EA015731B1 - Способ удаления coиз потока газовой смеси - Google Patents

Abstract

Предложен способ адсорбции СОиз потоков топочного газа с использованием процессов адсорбции за счет температурного перепада. Полученный СО-обогащенный поток сжимают для захоронения в подземном пласте и по меньшей мере часть теплоты сжатия используют на стадии десорбции процесса адсорбции за счет температурного перепада.

Description

Настоящее изобретение относится к адсорбции СО₂ из потоков топочного газа с использованием процессов адсорбции за счет температурного перепада. Полученный СО₂-обогащенный поток сжимают для захоронения в подземном пласте, и по меньшей мере часть теплоты сжатия используют на стадии десорбции процесса адсорбции за счет температурного перепада.

Уровень техники

Разделение газов имеет большое значение в различных областях промышленности, особенно при производстве топлива, химических продуктов, нефтехимических продуктов и специальных продуктов. Разделение газов может быть осуществлено с помощью ряда способов, в которых при содействии тепла, твердых веществ или других средств, как правило, используется разница в физических и/или химических свойствах компонентов, которые должны быть разделены. Например, разделение газов может быть достигнуто путем частичного сжижения или за счет использования материала твердого адсорбента, который преимущественно удерживает или адсорбирует более легко адсорбируемый компонент относительно менее легко адсорбируемого компонента газовой смеси, или с помощью некоторых других методик разделения газа, известных в промышленности. Одним из таких используемых в промышленности процессов разделения газа является адсорбция за счет термического перепада (Т8А). Т8А неизменно является значимой технологией для очистки газов с тех пор, как Джозеф Пристли отделил кислород от воздуха на оксиде ртути с использованием солнечной энергии. Адсорбция за счет температурного перепада представляет собой процесс, в котором слой адсорбента используют, чтобы селективно адсорбировать один или несколько образцов из технологического потока, где слой адсорбента регенерируют на последующей стадии за счет повышения температуры слоя, в результате высвобождая селективно адсорбированные образцы.

Процессы Т8А при работе в определенных условиях дают возможность преимущественно адсорбировать селективный компонент или компоненты в газовой смеси внутри пористой структуры материалов пористого адсорбента относительно второго компонента или компонентов в газовой смеси. Суммарное адсорбированное количество каждого компонента в материале (то есть адсорбционная емкость) и селективность адсорбции для конкретного компонента в сравнении с другим компонентом, часто может быть улучшена за счет работы стадии адсорбции процесса в определенных условиях по давлению и температуре, так как и давление, и температура влияют на адсорбционную загрузку компонентов в разной степени. Образцы десорбируются, так как на изотермы адсорбции сильно влияет температура. Следовательно, очень высокая чистота может быть получена за счет адсорбирования примесей при низкой температуре (где адсорбция является сильной) с высвобождением сильно удерживаемых образцов, которое является возможным посредством высокой температуры для десорбции. Кроме того, по сравнению с адсорбцией за счет перепада давления Т8А может работать в режиме насыщения изотермы, более выгодного с точки зрения емкости и интервала применимости цеолитных адсорбентов. В процессах Т8А тепло для стадии десорбции может быть подано напрямую с помощью адсорбента путем пропускания горячего десорбирующего газа через слой, или опосредованно через нагревающий змеевик, источник электрического нагрева или теплообменник, который находится в тесном контакте с адсорбентом.

Предложены различные способы подачи тепла к адсорбенту для регенерации. Такие способы включают микроволновую энергию (патент США № 4312641), установку электрических нагревателей внутри уплотненного слоя адсорбента в адсорбере (патент США № 4269611) и прямое подведение электрического тока к адсорберу для электроосаждения (патент США № 4094652). Патент США № 5669962 раскрывает сушилку, состоящую из кожухотрубных адсорберов-теплообменников, где внутренняя поверхность трубок покрыта тонкими частицами адсорбента для воды. Сушилка может быть использована в процессе короткоциклового термического перепада. Адсорбент нагревают или охлаждают опосредованно за счет пропускания горячего или холодного сырьевого газа к процессу разделения через межтрубные проходы теплообменника. Сырьевой газ действует вначале как холодный межтрубный газ в первом абсорбере-теплообменнике, затем его нагревают, чтобы он действовал как горячий межтрубный газ во втором абсорбере-теплообменнике, находящемся на регенерации, а затем он проходит через трубное пространство первого абсорбера-теплообменника, где подвергается сушке. Часть высушенного газа используют в качестве продувочного газа для трубного пространства второго абсорбера-теплообменника. Чередование функций двух адсорберов-теплообменников периодически меняет направление цикла. Чередование может иметь место с интервалами от тридцати секунд до трех минут. Многие процессы Т8А имеют время цикла, значительно продолжительнее, чем этот, часто до 12 ч.

Т8А, которую обычно используют на практике, имеет несколько недостатков. В процессах Т8А прямого нагрева горячую текучую среду, как правило, пропускают через адсорбционный слой, чтобы повысить температуру адсорбента. Чем больше повышение температуры, тем больше требуется текучей среды. Десорбированные примеси, таким образом, становятся распределенными в большом объеме нагревающей текучей среды, а большое количество тепла, которое используют для повышения температуры адсорбента, часто не может быть выделено. В некоторых случаях тепло не выделяют, так как многие системы Т8А прямого нагрева работают при продолжительном времени адсорбции (дни) и намного более коротком времени регенерации. И, наконец, редкая и постепенная регенерация вызывает колебания

- 1 015731 концентрации и потока в находящемся ниже по технологической линии оборудовании, которыми трудно управлять в технологической установке, при других обстоятельствах работающей в стационарном режиме. В системах Т8Л непрямого нагрева тепло может быть подано с помощью теплообменника, что исключает разбавление продукта нагретым продувочным газом. Однако управление теплом и циклическая природа процессов Т8Л непрямого нагрева часто преподносят трудности.

Помимо разделения образцов газа циклы Т8Л используют, чтобы термохимически сжать газы. Некоторые тепловые насосы и холодильные циклы используют стадию термохимического сжатия (см., например, 8у^и1ка, патент США № 5419156).

Хотя различные способы адсорбции за счет перепада разработаны для промышленного применения, в данной области техники в течение многих лет все еще остается потребность в улучшенных способах адсорбции за счет перепада, особенно при выделении СО₂ из топочного газа, и в более эффективном использовании тепла, генерированного в процессе.

В соответствии с настоящим изобретением предложен способ удаления СО₂ из потока газовой смеси, содержащей СО₂, и этот способ включает:

a) подачу указанного потока газовой смеси на установку разделения газов адсорбцией за счет температурного перепада, где установка разделения газов содержит по меньшей мере один контактор адсорбента, имеющий множество открытых проточных каналов, через которые проходит поток топочного газа; где поверхность указанных проточных каналов состоит из материала адсорбента, который способен адсорбировать СО2 из указанного потока топочного газа, в результате чего получают, по существу, не содержащий СО2 поток топочного газа и СО2, адсорбированный на указанном материале адсорбента;

b) сброс указанного, по существу, не содержащего СО₂ потока топочного газа в атмосферу;

c) нагревание указанного контактора, содержащего адсорбированный на нем СО₂, до эффективной температуры, что приводит к десорбции по меньшей мере части СО2, в результате чего получают СО2обогащенный поток;

й) сжатие указанного СО₂-обогащенного потока до давления свыше приблизительно 1000 фунт/кв.дюйм (6894 кПа), в результате чего получают сжатый СО₂-обогащенный поток, температура которого была, по существу, повышена во время сжатия;

е) охлаждение указанного сжатого СО₂-обогащенного потока за счет использования подходящей теплообменной текучей среды при первой температуре, которая улавливает тепло от указанного СО2обогащенного потока, в результате чего получают СО2-обогащенный поток, по существу, с пониженной температурой и теплообменную текучую среду, имеющую, по существу, более высокую вторую температуру;

1) использование по меньшей мере части тепла от теплообменной текучей среды, по существу, с более высокой второй температурой, чтобы снабдить теплом контактор во время стадии десорбции с).

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения цикл адсорбции за счет температурного перепада проводят при времени цикла менее чем приблизительно 2 мин между последовательными стадиями адсорбции.

В другом предпочтительном варианте настоящего изобретения по меньшей мере приблизительно 75 мол.% СО₂ в потоке топочного газа извлекают с получением, по существу, не содержащего СО₂ потока топочного газа.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой изображение одного варианта осуществления контактора с параллельными каналами настоящего изобретения в форме монолита, непосредственно полученного из микропористого адсорбента настоящего изобретения и содержащего множество параллельных каналов.

Фиг. 2 представляет собой изображение поперечного сечения вдоль продольной оси монолита фиг. 1.

Фиг. 3 представляет собой изображение увеличенного участка поперечного сечения монолита фиг. 2, показывающее детализированную структуру слоя адсорбента вместе с блокирующим агентом, занимающим некоторые мезо- и макропоры.

Фиг. 4 представляет собой еще один вариант осуществления настоящего изобретения, в котором контактор с параллельными каналами находится в форме покрытого монолита для применения в Т8А, где слой адсорбента нанесен на стенки каналов заранее приготовленного монолита. Данный чертеж показывает отдельные ряды сырьевых каналов и отдельные ряды нагревающих/охлаждающих каналов.

Фиг. 5 представляет собой еще одно изображение контактора с параллельными каналами настоящего изобретения, но в форме половолоконного контактора для применения в Т8А.

Фиг. 6 представляет собой другое изображение половолоконного контактора, представленного на фиг. 5, но с внешними поверхностями корпуса для контактора, выполненными прозрачными. Пунктирные линии использованы, чтобы показать края внешней поверхности.

Фиг. 7 представляет собой вид в разрезе контактора с поперечным потоком, который имеет сегменты, расположенные стопкой так, что средний поток текучей среды во время регенерации протекает противотоком к направлению потока во время стадии адсорбции.

Фиг. 8 иллюстрирует использование тепловой волны, чтобы подать тепло от одного контактора с внутренним нагревом, который был регенерирован, ко второму контактору, который закончил стадию

- 2 015731 адсорбции и нагревается для регенерации.

Фиг. 9 иллюстрирует систему настоящего изобретения, где один контактор находится на стадии адсорбции, тогда как другой контактор находится на стадии десорбции, а еще один контактор охлаждают.

Фиг. 10 иллюстрирует контактор с тремя параллельными каналами, которые могут быть использованы, как описано в примере 1.

Настоящее изобретение относится к процессу адсорбции за счет термического перепада, который способен улавливать СО₂ из топочного газа. В процессе адсорбции за счет термического перепада (Т8А) используют по меньшей мере один контактор, который повторно совершает цикл, по меньшей мере, через две стадии: стадию адсорбции и стадию термически усиленной регенерации. Регенерация контактора достигается за счет нагревания контактора до эффективной температуры, что приводит к десорбированию СО₂ из контактора. Затем контактор охлаждают так, чтобы можно было провести другую стадию адсорбции. В предпочтительном варианте осуществления процесс адсорбции за счет термического перепада проводят с помощью коротких циклов, и в этом случае его называют процессом короткоцикловой адсорбции за счет термического перепада (К.СТ8А). Процесс короткоцикловой адсорбции за счет термического перепада для целей настоящего изобретения определяют как способ, в котором время цикла между последовательными стадиями адсорбции составляет менее чем приблизительно 2 мин, предпочтительно менее чем приблизительно 1 мин и даже более предпочтительно менее чем приблизительно 0,25 мин. Стадия термической регенерации может быть усилена с помощью сдвигающей парциальное давление продувки или даже за счет перепада давления. Такие комбинации процессов называют в данном случае процессами за счет термического перепада, пока в них во время стадии регенерации используется стадия с применением индуцированного изменения температуры адсорбента в некоторой точке.

Топочный газ или дымовой газ выделяется в большом числе промышленных процессов. Давление выбросов большинства генерируемых промышленностью топочных газов, как правило, немного выше атмосферного давления и обычно составляет менее двух атмосфер. Температура топочного газа, как правило, находится в интервале приблизительно от 100 до 250°С, более обычно приблизительно от 150 до 250°С, но также может быть понижена приблизительно до 30-70°С, когда для удаления §О_Х используют известковый скруббер. Основными газообразными компонентами обычно являются Ν₂, О₂, СО₂ и Н₂О. Часто присутствуют небольшие количества загрязнителей, таких как ΝΟ_Χ и §О_Х. Концентрация СО₂ в топочном газе обычно находится в интервале приблизительно от 3 до 15 мол.% и концентрация Н₂О, как правило, находится в интервале приблизительно от 0,1 до 15 мол.%. Суммарная мольная концентрация СО2+Н2О обычно меньше чем 25 мол.%, когда топочный газ получен при стехиометрическом сжигании, и обычно составляет менее чем 15 мол.%, когда в процессе используют разбавление или избыток воздуха, чтобы ограничить температуру процесса высокотемпературного сжигания.

Предпочтительно выделять СО2, находящийся в топочном газе, в концентрированном или очищенном потоке, сжимать СО2-обогащенный поток до высокого давления и вводить его в подходящий подземный пласт для захоронения, чтобы уменьшить выбросы СО₂ в атмосферу. Неограничивающими примерами подземных пластов являются водоносные слои, которые имеют верхний изолирующий слой, который предупреждает значительные потери введенных газообразных компонентов, нефтяные продуктивные слои, газовые продуктивные слои, обедненные нефтью продуктивные слои и обедненные газом продуктивные слои. Как правило, отделенный СО2 должен быть сжат до давления больше чем приблизительно 1000 фунт/кв.дюйм (6894 кПа), предпочтительно больше чем 2000 фунт/кв.дюйм (13788 кПа) и часто до давления больше чем 5000 фунт/кв.дюйм (34470 кПа), чтобы его можно было ввести в такие типы подземных пластов. Настоящее изобретение минимизирует энергию, требуемую для сжатия, за счет захвата СО2 из топочного газа при атмосферном или немного повышенном давлении (то есть в интервале приблизительно от 0 до 30 фунт/кв.дюйм (206,8 кПа)). Настоящее изобретение также минимизирует энергию, требуемую для сжатия, за счет получения высокочистого потока СО2. В высокочистых потоках СО2 только небольшая часть энергии сжатия тратится на разбавители, такие как азот. Под определением высокочистый подразумевается поток, содержащий больше чем приблизительно 85 мол.%, предпочтительно больше чем приблизительно 90 мол.% и даже более предпочтительно больше чем приблизительно 95 мол.% СО₂.

В настоящем изобретении улавливание СО₂ из топочного газа осуществляется с использованием процесса адсорбции за счет перепада, в котором используется термическая регенерация, и в предпочтительном варианте осуществления процесс проводят как процесс К.СТ8А. В другом предпочтительном варианте осуществления пары воды в потоке топочного газа также удаляют с использованием процесса адсорбции за счет перепада, в котором используют термическую регенерацию. В другом предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере приблизительно 20%, и более предпочтительно по меньшей мере приблизительно 30% тепла, используемого для стадии термической регенерации процесса адсорбции за счет термического перепада настоящего изобретения, подают от промежуточного охлаждения потока СО₂, который подвергают сжатию до давления больше чем приблизительно 1000 фунт/кв.дюйм (6894 кПа). В другом предпочтительном варианте осуществления энергию, требуемую для захвата СО2, снижают, а чистоту потока захваченного СО₂ повышают за счет регенерации с помощью тепловой волны, которая проходит или прямотоком, или противотоком к направлению потока топочного газа. В дру

- 3 015731 гом предпочтительном варианте регенерацию тепловой волной проводят так, что по меньшей мере 10% тепловой энергии от одного контактора передают к другому контактору в многоконтакторном процессе адсорбции за счет термического перепада настоящего изобретения.

Чтобы уловить СО₂, поток топочного газа пропускают через контактор, содержащий материал твердого адсорбента, имеющего селективность для СО₂ в сравнении с Ν₂ больше чем приблизительно 5, предпочтительно больше чем приблизительно 10 в случае адсорбирования СО₂ из смеси азотсодержащего топочного газа.

Если не оговорено особо, определение селективность, используемое в данном случае, основано на бинарном (парном) сравнении мольной концентрации компонентов в потоке сырья и суммарного числа молей этих компонентов, адсорбированных конкретным адсорбентом во время стадии адсорбции технологического цикла при определенных рабочих условиях системы и композиции потока сырья. Для сырья, содержащего компонент А, компонент В, а также дополнительные компоненты, адсорбент, который имеет более высокую селективность для компонента А, чем для компонента В, будет иметь в конце стадии адсорбции технологического цикла адсорбции за счет перепада отношение:

и_А = (суммарное число молей А в адсорбенте)/(мольная концентрация А в сырье), которое выше, чем отношение:

и_в = (суммарное число молей В в адсорбенте)/(мольная концентрация В в сырье), где и_А представляет собой адсорбционное поглощение компонента А и и_в представляет собой адсорбционное поглощение компонента В.

Следовательно, для адсорбента, имеющего селективность для компонента А в сравнении с компонентом В, которая больше единицы:

Селективность=и_А/и_в (где и_А>и_в) .

Чтобы эффективно использовать контактор, предпочтительно, чтобы загрузка СО₂ в материал абсорбента была больше чем приблизительно 0,25 млмоль СО2 на грамм материала адсорбента, предпочтительно больше чем приблизительно 0,75 млмоль СО₂ на грамм материала адсорбента и даже более предпочтительно больше чем приблизительно 1,5 млмоль СО₂ на грамм материала адсорбента. Материалы адсорбентов, которые могут селективно удалять СО2 из азотсодержащих смесей топочного газа и обеспечивать желаемые загрузки, включают микропористые материалы, такие как цеолиты, катионные цеолиты, АЬРО материалы и 8АРО материалы. Неограничивающими примерами подходящих для использования в данном случае цеолитов являются цеолит 4А, 5А, ВХ, №Х и №У. Неограничивающими примерами катионных цеолитов являются цеолиты с мольным отношением 81/А1 менее чем приблизительно 5, такие как фауджазит, Бека и морденит. Кремнийсодержащие цеолиты, такие как ΜΕΙ, также могут быть использованы для удаления СО₂ из азотсодержащих смесей. Также в рамках объема настоящего изобретения находится использование гидротальцита в качестве микропористого материала для обработки потока топочного газа. Также можно, чтобы микропористый материал был изготовлен из решетки, содержащей элементы, отличные от 8ί или А1, например Р. Другим потенциальным материалом адсорбента является микропористый уголь. Также потенциальными микропористыми материалами могут быть материалы, образованные из микропористого золь-геля, и диоксиды кремния. Такие материалы могут быть использованы по отдельности или в комбинации с другими материалами. Предпочтительно, чтобы адсорбент в контакторе имел низкую мезопористость и макропористость. Определения мезопористости и макропористости имеют значения, приведенные ниже. То есть структурированный адсорбент содержит менее чем приблизительно 20 об.%, предпочтительно менее чем приблизительно 15 об.%, более предпочтительно менее чем приблизительно 10 об.% и наиболее предпочтительно менее чем приблизительно 5 об.% от его объема пор в открытых порах в мезопорах и порах большего размера. Кроме того, как описано далее, в предпочтительном варианте осуществления низко мезопористый и макропористый адсорбент может содержать блокирующий агент, чтобы эффективно понизить суммарный объем пор в мезопористом и макропористом интервале контактора адсорбента.

Контактор, используемый в практике настоящего изобретения, сконструирован так, что более чем приблизительно 75 мол.%, предпочтительно более чем приблизительно 85 мол.% и более предпочтительно более чем приблизительно 95 мол.% СО₂ в топочном газе захватывается адсорбентом. В конечном счете, адсорбционный фронт проскакивает через контактор, и доля удаляемого СО2 падает ниже таких желательных значений сразу после того, как поток топочного газа переключают на другой контактор, который уже был регенерирован, а контактор термически регенерируют. После термической регенерации контактор снова готов для проведения адсорбции, и поток смеси топочного газа переключают назад в контактор. Суммарное время цикла представляет собой продолжительность по времени от момента, когда газообразную смесь первый раз подают к контактору в первом цикле до момента, когда газообразную смесь первый раз подают к тому же самому контактору в незамедлительно следующем цикле, то есть после однократной регенерации первого слоя. Использование третьего, четвертого, пятого и т.д. контакторов помимо второго контактора может обеспечить непрерывную переработку, когда время адсорбции короче, а время регенерации является продолжительным.

Как упоминалось ранее, топочный газ часто содержит другие образцы, такие как 8О_Х, ΝΟ_Χ и/или

- 4 015731 вода, по меньшей мере, некоторые из которых предпочтительно удалять. Из этих образцов вода в топочном газе обычно присутствует в наиболее высокой концентрации. Предпочтительно вводить в контактор материалы адсорбента для удаления, по меньшей мере, некоторых, более предпочтительно всех таких других образцов. Поток топочного газа также может быть подан через отдельный контактор, чтобы удалить один или несколько таких образцов или удалить эти образцы на отдельной установке. Когда множество образцов удаляют из топочного газа с помощью отдельных контакторов, каждый контактор может быть оптимизирован для удаления конкретного компонента. Другая конфигурация со множеством контакторов представляет собой конфигурацию, в которой первый контактор удаляет воду, а второй контактор удаляет один или несколько компонентов из 8О_Х ΝΟ_Χ и СО₂. Множество контакторов может быть использовано, так как настоящее изобретение предлагает средства для индивидуальной регенерации каждого контактора после завершения стадии адсорбции. С другой стороны, в один контактор может быть введено несколько разных адсорбентов. Каждый адсорбент может быть оптимизирован для удаления конкретных молекулярных образцов. Это обеспечивает средства для селективного удаления нескольких образцов с помощью одного контактора. Другая альтернатива состоит в переработке топочного газа с помощью одного адсорбента, который способен удалять несколько различных молекулярных образцов. Еще один вариант заключается в переработке топочного газа с помощью контактора, который содержит адсорбент, который удаляет СО₂, но не адсорбирует в значительной степени другие молекулярные образцы (например, воду).

Когда адсорбент вводят в контактор, чтобы удалять воду, предпочтительно располагать адсорбент так, чтобы топочный газ контактировал с этим адсорбентом до его вступления в контакт с адсорбентом, предусмотренным для удаления СО2. Это может быть осуществлено за счет размещения селективного для воды адсорбента ближе к входу в контактор, чем СО2-селективный адсорбент, или за счет размещения слоями селективных для СО2 и воды адсорбентов так, чтобы топочный газ вступал в контакт с селективным для воды адсорбентом до его контакта с СО₂-селективным адсорбентом. В некоторых случаях один и тот же материал адсорбента используют для удаления СО₂ и других образцов, таких как 8Θ_Χ, ΝΟ_Χ или вода. Материалы, которые могут быть использованы, чтобы адсорбировать 8О_Х и ΝΟ_Χ, включают цеолиты, катионные цеолиты, мезопористые материалы, угли, полимеры и смешанные матричные материалы.

В этом случае наиболее сильно адсорбируемые образцы в топочном газе (обычно вода) будут заполнять адсорбент первыми, в результате чего задерживается адсорбция менее сильно адсорбируемых образцов (обычно СО2) до тех пор, пока газ не пройдет далее по контактору. В этом случае через контактор перемещается множество адсорбционных фронтов.

В другом варианте осуществления для удаления воды из топочного газа может быть использован процесс дегидратации гликоля. Топочный газ может быть дегидратирован в отдельном процессе или рабочем блоке перед его введением в адсорбционный слой Т8Л. Для эффективного удаления воды с помощью дегидратации гликоля температура топочного газа должна быть уменьшена менее чем приблизительно до 110°С, предпочтительно менее чем приблизительно до 75°С. Другой способ дегидратации, который может быть использован перед введением топочного газа в контакт с контактором адсорбента, представляет собой физическое выталкивание конденсированной воды (например, в каплях или тумане).

В одном из вариантов осуществления контактор может содержать участок, имеющий материал адсорбента, который способен удалять воду из топочного газа. Адсорбенты, способные удалять воду из топочного газа, включают катионные цеолиты, функционализированные микропористые и мезопористые материалы, угли, смешанные матричные материалы и полимеры. Когда контактор удаляет значительную долю (то есть более чем приблизительно 75 мол.%) СО₂ и воду из топочного газа, входящего в адсорбционный слой, процесс термической регенерации конструируют так, чтобы удалять оба эти образца. В предпочтительном варианте осуществления регенерацию проводят так, что во время термической регенерации получают отдельные обогащенный водой и СО2-обогащенный потоки. В другом предпочтительном варианте осуществления переработанный топочный газ, выходящий из адсорбционного слоя, который удаляет СО₂, дегидратирован до содержания воды ниже приблизительно 400 об.ч/млн, предпочтительно ниже приблизительно 50 об.ч/млн и более предпочтительно ниже приблизительно 20 об.ч/млн, по меньшей мере, например, во время цикла адсорбции.

Предпочтительно, чтобы контактор был выполнен так, чтобы обеспечивать эффективное контактирование смеси топочного газа с материалами твердого адсорбента для удаления СО2 и необязательно воды из топочного газа. Эффективное контактирование минимизирует количество требуемого адсорбента, объем контактора и энергию, требуемую для регенерации контактора. С помощью эффективно сконструированного контактора падение давления топочного газа и текучих сред или газов, необходимых, чтобы нагреть или охладить контактор, также сводится до минимума. Это минимизирует потери энергии от падения давления топочного газа, проходящего через контактор, и энергии, требуемой для перекачивания или сжатия текучих сред и газов, используемых для нагревания или охлаждения контактора.

Физическая архитектура контакторов, используемых в практике настоящего изобретения, зависит от того, является ли контактор во время регенерации контактором с внешним или внутренним нагревом. В случае контакторов с внутренним нагревом газ или текучая среда, используемые для нагревания кон

- 5 015731 тактора, непосредственно контактируют с материалом адсорбента. То есть газ или текучая среда, используемые для нагревания контактора во время регенерации, проходят через тот же объем микропор, что и топочный газ во время стадии адсорбции. Газ, или текучая среда, используемые, чтобы нагреть или регенерировать адсорбент, могут протекать прямотоком, противотоком или ортогонально (то есть в поперечном направлении) к направлению, в котором протекает топочный газ. В случае таких контакторов с внутренним нагревом СО₂ и любая вода, высвобожденные во время стадии термической регенерации, смешиваются с газом или текучей средой, используемыми для регенерации контактора.

Предпочтительно, чтобы СО₂ был отделен от газа или текучей среды, используемых для регенерации нагреваемого контактора с внутренним нагревом перед захоронением СО₂. В отличие от контактов с внутренним нагревом, контакторы с внешним нагревом имеют отдельные наборы каналов, чтобы переносить газы и текучие среды, используемые для нагревания или охлаждения контактора. Следовательно, в идеале, отдельный набор каналов изолируют так, чтобы газы, используемые для нагревания и охлаждения контактора, не смешивались с топочным газом или СО₂, высвобожденным на стадии регенерации.

Примерами контакторов с внутренним нагревом являются слой, набитый пеллетами, содержащими СО₂-селективный адсорбент, слой бисерного СО₂-селективного адсорбента, слой, плотно набитый волокнами или волокнистым матом, содержащими СО2-селективный адсорбент, контакторы структурированного адсорбента и контакторы с параллельными каналами. Контакторы структурированного адсорбента содержат множество проточных каналов, которые дают возможность газу или текучей среде физически проходить через контактор. Проточный канал представляет собой ту часть контактора, в которой газ протекает, если прикладывается установившаяся разница давления между точками или местом, в которых сырье входит в контактор, и точкой или местом, в которых поток продуктов покидает контактор. Проточный канал не считается частью объема открытых мезопор или макропор контактора. Контакторы с параллельными каналами образуют предпочтительную подгруппу контакторов структурированного адсорбента. В контакторах с параллельными каналами существует по меньшей мере один набор каналов, которые, по существу, параллельны друг к другу.

Как указывалось выше, контакторы структурированного адсорбента настоящего изобретения содержат очень небольшую объемную долю открытых мезо- и макропор. Мезопоры по определению ГОРАС представляют собой поры с размерами в интервале от 20 до 500 А, а макропоры определяют как поры с размерами больше чем 500 А. Под открытыми порами подразумеваются мезопоры и макропоры, которые не заняты блокирующим агентом и которые способны быть занятыми, в особенности неселективно, компонентами газовой смеси.

Несколько различных методов испытаний можно использовать для измерения объемной доли открытых пор в контакторе. Однако для целей настоящего изобретения метод определения объемной доли открытых мезопор и макропор, который используется в данном случае, состоит в анализе изотермы конденсируемого пара, поданного в контактор. В фазе адсорбции изотермы капиллярная конденсация заполняет жидкостью пустые микропоры, мезопоры и большую часть объема пустых макропор. Если конденсируемый пар не входит в микропоры или свободный объем (в случае полимерных адсорбентов) адсорбента, то количество паров, принятых в фазе адсорбции изотермы, почти равно объему пустых мезопор и макропор. Подробный анализ изотермы адсорбции частично основан на уравнении Кельвина, которое хорошо известно специалистам в данной области. Подробный анализ обеспечивает измерение объемной доли мезопор и заполненных макропор в структурированном адсорбенте и распределение по размерам открытых мезопор. Подробный анализ также может быть использован, чтобы объяснить любую поверхностную абсорбцию или адсорбцию или в микропоры или в свободный объем структурированного адсорбента. Способы определения объемной доли открытых мезопор и макропор в контакторе могут быть найдены в находящейся на одновременном рассмотрении предварительной патентной заявке США № 60/930827, направленной на рассмотрение 18 мая 2007 г., которая включена в качестве ссылки.

Размеры и геометрические формы контакторов с параллельными каналами настоящего изобретения могут иметь любой размер или представлять собой любую геометрическую форму, которые приемлемы для использования в Т8А или в процессе адсорбции за счет перепада тепловой волны. Неограничивающими примерами геометрических форм являются различные формованные монолиты, имеющие множество, по существу, параллельных каналов, простирающихся от одного конца монолита к другому концу; множество трубчатых элементов; сложенные стопкой слои листов адсорбента с разделителями или без разделителей между каждым листом; многослойные спиральные валики; пучки полых волокон, а также пучки, по существу, параллельных твердых волокон. Адсорбент может быть нанесен на такие геометрические формы, или такие формы могут быть получены непосредственно из материала адсорбента. Примером геометрической формы, полученной непосредственно из адсорбента, может быть продукт экструзии композита цеолит/полимер в монолит. Другим примером геометрической формы, полученной непосредственно из абсорбента, могут быть экструдированные или пряденые полые волокна, изготовленные из композита цеолит/полимер. Примером геометрической формы, которая покрыта абсорбентом, может быть тонкий плоский стальной лист, который покрыт пленкой микропористого адсорбента с низким содержанием мезопор, такой как цеолитная пленка. Полученный напрямую или нанесенный в виде покрытия слой адсорбента сам по себе может быть структурирован во множество слоев или одного и того же

- 6 015731 или разных материалов адсорбента. Листовые структуры многослойного адсорбента представлены в патентной заявке США № 2006/0169142, которая включена в описание в качестве ссылки.

По существу, параллельные каналы в контакторах с параллельными каналами с внутренним нагревом иногда называют проточными каналами или газовыми проточными каналами . Как правило, проточные каналы обеспечивают относительно низкое жидкостное сопротивление в сочетании с относительно высокой площадью поверхности. Длина проточного канала должна быть достаточной, чтобы обеспечить зону массопереноса, который является, по меньшей мере, функцией скорости текучей среды, и отношение площади поверхности к объему канала. Каналы предпочтительно выполнены так, чтобы минимизировать падение давления в каналах. Во многих вариантах осуществления фракция потока текучей среды, входящая в канал у входного конца контактора, не взаимодействует с какой-либо другой фракцией текучей среды, входящей в другой канал у его входного конца, до тех пор, пока фракции не объединяются снова после выхода из выходного конца. Важно, чтобы каналы были однородными, чтобы гарантировать, что, по существу, все каналы используются полностью и что зона переноса массы является, по существу, одинаково ограниченной. Если существует сильное непостоянство между каналами, продуктивность и чистота газа будут страдать. Если один проточный канал больше, чем соседний проточный канал, может возникнуть преждевременный проскок продукта, что приведет к снижению чистоты целевого продукта, содержащего газ, до неприемлемых уровней чистоты или к менее оптимальному времени цикла. Более того, устройства, работающие при периодичности циклов больше чем приблизительно 0,1 в минуту (ц/мин), требуют большей однородности проточных каналов и меньшего падения давления, чем устройства, работающие при более низком числе циклов в минуту. Кроме того, если по слою имеет место слишком большое падение давления, то более высокая периодичность циклов, например порядка больше 100 ц/мин, достигается с трудом.

Размеры проточных каналов могут быть рассчитаны из анализа падения давления вдоль проточного канала. Предпочтительно, чтобы проточные каналы имели просвет канала приблизительно от 5 до 1000 мкм, предпочтительно приблизительно от 50 до 250 мкм. Как правило, длина проточного канала находится в интервале приблизительно от 0,5 см до 30 м, более типично приблизительно от 10 см до 10 м, и проточные каналы имеют высоту (ширину) просвета каналов приблизительно от 50 до 250 мкм. Каналы могут содержать разделитель, или сетку, которая действует как разделитель. В некоторых вариантах каналы могут быть получены, когда листы адсорбента ламинируют вместе. В случае ламинированных адсорбентов могут быть использованы разделители, которые представляют собой структуры или материал, которые определяют расстояние между ламинатами адсорбента. Неограничивающими примерами типа разделителей, которые могут быть использованы в настоящем изобретении, являются разделители, состоящие из калиброванных по размеру пластиковой, металлической, стеклянной или углеродной сетки; пластиковой пленки или металлической фольги; пластиковых, металлических, стеклянных, керамических или углеродных волокон и нитей; керамических столбиков; пластиковых, стеклянных, керамических или металлических сфер или дисков; или их комбинаций.

В контакторе структурированного адсорбента большая часть селективного для СО₂ материала адсорбента и необязательно селективного для воды материала адсорбента введены в виде части стенки проточного канала. Контакторы структурированного адсорбента настоящего изобретения необязательно могут содержать материал термальной массы, чтобы контролировать нагревание во время стадии процесса адсорбции за счет перепада. Нагревание во время адсорбции вызвано теплотой адсорбции молекул, входящих в адсорбент. Термальная масса, которая способствует ограничению повышения температуры во время стадии адсорбции, может быть введена в проточный канал контактора или введена в стенку вместе с селективным для СО2 или необязательным селективным для воды адсорбентом. Когда термальная масса введена в стенку, она может представлять собой твердый материал, распределенный по всему слою адсорбента, или может быть введена в виде отдельного слоя.

Контакторы настоящего изобретения могут быть лучше поняты при рассмотрении чертежей. Фиг. 1 представляет собой изображение контактора с параллельными каналами настоящего изобретения, который во время стадии регенерации нагревается изнутри. Контактор с параллельными каналами находится в форме монолита, образованного непосредственно из микропористого адсорбента плюс связующее вещество и содержащего множество параллельных проточных каналов. Широкий ряд форм монолита может быть получен напрямую с помощью процессов экструзии, и пример цилиндрического монолита 1 схематично представлен на фиг. 1. Цилиндрический монолит 1 содержит множество параллельных проточных каналов 3. Такие проточные каналы 3 могут иметь просветы канала приблизительно от 5 до 1000 мкм, предпочтительно приблизительно от 50 до 250 мкм. Как используется в данном случае, просвет канала проточного канала определяется как протяженность линии поперек минимального размера проточного канала в прямоугольной проекции к пути потока. Например, если проточный канал является круговым в поперечном сечении, то просвет канала представляет собой внутренний диаметр круга. Однако если просвет канала является прямоугольным в поперечном сечении, то просвет потока представляет собой протяженность линии, перпендикулярной и соединяющей две наиболее длинные стороны прямоугольника (то есть длину наиболее короткой стороны прямоугольника). Следует также отметить, что

- 7 015731 проточные каналы могут иметь любую конфигурацию поперечного сечения. Предпочтительные варианты осуществления представляют собой варианты, где конфигурация поперечного сечения проточного канала представляет собой или круг, или прямоугольник, или квадрат. Однако любая геометрическая конфигурация поперечного сечения может быть использована, например, но без ограничения, элипсы, овалы, треугольники или различные многоугольные формы. В других предпочтительных вариантах осуществления отношение объема адсорбента к объему проточных каналов в контакторе адсорбента составляет приблизительно от 0,5:1 до 100:1, и более предпочтительно приблизительно от 1:1 до 50:1.

Могут быть образованы каналы, имеющие ряд форм, в том числе, но без ограничения, круглую, квадратную, треугольную и шестиугольную. Пространство между каналами занято адсорбентом 5. Как показано, каналы 3 занимают приблизительно 25% от объема монолита, и адсорбент занимает приблизительно 75% от объема монолита, хотя адсорбент 5 может занимать приблизительно от 50 до 98% от объема монолита. Эффективная толщина адсорбента может быть определена из объемных долей, занятых адсорбентом 5 и канальной структурой, следующим образом:

_, . _ 1 „ Объемная доля адсорбента

Эффективная толщина адсорбента = — Диаметр канала----------------------2 Объемная доля каналов

Когда просвет канала находится в интервале приблизительно от 50 до 250 мкм, предпочтительно, чтобы толщина слоя адсорбента, в случае, где весь контактор не состоит из адсорбента, находилась в интервале приблизительно от 25 до 2500 мкм. В случае просвета канала 50 мкм предпочтительный интервал толщины для слоя адсорбента составляет приблизительно от 25 до 300 мкм, более предпочтительно приблизительно от 50 до 250 мкм.

В случае монолитного контактора с параллельными каналами фиг. 1, который нагревается изнутри во время стадии регенерации, предпочтительно, чтобы эффективная толщина адсорбента составляла приблизительно 1,5 диаметра сырьевого канала. Фиг. 2 представляет собой поперечное сечение вдоль продольной оси контактора фиг. 1, показывающее сырьевые каналы 3, простирающиеся через длину монолита со стенками проточных каналов, образованными полностью из адсорбента 5. Схематичный чертеж, увеличивающий небольшое поперечное сечение слоя абсорбента 5, представлен на фиг. 3. Слой адсорбента 5 состоит из микропористого адсорбента или полимерных частиц 7, твердых частиц (термальная масса) 9, которые действуют как теплоотводы, блокирующего агента 13 и открытых мезопор и микропор 11. Как показано, микропористый адсорбент или полимерные частицы 7 занимают приблизительно 60 об.% слоя адсорбента, а твердые частицы 9 занимают приблизительно 5 об.%. При такой композиции пустотность (проточные каналы) составляет приблизительно 55 об.%, занимаемого микропористым адсорбентом или полимерными частицами. Объем микропористого адсорбента 5 или полимерных частиц 7 может находиться в интервале приблизительно от 25 до 98 об.% слоя адсорбента. На практике объемная доля твердых частиц 9, используемых для контроля тепла, будет находиться в интервале приблизительно от 0 до 75 об.% слоя адсорбента. В предпочтительном варианте осуществления объем мезопор и макропор в контакторе минимизирован. Один из методов минимизации объема мезопор и макропор состоит в использовании блокирующего агента 13, который плотно заполняет желаемое количество пространства или пустот, оставшихся между частицами так, что объемная доля открытых мезопор и макропор 11 в слое адсорбента 5 составляет менее чем приблизительно 20%.

При использовании монолита в процессе разделения топочного газа, который основан на кинетическом разделении (преимущественно контролируемом диффузией), предпочтительно, чтобы частицы микропористого адсорбента или полимерные частицы 7 были, по существу, одинакового размера. Предпочтительно, чтобы в случае кинетически контролируемых процессов стандартное отклонение объема отдельных частиц микропористого адсорбента или полимерных частиц 7 составляло менее чем 100% от среднего объема частиц. В более предпочтительном варианте осуществления стандартное отклонение объема отдельных частиц микропористого адсорбента или полимерных частиц 7 составляет менее чем 50% от среднего объема частиц. Распределение частиц по размерам для цеолитных адсорбентов можно контролировать способом, используемым для синтеза частиц. Также можно разделять частицы предварительно синтезированного микропористого адсорбента по размерам с использованием способов, таких как колонка гравитационного осаждения. Также может быть предпочтительным использование одинаковых по размерам частиц микропористого адсорбента или полимерных частиц в процессах разделения, контролируемых равновесием.

Существует несколько способов, которыми монолиты могут быть получены напрямую из структурированного микропористого адсорбента. Такие способы описаны в находящейся на одновременном рассмотрении предварительной патентной заявке США № 60/930827, направленной на рассмотрение 18 мая 2007 г., которая включена в качестве ссылки.

Неограничивающий пример контактора с параллельными каналами, который нагревают снаружи во время стадии регенерации, представлен на фиг. 4. Фиг. 4 представляет собой изображение контактора с параллельными каналами настоящего изобретения в форме покрытого монолита 201, который нагревается снаружи во время регенерации, когда слой адсорбента нанесен на канал предварительно полученного монолита, состоящего из материала не-адсорбента. В этом примере используют процесс экструзии, что

- 8 015731 бы получить монолит из подходящего неадсорбирующего материала, включающего металл, такой как сталь, или керамику, такую как кордиерит, цеолит или уголь. Наносят керамическую или металлическую глазурь или золь-гелевое покрытие 219, чтобы изолировать стенки канала монолита. Такая глазурь может быть нанесена с помощью нанесения покрытия из суспензии на стенки каналов, после чего следует отверждение прокаливанием. Золь-гель также может быть нанесен на стенки каналов и затем прокален в условиях, при которых покрытие уплотняется. Также можно использовать методики пропитки в вакууме или пропитки под давлением, чтобы нанести глазурь или золь-гель. В этом случае глазурь или золь-гель будут проникать в пористую структуру монолита 217. Во всех случаях глазурь изолирует стенку канала так, что газ, проходящий через канал, плохо переносится в корпус монолита. Также перед изолированием стенок канала может быть желательным пропитывать пористую структуру монолита твердым материалом. Чтобы обеспечить операцию Т8А с внешним нагревом, чередующиеся ряды каналов изолируют на концах 215. На противоположном конце монолита также изолируют те же самые ряды каналов. На обоих концах в монолите вырезают прорези (223 и 225), чтобы обеспечить доступ потока в такие изолированные ряды каналов 215. Изолирующие поверхности 219 выполнены на обоих концах монолита, а также в середине монолита 221.

При работе монолит будут устанавливать в модуле так, чтобы герметично закрыть концы каналов, а также середину монолита. Любая подходящая технология может быть использована, чтобы закрыть концы каналов, включая металлическую сварку, облицовку материалами, такими как каучук или угли, и использование клеев, таких как неорганические цементы и эпоксиды. Модуль выполнен так, что нагревающая или охлаждающая текучая среда может протекать через каналы, изолированные на концах 215, за счет введения ее через прорези 223 и выведения через прорези 225. Нагревающая и охлаждающая текучая среда будет подвергаться тепловому обмену с текучей средой, протекающей через каналы, которые открыты на концах модуля. Такие преобразования монолита превращают его в теплообменник, и существуют различные другие направления, которыми могут быть изготовлены или скомпонованы теплообменники. Неограничивающими примерами таких других направлений являются кожухотрубные теплообменники, теплообменники с пленкой волокнистого материала и теплообменники с печатной схемой, которые все хорошо известны в данной области техники. За счет нанесения слоя адсорбента на одну сторону теплообменника его можно использовать в соответствии с настоящим изобретением. В предпочтительном варианте осуществления слой адсорбента имеет низкую объемную долю мезо- и макропор. То есть этот пример иллюстрирует, как монолитные теплообменные структуры могут быть преобразованы в модули, приемлемые для операций Т8Л с внешним нагревом. Сырьевые каналы 203 могут иметь диаметры (просветы канала) и толщину слоя абсорбента, которые ранее упоминались при рассмотрении фиг. 1.

Слой адсорбента 205 может быть нанесен в виде покрытия, или слоя, на стенки проточных каналов с помощью любого подходящего способа. Неограничивающими примерами таких способов являются методики нанесения текучей фазы, такие как нанесение покрытия из суспензии, нанесение покрытия скольжением, образование гидротермальной пленки, конверсия гидротермального покрытия и гидротермальный рост. Когда используют методики негидротермального нанесения покрытия, покрывающие растворы должны включать, по меньшей мере, микропористый адсорбент или полимерные частицы, регулирующий вязкость агент, такой как поливиниловый спирт, теплопередающие твердые вещества и необязательно связующее вещество. Теплопередающее твердое вещество может не быть необходимым, так как корпус монолита 201 может действовать как его собственное теплопередающее твердое вещество за счет накопления и высвобождения теплоты на различных стадиях технологического цикла разделения. В таком случае тепло диффундирует через слой адсорбента 205 и в корпус монолита. Если используют регулирующий вязкость агент, такой как поливиниловый спирт, то он обычно выгорает, когда покрытие прокаливают в печи для отжига. Может быть полезным использование связующего вещества, такого как коллоидальный диоксид кремния или оксид алюминия, чтобы повысить механическую прочность прокаленного покрытия. Мезопоры или макропоры, как правило, будут занимать приблизительно от 20 до 40% объема отвержденного покрытия. Чтобы уменьшить объем макропор и мезопор, в отдельном процессе нанесения покрытия может быть нанесен блокирующий агент. Когда способы образования гидротермальной пленки выбирают для нанесения слоя адсорбента, используемые методики нанесения покрытия могут быть очень похожи на способ, которым получают цеолитные мембраны. Пример способа выращивания цеолитного слоя представлен в патенте США № 7049259, который введен в описание в качестве ссылки. Цеолитные слои, выращенные за счет гидротермального синтеза на подложках, часто имеют трещины и межзеренные границы, которые по размерам представляют собой мезопоры и макропоры. Объем этих пор часто составляет менее чем приблизительно 10 об.% от толщины пленки и часто существует характерное расстояние, или просвет, между трещинами. Таким образом, сразу после выращивания пленки часто могут быть использованы непосредственно в качестве слоя адсорбента без необходимости использовать блокирующий агент.

Фиг. 5 и 6 представляют собой изображения структуры другого контактора с параллельными каналами настоящего изобретения, который нагревается снаружи во время стадии регенерации. В таком контакторе для процесса Т8А с внешним нагревом слой адсорбента 405 составляет часть стенки полого волокна 415. На фиг. 6 внешние поверхности корпуса для контактора 401 выполнены прозрачными только

- 9 015731 одними пунктирными линиями, показывающими края внешней поверхности. Полые волокна, используемые в этом примере, имеют диффузионный барьер на их наружной поверхности 440 или на внутренней поверхности 450. Если диффузионный барьер находится на внутренней поверхности 450, то нагревающая и охлаждающая текучая среда проходит через полую сердцевину 403 волокон 415, собранных так, чтобы получить контактор. Если диффузионный барьер находится на наружной поверхности 440, то топочный газ или технологический газ подают через полую сердцевину 403.

Много других способов может быть использовано для получения в волокне слоя адсорбента 405. Некоторые такие способы описаны в находящейся на одновременном рассмотрении предварительной патентной заявке США № 60/930827, направленной на рассмотрение 18 мая 2007 г., которая включена в качестве ссылки. Чтобы сделать волокно приемлемым для использования в процессе Т8А с внешним нагревом, диффузионный барьер наносят на внутреннюю поверхность 450 или внешнюю поверхность 440 волокна.

Неограничивающими примерами материалов, которые могут действовать в качестве диффузионных барьеров, являются осажденные методом напыления металлические и керамические пленки, напыленные в вакууме металлические и керамические пленки, металлические и керамические пленки, образованные путем химического осаждения паров, покрытые композиты полимеров и твердых веществ (например, глин) и покрытия из полимеров, которые имеют низкие коэффициенты диффузии. Чтобы покрытие действовало как диффузионный барьер, его коэффициент эффективной диффузии должен составлять менее чем приблизительно 1/10 среднего коэффициента диффузии в слое адсорбента и предпочтительно менее чем приблизительно 1/1000 среднего коэффициента диффузии в слое адсорбента. Когда диффузионный барьер используется, газ в сырьевом канале эффективно удерживается в сырьевом канале и слое адсорбента. Это может исключить необходимость в поддерживающей матрице вокруг волокон, снижая, таким образом, массу контактора, и в некоторых случаях обеспечивая уменьшение времени цикла в процессе (то есть короткоцикловую операцию).

Другой способ производства, приемлемый для изготовления волокон, подходящих для применения в контакторе с параллельными каналами с наружным нагревом, состоит в нанесении покрытия из адсорбента внутри предварительно изготовленного волокна, такого как полое стекловолокно, полое кварцевое волокно или полое полимерное волокно. Методы нанесения покрытия, описанные ранее, могут быть использованы, чтобы получить слой адсорбента внутри или на внешней поверхности предварительно изготовленного волокна. Когда предварительно изготовленное волокно сделано из стекла или диоксида кремния, конечный продукт представляет собой вставку в диффузионный барьер.

После получения подходящих волокон их собирают в пучок и концы пучка волокон заливают или заделывают в материал матрицы 417. Это фиксирует волокна, по существу, в параллельный массив. Один из способов сделать это состоит в процессе заделки или заливки, в которых концы волокон окружают материалом матрицы 417. Чтобы визуализировать залитый массив волокон, на фиг. 6 показан контактор с параллельными каналами волокон с материалом матрицы 417, выполненными прозрачными вместе с трубчатым корпусом 401.

Такой залитый массив затем герметично закрывают в трубчатом корпусе 401. На концах трубчатого корпуса 401 предусмотрены изолирующие поверхности 419. Изолирующая поверхность 421 также предусмотрена в середине корпуса. В стенке около концов трубчатого корпуса вырезаны прорези 423 и 425, чтобы обеспечить прохождение нагревающей и охлаждающей текучих сред и/или технологических газов и газообразных продуктов. Если диффузионный барьер находится на внутренней поверхности 450 топочный или технологический газ проходит через прорези 423 и 425. Если диффузионный барьер находится на внешней поверхности 440, то нагревающая и охлаждающая текучая среда проходит через прорези 423 и 425.

При работе трубчатый корпус устанавливают в модуле Т8А или К.СТ8А (короткоцикловая адсорбция за счет термического перепада) таким способом, при котором герметично закрываются концы каналов, а также середина монолита. Как обсуждалось ранее, любая подходящая методика изолирования может быть использована. В конкретном примере модуль выполнен так, чтобы нагревающая или охлаждающая текучая среда могла проходить внутри полого трубчатого корпуса 401 за счет введения ее через прорези 403 и выведения ее через прорези 425. Нагревающая и охлаждающая текучая среда будет подвергаться тепловому обмену с текучей средой, протекающей через полые волокна, которые открыты на конце модуля. С помощью таких схем расположения изоляции, трубчатый корпус 401, содержащий параллельный массив полых волокон, становится теплообменником, подходящим для использования в способах Т8А. В предпочтительном варианте осуществления волокна имеют слой адсорбента 405 с низкой объемной долей мезопор и макропор.

В случае контакторов структурированного адсорбента с внешним и внутренним нагревом общая скорость адсорбции характеризуется скоростью переноса массы от проточного канала в адсорбент. Желательно иметь скорость переноса массы удаляемых образцов (то есть СО2 и необязательно воды) достаточно высокой, чтобы в процессе была задействована большая часть объема адсорбента. Так как адсорбент селективно удаляет СО₂ и необязательно воду из газового потока, неэффективное использование слоя адсорбента может понизить извлечение СО2 и/или понизить чистоту потока извлеченного СО2. При

- 10 015731 использовании настоящего изобретения можно готовить структурированный адсорбент, эффективно используемый при адсорбции и десорбции тяжелого компонента. Один из способов достижения этого результата состоит в том, чтобы иметь адсорбент, по существу, однородной толщины, где толщина слоя адсорбента определяется коэффициентами массового переноса СО₂ и необязательно воды и временем стадий адсорбции и десорбции процесса. Однородность толщины может быть оценена по измерениям толщины адсорбента или по способу, которым он был изготовлен. Предпочтительно, чтобы однородность адсорбента была такой, что стандартное отклонение его толщины составляет менее чем приблизительно 50% от средней толщины. Более предпочтительно стандартное отклонение толщины адсорбента составляет менее чем приблизительно 25% от средней толщины. Даже более предпочтительно, чтобы стандартное отклонение толщины адсорбента составляло менее чем приблизительно 15% от средней толщины.

Расчет таких констант скорости переноса массы хорошо известен специалистам в данной области и, следовательно, в подробном обсуждении не нуждается.

Критерий качества переноса массы через слой адсорбента представляет собой временную константу, т_а, для переноса тяжелого компонента, рассчитанную в каждой точке в адсорбенте. Для плоского листа адсорбента с толщиной в х направлении, и у и ζ направлениях, находящихся в плоскости листа, временная константа, т_а, тяжелого компонента составляет т_а [ х, у, ζ ] =Минимум [ О_пути / Ъ_пути ² ] где О_пути представляет собой средний коэффициент диффузионного переноса тяжелого компонента вдоль пути от сырьевого канала до точки (χ,γ,ζ), а

Ь_пути представляет собой расстояние вдоль пути.

Существует много возможных траекторий или путей от сырьевого канала к каждой точке (χ,γ,ζ) в адсорбенте. Временная константа представляет собой минимум из возможных временных констант (О_пути/Ь_пути ²) вдоль всех возможных путей от сырьевого канала до точки (χ,γ,ζ) в адсорбенте. Это также включает пути через мезопоры и макропоры. Если в адсорбенте есть твердый материал (например, материал, который может быть включен в регулирование тепла), в нем не будет переноса и точки (χ,γ,ζ) в его границах в расчеты не включают. Коэффициент диффузионного переноса каждого образца, как принято, представляет собой однокомпонентный коэффициент диффузии Стефана-Максвелла для каждого из образцов. Средний коэффициент диффузионного переноса вдоль пути, В_пути, представляет собой линейно усредненный коэффициент диффузии вдоль пути. Линейное усреднение является достаточным, чтобы получить коэффициент диффузии, характеризующий путь. Когда тяжелый компонент содержит много образцов, коэффициент диффузии, О_пути, также усредняют композиционно. Коэффициент диффузии зависит от температуры и также может зависеть от давления. В пределах, в которых коэффициент диффузии меняется, он должен быть усреднен в случае изменений температуры и давления, имеющих место во время цикла. Чтобы адсорбент был эффективен, усредненную толщину слоя адсорбента предпочтительно выбирают так, чтобы временная константа, по меньшей мере, для половины точек (или объема) в адсорбенте, который не является плотным твердым веществом, была меньше, чем время цикла процесса. Более предпочтительно среднюю толщину слоя адсорбента выбирают так, чтобы временная константа по меньшей мере для 75% точек (или объема) в адсорбенте, который не является плотным твердым веществом, была меньше, чем время цикла процесса. Даже более предпочтительно среднюю толщину слоя адсорбента выбирают так, что временная константа по меньшей мере для 75% точек (или объема) в адсорбенте, который не является плотным твердым веществом, составляет менее чем приблизительно 25% от времени цикла процесса.

В случае контакторов или с внутренним нагревом или с внешним нагревом повышение температуры во время стадии адсорбции должно быть ограничено. Например, теплота адсорбции для СО₂ в катионных цеолитах находится в интервале приблизительно от 15 до 40 кДж на моль адсорбированного СО₂. При такой теплоте адсорбции адиабатическое повышение температуры для адсорбента, загруженного 1 млмоль СО₂ на грамм катионного цеолитного адсорбента, будет находиться в интервале приблизительно от 20 до 50°С. В случае контакторов с внутренним нагревом предпочтительно ограничивать повышение температуры во время стадии абсорбции менее чем приблизительно до 20°С за счет введения термальной массы. Чтобы сделать это, отношение термальной массы к массе адсорбента должно находиться в интервале приблизительно от 0,02 до 2, и предпочтительно в интервале приблизительно от 0,1 до 1. В случае контакторов с внешним нагревом повышение температуры во время стадии адсорбции предпочтительно ограничивать менее чем приблизительно до 20°С за счет прокачивания охлаждающей текучей среды через нагревающие/охлаждающие каналы или проходы в контакторе. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения охлаждающей текучей средой является вода. В этом случае тепловая энергия, принятая потоком воды, использованной для охлаждения контактора, может быть рассеяна с использованием градирни. В другом варианте осуществления охлаждающая текучая среда представляет собой текучую среду (газ или жидкость), которая проходит через холодильный цикл. В еще одном варианте осуществления контактор охлаждают с помощью выходящего потока топочного газа, из которого извлечены СО₂ и вода. Такой выходящий поток представляет собой газ, который прошел через контак

- 11 015731 тор, который удаляет СО₂ и необязательно воду. В этом случае выходящий поток пропускают через нагревающие/охлаждающие каналы контактора в направлении, которое находится в противотоке к направлению движения топочного газа, который подвергается переработке для удаления СО₂. В случае контакторов с внешним нагревом также можно использовать термальную массу, чтобы ограничить повышение температуры во время стадии адсорбции приблизительно менее чем до 20°С. Если с контакторами с внешним нагревом используется термальная масса, отношение термальной массы к массе адсорбента может находиться в интервале приблизительно от 0,02 до 2 и предпочтительно в интервале приблизительно от 0,1 до 1.

С контакторами, которые имеют хорошие характеристики переноса массы и имеют средства для ограничения повышения температуры, когда адсорбируют СО₂, острый концентрационный фронт адсорбированного СО₂ продвигается вдоль длины контактора во время стадии адсорбции цикла Τ8Ά. К началу стадии адсорбции топочный газ начинает проходить через контактор, и СО2 адсорбируется в материал адсорбента наиболее близко к входу контактора. Это уменьшает количество СО₂ в протекающем газовом потоке, который проходит вдоль длины контактора. Концентрация СО₂ падает резко в некоторой точке вдоль контактора приблизительно до уровня, оставшегося в конце стадии регенерации. Положение, при котором падает концентрация адсорбированного СО2, продвигается вдоль длины контактора в направлении выхода, по мере того как стадия адсорбции продолжается. Это движение называют волной адсорбированной концентрации, которая перемещается вдоль длины контактора. Острый концентрационный фронт, или градиент, в адсорбированной концентрации вдоль длины контактора предпочтителен, так как дает возможность сырью проходить через контактор в течение относительно длительного времени до того, как произойдет проскок потока сырья через адсорбат.

Если перенос массы не является адекватным, то градиент будет плоским. Такие условия приводят к тому, что адсорбат начинает покидать контактор задолго до того, как способность контактора адсорбировать будет хорошо использована. На практике высокий перенос массы достигается с помощью создания относительно небольших каналов для сырьевых текучих сред, проходящих через них. Это может быть выполнено с использованием контакторов с небольшими проточными проходами или каналами для газового потока.

Когда адсорбционный фронт, или волна, проскакивает у выхода контактора, стадию адсорбции останавливают и начинают регенерацию. Чтобы регенерировать контактор, адсорбент нагревают. В предпочтительном варианте осуществления часть тепла, используемого для регенерации адсорбента, поступает от промежуточного охлаждения компрессоров, используемых для сжатия захваченного СО₂ до давления больше чем приблизительно 1000 фунт/кв.дюйм (6894 кПа) для передачи по трубопроводу или на захоронение. Предпочтительно, чтобы тепло, полученное от промежуточного охлаждения, подводило энергию к контактору в количестве больше чем приблизительно 10 кДж/моль, предпочтительно больше чем приблизительно 15 кДж/моль, и более предпочтительно больше чем приблизительно 20 кДж/моль СО2, адсорбированного в контакторе. Во время процесса сжатия СО2-обогащенный поток нагревается. Когда температура превышает приблизительно 350°Е, стадию сжатия заканчивают и газ перед введением на последующую стадию сжатия охлаждают предпочтительно с использованием теплообменника. Чтобы сжать СО₂-обогащенную смесь до давления больше чем приблизительно 1000 фунт/кв.дюйм (6894 кПа), необходимо по меньшей мере три ступени сжатия. Тепло, полученное от промежуточного охлаждения компрессоров СО₂-обогащенного газа, принимается текучей средой, такой как масло или вода. Горячую текучую среду пропускают или прокачивают непосредственно через контактор, чтобы доставить тепло, или она может быть пропущена через теплообменник, чтобы нагреть вторичную текучую среду, которая поставляет тепло к контактору. Во всех случаях температура текучей среды, поставляющей тепло к контактору, имеет значение выше приблизительно 70°С, предпочтительно выше приблизительно 100°С и даже более предпочтительно выше приблизительно 120°С. В таком предпочтительном варианте тепло, поставляемое от промежуточного охлаждения компрессоров СО2, подводит более чем приблизительно 20% энергии, необходимой для регенерации адсорбента, и предпочтительно более чем приблизительно 40% энергии, необходимой для регенерации адсорбента. Другой источник тепла, который может быть использован для регенерации контактора, представляет собой тепло технологических отходов низкого и среднего качества, которые в промышленности часто выбрасывают.

Тепло для регенерации контактора подают путем пропускания горячей текучей среды (газа или жидкости) противотоком, прямотоком или поперечным потоком к направлению, в котором топочный газ проходит во время стадии адсорбции. В одном из вариантов осуществления отдельные сегменты контактора с поперечным потоком собраны в стопку или расставлены так, что средний поток текучей среды во время стадии регенерации проходит противотоком или прямотоком к среднему направлению движения топочного газа во время стадии адсорбции. Один из способов создания контактора с поперечным потоком состоит в нанесении адсорбента на один набор каналов теплообменника с поперечным потоком. Теплообменники с поперечным потоком являются удобными конструкциями для применения в настоящем изобретении, так как их компактная конструкция достигается за счет высоких коэффициентов теплопередачи. Однако когда перенос тепла и массы сконструирован так, чтобы получить температурный градиент в одном из наборов каналов и концентрационные градиенты в другом, один теплообменник с попе

- 12 015731 речным потоком будет нагревать (или охлаждать) некоторые траектории адсорбции раньше, чем другие. Это будет приводить к неровному режиму работы, за исключением случаев, при которых стадии нагревания и охлаждения проводят отдельно от стадии адсорбции и регенерации.

Фиг. 7 показывает вид в разрезе контактора с поперечным потоком, который имеет сегменты, расположенные стопкой так, что средний поток текучей среды во время регенерации находится в противотоке к направлению потока во время стадии адсорбции. Контактор с поперечным потоком выполнен из теплообменника с поперечным потоком, который имеет непроницаемые стенки, разделяющие два набора проточных каналов. Стенка 701 может состоять из материала, выбранного из группы, включающей металлы, керамику и полимеры с низкой проницаемостью для газов. Проточные каналы 702, 709 и 711 выстланы слоем 703, содержащим адсорбент. Фиг. 7 показывает проточные каналы, выстланные слоями одинакового адсорбента 703, но необязательно можно использовать слои разных адсорбентов, чтобы выстлать каждый из выстланных адсорбентом проточных каналов 702, 709 и 711. Технологические и произведенные газы проходят через выстланные адсорбентом каналы 702, 709 и 711. Слой 703 содержит по меньшей мере один адсорбент, селективный для одного или нескольких компонентов из числа СО₂, воды, 8О_Х или ΝΟ_Χ. Слой 703 также может содержать микропоры, мезопоры, материал наполнителя, такой как полимер, материал связующего вещества и теплоаккумулирующий материал.

Во время стадии адсорбции топочный газ пропускают через выстланные адсорбентом проточные каналы 702, 709 и 711 и последовательно подают (от 705 к 715 к 725) от выстланных адсорбентом каналов в одном противоточном сегменте к другому (то есть от 711 к 709 к 702). Во время стадии десорбции горячую текучую среду (газ или жидкость) пропускают через нагревающие/охлаждающие каналы 708, 710 и 712 в контакторе, которые выстланы материалом 701, использованном для получения теплообменника с поперечным потоком. Во время стадии десорбции текучая среда, протекающая в нагревающих/охлаждающих каналах 708, 710 и 712, проходит противотоком (735 к 745) к среднему направлению потока во время стадии адсорбции (705 к 715 к 725) .

В схеме расположения, показанной на фиг. 7, сегменты контактора с поперечным потоком собраны в стопку, причем как нагревающие/охлаждающие каналы, так и каналы адсорбции соединены последовательно. Даже если каждый отдельный модуль с поперечным потоком не действует по прямоточной или противоточной схеме, комбинация нескольких модулей в каскаде будет выполняться в прямоточной или противоточной схеме. Это аналогично соединению вместе ряда непрерывных реакторов с перемешиванием (С8ТК), чтобы смоделировать реактор с поршневым потоком. Одно из преимуществ такой схемы расположения состоит в том, что осевая проводимость всей многомодульной схемы расположения является очень низкой. Это облегчает использование металла в теплообменных частях без ухудшения температурных градиентов, которые проходят через модуль во время регенерации. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения контакторы с сегментированным поперечным потоком получают с разными адсорбентами, чтобы создать постепенный переход адсорбента во всем контактирующем блоке. Такое расположение может облегчить многокомпонентную адсорбцию, которая может быть важной или из-за разных компонентов, которые должны быть извлечены отдельно, или из-за того, что первый удаленный компонент будет вмешиваться в работу адсорбента, находящегося ниже по потоку (например, удаление Н₂О до адсорбента СО₂). В другом варианте осуществления настоящего изобретения модули расставлены так, что десорбированный материал может быть собран отдельно от одного или нескольких модулей по мере перемещения через них температурной волны. То есть адсорбирующая канальная система модулей может быть соединена последовательно для проведения адсорбции, но параллельно для проведения регенерации.

Так как путь изотермы меняется, когда адсорбент нагревается, СО2 высвобождается и адсорбент регенерируется. Предпочтительно охлаждать контактор, который был регенерирован, в конце стадии регенерации и передавать по возможности больше тепла от контактора, который завершил регенерацию, для нагревания другого контактора, чтобы он мог быть регенерирован. Это осуществляется за счет направления текучей среды (газа или жидкости), которая прошла через регенерированный контактор, в контактор, в котором начинается стадия регенерации. Чтобы охладить контактор, который был регенерирован, текучую среду вводят в контактор, который был регенерирован, при температуре, по меньшей мере, приблизительно на 25°С ниже, чем средняя температура контактора и предпочтительно по меньшей мере приблизительно на 50°С ниже, чем средняя температура контактора в конце стадии регенерации. Такая текучая среда нагревается, пока она проходит через контактор, и такую горячую текучую среду затем подают, чтобы нагреть другой контактор. В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере приблизительно 20% теплосодержания, освобожденного при охлаждении контактора для перехода от конца стадии регенерации к началу стадии адсорбции, передается в процессе к другому контактору адсорбента; и в более предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере приблизительно 50% теплосодержания передается другому контактору адсорбента.

Во время стадии регенерации предпочтительно нагревать контактор прямотоком или противотоком к направлению топочного газа, проходившего во время стадии адсорбции. Нагревание проводят за счет пропускания горячей текучей среды через контактор. В случае контактора прямого нагрева текучая среда проходит через те же проточные каналы, которые были использованы в процессе адсорбции. Такая на

- 13 015731 гревающая текучая среда может быть или газом, или жидкостью. Предпочтительными жидкостями являются вода и пар, которые могут быть отделены от высвобожденного СО₂ путем конденсации. Предпочтительным газом является рециркулированный СО₂-обогащенный газ, который нагревают за счет пропускания через теплообменник или другой горячий контактор перед введением в регенерируемый контактор. Теплообменник, используемый для нагревания рециркулированного СО₂, может представлять собой теплообменник непрямого нагрева, такой как кожухотрубный теплообменник, или теплообменник прямого нагрева, такой как циклический насадочный теплообменник. В случае контактора непрямого нагрева текучая среда проходит через проточные каналы, отличные от каналов, используемых на стадии адсорбции процесса. Такие нагревающие/охлаждающие каналы в контакторах непрямого нагрева изолированы от каналов, используемых для подачи топочного газа к адсорбенту. В случае контакторов непрямого нагрева текучая среда, проходящая через нагревающие/охлаждающие каналы, может представлять собой или газ, такой как аммиак, фторуглерод или рециркулированный или подогретый СО₂обогащенный газ, или жидкость, такую как вода или масло. Во всех случаях желательно, чтобы температура текучей среды, используемой для нагревания контактора, была по меньшей мере приблизительно на 25°С выше, чем средняя температура контактора адсорбента во время стадии адсорбции; и предпочтительно температура, по меньшей мере, приблизительно на 50°С выше, чем средняя температура контактора во время стадии адсорбции.

В предпочтительном варианте тепловую волну используют, чтобы пропустить тепло через контактор при его переходах от адсорбции к стадии регенерации, или при переходе от регенерации к стадии адсорбции, или по меньшей мере на части стадии регенерации, или по меньшей мере на части стадии адсорбции. Тепловая волна представляет собой острый температурный градиент, который перемещается линейно (то есть приблизительно в одном направлении в пределах контактора) во время одной стадии цикла (адсорбция тепловой волной)/десорбция. Более подробное обсуждение тепловых волн, используемых в процессах Т8А, можно найти в находящейся на одновременном рассмотрении непредварительной патентной заявки США, направленной на рассмотрение, имеющей номер реестра 2008ЕМ136, которая включена в описание в качестве ссылки. Скорость, при которой двигается тепловой фронт (то есть область с острым температурным градиентом) называют скоростью тепловой волны. Скорость волны не должна быть постоянной, и направление волны меняется и не должно быть одинаковым на стадиях адсорбции и регенерации. Например, тепловая волна на стадии адсорбции может двигаться прямотоком, противотоком или поперечным потоком к тепловой волне на стадии регенерации. Также в рамках настоящего изобретения находится то, что сильная тепловая волна не присутствует на стадии адсорбции, тогда как на стадии регенерации имеет место сильная тепловая волна. Присутствие тепловой волны по меньшей мере в части цикла (адсорбция за счет термического перепада)/регенерация дает возможность системе достигать одного из объектов настоящего изобретения, который состоит в значительной рекуперации и выделении тепла, требуемого для температурного переключения слоя. Это, в свою очередь, улучшает эффективность процесса. Также это дает возможность использовать очень высокие температуры десорбции, которые обычно не могли рассматриваться в случае операций Т8А.

Чтобы эффективно использовать тепловую волну для выделения тепла, текучую среду, выходящую из одного контактора, необходимо направить к другому. Путь потока текучей среды между разными контакторами определяется вентилями, которые рассчитаны по времени так, чтобы направлять текучую среду между контакторами в соответствующих точках в полном цикле адсорбции за счет перепада. Когда текучая среда проходит между контакторами, она также может проходить через теплообменник, который подводит или отводит тепло от протекающей текучей среды. Текучая среда также может проходить через устройство, такое как компрессор, нанос или воздуходувка, которые повышают ее давление так, чтобы она могла проходить через контактор при желаемой скорости. Аккумулирующая тепло среда может быть выполнена так, что энергия от тепловой волны, продвигающейся через один контактор, накапливается перед тем, как ее подают ко второму контактору. Примером аккумулирующей среды является теплообменник со слоем насадки, который работает циклически. В теплообменнике со слоем насадки энергия накапливается за счет теплоемкости слоя. Тепловая волна продвигается через слой, пока энергия накапливается, а также когда его охлаждают. Время, в течение которого тепловая волна проходит через этот теплообменник, дает возможность регулировать распределение по времени технологического пути тепловой энергии между разными контакторами. С другой стороны, энергию можно накапливать в теплообменнике со структурированным поглощающим тепло материалом, таким как монолит.

Несколько других объединений термического процесса может быть использовано, чтобы применить поведение тепловой волны. В одном из вариантов осуществления тепловую волну используют, чтобы подать энергию от контактора, который был регенерирован, ко второму контактору, который закончил стадию адсорбции и нагревается для регенерации. В этом варианте осуществления отдельные средства охлаждения предусмотрены для контакторов, находящихся на стадии адсорбции. В этом варианте осуществления контактор, который был регенерирован, готовится для последующей стадии адсорбции, и контактор, который закончил стадию адсорбции, запускают для регенерации. Фиг. 8 иллюстрирует этот вариант осуществления (то есть применение тепловой волны для подачи тепла от контактора с внутренним нагревом, который был регенерирован, ко второму контактору, который закончил стадию адсорбции

- 14 015731 и который нагревают для регенерации).

Контакторы, показанные на фиг. 8, представляют собой монолитные контакторы с внешним нагревом, типа представленных на фиг. 4. Температура контакторов на фиг. 8 обозначена на контакторе с помощью полупрозрачного серого цвета. Фиг. 8а показывает горячий контактор 801 в конце стадии регенерации и более холодный контактор 803, который закончил стадию адсорбции. Более темный серый цвет, которым заштрихован контактор 801, указывает на более высокую температуру (например, свыше 95°С) , а более легкое серое окрашивание на контакторе 803, указывает на более холодную температуру (например, менее чем приблизительно 40°С). Фиг. 8Ь показывает начальную ступень охлаждения контактора 801 и нагревания контактора 803. Чтобы охладить контактор 801, холодную текучую среду 833 пропускают через нагревающие/охлаждающие каналы контактора. По мере продвижения теплового фронта через контактор температура конца около входа 805 достигает температуры охлаждающей текучей среды 833, тогда как температура дальнего конца контактора 809 остается близкой к начальной температуре после регенерации. Острый фронт 807 с большим температурным градиентом отделяет горячую и более холодную секции контактора. Горячая текучая жидкость, вытесненная из контактора, собирается с образованием потока 811, который проходит к холодному второму контактору 803. Поток проходит через избирательный по потоку клапан и/или запорный клапан, 813, который может быть использован, чтобы остановить движение или изменить технологический путь текучих сред между разными контакторами. Необязательно, поток 811 пропускают через теплообменник 815, чтобы подвести тепло к потоку 819, который подает тепло к контактору 803. Необязательный поток 817 пропускают через теплообменник, чтобы запасти тепло, переданное теплообменником 815. В одном из вариантов осуществления поток 817 поступает от промежуточных охладителей каскада компрессоров (не показан), используемого для сжатия СО2 до давления больше чем 1000 фунт/кв.дюйм (6894 кПа). Горячий поток 821 с температурой, близкой или выше температуры контактора после регенерации, подают в холодный контактор. Этот поток 821 переносит тепловой фронт через контактор, а температура около входа 823 почти равна температуре горячей текучей среды 821, тогда как температура дальнего конца контактора 829 остается близкой к начальной температуре после регенерации. Другой острый фронт 825 с большим температурным градиентом разделяет горячую и более холодную секции контактора. Холодная текучая среда выталкивается из контактора и собирается с образованием потока 831. Такая текучая среда может быть использована, чтобы ограничить повышение температуры в контакторе, который адсорбирует СО2 из топочного газа или может быть использована для охлаждения другого контактора. В одном из вариантов осуществления холодную текучую среду в потоке 831 подают назад с образованием потока 833. Необязательно поток 831 охлаждают посредством теплообмена, перед тем как направить назад с образованием потока 833. Как показано на фиг. 8, изменения в горячей и холодной секциях контакторов 801 и 803 не находятся в одинаковом соотношении. Это происходит частично вследствие того факта, что, так как молекулы десорбируются, некоторое количество тепла, передаваемого к контактору 803, забирается за счет теплоты десорбции. Если теплообменник 815 используется для подачи тепла, можно получить тепловые волны в двух контакторах (801 и 803), перемещающиеся при одинаковой скорости.

Фиг. 8с показывает продвижение тепловых волн через контакторы (801 и 803) при продолжении процесса. Холодная текучая среда 873 продолжает проходить через нагревающие/охлаждающие каналы контактора 801. Тепловой фронт прошел через контактор дальше. Температура первых двух третей контактора 845 почти равна температуре охлаждающей текучей среды 873, а температура дальнего конца контактора 849 остается близкой к начальной температуре после регенерации. Острый фронт 847 с большим температурным градиентом все еще разделяет более горячую и более холодную секции контактора. Горячая текучая жидкость, вытесненная из контактора, собирается с образованием потока 851, который входит во второй контактор 803. Горячий поток 861 при температуре близкой или выше температуры контактора после регенерации поступает во второй контактор и продолжает продвигать тепловой фронт через второй контактор. Температура в первой половине 863 второго контактора почти равна температуре горячей текучей среды 861, тогда как температура дальнего конца контактора 869 остается близкой к начальной температуре после адсорбции. И, снова, острый фронт 865 с большим температурным градиентом разделяет более горячую и более холодную секции контактора. Этот фронт продвинулся приблизительно только на одну половину пути по контактору, тогда как фронт в другом контакторе продвинулся приблизительно на две трети пути вдоль контактора. Эта разница в скоростях двух тепловых фронтов частично обусловлена теплотой десорбции. Холодная текучая среда, вытесненная из контактора, собирается с образованием потока 871, который остается для использования в других контакторах.

Другие варианты интеграции термического процесса, которые могут быть использованы при реализации настоящего изобретения, включают перемещение туда и обратно тепла между одним или несколькими контакторами, находящимися на стадии адсорбции, и одним или несколькими контакторами, находящимися на стадии регенерации.

В одном из вариантов осуществления система Т8Л может работать с двумя контакторами, один из которых подвергается регенерации и нагреванию, тогда как другой подвергается адсорбции и охлаждению. Этот вариант осуществления показан схематично на фиг. 9, и в любое конкретное время одинаковый поток теплопередающей среды будет проходить между контакторами для нагревания и охлаждения.

- 15 015731

В примере, показанном на фиг. 9, контактор 1903 нагревают, тогда как другой контактор 1901 охлаждают. Из-за температурного градиента, который создан за счет прохождения теплопередающей среды через контактор, нагревание (и охлаждение) осуществляют с помощью больших количеств тепла (или холода), поглощенных внутри контактора. Во время нагревания горячую текучую среду 1905 вводят в первый контактор 1903, и текучая среда выходит из нагревающих/охлаждающих каналов 1907 в холодном состоянии 1906 до того момента, когда происходит проскок температуры, а контактор по большей части нагрет. Одновременно охлажденную теплопередающую среду 1909 вводят в нагревающие/охлаждающие проходы 1911 второго контактора 1901. Перемещение вправо-влево протекающей охлаждающей среды 1909 создает тепловую волну так, что блок контактора 1901 охлаждается, тогда как теплопередающая среда снова нагревается. Снова нагретую теплопередающую среду 1913 затем рециркулируют назад, чтобы нагреть блок первого контактора 1903. На практике из-за потерь тепла (например, из-за десорбированного материала, покидающего систему горячим) некоторое количество тепла должно быть подведено, чтобы повысить температуру горячей теплопередающей среды до ее начальной температуры в потоке 1905. На фиг. 9 такое дополнительное требуемое тепло подводят к потоку 1913 за счет пропускания через теплообменник 1917.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения тепло отводят от теплопередающей среды, чтобы удержать ее при предопределенной температуре, несмотря на температурный проскок из блока контактора. Как правило, охлажденная теплопередающая текучая среда (выходящая со стадии охлаждения) будет находиться при температуре, которая приближается к температуре разделяемого сырья. Охлаждение с помощью теплообменника 1915 также может быть предусмотрено, чтобы понизить температуру охлаждающей текучей среды до температуры, ниже, чем температура прибывающего потока топочного газа 1919, таким образом, предварительно охлаждая адсорбент до температуры, ниже температуры прибывающего на разделение сырья. Поток топочного газа 1919 пропускают в каналы, выстланные адсорбентом, 1923, у холодного конца контактора 1901. Расход топочного газа таков, что СО₂ и необязательно вода, 8О_Х и ΝΟ_Χ адсорбируются до достижения теплового фронта. Перемещение теплового фронта (или волны) через контактор 1901 на фиг. 9 нанесено схематично 1921.

Во время адсорбции наиболее сильно адсорбирующиеся компоненты будут присоединяться к контактору адсорбента наиболее сильно и будут наименее подвижны. Такие компоненты будут занимать области адсорбента, наиболее близкие к входу, и будут вытеснять слабо адсорбированные материалы из этой области. За период адсорбции адсорбаты будут сами располагаться в порядке от наиболее сильного до наиболее слабого вдоль контактора адсорбента от входа до выхода адсорбирующих каналов контактора. Для большинства материалов адсорбента вода является наиболее сильно адсорбированным компонентом смеси топочного газа. Во всех случаях острый концентрационный фронт продвигается через контактор, и положение этого фронта всегда остается позади теплового фронта. То есть СО2 всегда адсорбирован в холодной секции контактора 1901. Поток 1925 выходит из выстланных адсорбентом каналов 1923, причем большая часть СО₂ удалена и также необязательно удалена большая часть воды, 8О_Х и ΝΟ_Χ. В предпочтительном варианте осуществления композиция потока 1925 такова, что более чем приблизительно 80% и предпочтительно более чем приблизительно 95% СО₂, присутствующего в смеси топочного газа 1919, входящей в адсорбирующий канал 1923, удалено. На фиг. 9 ориентация контактора 1903 во время предыдущей стадии адсорбции такова, что наиболее слабо адсорбированные образцы находятся наиболее близко к концу, где вводят горячую текучую среду 1905. Движение теплового фронта (или волны) через контактор 1931 нанесено схематично на фиг. 9. Видно, что тепловые волны (1931 и 1921) двигаются через контакторы в противоположных направлениях. В зависимости от детальной природы сорбента и сорбируемых молекул может быть предпочтительным монтировать трубопровод между контакторами так, чтобы тепловые волны проходили через контакторы прямотоком.

Когда тепловые волны 1931 и 1921 перемещаются через контактор противотоком, область контактора, содержащая наиболее слабо удерживаемые адсорбаты, будет нагреваться первой, потом идут следующие наиболее слабо удерживаемые, и следующие до тех пор, пока в конце не нагреют наиболее сильно адсорбированные материалы. Порядок, в котором такие адсорбаты высвобождаются в выстланный адсорбентом проточный канал 1933, соответствует порядку, в котором они нагреваются. Если трубопровод смонтирован так, что тепловые волны перемещаются через контактор прямотоком, область контактора, содержащая наиболее сильно удерживаемые адсорбаты, будет нагреваться первой, затем идет следующий наиболее сильно удерживаемый, и следующий, до тех пор, пока в конце не нагреют наиболее слабо адсорбированные материалы. В зависимости от свойств адсорбента может быть предпочтительным соединять контакторы трубопроводом так, чтобы тепловые волны двигались прямотоком. В любом случае отдельные потоки адсорбентов могут быть собраны в разные линии или сосуды, чтобы получить многокомпонентное адсорбционное (известное также как хроматографическое) разделение.

Адсорбаты могут вытекать из регенерируемого контактора прямотоком или противотоком к тепловой волне, проходящей через контактор. В данном примере десорбированные образцы выходят в потоке 1935 из выстланных адсорбентом каналов 1933 контактора 1903 противотоком к направлению тепловой волны. Также можно получить непрерывное многокомпонентное адсорбционное (известное также как хроматографическое) разделение за счет десорбции прямотоком. В таком альтернативном варианте осу

- 16 015731 ществления поток десорбции имеет противоположное направление к направлению, которое показано на фиг. 9, так что более слабо адсорбирующиеся компоненты должны протекать обратно относительно более сильно адсорбирующихся компонентов на пути из слоя. Такой прием может обеспечить более чистые условия выхода слоя со стадии адсорбции, что приводит к более высокочистому выходящему потоку во время стадии адсорбции. Также при некоторых условиях это может привести к более высокой степени разделения адсорбатов в выходящем потоке адсорбатов. В необязательной схеме десорбции используют очищающую текучую среду 1939, чтобы содействовать процессу десорбции. Когда десорбцию проводят прямотоком с тепловой волной, предпочтительный вариант осуществления такой необязательной схемы вводит очистку, или продувку, со скоростью, которая близко соответствует скорости тепловой волны, продвигающейся вдоль слоя.

При реализации настоящего изобретения может быть желательным работать со множеством контакторных блоков таким образом, что несколько блоков соединены, в операции нагревания и охлаждения, тогда как другие блоки вовлечены в адсорбцию (и/или десорбцию). При такой работе контактор может быть, по существу, охлажден с помощью циркулирующей теплопередающей среды до того, как его переключат на обслуживание адсорбции. Преимущество такой работы состоит в том, что тепло, используемое для перепада слоя, удерживается в теплообменной среде. Если бы адсорбция должна была проходить одновременно с охлаждением, то значительная часть тепла в слое могла бы быть потеряна в не содержащее адсорбат сырье, и была бы необходима более высокая тепловая нагрузка, чтобы восстановить высокую температуру теплопроводящей среды.

Кроме того, во многих случаях (особенно при удалении примесей) время, требуемое для регенерации адсорбента, может быть короче, чем время, требуемое для того, чтобы адсорбционная емкость контакторов была использована полностью. В таких случаях может быть желательным иметь несколько контакторов в адсорбирующей фазе, при этом два спаренных контактора находятся в фазе нагревания/регенерации и в фазе повторного охлаждения. В предпочтительном варианте осуществления несколько контакторов, задействованных при адсорбции, соединяют по последовательной схеме так, что регенерированный самым последним контакторный блок является последним слоем в технологической линии, а первый блок на линии будет следующим в очереди на регенерацию. В другом предпочтительном варианте осуществления адсорбирующие блоки соединяют параллельно так, что каждый адсорбер перерабатывает часть от всего потока. В еще одном варианте осуществления используются устройства аккумулирования тепловой волны, чтобы накопить тепло и обеспечить соответствующее распределение циклов по времени.

Когда контакторы используют по такой схеме, допустимо, чтобы каждый контакторный блок был ориентирован прямотоком, противотоком, с поперечным потоком или в любой другой приемлемой конфигурации потока. Однако в предпочтительном варианте осуществления контакторы используют с ориентацией прямотоком и/или противотоком.

Настоящее изобретение может быть лучше понято со ссылкой на следующие примеры, которые представлены с целью иллюстрации и не рассматриваются как ограничивающие изобретение.

Пример 1.

Данный пример иллюстрирует применение параллельного контактора при разделении, при котором удаляют СО2 из топочного газа в процессе адсорбции за счет термического перепада. Топочный газ или дымовой газ выделяется в большом числе промышленных процессов. Давление топочного газа, как правило, немного выше атмосферного давления и обычно составляет менее двух атмосфер.

Способ адсорбции тепловой волной, который описан выше, предпочтительно используют для удаления СО2 из горячего дымового газа. В способе адсорбции тепловой волной используют контактор с параллельными каналами для удаления приблизительно более чем 70 мол.% СО₂ из дымового газа, предпочтительно приблизительно более чем 80 мол.% СО₂ из дымового газа, даже более предпочтительно приблизительно более чем 90 мол.% СО₂ из дымового газа и наиболее предпочтительно приблизительно более чем 95 мол.% СО₂ из дымового газа. В данном способе получают по меньшей мере один СО₂обогащенный поток с такой чистотой, что он содержит приблизительно более чем 70 мол.% СО₂, предпочтительно приблизительно более чем 80 мол.% СО₂, даже более предпочтительно приблизительно более чем 90 мол.% СО₂ и наиболее предпочтительно приблизительно более чем 95 мол.% СО₂.

Данный пример иллюстрирует процесс адсорбции тепловой волной с последовательными стадиями адсорбции, десорбции и охлаждения при работе с тремя блоками параллельных контакторов. Специалист в данной области техники может сконструировать несколько других возможных вариантов процесса с тепловой волной для удаления СО₂ из топочного газа с использованием данного примера. Большое число таких вариантов осуществления включает использование для разработки способа другого числа контакторов.

При работе с тремя блоками данного примера один контактор подвергается стадии адсорбции, пока другой контактор подвергается стадии десорбции, а еще один контактор охлаждается. Схема трехблочного процесса представлена на фиг. 10. Фиг. 10(а) показывает потоки, проходящие в контактор и из контактора 941(а) во время стадии адсорбции. Фиг. 10(Ь) показывает потоки, проходящие в контактор и из контактора 941(Ь) во время стадии десорбции/регенерации. Фиг. 10(с) показывает потоки, проходящие в

- 17 015731 контактор и из контактора 941(с) во время стадии охлаждения контактора. Контакторы 941(а), 941(Ь) и 941(с) являются, по существу, одинаковыми. Характеристики контакторов аналогичны характеристикам контактора, рассмотренного в случае фиг. 8, причем каждый контактор имеет массив нагревающих/охлаждающих каналов 94 3 и каналов адсорбента 945.

В данном примере адсорбент содержит микропористый материал. Микропористый материал выбирают так, чтобы при температуре стадии адсорбции в процессе он адсорбировал приблизительно более чем 0,25 млмоль СО2 на см³ адсорбента из смеси атмосферного газа, содержащего приблизительно 90 мол.% Ν2 и приблизительно 10 мол.% СО2. В предпочтительном варианте осуществления адсорбент, по меньшей мере, содержит микропористый материал так, что при температуре стадии адсорбции процесса он будет адсорбировать приблизительно более чем 0,75 млмоль СО2 на см³ адсорбента из смеси атмосферного газа, содержащего 90 мол.% Ν2 и 10 мол.% СО₂. В более предпочтительном варианте осуществления адсорбент, по меньшей мере, содержит микропористый материал так, что при температуре стадии адсорбции процесса он будет адсорбировать приблизительно более чем 1,5 млмоль СО2 на см³ адсорбента из смеси атмосферного газа, содержащего 90% мол. Ν₂ и 10 мол.% СО₂. В зависимости от исполнения стадия адсорбции может быть проведена в температурном интервале приблизительно от 2 до 60°С, предпочтительно в температурном интервале приблизительно от 5 до 45°С и более предпочтительно в интервале приблизительно от 5 до 35°С.

Регенерацию адсорбента проводят с помощью тепла, содержащегося в дымовом газе, и фиг. 10(Ь) показывает движение потока в контактор и из контактора 943(Ь), который подвергается регенерации, 941(Ь). Дымовой газ 911 входит в нагревающий/охлаждающий канал (в отличие от канала адсорбента) при температуре, при которой он произведен, которая предпочтительно находится в интервале приблизительно от 150 до 250°С. Когда процесс регенерации начинается, температура контактора 941(Ь) находится в интервале приблизительно от 2 до 35°С. Перед тем как дымовой газ 911 входит в контактор 941(Ь), поток 911 необязательно может быть подан через технологический блок 913, который удаляет материалы в виде частиц. Несколько различных способов удаления материалов в виде частиц может быть использовано, в том числе фильтрование с помощью керамических фильтров в форме свечи, монолитных неорганических (металлических или керамических) фильтров, трубчатых металлических фильтров, полимерных или рукавных фильтров. С другой стороны, для удаления материалов в виде частиц может быть использован электростатический осадитель. Поток 915, который находится почти при температуре дымового газа 911, выходит из необязательного технологического блока 913 и входит в нагревающие/охлаждающие каналы 943(Ь) контактора с параллельными каналами 941(Ь). В начале стадии десорбции материал микропористого адсорбента в контакторе содержит адсорбированный СО2. Конкретный пример загрузки в наиболее предпочтительном интервале будет представлять собой усредненную по объему загрузку СО₂ 1,7 млмоль на см³ материала микропористого адсорбента. Как только поток 915 начинает протекать в контактор 941(Ь), газ начинает вытекать из адсорбирующих/охлаждающих каналов 943(Ь), образуя поток 981. Когда процесс начинается, поток 981 находится при начальной температуре контактора. По мере того, как тепловая волна продвигается через контактор, температура потока 981 незначительно повышается. Температура потока 981 повышается резко, когда тепловая волна двигается к концу контактора. Предпочтительно не останавливать стадию десорбции, прежде чем тепловая волна не пройдет через контактор. Если тепловая волна проскакивает через контактор до того, как завершат стадию адсорбции (фиг. 10(а)), то может быть использован дополнительный термальный слой 983(Ь), чтобы поглощать тепло до тех пор, пока не настанет время остановить стадии адсорбции, десорбции/регенерации и охлаждения контактора. Термальный слой 983 (Ь) может представлять собой уплотненный слой твердых частиц, через которые также проходит тепловая волна. Если термальная масса представляет собой уплотненный слой твердых частиц, то ее температура при запуске процесса регенерации находится близко к температуре слоя адсорбента.

Предпочтительно, чтобы стадии регенерации и охлаждения были закончены, чтобы тепловой фронт проскочил через контактор до стадии адсорбции. Чтобы гарантировать, что тепловой фронт проскочил через контактор, суммарная масса слоя адсорбента и защитной стенки между каналом адсорбции и нагревающим/охлаждающим каналом должна составлять менее чем приблизительно 10 частей от массы материалов адсорбента, предпочтительно менее чем приблизительно 5 частей от массы материалов адсорбента, даже более предпочтительно менее чем приблизительно 2 части от массы материалов адсорбента и наиболее предпочтительно менее чем приблизительно 1,5 части от массы материалов адсорбента.

По мере того, как тепловая волна перемещается через контактор 941(Ь), который подвергается регенерации, из газового потока конденсируется вода. Конденсация происходит вследствие того, что температура газа падает, пока он проходит вдоль контактора. Концентрация паров воды в потоке газа 981, выходящего из нагревающих/охлаждающих каналов 943(Ь), находится близко к концентрации насыщенного газа при температуре потока 981, которая может быть более чем приблизительно на 100°С ниже, чем температура потока 911, входящего в регенератор. Так как жидкая вода выпадает из потока 915, проходящего через контактор 941(Ь), который подвергается регенерации, может быть полезным располагать контактор так, чтобы газ протекал нисходящим потоком, и жидкость текла под действием силы тяжести прямотоком с газом к нижней части контактора. Может быть предусмотрен необязательный способ, что

- 18 015731 бы удалять сконденсированную воду из контактора с образованием потока воды 967. Необязательно может быть предусмотрен водный сепаратор 991 для удаления любого потока тумана жидкой воды, выходящего из контактора.

Предпочтительно, чтобы не было значительного количества жидкофазной воды, протекающей вместе с потоком охлажденного частично дегиратированного топочного газа 961.

В данном примере газ, проходящий через нагревающие/охлаждающие каналы контактора 943(Ь), перемещается в том же направлении, что и газ, проходящий через каналы адсорбции 945(Ь) во время стадии адсорбции (то есть прямотоком). Элементы 920 и 925, которые показаны на фиг. 10, представляют собой впускной конец и выпускной конец каналов адсорбции, соответственно. В этом примере микропористый адсорбент выбран так, чтобы вода представляла собой сильно адсорбированные образцы, СО₂ адсорбировался в некоторой степени менее сильно, и Ν₂ и О₂ адсорбировались слабо. Примерами микропористых материалов, которые имеют такой порядок адсорбции, являются цеолиты, такие как 4А, 5А, 13Х, ΝαΧ и ΝαΥ. Следовые материалы, такие как §О_Х и ΝΟ_Χ, могут быть адсорбированы очень сильно. Приведенное ниже описание работы регенератора будет применимо к контакторам, которые сконструированы и работают, чтобы удалять большую часть СО₂ из топочного газа, и описание будет сфокусировано на основных компонентах топочного газа. Описанный способ будет улавливать большую часть §О_Х и ΝΟ_Χ из газового потока. Следует отметить, что можно использовать принципы, описанные в этом примере, для удаления из газовых потоков §О_Х и ΝΟ_Χ в процессах, которые улавливают меньшее количество СО2.

В процессе десорбции прямоточной тепловой волной, по меньшей мере, сильно адсорбированные образцы Ν₂ и О₂ вытекают из контактора в начальной фазе процесса десорбции, образуя поток 997. Может быть полезным делить поток 997, выходящий из контактора, на потоки, выходящие в более раннее время относительно более позднего времени, так как потоки, выходящие в разное время будут иметь разные концентрации СО2 и воды, и, следовательно, предпочтительно могут быть переработаны поразному. В необязательном варианте осуществления технологический вентиль 931 открывают при запуске стадии регенерации, давая возможность протекать потоку 997 и образовывать поток 971. Поток 971, выделенный при регенерации раньше, имеет очень низкую концентрацию СО₂. В способе, показанном на фиг. 10, этот поток объединяют с потоком 963, который, в конечном счете, стравливают через вытяжную трубу. Со временем концентрация СО2 в потоке 971 начинает расти, и вентиль 941 закрывают, чтобы остановить движение в потоке 971. В таком необязательном варианте осуществления вентиль 933 одновременно открывают, чтобы начать движение в потоке 973. Время, при котором эти вентили приводят в действие, устанавливает чистоту СО₂ в потоке 973. С другой стороны, вентиль 933 открывают при запуске процесса регенерации, давая возможность потоку 997 двигаться и образовывать поток 973. Поток 973 содержит основную часть СО2, который изначально находился в дымовом газе. Концентрация СО2 в потоке 973 является достаточно высокой, чтобы его можно было направить на процесс утилизации при незначительной или без дополнительной переработки. В данном примере поток получают при атмосферном или немного более высоком давлении, чем атмосферное давление. Можно сконструировать процессы, производящие поток 973 при давлении в интервале от вакуума до нескольких (приблизительно 3-х) атмосфер. Менее желательно производить поток 973 при субатмосферном давлении, так как это увеличивает затраты на сжатие в процессах захоронения СО₂.

Поток 973 может быть направлен на различные способы захоронения СО₂. Неограничивающими примерами являются подача СО2 в подземные пласты, такие как водоносные слои с верхним изолирующим слоем, который предупреждает значительные потери введенных компонентов кислого газа, в нефтяные продуктивные пласты, газовые продуктивные пласты, обедненные нефтью продуктивные пласты, обедненные газом продуктивные пласты и неразрабатываемые угольные пласты. Глубокое открытое хранение также является потенциальной утилизацией в случае СО2, хотя требования по чистоте, как можно предполагать, являются более строгими. Как правило, для введения в такие типы подземных пластов СО2 должен быть сжат до давления больше чем 2000 фунт/кв.дюйм (13740 кПа) и часто до давления больше чем 5000 фунт/кв.дюйм (34470 кПа). Некоторые свойства потока 973 делают его приемлемым для сжатия в процессе утилизации. Такие свойства включают тот факт, что его температура значительно ниже температуры дымового газа и он является высококонцентрированным по СО₂. В некоторых случаях перед захоронением потока 973 необходима дополнительная переработка. Неограничивающим примером стадии дополнительной переработки может быть более жесткая дегидратация потока, чтобы уменьшить потенциальную коррозию в трубах и компрессорах, используемых в процессах захоронения. По направлению к окончанию процесса регенерации концентрация Н₂О в потоке 973 повышается. Чтобы минимизировать проблемы потенциальной коррозии оборудования, используемого для захоронения СО2, может быть полезным отделять поток, проходящий в направлении окончания процесса, и обрабатывать этот поток отдельно. В необязательном варианте осуществления, когда концентрация Н₂О в потоке 973 повышается свыше желаемого порога, вентиль 933 закрывают, а открывают вентиль 935. Это останавливает движение потока 973 и запускает движение потока 975, который имеет более высокую концентрацию воды. Поток 975 затем может быть дегидратирован отдельно и снова объединен с потоком 971.

- 19 015731

Поток холодного частично дегидратированного топочного газа 961, выходящий из контактора, который подвергается регенерации, 941(Ь), направляют в контактор 941(а), который находится в стадии адсорбции. Поток 961 подают через каналы адсорбции 945(а) контактора, где микропористый адсорбент преимущественно удаляет СО₂ и Н₂О. Контактор 941(а) необязательно может быть выполнен с несколькими разными микропористыми адсорбентами вдоль длины каналов 945(а). В одном из вариантов осуществления, где различные микропористые адсорбенты размещены вдоль длины каналов 945(а), адсорбент, который является наиболее селективным для Н2О, размещают в начале каналов. При таком способе парциальное давление паров воды в потоке может быть уменьшено, что позволяет адсорбентам по направлению к концу канала работать более эффективно при удалении СО₂. Цеолиты с большими концентрациями катионов, такие как 4А, 5А, ΝαΧ, являются примерами микропористых адсорбентов, которые работают более эффективно, когда они сухие. Причина для этого состоит в том, что изотерма адсорбции СО₂ цеолитов с большими концентрациями катионов имеет тенденцию расти, когда цеолит является сухим (то есть СО₂ изотерма сухого катионного цеолита обычно лежит выше изотермы влажного цеолита). Материалы, которые могут быть использованы для удаления воды, включают диоксид кремния, оксид алюминия, угли и цеолиты.

В данном примере каналы адсорбента 945(а) выстилает один тип микропористого адсорбента. При запуске процесса адсорбции температура контактора 941(а) является такой же, что и температура, полученная в конце стадии охлаждения на фиг. 10(с). Эта температура немного выше температуры окружающего воздуха. Как только стадия адсорбции начинается, СО₂ и Н₂О селективно забираются адсорбентом около переднего конца 920 контактора. Концентрация СО₂ и Н₂О в оставшейся части адсорбента является низкой и почти равна концентрации в конце стадии регенерации на фиг. 10(Ь), а концентрация СО₂ в потоке газа 963, выходящего из контактора 941(а), составляет менее чем 5% от концентрации СО₂ в потоке топочного газа 911.

В этом примере микропористый адсорбент имеет свойство, в соответствии с которым Н₂О адсорбируется сильнее, чем СО₂. Примером микропористого цеолитного адсорбента с таким свойством является цеолит 5А. Для этого цеолита, а также любого другого микропористого адсорбента, температура повышается, когда молекулы адсорбируются. Повышение температуры определяется теплотой адсорбции сорбированных образцов, адсорбированным количеством, теплопроводностью в контакторе и термальной массой контактора. Необязательный поток 919 может протекать через контактор, чтобы ограничить повышение температуры в контакторе. Поток 919 получают из окружающего воздуха и продувают через нагревающие/охлаждающие каналы 943(а) контактора. В варианте осуществления, показанном на фиг. 10(а), этот поток перемещается противотоком к потоку 961, который протекает через каналы адсорбции. Поток 919 отводит тепло, генерируемое за счет теплоты адсорбции, и образует поток 921, выходящий из контактора, который уносит большую часть этого тепла. В различных вариантах этот необязательный поток 919 может двигаться прямотоком к потоку 961.

По мере продолжения стадии адсорбции относительно острые концентрационные фронты в концентрации адсорбированной фазы (то есть адсорбатов в микропористом материале, выстилающем канал) перемещаются вдоль длины контактора. Концентрационный фронт для Н₂О находится ближе к входу канала адсорбера, чем для СО₂. Путь, по которому они перемещаются со временем далее по длине канала адсорбента, называется концентрационными волнами. Со временем такие волны или фронты продвигаются вдоль длины канала адсорбции. По мере продвижения этих волн концентрация СО₂ в выходящем потоке 963 остается низкой, пока фронт СО₂ не достигнет конца контактора 925. На этом этапе со временем концентрация СО₂ в выходящем потоке 963 начинает повышаться и стадию адсорбции останавливают.

Холодный поток 963 (из которого удален СО₂) направляют к контактору 941(с), который был регенерирован и находится на стадии охлаждения. Дополнительный холодный газ, полученный в процессе регенерации (поток 971), необязательно может быть добавлен к потоку 963 с образованием потока 995. Этот поток 995 вводят в нагревающие/охлаждающие каналы контактора 941(с). При запуске стадии охлаждения контактор 941 (с) находится близко к температуре потока топочного газа 911. Как только поток 995 начинает проходить через контактор, развивается охлаждающая тепловая волна. Эта охлаждающая волна такова, что температура контактора около стороны ввода 920 является низкой, а у острого фронта, расположенного дальше вдоль длины контактора, температура повышается скачком. Газ, выходящий из контактора 985, остается горячим, пока тепловая волна пересекает контактор. Если необязательная термальная масса 983 используется на стадии регенерации, то поток газа 985 также может проходить через термальную массу 983(с). Когда в процессе используется термальная масса, тепловая волна проскакивает через конец контактора и охлаждает термальную массу до окончания процесса охлаждения. В таком необязательном варианте осуществления газовый поток, выходящий из термальной массы 965, остается горячим в течение большей части стадии охлаждения. Поток горячего газа 965, по существу, не содержит СО₂ и может быть стравлен в атмосферу или направлен в дымовую трубу. Стадию охлаждения завершают одновременно со стадиями адсорбции и регенерации. На всем протяжении стадии охлаждения отсутствует поток из каналов адсорбции 945(с).

Claims (20)

1. Способ удаления СО₂ из потока газовой смеси, содержащего СО₂, включающий:

a) подачу указанного потока газовой смеси на установку разделения газов адсорбцией за счет температурного перепада, где установка разделения газов содержит по меньшей мере один контактор адсорбента, имеющий множество открытых проточных каналов, через которые проходит поток топочного газа, где поверхность указанных проточных каналов состоит из материала адсорбента, который способен адсорбировать СО2 из указанного потока топочного газа, в результате чего получают, по существу, не содержащий СО₂ поток топочного газа и СО₂, адсорбированный на указанном материале адсорбента;

b) сброс указанного, по существу, не содержащего СО₂ потока топочного газа в атмосферу;

c) нагревание указанного контактора, содержащего адсорбированный на нем СО₂, до эффективной температуры, что приводит к десорбции по меньшей мере части СО2, в результате чего получают СО2обогащенный поток;

б) сжатие указанного СО₂-обогащенного потока до давления свыше приблизительно 1000 фунт/кв.дюйм (6894 кПа), в результате чего получают сжатый СО₂-обогащенный поток, температура которого была, по существу, повышена по время сжатия;

е) охлаждение указанного сжатого СО₂-обогащенного потока за счет использования подходящей теплообменной текучей среды при первой температуре, которая улавливает тепло от указанного СО2обогащенного потока, в результате чего получают СО2-обогащенный поток, по существу, с пониженной температурой и теплообменную текучую среду, имеющую, по существу, более высокую вторую температуру;

Р) использование по меньшей мере части тепла от теплообменной текучей среды, по существу, с более высокой второй температурой, чтобы снабдить теплом контактор во время стадии десорбции с).

2. Способ по п.1, где цикл адсорбции за счет температурного перепада указанной установки разделения газов адсорбцией за счет температурного перепада проводят при времени цикла менее чем приблизительно 2 мин между последовательными стадиями адсорбции.

3. Способ по любому из предыдущих пунктов, где удаляют по меньшей мере 75 мол.% СО₂ в потоке топочного газа с получением потока, по существу не содержащего СО₂ потока топочного газа.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, где материал адсорбента состоит из цеолита.

5. Способ по п.4, где цеолит представляет собой катионный цеолит, имеющий мольное отношение 81/Ά1 менее чем 5.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, где сжатие осуществляют на множестве стадий и охлаждение проводят между стадиями сжатия и в конце последней стадии сжатия.

7. Способ по п.6, где сжатие, кроме последней стадии сжатия, заканчивается, когда СО₂обогащенный поток достигает температуры приблизительно 350°С.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, где теплообменная текучая среда состоит из текучей среды, выбранной из группы, включающей воду и углеводородное масло.

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, где используют множество контакторов адсорбента, каждый из которых представляет собой множество открытых проточных каналов, поверхность которых покрыта материалом адсорбента, который имеет селективность для СО2 в сравнении с Ν2 больше чем 1.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, где контактор адсорбента имеет менее чем приблизительно 20 об.% его открытых пор больше чем приблизительно 20 А.

11. Способ по любому из предыдущих пунктов, где контактор содержит по меньшей мере два адсорбента и первый адсорбент имеет селективность для воды в сравнении с СО₂ больше чем 1 и расположен в начале потока относительно движения потока топочного газа ко второму адсорбенту, который имеет селективность для СО2 в сравнении с Ν2 больше чем 1.

12. Способ по п.11, где воду адсорбируют из потока топочного газа в первый адсорбент так, что менее чем 400 об.ч/млн воды остается в потоке топочного газа.

13. Способ по любому из предыдущих пунктов, где первый адсорбент, который имеет селективность для воды в сравнении с СО2 больше чем 1, является частью контактора первого адсорбента, который отделен от контактора второго адсорбента, который имеет селективность для СО2 в сравнении с Ν2 больше чем 1.

14. Способ по любому из предыдущих пунктов, где, по существу, не содержащий СО₂ поток топочного газа содержит менее чем 85 мол.% СО₂.

15. Способ по любому из предыдущих пунктов, где контактор адсорбента нагревают напрямую путем пропускания теплообменной текучей среды через те же проточные каналы, что и поток топочного газа, в результате чего десорбируют СО2 в теплообменную текучую среду.

16. Способ по п.1, где первая часть проточных каналов контактора предназначена для приема потока топочного газа, а вторая часть проточных каналов предназначена для приема потока теплообменной текучей среды, и где по меньшей мере часть каналов из двух частей соприкасаются друг с другом, но не находятся в жидкостном взаимодействии так, что тепло, проходящее через указанную вторую часть проточных каналов, способно эффективно непрямо нагревать указанную первую часть проточных каналов,

- 21 015731 чтобы обеспечить тепло для десорбции.

17. Способ по любому из предыдущих пунктов, где предусмотрено множество контакторов, по меньшей мере один из которых находится в начале потока, по меньшей мере, относительно одного другого контактора, где указанный по меньшей мере один расположенный в начале потока контактор содержит материал адсорбента, который имеет селективность по меньшей мере для одного компонента, выбранного из группы, включающей воду, 8О_Х и ΝΟ_Χ, в сравнении с СО₂ больше чем 1.

18. Способ по любому из предыдущих пунктов, где по меньшей мере один контактор адсорбента содержит, по меньшей мере, материалы двух адсорбентов и материал первого адсорбента имеет селективность для воды в сравнении с СО₂ больше чем 1, а материал второго адсорбента имеет селективность для СО2 в сравнении с водой больше чем 1, и где материал первого адсорбента расположен вначале потока относительно движения указанного потока топочного газа, материала второго адсорбента.

19. Способ по любому из предыдущих пунктов, где топочный газ, поступающий на установку разделения газов адсорбцией за счет температурного перепада, находится при температуре приблизительно от 100 до 250°С.

20. Способ по любому из предыдущих пунктов, где по меньшей мере один контактор адсорбента содержит материал адсорбента, который способен удалять, по меньшей мере, воду и СО2.