CN110709661A - 连接至凝华热交换器的循环流化床 - Google Patents

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Abstract

将例如二氧化碳的可冷凝蒸气从一工艺流中的多种轻质气体中分离出。多个系统及多个方法采用一种通过一床外热交换器进行冷却的循环流化床，以使固体形式的所述可冷凝蒸气从所述工艺流中凝华。在一分离器中可分离出气体及多个固体，接着可在一热交换器中将所述多个固体进行过冷。所述可冷凝蒸气在多个床颗粒上或在所述热交换器中被冷凝，同时来自所述工艺流的未被冷凝的所述多种轻质气体形成一个别的轻质气体流。

Description

连接至凝华热交换器的循环流化床
官方参与声明
本发明是在能源部授予的DE-FE0028697的官方支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。
技术领域
本发明关于用以将凝华性蒸气(例如，二氧化碳)从多种气体中分离出的多个方法及多个系统，其通过所述蒸气在一颗粒床上进行凝华作用。
背景技术
将像是二氧化碳的可凝结蒸气从其他的轻质气体中分离出为气体制备及纯化的一重要的部分。例如，一常见的发电站的烟道气通常含有(体积)约4％至约16％的二氧化碳(CO2)。二氧化碳可能在气候变化上扮演的一重要因素。因此，显然需要多个从所述烟道气中捕获二氧化碳的有效率的方法，以便产生可容易输送至一安全的储存位置或可进一步应用的一浓缩的二氧化碳流。相似地，必须将二氧化碳从天然气、汽化或重整过的合成气及炉煤气、可呼吸的空气及用于空气分离单元的一空气入口分离出。其他可冷凝的气体，例如水，必须从空气、化学流、天然气及前面提到的大部分的物流中分离出。必须从多个工艺流中分离出的其他可冷凝的气体包括天然气液体、像是氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、汞、臭氧的污染物、杂质、致污物、有气味的气体及空气中的有毒物质。虽然本发明者直接感兴趣的是二氧化碳，但在本文所描述的公开内容显而易见地可应用于其他气体的分离系统。
通过五个主要的技术已经或计画将二氧化碳从多个气流中进行捕获：吸附，其中二氧化碳选择性地被吸附至多个液体溶剂中；吸附或化学循环，其中二氧化碳通过在特别设计过的多个固体颗粒的表面上的吸附或反应来被分离，所述多个固体颗粒可能被诱导或可能不被诱导以将二氧化碳在此过程的后期释放至多个基本上纯净的物流中；薄膜，其中二氧化碳通过多种半透性塑料或陶瓷膜来被分离；增氧燃烧，其中氧气在燃烧之前从空气中分离出，以产生一基本上纯净的二氧化碳流出物；以及低温/高压流程，其中通过将二氧化碳压缩来实现所述分离。
目前最为大家接受且在经济上已证明的从一烟道气中捕获二氧化碳的一技术是以一胺溶液洗涤所述烟道气以将二氧化碳吸收至所述溶液中。此技术对于从多个小规模烟道气及多个特殊流程中捕获二氧化碳的多个系统已经达到了一商业运行状态。然而，它的应用大大降低了一发电厂的总效率。
另一种受到重视的工艺是氧气燃烧系统，使用氧气的所述氧气燃烧系统通常在一空气分离单元(ASU)中生产，但有时候在多个膜分离单元中，而不是空气，其用于燃烧一主要燃料。所述氧气经常与一惰性气体混合，例如一再循环烟道气，以将一燃烧温度及热能的吸收维持在一合适的水平上。氧燃烧的过程产生烟道气，所述烟道气具有作为其主要成分的二氧化碳、水及氧气；所述二氧化碳的浓度通常高于体积的约70％。在将二氧化碳送入储存之前，通常需要处理所述烟道气以从所述烟道气中移除多个空气污染物及不可冷凝的气体(例如氮气)。
另外，一流化床通常具有一冷却表面及多个颗粒，所述多个颗粒位于所述流化床的内侧且用于鼓泡气体。
发明内容
本公开描述用于在一连续的分离流程中将凝华性蒸气(例如二氧化碳)从其他气体(例如氮气)中分离出的多个方法及多个系统。可能使用所公开的方法及系统的气体种类的一示例为可冷凝的气体，例如二氧化碳，除非特别地说明，否则对于二氧化碳气体的任何提及也可指的是任何可冷凝的气体，且在本公开谈论从所述可冷凝的气体凝结而来的固态二氧化碳的情况下，接着可以其他可冷凝气体的固体形式来替代所述固态的二氧化碳。所述分离流程是在具有一床外热交换器的一流化或固定床中实行。所述流化床可具有多个种子颗粒，例如固态二氧化碳或其他颗粒。当一具有如二氧化碳的多个颗粒的气体通过一流体床时，接着所述二氧化碳被流化。所述二氧化碳或其他颗粒以及所述气体可从所述流化床被分选出，并且被输送至一分离器，例如一旋风式分离器。来自所述流化床的所述二氧化碳或其他颗粒以及所述气体可在分开的导管中或在一相同的导管中离开一颗粒床容器，所述颗粒床容器为固定所述流化床的一腔室。所述床外热交换器将从所述床流出的一工艺流冷却，其可能为直接从所述流化床流出的一工艺流或是不直接从一分离器或多级分离器流出的一工艺流，所述分离器或多级分离器接收从所述流化床流出的所述工艺流。在所述工艺流于所述热交换器中被冷却时，所述可冷凝蒸气被压缩，从而在所述热交换器的外部表面、所述热交换器的内部表面上或在位于所述热交换器中的多个导管上形成一凝结状态。所述凝华性蒸气的所述凝结也可能使所述蒸气从所述工艺流的其他气体中被分离出，从而形成一个别的轻质气体流。
凝结的固体，例如但不限于，二氧化碳、硫的氧化物、氮的氧化物及水，可能融化以形成一液体，并且使用作为产品或通过使用任何合适的封存技术来进行封存。例如，所述被分离出的二氧化碳可被注入一含水层或其他合适的地下储层中。
本发明中所使用的一颗粒床提供了用于蒸气凝华的一足够的表面积。所述颗粒床可通过使作为凝华性蒸汽的一总百分比的发生在所述热交换器表面上的凝华量最小化来提高所述系统的效率。在一实施例中，所述床可被流化。在此实施例中，所述多个被流化的颗粒可能撞击所述热交换器的所述导管的一外部表面以减少所述凝结固体的生成，从而提高所述热交换器的效率，及允许所述系统的持续运转。
在一实施例中，所述系统包括一分离容器，所述分离容器具有一工艺流入口及一轻质气体出口。所述工艺流入口可与一工艺流进行流体连通，所述工艺流包括可冷凝蒸气。一颗粒床被放置于所述分离容器中。所述颗粒床可与所述工艺流进行流体连通，且所述工艺流可具有足够的压力以流过所述颗粒床。在一些实施例中，所述系统包括一床外热交换器，所述床外热交换器包括一个或多个热交换器表面，所述热交换器表面可与所述分离容器连接，但所述热交换器表面可位于所述分离容器的外侧。为了本公开的多个目的，所述床外热交换器位于所述分离容器的外侧或所述流化床的外侧，而一床内热交换器则位于所述流化床的内侧。在所述床及所述热交换器内的温度及压力足够使至少一部分的所述可凝结蒸气从所述工艺流进行凝华至所述颗粒床上及/或所述床外热交换器的所述导管的外部。所述可冷凝蒸气形成一凝结的固体，所述凝结的固体可因此从所述工艺流中的多种轻质气体中分离出，所述多种轻质气体离开所述容器以作为一个别的轻质气体流。
所述颗粒床可包括任何类型的颗粒物。在一实施例中，所述颗粒床包括多个凝华性固体的颗粒。例如，在要从一工艺流中分离出二氧化碳的情况下，所述颗粒床可包括多个固态二氧化碳的颗粒。所述多个颗粒也包括其他不可冷凝的物质，例如无机物(二氧化硅、氧化物、碳酸盐等)，以提高在所述床中的颗粒尺寸的一均匀性。然而，多个异质性颗粒不需要在所述颗粒床中。
在凝华期间，所述蒸气在所述床或所述导管中的所述多个颗粒上的凝结可能造成在所述床中的质量的生成。可从所述容器移除多个固体以维持一期望的床体积及/或颗粒尺寸。在一实施例中，多个颗粒从所述床的一底部被移除，在所述床的所述底部中易于累积多个较大的颗粒。通过从所述床移除多个颗粒来移除多个凝结的固体可被用于促进所述系统的持续运转。
本文所描述的所述多个系统及所述多个方法可在任何适用于使在一工艺流中的可冷凝蒸气进行凝华的温度及压力下实现。在一实施例中，在所述容器中的压力相对的低，例如一压力的范围从约环境压力至约15磅力每平方英寸(psi)，或从环境压力至约10psi，或从环境压力至约5psi。在一替代的实施例中，所述压力可相对的高，例如一范围从约5psi至约1000psi或更高，或20psi至约500psi。在二氧化碳被凝华的情况下，在所述颗粒床内的所述温度及所述压力、如一旋风式分离器的所述分离器，或所述热交换器可被选择以将气态的二氧化碳直接地转型为固态的二氧化碳。用于使二氧化碳进行凝华的所述温度及所述压力为已知的。例如，在环境压力下，二氧化碳蒸气在低于约-78℃的一温度下进行凝华。
在一实施例中，所述分离单元或系统(意即，分离容器、颗粒床、例如一旋风式分离器的任何分离器，及床外热交换器)可在一高压下运转，使得所述离开的轻质气体流进一步被冷却以使用作为在所述床外热交换器中的冷却气体。在一实施例中，具有大于约5psi、大于约20psi或大约50psi的一压力的一个别的轻质气体流可膨胀以将所述个别的轻质气体流冷却至一温度，所述温度低于在所述分离容器中的所述颗粒床、如一旋风式分离器的所述颗粒分离器或所述多个颗粒在一个或多个所述热交换器中的温度。这种额外的所述个别的轻质气体流的冷却可造成在所述个别的轻质气体流中的可冷凝蒸气的一残留部分进行凝华。一固体分离设备可使用来移除在所述个别的轻质气体流的膨胀中形成的多个固体。接着，所述冷却的个别的轻质气体流可通过穿过所述颗粒床的所述导管的内部来被转移，从而将热能从所述颗粒床引出。
在一替代的实施例中，所述床外的热交换器可使用不同于所述个别的轻质气体流的方式来被冷却。在一实施例中，所述床外的热交换器可包括一制冷单元。在此实施例中，可使用任何能够达到用以冷却所述颗粒床的所需的温度及除热速率的制冷系统。
本文所描述的所述多个系统及所述多个方法也包括在所述分离单元的上游实行的多个冷却步骤。先将所述工艺流引入至所述容器中，所述工艺流通常通过使用一个或多个所述热交换器来被冷却。在一初始的冷却流程中，将所述工艺流干燥以移除水或其他液体。在一实施例中，所述工艺流可通过使用一个或多个间壁式热交换器来被冷却，所述间壁式热交换器通过使用所述个别的轻质气体流来冷却所述工艺流。所述个别的轻质气体流可被使用于直接在所述分离容器下游的多个热回收交换器中，或可替代地，所述个别的轻质气体流可被使用于在一膨胀装置及如上所述的床外热交换器的下游的多个所述间壁式热交换器中。
在一实施例中，用于将可冷凝蒸气从多种气体中分离出以形成一固体的一方法包括下列步骤的全部或一部分：(i)提供包括可冷凝蒸气的一工艺流；(ii)使用一个或多个上游热交换器来冷却所述工艺流；(iii)提供具有一容器的一分离单元，所述容器包括一工艺流入口及一轻质气体出口；一颗粒床；及具有一个或多个导管的一床外热交换器，所述导管至少局部地浸没在所述颗粒床中；(iv)将所述工艺流引入至在一个或多个所述上游热交换器下游的所述分离单元中，并使所述工艺流流过所述颗粒床；(v)在一温度及一压力下，通过使用所述床外热交换器将所述颗粒床进行冷却，所述温度及所述压力足够造成在所述工艺流中的至少一部分的所述可冷凝蒸气从所述工艺流凝华至所述颗粒床上及/或所述床外热交换器的所述导管的外部，以便形成一凝结的固体及一个别的轻质气体流；及(vi)通过所述轻质气体出口将所述个别的轻质气体流从所述容器中移除。
在一实施例中，所述方法包括：使用包括二氧化碳的一工艺流，及在适用于使二氧化碳进行凝华的一温度及一压力下运作所述分离单元。
所述方法也包括：流化所述颗粒床。在一实施例中，所述分离单元可在一稳定状态下运作，在所述稳定状态中，在所述导管的所述外部的所述凝结固体的一生成速率大致相同于将所述多个凝结固体从其移除的一速率，且在所述颗粒床中的二氧化碳的一累积的速率大致相同于被如一螺旋钻的一固体输送系统从所述床移除的一速率。通过在所述导管上的所述多个颗粒的撞击的配置可提供所述稳定状态，以便以大致相同于发生所述生成的速率来移除所述凝结固体的生成，及/或从所述颗粒床移除多个固体以维持一床体积在一所需的范围内。
在一些实施例中，所述流化床为一循环流化床，其中来自一烟道气的如二氧化碳的多个颗粒从气体中被分离出，接着被一分离器分类，并通过一热交换器进行过冷。因此，所述多个颗粒循环，因为它们直接或间接地从颗粒床被传递至一热交换器，接着将所述多个颗粒进行过冷并传递回所述颗粒床容器中。在一些实施例中，进入所述颗粒床容器的所述烟道气含有轻质气体，也含有二氧化碳的可冷凝蒸气。在一些实施例中，所述多个颗粒被压缩至一最佳排列的密度，如此在所述气体移动时，所述多个固体颗粒不会仅随着所述气体移动，而是可以从所述气体中被分离出。在多个冷凝条件下，所述二氧化碳将倾向于像设备表面上的霜一样进行冷凝，但在所述颗粒床或所述热交换器中的多个条件允许所述多个颗粒相互碰撞从而变得更紧密。当所述颗粒的密度不同时，本文中的所述设备所述多个方法可分类二氧化碳或其他颗粒。在一些优选的实施例中，在所述多个颗粒碰撞其他颗粒或表面时，所述多个颗粒的形状变得更加球体状、半球体状、局部球体状、圆形或球形。在接受过冷后，所述多个颗粒可被再循环或再注入至所述颗粒床容器中，以便协助降低所述颗粒床的温度。
所公开的多个实施例的这些目的与其他目的及多个特征从以下的描述及所附的多个权利要求将变得更加明显，或者可通过如下文所阐述的所公开的多个实施例的实践来学习。
附图说明
为了进一步阐明本发明的上述优点与其他优点及多个特征，将通过参考在多个附图中说明的本发明的多个具体的实施例来呈现本发明的一更特定的描述。应当理解的是这些附图仅描绘本发明所说明的多个实施例，因此不应视为限制其范围。通过使用所述多个附图来以额外的具体性及细节对本发明进行描述及解释，其中：
图1为用于从多种气体分离出可冷凝蒸气的一系统的一示意图；
图2为用于将在一分离容器上游的一工艺流冷却的一热交换器的一示意图；
图3为用于从一分离容器上游的一工艺流中移除多个杂质的一热交换器的一示意图；
图4A说明图1的所述系统的一分离容器；
图4B说明图4A的所述分离容器的一分配板的一俯视图；
图4C为图4A的一床外热交换器的一顶部截面图；
图5为通过使用提高的压力来从多种气体中分离出可冷凝蒸气的一系统的一示意图；
图6为用于分离可冷凝蒸气的一系统的一示意图；
图7A、7B、7C为使用一用于分离可冷凝蒸气的方法的所述系统的多个示意图；
图8A为使用一用于分离可冷凝蒸气的方法的所述系统的一示意图；图8B为显示出用于分离可冷凝蒸气的一方法的多个步骤的一图表；
图8C为显示出在用于分离可冷凝蒸气的所述方法的一实施例的多个步骤期间的多个颗粒的一相对尺寸的一示意图；
图9为具有一多级旋风式分离器的一系统的一示意图；及
图10为描绘了具有相同于在图7A中所描绘的所述系统的一些特征的一系统的一示意图。
具体实施方式
本文所公开的多个系统及多个方法关于从一工艺流(例如，来自一发电厂的烟道气)中分离出可冷凝蒸气以形成一固体及一个别的轻质气体流。例如，在一实施例中，所述多个方法及所述多个系统关于将来自一工艺流的二氧化碳蒸气进行冷凝，所述工艺流包括二氧化碳及氮气。所述多个系统及所述多个方法采用一颗粒床，所述颗粒床被一床外热交换器冷却以使所述可冷凝蒸气进行凝华。所述蒸气被凝结在所述颗粒床上以形成一固体或被吸附的液体，同时未被凝结的所述轻质气体形成一个别的轻质气体流。所述可冷凝蒸气可被使用在任何所需的方法中。例如，在所述可冷凝蒸气为二氧化碳的情况下，所述固态的二氧化碳可接着融化并使用任何合适的封存技术来被封存。
本发明的所述多个系统及所述多个方法可使用于将在任何工艺流中的可冷凝蒸气分离出，所述工艺流包括多种气体的一混合物，其中的一些气体可容易引起相变。所述工艺流通常在一烃加工厂中被制造出。制造出适用于本发明的一工艺流的所述烃加工厂的多个示例包括，但不限于，燃煤发电厂、天然气燃烧发电厂及/或燃油燃烧发电厂。虽然本发明特别有益于与来自多个发电厂的多个工艺流一起使用，但本发明也可与其他工业工艺流一起使用，例如但不限于，来自石油炼制的多个工艺流。对于一特定图示的任何公开内容可与一不同的图示一起使用。
I.用于凝结蒸气的多个系统
图1为用于从多种气体中分离出可冷凝蒸气的一示例性系统100的一示意图。所述系统100包括与一间壁式热交换器单元114流体连通的一工艺流112。所述间壁式热交换器单元114将所述工艺流冷却至一温度，所述温度接近存在于所述工艺流112中的可冷凝蒸气的一凝结点。所述工艺流112流至一颗粒床容器116，所述颗粒床容器116包括一颗粒床118且可直接地或间接地与一床外热交换器120连接。来自一外部制冷单元121的一冷却剂将所述热交换器120冷却，所述热交换器120将所述颗粒床118冷却至一低于存在于所述工艺流112中的所述可冷凝蒸气的所述凝结点的温度。在所述蒸气流过所述颗粒床118时，所述蒸气被凝结在所述颗粒床上以形成一固体。在凝结期间，所述可冷凝蒸气从在物流112中的其他气体中被分离出，从而形成一轻质气体流124。
所述多个凝结的固体从所述容器116中被移除以作为一固体颗粒流122。在一优选的实施例中，所述固体颗粒流122被输送至一分离器1000，且接着被输送至所述床外热交换器120，所述床外热交换器120可接收来自所述外部制冷单元121的所述冷却剂。所述固体颗粒流122可选择地在所述间壁式热交换器单元114中融化以提供所述工艺流112的冷却。所述轻质气体流124可被用于将在所述热交换器单元114中的所述工艺流112进行冷却。通过使用所述轻质气体流124及/或所述固体颗粒流122来冷却所述工艺流112可回收在冷却所述物流112中所消耗的能量的一部分。这种回热式过程可提高整个所述分离系统100的效率。
所述热交换器单元114可包括任何数量的压缩机、热交换器、风扇、泵、导管、阀、感测器、控制器及其他在本领域中已知用于冷却、干燥、加压及/或纯化一工艺流的其他组件。图2提供一间壁式热交换器单元114的一说明性示例，所述间壁式热交换器单元114包括多个热交换器214、216、218、220及222。首先，在一个或多个冷却过程中，通常通过使用水及/或空气来将所述工艺流112冷却至一环境温度。例如，通过使用本领域已知的多个技术，水219可被用于将所述工艺流112冷却，以便产生在环境温度下的一工艺流112a。在一第二热交换器中，所述工艺流112a在所述热交换器218中被冷却以将存在于所述工艺流112a中的任何水蒸气进行凝结，以便产生一干燥的工艺流112b。通过使用任何合适的冷却剂121可将所述工艺流112a冷却。所述冷却剂121可由物流122及/或124提供，或者可通过使用本领域已知的多个非回热式的技术来进行冷却，例如但不限于一外部制冷单元。所述第二热交换器216可包括用于移除所述凝结水124的一分离器。
所述干燥的工艺流112b可被引入至任何数量或任何类型的热交换器中以将所述工艺流冷却至一温度，所述温度刚好高于存在于所述工艺流中的所述可冷凝蒸气的所述凝结点(意即，通过所述颗粒床将所述可冷凝蒸气移除)。
图2显示出被引入至一系列的所述热交换器218、220及222中且接着通过一风扇223的所述工艺流112b。多个所述热交换器218、220及222将所述工艺流冷却至刚好高于所述可冷凝蒸气的一霜点或露点的一温度，并且所述风扇223提供一压力以将所述被冷却的工艺流注入至所述分离容器116中。
在一实施例中，冷的所述个别的轻质气体流124流过多个所述热交换器218及220以作为一冷却剂。在多个所述热交换器218及220中，冷的所述个别的轻质气体流224的流动可相反于所述工艺流112b的流动，如此所述物流124的一较冷的部分(意即，上游部分)与所述物流124的一较冷的部分(意即，下游部分)进行热接触。
相反于所述干燥的工艺流112b的流动的所述轻质气体流124的流动可通过多重热交换器来完成，其通过使用任何数量的热交换器来必须达到一期望的冷却效率。可替代地或另外地，通过使用所述多重热交换器，所述轻质气体流124及所述工艺流112b在一单一的热交换器中可具有相反的流动。所述相反的流动有益于确保所述轻质气体流124的一最冷的部分与最冷的所述干燥工艺流112b相接触，其使得通过使用所述轻质气体流124来作为所述冷却剂能够达到所述工艺流112b的最冷的温度。
通过使用冷的所述个别的轻质气体流124来作为在所述热交换器单元114中的所述冷却剂回收了在冷却所述气体以形成所述轻质气体流124中所消耗的能量。因为热力学定律阻止了任何封闭系统达到100％的效率，所以在所述系统100中的一些点需要所述工艺流112的额外的冷却来达到用于将所述蒸气凝结的一所需的低温。假如有需要，一部分的外部冷却可先提供给所述容器116以达到用于在所述容器116的输入处的所述工艺流112的一所需的温度。
所述间壁式热交换器单元114也可包括用于利用所述固体颗粒流122来冷却所述工艺流112的一个或多个热交换器。所述工艺流122可通过使用所述工艺流112来被融化及/或加热以产生一融化的二氧化碳(CO2)流，其导致所述工艺流112的冷却。
在一说明性实施例中，所述热交换器222将所述热交换器220下游的所述工艺流112冷却以产生二氧化碳流112a。在一替代的实施例中，通过使用所述轻质气体流124作为一冷却剂，所述颗粒流122可被使用在所述间壁式热交换器的上游或下游的一热交换器中(例如，热交换器218及220)。所述物流122也可被使用于任何数量的热交换器中，以便提供一理想的冷却效率。
所述间壁式热交换器单元114也可配置用以在所述容器166之前移除一种或多种不同类型的杂质。由于使用天然产物，例如煤及石油，来制造出所述工艺流，因此在所述工艺流中时常发现多个杂质。在一实施例中，所述工艺流可包括，单不限于，汞、氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、这些的组合，及已知存在于多个工业工艺流中的任何其他的杂质。
通过在一热交换器中以一所需的温度及压力将所述多个杂质进行凝结可移除所述多个杂质。任何数量的热交换器及/或压缩机，及/或分离装置可被用于将不纯的蒸气进行凝结，并将它们从所述工艺流112b中分离出以产生一纯化过的干燥工艺流。使用于所述热交换器中的所述冷却剂可为一个别的轻质气体流124、一凝结的二氧化碳流(例如，物流122)或来自于一外部制冷单元或一具有类似功能的装置的一冷却剂。所述多个杂质的分离通过选择一适当的温度及压力来被实现，在所述适当的温度及压力下，所述杂质将被凝结而其他可冷凝蒸气(例如，二氧化碳)则不会被凝结。本领域技术人员熟悉于将通常在一工艺流中发现的杂质进行凝结所需的多个温度及多个压力。这些杂质包括但不限于：多种硫及氮的氧化物(二氧化硫、三氧化硫、一氧化氮、二氧化氮)、低于冰点温度的水、卤化气体(氯化氢、氯汞化合物(HgClx))、汞、砷化合物及烟道气中常见且具有操作上、健康上或环境上问题的其他杂质。一般而言，当多个颗粒或表面的温度在或低于这些化合物的冰点时，这些化合物进行凝华作用。对于多个相关化合物的多个典型冰点在下面表1中提供。
表1
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参考图6，描绘了用于分离可冷凝蒸气的一说明性系统100的一示意图。所述系统100包括与一容器或一腔室进行流体连通的一工艺流112，所述容器或腔室容纳一颗粒床118，且在一优选的实施例中，其联接至一分离器1000，例如一旋风式分离器，所述分离器1000可接着联接至一床外热交换器120。在一优选的实施例中，一固体颗粒流122可被输送至所述分离器1000，接着被输送至所述床外热交换器120，所述床外热交换器120接收来自一外部制冷单元121的一冷却剂。所述固体颗粒流122可选择地在一间壁式热交换器单元(在此图中未显示)中被融化，以便提供用于所述工艺流112的冷却。一轻质气体流124被用于将在所述热交换器单元114中的所述工艺流112进行冷却。通过使用所述轻质气体流124及/或所述固体颗粒流122来冷却逤述工艺流112可回收在冷却所述物流122中所消耗的能量的一部分。这种回热式过程可提高整个所述分离系统100的效率。所述冷却剂可被添加至所述床外热交换器120。
所述分离器可为一旋风式分离器1000。所述分离器，例如一旋风式分离器，为通过震荡分离来将多个颗粒从一气流或液体流中移除的一装置，其可能包括转动效果及重力的使用。在一流化床中，多个颗粒被流化。所述多个被流化的颗粒可上升至所述床的重力中心的上方，接着被输送至一顶部口或一侧边口外。在一些实施例中，所述多个被流化的颗粒溢出容纳有所述流化床的所述容器的顶部。在其他实施例中，所述多个被流化的颗粒可具有不同于在所述流化床中的其他颗粒的一速度或密度，所述多个被流化的颗粒接着以一群组的方式移动至一出口，从而从所述流化床的一主体中被分离出。例如，来自一烟道气流的被流化的二氧化碳表现不同于所述流化床的其他颗粒，其可允许所述二氧化碳从所述烟道气流中分离出。
通过在本领域中已知的多个方法可将固体的二氧化碳颗粒从如旋风式分离器的所述分离器中分离出，所述多个方法包括：本文所描述的用于影响二氧化碳或其他颗粒通过一导管、一孔洞或其他结构的移动的多个结构及多个方法。可使用一摆动门，以及多个感测器，所述多个感测器确定了某些类型的颗粒的存在，例如某些二氧化碳颗粒或一特定尺寸的二氧化碳颗粒，接着通过所述系统对于二氧化碳的一特定水平或类型的侦测来致动一门的开启，接着致动所述门关闭至一出口导管。图6中的所述被移除的二氧化碳颗粒1002显示出被进行移除；相对于所述分离器的所述二氧化碳的一移除的位置不限于在图中所描绘的位置。
在连接至所述分离器的所述热交换器中，所述多个颗粒可被冷却至一温度，所述温度低于用以使它们为固体的一必须温度。例如，二氧化碳具有-78.8℃的一冰点温度，所以当它被冷却至-120.5℃时，它具有过冷的42℃。在此情况下，所述多个颗粒接着在不变成气体的情况下被加温约42℃。在所述流化床中，其可能进行循环或进行凝华，所述二氧化碳可在所述流化床外侧的一热交换器120中被过冷，因此冷却所述多个颗粒的所述热交换器提供给已经为固态的二氧化碳进行显冷却(sensible cooling)。被过冷的二氧化碳接着可被注射回到所述流化床中，在所述流化床中，在它冷却所述气体且凝华更多二氧化碳时，它会变暖。在一些实施例中，所述多个颗粒不会被加温到足以相变回一气体(意即，二氧化碳的温度在它变暖后不会高于-78.5℃)。
图3说明所述系统100的一亚系统210，所述亚系统210可用于移除多个杂质。所述亚系统310包括用于运送所述工艺流112b的多个导管及一热交换器/分离器328，所述多个导管可联接至一可选择的压缩机334。所述压缩机334可选择地将所述干燥的工艺流112b压缩至一所需的压力，所述所需的压力用于将在所述物流112b中的所述多个杂质凝结。一冷却剂330被使用在所述热交换器328中以将所述干燥的工艺流冷却至一温度，所述温度适用于将一个或多个所述杂质凝结以形成一液体杂质流332。所述液体杂质流从所述热交换器/分离器328中被取出以形成一纯化过的工艺流112c。所述纯化过的工艺流112c接着可进一步被加工以去除多个额外的杂质，并被冷却至一较冷的温度，且/或被引入至所述容器116中。所述液体杂质流332可进一步被加工成多个所需的产品及/或被去除及/或被用于将进行分离的上游的所述工艺流冷却(意即，在一间壁式热交换器过程中)。
所述多个杂质可被凝结且从所述容器116之前的所述工艺流112中被移除，以便使在所述固体颗粒流122中的多个杂质的浓度最小化，其通常将被封存，并且将在所述个别的轻质气体流124中的多个杂质的浓度最小化，其通常将被排放至空气中。
在一实施例中，所述系统100可包括在所述容器166上游的一个或多个压缩机。所述多个压缩机的使用可降低所述工艺流的体积，从而使其更容易处理大流量。所述压缩机及所述热交换器的数量部分取决于所述分离系统100的一所需的运转压力。在需要环境压力或相对低的压力(例如，环境压力至10psi)的情况下，一压缩机或甚至仅仅是一风扇泵就足以维持压力。在需要高压(例如，数十psi至数百psi)的情况下，高达数百个压缩机及热交换器可被使用于所述间壁式热交换器单元114中。用于高压的一分级压缩机/热交换器提高了将所述工艺流冷却及凝结的效率。
在一实施例中，在所述容器中的所述压力可能相对地低，例如一压力范围从约环境压力至约15psi或环境压力至约10psi或环境压力至约5psi。在一替代的实施例中，所述压力可能相对地高，例如一范围从约5psi至约1000psi或更高或20psi至约500psi。
图2及图3说明多个实施例的多个示例，其中所述工艺流112被纯化、被冷却，且被加压以引入至所述颗粒床容器116中。本领域的技术人员将理解在所述工艺流中的一特定的设备及顺序可与图2及图3所描述的不同，同时仍然进行对本发明的所述多个系统有用的多个功能。
图4A另外详细地说明一颗粒床容器116的一实施例。所述容器116包括一颗粒床118及一床内热交换器120。所述容器116的尺寸及构造用于支撑一颗粒床，所述颗粒床具有用于处理欲处理的工艺流的体积的一合适的体积。通常，所述容器116的尺寸与所述气流的体积流速成比例地变化，其在不同的应用之间变化很大。此技术的多个相关的尺寸范围从1厘米至数米或数十米。然而，一直径可能取决于所述容器的数量或欲处理的工艺流的体积而有变化。在一实施例中，所述容器的所述直径的一范围从约1米至约50米或约3米至约20米。
所述容器116可具有任何适合容纳一颗粒床及一床外热交换器的形状。多个典型的形状包括具有一矩形或圆形横截面的柱状容器。具有一圆形横截面的多个容器在需要高压的情况下可能为有利的。
所述容器116包括多个开口，所述多个开口用于引入及移除来自所述容器的多个气态成分及多个固态成分。显示于图4A中的所述容器16具有一气体的入口402及一气体的出口404。所述气体的入口联结至一分配装置406。通过所述分配装置406将被引入至所述气体入口402的一气体进行分配，所述分配装置406作为用于将所述气体的体积运送至所述颗粒床118的一歧管。
如图4B所示，所述分配装置406包括多个喷嘴408，所述多个喷嘴408提供一所需的形式及压力以将所述工艺流注入至所述床18中。只要所述多个喷嘴的尺寸、构造及间隔合适于获得引起所期望的流过所述床118所需的所述工艺流的分布及压力，可使用任何具有多个喷嘴的分配装置。例如，所述分配装置406可具有多个具有一直径范围从约2毫米至约5厘米的喷嘴，所述多个喷嘴具有各种特定的设计，包括筛子、泡罩及多个相关设计，且包括范围在约10％的覆盖率至约67％覆盖率的一喷嘴密度。
通常，所述分配装置406被定位在靠近所述容器16的底部。所述气体出口404通常靠近所述容器16的顶部(意即，在运作期间的所述容器18的上方)，使得所述工艺流的流动延伸通过所述床16。
如上所述，所述容器16包括一颗粒床118，在使用期间，可冷凝蒸气被凝结在所述颗粒床118上。所述颗粒床118被定位在位于所述气体入口402与所述气体出口404之间的所述容器116中，使得气体的流动通过所述颗粒床118发生。所述颗粒床可包括任何类型的颗粒。在一实施例中，所述颗粒床包括多个凝结固体的颗粒。例如，在二氧化碳从所述工艺流被分离出的情况下，所述颗粒床可包括多个固态二氧化碳的颗粒。为了提高在所述床中的颗粒尺寸的均匀性，所述多个颗粒也可包括其他不可冷凝的物质(例如沙子)。然而，不需要多个异质性颗粒。
所述多个颗粒的尺寸通常被选择以提供一所需的表面积及颗粒的填充，以实现通过所述床的所述工艺流的一所需的流动及/或被所述工艺流的流动所提高的所述床的一所需量(意即，所需进行流化的量)。在一实施例中，所述床的所述颗粒尺寸的一范围从约0.05毫米至约20毫米，或一范围从约0.1毫米至约10毫米，或约0.2毫米至1毫米。所述颗粒床的尺寸及尺寸的分布部分取决于流化的方式、气体的密度与速度，及颗粒的密度。
在所述容器116中的所述床118的一高度取决于所使用的所述床的类型及所述容器的多个运作条件。在一实施例中，所述颗粒床为一流化床。如下面更详细地解释，通过选择一工艺流的流速及颗粒尺寸来使所述颗粒床被制成一流体，以使所述颗粒床通过流动来被流化。在此例子中，在使用期间，所述床将膨胀，且在所述容器166中的一适当的空间量被提供以允许所述床膨胀一所需的距离。图4A显示填充至非流化水平432的所述床118，所述非流化水平432位于所述床外热交换器120的上方。一水平434显示为当所述工艺流气体被注入且所述多个颗粒被流化时，所述床到达的水平。虽然图4A显示一流化床，但本领域的技术人员将理解本发明也可通过使用一固定床来达成，在所述固定床的例子中，不需要过量的体积(意即，介于水平432与水平434之间的体积)。
所述容器16包括用于将多个固体添加至所述床中及从所述床移除的一固体入口410及一固体出口412。通常，在使用期间，所述固体出口靠近所述床的底部，且所述固体入口靠近所述容器的顶部及/或所述床118的顶部。所述固体入口412及所述固体出口414可包括多个螺旋钻414a及414b，分别用于将所多个固体移入或移出所述容器116。然而，用于将所述多个固体引入及从一容器移除的其他已知的机制可被使用。
如上所述，一热交换器120被定位于所述容器116中的所述床118中。所述热交换器120包括多个导管420。所述多个导管420可相对于彼此水平或垂直放置。图4A显示垂直间隔开的三个导管层420a、420b及420c。图4C为图4A的一截面图，图4A显示出在所述层420a中的多个导管的一水平放置。所述层420a包括四个被水平定位的单独的导管422a、422b、422c及422d(统称为多个单独的导管422)。
所述多个单独的导管422及单独的导管层420b与420c被间隔开以提供允许所述颗粒床118填充并接触所述多个导管的外部表面及传递热能的空间。在所述多个单独导管之间的间隙及在所述床外热交换器的多个层之间的间隙可被选择以确保用于所述床18的一适当的体积，及确保传递至所述床的适当的热能。在一实施例中，一间隙的距离424的一范围从约0.75至约多个热交换器的管径，但是如果需要可使用其他距离。在所述热交换器的层间的合适的间隙距离的多个示例也可在约0.75至约多个热交换器的管径的一范围中。
一导管的直径426通常是结合导管的数量、工艺流的流量、颗粒床的尺寸及冷却剂的温度来进行选择，以便确保用于冷却所述颗粒床的适当的热能传递。所述合适的尺寸的多个示例包括，但不限于，1厘米至约20米。
所述多个导管的形状可为任何形状，所述形状提供所需的表面积及用于冷却所述床118的接触。为了促进安装、清洁及维修，直管可能是有利的，虽然其他设计也可被使用。
在一实施例中，所述多个层420a、420b及420c可水平地偏移，使得在多个单独导管之间的所述多个间隙不与定位于所述层420a上方的一个或多个所述层的所述多个间隙垂直对齐。只要可达到所需的表面积及空间，在任何导管数量的情况下，所述热交换器120可包括更多或更少的导管层及/或更多或更少的导管。
通过入口歧管及出口歧管向所述热交换器120的所述多个导管供应一冷却剂，所述入口歧管及所述出口歧管将所述冷却剂分配至遍及所述多个导管。
图4A及图4C说明一入口歧管428及一出口歧管430的一种配置。本领域的技术人员熟悉于用以通过在一热交换器中的多个导管来有效率分配一冷却剂的多个歧管。
通过所述热交换器120的所述多个导管的内部来运送一冷却剂以将所述床118进行冷却。所述冷却剂被选择以提供有效率的冷却。所使用的所述冷却剂的类型通常取决于用于将所述冷却剂冷却的一特定的方法。在图1中所显示的实施例中，通过使用所述外部的制冷单元121来将所述冷却剂进行冷却。与所述外部的制冷单元121一起使用的多个合适的冷却剂的多个示例包括，但不限于，氩气、氮气、四氟甲烷、乙烷、二氧化碳、1,1-二氟乙烷、1,2-二氟乙烷、丙烷、氟化丙烷、正丁烷及异丁烷。另外，有许多传统的感兴趣的制冷剂通常属于氯氟碳化物的分类。所述氯氟碳化物的制冷剂引起全球暖化及臭氧威胁，且可能限制于将它们释放到环境中的风险最小的多个应用。本领域的技术人员熟悉于可用以将一床外热交换器冷却的多个制冷单元。通过使用来自所述容器116的所述个别的轻质气体流也可将所述热交换器进行冷却(例如，从一冷的轻质气体流中分离出的一冷的氮气流)。通过使用所述冷的个别的轻质气体流的多个系统的多个示例将相对于图5在下面进行描述。
图5描述一替代的系统500，其中一个别的轻质气体流524在一床外热交换器中被使用作为一冷却剂。所述系统500包括一压缩机502，所述压缩机502将一工艺流512进行加压。在一膨胀过程中，在所述工艺流512中的压力被利用于一颗粒床容器516的下游中，所述膨胀过程将所述轻质气体流524冷却至适合用于所述床外热交换器520中的一温度。在一实施例中，所述系统500配置为在一大致高于环境压力的一压力下运作。例如，所述系统500可在一范围从约0.5大气压(atm)至约20atm，更优选地为约1atm至约10atm或约1atm至约7atm的一压力下运作。
所述膨胀过程是利用在所述容器516下游的一膨胀器504。所述冷的个别的轻质气体流524被膨胀至一温度，所述温度低于在所述床518中的温度。所述膨胀的轻质气体流524a的所述较低的温度允许所述物流被使用作为在所述床外热交换器520中的所述冷却剂，其浸没在所述颗粒床518中。所述膨胀的过程可被用以避免掉使用一外部制冷单元的需求。
在一实施例中，一固体分离器506可被用于将多个固体移除，所述多个固体在所述轻质气体流524的所述膨胀的期间于所述膨胀器504中形成。在一些例子中，所述轻质气体流524可具有一些可冷凝蒸气，所述可冷凝蒸气不会被分离到所述容器516外。将所述轻质气体流524进行膨胀可能造成所述可冷凝蒸气的一额外的部分形成一固体。这种额外的凝结可从所述系统500中移除额外的二氧化碳量。与在所述颗粒床518中被移除的多个固体的质量相比，从所述轻质气体流524的膨胀产生的多个固体的量通常较小。由所述膨胀产生且通过使用506进行分离的所述多个固体可被引入至所述容器518中。为了维持在所述容器508中的压力，在被注入至所述容器516中时，通过使用一加压器508将所述多个被分离的固体进行加压。在一替代的实施例中，所述多个被分离的固体可被融化，且被用于一间壁式热交换器单元514中，以及/或与一固体颗粒流522混合。
所述工艺流512通常在所述容器516的上游被加压。所述工艺流512可通过使用任何数量的压缩机及热交换器来被加压。在一实施例中，多个交替串联的压缩机及热交换器被用于将所述工艺流512进行加压及冷却。使用所述多个交替串联的压缩机及热交换器提高了降低温度及增加压力的效率。所述系统500可具有一容器516，所述容器516类似于相对于图4A至图4C所描述的所述容器116，只要所述容器516配置用以承受所述操作压力即可。
在一实施例中，在所述容器516中的所述压力为至少约5psi，更优选地为至少约20psi，且最优选地为至少约50psi或甚至数百psi。较高的压力允许更大的膨胀及降低温度以冷却所述个别的轻质气体流，以便使用作为在所述床外热交换器中的所述冷却剂。
在高于环境压力的一压力下的运作也可有利于从所述工艺流512中移除多个杂质(例如，使用在描绘一装置或一系列的此类设备的附图中所描述的结构)。
II.用于凝结蒸气的多个方法
本发明包括多个用于通过使用一颗粒床及一床外热交换器来将从一工艺流而来的蒸气进行凝结的方法。在一实施例中，所述方法包括：(I)提供包括可冷凝蒸气的一工艺流；(ii)使用一个或多个上游热交换器来冷却所述工艺流；(iii)提供包括一容器的一分离单元，所述容器具有一工艺流入口及一轻质气体出口；一颗粒床；及包含一个或多个导管的一床外热交换器，所述导管至少局部地浸没在所述颗粒床中；(iv)将所述工艺流引入至在一个或多个所述上游热交换器下游的所述分离单元中，并使所述工艺流流过所述颗粒床；(v)在一温度及一压力下，通过使用所述床外热交换器将所述颗粒床进行冷却，所述温度及所述压力足够造成在所述工艺流中的至少一部分的所述可冷凝蒸气从所述工艺流凝华至所述颗粒床上及/或所述床外热交换器的所述导管的外部，以便形成一凝结的固体及一个别的轻质气体流；及(v)通过所述轻质气体出口将所述个别的轻质气体流从所述容器中移除。
提供所述工艺流的所述步骤包括提供多个导管、多个泵、多个阀及/或其他适合用于将一气体从一加工厂运送至一分离单元的设备，所述分离单元为例如上面所描述的系统10或系统500。所述加工厂可为一烃类工厂，例如燃煤厂、液体燃料燃烧厂或燃气发电厂。可替代地，所述工艺流可为来自如一精炼厂的一化学加工厂的一烟道气。所述工艺流包括至少一可冷凝蒸气。在一优选的实施例中，所述可冷凝蒸气为二氧化碳。
所述工艺流被冷却至一温度，所述温度刚好高于所述可冷凝蒸气的一露点或霜点。所述可冷凝蒸气的所述霜点或露点取决于特定的可冷凝蒸气及所述系统的压力。例如，在接近环境压力下，二氧化碳的一霜点为约-78℃。本领域的技术人员熟悉于计算在所述工艺流中的各种可冷凝蒸气的霜点或露点。所述工艺流可被冷却至所述可冷凝蒸气的所述露点或霜点的10℃以内，更优选地为约5，及最优选地为约2。通过使用任何技术，包括上面所描述的相对于系统10或系统500的那些，可实现所述工艺流的冷却。例如，所述多个方法可包括：通过移除水及/或从所述工艺流中移除多个杂质来将所述工艺流进行干燥。
在一实施例中，在被引入至所述容器前，所述工艺流512通过在一个或多个热交换器中进行凝结来被纯化。通过凝结来被移除的多个杂质包括，但不限于，汞、氮氧化物及/或硫氧化合物。在一实施例中，所述纯化过的工艺流可具有少于约1ppm的汞、少于约1ppm的硫，及少于约1ppm的除了一氧化碳外的氮氧化物，一氧化碳可能以更高的浓度存在，因为它即使在低温下也具有高挥发性。在一实施例中，追踪的污染物的总量低于约1ppm。
关于用于冷却及/或纯化一工艺流的多个系统及多个方法的额外的细节可在申请人的共同待决的PCT申请序列号PCT US2008/085075中找到，其通过引用并入本文中。
所述方法包括：在适合将所述可冷凝蒸气凝结至一固体表面上的条件下，将所述冷却的工艺流引入至一颗粒床中的所述步骤。所述分离单元可包括布置在一容器中的一颗粒床，所述容器为例如在上面所描述的相对于图1至图5的容器116或容器516。
在一实施例中，在所述容器中的压力可相对地低，例如，一压力的范围从约环境压力至约15psi或环境压力至约10psi，或环境压力至约5psi。在一替代的实施例中，所述压力可相对地高，例如，在一范围从约5psi至约1000psi或更高，或约20psi至约500psi。通过使用在所述容器上游的一个或多个压缩机及/或多个风扇可提供在所述容器内的所需的压力。
在所述颗粒床中的温度可在从约-80℃至约-120℃，或约-100℃至约**-135℃，或约-100℃至约**-145℃的一范围内。在多个优选的实施例中，在所述颗粒床中的所述温度可低于可回收可冷凝蒸气的一气体的一露点或霜点。通过在所述容器中的所述床外热交换器提供了所述颗粒床的所述温度。在一优选的实施例中，所述颗粒床具有低于在所述工艺流中的所述可冷凝蒸气的所述霜点或露点的一温度。在一实施例中，所述颗粒床的所述温度为低于所述露点或霜点的30℃至40℃，或低于所述露点或霜点的40℃至50℃，或低于所述露点或霜点的40℃至65℃。
所述工艺流通过一分配装置来被注入至所述容器中，且在使所述可冷凝蒸气凝结的条件下造成所述工艺流流过所述颗粒床。在所述工艺流流过所述颗粒床时，所述工艺流的温度降低至低于所述露点或霜点，且所述可冷凝的蒸气凝结在所述床的所述多个颗粒上。所述可冷凝蒸气从所述工艺流中的多种气体中被分离出，所述工艺流具有低于所述可冷凝蒸气的凝结点的一凝结点。在所述可冷凝蒸气凝结至所述床的所述多个颗粒上时，所述可冷凝蒸气从在所述工艺流中的剩余的气体(例如氮气)中被分离出，从而形成一轻质气体流，所述轻质气体流通过所述轻质气体流出口离开所述容器。
这种分离技术可有利于在一连续式或半连续式的过程中实现，其中所述可冷凝蒸气被凝结在所述床的所述多个颗粒上。所述可冷凝蒸气加上所述多个颗粒的质量而因此增加了所述床的体积。通过在所述容器中的一固体出口移除一部分的所述多个颗粒，可将在运作状态下的所述颗粒床的体积维持在所需的参数内。通过使用任何技术，例如一阀及/或一螺旋钻，可将所述多个固体移除。在一实施例中，在运作其间被移除的所述多个固体的量少于气体质量流速的约15％，更具体地为少于6％。在任何例子中，所述多个固体的移除应该等同于从气相凝结的物质的量。
所述多个固体可从所述容器中被移除以维持在所述床中的一所需的颗粒尺寸。在一实施例中，所述多个颗粒从所述床的一底部被移除，多个较大的颗粒倾向于累积在所述床的所述底部。通过一固体入口及/或一固体出口可将所述多个颗粒移除或引入至所述床中。在一些实施例中，多个固体的添加是有利的，以便添加多个较小的颗粒以维持所述床的一所需的颗粒尺寸分布。在一实施例中，颗粒尺寸的中间值被维持在从约0.05毫米至约20毫米的一范围内，更具体地为0.1毫米至约10毫米，且最具体地为约0.2毫米至约1毫米。
在一实施例中，所述床被运作为一流化床。通过选择所述颗粒床的颗粒尺寸及被注入至所述容器中的所述工艺流的质量流量可提供一流化床。在足够高的质量流量下，所述床被流化。在使用期间，所述床的流化造成的所述床的膨胀。在使用期间，所述流化越大，所述床占据的体积越大。在一实施例中，用于一流化床的床体积的增加可能高于20％，更具体地为高于约30％。
在一实施例中，所述颗粒床被流化。所述多个被流化的颗粒可撞击所述热交换器的所述导管的一外部表面，并将从所述导管外部生成的多个凝结固体移除。从所述导管生成的所述多个凝结固体的移除可能造成新的较小颗粒的形成及/或增加在所述床中的多个颗粒的尺寸。所述多个颗粒的撞击可被选择以最小化在所述导管上的磨损，同时移除足够的多个凝结固体以将通过所述导管壁的热传导最大化。
在一颗粒床中的撞击力取决于流化气体的质量流速，但也取决于在所述床中的所述多个颗粒的尺寸及/或位于所述导管穿过所述床的高度。在一实施例中，通过使用具有一尺寸范围在约0.05毫米至约20毫米，或一范围从约0.1毫米至约10毫米，或约0.2毫米至约0.1毫米的多个颗粒的一床可达成所述流化。在一实施例中，所述导管可被放置于所述颗粒床的的下半部分中或所述床的三分之一的下部分中，以便提供与多个较大的颗粒相接触。将所述热交换器的所述导管放置邻近于所述多个较大颗粒易于增加用于所述流化气体的一特定的流速的所述多个颗粒的冲击力。
在一实施例中，所述方法包括：在一稳定状态下运作所述分离单元，在所述稳定状态中，所述凝结固体在所述床外热交换器的所述导管的外部的一生成速率大致相同于所述凝结颗粒由于所述流化床的所述多个颗粒的撞击而从其被移除的一速率。在一实施例中，可冷凝蒸气从所述导管的移除足够允许所述容器连续运作至少数天、数周或甚至数月，而不会在所述多个导管的外部将多个凝结的固体融化。
在一优选的实施例中，通过回收用于冷却所述容器上游的所述工艺流的能量的一部分来经济地运作所述分离单元。在此实施例中，通过使用一间壁式热交换器来将所述容器上游的所述工艺流进行冷却，所述间壁式热交换器通过使用作为所述冷却剂的所述轻质气体流来被冷却。
各种类型的热交换器可被使用于将所述流化床外的多个颗粒进行过冷。将多个二氧化碳颗粒或其他颗粒进行过冷的多个热交换器可提供多个额外的功能，所述多个额外的功能为例如，提供均匀的颗粒尺寸或将所述多个颗粒填充/压缩，如此他们具有一最佳的密度，例如在0.5与1.5比重之间的一密度。在一些实施例中，需要具有一比重为1.1至1.5的一密度；在其他实施例中，需要具有一比重为0.5至0.7的一密度；在其他实施例中，需要具有一比重为0.7至1.1的一密度。多个分类器可被包括在所述多个热交换器中或被联接至所述多个热交换器，且所述多个分类器可为旋风式分离器或其他类型的分类器，所述其他类型的分类器可用于基于多个颗粒的尺寸来将他们分开成多个群组。所述流化床可使用或不使用多个旋风式分离器来通过尺寸将所述多个颗粒分离。
参考图6及图7，描绘了一系统100。具有例如二氧化碳的可冷凝物质的烟道气或其他气体可被称为一工艺流112，所述工艺流112进入一颗粒床容器116，所述颗粒床容器116包括一颗粒床118。所述颗粒床可为如前面所述的一流化床。在所述烟道气中的二氧化碳或其他的颗粒可被流化或可被凝结成一固体。所述多个凝结的固体从所述容器116中被移除以作为一固体颗粒流122。在多个优选的实施例中，所述固体颗粒流122被输送至一分离器1000，且接着被输送至一床外热交换器120，所述床外热交换器120可接收来自一外部制冷单元121的一冷却剂。所述固体颗粒流122可选择地在一间壁式热交换器(在此图中未显示)中被融化以提供用于所述工艺流112的冷却。一轻质气体流124可被用于在一热交换器单元144中将所述工艺流112冷却，且所述轻质气体流124可被输送至所述分离器1000。可能为一旋风式分离器的所述分离器1000接着从所述多个固体中分类出气体，例如从固态二氧化碳而来的氮气，并将所述轻质气体流的轻质气体传送至用于加工的一不同的位置或甚至直接传送至空气中。通过使用所述轻质气体流及/或所述固体颗粒流来冷却所述工艺流112可回收在冷却所述物流112所消耗的能量的一部分。这种回热式过程提高了整个所述分离系统100的效率。接着，所述二氧化碳可被传送至一旋风式分离器或其他分离器1000，或着在多个实施例中，所述二氧化碳可被直接地传送至一个或多个热交换器。如向上指示的箭头所描绘，可使一轻质气体流离开所述分离器。在所述分离器中的多个颗粒，例如固态二氧化碳，可接着通过尺寸、电性或其他的物理特性来被传递。在一些实施例中，除了将所述多个颗粒从多种气体中分离出之外，不会发生所述多个颗粒的分离，且所述多个颗粒可接着被输送至一热交换器120。接着，如同在此公开所讨论，所述多个颗粒可被过冷，且所述多个被过冷的颗粒可接着被输送至一容器，例如，容纳所述流化床的所述原先的容器。所述多个被过冷的颗粒可被用于将所述流化床冷却。
图7B描绘所述系统100。在具有所述流化床的所述容器的顶部处描绘了在所述颗粒床容器之间的一导管。所述导管可被打开且也可被关闭。所述导管的开口允许所述多个颗粒被输送至一分离器中，例如一旋风式分离器。应注意的是在所述多个附图中的对二氧化碳的任何提及都能以不同的颗粒替代；本发明的多个实施例不限于二氧化碳。
图7C描绘了所述系统100，所述系统100显示出将所述被过冷的二氧化碳重力进料至所述颗粒床中。可使用不同于重力的其他方法来输送所述二氧化碳，包括传送带。
图8B描绘用于从多种气体中分离出可冷凝蒸气以形成一固体的一说明性方法(600)的一图式。步骤602为将包括二氧化碳及至少一载体气体的一工艺流(图6的112)传递通过一颗粒床，所述颗粒床位于一颗粒床容器的一第一腔室中，所述颗粒床具有一部分的固体颗粒及多个用于保持冷却的多个物质的导管。参考图6及图8A以公开哪些步骤与所述系统100的那些部份相关联。
步骤604为将所述床的所述多个固体颗粒的一部分进行流化，其中所述多个固体颗粒(图6的122)的一些部分通过与一分离器联接的一顶部孔或通过与所述分离器联接的一侧边口来离开所述第一腔室；参考图8A，在步骤604中，一二氧化碳分子被描绘为已经被进行流化且位于一颗粒床容器中；所述流化过的二氧化碳分子从所述颗粒床容器的所述颗粒床中被分离出，且接着被进行分类。在步骤(604)中，相较于已经在所述热交换器中被冷却的多个颗粒的温度，所述二氧化碳的温度相对地温暖；所述二氧化碳为固态且可能低于-78℃。(应注意的是7A的多个结构可使用于决定图8A的多个结构)。
步骤606为将至少一载体气体(参见步骤6的124，其朝向一标有‘干净的气体出’的开口)进行冷却，其中所述至少一载体气体通过定向为将多个物质输送至所述分离器的一导管来离开所述第一腔室；
步骤608为在所述分离器中接收所述部分的所述多个固体颗粒及所述至少一载体气体，通过所述分离器，所述部分的所述多个固体颗粒来自于所述至少一载体气体；在步骤(608)中，所述系统输送了所述二氧化碳，或允许所述二氧化碳被输送，至一分离器，例如一旋风式分离器。所述多个颗粒可在所述旋风式分离器中被分离。一多级旋风式分离器，或分离器，可被使用于将不同尺寸的多个颗粒分开成不同的群组。例如，在一旋风式分离器的一第一阶段中，一特定直径的多个颗粒可首先被分类出。所述不同的群组可接着被分类出，并被传送至所述系统的不同部分以进行加工。
步骤610为在所述热交换器中将所述部分的所述多个固体颗粒过冷(参见步骤6的120)至一温度，所述温度将固态的二氧化碳降低至一更低的温度；在步骤610之前，所述多个颗粒可被输送至一热交换器(步骤610a，如图8A所显示)。在此图式中，步骤(610a)描绘了在所述颗粒流朝向所述热交换器行进时的所述颗粒流。一热交换器可被连接至一系列的热交换器，且所述多个颗粒可通过一单一的热交换器或通过一系列的热交换器来被输送。
参考图8A，步骤(610)描绘了在一热交换器中被过冷的所述多个颗粒。过冷的意思为冷却，或低于在一固体状态下的颗粒的温度。应注意的是一定量的二氧化碳的多个部分被输送至所述系统的不同的部分。所提及的二氧化碳的多个部分意思为不同量的二氧化碳。对于“二氧化碳的多个部分”的任何提及基本上指的是所有但不一定是100％的二氧化碳或其他物质。因此，当基本上所有的或甚至大部分的二氧化碳的全部的部分被输送时，即使少量的一部分的二氧化碳没有被输送出所述流化床，这足以证明输送了所述部分的二氧化碳。因此，可预期在多个步骤中，一些颗粒可能被丢失且不会被传递至下一个部分。例如，一第一部分可为所述流化床的所述容器，一第二部分可为一旋风式分离器，以及一第三部分可为一热交换器。在所述热交换器中的多个颗粒可被修饰成一特定的尺寸或形状，且在一些优选的实施例中，所述多个二氧化碳颗粒与所述烟道气或多个种子颗粒一起进入，其也可能为被过冷至低于-140℃的二氧化碳。(应注意的是除非另外注明，否则“或”的使用指的是一包括性的或。)通过安排多个条件，例如温度、压力或所述流化床的多个种子颗粒的类型，所述多个颗粒的尺寸及形状可被控制。
步骤612为将在所述热交换器中的基本上所有部分的所述多个固体颗粒再注入至一颗粒床容器116的所述第一腔室的所述颗粒床中，以使位于所述第一腔室中的一第二部分的二氧化碳进行凝华(参见图6的1002，其描绘了在所述颗粒流离开所述热交换器并朝向所述第一腔室的所述颗粒床前进时的所述颗粒流)。被过冷的所述多个颗粒，例如二氧化碳，接着通过经由重力的一导管、机械性传输带或其他机制来被输送至所述颗粒床容器116的所述颗粒床。(应注意的是将一颗粒进行过冷也可指的是使一颗粒进行显冷却。)当在所述颗粒床中时，在所述多个被过冷的颗粒协助二氧化碳进行凝华时，所述多个被过冷的颗粒被加温，例如，所述二氧化碳的凝华沉积在所述颗粒床容器的多个冷却的导管的表面上，或所述颗粒床容器的表面上，或所述颗粒床容器的其他表面上，其导致“结垢”且降低了所述系统的效率。因为二氧化碳可沉积在所述被过冷的二氧化碳上或与所述被过冷的二氧化碳上结合，故所述颗粒的直径，例如从所述热交换器被注入的所述多个颗粒，可增加。
参考图8C，描绘了多个二氧化碳颗粒的多个相对尺寸。所述多个尺寸并不会太大，但可用于设想成在该方法的不同阶段中的所述多个二氧化碳颗粒的相对尺寸。阶段1指的是在图8A的步骤604中的一颗粒-应注意的是在此阶段中的所述颗粒的直径大于阶段4及阶段5。在与所述流化床交互作用后，二氧化碳或其他的物质已经沉积在所述颗粒上，或已经碰撞，或与所述颗粒结合，其在附图中被描绘为在所述颗粒床容器的底部附近的一相对更密集的颗粒梯度；阶段4指的是图8A的步骤612，其中所述多个颗粒已经被过冷至低于-140℃。阶段5指的是显式在图8A中的步骤604。
在图8A中，显示出具有“具有可冷凝的二氧化碳的气体”标记的一垂直的箭头。参考图8A及其他实施例，例如在具有一垂直箭头的多个附图中所描绘的多个实施例显示出具有可冷凝的二氧化碳的气体的流动，所述具有可冷凝二氧化碳的气体的一实际的位置可有变化，且可不一定来自于所述容器的底部。另外，在一些实施中，所述具有可冷凝的二氧化碳的气体进入所述容器的一速率可为连续的或为不连续的。
图9描绘具有一多级旋风式分离器的所述系统，其可允许所述多个颗粒的额外的分类，且可具有一个或多个隔间或用于储存及输送多个颗粒的一个或多个导管，所述多个颗粒已经通过尺寸、电性或其他可测量的特性被进行分组。
在图10中，所述多个被过冷的颗粒，例如被过冷的二氧化碳，进入具有所述流化床的所述容器的一位置处，所述位置在所述流化床的上方。在一些实施中，例如二氧化碳的所述多个被过冷的颗粒1002的进入可发生在所述流化床上方的任何位置；在其他实施例中，所述位置可位在容纳有所述流化床的所述腔室的上半部处；在其他实施例中，所述位置可位在容纳有所述流化床的所述腔室的三分之一的上部分处；在其他实施例中，所述位置可位在容纳有所述流化床的所述腔室的十分之一的上部分处。
在不脱离本发明的精神或多个基本特征的情况下，本发明可以其他特定的形式实施。多个所描述的实施例在所有方面都应被视为仅为说明性而非限制性。因此，本发明的范围是通过多个所附的权利要求而不是前面的描述来表示。在多个权利要求的含义及等同范围中的所有变化都包含在其范围内。

Claims (20)

1.一种用于从多种气体中分离出可冷凝蒸气以形成一固体的方法，其特征在于：所述方法包含︰
提供位于一第一腔室中的一颗粒床；
提供多个定位于所述第一腔室内侧的导管；
提供用于分离多个颗粒的一分离器；
提供将所述第一腔室与所述分离器结合的一顶部孔或将所述第一腔室与所述分离器结合的一侧边口；
提供一导管，所述导管被定向成将多个物质从所述第一腔室输送至所述分离器；
提供一热交换器；
将一工艺流传递通过位于所述第一腔室中的所述颗粒床，所述工艺流包括二氧化碳及至少一载体气体，所述颗粒床包含一部分的多个固体颗粒及所述多个用于保持冷却的所述多个物质的导管；
流化所述床的一部分的所述多个固体颗粒，其中所述部分的所述多个固体颗粒中的一些通过结合至所述分离器的所述顶部孔或通过结合至所述分离器的所述侧边孔离开所述第一腔室；
冷却所述至少一载体气体，其中所述至少一载体气体通过被定向成将所述多个物质输送至所述分离器的所述导管来离开所述第一腔室；
在所述分离器中接收所述部分的所述多个固体颗粒及所述至少一载体气体；
通过所述分离器将所述部分的所述多个固体颗粒从所述至少一载体气体中分离出；
将所述部分的所述多个固体颗粒传送至位于所述第一腔室外侧的所述热交换器；
将在所述热交换器中的所述部分的所述多个固体颗粒过冷至一温度，所述温度将固态的二氧化碳降低至一更低的温度；及
将在所述热交换器中的基本上所有的所述部分的所述多个固体颗粒再注入至所述第一腔室的所述颗粒床中，以使位于所述第一腔室中的一第二部分的二氧化碳进行凝华。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述工艺流由所述固态的二氧化碳及气态的氮气所组成。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述颗粒床包含多个固体颗粒，所述多个固体颗粒是选自于由所述固态的二氧化碳、多个金属颗粒、多个盐类、多个种子颗粒及它们的组合物所组成的群组。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述工艺流包含气态的二氧化碳及所述至少一载体气体，所述至少一载体气体是选自于由氮气、甲烷、合成气、氢气、一氧化碳、氩气、氧气及它们的组合物所组成的群组。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述颗粒床中的一压力的一范围是从一大气压力至17磅力每平方英寸(psi)或从一大气压力至7psi，其中在所述分离器中接收所述部分的所述多个固体颗粒进一步包含：将所述多个固体颗粒分开成多组固体颗粒；并将所述多组固体颗粒中的至少一组传送至一位置以进行进一步的加工；以及将所述多组固体颗粒中的至少一组传送至所述热交换器。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述分离器为一单级旋风式分离器或一多级旋风式分离器。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述颗粒床中的一温度被降低至低于约-78℃，且其中传送至所述分离器的所述步骤进一步包含：将一部分的所述多个固体颗粒传送至一第二旋风式分离器以对所述多个固体颗粒进行进一步的加工；并将一部分的所述多个固体颗粒从所述旋风式分离器传送至所述热交换器；以及将所述多个固体颗粒的一剩余部分从所述第二旋风式分离器传送至一位置以进行进一步的加工。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述颗粒床包括多个具有一平均尺寸范围从约0.05毫米至约20毫米的颗粒，其中所述过冷的步骤将所述多个固体颗粒的温度下降至低于-140℃。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述颗粒床包括多个具有一平均尺寸范围从约0.05毫米至约12毫米的颗粒，其中所述过冷的步骤使所述多个固体颗粒的温度平均下降至少35℃。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：在所述第一腔室的所述导管的一表面上的所述被流化的多个颗粒的撞击移除了从所述第一腔室的所述导管生成的至少一部分的凝结的固体。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于：将所有的所述部分的所述多个固体颗粒从所述热交换器进行再注入的所述步骤是在一稳定状态下进行，在所述稳定状态中，在所述第一腔室的一内部表面上的所述凝结的固体的一生成速率大约相等于受到所述第一腔室的所述内部表面上的所述被流化的固体的冲击的所述凝结的固体被移除的一速率。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述热交换器中进行过冷的所述步骤进一步包含：将所述部分的所述多个固体颗粒与一冷却的造粒机头相接触，以使所述多个固体颗粒变形，并将所述多个固体颗粒破碎成多个大致均匀的碎片。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：将所述多个固体颗粒进行破碎的所述步骤进一步包含：将所述多个固体颗粒破碎成多个球状体碎片。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于：将所述多个固体颗粒进行破碎的所述步骤进一步包含：将所述多个固体颗粒破碎成具有一孔隙率小于70％且一比重在1.2与1.5之间的多个大致为圆柱状的碎片。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述方法进一步包含：在所述热交换器的一第一部分中将固态碳压缩，如此所述二氧化碳具有小于55％的一孔隙率及介于0.7至1.5之间的一比重，且在所述热交换器的一第二部分中的所述压缩步骤基本上与将所述多个固体颗粒进行破碎的所述步骤同时发生。
16.一种用于从多种气体中分离出可冷凝蒸气以形成一固体的方法，其特征在于：所述方法包含：
先通过一个或多个上游热交换器将包括有可冷凝蒸气的一工艺流冷却，接着通过一颗粒床容器的一工艺流入口传递所述工艺流；
将包括有二氧化碳及至少一载体气体的一工艺流传递通过所述颗粒床容器的一颗粒床，所述颗粒床包含多个固体颗粒及多个导管，所述多个固体颗粒基本上是由选自于二氧化硫、三氧化硫、二氧化碳、水、二氧化氮所组成的群组的多个固体颗粒所组成，所述多个导管用于保持冷却的多个物质；
流化所述床的一部分的所述多个固体颗粒，其中所述部分的所述多个固体颗粒中的一些通过结合至一多级旋风式分离器的一顶部孔或通过结合至所述多级旋风式分离器的一侧边孔离开一第一腔室；
冷却所述至少一载体气体，其中所述至少一载体气体通过被定向成将所述多个物质输送至所述多级旋风式分离器的一导管来离开所述第一腔室；
在所述多级旋风式分离器中接收所述部分的所述多个固体颗粒及所述至少一载体气体；
通过所述多级旋风式分离器将所述部分的所述多个固体颗粒从所述至少一载体气体中分离出；
通过所述多级旋风式分离器将所述至少一载体气体经由所述多级旋风式分离器的一气体出口进行移除；
将所述部分的所述多个固体颗粒的至少一群组传送至位于所述第一腔室的外侧的一热交换器；
将在所述热交换器中的所述部分的所述多个固体颗粒过冷至一温度，所述温度将固态的二氧化碳降低至一更低的温度；及
将在所述热交换器中的基本上所有的所述部分的所述多个固体颗粒再注入至所述第一腔室的所述颗粒床中，以使位于所述第一腔室中的一第二部分的二氧化碳进行去盐。
17.一种用于从多种气体中分离出可冷凝蒸气以形成一固体的设备，其特征在于：所述设备包含：
一颗粒床容器，包含一容纳有一流化床的第一腔室，所述流化床包含一固态二氧化碳颗粒床；
一多级旋风式分离器，配置用以从多个固体颗粒中分离出多种气体，以及用以基于尺寸将所述多个固体颗粒进行分离；
一热交换器，包含一冷却机制、一分类器及一压缩机，所述分类器用于将一均匀尺寸的所述多个固体颗粒分组到多个单独的隔室中，所述压缩机用于将所述多个固体颗粒压缩成具有介于0.5与1.5之间的一特定的比重；
一输入导管，用于将多个二氧化碳颗粒输送至所述热交换器，并连接所述第一腔室及所述热交换器；及
一输出导管，用于将被冷却的二氧化碳输送至所述第一腔室，并连接所述第一腔室及所述热交换器。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于：所述颗粒床基本上由多个颗粒及所述输出导管所组成，所述多个颗粒具有介于0.2毫米与1毫米之间的一平均颗粒尺寸，所述输出导管被定位在一角度上，以便允许重力致动的将所述被过冷的二氧化碳输送至所述第一腔室；所述输入导管用于将所述多个二氧化碳颗粒输送至所述热交换器，并用于连接所述第一腔室及被定位的所述热交换器，以便将所述多个二氧化碳颗粒输送至所述热交换器的一内腔室，其中在所述内腔室与所述输入导管之间的一接触点被定位在所述热交换器的一1/3上部分之间。
19.如权利要求17所述的设备，其特征在于：所述热交换器被配置用以将所述多个颗粒进行过冷，所述多个颗粒的所述过冷是经由所述热交换器直接与从一制冷剂分配器释放出的一制冷剂相接触来进行，所述制冷剂分配器与所述热交换器结合；且所述输出导管包含一用于将所述被过冷的二氧化碳输送至所述第一腔室的可机械性操作的输送器，所述可机械性操作的输送器包含一冷却管，所述冷却管用于将所述二氧化碳的温度至少降低1℃。
20.如权利要求17所述的设备，其特征在于：所述多级旋风式分离器进一步包含至少200个孔限定部分，且其中所述多级旋风式分离器配置用以将所述多种气体从所述多个固体颗粒中分离出，并基于尺寸将所述多个固体颗粒分开到至少四个隔室中；且其中所述热交换器为一管状热交换器，所述管状热交换器配置成通过一过冷部分及多个管子来将所述二氧化碳进行机械性输送。
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