管130流体连通。虽然未图示，动态系统的第二状态具有与图5A所示的第一状态相同的构造，除了第一流动轴线x和第二流动轴线y互换。应理解，虽然图5B示出顺时针旋转，逆时针旋转将产生同样的结果。此外，从第二状态进一步切换回到第一状态可以通过沿相同方向（如所示的顺时针）继续旋转整体式本体10来发生或者通过沿相反方向（即逆时针）旋转该整体式本体10来发生。
不像该静态系统100（图4），动态系统101的第一状态和第二状态中，到达第一排放系统120的气流都总是处理气流，减去在整体式本体10中被吸收的目标气体量。类似地，在动态系统101的第一状态和第二状态中，到达第二排放系统140的气流总是目标气体的浓缩流，该目标气体的浓缩流通过将目标气体从整体式本体10脱附入流动吹扫流来形成。由此，由于相对于静态系统100，动态系统101需要包含旋转机构而带来的额外复杂性可以通过降低动态系统101中排气系统120、140的操作的复杂性来一定程度抵销。动态系统101的排气系统120、140还可包括用于将到达排气系统的气流收集、再循环或排放到大气的其它机构（图未示）。有利地，不像在静态系统100中，动态系统101中，这些额外的机构不需要是可切换的。
根据一些实施例，从处理气流分离目标气体的方法可包括使用诸如静态系统100（图4）或者动态系统101（图5A和5B）的高容积效率热集成系统。因为高容积效率热集成系统包括整体式本体，如上更详细描述的，它们可以有利地以模块化方式组装，使得如果需要，它们能够被容易地移除。例如，如果高容积效率热集成系统用于天然气井，而该井干涸，则该高容积效率热集成系统可以被容易地移动到不同的井。这种模块性对于其它类型系统是不实际的，如那些使用填充床的系统。
现将描述使用上面图3-5B的整体式本体和系统来从处理气流移除目标气体的方法。除了另有其他指示，本文描述的方法的各实施例可同时应用于上面详细描述的静态系统100（图4）和动态系统101（图5A和5B）。关于该方法的实施例，除非另有其他指示，使用图1-4、5A和5B任一中的结构部件附图标记。根据一些实施例的从处理气流移除目标气体的方法可包括首先使处理气流流动穿过形成于整体式本体10的第一组多个分离通道25，从而使得目标气体被吸收入第一组多个分离通道25的吸附表面50。该处理气流包含处理气体浓度的目标气体。实际的处理气体浓度可以变化，取决于使用高容积效率热集成系统的应用。例如，在源自诸如天然气井的处理气体源的处理气流中的二氧化碳的处理气体浓度范围可以从约1摩尔％至约40摩尔％，更通常地约5摩尔％至约20摩尔％，诸如12摩尔％。第一步骤有效地是引导步骤并在整体式本体10的分离通道没有一个已经暴露于目标气体的假设下实施，因此，不需要从整体式本体的任何部分吹扫目标气体。
在目标气体初始吸收入第一组多个分离通道25的吸附表面50之后，在第一循环时间内执行热集成第一阶段。热集成第一阶段包括三个同时进行的动作，在所有的三个动作期间，静态系统100或动态系统101处于其第一状态，如上所述。
第一同时进行动作中，使处理气流流过形成于该整体式本体10的第二组多个分离通道35，从而使得目标气体放热吸附至第二组多个分离通道35的吸附表面50上。第二组多个分离通道35和第一组多个分离通道25布置成使得第二组多个分离通道35的各个通道35a、35b、35c、35d与第一组多个分离通道25的各个通道25a、25b、25c、25d热连通。第二组多个分离通道35不与第一组多个分离通道25中任一个流体连通。
第二同时进行的动作中，第一组多个分离通道25通过吹扫气体的流动吹扫流吹扫，从而使得目标气体从第一组多个分离通道25的吸附表面50吸热地脱附并进入流动吹扫流。该吹扫流通常是惰性气体，诸如空气或氮气，并具有目标气体吹扫浓度。较佳地，该吹扫浓度初始时尽可能低，诸如小于5摩尔％、小于1摩尔％、小于0.1摩尔％、小于0.01摩尔％、或甚至0摩尔％。通常，该吹扫浓度必须低于处理气体浓度。
第三同时进行的动作中，处理气体排气从第二组多个分离通道35排放，而吹扫排气从第一组多个分离通道25排放。当整体式本体10中的吸附表面50相对于处理气流中其它组分对目标气体最优地选择时，处理气体排气可包括除了目标气体之外的处理气流的所有组分。较佳地，处理气体排气含有小于5摩尔％、小于1摩尔％、小于0.1摩尔％、或甚至0摩尔％的目标气体。吹扫排气包含已经在第二同时进行的动作期间（即吹扫动作）从第一组多个分离通道25脱附的高浓度目标气体。例如，吹扫排气可包括大于25摩尔％、大于50摩尔％、或大于75摩尔％的与原始吹扫气体混合的目标气体。如此，如果需要，可有利地收集浓缩的目标气体。
上面描述的三个同时进行的动作是热集成的，如第一组多个分离通道25和第二组多个分离通道35之间协同所证明的。即，因为直接热连通在第一组多个分离通道25与第二组多个分离通道35之间发生，从在第二组多个分离通道35中发生的放热吸附所释放的热被传导至第一组多个分离通道25，且由此可提高在第一组多个分离通道25中同时发生的吸热脱附的效率。相反地，从第一组多个分离通道25吸走并进入第二组多个分离通道35的吸热脱附过程的热提高了在第一组多个分离通道25内发生的放热吸附过程的效率。如此，第一组多个分离通道25的温度不持续提高到其中脱附比吸附在热力学上更有利的状态，且第二组多个分离通道35的温度不持续降低到其中吸附比脱附在热力学上更有利的状态。
在第一循环时间内执行热集成第一阶段。第一循环时间可以由经验确定来确定或由高容积效率热集成系统的模拟来确定，在本文描述的方法之前，可执行其中任一种。或者，一种或多种合适类型的控制装置可以被纳入该高容积效率热集成系统。作为非限制性示例，该合适的控制装置可以例如包括对目标气体敏感的一个或多个探测器。这种控制装置可以构造成并适配成监控与处理气体源流体连通的分离通道中出现的处理气流中的目标气体的浓度。该出现的处理气流中目标气体的浓度的急剧增加指示可应用的分离通道的吸附表面50饱含目标气体。由此，当在第一临界时间通过控制装置识别到急剧增加，第一周期时间届满。较佳地，当模式被标注为第一循环时间通常持续多久时，第一循环时间的持续时间固定为比第一临界时间稍短，从而避免目标气体的任何溢出进入否则只含有少量或甚至零浓度的目标气体的出现的处理气流。
当第一循环时间届满时，静态系统100和动态系统101都可以从其第一状态切换到其第二状态，且本文描述的方法还可包括在第二循环时间内执行热集成第二阶段。热集成第二阶段包括三个同时进行的动作，在所有的三个动作期间，静态系统100或动态系统101处于其第二状态，如上所述。
热集成第二阶段的第一同时发生的动作包括使得处理气流流过第一组多个分离通道25，从而使得目标气体放热地吸入到第一组多个分离通道25的吸附表面50。第二同时进行的动作包括用流动吹扫流来吹扫第二组多个分离通道35，从而使得目标气体从第二组多个分离通道35的吸附表面50吸热地脱附并进入流动吹扫流。第三同时发生的动作包括排出来自第一组多个分离通道25的处理气体排气和排出来自第二组多个分离通道35的吹扫排气。第二循环时间，相对于第二临界时间，可以如上所述的关于第一循环时间来选择和确定。
从处理气流移除目标气体的方法还进一步包括在热集成第一阶段和热集成第二阶段之间循环，由此该循环可顺次包括：（1）在第一循环时间内执行热集成第一阶段，其中高容积效率热集成系统处于其第一状态；（2）将高容积效率热集成系统从其第一状态切换到其第二状态，诸如通过切换静态系统100的可切换阀或者通过围绕垂直于第一流动轴线x和第二流动轴线y的旋转轴线z旋转动态系统101的整体式本体10，以使第一组多个分离通道25置于与处理气体源160流体连通并使第二组多个分离通道35置于与吹扫源170流体连通；（3）在第二循环时间内执行热集成第二阶段；（4）从第二状态切换到第一状态，诸如通过切换静态系统100的可切换阀或者通过围绕旋转轴线z旋转动态系统101的整体式本体10，以使第二组多个分离通道35置于与处理气体源160流体连通并使第一组多个分离通道25置于与吹扫源170流体连通；以及（5）重复步骤（1）-（4）至少一次。
上述的高容积效率热集成系统的模型推导数据在图6和8中提供，并分别与来自无热管理构造的非创新性的非集成的系统的图7和9中的类似数据比较。该模拟系统基于二氧化碳从吸附通道的吸附表面的吸附和脱附，该吸附通道经由代替整体式本体的分隔壁的玻璃隔离层与脱附通道热连通。模拟处理气体包含12摩尔％CO2，而该模块化吹扫气体是空气，该空气具有可忽略的CO2含量，通常约390ppm（0.039摩尔%）。吸附通道和脱附通道的模拟吸附表面基于沸石13X，其具有640kg/m3的密度、0.12W/m/K的热导率、920J/kg/K的比热容量以及380μm厚度。该模拟玻璃隔绝层基于具有2800kg/m3的密度、1.05W/m/K的热导率、840J/kg/K的比热容量以及100μm厚度的玻璃。
图6中，图形示出上面描述的模拟系统的模拟数据。具体地，在模拟的热集成CO2吸附和脱附过程中，在两个完整循环中，关于时间（以秒计算）绘制吸附剂中CO2浓度。实线示出第一通道而虚线示出与该第一通道相邻的第二通道。每个吸附和脱附步骤代表连续的第一和第二循环时间的周期，每个周期8秒长。图6所示的过程中在0秒与8秒之间，第一通道经受吸附而第二通道经受脱附步骤。从8秒至16秒，各过程逆反，从而第一通道经受脱附而第二通道经受吸附。该循环从16秒至32秒重复。总体上，可以从代表CO2浓度的峰值的等高图看到，第一通道和第二通道在吸附-脱附过程中平等地参与。
相比较而言，图7示出来自具有诸如热交换器的非外部热管理的非集成系统（即无热连通的通道）的类似数据。示出在CO2吸附和脱附中，一个完整周期中，吸附剂中的CO2浓度。吸附和脱附步骤每个进行8秒。图7所示的过程中在0秒与8秒之间，通道经受吸附步骤，而从8秒到16秒，通道经受脱附。总体上，可看到，没有热交换器时，床可吸附的最大值是每公斤吸附剂1.6摩尔CO2，而不是根据本文描述的实施例的模拟热集成系统中的每公斤吸附剂2.75摩尔CO2，其数据在图6中示出。
关于热管理分布曲线，图8中提供模拟热集成系统的数据。具体地，图8图形示出CO2吸附和脱附过程中，在两个完整循环期间的温度分布曲线。图中的两条线代表在循环过程中，第一通道中的温度和与该第一通道相邻的第二通道的温度。每个吸附和脱附步骤代表连续的第一和第二循环时间的周期，每个周期8秒长。总体上，可看到，在每个吸附或脱附步骤期间，第一通道和第二通道的温度都首先升高，当在每个吸附或脱附步骤的末尾，降低到接近288K的起始温度。这确保了在吸附步骤期间，利用吸附剂的最大容量。温度的初始升高还提供了在解吸过程中的动量，因为吸附剂保持所吸附的CO2的能力随着温度升高而减少。
相比较而言，图9图形示出来自具有诸如热交换器的非外部热管理的非集成系统（即无热连通的通道）的类似数据。图9中，示出CO2吸附和脱附过程中，一个完整循环的过程上的吸附剂温度。每个吸附和脱附步骤持续8秒。在0秒与8秒之间，通道经受CO2吸附，而从8秒至16秒，通道经受CO2脱附。总体上，可以看到，系统中无任何热管理时，吸附剂的温度从288K的初始温度上升到320K。相信吸附剂温度的该尖锐升高直接导致吸附剂的CO2容量从热集成系统（参见图6）中的每公斤吸附剂2.75摩尔CO2降低至非集成系统（参见图7）中的每公斤吸附剂1.6摩尔CO2。由此，应理解，根据本文描述的各实施例的高容积效率热集成系统提供了有效的热管理并确保了从处理气流捕获目标气体的效率水平。
应理解，各系统和方法的上述实施例均指的是用于从处理气流移除目标气体的系统和方法的高容积效率方面和热集成方面。本文描述的系统和方法的“高容积效率”方面可以例如如此实现，即整体式本体的所有的各个分离通道用于进行吸附或脱附过程。反过来讲，高容积效率方法涉及整体式本体的各个通道没有一个专用于进行吸附或脱附之外的目的。进行吸附或脱附之外的目的可包括例如使用一些分离通道作为冷却剂或加热通道，由此整体式本体的热管理将通过被引导穿过冷却剂或加热通道的诸如液态或气态介质的外部源发生。
高效率热集成系统的“热集成”方面可以如此实现，即第一组多个分离通道25（例如参见图1和3）可以与第二组多个分离通道35（例如参见图1和3）直接热连通地布置。由此，当在第一组多个分离通道25中与第二组多个分离通道35中的吸热脱附过程同时进行放热吸附过程时，从放热吸附过程释放的热可以用于直接有益于吸热脱附过程而不需外部热源。
此外，现应理解，通过上面各实施例描述的高容积效率热集成系统和方法可以用于从处理气流捕获目标气体。每个系统和方法中，具有两个多个分离通道的整体式本体构造成使得处理气流流过一组多个分离通道，同时吹扫流流过另一组多个分离通道。随之而来放热吸附和吸热脱附过程为本文实施的系统的热管理提供了简单但有效的机构，尤其当系统与本文所述方法结合时。
第一方面中，本公开提供了一种高容积效率热集成系统（100,101），用于从处理气流捕获目标气体，该系统包括：整体式本体(10,11)和分配系统(150)，其中：所述整体式本体(10,11)包括：第一组多个分离通道(25)，所述第一组多个分离通道(25)穿过所述整体式本体(10,11)并平行于所述整体式本体(10,11)的第一流动轴线(x)；以及第二组多个分离通道(35)，所述第二组多个分离通道(35)穿过所述整体式本体(10,11)并平行于所述整体式本体(10,11)的第二流动轴线(y)；所述第一组多个分离通道(25)和所述第二组多个分离通道(35)布置成使得所述第一组多个分离通道(25)的各个通道(25a,25b,25c,25d)与所述第二组多个分离通道(35)的各个通道(35a,35b,35c,35d)热连通；所述第一组多个分离通道(25)不与所述第二组多个分离通道(35)中任一个流体连通；所述第一组多个分离通道(25)的第一分隔壁(22)和所述第二组多个分离通道(35)的第二分隔壁(32)包括吸附材料的吸附表面(50)，所述吸附表面(50)从处理气流可逆地吸收目标气体；以及所述高容积效率热集成系统(100,101)在第一状态与第二状态之间切换，在第一状态中，所述分配系统(150)同时将处理气流供应至所述第二组多个分离通道(35)和将吹扫气流供应至所述第一组多个分离通道(25)，在第二状态中，所述分配系统(150)同时将处理气流供应至所述第二组多个分离通道(35)并将吹扫气流供应至所述第一组多个分离通道(25)。
第二方面中，本公开提供了方面1的高容积效率热集成系统(100,101)，其中，第一流动轴线(x)垂直于第二流动轴线(y)。
第三方面中，本公开提供了方面1或方面2的高容积效率热集成系统(100,101)，其中，所述分配系统(150)包括可切换阀(180a,180b,180c,180d)，所述可切换阀(180a,180b,180c,180d)将所述高容积效率热集成系统(100,101)从第一状态切换到第二状态，或者从第二状态切换到第一状态，使得所述高容积效率热集成系统(100,101)是静态系统(100)。
第四方面中，本公开提供了方面1-3任一方面的高容积效率热集成系统(100,101)，进一步包括：旋转机构，所述旋转机构围绕垂直于所述第一流动轴线(x)和所述第二流动轴线(y)的旋转轴线(z)旋转所述整体式本体(10,11)，使得所述高容积效率热集成系统是动态系统(101)，以及通过围绕所述旋转轴线(z)旋转所述整体式本体(10,11)，将该动态系统(101)从第一状态切换到第二状态或者从第二状态切换到第一状态。
第五方面中，本公开提供了方面1的高容积效率热集成系统(100,101)，其中，所述目标气体选自由二氧化碳和硫化氢构成的组；以及所述吸附材料选自由沸石、沸石咪唑酯骨架、金属有机骨架、碳、介孔氧化铝、介孔二氧化硅、胺官能化的变体、氨基官能化的变体，以及它们的组合构成的组。
第六方面中，本公开提供了一种使用具有整体式本体(10,11)的高容积效率热集成系统(100,101)从处理气流分离目标气体的方法，所述方法包括：将所述处理气流流过第一组多个分离通道(25)，从而致使所述目标气体被吸入所述第一组多个分离通道(25)的吸附表面（50），所述第一分离通道形成在所述整体式本体(10,11)中；以及在第一循环时间内执行热集成第一阶段，所述热集成第一阶段同时包括：将所述处理气流流过第二组多个分离通道(35)，从而致使所述目标气体放热被吸入所述第二组多个分离通道(35)的吸附表面(50)，所述第二分离通道(35)形成在所述整体式本体(10,11)中，其中所述第二组多个分离通道(35)和所述第一组多个分离通道(25)布置成使得所述第一组多个分离通道(25)的各个通道(25a,25b,25c,25d)与所述第二组多个分离通道(35)的各个通道(35a,35b,35c,35d)热连通；以及所述第二组多个分离通道(35)不与所述第一组多个分离通道(25)中任一个流体连通；以及用流动吹扫流来吹扫所述第一组多个分离通道(25)，从而使得所述目标气体从所述第一组多个分离通道(25)的吸附表面(50)吸热地脱附并进入所述流动吹扫流。
第七方面中，本公开提供了方面6的方法，其中每个分离第一通道(25a,25b,25c,25d)平行于所述整体式本体(10,11)的第一流动轴线(x)，而每个分离第二通道(35a,35b,35c,35d)平行于所述整体式本体(10,11)的第二流动轴线(y)。
第八方面中，本公开提供了方面6或7的方法，进一步包括：在第二循环时间内执行热集成第二阶段，所述热集成第二阶段同时包括：将所述处理气流流过所述第一组多个分离通道(25)，从而致使所述目标气体放热地被吸入所述第一组多个分离通道(25)的吸附表面(50)；用流动吹扫流来吹扫所述第二组多个分离通道(35)，从而使得所述目标气体从所述第二组多个分离通道(35)的吸附表面(50)吸热地脱附并进入所述流动吹扫流。
第九方面中，本公开提供了方面8的方法，其中所述高容积效率系统(100,101)还包括：将处理气体递送至所述整体式本体(10,11)的处理气体源(160)，在所述热集成第一阶段期间，所述处理气体源(160)仅与所述第二组多个分离通道(35)流体连通，且在所述热集成第二阶段期间，所述处理气体源仅与所述第一组多个分离通道(25)流体连通；以及将吹扫流递送至所述整体式本体(10,11)的吹扫源(170)，在所述热集成第一阶段期间，所述吹扫源仅与所述第一组多个分离通道(25)流体连通，且在所述热集成第二阶段期间，所述吹扫源仅与所述第二组多个分离通道(35)流体连通。
第十方面中，本公开提供了方面9的方法，还包括在所述热集成第一阶段和所述热集成第二阶段之间循环。
第十一方面中，本公开提供了方面10的方法，其中在所述热集成第一阶段和所述热集成第二阶段之间循环顺次包括：执行所述热集成第一阶段；围绕垂直于所述第一流动轴线(x)和所述第二流动轴线(y)的旋转轴线(z)旋转所述整体式本体(10,11)，以将所述第一组多个分离通道(25)置于与所述处理气体源(160)流体连通并将所述第二组多个分离通道(35)置于与吹扫源(170)流体连通；执行所述热集成第二阶段；以及围绕所述旋转轴线(z)旋转所述整体式本体(10,11)，以将所述第二组多个分离通道(35)置于与所述处理气体源(160)流体连通并将所述第一组多个分离通道(25)置于与所述吹扫源(170)流体连通。
第十二方面中，本公开提供了方面11的方法，其中第一流动轴线(x)垂直于第二流动轴线(y)。
第十三方面中，本公开提供了方面6的方法，其中所述处理气流选自由天然气、烟气、空气、沼气、来自氢气生产过程中的水气变换混合物、以及燃烧过程的废气构成的组。
第十四方面中，本公开提供了方面6的方法，其中所述目标气体选自由二氧化碳和硫化氢构成的组。
第十五方面中，本公开提供了方面6的方法，其中所述目标气体是二氧化碳。
对本领域技术人员显而易见的是，可对本文所描述的实施例做出各种修改和变型而不偏离所要求保护主题的精神和范围。由此，假如这种修改和变型落入所附权利要求书及其等同物的范围内，说明书旨在覆盖本文所描述各种实施例的修改和变型。

Claims (20)

1.一种用于从处理气流捕获目标气体的高容积效率热集成系统，包括：
整体式本体和分配系统，其中：
所述整体式本体包括：
第一组多个分离通道，所述第一组多个分离通道穿过所述整体式本体并平行于所述整体式本体的第一流动轴线；以及
第二组多个分离通道，所述第二组多个分离通道穿过所述整体式本体并平行于所述整体式本体的第二流动轴线；
所述第一组多个分离通道和所述第二组多个分离通道布置成使得所述第一组多个分离通道的各个通道与所述第二组多个分离通道的各个通道热连通；
所述第一组多个分离通道不与所述第二组多个分离通道中任一个流体连通；
所述第一组多个分离通道的第一分隔壁和所述第二组多个分离通道的第二分隔壁包括吸附材料的吸附表面，所述吸附表面从处理气流可逆地吸收目标气体；以及
所述高容积效率热集成系统在第一状态与第二状态之间切换，在所述第一状态中，所述分配系统同时将处理气流供应至所述第二组多个分离通道和将吹扫流供应至所述第一组多个分离通道，在所述第二状态中，所述分配系统同时将处理气流供应至所述第二组多个分离通道并将吹扫流供应至所述第一组多个分离通道。
2.如权利要求1所述的高容积效率热集成系统，其特征在于，所述第一流动轴线垂直于所述第二流动轴线。
3.如权利要求1所述的高容积效率热集成系统，其特征在于，所述分配系统包括可切换阀，所述可切换阀将所述高容积效率热集成系统从第一状态切换到第二状态，或者从第二状态切换到第一状态，从而所述高容积效率热集成系统是静态系统。
4.如权利要求1所述的高容积效率热集成系统，其特征在于，还包括：旋转机构，所述旋转机构围绕垂直于所述第一流动轴线和所述第二流动轴线的旋转轴线旋转所述整体式本体，从而所述高容积效率热集成系统是动态系统，以及通过围绕所述旋转轴线旋转所述整体式本体，将高容积效率系统从所述第一状态切换到所述第二状态或者从所述第二状态切换到所述第一状态。
5.如权利要求1所述的高容积效率热集成系统，其特征在于，所述目标气体选自由二氧化碳和硫化氢构成的组。
6.如权利要求1所述的高容积效率热集成系统，其特征在于，
所述目标气体选自由二氧化碳和硫化氢构成的组；以及
所述吸附材料选自由沸石、沸石咪唑酯骨架、金属有机骨架、碳、介孔氧化铝、介孔二氧化硅、胺官能化的变体、氨基官能化的变体，以及它们的组合构成的组。
7.一种使用具有整体式本体的高容积效率热集成系统从处理气流分离目标气体的方法，所述方法包括：
将所述处理气流流过第一组多个分离通道，从而致使所述目标气体被吸入所述第一组多个分离通道的吸附表面，所述第一分离通道形成在所述整体式本体中；以及
在第一循环时间内执行热集成第一阶段，所述热集成第一阶段同时包括：
将所述处理气流流过第二组多个分离通道，从而致使所述目标气体放热地被吸入所述第二组多个分离通道的吸附表面，所述第二分离通道形成在所述整体式本体中，其中所述第二组多个分离通道和所述第一组多个分离通道布置成使得所述第二组多个分离通道的各个通道与所述第一组多个分离通道的各个通道热连通，且其中所述第二组多个分离通道不与所述第一组多个分离通道中任一个流体连通；以及
用流动吹扫流来吹扫所述第一组多个分离通道，从而使得所述目标气体从所述第一组多个分离通道的吸附表面吸热地脱附并进入所述流动吹扫流。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，每个分离第一通道平行于所述整体式本体的第一流动轴线，而每个分离第二通道平行于所述整体式本体的第二流动轴线。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：
在第二循环时间内执行热集成第二阶段，所述热集成第二阶段同时包括：
将所述处理气流流过所述第一组多个分离通道，从而致使所述目标气体放热地被吸入所述第一组多个分离通道的吸附表面；以及
用流动吹扫流来吹扫所述第二组多个分离通道，从而使得所述目标气体从所述第二组多个分离通道的吸附表面吸热地脱附并进入所述流动吹扫流。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：
所述热集成第一阶段还包括从所述第二组多个分离通道排放处理气体排气和从所述第一组多个分离通道排出吹扫排气；以及
所述热集成第二阶段还包括从所述第一组多个分离通道排放处理气体排气和从所述第二组多个分离通道排出吹扫排气。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，
热集成第一阶段中的排放与处理气流流过所述第二组多个分离通道以及用流动吹扫流吹扫所述第一组多个分离通道同时进行，
热集成第二阶段中的排放与处理气流流过所述第一组多个分离通道以及用流动吹扫流吹扫所述第二组多个分离通道同时进行。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，
所述高容积效率系统还包括：
将处理气体递送至所述整体式本体的处理气体源，在所述热集成第一阶段期间，所述处理气体源仅与所述第二组多个分离通道流体连通，且在所述热集成第二阶段期间，所述处理气体源仅与所述第一组多个分离通道流体连通；以及
将吹扫流递送至所述整体式本体的吹扫源，在所述热集成第一阶段期间，所述吹扫源仅与所述第一组多个分离通道流体连通，且在所述热集成第二阶段期间，所述吹扫源仅与所述第二组多个分离通道流体连通。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括在所述热集成第一阶段和所述热集成第二阶段之间循环。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述热集成第一阶段和所述热集成第二阶段之间循环顺次包括：
执行所述热集成第一阶段；
围绕垂直于所述第一流动轴线和所述第二流动轴线的旋转轴线旋转所述整体式本体，以将所述第一组多个分离通道置于与所述处理气体源流体连通并将所述第二组多个分离通道置于与所述吹扫源流体连通；
执行所述热集成第二阶段；以及
围绕所述旋转轴线旋转所述整体式本体，以将所述第二组多个分离通道置于与所述处理气体源流体连通并将所述第一组多个分离通道置于与所述吹扫源流体连通。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一流动轴线垂直于所述第二流动轴线。
16.如权利要求9所述的方法，其特征在于，
所述第一循环时间小于第一临界时间，在所述第一临界时间，所述第二组多个分离通道的吸附表面饱含所述目标气体；以及
所述第二循环时间小于第二临界时间，在所述第二临界时间，所述第一组多个分离通道的吸附表面饱含所述目标气体。
17.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述处理气流包括上至50摩尔％的目标气体的处理气体浓度，且所述吹扫流包括小于1摩尔％的目标气体的吹扫浓度。
18.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述处理气流选自由天然气、烟气、空气、沼气、来自氢气生产过程中的水气变换混合物、以及燃烧过程的废气构成的组。
19.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述目标气体选自由二氧化碳和硫化氢构成的组。
20.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述目标气体是二氧化碳。
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