CN108348837B - 具有主动控制的进料提升阀和被动控制的产物阀的装置和与其相关的用于摆动吸附方法的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于进行摆动吸附方法的装置和系统。该摆动吸附方法可以涉及使物流通过吸附床单元，以处理所述进料物流以从所述物流除去某些污染物。在所述方法和系统中，主动控制的进料提升阀与被动控制的产物阀在相操作，以管理通过所述吸附床单元的物流的流动。

Description

具有主动控制的进料提升阀和被动控制的产物阀的装置和与 其相关的用于摆动吸附方法的系统
相关申请的交叉参考
本申请要求2015年10月27日提交的、标题为装置和与其相关的用于摆动吸附方法的系统的美国临时专利申请62/246,922的权益，所述在先申请的全部公开内容通过引用结合到本文中。
领域
本技术涉及与摆动吸附方法相关的系统。特别地，所述系统包括用于处理物流以从所述物流除去污染物的摆动吸附方法。
背景
气体分离在许多工业中是有用的，并且典型地可以通过使气体混合物流过优先吸附一种或多种气体组分而不吸附一种或多种其它气体组分的吸附剂材料来实现。所述未吸附的组分被作为分离产物回收。
一种具体类型的气体分离技术是摆动吸附，例如变温吸附(TSA)，变压吸附(PSA)，变分压吸附(PPSA)，快速周期变温吸附(RCTSA)，快速周期变压吸附(RCPSA)，快速周期变分压吸附(RCPPSA)，并且不限于此，还包括前面提到的方法的组合，例如变压和变温吸附。作为一个实例，PSA方法依赖于当气体组分处于压力下时所述气体组分更容易被吸附在吸附剂材料的孔结构或自由体积内的现象。特别地，气体压力越高，被吸附的容易吸附气体的量越大。当压力降低时，所述被吸附的组分被释放或者从所述吸附剂材料脱附。
所述摆动吸附方法(例如PSA和/或TSA)可以被用于分离气体混合物的气体组分，因为不同的气体组分往往不同程度地填充所述吸附剂材料的微孔。例如，如果气体混合物如天然气在压力下通过含有对二氧化碳比对甲烷更有选择性的吸附剂材料的吸附床单元或容器，那么至少一部分二氧化碳被所述吸附剂材料选择性地吸附，并且离开所述容器的物流富集了甲烷。当在所述吸附床上的吸附剂材料达到其吸附二氧化碳的容量的终点时，通过降低压力使所述吸附剂材料再生，由此释放被吸附的二氧化碳。然后，所述吸附剂材料典型地被吹扫和再次加压，然后开始另一个吸附周期。
所述摆动吸附方法典型地涉及吸附床单元，其包括吸附床，该吸附床被布置在一个壳体内并被构建以针对在所述单元内的周期的不同步骤保持流体处于各种压力。这些吸附床单元在所述床结构中利用不同的填充材料。例如，所述吸附床单元利用格子砖、卵石床或其它可获得的填料。作为改善措施，某些吸附床单元可以在所述床结构内利用工程填料。所述工程填料可以包括以特定构型提供的材料，例如蜂窝状物、陶瓷成型物、结构化的床等。
而且，各种吸附床单元可以用管和阀连接在一起，以在整个周期内管理流体的流动。统筹安排这些吸附床单元涉及使多个吸附床单元中的每一个的周期内各步骤与系统内的其它吸附床单元协调。一个完整的周期可以在数秒至数分钟内变化，随着它转移多个气体物流通过所述吸附床单元中的一个或多个。
相对于所述吸附床的可获得的界面横截面积来说，快速周期摆动吸附方法涉及显著的阀占用空间或布置面积。这种占用空间方面的约束被处理操作如为了随后的低温方法的脱水进一步复杂化，如果压力降应被最小化的话。如果没有最佳的安排，所要求的阀占用空间可以导致所述阀支配吸附床单元的大小，使得所述构型较不实际且昂贵。在使用阀占用空间(例如阀横截面积)方面，大的阀通常是不太有效的，因为对于某些类型的阀如提升阀来说流动发生在阀开孔的外围。这可以导致所述流动在整个吸附床的界面上差的分布。而且，就阀开孔轮廓来说大的提升阀是受限的，这限制了能够产生的流量剖面(flowprofiles)。
为了优化用于摆动吸附方法的周期时间选择，要求主动控制的阀驱动器。所述阀必须被强制紧靠座表面以适当地密封。在常规的摆动吸附工艺压力下，所述驱动器可能涉及大的力以抵抗所述压力打开所述阀和关闭所述阀到其座上。用于操作这些阀调节的必要机构与阀占用空间和气体压力成比例地贡献了体积(例如支撑装置占用空间)和成本，在较高压力下这被进一步复杂化。例如，变压方法涉及在各步骤(例如进料或吸附步骤和吹扫步骤)之间压力的变化，以改变包括在所述吸附床单元内的气体的体积。用于所述摆动吸附方法的差压可以导致各个步骤的物流穿过所述阀座时达到声速。
因此，在工业中仍需要装置、方法和系统，它们给在气体加工系统中的进料物流的加工提供改善。而且，需要降低用于气体物流处理的设备的成本、尺寸和重量，这还可以使在变压过程中因变压吸附方法中阀打开导致的问题最小化。
发明概述
在一个或多个实施方案中，本技术包括用于从进料物流除去污染物的方法。所述方法包括：a)在吸附床单元中进行一个或多个吸附步骤，其中所述一个或多个吸附步骤中的每一个包括：(i)打开一个或多个主动控制的进料提升阀以使气体进料物流从进料入口管通到布置在所述吸附床单元的壳体的内部区域的吸附床，(ii)使所述气体进料物流暴露于所述吸附床，以从所述气体进料物流分离一种或多种污染物，从而形成产物物流，和(iii)打开一个或多个被动控制的产物阀(例如提升阀、止回阀或簧片阀)，以将所述产物物流从所述壳体内的所述内部区域导出到产物管，其中所述一个或多个被动控制的产物阀中的每一个与所述一个或多个主动控制的进料提升阀中至少一个在相操作；b)进行一个或多个吹扫步骤，其中所述一个或多个吹扫步骤中的每一个包括将吹扫物流通入所述吸附床单元，以在吹扫输出物流中导出所述一种或多种污染物的至少一部分；和c)重复所述步骤a)-b)至少一个另外的周期，其中周期持续时间为大于1秒且小于600秒。
在另一个实施方案中，描述了用于从气体进料物流除去污染物的摆动吸附系统。所述系统包括：吸附床单元，其被构建成在摆动吸附方法中从气体进料物流中分离污染物和输出产物物流，其中所述吸附床单元包括:形成内部区域的壳体；布置在所述内部区域内的吸附床；一个或多个主动控制的提升阀，其中所述一个或多个主动控制的提升阀中的每一个被构建成在所述内部区域和所述内部区域外的第一位置之间提供通过在所述壳体中的开口的、经所述主动控制的提升阀的第一流体流道；和一个或多个被动控制的阀，其中所述一个或多个被动控制的阀中的每一个被构建成在所述内部区域和所述内部区域外的第二位置之间提供通过在所述壳体中的开口的、经所述被动控制的阀的第二流体流道，并且其中所述一个或多个被动控制的阀中的每一个与所述一个或多个主动控制的提升阀中的至少一个在相操作。
附图简要说明
在浏览非限制性实施方案的实例的以下详细描述和图后，本公开的前述和其它优点可以变得很明白。
图1是按照本技术的一个实施方案的、具有六个吸附床单元和互连管道的摆动吸附系统的三维图。
图2是按照本技术的一个实施方案的、具有相伴的阀装配和歧管的吸附床单元的一部分的示意图。
图3是按照本技术的一个实施方案的、具有提升阀构型的示例性吸附床单元的横截面图。
图4是按照本技术的一个实施方案的图3中构型的吸附床单元内压力的示例性图表。
图5是按照本技术的一个实施方案的吸附床单元示例性头部的、从产物放空端看去的横截面图。
图6A和6B是按照本技术的一个实施方案的吸附床单元的示例性头部的示例性横截面图。
图7是按照本技术一个实施方案的吸附床单元的另一个示例性头部的示例性横截面图。
发明的详细描述
除非另外解释，本文中使用的所有技术和科学术语具有本公开所属领域普通技术人员通常理解的相同含义。单数术语“一种”、“一个”和“所述”包括复数指代物，除非上下文清楚地另外指示。类似地，措辞“或”意图包括“和”，除非上下文清楚地另外指示。术语“包括”意思是“包含”。本文中提到的所有专利和出版物通过引用全部结合到本文中，除非另外指明。在术语或短语的含义冲突的情况下，以本说明书(包括术语的解释)为准。表示方向的术语如“上”、“下”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“直立的”和“水平的”在本文中用于表示和澄清各种组件间的关系。应该明白，这样的术语不表示绝对的取向(例如，通过旋转装置，“直立的”组件能够变成水平的)。本文中列举的材料、方法和实例仅是说明性的，并且不意图是限制性的。
本文中使用的术语“物流”是指被引导通过各种设备的流体(例如固体、液体和/或气体)。所述设备可以包括管、容器、歧管、单元或其它合适的装置。
术语“直接流动连通”或“直接流体连通”意思是直接流动连通而没有阻碍流动的、介于中间的阀或其它关闭手段。如可以理解的，在本技术范围内还可以展望其它变例。
术语“界面横截面积”是指吸附床末端的横截面积，在那里所述物流进入或离开吸附床。例如，如果进料物流在第一端进入吸附床，所述第一端的横截面积是所述界面横截面积。如可以理解的，在本技术范围内还可以展望其它变例。
本文中使用的“管”是指形成通过其输送某些物质如流体的通道的管状元件。管可以包括管子、歧管、管状物等中的一种或多种。
术语“直接流动连通”或“直接流体连通”意思是直接流动连通而没有阻碍流动的、介于中间的阀或其它关闭手段。如可以理解的，在本技术范围内还可以展望其它变例。
术语“界面横截面积”是指吸附床末端的横截面积，在那里所述物流进入或离开吸附床。例如，如果进料物流在第一端进入吸附床，所述第一端的横截面积是所述界面横截面积。如可以理解的，在本技术范围内还可以展望其它变例。
术语“在相操作”是指两个或更多个阀，例如两个或更多个入口阀或两个或更多个出口阀，实质上一起打开和关闭，有至少80％重叠，或者优选地有至少90％重叠(其中100％重叠是相同的或完全在相)。例如，考虑在其过程中阀处于某种状态(例如打开或关闭)的时间间隔，该时间间隔的至少80％或至少90％是所有“在相”的阀共有的。又例如，如果两个阀打开十秒，那么如果所述两个阀同时打开至少八秒则所述阀重叠至少80％。在本技术的某些实施方案中，在相的阀可以具有一定范围的时间来开始从打开至关闭的进程。例如，第一阀可以在时间0开始打开，并且在相同相的最后的阀可以在将来的某一时间t0(典型地阀开放时间的小分数或在某些实施方案中阀打开时间的小分数)开始打开且仍具有相同的流体流组成和方向。在相的阀可以打开至相同的提升高度或者可以不打开至相同的提升高度。对于在相的阀来说，从具有最高提升高度的阀至具有最低提升高度的阀的高度，最低提升高度可以低至所述具有最高提升高度的阀的提升高度的20％或甚至50％。
提升阀的使用对吸附床单元来说是有利的，因为所述阀涉及已知的构型，提供紧的密封，并提供灵活的周期时间选择。对于摆动吸附方法来说，所述灵活的时间选择可以用于管理排放(blow-down)步骤和再次加压步骤，它们被通过电动液压或电动气动机构控制。然而，如上面指出的，在摆动吸附方法中涉及的压力和流量可能涉及具有占用空间的提升阀，所述占用空间导致所述提升阀决定了所述吸附床单元的大小。另外，因为流动在所述阀垫架的外围发生，所述提升阀的大小可以导致难以使所述流动在整个吸附床的界面上均匀分布。而且，就阀开孔轮廓而言大的提升阀是受限的，所述阀开孔轮廓限制了能够产生的流量剖面。
为了优化周期时间选择，在吸附床单元中的阀具有主动控制的阀驱动器，其可以被称为主动控制的提升阀。然而，本技术涉及主动控制的提升阀与一个或多个被动控制的阀的组合，以管理通过所述吸附床的物流的流动，所述一个或多个被动控制的阀可以是提升阀、止回阀或簧片阀。所述被动控制的阀可以依赖压差来打开和/或关闭。例如，如果所述被动驱动的阀是提升阀，所述提升阀被强制靠在各自的阀座表面上，以关闭或防止流体流动。所述被动控制的提升阀可以减少用于支持装置以管理所述阀的位置(例如打开或关闭)的机构。另外，与常规的吸附床单元相比，被动控制的阀的使用可以减少占用空间和降低投资。
本技术包括摆动吸附系统，该系统包括一个或多个吸附床单元，所述吸附床单元具有一个或多个被动控制的阀和一个或多个主动控制的提升阀以管理通过所述吸附床单元的流体的流动。所述吸附床单元可以包括形成实质上气体不可渗透的隔离物的壳体，该壳体可以包括头部部分和其它体部分。吸附床被设置在所述壳体内并与多个阀(例如被动控制的阀和/或主动控制的提升阀)相邻，在所述壳体的内部区域和所述壳体的内部区域外的位置之间提供通过在所述壳体中的开口的流体流道。所述阀的构型可以是各种阀模式或各种类型阀的构型中的任何一种。例如，所述吸附床单元可以包括一个或多个提升阀，每一个提升阀与不同物流相关的不同管流动连通。所述提升阀可以在所述吸附床和各自的管、歧管或集管之一之间提供流体连通。
所述主动控制的提升阀(其可以被称为主动控制的提升阀装配)可以各自包括固定到盘元件的杆元件，所述盘元件可坐在所述头部内或插在所述头部内的分离阀座内。所述杆元件可以被连接到驱动机构，例如电动液压驱动机构或电动气动驱动机构，其被构建成使各自的阀赋予所述各自的杆元件线性运动。如可以理解的，对于所述方法中的不同步骤所述驱动机构可以被独立地操作以驱动单一阀或者单一驱动机构可以被用于控制两个或更多个阀。例如，打开主动控制的提升阀可以包括用驱动机构线性地移动至少一个阀杆，以在连接到所述至少一个阀杆的盘元件和固定到所述吸附床单元的壳体的座之间提供开孔。可以沿直线轨迹的所述线性移动可以是成比例的或者对于不同的构型可以不成比例。又例如，打开主动控制的提升阀可以包括用驱动机构线性地移动固定到所述阀杆的升降台以提供开孔，其中所述阀杆中的每一个被固定到盘元件上，并且所述开孔中的每一个在所述盘元件和固定到所述吸附床单元的壳体的相关的座之间形成间隙或流路。
所述被动控制的阀可以包括被动控制的提升阀、被动控制的止回阀、被动控制的簧片阀和其它合适的被动控制的阀。例如，被动控制的提升阀(其可以被称为被动控制的提升阀装配)可以各自包括固定到盘元件的杆元件，所述盘元件可坐在所述头部内或可坐在插在所述头部内的分离阀座内。所述杆元件可以被连接到偏压机构，例如弹簧或其它偏压机构，其被构建成使各自的阀赋予所述各自的杆元件线性运动。如可以理解的，对于所述方法中的不同步骤所述偏压机构可以被独立地操作，并且可以被基于压差驱动以驱动单一阀或者两个或更多个阀。被动控制的提升阀的一种构型可以包括弹簧加载的被动控制提升阀。在这种弹簧加载的构型中，所述盘元件可以是具有中空杆元件的集成组件，其具有至少部分地布置在所述中空杆元件内的所述弹簧。例如，被动控制的提升阀的打开可以包括用产物偏压机构线性地移动至少一个产物阀杆，以在连接到所述至少一个产物阀杆的产物盘元件和固定到所述吸附床单元的壳体的产物座之间提供产物开孔。所述产物偏压机构可以被构建成基于在所述内部区域和所述产物管之间的压差线性地移动超过特定阈值。在其它构型中，对于在相的各种阀操作，基于所述压差的线性移动可以是不同的。例如，所述被动控制的阀的在相操作可以涉及小于25％、小于20％或小于10％的范围或差别窗口(例如，差别窗口可以被计算为：(最高压差-最低压差)/最高压差)。又例如，被动控制的阀还可以被构建为包括金属柔性带或复合材料的簧片阀，所述金属柔性带或复合材料在一端被固定并且弯曲以打开被动控制的流通面积。所述被动控制的簧片阀可以被用于在给定的占用空间内在给定的压差下提供更大的流量。
所述被动控制的阀和/或主动控制的提升阀的构型对于不同的物流可以不同地操作。例如，被动控制的阀和/或主动控制的提升阀的打开可以涉及将进料盘元件从吸附床移开，以在所述盘元件和座之间形成间隙。所述构型可以涉及由在所述内部区域和所述各自的管之间的压差施加压力在所述一个或多个被动控制的阀中的每一个的盘元件上，以阻止在进行一个或多个步骤过程中从所述一个或多个被动控制的阀泄漏。例如，所述进料提升阀可以从所述吸附床移开并利用进料管内的压力来保持所述阀在各自的进料座内。
而且，所述被动控制的阀和/或主动控制的提升阀的组可以在相操作用于摆动吸附方法。例如，所述摆动吸附工艺周期可以涉及两个或更多个步骤，每个步骤具有一定的时间间隔，这些时间间隔加在一起是周期时间。这些步骤包括再生步骤和后面的吸附步骤，并且在所述步骤中可以使用各种各样的方法，包括变压、变真空、变温、吹扫(通过任何对于所述方法来说合适的类型的吹扫流体)和它们的组合。例如，摆动吸附方法可以包括涉及所述一个或多个步骤如吸附、降压、吹扫和再次加压的周期。当在高压下进行所述分离时，降压和再次加压(其可以被称为同等化步骤)在多个步骤中进行，以降低每一步骤的压力变化和提高效率。在某些摆动吸附方法如快速周期摆动吸附方法中，总周期时间的相当大的部分涉及吸附床的再生。本技术可以涉及对于在所述周期中所述摆动吸附步骤中的一个或多个步骤，将至少一个被动控制的阀与至少一个主动控制的提升阀组合。例如，所述进料或吸附步骤可以在吸附床单元的进料入口侧包括主动控制的提升阀和在吸附床单元的产物放空侧包括被动控制的阀，该被动控制的阀可以是提升阀、止回阀或簧片阀。又例如，所述吹扫步骤可以在吸附床单元的吹扫放空侧包括主动控制的提升阀和在吸附床单元的吹扫入口侧包括被动控制的阀。
在一个或多个实施方案中，本技术包括摆动吸附系统，该系统包括一个或多个吸附床单元。所述一个或多个吸附床单元中的每一个具有第一端和第二端；布置在所述吸附床单元的壳体内的吸附床，其在内部区域中所述第一和第二端之间，并且被用于从进料物流除去至少一种气体组分；进料入口控制设备，其包含在吸附床单元的所述第一端的至少一个主动驱动的进料提升阀和进料入口提升阀驱动系统，该进料入口提升阀驱动系统用于打开和关闭所述至少一个主动驱动的进料提升阀；用于控制以下项目中至少两个的进料控制模块：a)打开所述至少一个主动驱动的进料提升阀的时间选择，b)所述至少一个主动驱动的进料提升阀的打开持续时间，c)所述至少一个主动驱动的进料提升阀的打开速率，和d)所述至少一个主动驱动的进料提升阀的关闭速率；吹扫放空控制设备，其包含在所述吸附容器的第一端的至少一个主动驱动的吹扫提升阀；用于打开和关闭所述至少一个主动驱动的吹扫提升阀的吹扫放空提升阀驱动系统；用于控制以下项目中至少两个的吹扫控制模块：a)打开所述至少一个主动驱动的吹扫提升阀的时间选择，b)所述至少一个主动驱动的吹扫提升阀的打开持续时间，c)所述至少一个主动驱动的吹扫提升阀的打开速率，和d)所述至少一个主动驱动的吹扫提升阀的关闭速率；产物放空控制设备，其包含在所述吸附容器的第二端的至少一个被动驱动的产物阀，其中在所述内部区域和产物放空管内的压力间的差控制所述至少一个被动驱动的产物阀的打开或关闭；和吹扫进料控制设备，其包含在所述吸附床单元的第二端的至少一个被动驱动的吹扫阀，其中在所述内部区域和所述吹扫管内的压力间的差控制所述至少一个被动驱动的产物吹扫阀的打开或关闭。
在其它实施方案中，所述摆动吸附系统可以包括各种改善措施。例如，所述至少一个主动驱动的进料提升阀可以是反向作用的提升阀，其还可以包括一个或多个主动驱动的进料提升阀和/或一个或多个被动驱动的产物放空阀的组合和/或多个主动驱动的进料提升阀。而且，所述至少一个主动驱动的吹扫提升阀可以是前向式提升阀。所述主动驱动的进料提升阀和/或主动驱动的吹扫提升阀还可以包括共用的驱动系统，其可以结合升降台，或者其中各个主动驱动的进料提升阀可以具有各种气门间隙尺寸，以帮助主动驱动的进料提升阀的顺序打开。另外，所述被动驱动的产物提升阀和/或被动驱动的吹扫提升阀可以结合弹簧样装置，其被构建成保持各自的提升阀关闭和在希望的压差下打开各自的提升阀。而且，所述进料控制模块和/或所述吹扫控制模块可以包括处理器、存储器和储存在存储器中的一组指令，并且可以被构建成进行数据计算，所述数据计算决定各自的主动驱动提升阀如所述主动驱动的进料提升阀和/或主动驱动的吹扫提升阀的例如打开顺序、打开时间、打开速率和/或关闭速率。
而且，在其它实施方案中，所述摆动吸附系统可以包括另外的改善措施。例如，所述系统可以包括具有用于所述提升阀的气压弹簧的、计算机控制的电动液压驱动器；可以使用反向作用提升阀(对于所述进料提升阀)和/或前向作用提升阀中的一种或多种；可以使用优选的多个所述进料阀；和/或可以使用工艺物流来驱动所述提升阀(例如被动控制的提升阀)。又例如，所述系统可以使用环形驱动器活塞来操纵与所述提升阀相关的升降台；在与所述提升阀相关的环形活塞上使用两个或更多个提升限制器；在与所述提升阀相关的所述提升限制器上使用锥形的减震器；使用选择的间隙调节以在其它提升阀打开之前打开一个或多个提升阀，来调节流量剖面。而且，又例如，所述系统可以包括将所述被动驱动的阀布置在所述吸附床单元的底上和将主动驱动的提升阀(例如具有相伴的驱动机构)布置在所述吸附床单元的顶上；将用于所述主动驱动的提升阀中一个或多个的驱动机构布置在密封的隔间内或所述吸附床单元内，以限制来自工艺法兰的外部泄漏；和/或使用所述吸附床单元头部的径向或圆周隔离，以增加各组提升阀所服务的流动物流的连接点数目。
本技术可以涉及使用两个或更多个吸附床，它们以类似的周期操作，并且进行所述周期的不同步骤(例如不彼此同步)，以保持各种物流(例如进料物流、产物物流、加热物流和吹扫物流)的稳定的流体流动。
而且，在其它实施方案中，所述不同的物流的压力可以变化。例如，所述进料物流可以涉及在50巴绝压(bara)和150bara之间，在40bara和150bara之间，或者优选地在50bara和100bara之间的范围内的进料压力，但是不必限制在此范围。所述进料温度可以在0°F和200°F之间的范围内，在20°F和175°F之间的范围内或在40°F和150°F之间的范围内。排放压力、加热压力和吹扫压力可以依所述周期调节，可以取决于所利用的吸附剂材料和/或可以在从真空至进料压力的范围内。例如，如果所述吸附剂材料是沸石4A，所述排放压力范围可以在0.01bara-40bara之间，或者更优选地在1bara和30bara之间的范围内。该实例可以取决于所述进料的污染物如CO2和/或水的浓度。而且，在其它实施方案中，所述降压步骤可以被调节，使得分阶段地实现所述压力变化，以改变在每一步骤过程中脱附的甲烷的量，如果有的话。
在其它实施方案中，本技术可以与其它方法如液化天然气(LNG)应用、控制冷冻区(CFZ)应用、天然气液体(NGL)恢复应用和其它这样的应用如脱水应用集成。这些不同应用中的每一种可以包括各自方法中进料物流的不同的规格。例如，本技术的变例可以被用于处理含有与LNG规格或管道规格相比或高或低量的CO2的气体。
在一个或多个实施方案中，本技术能够被用于任何类型的摆动吸附方法。本技术可以被用于其中的非限制性的摆动吸附方法包括变压吸附(PSA)，真空变压吸附(VPSA)，变温吸附(TSA)，变分压吸附(PPSA)，快速周期变压吸附(RCPSA)，快速周期变温吸附(RCTSA)，快速周期变分压吸附(RCPPSA)，以及这些方法的组合。例如，优选的摆动吸附方法可以包括变压吸附，但是还可以涉及变压和变温吸附的组合，该组合可以被作为快速周期方法进行。示例性的摆动吸附方法被进一步描述在美国专利申请公布号2008/0282892，2008/0282887，2008/0282886，2008/0282885，2008/0282884和2014/0013955中，它们都通过引用全部结合到本文中。
而且，在一个或多个实施方案中，各种吸附剂材料可以被用于提供用于所述分离的机制。实例包括沸石3A、4A、5A、ZK4和MOF-74。然而，所述方法不限于这些吸附剂材料，并且也可以使用其它吸附剂材料。
有益地，本技术与常规的技术相比提供了各种改善。例如，通过利用被动驱动的阀，所述吸附床单元可以减少操作所述吸附床单元所需的重量和占用空间。而且，本技术可以提供模块设计，其可以被构建为减少占用空间，减轻所述吸附床单元的重量，和减少用于处理进料物流和除去一种或多种气体污染物的吸附床单元的投资费用。另外，所述被动驱动的阀在所述吸附床单元上的使用可以提供构型方面的灵活性，这可以改善维护和修复工作。参考以下图1-7可以进一步理解本技术。
图1是具有六个吸附床单元和互连管道的摆动吸附系统100的三维图。这种构型是一个具体实例，本技术广泛地涉及能够被以对称取向或者非对称取向和/或多个硬件平台的组合方式布置的吸附床单元。而且，这种特定的构型是为了示范的目的，因为其它构型可以包括不同数目的吸附床单元，其中所述吸附床单元中的至少一个具有可以在相操作的一个或多个被动控制的提升阀和一个或多个主动控制的提升阀以管理通过所述吸附床单元的流体流动。
在该系统中，所述吸附床单元如吸附床单元102可以被构建用于循环摆动吸附方法，该循环摆动吸附方法用于从进料物流(例如流体、气体或液体)除去污染物。例如，所述吸附床单元102可以包括用于管理通过、进入或离开在所述吸附床单元102内的吸附床的流体流动的各种管(例如管104)。来自所述吸附床单元102的这些管可以被连接到用于分配进入、离开或在组件间的物流的歧管(例如歧管106)。在吸附床单元内的所述吸附床可以从进料物流分离一种或多种污染物以形成产物物流。如可以理解的，所述吸附床单元可以包括其它管，它们用于控制作为所述方法的一部分的其它流体物流如吹扫物流、降压物流(例如排放物流)等。在某些构型中，所述吸附床单元可以还包括加热回路(未显示)，其被用于提高污染物从所述吸附床的脱除。而且，所述吸附床单元可以还包括一个或多个同等化容器，例如同等化容器108，它们服务于所述吸附床单元且可以服务于所述摆动吸附方法中的一个或多个步骤。
作为下面在图2中进一步讨论的一个实例，所述吸附床单元102可以包括：形成实质上气体不可渗透的隔离物的壳体，该壳体可以包括头部部分和其它体部分；布置在所述壳体内的吸附床；和多个阀(例如提升阀)，其在所述壳体的内部区域和所述壳体的内部区域外的位置之间提供通过在所述壳体中的开口的流体流道。所述提升阀中的每一个可以包括可坐在所述头部内的盘元件或可坐在插在所述头部内的分离阀座内的盘元件(未显示)。所述提升阀的构型可以是各种阀模式或各种类型提升阀的构型中的任何一种，例如被动控制的提升阀和/或主动控制的提升阀以及反向作用提升阀和/或前向作用提升阀。反向作用提升阀从所述吸附床向外打开，而前向作用提升阀向所述吸附床打开。例如，所述吸附床单元可以包括一个或多个提升阀，每一个提升阀与不同物流相关的不同管流动连通。所述提升阀可以在所述吸附床和各自的管、歧管或集管之一之间提供流体连通。
所述吸附床包括能够从所述进料物流吸附一种或多种气体组分的固体吸附剂材料。这样的固体吸附剂材料被选择是耐受所述吸附床单元102内的物理和化学条件的，并且可以包括金属材料、陶瓷材料或其它材料，取决于所述吸附方法。吸附剂材料的另外的实例在下面进一步给出。
图2是按照本技术的一个实施方案的、具有阀装配和歧管的吸附床单元200的一部分的示意图。吸附床单元200的所述部分(其可以是图1的吸附床单元102的一部分)包括壳体或体部，其可以包括圆筒状壁214和圆筒状绝缘层216以及上头部218和下头部220。吸附床210被设置在上头部218和下头部220以及所述绝缘层216之间，导致上开放区和下开放区，所述开放区实质上由开放的流路体积组成。吸附床单元中的这样的开放的流路体积含有气体，该气体必须被针对各种步骤管理。所述壳体可以被构建成在所述内部区域内保持0bara(绝压巴)-150bara的压力。
所述上头部218和下头部220含有阀结构如阀装配222-240(例如提升阀)能够被分别插入其中的开孔。在各自的头部218或220和吸附床210之间的所述上或下开放的流路体积还可以含有分配管线(未显示)，其直接将流体引入所述吸附床210。所述上头部218含有各种开孔(未显示),以提供通过入口歧管242和244以及出口歧管248、250和252的流道，同时所述下头部220含有各种开孔(未显示)，以提供通过入口歧管254和出口歧管256、258和260的流道。与所述各自的歧管242-260流体连通地布置的是阀装配222-240。如果所述阀装配222-240是提升阀，则其每一个可以包括连接到杆元件的盘元件，所述杆元件可以位于套管或阀杆导承内。而且，所述各自的盘元件可以与所述吸附床210相邻，这可以减少所述内部区域内的死体积。所述杆元件可以被连接到驱动机构或偏压机构，其被构建为使各自的阀赋予所述各自的杆元件线性运动。如可以理解的，被用于不同的提升阀类型的所述驱动机构或偏压机构可以针对所述方法中的不同步骤独立地操作，以驱动单一阀或驱动两个或更多个阀。而且，尽管所述开孔的大小可以是实质上类似的，考虑到通过入口的气体体积往往小于通过出口的产物体积，入口歧管的开孔和入口阀可以具有比出口歧管的开孔和出口阀小的直径。
在摆动吸附方法中，所述周期涉及两个或更多个步骤,每个步骤具有一定的时间间隔，这些时间间隔加在一起是周期时间或周期持续时间。这些步骤包括吸附床的再生和后面的使用各种方法的吸附步骤，所述各种方法包括变压、变真空、变温、吹扫(通过任何对于所述方法来说合适的类型的吹扫流体)和它们的组合。例如，一个PSA周期可以包括吸附、降压、吹扫和再次加压的步骤。当在高压下进行所述分离时，降压和再次加压(其可以被称为同等化步骤)可以在多个步骤中进行，以降低每一步骤的压力变化和提高效率。
为了管理流体的流动，本技术包括摆动吸附系统，该系统在吸附床单元200中包括一个或多个被动控制的提升阀和一个或多个主动控制的提升阀。例如，所述被动控制的提升阀和所述主动控制的提升阀可以配对在一起用于每个物流，以便彼此在相操作。例如，入口提升阀如阀装配222、224和232可以是更主动控制的提升阀，而阀装配226、228、230、234、236、238和240可以是被动控制的提升阀。在这种构型中，所述各主动控制的提升阀中的每一个可以被用于控制被提供给在所述内部区域内的吸附床210的物流，并且所述各被动控制的提升阀中的每一个可以被基于各自的主动控制的提升阀驱动。以这种方式，所述主动控制的提升阀可以被用于调节所述内部区域内的操作条件如压力或温度，以与所述被动控制的提升阀中的一个或多个一起操作或在相操作。所述主动控制的提升阀和/或被动控制的提升阀可以在所述吸附床和各自的管、歧管或集管之一之间提供流体连通。
所述吸附床单元的提升阀的放置具有某些约束，这限制了构型。例如，所述吸附床单元的头部的直径受所述吸附床的直径限制，以避免所述吸附床本身体积外所述内部区域中过多的死体积。结果，多个进料入口提升阀可以被用于使在所述吸附床单元的头部上可获得的流通面积最大化。例如，在某些构型中，进料入口提升阀的数目可以是5、6、7或9，它们被布置在围绕单一吹扫放空阀的单一节距圆上。其它构型可以包括布置在两个圆上的12或18个进料入口提升阀。
作为吸附床单元的一个示例性构型，图3是按照本技术的一个实施方案的、具有提升阀构型的吸附床单元的横截面示意图300。在此示意图300中，各种主动控制的提升阀如吹扫放空提升阀302和进料入口提升阀310被布置在第一头部313中，而各种被动控制的提升阀(未显示)被布置在第二头部330上。体部分332被设置在所述两个头部313和330之间并包围所述吸附床304。
所述吹扫放空提升阀302是固定在所述吸附床单元的中心线上的单一主动控制的提升阀。所述吹扫放空提升阀302以前向作用方向向所述吸附床304打开。驱动器(未显示)可以被固定在所述吹扫放空提升阀302上方，并且可以是电动液压驱动器，其在活塞后面使用加压空气(“气垫”)以提供关闭力。在吸附步骤过程中所述类型的前向作用提升阀可以利用进料压力来帮助所述气垫关闭吹扫放空提升阀302和维持关闭的吹扫放空提升阀302，以防止泄漏到吹扫放空管306和吹扫放空集管(未显示)。吹扫物流可以进入所述吸附床304(如箭头307所显示的)，并且可以被以箭头308所指示的方向导出作为吹扫输出物流，以被从所述吸附床304导出。
另外，所述示意图300具有多个进料入口提升阀310，其每一个都是主动控制的提升阀。所述多个进料入口提升阀310管理如箭头315所显示的进料物流的流动，该进料物流由进料管(未显示)提供，所述进料管可以被连接到所述头部313的一部分上。所述进料物流被通到所述吸附床304，并且被作为产物物流导出，如箭头317所显示的。所述进料入口提升阀310可以被构建成以反向作用提升阀的方式从所述吸附床304向外打开。多个进料入口提升阀310的使用可以使在所述吸附床单元的头部313上可获得的流通面积最大化。所述进料入口提升阀310通过被称为升降台314的环形元件提升。所述升降台314被环形驱动器活塞操纵，所述环形驱动器活塞被称为柔性的金属隔膜活塞316。或者，还可以使用具有滑动液体密封的刚性的环形活塞。总提升通过提升限制器如提升限制器318设定，所述提升限制器约束所述环形活塞至与所述头部平行的平面，从而当打开时给所述进料入口提升阀310中的每一个提供相同的提升。所述提升限制器可以采用进入所述环形活塞中的圆柱形凹处(未显示)的锥形金属塞(未显示)，以在所述升降台接近所述提升限制器时抑制所述升降台的运动。所述进料入口提升阀310通过在静态导板320中的套管引导，以确保所述盘元件恰当地就座。为了关闭小于1重力的加速度(例如9.8米/秒2)，如果所述吸附床的圆柱轴是垂直的，所述进料入口提升阀310可以无弹簧地使用。可以通过压力(例如压差)将所述进料入口提升阀310保持在严格的座接触状态，以在所述吹扫步骤过程中密封。而且，气门间隙如气门间隙322和323是在所述升降台314和所述螺母324和326之间的距离。所述气门间隙322可以被调节，以提供一个或多个进料入口提升阀310优先于被所述升降台314驱动的其余提升阀的打开。例如，气门间隙322的长度可以是1毫米，而气门间隙323的长度可以是10毫米。以这种方式，与气门间隙322相关的进料入口提升阀310可以在与气门间隙323相关的进料入口提升阀310之前打开。
作为一个实例，本技术可以涉及摆动吸附周期，该摆动吸附周期涉及吸附步骤和吹扫步骤。对于该实例，所述吸附床单元可以包括四个物流，它们是由进料入口(例如进料入口提升阀310)提供的进料物流，经产物放空(例如产物放空提升阀)提供的产物物流，通过吹扫入口(例如吹扫入口提升阀)提供的吹扫物流，和经吹扫放空(例如吹扫放空提升阀302)提供的吹扫输出物流。所述入口和放空口每一个可以与各自的提升阀相关，所述提升阀被连接到用于该物流的特定的管(例如歧管或其它管状元件)。另外，所述打开主动控制的进料提升阀还可以包括使用不同的气门间隙，以在提供通过第二开孔的第二流路之前提供通过第一开孔的、用于气体进料物流的第一流路。一个示例性的摆动吸附周期被显示在图4中。
图4是按照本技术的一个实施方案的图3中构型的吸附床单元内压力的示例性图表400。在该图表400中，沿压力轴402显示压力响应410(单位为兆帕斯卡(MPa))随时间轴404(单位为秒(s))的变化。在该图表400中，压力响应410显示了在所述周期中的不同步骤中在所述吸附床单元的内部区域内压力的变化。所述吸附床单元的所述示例性周期可以包括进行吸附步骤和再生步骤，其中所述再生步骤包括吹扫步骤。所述吹扫步骤可以被用于从所述吸附床304除去湿气。进料物流是含湿气的天然气物流，其被以8.1MPa的压力提供，其可以被从进料入口提升阀310提供。特别地，从0秒至4秒的时间段(例如由所述步骤标记405指示)显示了前一吸附步骤的结束。
在从4秒至40秒的时间段内进行吹扫步骤，这是从步骤标记405至步骤标记406。在所述吹扫步骤过程中，如在所述压力响应410上显示的，所述吸附床单元的内部区域内的压力从8.1MPa降低至2.9MPa。吹扫放空提升阀302在4秒时打开和在36秒时关闭。然后，吹扫进料提升阀与所述吹扫放空提升阀302同时打开和关闭。在所述吹扫步骤过程中，进料入口提升阀310关闭和吹扫放空提升阀打开。所述内部区域内的压力比所述进料管内的压力低，这提供了另外的支持以保持所述进料入口提升阀310的盘元件(例如进料盘元件)在各自的座内，以密封通过那些提升阀的任何流路。
在所述吹扫步骤之后，在从40秒至72秒的时间段内进行吸附步骤，这是从步骤标记406至步骤标记407。如在所述压力响应410上显示的，作为该步骤的一部分，所述吸附步骤将压力从2.9MPa增加到8.1MPa。在所述吸附步骤过程中，所述进料入口提升阀310打开和所述吹扫放空提升阀关闭。所述内部区域内的压力比所述吹扫管内的压力高，这提供了另外的支持以保持所述吹扫放空提升阀302的盘元件(例如吹扫放空盘元件)在各自的座内，以密封通过那些提升阀的任何流路。结果，在吸附步骤过程中所述进料压力帮助所述气垫关闭所述吹扫放空提升阀，以防止泄漏进所述吹扫放空头部。
如可以理解的，吸附床单元的恰当流通面积的尺寸可以被针对不同的处理操作调节。例如，可以针对处理工艺的类型如脱水、工艺条件如各种物流的进料速率、物流和/或进行的步骤的压力和/或物流的温度调节所述尺寸。
图5是从产物放空端看过去的、按照本技术一个实施方案的吸附床单元的示例性头部的横截面示意图500。在该示意图500中，显示了用于产物物流和吹扫进料物流的两种分离的连接点。头部510包括各种提升阀，例如产物放空提升阀502和吹扫进料提升阀504，它们被设置在头部510上。产物放空提升阀，例如产物放空提升阀502，被设置在所述头部510的外部部分上，而吹扫进料提升阀，例如吹扫进料提升阀504，被设置在所述头部510的内部部分上。所述头部的内部部分和外部部分被密封元件512隔离。所述头部510具有基本上圆形的形状，具有半径506。所述头部510还包括各种平头螺钉(例如六个平头螺钉)，例如平头螺钉508。
在这种构型中，被布置在所述吸附床单元的进料端的所述进料入口提升阀(未显示)和所述吹扫放空提升阀(未显示)可以是主动驱动的提升阀，其可以包括计算机控制的电动液压驱动器。因为在所述吸附床单元的内部区域中的压力平衡可以通过所述进料入口提升阀和所述吹扫放空提升阀控制，所述产物放空提升阀502和所述吹扫进料提升阀504可以是被动驱动的提升阀。所述产物放空提升阀502和所述吹扫进料提升阀504可以被构建成基于各提升阀两侧的压差以适当的顺序打开和关闭。
所述吹扫进料提升阀和所述产物放空提升阀可以被安装在两件一套的阀体中，如在工艺气体服务中的往复式压缩机的气缸阀上使用的。所述两种分离的连接点还可以通过夹在所述阀体上的垫圈密封在所述两件一套的阀体上。在这种接合处的密封防止产物物流泄漏进吹扫管，这可以减少所述产物物流的任何损失。然而，在这种接合处的泄露可以不导致内容物的损失。吹扫进料提升阀的数目可以遵循同样的优选的构型，如上面针对进料入口提升阀所指出的。
有益地，这些提升阀的自动打开通过省掉用于这些提升阀的分离的驱动器而降低了吸附床单元的体积和成本。而且，所述吸附床单元的取向可以使所述被动驱动的提升阀位于所述吸附床单元的底部，以限制所述吸附床单元的支撑物的高度在地平面以上和减少维护事项。在一个备选的构型中，所述吸附床单元的取向可以使所述被动驱动的提升阀位于所述吸附床单元的顶部，以限制所述管道和装置在较高的高度。
在某些实施方案中，提升阀可以被安装在往复式压缩机阀体中。所述提升阀可以由纤维增强的热塑性材料制造，具有耐腐蚀的螺旋弹簧以确保关闭。还可以采用其它类型的被动驱动的阀，例如簧片阀、止回阀或平板阀，如在往复式压缩机中使用的。
关于在吸附床单元的进料入口端的示例性头部(其可以与图3的头部313一起使用)，两种分离的连接点可以被提供，包括所述进料物流和所述吹扫输出物流。关于这种进料入口头部构型，所述头部可以包括位于所述头部上的各种提升阀，例如进料入口提升阀和吹扫放空提升阀。例如，如上面对于图3指出的，所述吹扫放空提升阀可以位于所述头部的中心区，而所述进料入口提升阀可以设置在所述头部的外侧部分。所述进料入口提升阀和所述吹扫放空提升阀中的每一个可以包括一个或多个各自的驱动机构，以操作所述主动控制的提升阀。所述进料驱动器可以如上所述操作。另外，所述头部或密封元件可以被用于将所述吹扫放空物流与在所述头部的不同隔间中的进料物流隔离。
为了容纳更多的物流，所述进料入口端的头部可以被隔离成各种隔间。例如，快速周期摆动吸附方法可以涉及用于处理进料物流的超过四种连接。因此，所述吸附床单元的进料入口端的头部可以被隔离或划分，以提供用于不同物流的入口。例如，图6A和6B显示了放射状隔离以提供头部的物流连接，而图7显示了环状隔离以提供头部的两种连接。
图6A和6B是按照本技术的一个实施方案的吸附床单元的示例性头部的示意图600和620。示意图600是具有用于所述各种物流的分离的连接的头部的横截面视图，所述物流可以包括进料物流、降压物流、产物物流、吹扫物流和吹扫输出物流。特别地，头部610被分成七个不同的隔间，它们通过从形成中心端口604的中心圆形结构元件放射状延伸的结构元件612隔离。相应地，各种提升阀如提升阀602以及驱动机构如驱动器616可以被分配在所述不同的隔间内，以通过在所述不同隔间中的各自的提升阀控制流体的流动。
例如，所述头部可以位于吸附床单元的进料入口端上。所述头部610包括位于所述头部610上的各种提升阀，例如提升阀602，其可以是进料入口提升阀。而且，所述中心端口604可以被用作所述头部610的吹扫放空部分，其与吹扫放空管(未显示)流体连通。吹扫放空提升阀(未显示)与所述中心端口604流体连通并固定到所述头部610上。提升阀如提升阀602位于通过所述头部610的结构元件或壁612形成的不同隔间内。所述不同隔间可以被用于分离和隔离通过各自的入口端口如头部610的入口端口部分614的来自不同管的物流。所述头部610具有基本上圆形的形状，其提供了所述基本上三角形形状的隔间。另外，驱动机构如驱动器616被附加在该图600上，以显示一个驱动器与三个所述提升阀相关。所述驱动器可以如上所述操作。
在示意图620中，所述头部610的入口端口部分614被显示为提升阀602提供入口。升降台622被所述驱动器616引导以打开和关闭坐在头部的一部分624内的提升阀602。剖面线6A显示了图6A中的示意图600和图6B中的示意图620间的关系，其中示意图600是示意图620的、沿所述剖面线6A的横截面视图。
作为一个备选的实施方案，图7是按照本技术的一个实施方案的吸附床单元的另一示例性头部的横截面示意图700。在所述示意图700中，显示了具有环形结构元件706的头部710的分离的连接，例如进料物流和吹扫输出物流。该环形结构元件706可以被用于将所述头部分成两个隔间，其具有布置在所述不同隔间中的不同的提升阀。例如，提升阀702可以被布置在外部隔间，而提升阀704可以被布置在内部隔间。
例如，所述头部710可以位于吸附床单元的进料入口端上。在这样的构型中，所述提升阀702可以是进料入口提升阀，而所述提升阀705可以是吹扫放空提升阀和所述提升阀704可以是排放提升阀。所述吹扫放空提升阀705可以与吹扫放空管(未显示)流体连通并被固定到所述头部710，而所述进料入口提升阀702与进料入口管(未显示)流体连通并被固定到所述头部710。类似地，所述排放提升阀704可以与所述排放管(未显示)流体连通并被固定到所述头部710。所述头部710的结构元件或壁706可以被用于将所述进料物流与所述吹扫输出物流和所述排放物流隔离。所述不同的隔间可以被用于分离和隔离来自不同管如进料入口管和吹扫放空管的物流。所述头部710和所述结构元件706具有基本上圆形的形状。另外，驱动器如进料驱动器(未显示)和吹扫放空驱动器可以被用于操作所述主动控制的提升阀，例如所述进料入口提升阀702和所述吹扫放空提升阀705。所述进料驱动器可以如上所述操作。
在一个或多个实施方案中，本技术提供了快速周期变温和/或变压吸附的独特组合，以提供必须的气体组分从进料物流的分离。例如，在吸附或进料步骤中，管道质量的进料天然气可以被作为进料物流引入到含有吸附剂材料的吸附床中，所述吸附剂材料被选择为优先吸附CO2。然后，离开所述吸附床的天然气物流(其是所述产物物流)处于LNG规格(例如含有小于50ppm的CO2)。随着所述吸附床接近饱和，中断所述进料物流并将其转向不同的吸附床，并且当前的吸附床被在再生步骤中再生。所述再生步骤可以包括一个或多个降压步骤，例如一个或多个吹扫步骤和/或一个或多个排放步骤，其中所述吸附床的壳体内的压力被降低以进行每一个后来的步骤。所述再生步骤导致在吸附步骤过程中与CO2共吸附的甲烷气体中的一些脱附。所述排放输出物流典型地是高纯度的且可以被压缩以与处于LNG规格的所述产物物流混合。
在某些实施方案中，所述吸附床可以在较低压力下经历加热步骤。该加热步骤代表了变分压吸附和变温吸附的组合，以帮助所述吸附床的再生。所述加热步骤可以被以数种方式提供，例如所述吸附床中金属基材的电加热、使加热物流通过所述吸附床和/或来自密封的加热流体的对流加热。当在低压下进行所述加热步骤时，该物流中CO2的浓度应被降低，因为它分布在整个所述吸附床。在某些实施方案中，所述加热步骤可以涉及混合所述出口吹扫物流(例如吹扫物流的产物)与所述加热回路物流和然后将所述合并的物流导出用作燃料。或者，所述加热回路可以在高的压力和温度下用主要是CO2的物流执行。在这样的构型中，所述排放步骤可以在大气压力下进行，其中所述排放物流被导出用作燃料(不是产物)，并且然后所述吸附床可以被吹扫。然而，优选的周期可以涉及限制所述加热物流中CO2的量(例如限制到小于约20％)。
所述加热步骤可以不加热所述吸附床的整个长度以使任何污染物突破最小化。因为吸附床被某些物流和反应冷却，温度差可以导致在进料端形成吸附波(例如冷却的吸附床的锋面)和然后该吸附波以进料方向沿所述吸附床移动。随着吸附锋面在所述吸附床的前部(例如接近所述进料端)形成，所述吸附床的剩余部分在所述吸附锋面前进到该点之前被所述进料冷却。这提供了用于所述方法以在紧随初始部分的进料中生产LNG质量气体的机制。例如，所述加热步骤可以被构建为在所述吸附床的进料端和产物端之间导致温度差。所述温度差是所述吸附床的进料端和所述吸附床的产物端之间的温度差，其可以通过从所述吸附床的进料端的温度减去所述吸附床的产物端的温度来计算。所述温度可以是通过热电偶或其它温度测量装置测量的温度。进料端或进料侧是所述吸附床的、进料物流最初进入的那端，而产物端是所述吸附床的、与所述进料端相对的部分，并且所述进料物流从产物端离开所述吸附床。所述温度差可以在100°F和400°F之间的范围内，在125°F和350°F之间的范围内，或在175°F和300°F之间的范围内。所述温度差可以被用于使所述进料物流从所述进料端进入所述吸附床和在暴露于所述吸附床的较高温度的部分之前除去污染物(例如CO2和/或水)。所述吸附床的较低温度的部分可以被称为加热进料区域，所述吸附床的处于加热温度的部分可以被称为加热产物区域，和所述吸附床的从所述加热进料区域过渡到所述加热产物区域的部分(例如具有在这些区域的温度差之间增加的加热锋面的部分)可以被称为加热锋面区域。随着所述加热步骤的逐渐进行，这些不同的区域可以改变，其中在所述加热步骤结束时具有最大的加热产物区域和最小的加热进料区域。所述加热进料区域可以是所述吸附床的从所述吸附床的进料端至床长度的2％的特定部分，从所述吸附床的进料端至床长度的5％的特定部分，从所述吸附床的进料端至床长度的10％的特定部分，或从所述吸附床的进料端至床长度的20％的特定部分。所述加热产物区域可以是所述吸附床的从所述吸附床的产物端至所述床长度的60％的特定部分，从所述吸附床的产物端至所述床长度的55％的特定部分，或从所述吸附床的产物端至所述床长度的50％的特定部分。而且，所述加热步骤可以包括将所述吸附床的来自所述吸附床产物端的一部分加热至在所述加热温度上下一定范围内的温度(例如所述加热温度±10％和/或所述加热温度±5％)。在吸附步骤过程中冷却锋面移动向所述产物端，并且在加热步骤过程中冷却锋面移动向所述进料端。
而且，在某些实施方案中，上述方法可以被用于从进料物流分离任何两种或更多种污染物(例如用于处理可以是管道质量天然气的进料物流成LNG规格)。例如，如果所述进料物流包括另外的装置(例如脱水吸附单元，例如分子筛吸附单元和/或脱水吸附床单元)以从所述物流除去水，其可以与本技术集成在一起以进一步处理所述物流。例如，脱水方法可以通过脱水装置如分子筛或摆动吸附方法(例如RCPSA和/或RCTSA)在所述吸附床单元中的CO2脱除操作的上游进行。特别地，分子筛单元或第一吸附床单元可以被用于除去水，而第二吸附床单元可以被用于除去CO2。或者，在另一个构型中，集成的快速周期吸附系统可以被用于除去多种污染物(例如水和CO2)。合适的吸附剂材料或吸附剂层可以被用于提供所述脱水作用，其可以与用于脱除其它污染物如CO2的吸附剂材料相同或不同。
而且，本技术可以包括一个特殊的工艺流程以除去污染物，例如CO2和/或水。例如，所述方法可以包括吸附步骤和再生步骤，它们形成所述周期。所述吸附步骤可以包括使处于进料压力和进料温度的气体进料物流通过吸附床单元，以从所述气体进料物流分离一种或多种污染物，从而形成产物物流。所述进料物流可以以前向方向(例如从所述吸附床的进料端到所述吸附床的产物端)通过所述吸附床。然后，可以中断所述气体进料物流的流动以进行再生步骤。所述再生步骤可以包括一个或多个排放步骤、一个或多个加热步骤和一个或多个吹扫步骤。降压步骤—其可以是排放步骤或包括排放步骤—可以包括对于每个相继的降压步骤以预定的量降低所述吸附床单元的压力，其可以是单一步骤和/或多个步骤。所述降压步骤可以以前向方向提供，或者可以优选地以逆流方向(例如从所述吸附床的产物端到所述吸附床的进料端)提供。加热步骤可以包括将加热物流通入所述吸附床单元，所述加热物流可以是通过加热回路的循环物流且被用于加热所述吸附剂材料。例如，加热物流(例如回路气体)与进料物流(例如进料气体)的比可以基于吸附剂材料的类型、进料物流中CO2的进料浓度和所述吸附床的加热的频率。对于所述进料物流中低的CO2进料浓度，吸附步骤的较长持续时间可以涉及较少的吸附床再加热。例如，如果所述物流在所述进料物流中具有2％CO2，那么约50-60％的所述进料物流可以被用在加热物流中，而对于进料物流中含0.5％CO2的情况来说，那么约15-25％的所述进料物流可以被用在所述加热物流中。
可以被以加热温度和加热压力提供的所述加热物流可以相对于所述进料物流逆流地提供。所述吹扫步骤可以包括将吹扫物流通到所述吸附床单元内，其可以是一次通过吹扫步骤，并且所述吹扫物流可以相对于所述进料物流逆流提供。所述吹扫物流可以被以吹扫温度和吹扫压力提供，其可以包括与在加热步骤中采用的加热温度和加热压力类似的吹扫温度和吹扫压力。然后，可以针对另外的物流重复所述周期。另外，在所述吹扫步骤之后和在所述吸附步骤之前，所述方法可以包括一个或多个再次加压步骤。所述一个或多个再次加压步骤可以被进行，其中所述吸附床单元内的压力通过每个再次加压步骤增加对每个相继的再次加压步骤来说预定的量。所述周期持续时间可以是大于1秒和小于600秒的时间，大于2秒和小于180秒的时间，或大于5秒和小于90秒的时间。
在某些实施方案中，所述系统利用组合的摆动吸附方法来处理管道质量天然气以从所述物流除去污染物从而满足LNG规格，所述方法组合了TSA和PSA。所述方法利用吸附床单元(例如每个吸附床单元具有平行通道的吸附床)，其中所述吸附床单元被部分地降压并使用处于加热温度的加热回路和处于吹扫温度的吹扫物流加热，以便实现热辅助的分压脱附。然后，在所述周期的吸附步骤过程中，进料物流被用于冷却所述吸附床。特别地，快速周期摆动吸附方法被用于处理管道规格的天然气(例如主要是烃且包含小于或等于约2％体积CO2和/或小于或等于4ppm H2S的进料物流)，以形成满足LNG规格的物流(例如小于50ppmCO2和小于约4ppm H2S)。
在一个或多个实施方案中，所述材料可以包括负载在非吸附剂载体上的吸附剂材料。所述吸附剂材料可以包括氧化铝，微孔沸石，炭，阳离子沸石，高二氧化硅沸石，高硅质有序中孔材料，溶胶凝胶材料，铝磷和氧(ALPO)材料(主要含有铝、磷和氧的微孔和中孔材料)，硅铝磷和氧(SAPO)材料(主要含有硅、铝、磷和氧的微孔和中孔材料)，金属有机框架(MOF)材料(由金属有机框架构成的微孔和中孔材料)和沸石咪唑化物框架(ZIF)材料(由沸石咪唑化物框架构成的微孔和中孔材料)。其它材料包括用官能团官能化的微孔和中孔吸着剂。官能团的实例包括伯、仲、叔胺和其它非供质子的碱性基团如脒，胍和双胍。
而且，在一个或多个实施方案中，所述吸附床单元可以包括吸附床，所述吸附床可用于分离目标气体组分以形成气体混合物。吸附床通常由负载在非吸附剂载体或者接触器上的吸附剂材料组成。这样的吸附床可以含有基本上平行的流动通道，其中除了所述流动通道以外，接触器开孔体积的20体积％，优选15体积％或更小是大于约20埃的孔。流动通道被认为是气体在其中流动的吸附床的那部分，如果在进料物流进入所述吸附床的点或位置和产物物流离开所述吸附床的点或位置之间施加稳态的压差的话。在吸附床中，所述吸附剂材料被结合在所述流动通道的壁中
在一个或多个实施方案中，当使用RCTSA或RCPSA时，总周期时间典型地小于600秒，优选小于180秒，更优选小于90秒，甚至更优选小于60秒。
本技术领域的技术人员将容易认识到，在所公开的方法的实际应用中，其被部分地在计算机(典型地适当编程的数字计算机)上进行。而且，下面的详细描述的一些部分以在计算机存储器内的数据位上的程序、步骤、逻辑块、处理和操作的其它符号表示呈现。这些描述和表示是数据处理领域技术人员用来最有效地将他们工作的内容传达给本领域其他技术人员的手段。在本申请中，程序、步骤、逻辑块、进程等被认为是导致期望结果的步骤或指令的自洽序列。所述步骤是要求对物理量进行物理操作的那些步骤。通常，尽管不是必须的，这些量采用能够被存储、传送、组合、比较和以其他方式在计算机系统中操作的电或磁信号的形式。
然而，应该记住，所有这些和类似术语都与适当的物理量相关联，并且仅是应用于这些量的方便标签。除非另有明确说明，否则如从下面的讨论中显而易见的，应理解在本申请中利用术语如“处理”或“用计算机计算”、“计算”、“比较”、“确定”、“显示”、“复制”、“生成”、“存储”、“加”、“应用”、“执行”、“维护”、“更新”、“创建”、“构造”、“产生”等的讨论涉及计算机系统或类似的电子计算设备的动作和过程，所述计算机系统操作表示为在计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据和将其变换到类似地表示为在所述计算机系统的存储器或寄存器或其它这样的信息存储、传输或显示设备内的物理量的其它数据。
本技术的实施方案还涉及用于进行这里的操作的装置。该装置可以为所要求的目的专门建设，或者它可以包括由储存在计算机中的计算机程序(例如一个或多个指令组)选择性地激活或重新配置的通用计算机。这样的计算机程序可以被储存在计算机可读的介质中。计算机可读的介质包括用于储存或发送机器(例如计算机)可读的形式的信息的任何机制。计算机可读的(例如机器可读的)介质包括例如但不限于机器(例如计算机)可读的存储介质(例如只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存存储器等)和机器(例如计算机)可读的传输介质(传播信号的电、光、声或其它形式(例如载波、红外信号、数字信号等))。
而且，对相关领域普通技术人员来说显而易见的是，本发明的模块、特征、属性、方法和其它方面能够被作为软件、硬件、固件或三者的任意组合来实施。当然，无论在哪里本发明的组件被作为软件实施，所述组件能够被作为独立程序，作为较大程序的一部分，作为多个分离的程序，作为静态或动态链接的库，作为内核可加载的模块，作为设备驱动器，和/或以计算机编程领域的技术人员已知或将来已知的任何其它方式实施。另外，本发明无论如何不受限于在任何特定的操作系统或环境中实施。
而且，一个或多个实施方案可以包括通过执行一个或多个指令组以在所述方法的各个步骤进行建模提高来进行的方法。例如，所述方法可以包括执行一个或多个指令组以在阈值当前状态或指示之间进行比较以及在模块、组件和/或传感器之间传输数据。例如，计算机系统可以被构建为遵循分层方法来管理烃处理。例如，装置或工厂的操作可以包括装置控制系统，其被构建为管理通过装置和至在所述装置内处理所述物流的一种或多种工艺的物流的流动。所述装置控制系统可以包括用于特定工艺中每一个工艺的工艺控制系统、用于特定工艺内每个单元的单元控制系统和被构建为管理所述装置的安全的安全系统。在所述单元控制系统内，各种系统控制模块可以被用于管理用于一个单元的特定物流的阀和设备。例如，所述单元控制系统可以包括进料控制模块和/或吹扫控制模块。这些模块可以包括处理器、与所述处理器通信的存储器和储存在存储器中并可被所述处理器获取的一组指令，其中所述一组指令可以被构建为当被执行时进行数值计算，所述数值计算确定各个主动驱动的提升阀例如所述主动驱动的进料提升阀和/或主动驱动的吹扫提升阀的打开顺序、打开时间、打开速率和/或关闭速率。
例如，计算机系统可以被利用和被构建为执行所述被提供给吸附床单元的物流的工艺控制。所述计算机系统可以包括处理器；与所述处理器通讯的存储器；和储存在所述存储器中并可被所述处理器获取的一组指令，其中所述一组指令被构建为当被执行时向一个或多个主动控制的提升阀如主动控制的进料提升阀或主动控制的吹扫提升阀发送信号。所述发送的信号可以是打开所述提升阀或关闭所述提升阀。具体地，所述发送的信号可以是打开所述主动控制的进料提升阀，以使气体进料物流从进料入口管通到布置在所述吸附床单元的壳体的内部区域中的吸附床。还有，所述发送的信号可以是关闭所述主动控制的进料提升阀，以阻止或防止所述气体进料物流进入所述吸附床。又例如，所述发送的信号可以是打开所述主动控制的吹扫提升阀，以将吹扫输出物流从所述吸附床通到吹扫放空管。另外，所述发送的信号可以是关闭所述主动控制的吹扫提升阀，以阻止或防止所述物流离开所述吸附床。
作为可以被用于进行这里所公开的方法中任何一种的计算机系统的一个实例，中央处理器(CPU)被连接到系统总线。所述CPU可以是任何通用CPU，尽管其它类型的CPU结构(或示例性系统的其它组件)可以被使用，只要CPU(和系统的其它组件)支持如本文所述的本发明的操作。所述CPU可以按照所公开的方面和方法执行各种逻辑指令。例如，所述CPU可以执行用于按照这里公开的方面和方法进行处理的机器级指令。
计算机系统还可以包括计算机组件，例如随机存取存储器(RAM)，其可以是SRAM，DRAM，SDRAM等。计算机系统还可以包括只读存储器(ROM)，其可以是PROM，EPROM，EEPROM等。RAM和ROM保持用户和系统数据和程序，如本领域已知的。计算机系统还可以包括输入/输出(I/O)适配器，通信适配器，用户接口适配器，和显示适配器。在某些方面和技术中，所述I/O适配器、用户接口适配器和/或通信适配器使得用户能够与计算机系统互动以输入信息。
所述I/O适配器优选将存储装置例如硬盘驱动器、光盘(CD)驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器等中的一个或多个连接到计算机系统。当RAM不足时，所述存储装置可以被使用来满足与用于本技术实施方案的操作的储存数据相关的存储器要求。所述计算机系统的数据存储可以被用于储存如本文中公开的、所使用或产生的信息和/或其它数据。通信适配器可以将所述计算机系统连接到网络(未显示)，其可以使得信息能够被经由所述网络(例如广域网、局域网、无线网络、前述网络的任何组合)输入到系统和/或从系统输出。用户接口适配器将用户输入设备如键盘、定点设备等连接到计算机系统。显示适配器由CPU驱动，以通过显示驱动器控制显示器上的显示。一个或多个二维图和一个或多个三维窗口的信息和/或表示可以被显示，按照所公开的方面和方法。
计算机系统的体系结构可以根据需要改变。例如，可以使用任何合适的基于处理器的设备，包括但不限于个人计算机、便携式计算机、计算机工作站和多处理器服务站。而且，实施方案可以在应用专用集成电路(ASICs)或超大规模集成(VLSI)电路上实施。事实上，本领域普通技术人员可以使用能够按照所述实施方案执行逻辑操作的任何数量的合适结构。
考虑到所公开的发明的原则可以施加于其上的许多可能的实施方案，应认识到，所述说明性的实施方案仅是本发明的优选的实例，并且不应被视为限制本发明的范围。

Claims (28)

1.用于从进料物流除去污染物的方法，该方法包括：
a)在吸附床单元中进行一个或多个吸附步骤，其中所述一个或多个吸附步骤中的每一个包括：(i)打开一个或多个主动控制的进料提升阀，以使气体进料物流从进料入口管通到布置在所述吸附床单元的壳体的内部区域的吸附床，(ii)使所述气体进料物流暴露于所述吸附床，以从所述气体进料物流分离一种或多种污染物，从而形成产物物流，和(iii)打开一个或多个被动控制的产物阀，以将所述产物物流从所述壳体内的所述内部区域导出到产物管，其中所述一个或多个被动控制的产物阀中的每一个与所述一个或多个主动控制的进料提升阀中至少一个在相操作；
b)进行一个或多个降压步骤，其中所述一个或多个降压步骤中的每一个包括在输出物流中导出所述一种或多种污染物中的至少一部分；和
c)重复所述步骤a)-b)至少一个另外的周期，其中周期持续时间大于1秒且小于600秒，其中打开一个或多个主动控制的进料提升阀还包括用进料驱动机构线性地移动固定到多个进料阀杆的进料升降台，以提供多个进料开孔，其中所述多个进料阀杆中的每一个被固定到进料盘元件，并且所述多个进料开孔中的每一个在所述进料盘元件和一个相伴的、固定到所述吸附床单元的壳体的进料座之间形成间隙。
2.权利要求1所述的方法，其中打开所述一个或多个主动控制的进料提升阀还包括为所述气体进料物流提供通过所述多个进料开孔的第一进料开孔的第一进料流路，然后提供通过所述多个进料开孔的第二进料开孔的第二进料流路。
3.权利要求1或2所述的方法，其中所述打开一个或多个主动控制的进料提升阀还包括从所述吸附床移开所述进料盘元件，以在所述进料盘元件和所述相伴的进料座之间形成间隙。
4.权利要求1或2所述的方法，其还包括在进行一个或多个降压步骤过程中，基于在所述进料入口管和所述内部区域之间的压差施加压力在用于所述一个或多个主动控制的进料提升阀中每一个的进料盘元件上，以阻止从所述一个或多个主动控制的进料提升阀泄漏。
5.权利要求1或2项所述的方法，其中打开一个或多个被动控制的产物阀还包括用产物偏压机构线性地移动至少一个产物阀杆，以在连接到所述至少一个产物阀杆的产物盘元件和固定到所述吸附床单元的壳体的产物座之间提供产物开孔。
6.权利要求5所述的方法，其中所述产物偏压机构被构建成当在所述内部区域和所述产物管之间的压差超过特定阈值时基于所述压差线性地移动。
7.权利要求5所述的方法，其中所述打开一个或多个被动控制的产物提升阀还包括从所述吸附床移开所述产物盘元件，以在所述产物盘元件和所述产物座之间形成间隙。
8.权利要求5所述的方法，其还包括在进行一个或多个降压步骤过程中，由在所述内部区域和所述产物管之间的产物压差施加压力在用于所述一个或多个被动控制的产物提升阀中每一个的产物盘元件上，以阻止从所述一个或多个被动控制的产物提升阀泄漏。
9.权利要求1或2所述的方法，其中打开一个或多个被动控制的产物阀还包括移动柔性带，以在所述柔性带和产物座之间提供产物开孔。
10.权利要求1或2所述的方法，其中所述进行一个或多个降压步骤包括进行一个或多个吹扫步骤，其中所述一个或多个吹扫步骤中的每一个包括将吹扫物流通入所述吸附床单元，以在吹扫输出物流中导出所述一种或多种污染物的至少一部分。
11.权利要求10所述的方法，其中所述一个或多个吹扫步骤中的每一个包括：(i)打开一个或多个主动控制的吹扫放空提升阀，以从所述吸附床导出吹扫出口物流，(ii)使所述吹扫物流暴露于所述吸附床，以从所述吸附床分离所述一种或多种污染物的至少一部分，以形成所述吹扫输出物流，和(iii)打开一个或多个被动控制的吹扫提升阀，以使所述吹扫物流从吹扫管进入所述内部区域。
12.权利要求1或2所述的方法，其中所述打开一个或多个被动控制的产物阀是在所述打开一个或多个主动控制的进料提升阀的时间间隔的至少80％内。
13.权利要求1或2所述的方法，其还包括在进行所述一个或多个吸附步骤之后进行一个或多个加热步骤，其中所述一个或多个加热步骤中的每一个包括将处于加热温度的加热物流通到所述吸附床中。
14.权利要求1或2所述的方法，其中所述气体进料物流是含烃物流，其具有大于1体积％的烃，基于所述进料物流的总体积计。
15.权利要求1或2所述的方法，其中以在50巴绝压(bara)和150bara之间的进料压力和在0°F和200°F之间的进料温度提供所述气体进料物流。
16.权利要求1或2所述的方法，其中所述周期持续时间大于2秒且小于180秒。
17.用于从气体进料物流除去污染物的摆动吸附系统，所述系统包括：
吸附床单元，其被构建成在摆动吸附方法中从气体进料物流中分离污染物和输出产物物流，其中所述吸附床单元包括:
形成内部区域的壳体；
布置在所述内部区域内的吸附床；
一个或多个主动控制的提升阀，其中所述一个或多个主动控制的提升阀中的每一个被构建成在所述内部区域和所述内部区域外的第一位置之间提供通过在所述壳体中的开口的、经所述主动控制的提升阀的第一流体流道；和
一个或多个被动控制的阀，其中所述一个或多个被动控制的阀中的每一个被构建成在所述内部区域和所述内部区域外的第二位置之间提供通过在所述壳体中的开口的、经所述被动控制的阀的第二流体流道，并且其中所述一个或多个被动控制的阀中的每一个与所述一个或多个主动控制的提升阀中的至少一个在相操作，
其中所述一个或多个主动控制的提升阀中的每一个包括连接到主动盘元件的主动阀杆，并且还包括：
固定到所述主动阀杆的升降台；和
连接到所述升降台的驱动机构，其中所述驱动机构被构建成提供多个主动开孔，其中所述多个主动开孔中的每一个在所述主动盘元件和一个相关的、固定到所述吸附床单元的壳体的主动座之间形成主动间隙。
18.权利要求17所述的摆动吸附系统，其中所述一个或多个主动控制的提升阀中的每一个被设置为与所述吸附床直接相邻且在所述吸附床的界面横截面积内。
19.权利要求17所述的摆动吸附系统，其中所述一个或多个主动控制的提升阀包括第一主动控制的提升阀和第二主动控制的提升阀；其中所述第一主动控制的提升阀被构建成在提供通过与所述第二主动控制的提升阀相关的第二开孔的第二流路之前，为通过第一主动开孔的物流提供第一进料流路。
20.权利要求17和19中任一项所述的摆动吸附系统，其中所述一个或多个主动控制的提升阀被构建成从所述吸附床移开所述主动盘元件，以在所述主动盘元件和所述相伴的主动座之间形成间隙。
21.权利要求17所述的摆动吸附系统，其中所述一个或多个被动控制的阀中的每一个还包括偏压机构，该偏压机构与至少一个被动阀杆相关且被构建为在连接到所述至少一个被动阀杆的被动盘元件和固定到所述吸附床单元的壳体的被动座之间提供被动开孔。
22.权利要求21所述的摆动吸附系统，其中所述偏压机构被构建成当在所述内部区域和管之间的压差超过特定阈值时基于所述压差线性地移动。
23.权利要求21所述的摆动吸附系统，所述一个或多个被动控制的阀被构建成从所述吸附床移开所述被动盘元件，以在所述被动盘元件和所述被动座之间形成间隙。
24.权利要求17和18中任一项所述的摆动吸附系统，其中所述一个或多个被动控制的阀包括簧片阀。
25.权利要求17和18中任一项所述的摆动吸附系统，其中所述壳体还包括固定到体部分的第一头部和第二头部，其中一个或多个主动控制的提升阀和所述一个或多个被动控制的阀被固定到所述第一头部和第二头部之一上。
26.权利要求25所述的摆动吸附系统，其中所述第一头部具有多个通过结构元件形成的隔间，以将在所述不同隔间中的流体与其它隔间隔离。
27.权利要求26所述的摆动吸附系统，其中所述结构元件被通过所述第一头部放射状地形成。
28.权利要求26所述的摆动吸附系统，其中所述结构元件被通过所述第一头部环状地形成。
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