EA023206B1 - Способ и фракционирующая емкость для отделения метана от смеси природного газа - Google Patents

Abstract

В способе отделения метана от смеси природного газа применяют адсорбцию с переменным давлением в одном или более емкостях. Каждая емкость имеет адсорбентный материал, обладающий кинетической селективностью для загрязнений относительно метана свыше 5. Загрязнения в смеси природного газа становятся газами, кинетически адсорбированными внутри адсорбентного материала. Емкость располагают под давлением, чтобы вызвать адсорбцию загрязнений в поверхностях и микропорах адсорбентного материала. Способ включает в себя этапы выведения продуктового потока, содержащего по меньшей мере 95 об.% метана, из первого выпуска для газа в емкости и десорбции загрязняющих газов из адсорбентного материала понижением давления внутри емкости. Этап десорбции выполняют без подведения тепла к емкости, тем самым выводя поток отходящего газа, содержащего по меньшей мере 95 об.% загрязняющих газов. Также представлена усовершенствованная фракционирующая емкость, имеющая как основные, так и второстепенные проточные каналы.

Description

Настоящая заявка испрашивает преимущество предварительной патентной заявки США 61/413845, поданной 15 ноября 2010 года, озаглавленной Кинетические фракционаторы и циклические способы для фракционирования газовых смесей, система контроля и управления качеством, полное содержание которой включено здесь ссылкой.

Настоящая заявка относится к находящейся на рассмотрении патентной заявке США № 12/080783, которая была подана 4 апреля 2008 года и опубликована как патентная публикация США № 2008/0282887. Эта заявка озаглавлена Удаление СО₂, Ν₂ и Н₂§ из содержащих их газовых смесей, и включена здесь ссылкой во всей своей полноте. В свою очередь, эта заявка испрашивает преимущество предварительной патентной заявки США № 60/930826, поданной 18 мая 2007 года.

Этот раздел предназначен для введения в разнообразные аспекты уровня техники, которые могут быть связаны с примерными вариантами осуществления настоящего раскрытия. Как представляется, это обсуждение будет содействовать обеспечению концептуальной основы, чтобы способствовать лучшему пониманию конкретных аспектов настоящего раскрытия. Соответственно, следует понимать, что данный раздел следует рассматривать в этом свете и не обязательно как признание его предшествующим уровнем техники.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области разделения текучих сред. Более конкретно, изобретение относится к отделению диоксида углерода и других кислотных газов от потока углеводородной текучей среды.

Уровень техники

Добыча углеводородов из пластового резервуара зачастую происходит с побочной добычей неуглеводородных газов. Такие газы включают такие загрязнения, как диоксид углерода (СО₂), сероводород (Н₂§) и меркаптаны. Когда такие загрязнения добываются как часть углеводородного газового потока, газовый поток может быть назван высокосернистым газом. Кроме того, такие компоненты, как СО₂, Н₂§ и меркаптаны в высокосернистом газе могут быть названы по отдельности или в совокупности кислым газом.

Требуется отделять компоненты кислого газа на установке для переработки газа. Это может быть выполнено первым удалением значительной части воды из потока сырого газа. Воду обычно удаляют химически, смешивая гликоль с потоком сырого газа, чтобы вызвать переход воды из раствора. Затем воду и гликоль улавливают в виде кубового водного потока. Отдельно выводят поток дегидратированного газа.

Поток дегидратированного газа представляет собой поток высокосернистого газа с компонентами высокосернистого газа, оставшимися после дегидратации. Поэтому применяют способы дополнительного разделения газов. В некоторых ситуациях, где содержание компонента диоксида углерода является особенно высоким, высокосернистый газ может быть также пропущен через клапан Джоуля-Томсона для сверхбыстрого охлаждения, и затем направлен в криогенную дистилляционную колонну или блок для объемного фракционирования для удаления СО₂.

В других ситуациях, в частности где выше содержание компонента Н₂§ или тяжелых углеводородных компонентов, поток высокосернистого газа может быть пропущен через адсорбентный слой. Адсорбентные слои действуют на основе того принципа, что различные молекулы могут иметь различные склонности к адсорбции. Это обеспечивает механизм распознавания адсорбентом различных газов.

Известны адсорбентные слои различных типов. Типичные адсорбенты включают активированные угли, силикагели, оксиды алюминия и цеолиты. В некоторых случаях в качестве адсорбентного материала может быть использован полимерный материал. В любом случае адсорбентный слой преимущественно адсорбирует более быстро адсорбируемый компонент (известный как тяжелый газ) сравнительно с менее быстро адсорбируемым компонентом (известным как легкий газ) газовой смеси.

Чтобы выполнить разделение, в адсорбентных слоях применяют высокопористую микроструктуру. Молекулы газа прикрепляются к поверхностной области, обеспеченной вдоль пор. Газ, адсорбированный на внутренних поверхностях микропористого материала, может составлять слой с толщиной только в одну молекулу или самое большее в несколько молекул; однако адсорбенты с площадями поверхности в несколько сотен квадратных метров на грамм обеспечивают возможность адсорбции значительной части газа в расчете на вес адсорбента. Таким образом, адсорбентные слои могут быть выгодно использованы для разделения компонентов.

В дополнение к своей склонности к различным газам, цеолиты и активированные угли некоторых типов, называемые углеродными молекулярными ситами, могут реализовывать свои характеристики молекулярных сит для исключения или замедления диффузии молекул некоторых газов в их структуру. Это создает механизм селективной адсорбции, основанной на размере молекул. В этой ситуации адсорбентный слой ограничивает способность более крупных молекул к адсорбции, тем самым позволяя газу селективно заполнять микропористую структуру адсорбентного материала одним или более веществами из многокомпонентной газовой смеси.

В некоторых случаях поток газа не подвергают дегидратации перед пропусканием через адсорбентный слой. Некоторые адсорбентные слои будут предпочтительно связываться с молекулами воды наряду

- 1 023206 с прочими загрязнениями и обеспечивая возможность прохождения метана и компонентов инертного газа, таких как водород и азот. Однако присутствие воды может сделать более затруднительной последующую стадию десорбции (известную как регенерация). В этом отношении, когда микропоры адсорбентного слоя становятся заполненными молекулами загрязнений, слой должен быть выведен из эксплуатации и подвергнут снижению давления. Когда присутствует вода в значительном количестве, удаление воды может потребовать нагревания.

Известны различные адсорбционные способы разделения газов. Одна адсорбционная технология представляет собой адсорбцию с переменным давлением, или ΡδΑ. Способы ΡδΑ основываются на том факте, что под давлением газообразные загрязнения в различной степени проявляют тенденцию адсорбироваться внутри пористой структуры адсорбентного материала, или внутри свободного объема полимерного материала. Чем выше давление в адсорбционной емкости, тем больше газа адсорбируется. В случае природного газа смесь природного газа может быть пропущена под давлением через адсорбционную емкость. Поры в полимерном или микропористом адсорбенте заполняются сероводородом и диоксидом углерода в большей степени, чем метаном. Таким образом, большая часть или даже Η₂δ и СО₂ полностью будут задерживаться в слое сорбента, тогда как выходящий из емкости газ будет обогащен метаном. Любая остаточная вода и любые тяжелые углеводороды (такие как этан) также будут задерживаться. В дополнение, будут удерживаться бензол, толуол и прочие летучие органические соединения.

Когда адсорбентный слой достигает конечной степени своей способности адсорбировать загрязнения, он может быть регенерирован путем снижения давления. Это заставляет емкость выводить адсорбированные компоненты. Тем самым насыщенный загрязнениями поток выводится отдельно от потока метана. Таким образом, адсорбционный слой может быть регенерирован для последующего повторного использования.

Во многих случаях ΡδΆ, снижение давления в находящейся под давлением камере до давления окружающей среды будет обусловливать выведение большей части сероводорода и других загрязнений из адсорбентного слоя. В некоторых случаях действие системы адсорбции с переменным давлением может быть стимулировано применением вакуумной камеры для прикладывания давления ниже атмосферного к концентрированному потоку загрязнений. В условиях более низкого давления серосодержащие компоненты, диоксид углерода и тяжелые углеводороды будут более полно десорбироваться из твердой матрицы, составляющей адсорбентный слой.

Родственную технологию разделения газов представляет адсорбция с переменной температурой, или ΤδΑ. Способы ΤδΑ также основываются на том факте, что газы стремятся адсорбироваться внутри пористой структуры микропористых адсорбентных материалов или внутри свободного объема полимерного материала в различной степени. Когда температура адсорбентного слоя в емкости повышается, молекулы адсорбированного газа выводятся, или десорбируются. При циклической перемене температуры адсорбентных слоев внутри емкости способы ΤδΑ могут быть использованы для разделения газов в смеси.

Может быть применена комбинация регенерации с переменной температурой и регенерации с переменным давлением. В любом случае выведенный обогащенный метаном газ при необходимости может быть пропущен через последующий холодильный блок, если необходимо, для снижения содержания СО₂ до уровней, регламентированных техническими условиями для перекачки по трубопроводам или для сжиженного природного газа (ΤΝΟ). Это позволяет выполнить сжижение любого остаточного СО₂ и удалить в виде потока сжиженного кислого газа. Еще дополнительная энергия охлаждения может быть подведена, по выбору, для создания сжиженного природного газа, или ΕΝΟ.

Система с адсорбентным слоем может параллельно основываться на множестве слоев. Эти слои могут быть составлены, например, активированными углями или молекулярными ситами. Первый слой используют для адсорбции. Он известен как эксплуатационный слой. Второй слой подвергается регенерации, такой как путем снижения давления, в то время как первый слой находится в эксплуатации. Дополнительный третий слой был уже регенерирован и удерживается в запасе для использования в адсорбционной системе, когда первый слой становится, по существу, насыщенным. Таким образом, минимум три слоя могут быть параллельно применены для более эффективной работы.

Система адсорбции с переменным давлением может представлять собой систему короткоцикловой адсорбции при переменном давлении. В так называемых короткоцикловых способах продолжительности циклов могут быть столь малыми, как несколько секунд. Особенно предпочтительным может быть блок для короткоциклового ΡδΑ (Ρί','ΡδΛ). поскольку такие блоки являются довольно компактными относительно обычных ΡδΑ-устройств. Кроме того, адсорбентные ΚΟΡδΑ-контакторы могут обеспечить возможность значительного увеличения интенсификации способа (например, с повышенными рабочими частотами и скоростями течения газа), по сравнению с традиционным ΡδΑ.

Существующие ΡδΑ- и ΚΟΡδΑ-способы в значительной мере основаны на равновесном разделении или работе с переменной температурой. Эти технологии приводят к более длительным продолжительностям циклов и к большим габаритам оборудования. Поэтому существует потребность в способе, в котором применяется адсорбция с переменным давлением, для получения высокочистой продукции разделения без необходимости в нагревании адсорбционной емкости или работы с переменной температурой.

- 2 023206

Краткое изложение сущности изобретения

Здесь представлены способы отделения метана от смеси природного газа. В способах применена адсорбция с переменным давлением в одной или более емкостях. Каждая емкость имеет адсорбентный материал, обладающий кинетической селективностью для загрязнений, относительно метана, которая имеет значение более чем 5. Таким образом, загрязнения в смеси природного газа становятся газами, кинетически адсорбируемыми внутри адсорбентного материала. Загрязнениями могут быть СО₂, Н₂§, Н₂О, тяжелые углеводороды, летучие органические соединения (УОС) или их комбинации.

Каждая емкость имеет впуск для газа и первый выпуск для газа. В дополнение, каждая емкость имеет по меньшей мере два основных проточных канала через адсорбентный материал. Основные проточные каналы обеспечивают сообщение по текучей среде между впуском для газа и первым выпуском для газа.

В соответствии со способом способ также включает в себя этап направления смеси природного газа в блок для разделения газа. Способ дополнительно включает в себя этап, на котором по меньшей мере одну емкость располагают под давление, чтобы вызывать адсорбцию загрязнений в смеси природного газа на адсорбентном материале. Загрязнения находятся под давлениям в поверхностях и микропорах адсорбентного материала.

Кроме того, способ включает в себя этап выведения продуктового потока содержащего по меньшей мере 95% метана по объему. Продуктовый поток выводят из первого выпуска для газа в емкость. Продуктовый поток может дополнительно включать водород, азот или их комбинации. Способ также включает в себя этап, на котором десорбируют загрязняющие газы из адсорбентного материала снижением давления внутри емкости. Этап десорбции выполняют без подведения тепла к емкости. Выведенный поток отходящего газа, таким образом, содержит по меньшей мере 95% загрязняющих газов по объему.

Этапы выведения и десорбции, предпочтительно, протекают в комбинированном цикле менее чем за одну минуту.

Поток отходящего газа с этапа десорбции может быть выведен через впуск для газа. В альтернативном варианте, клапанная система может быть выполнена так, что поток отходящего газа выводится через выпуск для газа. В одном аспекте по меньшей мере одна адсорбентная емкость дополнительно содержит второй выпуск для газа, в промежутке между впуском для газа и первым выпуском для газа. В этом случае, десорбция загрязняющих газов выводит первую часть потока отходящего газа из первого выпуска для газа, и вторую часть потока отходящего газа из второго выпуска для газа.

Дополнительно или альтернативно, в некоторых вариантах исполнения этап десорбции загрязняющих газов содержит этап выведения первой части потока отходящего газа в течение первого периода времени и второй части потока отходящего газа в течение второго периода времени. Первая часть потока отходящего газа может содержать по меньшей мере 98% СО₂ по объему; вторая часть потока отходящего газа может содержать азот, водород, метан, Н2О или их комбинации. Таким образом, первая и вторая части потока отходящего газа могут иметь разные составы.

Здесь также представлены фракционирующие емкости для отделения метана от смеси природного газа. В некоторых вариантах исполнения емкость включает в себя корпус. Емкости также включают в себя впуск для газа для принятия смеси природного газа в корпус, и первый выпуск для газа для выведения по меньшей мере части смеси природного газа из корпуса. Впуск для газа выполнен с возможностью приема смеси природного газа в корпус под давлением по меньшей мере 100 фунт/кв. дюйм.

Кроме того, емкость включает в себя адсорбентный материал внутри корпуса. Адсорбентный материал обладает кинетической селективностью для загрязнений относительно метана свыше 5. В этом случае загрязнения становятся кинетически адсорбированными внутри адсорбентного материала в газовой фазе.

Емкость также включает в себя по меньшей мере два основных проточных канала через адсорбентный материал. Основные проточные каналы обеспечивают сообщение по текучей среде между впуском для газа и первым выпуском для газа в сообщение по текучей среде. Емкость дополнительно включает в себя по меньшей мере один второстепенный проточный канал через адсорбентный материал. Второстепенный канал находится в сообщении по текучей среде с основными каналами.

В одном аспекте фракционирующая емкость также имеет второй выпуск для газа. Второй выпуск для газа находится в промежутке между впуском для газа и первым выпуском для газа. Второй выпуск для газа выводит часть потока отходящего газа, когда емкость находится в режиме десорбции.

В некоторых вариантах исполнения по меньшей мере два основных проточных канала сформированы из и вдоль основной оси множества стержней. Кроме того, множество стержней разнесены, по существу, на равные расстояния друг от друга, обеспечивая проточные каналы, по существу, с равномерным объемом.

В одном аспекте по меньшей мере два второстепенных проточных канала сформированы множеством ступенчатых поверхностей вдоль соответствующих стержней. В еще одном аспекте по меньшей мере два второстепенных проточных канала сформированы проточными каналами, которые пересекают по меньшей мере два основных проточных канала и которые обеспечивают сообщение по текучей среде между впуском для газа и вторым выпуском для газа.

- 3 023206

Краткое описание чертежей

Для того чтобы настоящие изобретения могли быть лучше понятыми, к ним прилагаются некоторые чертежи, схемы, графики и/или блок-схемы. Однако следует отметить, что эти чертежи иллюстрируют только избранные варианты осуществления изобретений и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретений, которые могут допускать другие, в равной мере эффективные варианты исполнения и применения.

Фиг. 1 представляет вид в перспективе адсорбционной емкости с переменным давлением, которая может быть использована в способах согласно настоящим изобретениям. Емкость также представляет кинетический фракционатор согласно настоящим изобретениям;

фиг. 2А - вид в перспективе адсорбентного слоя и проточных каналов в адсорбционной емкости с переменным давлением согласно фиг. 1. Основные проточные каналы видны между адсорбентными стержнями вдоль основной оси адсорбентного слоя;

фиг. 2В - вид по частям адсорбентного слоя согласно фиг. 2А. Фиг. 2В представляет вид в разрезе необязательного второго выпуска для газа. Поперечный проточный канал показан проходящим в емкость, служащим в качестве второстепенного проточного канал;

фиг. 2С - вид в продольном разрезе адсорбентного слоя согласно фиг. 2А. Вид представляет разрез, проведенный по линии С-С в фиг. 2А. Здесь видны серии ступенчатых поверхностей вдоль адсорбентных стержней, которые служат в качестве второстепенных проточных каналов;

фиг. 3 - вид в перспективе адсорбентного слоя и проточных каналов в емкости для адсорбции с переменным давлением согласно фиг. 1. Основные проточные каналы видны между адсорбентными стержнями вдоль основной оси адсорбентного слоя. Поперечные проточные каналы видны на пространственно разнесенных частях адсорбентного слоя, которые служат в качестве второстепенных проточных каналов;

фиг. 4 - вид в поперечном сечении адсорбентного слоя и проточных каналов в емкости для адсорбции с переменным давлением согласно фиг. 1. Основные проточные каналы опять же видны между адсорбентными стержнями вдоль основной оси адсорбентного слоя. Здесь основная ось является криволинейной;

фиг. 5 - блок-схему, демонстрирующую этапы способов отделения метана от смеси природного газа; фиг. 6А - участок емкости для адсорбции с переменным давлением, который может быть использован в способах согласно настоящим изобретениям. Здесь для короткоцикловой обработки смеси природного газа предусмотрена поворотная клапанная система;

фиг. 6В - фрагмент емкости для адсорбции с переменным давлением, который может быть использован в способах согласно настоящим изобретениям. Здесь, в дополнение к поворотной клапанной системе для короткоцикловой обработки смеси природного газа, предусмотрена неповоротная клапанная система.

Подробное описание некоторых вариантов исполнения

Как используемый здесь, термин углеводород имеет отношение к органическому соединению, которое включает главным образом, если не исключительно, элементы водород и углерод. Углеводороды в основном подразделяются на два класса: алифатические, или углеводороды с неразветвленной цепью, и циклические, или с замкнутым циклом, углеводороды, включающие в себя циклические терпены. Примеры углеводородсодержащих материалов включают природный газ, нефть, уголь и битум в любой форме, которые могут быть использованы в качестве топлива или преобразованы в топливо.

Как применяемый здесь, термин углеводородные текучие среды относится к углеводородам или смеси углеводородов, которые представляют собой газы или жидкости. Например, углеводородные текучие среды могут включать в себя один углеводород или смеси углеводородов, которые являются газами или жидкостями в пластовых условиях, в условиях обработки или в условиях окружающей среды (температура 15°С и давление 1 атм. Углеводородные текучие среды могут включать в себя, например, нефть, природный газ, метан угольных пластов, сланцевую нефть, пиролизное масло, пиролизный газ, продукты пиролиза угля и другие углеводороды, которые находятся в газообразном или жидком состоянии.

Как используемый здесь, термин текучая среда имеет отношение к газам, жидкостям и комбинациям газов и жидкостей, а также к комбинациям газов и твердых веществ, комбинациям жидкостей и твердых веществ, и комбинациям газов, жидкостей и твердых веществ.

Как применяемый здесь, термин конденсируемые углеводороды означает те углеводороды, которые конденсируются при температуре около 15°С и абсолютном давлении в одну атмосферу. Конденсируемые углеводороды могут включать в себя, например, смесь углеводородов, имеющих число атомов углерода свыше 4.

Как используемый здесь, термин подповерхностный имеет отношение к геологическому пласту, находящемуся ниже поверхности земли.

Как применяемый здесь, термин адсорбция с переменным давлением должен быть истолкован как включающий любые один или более способов, в которых применяется изменение давления для цикла очистки (например, ΡδΑ, ΡΡδΑ, К.СР8А и К.СРР8А).

Как используемый здесь, термин ствол скважины имеет отношение к скважине в подповерхностном пласте, выполненной бурением или введением трубопровода в подповерхностный пласт. Ствол

- 4 023206 скважины может иметь, по существу, круглое поперечное сечение, или другие формы поперечного сечения. Как применяемый здесь, термин буровая скважина, когда обозначает отверстие в пласте, может быть использован взаимозаменяемо с термином ствол скважины.

Изобретения описаны здесь в связи с некоторыми конкретными вариантами осуществления. Однако в такой мере, насколько нижеследующее подробное описание является конкретным для определенного варианта исполнения или определенного применения, и предназначено быть только иллюстративным, и не должно толковаться как ограничивающее объем изобретений.

Настоящие изобретения направлены на новые способы адсорбции с переменным давлением для удаления нежелательных газообразных компонентов из потока углеводородных газов. Такие компоненты включают в себя, например, СО₂, Н₂§, Н₂О, тяжелые углеводороды, летучие органические соединения (УОС), меркаптаны или их комбинации. Эти компоненты представляют загрязнения в смеси природного газа.

Способы согласно настоящему изобретению могут быть лучше поняты со ссылкой на сопроводительные фигуры. Во-первых, фиг. 1 представляет вид в перспективе емкости 100 для адсорбции с переменным давлением. Емкость 100 представляет собой емкость контактора, или контактор, назначение которого состоит в выполнении приема смеси природного газа и разделении смеси по меньшей мере на два, по существу, чистых компонента. Одним из этих компонентов является СН₄, или метан.

Состав потоков природного газа из подповерхностного пластового резервуара (сырого природного газа) будет изменяться от месторождения к месторождению. Неограничивающие примеры компонентов, которые могут содержаться в потоке сырого природного газа, включают в себя воду, конденсаты (органические вещества с более высокой молекулярной массой), метан, этан, пропан, бутан, СО₂, Ν₂, Не, Н₂§, Нд и меркаптаны. Воду и конденсаты обычно удаляют перед тем, как природный газ направляют в емкость 100, и конденсаты отправляют на нефтеперерабатывающий завод.

Емкость 100 определяет удлиненное тело под давлением. Емкость 100 включает в себя корпус 105. Корпус 105 предпочтительно изготовлен из железа или стали. В компоновке согласно фиг. 1 емкость 100 иллюстрирована, по существу, в горизонтальной ориентации. Однако в альтернативном варианте емкость 100 может эксплуатироваться в вертикальной ориентации. В любом случае емкость 100 может включать разнообразные опорные стойки или башмаки 115.

Емкость 100 выполнена с возможностью работы при высоких давлениях, так что он приспособлен к входным давлениям, имеющим место при обработке природного газа. Например, такие входные давления могут превышать 200 фунт/кв. дюйм и более часто, могут быть выше чем около 1000 фунт/кв. дюйм или даже 3000 фунт/кв. дюйм. Для мониторинга внутреннего давления емкость 100 включает в себя измерительные приборы или другие устройства для мониторинга давления. Образец измерительного прибора показан позицией 150 на фиг. 1. Конечно, должно быть понятно, что современные устройства для мониторинга давления работают главным образом как цифровые системы, которые взаимодействуют с клапанами, часами, и под оперативным управлением программного обеспечения.

Емкость 100 имеет первый конец, показанный на позиции 102, и второй конец, показанный на позиции 104. Впуск 110 для газа предусмотрен на первом конце 102, тогда как первый выпуск 130 для газа предусмотрен на втором конце 104. Необязательно, второй выпуск 120 для газа предусмотрен в промежутке между первым концом 102 и вторым концом 104, или в промежутке между впуском для газа 110 и первым выпуском 130 газа.

При работе емкость 100 служит как кинетический фракционатор, или адсорбентный контактор. Смесь природного газа, или сырьевой поток, вводят в емкость 100 через впуск 110 для газа. Стрелка I обозначает поток текучей среды в емкость 100. Внутри емкости 100 природный газ контактирует с адсорбентным слоем (на фиг. 1 не показан). Адсорбентный слой использует кинетическую адсорбцию для улавливания загрязнений. В то же время адсорбентный слой выводит продуктовый поток природного газа через первый выпуск 130 для газа. В данной компоновке продуктовый поток включает в себя по меньшей мере 95% метана по объему. Течение продуктового потока природного газа из емкости 100 обозначено стрелкой Οι.

Понятно, что емкость 100 является частью более крупного блока для разделения газа (не показан). Блок для разделения газа будет включать в себя клапанную систему, емкость и измерительные приборы, как необходимые для проведения регенерации адсорбентного слоя и улавливания отделенных газовых компонентов. Регенерацию выполняют с использованием адсорбции с переменным давлением. Более предпочтительно, регенерацию проводят с использованием короткоцикловой Р8А.

Фиг. 6А показывает участок емкости 600А для адсорбции с переменным давлением, который может быть использован в способах согласно настоящим изобретениям, для короткоцикловой Р8А. Здесь для короткоцикловой обработки смеси природного газа предусмотрена поворотная клапанная система. Поступление смеси природного газа в емкость 600А показано стрелкой I.

Клапанная система, прежде всего, включает в себя поворотный коллектор 610. Коллектор вращается вблизи первого конца 602 емкости 600А. Клапанная система также включает в себя впускные проточные каналы 620. Здесь впускные проточные каналы 620 поворачиваются относительно коллектора 610.

Фиг. 6В показывает участок второй емкости 600В для адсорбции с переменным давлением, которая

- 5 023206 может быть использована в способах согласно настоящим изобретениям, для короткоцикловой ΡδΆ. Здесь для короткоцикловой обработки смеси природного газа, наряду с поворотной клапанной системой, предусмотрена неповоротная клапанная система.

Клапанная система, опять же, включает в себя поворотный коллектор 610. Коллектор вращается вблизи первого конца 602 емкости 600В. Клапанная система также включает в себя впускные проточные каналы 620. Здесь впускные проточные каналы 620 возвратно-поступательно перемещаются относительно коллектора 610.

Показанные на фиг. 6А и 6В интерфейсы клапанных систем являются иллюстративными. Понятно, что могут быть применены разнообразные комбинации поворотных и неповоротных труб и коллекторов. Кроме того, клапанная система может быть протяженной для применения к многочисленным коллекторам емкостей для выполнения полного цикла.

В емкости 100 и емкостях 600А, 600В используют адсорбентный слой для улавливания загрязнений на поверхности микропористого адсорбентного материала и на протяжении его порового пространства. Фиг. 2А является видом в перспективе адсорбентного слоя 200 согласно некоторым вариантам исполнения. Здесь иллюстративный адсорбентный слой 200 имеет круглое адсорбентное кольцо 205. Адсорбентному кольцу 205 приданы размеры для установки вдоль по внутреннему диаметру корпуса 105 емкость 100 на фиг. 1.

Внутри адсорбентного кольца 205 находится множество адсорбентных стержней 215. Адсорбентные стержни 215 проходят, по существу, вдоль длины адсорбентного слоя 200. Это значит, что стержни 215 проходят, по существу, от первого конца 102 до второго конца 104 емкости 100. Между адсорбентными стержнями 215 предусмотрены проточные каналы 210.

Адсорбентное кольцо 205 и адсорбентные стержни 215 изготовлены из материала, который предпочтительно адсорбирует нежелательный газ. Нежелательный газ может представлять собой СО₂, Н₂§, меркаптаны, тяжелые углеводороды в газовой фазе или их комбинации.

Адсорбентный материал предпочтительно выбирают из цеолитов с 8-членными кольцами, имеющих соотношение δί:Ά1 от около 1:1 до около 1000:1, или предпочтительно от около 10:1 до около 500:1, или более предпочтительно от около 50:1 до около 300:1. Термин соотношение δί:Άί, как используемый здесь, означает молярное соотношение оксида кремния к оксиду алюминия в структуре цеолита. Более предпочтительные цеолиты с 8-членными кольцами для улавливания высокосернистого газа включают цеолиты типов ΌΌΚ, §1§ша-1 и ΖδΜ-58. Цеолитные материалы, имеющие поры с надлежащими размерами для удаления тяжелых углеводородов, включают в себя цеолиты типов ΜΡΊ, фожазит, МСМ-41 и Ве1а. Предпочтительно, чтобы соотношение δί:Άί в цеолитах, используемых для удаления тяжелых углеводородов, составляло от около 20:1 до около 1000:1 и предпочтительно от около 200:1 до около 1000:1, чтобы предотвратить чрезмерное засорение адсорбента.

Там, где дегидратированный сырьевой поток содержит сероводород, может быть предпочтительным составление адсорбента с оловосиликатами. Более конкретно, цеолиты с 8-членными кольцами могут быть изготовлены с оловосиликатами. Кинетическая селективность материалов с 8-членными кольцами этого класса обеспечивает возможность быстрого переноса Н₂§ в кристаллы цеолитов, в то же время препятствуя транспорту метана. Это повышает селективность отделения Н₂§ от смеси Н₂§ и метана.

Цеолит может присутствовать в адсорбентном кольце 205 и адсорбентных стержнях 215 в любой подходящей форме. Например, цеолитный материал может быть в форме шариков, которые упакованы с формированием адсорбентного материала. Адсорбентные шарики, или агрегаты, для способов адсорбции с переменными условиями известны в уровне техники и могут иметь любую пригодную форму, в том числе сферическую или неправильную форму. Адсорбентные агрегаты могут быть сформированы склеиванием микропористых цеолитных кристаллов друг с другом с помощью связующих материалов. Микропоры существуют благодаря кристаллической структуре цеолита, в этом случае предпочтительно цеолитов с 8-членными кольцами. Связующий материал обычно представляет собой плотный материал, который не обладает адсорбционными свойствами, но который используется для связывания цеолитных кристаллов. Для эффективного функционирования размер частиц связующего материала должен быть меньше, чем размер индивидуальных кристаллов цеолита.

В ходе способа адсорбции с переменным давлением Сырьевой Поток I будет нагнетаться в контактор 100 и будет проходить через адсорбентный материал. Адсорбентный материал предпочтительно представляет собой цеолитный материал с 8-членными кольцами. Цеолиты с 8-членными кольцами обеспечивают возможность СО₂ (или другому компоненту высокосернистого газа) поступать во внутреннюю пористую структуру через окна 8-членных колец таким образом, что соотношение коэффициентов однокомпонентной диффузии СО₂ и метана (то есть, П_СО2/Э_СН4) составляет свыше 5, предпочтительно более чем приблизительно 10, и более предпочтительно свыше чем приблизительно 50, и даже более предпочтительно свыше 100. Там, где сырьевой поток содержит Н₂§, цеолиты с 8-членными кольцами обеспечивают возможность Н₂§ поступать во внутреннюю пористую структуру через окна 8-членных колец таким образом, что соотношение коэффициентов однокомпонентной диффузии Н₂§ и метана (т.е. О_Н2з/О_СН4) составляет свыше 5, предпочтительно более чем приблизительно 20, и более предпочтительно свыше приблизительно 50, и даже более предпочтительно свыше 100.

- 6 023206

Коэффициенты однокомпонентной диффузии приняты как коэффициенты диффузионного транспорта, измеренные для чистого газа изотермы адсорбции, в режиме закона Генри. Концентрация молекул в цеолите в режиме закона Г енри является низкой, и в этих условиях коэффициенты диффузии по Фику и Стефану-Максвеллу почти равны. Математическое обоснование анализа коэффициентов диффузии более полно описано ниже.

В некоторых вариантах исполнения адсорбентного слоя 200 в адсорбентные стержни 215 может быть введен магнитный материал. Например, каждый стержень 215 может иметь внутреннее отверстие, и магнитный материал может быть размещен вдоль внутреннего отверстия. Затем стержни 215 могут быть подвергнуты воздействию магнитного или электромагнитного поля во время укладки. Магнитное поле заставляет стержни 215 отталкиваться друг от друга, тем самым обеспечивая равномерное разнесение между стержнями 215. Равномерная укладка стержней 215 является в особенности важной для кинетических характеристик и способов короткоцикловой адсорбции, так как компоненты газа не имеют преимущества в перемещении по одному проточному каналу 210 перед другим.

В одном аспекте магнитное или электромагнитное поле прикладывают во время каждого цикла загрузки адсорбента. Это способствует разделению стержней 215. Кроме того, прикладывание магнитного поля может дополнительно обеспечить гомогенную ориентацию цеолитного материала. Необязательно, магнитное поле может быть приложено во время самих циклов.

С обращением опять к фиг. 2А, внутри круглого адсорбентного кольца 205 и между адсорбентными стержнями 215 находится множество проточных каналов. Проточные каналы показаны на позиции 210. Проточные каналы 210 определяют основные проточные каналы, которые проходят вдоль основной оси адсорбентного слоя 200.

Проточные каналы 210 создают структурированный адсорбентный контактор, называемый контактором с параллельными каналами. Контакторы с параллельными каналами представляют собой подкласс адсорбентных контакторов, содержащих структурированные (сконструированные) адсорбенты, в которых в структуру адсорбента введены, по существу, параллельные проточные каналы. Проточные каналы 210 могут быть сформированы разнообразными средствами, некоторые из которых описаны в патентной публикации США № 2008/0282887, озаглавленной Удаление СО₂, Ν₂ и Н₂§ из содержащих их газовых смесей, ранее включенной здесь ссылкой.

Адсорбентный материал, формирующий круглое кольцо 205 и стержни 215, имеет кинетическую селективность для двух или более газовых компонентов. Как используемый здесь, термин кинетическая селективность определяется как соотношение коэффициентов однокомпонентной диффузии, Ό (в м²/с), для двух различных веществ. Коэффициенты однокомпонентной диффузии также известны как коэффициенты диффузионного транспорта по Стефану-Максвеллу, которые измеряются для данного адсорбента в отношении данного компонента чистого газа. Поэтому, например, кинетическая селективность для конкретного адсорбента для компонента А сравнительно с компонентом В была бы равной Όλ^/ΟΒ·

Коэффициенты однокомпонентной диффузии для материала, которые могут быть определены испытаниями, известны в уровне техники адсорбционных материалов. Предпочтительным путем для измерения кинетического коэффициента диффузии является способ частотного отклика, описанный Кеуек и др. в работе Ргецнепсу Мойи1а1юи МеШобк Гог ЭГГимоп апб Абкогрйоп МеакигешепГк ίη Рогоик δοϊίάδ (Методы частотной модуляции для измерений диффузии и адсорбции в пористых твердых веществах), К РНук. СНет., т.101, сс.614-622 (1997), которая включена здесь ссылкой. При кинетически контролируемом разделении для емкости 100 предпочтительно, чтобы кинетическая селективность (то есть, Ό_Λ/Ό_Β) выбранного адсорбента для первого компонента (например, СО2) относительно второго компонента (например, метана) была более 5.

Термин селективность, как применяемый здесь, основывается на бинарном сравнении молярной концентрации компонентов в подводимом сырьевом потоке и общем числе молей этих компонентов, адсорбированных конкретным адсорбентом во время этапа адсорбции цикла способа, при конкретных условиях работы системы и составе сырьевого потока. Для сырья, содержащего компонент А, компонент В и, необязательно, дополнительные компоненты, адсорбент, который имеет более высокую селективность для компонента А, чем для компонента В, в конце этапа адсорбции в способе адсорбции с переменным давлением будет иметь соотношение и_А = (общее число молей А в адсорбенте)/(молярная концентрация А в сырье), которое является большим, чем соотношение и_В = (общее число молей В в адсорбенте)/(молярная концентрация В в сырье), где и_А представляет Адсорбционное поглощение компонента А, и и_В представляет Адсорбционное поглощение компонента В.

Поэтому для адсорбента, имеющего селективность для компонента А относительно компонента В, которая составляет больше единицы

Селективность = и_А/и_В (где и_А>и_В).

Наряду со сравнением различных компонентов в сырьевом потоке природного газа, компонент с наименьшим соотношением общего числа молей, захваченных в адсорбенте, к его молярной концентра- 7 023206 ции в сырьевом потоке, представляет собой самый легкий компонент в способе адсорбции с переменными условиями. Легким компонентом считают вещество, или молекулярный компонент, который преимущественно не захватывается адсорбентом в способе адсорбции. Это значит, что молярная концентрация самого легкого компонента в потоке, выходящем во время стадии адсорбции, является большей, чем молярная концентрация этого самого легкого компонента в сырьевом потоке. В настоящем раскрытии адсорбентный контактор 100 имеет селективность для первого компонента (например, СО₂), относительно второго компонента (например, метана), по меньшей мере 5, более предпочтительно селективность для первого компонента, относительно второго компонента, составляет, по меньшей мере 10, и наиболее предпочтительно селективность для первого компонента, относительно второго компонента, составляет по меньшей мере 25.

Следует отметить, что возможно удаление двух или более загрязнений одновременно; однако для удобства компонент или компоненты, которые должны быть удалены селективной адсорбцией, будут по большей части называться здесь как единичное загрязнение или тяжелый компонент.

Регенерация легкого компонента также может быть охарактеризована относительной величиной расхода. Так, регенерация метана может быть определена как усредненный по времени молярный расход метана в продуктовом потоке (показанный как О₁ в первом выпуске 130 для газа), разделенный на усредненный по времени молярный расход метана в сырьевом потоке (обозначенный как впуск 110 для газа). Подобным образом, регенерация диоксида углерода и других тяжелых компонентов определяется как усредненный по времени молярный расход тяжелых компонентов в потоке загрязнений (показанный как О₂ во втором выпуске 120 для газа), разделенный на усредненный по времени молярный расход тяжелых компонентов в сырьевом потоке (обозначенный как впуск 110 для газа).

Для повышения эффективности способа разделения газов здесь предложено создание второстепенных проточных каналов в емкости 100. Второстепенные проточные каналы увеличивают площадь открытия поверхности адсорбентного материала вдоль стержней 215.

Фиг. 2В представляет вид по частям адсорбентного слоя 200 согласно фиг. 2А. Адсорбентный слой 200 разрезан поперек необязательного второго выпуска 120 для газа. Опять же видны основные проточные каналы 210, проходящие через адсорбентный слой 200. В дополнение, в позиции 220 показаны поперечные проточные каналы. Поперечный проточный канал 220 служит в качестве второстепенного проточного канала. Проточный канал 220 виден частично проходящим в адсорбентный слой 200. Однако поперечный проточный канал 220, необязательно, может проходить, главным образом, по окружности круглого адсорбентного кольца 205.

В компоновке согласно фиг. 2В показан только единственный второстепенный проточный канал 220. Однако адсорбентный слой 200 может иметь множество второстепенных проточных каналов 220. Они, необязательно, могут ответвляться вместе с сужением потока на втором выпуске 120 для газа.

Фиг. 2С является видом в продольном разрезе адсорбентного слоя 200 согласно фиг. 2А. Вид представляет разрез, проведенный по линии С-С на фиг. 2А. На фиг. 2С видны продольные адсорбентные стержни 215. В дополнение, между стержнями 215 видны основные проточные каналы 210.

Вдоль адсорбентных стержней 215 видны серии ступенчатых поверхностей 225. Ступенчатые поверхности 225 также служат в качестве второстепенных проточных каналов. Вместо ступенчатых поверхностей 225 поверхности 225 могут представлять собой винтообразные или спиральные поверхности. В любой компоновке ступенчатые поверхности 225 могут быть использованы в дополнение к поперечному каналу 220 или вместо него для увеличения площади поверхности и для улучшения кинетической селективности без необходимости в крупных и дорогостоящих блоках для теплопередачи.

Основные 210 и второстепенные 220, 225 проточные каналы обеспечивают пути в контакторе 200, по которым может протекать газ. Как правило, проточные каналы 210, 220, 225 предусматривают относительно низкое сопротивление потоку текучей среды в сочетании с относительно большой площадью поверхности. Длина проточных каналов должна быть достаточной, чтобы обеспечивать зону требуемого массопереноса, которая представляет собой по меньшей мере функцию скорости течения текучей среды и отношения площади поверхности к объему канала.

Проточные каналы 210, 220, 225 предпочтительно выполнены так, чтобы сводить к минимуму падение давления в емкости 100. Таким образом, сведены к минимуму или исключены извилистые проточные каналы. Если в пределах слоя 200 возникает слишком большое падение давления, то затруднительно достигнуть более высоких частот циклов, таких как порядка более чем 100 циклов в минуту. В дополнение, предпочтительно, чтобы стержни 215 были разнесены на равные расстояния друг от друга, чтобы создавать более высокую степень равномерности каналов.

В одном аспекте проточные каналы 210, как правило, разделены так, что имеет место малое или отсутствует поперечное течение. В этом примере фракция потока текучей среды, поступающей в канал 210 на первом конце 102 контактора 100, не имеет существенного сообщения с любой другой фракцией текучей среды, поступающей в еще один канал 210 на первом конце 102, пока эти фракции не воссоединятся на выходе на втором конце 104. В этой компоновке объемы основных проточных каналов 210 будут, по существу, равными для обеспечения того, что, по существу, все каналы 210 используются полностью, и, что зона массопереноса, определяемая внутренним объемом емкости 100 контактора, заполнена,

- 8 023206 по существу, равномерно.

Размеры проточных каналов 210 могут быть рассчитаны с учетом падения давления вдоль емкости 100 контактора. Предпочтительно, чтобы проточные каналы 210 имели просвет канала от приблизительно 5 до приблизительно 1000 мкм, предпочтительно от около 50 до приблизительно 250 мкм. Как используемый здесь, просвет канала проточного канала 210 определяется как длина линии поперек минимального размера проточного канала 210, при рассмотрении перпендикулярно к протоку. Например, если проточный канал 210 является круглым в поперечном сечении, то просвет канала представляет собой внутренний диаметр окружности. Однако если просвет канала является прямоугольным в поперечном сечении, то просвет потока представляет собой расстояние по линии, перпендикулярной двум самым длинным сторонам прямоугольника и соединяющей их (т.е. длину самой малой стороны прямоугольника).

Следует отметить, что основные проточные каналы 210 могут быть с любой конфигурацией поперечного сечения или геометрического профиля. На фиг. 2А и 2В основные проточные каналы 210 являются звездообразными. Независимо от формы предпочтительно, чтобы отношение объема адсорбентного материала к объему проточного канала в адсорбентном контакторе 100 составляло от приблизительно 0,5:1 до приблизительно 100:1 и более предпочтительно от приблизительно 1:1 до приблизительно 50:1.

В некоторых вариантах применения переменного давления, в частности в вариантах применения с КСР8А, проточные каналы сформированы, когда листы адсорбента наслоены друг на друга. Проточные каналы внутри листов будут содержать прокладку или сетку, которая действует в качестве прокладки. Однако прокладки занимают весьма необходимое пространство. Поэтому наслоенные друг на друга листы не являются желательными в настоящем контакторе 100 и связанных с ним способах.

Вместо наслоенных листов множество малых поперечных проточных каналов может быть выполнено механической обработкой через адсорбентные стержни. Фиг. 3 представляет вид в перспективе адсорбентного стержня 300 в емкости для адсорбции с переменным давлением согласно фиг. 1, в модифицированной компоновке. Адсорбентный слой 300 имеет наружную поверхность 305. Наружной поверхности 305 приданы размеры для установки вдоль по внутреннему диаметру корпуса 105 емкости 100 согласно фиг. 1.

Основные проточные каналы 310 предусмотрены внутри монолитного адсорбентного материала 315. Основные проточные каналы 310 сформированы вдоль основной оси адсорбентного слоя 300. Однако для дополнительного увеличения площади поверхности вдоль адсорбентных стержней сквозь монолитный материал 315 сформированы малые поперечные каналы 320. Эти каналы служат в качестве второстепенных проточных каналов 320.

Второстепенные проточные каналы 320 могут представлять собой очень маленькие трубчатые каналы, например, имеющие диаметр менее чем приблизительно 25 мкм. Второстепенные проточные каналы 320 не являются настолько большими, чтобы полностью отделить адсорбентный стержень 315. Этим путем избегают необходимости в опорных прокладках.

Второстепенные проточные каналы 320 упрощают выравнивание давления между основными проточными каналами 310. Как производительность, так и чистота газа могут пострадать, если имеет место чрезмерное несоответствие канала. В этом отношении, если один проточный канал является более крупным, чем соседний проточный канал, или принимает больше газового потока, чем другой, может происходить преждевременный прорыв продукта. В свою очередь, это ведет к снижению чистоты продуктового газа до неприемлемых уровней чистоты. Более того, устройства, работающие при частотах циклов более чем приблизительно 50 циклов в минуту (срт), требуют повышенной равномерности проточных каналов и меньшего падения давления, чем устройства, действующие при меньшем числе циклов в минуту.

Возвращаясь теперь к фиг. 1 и 2, емкость 100 на фиг. 1 показана как цилиндр, и адсорбентные стержни 215 в нем показаны в виде трубчатых элементов. Однако могут быть применены другие формы, которые пригодны для использования в оборудовании для способа адсорбции с переменными условиями. Неограничивающие примеры компоновок емкости включают разнообразно оформленные монолиты, имеющие множество, по существу, параллельных каналов, проходящих от одного конца монолита до другого; множество трубчатых элементов; уложенных в слои из листов адсорбентов с прокладками между каждым листом; многослойные спиральные рулоны или связки из пустотелых волокон, а также пачки из, по существу, параллельных твердых волокон.

Фиг. 4 представляет вид поперечного сечения емкости 400 для адсорбции с переменным давлением, в альтернативной компоновке. В этой компоновке емкость 400 является полукруглым. Емкость 400, опять же, определяет удлиненное тело под давлением. Емкость 400 включает в себя корпус 401. Корпус 401 предпочтительно изготовлен из железа или стали.

Емкость 400 имеет первый конец, показанный на позиции 402, и второй конец, показанный на позиции 404. Впуск 410 для газа предусмотрен на первом конце 402, тогда как первый выпуск 430 для газа предусмотрен на втором конце 404. Необязательно, второй выпуск 420 для газа предусмотрен в промежутке между первым концом 402 и вторым концом 404, или между впуском 410 для газа и первым выпуском 430 для газа.

Вдоль основной оси емкости 400 обеспечено множество адсорбентных стержней 415. Иначе говоря, стержни 415 (или волокна) согласуются с криволинейной формой емкости 400. Внутри емкости 400 и

- 9 023206 вдоль ее внутренней поверхности также предпочтительно обеспечено адсорбентное кольцо 405. Между адсорбентными стержнями 415 находятся основные проточные каналы 450. Дегидратированный поток сырого газа протекает через основные проточные каналы 450 для разделения газов.

На фиг. 4 показаны пять адсорбентных стержней 415; однако понятно, что емкость 400 будет содержать десятки или даже сотни, или даже несколько тысяч малых стержней 415. Основные проточные каналы 450 между стержнями 415 предпочтительно имеют диаметр от 50 до 100 мкм.

Будет понятно, что с компоновкой согласно фиг. 4 отдельные параллельные коллекторы с гнездами для интерфейса с клапанной системой (такой как интерфейс с поворотной или неповоротной клапанной системой) могут быть выполнены на обеих сторонах многочисленных держателей адсорбента, тем самым обеспечивая циклический режим для адсорбентного материала без использования пустых соединительных труб, которые создают мертвые объемы. Также понятно, что местоположение проточных каналов 450 и стержней 415 может быть противоположным, как продемонстрировано в фиг. 3.

В емкости 400 согласно фиг. 4 также предусмотрены второстепенные проточные каналы. Они могут соответствовать поперечным каналам 220 фиг. 2В, ступенчатым (или спиральным) поверхностям 225 фиг. 2С или и тем и другим. В любой из этих компоновок адсорбентный материал может быть нанесен в виде покрытия на емкость 200/400 и на стержни 215/415. В альтернативном варианте стержни 215/415 могут быть сформированы непосредственно из адсорбентного материала с помощью подходящего связующего средства. Одним примером геометрической формы, выполненной непосредственно из адсорбента плюс связующего средства, была бы экструзия цеолит/полимерного композита в монолит. Еще одним примером геометрической формы, выполненной непосредственно из адсорбента, были бы экструдированные или сформованные пустотелые волокна, сделанные из цеолит/полимерного композита.

В предпочтительном способе адсорбции с переменным давлением газообразную смесь пропускают над первым адсорбционным слоем в первой емкости. Обогащенный легким компонентом продуктовый поток выходит из истощенного слоя, в то время как загрязнение, или тяжелый компонент, остается адсорбированным в слое. Спустя предварительно заданное время или, альтернативно, когда наблюдается прорыв загрязнения или тяжелого компонента, поток газообразной смеси переключают на второй адсорбционный слой во второй емкости для продолжения очистки. В то время как второй слой находится в эксплуатационном режиме адсорбции, сорбированное загрязнение, или тяжелый компонент, удаляют из первого адсорбционного слоя снижением давления. В некоторых вариантах исполнения снижение давления сопровождается реверсированным протеканием газа для содействия десорбции тяжелого компонента. Когда давление в емкостях снижается, тяжелый компонент, ранее адсорбированный в слое, постепенно десорбируется в продуктовый поток, обогащенный тяжелым компонентом. Когда десорбция завершается, слой сорбента может быть продут потоком инертного газа, такого как азот или потоком очищенного технологического газа.

После того как первый слой был регенерирован так, чтобы быть опять готовым для эксплуатационного режима адсорбции, поток газообразной смеси переводят из второго слоя на первый слой, и второй слой подвергают регенерации. Общая продолжительность цикла представляет собой промежуток времени от момента, когда газообразная смесь впервые проводится через первый слой в первом цикле, до момента времени, когда газообразная смесь впервые проходит в первый слой в непосредственно последующем цикле, т.е. после однократной регенерации первого слоя. Применение третьей, четвертой, пятой и т.д. емкостей в дополнение ко второй емкости может служить для увеличения продолжительности цикла, когда продолжительность адсорбционного цикла для слоя является более короткой, чем продолжительности циклов для десорбции и циклов продувки слоя.

Для иллюстрации применения контактной емкости 100 представлены примеры, основанные на модели способа кинетической короткоцикловой адсорбции с переменным давлением (К.СР8А). Эта модель называется стационарным состоянием непрерывного противотока (ССЗ). В примерах в виртуальную емкость вводится сырьевой поток, содержащий водород, метан и диоксид углерода. Затем выводятся два отдельных продуктовых потока - один представляет продуктовый поток (1) после загрузки адсорбента, и другой представляет продуктовый поток (2) после продувки или выдувания.

ССЗ-модель обеспечивает возможность расчета состава отдельных продуктовых потоков, выходящих из установки для К.СР8А, когда способ достигает своих периодических стационарных состояний. Представление ССЗ основывается на наблюдении, что в периодическом состоянии способ К.СР8А производит продукты с постоянным составом (т.е. с чистотой). В пределах любого индивидуального цикла нагрузка (т.е. адсорбированное вещество) на адсорбентный слой колеблется между двумя фиксированными пределами для продуктовых потоков. При моделировании ССЗ рассчитывают аксиальные профили периодических состояний и составов продуктов, как решение одновременных дифференциальных уравнений. Модель обсуждалась в технической литературе, такой как в работах авторов М. Зи/икк АКТЕ Зутрозшт (Симпозиум Американского института инженеров-химиков), §ег.81 (242), с. 67, (1985); и Рагооц и Ршйуеп. АКТЕ 1., 36 (2), с.310, (1990).

С использованием этого подхода продемонстрированы примеры разделений газообразных компонентов.

- 10 023206

Пример 1.

Кинетическое разделение с использованием нетепловой ΡδΑ с переменным давлением (т.е. без теплового этапа) сначала показано в табл. 1. Разделение предусматривает регенерацию СО₂ и СН₄ с высокой чистотой из сырьевого потока, содержащего СО₂, СН₄ и Н₂.

При этом разделении сырьевой поток содержит по объему 25% СО₂, 72% СН₄, и остальное количество 3,0% Н₂. Компоненты разделены кинетической сепарацией на адсорбентном материале, таком как углеродные молекулярные сита Такеба 3А. Во время адсорбции диоксид углерода адсорбируется на молекулярных ситах, тогда как метан и водород выведены в качестве первого продукта.

Как можно видеть в табл. 1, первый продукт, указанный в колонке продуктовый поток (1), содержит 95,08% СН₄. Он представляет собой высокочистый поток. Второй продукт, указанный в колонке продуктовый поток (2), регенерирован во время цикла продувки. Продуктовый поток (2) содержит 99,76% СО2 по объему. Он также представляет собой высокочистый поток.

Таблица 1. Пример кинетического КСР8Л-фракционирования с высокочистыми продуктами

Мольные %	Сырьевой Поток	Продуктовый поток (1)	Продуктовый поток (2)
н2	3,0	3,96	0,00
сн4	72, 0	95,08	0,24
со2	25, 0	0, 95	99, 76

Уровни чистоты и степени регенерации, продемонстрированные в табл. 1, являются сравнимыми с теми, которые, предположительно, были достигнуты авторами Игаио и др., как опубликовано в патентном документе ЕР 0426937 в 1991 году. Этот Европейский патент был получен совместно фирмами 5>;иЬо Сак Со., Ыб и ΜίΙδιώίδΙιί Ре1госНет1са1 Епдшеегшд Со., Ыб. Авторы Игаио и др. заявили следующие результаты разделения (ЕР 0426937).

Таблица 2

Мольные %	Сырьевой Поток	Продуктовый поток {1)	Продуктовый поток (2)
Н2	2, 7	3,61	0, 00
сн4	72, 1	95,05	1, 03
со2	25, 2	0,34	98,97

Однако авторы Игаио и др. основывались на тепловом этапе. Напротив, данный способ, с использованием короткоцикловой кинетики, способен обеспечить, по существу, такие же результаты разделения без применения переменной температуры во время регенерации. Соответственно, нет необходимости в теплообменнике и связанном с ним оборудовании, которое требуется для авторов Игаио и др. Данный способ может обеспечить преимущество большего массопереноса и кинетического циклического способа при меньшем оборудовании.

Пример 2.

Здесь также приведен второй пример разделения газообразных компонентов. В этом дополнительном примере опять представлено кинетическое разделение с использованием нетепловой ΡδΆ с переменным давлением (т.е. без теплового этапа) с результатами, показанными в табл. 3. Разделение предусматривает регенерацию СО2 и СН4 с высокой чистотой из сырьевого потока, содержащего СО2, СН4 и Н.

При этом разделении сырьевой поток содержит по объему 50,0% СО2, 48,5% СН4, и остальное количество 1,5% Н₂. Здесь следует отметить, что сырьевой поток в этом примере 2 содержит удвоенное относительное количество СО2 по сравнению с примером 1. Компоненты, опять же, разделены кинетической сепарацией на адсорбентном материале, таком как углеродные молекулярные сита Такеба 3А. Во время адсорбции диоксид углерода адсорбируется на молекулярных ситах, тогда как метан и водород выводятся в качестве первого продукта.

Первый продукт, указанный в колонке продуктовый поток (1), содержит 96,04% СН₄. Он представляет собой высокочистый поток. Второй продукт, указанный в колонке продуктовый поток (2), регенерирован во время цикла продувки. Как показано в табл. 2, продуктовый поток (2) содержит 99,95% СО2 по объему. Он также представляет собой высокочистый поток.

Опять же, уровни чистоты в табл. 3 подобны тем, которые достигнуты авторами Игаио и др., показанными в табл. 2. Однако представленный способ с использованием короткоцикловой кинетики способен обеспечить, по существу, такие же результаты разделения без применения теплового этапа и связанного с этим оборудования, которое требуется для авторов Игаио и др.

- 11 023206

Таблица 3. Пример кинетического КСР8Л-фракционирования с многочисленными высокочистыми продуктами

Мольные %	Сырьевой Поток	Продуктовый поток (1)	Продуктовый поток (2)
Н2	1, 5	2,97	0, 00
сн4	48, 5	96, 04	0, 05
со2	50, 0	0, 99	99,95

Для прогнозирования разделения компонентов и для проектирования Р8Л-контактора также может быть использована специальная модель. Эта модель основывается на изотерме адсорбции. В этом отношении для хорошо спроектированных способов кинетически контролируемой адсорбции при переменных условиях количество тяжелого компонента в микропорах адсорбционного материала может быть приблизительно рассчитано по изотерме адсорбции тяжелого компонента в равновесии с его локальной концентрацией в газовой фазе в контакторе. Подобным образом, для хорошо спроектированного способа контролируемой равновесной адсорбции при переменных условиях количество тяжелого компонента в микропорах может быть приблизительно рассчитано по изотерме конкурирующей адсорбции тяжелого и легкого компонентов в равновесии с их локальной концентрацией в газовой фазе в контакторе. Эти приближения возможны постольку, поскольку в хорошо спроектированных способах адсорбции при переменных условиях контактор обеспечивает хорошие характеристики массопереноса между газовой фазой и адсорбированной фазой в микропорах контактора.

Максимально достижимая концентрация тяжелого компонента в макропорах или свободном объеме контактора обозначается су (единицами для су являются ммоль/м³ микропористого или полимерного материала). При низких давлениях изотерма адсорбции для тяжелого компонента обычно подчиняется закону Генри. Поэтому количество тяжелого компонента, адсорбированного в микропористом или полимерном материале, может быть представлено как

ЛНеауу=^КНеауу^РНеауубз ^{(ммоль/м} ), где Кц_е,|>у представляет константу Генри, и

Р_Неау_У представляет парциальное давление тяжелого компонента.

Константа Генри (К_Неауу) зависит от температуры, и обычно варьируется согласно уравнению ^КНеауу Ко е(АН/КТ) (Па^-1), где К_о представляет предэкспоненциальный множитель, и

АН представляет теплоту адсорбции (Дж/моль).

Для повышения селективности и регенерации в способе кинетически контролируемой адсорбции с переменными условиями температура и давление на впуске должны быть выбраны так, что в конце этапа адсорбции концентрация тяжелого компонента в микропорах вблизи точки, где сырьевой поток вводится в контактор, должна быть больше чем 0,15 су, и предпочтительно больше чем 0,3 су. и еще более предпочтительно больше чем 0,6 су. Это требование устанавливает нижний предел для давления на впуске и максимальный предел для температуры на впуске. По мере повышения концентрации тяжелого компонента в микропорах адсорбента количество вещества, которое селективно адсорбировано в контакторе, возрастает, и увеличивается количество вещества, которое может быть селективно выведено на этапе десорбции. Повышение концентрации значительно выше этого диапазона сокращает регенерация легкого компонента, поскольку наклон изотермы адсорбции проявляет тенденцию к снижению с повышением давления.

Чтобы довести до максимума регенерацию легкого компонента, также предпочтительно, чтобы вблизи точки, в которой сырьевой поток вводится в контактор, наклон изотермы адсорбции для тяжелого компонента являлся достаточно большим, чтобы

Шфяеауу// где α=1/50, или более предпочтительно α=1/25, или еще более предпочтительно α=1/8.

Это неравенство устанавливает максимальный предел для давления на впуске и минимальный предел для температуры на впуске. По существу, эти требования определяют интервал (т.е. максимум и минимум) для давления и температуры сырьевого потока, в котором регенерация легкого компонента оптимизирована. Этот интервал является важным при разделении природного газа, поскольку некоторый природный газ обычно добывают при давлениях, в диапазоне от 1500 до 7000 фунт/кв. дюйм. Эти давления подводимого сырья обычно являются слишком высокими, чтобы попадать в пределы интервала оптимальной регенерации метана, который действует как легкий компонент в разделении путем адсорбции при переменных условиях.

Здесь следует отметить, что эффективный коэффициент диффузии, или селективность, может быть выражен таким образом, который принимает во внимание как собственный коэффициент диффузии, так и наклон равновесной изотермы. Наклоном равновесной изотермы является

Дд/Дс, где Ад представляет изменение концентрации компонента; и

- 12 023206

Дс представляет изменение концентрации этого компонента.

Этот наклон идентичен константе Г енри при низких концентрациях компонента.

Эффективный коэффициент диффузии (или селективность адсорбента для вещества 1 в предпочтение перед веществом 2, где вещество 1 является тяжелым - например СО₂, и вещество 2 является легким, например СН₄) может быть выведен со следующим результатом:

(Ό1/Ώ2)χ(δ1ορ€2/δ1ορ€ΐ)², где Ό1 представляет коэффициент диффузии тяжелого вещества;

Ό2 представляет коэффициент диффузии легкого вещества;

(Ό1/Ο2) представляет собственный коэффициент диффузии, измеряющий разность в скоростях поглощения для обсуждаемых кинетических адсорбентов. Это значение может быть порядка от 100 до 500, и, возможно, гораздо выше.

δ1ορο2 представляет изменение концентрации легкого вещества. δίορβ 1 представляет изменение концентрации тяжелого вещества.

Установившееся значение соотношения наклонов (δ1ορβ2/δ1ορ€1) (с использованием типичной области Генри) составляет величину порядка 0,3 для обсуждаемых кинетических адсорбентов. Поэтому селективность составляет величину порядка 100x0,3x0,3=9. Следует отметить, что, если легкое вещество становится еще менее склонным к адсорбции (т.е. δ1ορο2 снижается), его значение Ό2 также сокращается, отражая пониженное поглощение.

Можно обеспечить оптимальный интервал регенерации легкого компонента для большинства ситуаций отделения тяжелого компонента (такого как СО₂, Ν₂ и Η₂δ) предварительной обработкой природного газа с помощью турбодетандера. Турбодетандер регенерирует энергию от расширения газа. Энергия, регенерированная при расширении газа, может быть затем использована для выработки электроэнергии или для содействия повторному сжатию отделенных компонентов кислого газа (таких как СО₂ или Η₂δ), так что они могут быть размещены в подземные пласты. Подземные пласты, которые пригодны для утилизации/секвестрации СО₂ и Η₂δ, включают водоносные слои, которые имеют верхнее уплотнение предотвращающее существенную утечку нагнетаемых компонентов кислых газов, нефтеносные пласты, газоносные пласты, истощенные нефтеносные пласты и истощенные газоносные пласты.

Как правило, для нагнетания кислого газа отделенные СО2 и Η2δ должны быть подвергнуты повторному сжатию до давлений, превышающих 2000 фунт/кв. дюйм, и часто давлений свыше 5000 фунт/кв. дюйм. Таким образом, является полезной возможность повторного использования энергии регенерированной турбодетандером для повторного сжатия. Стоимость турбодетандера является меньшей, чем газовой турбины, производящей такое же количество электроэнергии. По существу, является экономически выгодным применение турбодетандера для сбора энергии от расширения газа, используемого для кондиционирования природного газа для оптимального интервала регенерации метана. Энергия может быть регенерирована с помощью либо соединенного валом электрического генератора, либо соединенного валом компрессора.

На основе вышеописанной технологии и усовершенствованных контактных емкостей 100, 600А и 600В, здесь представлены способы 500 выделения метана из смеси природного газа. Фиг. 5 представляет блок-схему, демонстрирующую этапы способов 500 отделения метана из смеси природного газа. В способах 500 используют адсорбцию с переменными давлением в одной или более емкостях, без теплового нагрева емкости во время цикла продувки.

Как используемый в способах 500, термин адсорбция с переменным давлением включает в себя традиционную адсорбцию с переменным давлением (ΡδΑ), а также технологии так называемой адсорбции с переменным парциальным давлением (ΡΡδΑ) или с очисткой вытеснением. Способы адсорбции с переменными условиями, необязательно, могут быть проведены в короткоцикловом режиме, в каковом случае они называются технологиями короткоцикловой адсорбции с циклическим переменным давлением (ΚΟΡδΑ), и короткоцикловой адсорбции с переменным парциальным (ΚΟΡΡδΑ) давлением, или адсорбции с очисткой вытеснением.

Способы 500 прежде всего включают этап направления смеси природного газа в блок для разделения газа. Это представлено в блоке 510. Блок для разделения газа включает в себя по меньшей мере одну емкость для адсорбции с переменным давлением. В емкости применяют адсорбентный материал, обладающий кинетической селективностью для загрязнений, относительно метана, которая составляет более

5. Загрязнения могут представлять собой СО₂, Η₂δ, ЩО, тяжелые углеводороды, летучие органические соединения (УОС) или их комбинации.

Каждая емкость имеет впуск для газа и первый выпуск для газа. В дополнение, каждая емкость имеет по меньшей мере два основных проточных канала через адсорбентный материал. Основные проточные каналы обеспечивают сообщение по текучей среде между впуском для газа и первым выпуском для газа.

Емкости являются уникальными в том отношении, что они также включают в себя по меньшей мере два второстепенных проточных канала через адсорбентный материал. Второстепенные проточные каналы находятся в сообщении по текучей среде с основными каналами. Второстепенные проточные

- 13 023206 каналы увеличивают площадь поверхности адсорбентного материала, тем самым повышая адсорбционную способность.

В некоторых вариантах исполнения каждый из по меньшей мере двух основных проточных каналов сформирован из множества стержней и/или вдоль их основной оси. Стержни разнесены, по существу, на равное расстояние друг от друга, обеспечивая проточные каналы, по существу, с равномерным объемом потока. В этом варианте исполнения по меньшей мере два второстепенных проточных канала могут быть сформированы множеством ступенчатых поверхностей вдоль соответствующих стержней, или спиральными поверхностями. В альтернативном варианте по меньшей мере два второстепенных проточных канала сформированы проточными каналами, которые пересекают по меньшей мере два основных проточных канала, и которые обеспечивают сообщение по текучей среде между впуском для газа и вторым выпуском для газа. По меньшей мере два второстепенных проточных канала предпочтительно, по существу, поперечны по меньшей мере к двум основным проточным каналам.

Способы 500 также включают в себя этап помещения по меньшей мере одной емкости под давление, чтобы вызвать адсорбирование загрязнений в смеси природного газа на абсорбентном материале. Это видно в блоке 520. В соответствии со способами 500 загрязнения в смеси природного газа становятся кинетически адсорбированными в газовой фазе внутри адсорбентного материала. Загрязнения под давлением удерживаются в поверхностях и микропорах адсорбентного материала.

Способы 500 дополнительно включают в себя этап выведения продуктового потока, содержащий по меньшей мере 95% метана по объему, из первого выпуска для газа в емкости. Это показано в блоке 530. В то время как продуктовый поток главным образом содержит метан, он также может содержать водород, азот или их комбинации.

Способы 500 также включают в себя этапы десорбирования или продувки газообразных загрязнений из адсорбентного материала. Это выполняют снижением давления внутри емкости. Этап десорбции представлен в блоке 540. Этап, на котором выполняют десорбцию согласно блоку 540, выполняют без подведения тепла к емкости. На этапе десорбции блока 540, выводят поток отходящего газа, который включает по меньшей мере 95% по объему загрязнений или газов.

Этапы, на которых проводят сорбцию 520 и десорбцию 540, предпочтительно происходят в комбинированном цикле менее чем за одну минуту. В этом случае способ 500 обеспечивает способ короткоцикловой адсорбции с переменным давлением. В КСР8А-контакторах может быть использована поворотная клапанная система для проведения газового потока через поворотный адсорберный модуль, хотя также может быть использована неповоротная клапанная система. Адсорберный модуль включает в себя клапанные элементы, разнесенные под углом вокруг круговой траектории. Поворотный адсорберный модуль обычно также включает в себя многочисленные трубопроводы, удерживаемые между двумя уплотнительными пластинами на каждом конце модуля. Уплотнительные пластины находятся в контакте со статором, содержащим отдельные коллекторы, в которых поступающий газ проводится в КСР8Атрубы и обработанный очищенный продуктовый газ выводится наружу из модуля. При надлежащей компоновке уплотнительных пластин и коллекторов ряд индивидуальных отсеков или труб может проходить через цикл. Более конкретно, каждую трубу или отсек последовательно пропускают по пути газового потока в надлежащем направлении и под давлением для достижения одного из пошаговых этапов создания давления/направления потока в полном КСР8А-цикле. Трубы или отсеки могут быть либо подвижными, либо стационарными, для создания клапанной системы.

Предпочтительно, чтобы способы 500 были проведены с использованием технологии КСР8А. В КСР8А каждая из труб последовательно вовлекается в цикл с проведением этапов сорбции 520 и десорбции 540, когда поворотный модуль завершает рабочий цикл. Циклический способ обеспечивает возможность более эффективного использования адсорбентного материала в КСР8А-технологии. Количество адсорбентного материала, требуемого для КСР8А-технологии, может быть гораздо меньшим, чем требуется для традиционной Р§А-технологии, для достижения таких же объемов и качества разделения. В результате занимаемая производственная площадь, капиталовложения и количество активного адсорбента, требуемые для КСР8А, обычно являются значительно более низкими, чем для традиционного блока Р8А, обрабатывающего эквивалентное количество газа.

Возвращаясь к этапу 540, для десорбции диоксида углерода (или другого загрязняющего газа) из адсорбентного материала, поток отходящего газа может быть выведен через впуск для газа. В альтернативном варианте клапанная система может быть расположена так, что поток отходящего газа выводится через первый выпуск для газа. В одном аспекте по меньшей мере одна адсорбционная емкость дополнительно включает в себя второй выпуск для газа в промежутке между впуском для газа и первым выпуском для газа. В этом случае десорбция загрязняющих газов согласно блоку 540 может выводить первую часть потока отходящего газа из первого выпуска для газа, и вторую часть потока отходящего газа из второго выпуска для газа.

В некоторых вариантах исполнения способов 500, этап 540 десорбции загрязняющих газов, содержит этап выведения первой части потока отходящего газа в течение первого периода времени, и второй части потока отходящего газа в течение второго периода времени. Первая часть потока отходящего газа может содержать по меньшей мере 98% СО₂ по объему. Вторая часть потока отходящего газа может со- 14 023206 держать главным образом азот, водород, метан, Н₂О или их комбинации. Следует отметить, что конкретный порядок выведения газов может быть обратным или управляемым.

В некоторых вариантах исполнения способы 500 дополнительно включают в себя этап, на котором выбирают ионную текучую среду в качестве абсорбента. Это показано в блоке 550. Ионную текучую среду используют для усиления адсорбционных свойств адсорбентного материала. Тогда способы 500 включают в себя этап помещения выбранной ионной текучей среды на поверхности адсорбентного материала вдоль основных и/или второстепенных проточных каналов, прежде чем направляют смесь природного газа в выпуск для газа. Это представлено в блоке 560. Ионную жидкость можно рассматривать как вариант жидкостной фазы катионообменного цеолита.

В еще одном аспекте способы 500 дополнительно включают в себя этап, на котором прикладывают магнитное поле к адсорбентному материалу в емкости. Это показано в блоке 570. Магнитное поле активирует ферромагнитный материал, который может быть размещен вдоль адсорбентных стержней, по существу, заставляя стержни отталкиваться друг от друга. Это, в свою очередь, создает равномерные проточные каналы для сырьевого потока.

Использованием адсорбентного материала, формирующего удлиненные основные оси течения, настоящие способы в состоянии обеспечить регенерацию метана на уровне более чем приблизительно 80% по объему, предпочтительнее более чем приблизительно 85% по объему, еще более предпочтительно свыше приблизительно 90% по объему и наиболее предпочтительно еще больше чем приблизительно 95% по объему, даже когда природный газ подают при высоких давлениях, таких как входные давления более чем около 50 фунт/ кв. дюйм, предпочтительно при давлениях на впуске более чем приблизительно 150 фунт/кв. дюйм, более предпочтительно при давлениях на впуске более чем приблизительно 500 фунт/кв. дюйм, еще более предпочтительно при давлениях на впуске более чем приблизительно 1000 фунт/кв. дюйм. Действительно, настоящий способ может быть использован, даже когда поток газа находится при исключительно высоком давлении приблизительно 3000 фунт/кв. дюйм.

При этом будет очевидно, что описанные здесь изобретения хорошо рассчитаны для достижения изложенных выше полезных результатов и преимуществ, будет понятно, что изобретения восприимчивы к модификациям, вариациям и изменению без выхода за пределы их смысла.

Claims (32)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ отделения метана от смеси природного газа, содержащий этапы, на которых направляют смесь природного газа в блок для разделения газа, причем блок для разделения газа содержит по меньшей мере одну емкость, содержащую впуск для газа для приема смеси природного газа, первый выпуск для газа, адсорбентный материал, который обладает кинетической селективностью для загрязняющих газов относительно метана свыше 5, так что загрязняющие газы кинетически адсорбируются в адсорбентном материале, по меньшей мере два основных проточных канала через адсорбентный материал, обеспечивающие сообщение по текучей среде между впуском для газа и первым выпуском для газа, и по меньшей мере один второстепенный проточный канал через адсорбентный материал, причем второстепенные проточные каналы находятся в сообщении по текучей среде с основными проточными каналами;

   повышают в упомянутой по меньшей мере одной емкости давление, чтобы адсорбировать загрязняющие газы в адсорбентном материале;

   выводят продуктовый поток, содержащий по меньшей мере 95% метана по объему, из первого выпуска для газа и десорбируют загрязняющие газы из адсорбентного материала снижением давления внутри упомянутой по меньшей мере одной емкости без подведения тепла к емкости, тем самым выводя поток отходящего газа, содержащий по меньшей мере 95% загрязняющих газов по объему.
2. 2. Способ по п.1, в котором загрязняющие газы содержат СО₂, Н₂§, Н₂О, тяжелые углеводороды, летучие органические соединения (УОС), меркаптаны или их комбинации.
3. 3. Способ по п.2, в котором по меньшей мере одна емкость выполнена для выведения потока отходящего газа через впуск для газа.
4. 4. Способ по п.2, в котором по меньшей мере одна емкость выполнена для выведения потока отходящего газа через выпуск для газа.
5. 5. Способ по п.2, в котором по меньшей мере одна адсорбционная емкость дополнительно содержит второй выпуск для газа в промежутке между впуском для газа и первым выпуском для газа; и десорбируют загрязняющие газы, выводя первую часть потока отходящего газа из первого выпуска для газа и вторую часть потока отходящего газа из второго выпуска для газа.
6. 6. Способ по п.2, в котором

   - 15 023206 емкость дополнительно содержит множество стержней;

   каждый по меньшей мере из двух основных проточных каналов сформирован между и вдоль основной оси множества стержней; и множество стержней разнесены, по существу, на равные расстояния друг от друга, обеспечивая основные проточные каналы, по существу, с равномерным объемом.
7. 7. Способ по п.6, в котором по меньшей мере один второстепенный проточный канал сформирован множеством ступенчатых поверхностей вдоль соответствующих стержней.
8. 8. Способ по п.6, в котором каждый из множества стержней содержит отверстие в нем;

   каждый из множества стержней содержит ферромагнитный материал, размещенный вдоль отверстия; и способ дополнительно содержит этап, на котором прикладывают магнитное поле к множеству стержней для создания равномерного разнесения множества стержней.
9. 9. Способ по п.6, дополнительно содержащий этапы, на которых выбирают ионную текучую среду в качестве абсорбента для усиления адсорбционных свойств адсорбентного материала; и покрывают ступенчатые поверхности выбранной ионной текучей средой перед направлением смеси природного газа во впуск для газа.
10. 10. Способ по п.6, в котором по меньшей мере одна адсорбционная емкость дополнительно содержит второй выпуск для газа в промежутке между впуском для газа и первым выпуском для газа; и по меньшей мере один второстепенный проточный канал сформирован проточными каналами, которые пересекают по меньшей мере два основных проточных канала и которые обеспечивают сообщение по текучей среде между впуском для газа и вторым выпуском для газа.
11. 11. Способ по п.10, в котором по меньшей мере один второстепенный проточный канал является поперечным по меньшей мере к двум основными проточным каналам.
12. 12. Способ по п.2, в котором десорбируют загрязняющие газы, выводя первую часть потока отходящего газа в течение первого периода времени и вторую часть потока отходящего газа в течение второго периода времени.
13. 13. Способ по п.12, в котором первая часть потока отходящего газа содержит по меньшей мере 98 об.% СО2.
14. 14. Способ по п.13, в котором вторая часть потока отходящего газа содержит азот, водород, метан, Н2О или их комбинации.
15. 15. Способ по п.2, в котором этапы выведения и десорбции проводят в комбинированном цикле в течение менее одной минуты.
16. 16. Способ по п.2, который дополнительно содержит круглое кольцо, выполненное из адсорбентного материала и размещенное вдоль внутреннего диаметра по меньшей мере одной емкости.
17. 17. Способ по п.2, в котором адсорбентный материал представляет собой монолитное тело, имеющее продольные сквозные отверстия, формирующие по меньшей мере два основных проточных канала.
18. 18. Способ по п.2, дополнительно содержащий этапы, на которых дегидратируют смесь природного газа перед направлением смеси природного газа в блок для разделения газа.
19. 19. Фракционирующая емкость для реализации способа отделения метана от смеси природного газа по любому из пп.1-18, содержащая корпус;

    впуск для газа, принимающий смесь природного газа в корпус под давлением по меньшей мере 100 фунт/кв.дюйм;

    первый выпуск для газа для выведения по меньшей мере части смеси природного газа из корпуса; адсорбентный материал внутри корпуса, причем адсорбентный материал обладает кинетической селективностью для загрязняющих газов относительно метана свыше 5 для кинетической адсорбции загрязняющих газов в адсорбентном материале в газовой фазе;

    по меньшей мере два основных проточных канала через адсорбентный материал, причем данные по меньшей мере два основных проточных канала обеспечивают сообщение по текучей среде между впуском для газа и первым выпуском для газа; и по меньшей мере один второстепенный проточный канал через адсорбентный материал, причем данный по меньшей мере один второстепенный проточный канал находится в сообщении по текучей среде с основными каналами.
20. 20. Фракционирующая емкость по п.19, дополнительно содержащая коллектор для выполнения циклической обработки смеси природного газа в последовательных этапах выведения и десорбции в комбинированном цикле в течение менее одной минуты, причем упомянутый коллектор содержит интерфейс клапанной системы.
21. 21. Фракционирующая емкость по п.20, в которой интерфейсы клапанной системы содержат вращающиеся клапаны, невращающиеся клапаны или их комбинации.

    - 16 023206
22. 22. Фракционирующая емкость по п.20, в которой интерфейсы клапанной системы взаимосвязаны с другими фракционирующими емкостями для формирования системы адсорбции при переменном давлении, содержащей по меньшей мере один эксплуатационный слой, обеспечивающий адсорбцию, по меньшей мере один слой в режиме регенерации, подвергаемый снижению давления, и по меньшей мере один регенерированный слой, находящийся в резерве для использования в адсорбционной системе, когда по меньшей мере один эксплуатационный слой становится, по существу, насыщенным.
23. 23. Фракционирующая емкость по п.19, дополнительно содержащая второй выпуск для газа, промежуточный между впуском для газа и первым выпуском для газа, для выведения части потока отходящего газа, когда емкость находится в режиме десорбции.
24. 24. Фракционирующая емкость по п.23, в которой второй выпуск для газа является, по существу, перпендикулярным к основным проточным каналам.
25. 25. Фракционирующая емкость по п.19, в которой по меньшей мере один второстепенный проточный канал сформирован проточными каналами, которые пересекают по меньшей мере два основных проточных канала и которые обеспечивают сообщение по текучей среде между впуском для газа и вторым выпуском для газа.
26. 26. Фракционирующая емкость по п.19, в которой каждый по меньшей мере из двух основных проточных каналов сформирован вдоль основной оси из множества стержней; и множество стержней разнесены, по существу, на равные расстояния друг от друга, обеспечивая основные проточные каналы, по существу, с равномерным объемом.
27. 27. Фракционирующая емкость по п.26, в которой по меньшей мере два второстепенных проточных канала сформированы множеством ступенчатых поверхностей вдоль соответствующих стержней, спиральными поверхностями вдоль соответствующих стержней или их комбинациями.
28. 28. Фракционирующая емкость по п.26, в которой каждый из множества стержней содержит отверстие в нем; и каждый из множества стержней содержит магнитный материал, размещенный вдоль отверстия.
29. 29. Фракционирующая емкость по п.28, в которой по меньшей мере один второстепенный проточный канал является поперечным по меньшей мере к двум основным проточным каналам.
30. 30. Фракционирующая емкость по п.19, в которой адсорбентный материал содержит наружную поверхность, по меньшей мере, частично покрытую ионной текучей средой для усиления адсорбционных свойств адсорбентного материала.
31. 31. Фракционирующая емкость по п.19, которая содержит круглое кольцо, выполненное из адсорбентного материала и размещенное вдоль внутреннего диаметра емкости.
32. 32. Фракционирующая емкость по п.19, в которой адсорбентный материал представляет собой монолитное тело, имеющее продольные сквозные отверстия, формирующие по меньшей мере два основных проточных канала.