EA026118B1 - Способ удаления загрязняющих примесей из потока углеводородов в циклическом адсорбционном процессе и связанные с этим способом устройство и система - Google Patents

Abstract

Циклический адсорбционный процесс для удаления загрязняющих примесей из газообразного сырьевого потока посредством комбинации селективного адсорбентного материала, содержащего эффективное количество неадсорбирующего наполнителя, конструкции адсорбентного контактора и схемы адсорбционного цикла.

Description

Настоящее изобретение относится к циклическим адсорбционным процессам и оборудованию для удаления загрязняющих примесей из газообразных сырьевых потоков.

Уровень техники

Разделение газов является важным во многих отраслях промышленности и может быть выполнено пропусканием смеси газов над адсорбентным материалом, который предпочтительно поглощает более легко адсорбируемый компонент сравнительно с менее легко адсорбируемым компонентом смеси. Одним из важнейших типов технологий разделения газов является циклический адсорбционный процесс.

В циклических адсорбционных процессах адсорбентный слой регенерируют после адсорбционной стадии с использованием разнообразных методов, включающих изменение давления (при РЗА), изменение вакуумметрического давления (при УЗА), изменение температуры (при ТЗА), продувку (например, переменное парциальное давление (при РРЗА)), и их комбинации. Например, типичный цикл РЗА включает следующие стадии: адсорбцию, сбрасывание давления, продувку и повторное повышение давления. Когда разделение выполняют при высоком давлении, сбрасывание давления и повторное повышение давления (также называемые уравниванием) достигаются в многочисленных стадиях, чтобы уменьшить изменение давления для каждой стадии и повысить производительность процесса. В некоторых циклических адсорбционных процессах, в особенности короткоцикловых процессах, большая доля всей продолжительности цикла затрачивается на регенерацию. Любые сокращения временного интервала для регенерации ведет к меньшей общей продолжительности цикла, что, в свою очередь, обусловливает уменьшение общих габаритов циклической адсорбционной системы.

Стадии сбрасывания давления и повторного повышения давления в циклическом адсорбционном процессе, в котором используют адсорбентные слои, обычно выполняют взаимным соединением слоев друг с другом и созданием возможности выравнивания давления в них между собой. То есть один адсорбентный слой в адсорбционной установке при более высоком давлении соединяют с еще одним адсорбентным слоем при более низком давлении через трубопроводы и клапаны для уравнивания давления в слоях. В крупных РЗА-системах адсорбентные слои не всегда физически размещены поблизости друг от друга, поэтому длина трубопроводов и результирующая продолжительность уравнивания может обусловливать дополнительные задержки в интервале времени цикла. Кроме того, при сообщении адсорбентных слоев между собой циклы в двух адсорбентных слоях должны быть скоординированы так, чтобы первый адсорбентный слой начинал стадию сбрасывания давления точно в то же время, когда второй адсорбентный слой начинает повторное повышение давления. Такая синхронизация циклов представляет собой сложную задачу и дополнительно усложняет эксплуатацию и другие операции.

В качестве альтернативного подхода к этому процессу, в определенных способах применяют резервуар под давлением для улавливания газа, удаленного во время стадии сбрасывания давления, чтобы использовать позднее в процессе. В порядке одного примера, применение внешних резервуаров в установках для циклической абсорбции при переменном давлении было описано в патентах США № 3142547; 3788036; 4340398; 4816039 и 5565018. Однако в этих установках внешний резервуар используют для хранения газа для стадии продувки в цикле. В результате эти источники уровня техники все же допускают зависимость между адсорбентными слоями, которая создает проблему синхронизации циклов для разнообразных адсорбентных слоев. Кроме того, взаимозависимость может приводить к дополнительным простоям при техническом обслуживании одного из адсорбентных слоев в цикле.

В промышленности сохраняется потребность в установках, способах и системах, которые являются более эффективными и которые могут быть сооружены и использованы для интенсификации работы циклических адсорбционных процессов. Существует потребность в способе и системе, которые сокра- 1 026118 щают интервал времени регенерации, что имеет результатом большее производство желательных продуктов для данных габаритов и количества адсорбентных слоев. Кроме того, существует потребность в способе и системе, которые обеспечивают независимую работу каждого слоя, для уменьшения зависимости между адсорбентными слоями, которые составляют часть циклической адсорбционной системы.

Сущность изобретения

Один или более вариантов исполнения относятся к способу удаления загрязняющих примесей из газовых сырьевых потоков на основе циклического адсорбционного процесса. Способ включает стадии, в которых: а) пропускают газообразный сырьевой поток при давлении подачи через блок адсорбентного слоя, имеющий адсорбентный слой для отделения одной или более загрязняющих примесей от газообразного сырьевого потока с образованием потока продукта; Ь) прерывают течение газообразного сырьевого потока; с) выполняют многочисленные стадии сбрасывания давления, причем каждая стадия сбрасывания давления предусматривает пропускание части газа из блока адсорбентного слоя в один или более уравнительных резервуаров, которые специализированы для блока адсорбентного слоя, и стадия сбрасывания давления снижает давление внутри блока адсорбентного слоя; ά) выполняют многочисленные стадии повторного повышения давления, в которых каждая стадия повторного повышения давления включает пропускание части газа из одного или более уравнительных резервуаров, связанных с одной из многочисленных стадий сбрасывания давления, в блок адсорбентного слоя для повышения давления внутри блока адсорбентного слоя; и е) повторяют стадии α)-ά) в течение по меньшей мере одного дополнительного цикла.

В других вариантах исполнения описан сборный узел адсорбентного слоя. Сборный узел адсорбентного слоя может включать корпус, адсорбентный слой, впускной трубопровод, выпускной трубопровод и многочисленные уравнительные резервуары. Корпус может иметь внутреннюю область и конфигурирован для поддержания давления от 0 до 80 бар (0-8 МПа, абсолютных) внутри внутренней области, тогда как адсорбентный слой размещен во внутренней области и имеет многочисленные проточные каналы через адсорбентный слой, причем многочисленные проточные каналы имеют адсорбентный материал, размещенный по меньшей мере на одной поверхности внутри многочисленных проточных каналов. Впускной трубопровод размещен примыкающим к адсорбентному слою и конфигурирован для пропускания потока во внутреннюю область из места, наружного относительно корпуса, тогда как выпускной трубопровод размещен рядом с адсорбентным слоем и конфигурирован для пропускания потока во внутреннюю область из места, наружного относительно корпуса. Многочисленные уравнительные резервуары могут быть в сообщении по текучей среде с внутренней областью и являются специализированными для адсорбентного слоя. Кроме того, по меньшей мере один из многочисленных уравнительных резервуаров может быть конфигурирован для поддерживания корпуса и адсорбентного слоя.

В еще других дополнительных вариантах исполнения описана циклическая адсорбционная система. Циклическая адсорбционная система может включать многочисленные сборные узлы адсорбентных слоев, причем каждый сборный узел адсорбентного слоя включает корпус, имеющий внутреннюю область и конфигурированный для поддержания давления от 0 до 80 бар (0-8 МПа, абсолютных) внутри внутренней области; адсорбентный слой, размещенный во внутренней области и имеющий многочисленные проточные каналы через адсорбентный слой, причем многочисленные проточные каналы имеют адсорбентный материал, размещенный по меньшей мере на одной поверхности внутри многочисленных проточных каналов; впускной трубопровод, размещенный примыкающим к адсорбентному слою и конфигурированный для пропускания потока во внутреннюю область из места, наружного относительно корпуса; выпускной трубопровод, размещенный рядом с адсорбентным слоем и конфигурированный для пропускания потока во внутреннюю область из места, наружного относительно корпуса; и многочисленные уравнительные резервуары в сообщении по текучей среде с внутренней областью и специализированные для адсорбентного слоя.

Способ также может включать другие разнообразные стадии для интенсификации процесса, которые могут быть выполнены наряду со стадиями α)-ά) в интервале времени, меньшем чем около 60 с или меньшем чем около 20 с. Например, способ может включать стадию, в которой проводят продувку блока адсорбентного слоя после многочисленных стадий сбрасывания давления и перед многочисленными уравнительными стадиями. Кроме того, способ может включать одну или более стадий отдувки для снижения давления в блоке адсорбентного слоя после многочисленных стадий сбрасывания давления и перед многочисленными уравнительными стадиями.

Кроме того, сборный узел адсорбентного слоя также может включать дополнительное оборудование. Например, каждый из многочисленных уравнительных резервуаров может иметь клапан сброса давления и конфигурирован для обмена текучими средами с трубопроводом в первом положении и для предотвращения течения текучей среды в трубопровод во втором положении. Кроме того, каждый из многочисленных уравнительных резервуаров может быть конфигурирован для обмена текучими средами с корпусом во время одной из многочисленных стадий повторного повышения давления и одной из многочисленных стадий сбрасывания давления в каждом цикле и конфигурирован для предотвращения течения текучей среды в других стадиях повторного повышения давления и других стадиях сбрасывания давления в каждом цикле.

- 2 026118

Краткое описание чертежей

Изобретение дополнительно описано с привлечением сопроводительных чертежей, в которых: фиг. 1 представляет схему циклической адсорбционной системы с использованием уравнительных резервуаров, в соответствии с одним примерным вариантом исполнения, имеющую пять уравнительных стадий и один уравнительный резервуар на каждую уравнительную стадию;

фиг. 2 представляет график изменения давления в адсорбентном слое со временем в ходе примерного цикла, имеющего пять стадий сбрасывания давления с последующими отдувкой, продувкой продуктом и пятью стадиями повторного повышения давления и стадией повышения давления сырьевым потоком;

фиг. 3 представляет график изменения давления в адсорбентном слое со временем в ходе примерного цикла с использованием клапанов для сброса давления;

фиг. 4 представляет изображение в виде сбоку примерной механической опоры для сборного узла, в соответствии с чем уравнительные резервуары включают несущую конструкцию для блока адсорбентного слоя;

фиг. 5Ά-5Ό представляют изображения сборного узла адсорбентного слоя, имеющего уравнительные резервуары как элементы несущей конструкции для адсорбентного слоя, выполняющего циклический адсорбционный процесс;

фиг. 6 представляет изображение в виде сверху циклической адсорбционной системы, в которой уравнительные резервуары включают детали несущей конструкции для адсорбентного слоя, выполняющего циклический адсорбционный процесс;

фиг. 7 представляет изображение в виде сверху циклической адсорбционной системы, включающей шесть сборных узлов адсорбентных слоев, каждый из которых поддерживается пятью уравнительными резервуарами и включает их;

фиг. 8 представляет трехмерное изображение циклической адсорбционной системы с шестью блоками адсорбентных слоев, пятью уравнительными резервуарами на слой, и системой соединительных трубопроводов;

фиг. 9 представляет график давлений в адсорбентном слое в зависимости от времени в ходе двух примерных циклов, в одном из которых используются уравнительные резервуары, и в другом из которых применяются уравнивания от слоя к слою;

фиг. 10 представляет схему системы для удаления кислотного газа из сырьевого потока с использованием двух КС-Р8А-систем;

фиг. 11 представляет график мощности, затрачиваемой на сжатие, относительно объема уравнительного резервуара, для примерной циклической адсорбционной системы, удаляющей кислотный газ из природного газа.

Подробное описание изобретения

Если не оговорено иное, все используемые здесь технические и научные термины имеют такое же значение, как обычно понимаемое специалистом с обычной квалификацией в этой области технологии, к которой имеет отношение настоящее изобретение. Термины единственного числа включают упоминаемые объекты во множественном числе, если контекст определенно не оговаривает иного. Подобным образом, слово или предполагает включение понятия и, если контекст определенно не оговаривает иного. Термин включает означает содержит. Все упомянутые здесь патенты и публикации включены ссылкой во всей своей полноте, если не оговорено иное. В случае противоречия в значении термина или выражения, будет преобладать настоящее описание, включающее разъяснения терминов. Обозначающие направление термины, такие как верхний, нижний, верх, низ, передняя часть, задняя часть, вертикальный и горизонтальный, использованы здесь для выражения и прояснения взаимосвязи между разнообразными элементами. Должно быть понятно, что такие термины не указывают абсолютной ориентации (например, вертикальный компонент может становиться горизонтальным при повороте устройства). Перечисленные здесь материалы, способы и примеры являются только иллюстративными и не предполагаются быть ограничивающими.

Другие заявки в этой области техники включают патентные заявки США № 61/447806, 61/447812, 61/447824, 61/447848, 61/447869, 61/447835 и 61/447877, каждая из которых включена здесь ссылкой во всей своей полноте.

Настоящее изобретение может быть широко применено со всеми циклическими адсорбционными процессами, включающими адсорбцию при переменной температуре (Р8А), адсорбцию при переменном давлении (Р8А), адсорбцию при переменном парциальном давлении (РР8А), вакуумную адсорбцию при переменном давлении (У8А) и их комбинации. В частности, настоящее изобретение относится к короткоцикловым циклическим адсорбционным процессам, которые действуют с продолжительностями циклов в диапазоне скорее минут или секунд, нежели часов или дней. Короткоцикловые циклические адсорбционные процессы, которые включают короткоцикловую адсорбцию при переменном давлении (КСР8А) и короткоцикловую адсорбцию при переменной температуре (КС-Т8А), обеспечивают разнообразные преимущества относительно традиционных технологий разделения. При работе с продолжительностями циклов в диапазоне скорее минут или секунд, нежели часов или дней, может быть значительно

- 3 026118 сокращено количество используемого в процессе адсорбентного материала, что проявляется в том, что оборудование становится меньшим по габаритам, более легким и имеет лучшую производительность. Для определенных адсорбентных материалов различия в скоростях диффузии загрязняющих примесей сравнительно с газообразным продуктом могут быть использованы для повышения селективности процесса разделения. Эти процессы, которые называются кинетическими разделениями, действуют с такими продолжительностями циклов, что большая часть загрязняющей примеси успевает адсорбироваться, прежде чем существенное количество газообразного продукта сможет диффундировать в адсорбентный материал. Для дополнительной интенсификации этих кинетических разделений способ должен сочетать определенные адсорбентные материалы со специфической последовательностью стадий в цикле, чтобы повысить степень извлечения продукта, в то же время с сохранением условий спецификации газообразного продукта в отношении чистоты. Эти короткоцикловые циклические адсорбционные системы в основном требуют меньшего потребления энергии и являются меньшими по величине, и имеют меньше оборудования сравнительно с традиционными технологиями. Некоторые такие короткоцикловые адсорбционные процессы описаны в публикациях международных патентных заявок № 2008/143823; 2008/143826; 2008/143820; 2008/143825; и 2008/143821, наряду с заявками США № 61/448121; 61/447848, 61/447869, 61/447877, которые включены здесь ссылкой во всей своей полноте.

В циклических адсорбционных процессах цикл типично включает две или более стадий, каждая из которых имеет определенный временной интервал, которые, будучи суммированными вместе, составляют продолжительность цикла. Эти стадии включают регенерацию адсорбентного слоя после адсорбционной стадии с использованием разнообразных методов, включающих изменение давления, изменение давления с вакуумированием, изменение температуры, продувку (с помощью продувочного потока любого типа для процесса), и их комбинации. В качестве одного примера, ΡδΑ-цикл может включать стадии адсорбции, сбрасывания давления, продувки и повторного повышения давления. Когда разделение выполняют при высоком давлении, сбрасывание давления и повторное повышение давления (которые могут быть названы уравниванием) выполняют в многочисленных стадиях, чтобы уменьшить изменение давления для каждой стадии и повысить производительность. В некоторых циклических адсорбционных процессах, в частности, короткоцикловых циклических адсорбционных процессах, значительная часть общей продолжительности цикла приходится на регенерацию адсорбентного слоя. Соответственно этому, любые уменьшения количества времени для регенерации приводят к сокращению общей продолжительности цикла, тем самым снижая общую величину циклической адсорбционной системы.

В отличие от общеупотребительных систем, в которых повторное повышение давления в адсорбентных слоях проводят с помощью других слоев или совместного резервуара под давлением, в настоящем изобретении применяются индивидуальные резервуары под давлением для каждой уравнительной стадии единственного адсорбентного слоя, который может быть частью системы адсорбентных слоев, включающей многочисленные адсорбентные слои. Эти внешние напорные резервуары, которые могут быть названы уравнительными резервуарами или баками, используются в процессе для сокращения временного интервала для уравнительных стадий, тем самым уменьшая общую продолжительность цикла. Этот результат достигается тем, что предусматривают один или более уравнительных резервуаров для каждой уравнительной стадии в цикле для каждого адсорбентного слоя. Г аз, выведенный из адсорбентного слоя во время каждой стадии сбрасывания давления, сохраняется в одном или более уравнительных резервуарах, которые специально предназначены для этого адсорбентного слоя. Затем сохраняемый газ используют в стадии повторного повышения давления для того же адсорбентного слоя во время одной или более стадий повторного повышения давления. Поскольку специализированные уравнительные резервуары соединены непосредственно с адсорбентным слоем, временной интервал для уравнивания между адсорбентным слоем и уравнительным баком обычно является меньшим, чем временной интервал для уравнивания между двумя адсорбентными слоями. То есть продолжительность цикла для циклического адсорбционного процесса может быть сокращена с использованием одного или более независимых уравнительных резервуаров на каждую уравнительную стадию для каждого адсорбентного слоя в системе.

Для каждой уравнительной стадии в данном цикле в качестве уравнительных баков могут быть использованы N напорных резервуаров. Число уравнительных резервуаров на стадию определяют с учетом требуемого объема, доступного пространства и прочих факторов при проектировании циклической адсорбционной системы. Число уравнительных резервуаров, Ν, может быть от 1 до 25, от 1 до 20 или предпочтительно от 1 до 10 баков. Если в цикле требуются М уравнительных стадий, то для каждого адсорбентного слоя применяют в совокупности ΝχΜ напорных резервуаров. Число уравнительных стадий в цикле, М, может варьировать от 1 до 30 стадий, от 1 до 20 стадий или предпочтительно от 1 до 10 стадий. Кроме того, отношение, полученное делением величины давления внутри блока адсорбентного слоя в одной стадии сбрасывания давления на величину давления внутри блока адсорбентного слоя при последующей стадии сбрасывания давления, составляет менее чем около 0,98. Подобным образом, отношение, полученное делением величины давления внутри блока адсорбентного слоя в одной стадии повторного повышения давления на величину давления внутри блока адсорбентного слоя в предшествующей стадии повторного повышения давления, составляет менее чем около 0,98.

Кроме того, эти уравнительные резервуары могут быть использованы для стимулирования работы

- 4 026118 процессов, в которых применяется система. Например, применение уравнительных резервуаров может сокращать габариты циклической адсорбционной системы или занимаемую ею производственную площадь. То есть сокращенная продолжительность цикла уменьшает количество адсорбентного материала, необходимого в адсорбентном слое, что уменьшает общие габариты и вес циклической адсорбционной системы (например, меньшие величины расхода продувочного потока, меньшая степень сжатия для рециркуляции и т.д.). В дополнение, при размещении уравнительных резервуаров или уравнительных баков вблизи адсорбентного слоя могут быть сокращены трубопроводы и клапаны (например, укорочены), что дополнительно уменьшает занимаемую производственную площадь и вес соответственных трубопроводов и клапанов. Более того, продолжительность каждой уравнительной стадии может быть сокращена и может быть уменьшена общая продолжительность цикла, благодаря сокращению дистанции, которую должны протекать газообразные потоки. Кроме того, падение давления, обусловленное трубопроводами и клапанами, может быть снижено, так как уравнительные резервуары могут быть размещены вплотную к адсорбентному слою и/или в месте, благоприятном для адсорбентного слоя, поскольку уравнительный резервуар является специализированным для единственного адсорбентного слоя. В качестве одного примерного варианта исполнения, уравнительные баки могут быть использованы как несущая конструкция для адсорбентного слоя, тем самым сводя к минимуму длину трубопроводов уравнительными баками и адсорбентным слоем.

Кроме того, применение уравнительных резервуаров может интенсифицировать работу системы. Например, циклическая адсорбционная система может включать два или более адсорбентных слоев. Применение уравнительных резервуаров с единственным адсорбентным слоем сокращает или устраняет зависимость от других адсорбентных слоев. То есть адсорбентные слои могут работать независимо в результате устранения необходимости в синхронизации и обеспечения повышенной технологической гибкости в проектировании циклической адсорбционной системы. Это также увеличивает степени свободы для технического обслуживания циклической адсорбционной системы тем, что появляется возможность выведения определенных слоев из эксплуатации без необходимости останавливать другие адсорбентные слои или изменять эксплуатационный режим других адсорбентных слоев.

В качестве дополнительного усовершенствования, один или более вариантов осуществления настоящего изобретения могут включать дополнительное оборудование (например, трубопроводы и клапаны) и технологические стадии, для сброса давления в каждом уравнительном резервуаре или баке во время каждого цикла. Газ из этой стадии сброса давления может быть собран и вовлечен в рециркуляцию в сырьевой поток циклической адсорбционной системы, или использован для других целей на предприятии (например, в качестве газообразного топлива). В то время как в традиционном(ых) напорном(ых) резервуаре(ах) уровни давления в резервуаре(ах) возвращают до их начального давления с помощью разнообразных стадий (например, стадий продувки, уравнивания от слоя к слою, или поставки продукта), уровни давления в уравнительных баках не возвращают к начальным уровням давления, поскольку уравнительные баки специализированы для конкретного адсорбентного слоя и конкретной уравнительной стадии. Соответственно этому, уравнительные баки должны быть связаны с трубопроводами и клапанами для корректирования давления до предварительно заданного или начального уровня давления и/или еще одного уровня давления. Кроме того, дополнительное давление может быть возвращено в процесс и использовано в процессе для повышения эффективности потребления энергии. Примерные варианты осуществления настоящего изобретения описаны далее в фиг. 1-11.

Фиг. 1 представляет схему циклической адсорбционной системы с использованием уравнительных баков в соответствии с одним примерным вариантом исполнения. В этой схеме циклическая адсорбционная система 100 может включать один уравнительный резервуар 111-115, 121-125 и 131-135 (например, N=1) для каждого из блоков 110, 120, 130 адсорбентных слоев, каждый из которых связан с одной уравнительной стадией (например, пять уравнительных стадий в цикле, который имеет М = 5). Каждый из блоков 110, 120, 130 адсорбентных слоев может включать корпус, или напорный резервуар, и адсорбентный слой, размещенный внутри внутренней области корпуса. Блоки адсорбентных слоев также включают разнообразные трубопроводы для пропускания текучих сред во внутреннюю область и из нее. Например, блоки адсорбентных слоев могут включать по меньшей мере один впускной трубопровод, размещенный рядом с адсорбентным слоем и конфигурированный для пропускания потока во внутреннюю область из места, наружного относительно корпуса, и по меньшей мере один выпускной трубопровод, размещенный рядом с адсорбентным слоем и конфигурированный для пропускания потока во внутреннюю область из места, наружного относительно корпуса. Уравнительные резервуары 111-115, 121125 и 131-135 могут включать напорные резервуары, такие как баки, трубопроводы или другие подходящие устройства. Эти уравнительные резервуары 111-115, 121-125 и 131-135 могут быть конфигурированы для выдерживания давлений от 0 до 100 бар (0-10 МПа, абсолютных) и температур от 0 до 300°С. Кроме того, уравнительные резервуары 111-115, 121-125 и 131-135 могут быть конфигурированы для выдерживания определенных технологических сред, таких как восстановительные среды и/или окислительные среды.

Эта система 100 также может включать другое оборудование для управления течением текучих сред в процессе. Например, разнообразные трубопроводы 101-106 могут быть использованы для пропус- 5 026118 кания газообразных потоков через блоки 110, 120 и 130 адсорбентных слоев. Трубопроводы могут включать трубы или другие трубчатые детали, используемые для управления течением текучих сред между двумя местами. Кроме того, система 100 может включать разнообразные клапаны, которые используются для управления тем, какие протоки доступны между трубопроводами 101-106, уравнительными резервуарами 111-115, 121-125 и 131-135, и блоками 110, 120 и 130 адсорбентных слоев. Эти клапаны могут включать традиционные технологические клапаны, такие как шаровые клапаны, пробковые клапаны, шиберные вентили, дроссельные клапаны, шариковые клапаны, и тому подобные, или более быстродействующие клапаны, такие как возвратно-поступательные клапаны, тарельчатые клапаны или поворотные клапаны.

В качестве одного примера, циклическая адсорбционная система может включать шестнадцать адсорбентных слоев для создания непрерывного течения сырья и продукта при целевой пропускной способности. На основе конфигурации согласно фиг. 1, в циклической адсорбционной системе для исполнения уравнительных стадий требуются в совокупности восемьдесят уравнительных баков. Один цикл в процессе может включать адсорбционную стадию, которая имеет временной интервал 3 с, стадию выдерживания в течение 0,1 с, стадию сбрасывания давления в течение 0,25 с, стадию выдерживания в течение 0,1 с, стадию сбрасывания давления в течение 0,25 с, стадию выдерживания в течение 0,1 с, стадию сбрасывания давления в течение 0,25 с, стадию выдерживания в течение 0,1 с, стадию сбрасывания давления в течение 0,25 с, стадию выдерживания в течение 0,1 с, стадию сбрасывания давления в течение 0,25 с, стадию выдерживания в течение 0,1 с, стадию отдувки в течение 1,25 с, стадию выдерживания в течение 0,1 с, стадию продувки в течение 2 с, стадию выдерживания в течение 0,1 с, стадию повторного повышения давления в течение 0,25 с, стадию выдерживания в течение 0,1 с, стадию повторного повышения давления в течение 0,25 с, стадию выдерживания в течение 0,1 с, стадию повторного повышения давления в течение 0,25 с, стадию выдерживания в течение 0,1 с, стадию повторного повышения давления в течение 0,25 с, стадию выдерживания в течение 0,1 с, стадию повторного повышения давления в течение 0,25 с, стадию выдерживания в течение 0,1 с и конечную стадию повторного повышения давления в течение 0,25 с. Общая продолжительность цикла может составлять до 10,3 с. Стадии сбрасывания давления могут включать пропускание газообразного потока из соответственного адсорбентного слоя в один из уравнительных резервуаров для каждой стадии. Газообразный материал, сохраняемый внутри уравнительного бака, затем может быть направлен в адсорбентный слой в последующей стадии повторного повышения давления. Этот пример дополнительно разъяснен в фиг. 2.

Фиг. 2 представляет график изменения давления в адсорбентном слое в зависимости от времени в ходе одного примерного цикла. В этом графике 200 пять уравнительных стадий обозначены стрелками 201-205. Уравнительные стадии включают пять стадий 206-210 сбрасывания давления и пять стадий 211216 повторного повышения давления. Стадии сбрасывания давления могут снижать давление от около 43 бар (4,3 МПа, абсолютных) до около 10 бар (1,0 МПа, абсолютных). Со ссылкой на фиг. 1, часть газа внутри первого блока 110 адсорбентного слоя проводят в первый уравнительный бак 111 пропусканием через сопряженные трубопроводы и клапан во время первой стадии 206 сбрасывания давления. Во время второй стадии 207 сбрасывания давления часть газа внутри первого блока 110 адсорбентного слоя проводят во второй уравнительный бак 112 пропусканием через сопряженные трубопроводы и клапан. Этот цикл продолжается для третьей стадии 208 сбрасывания давления, четвертой стадии 209 сбрасывания давления и пятой стадии 210 сбрасывания давления, с соответственными частями газа, пропускаемыми в третий уравнительный бак 113, четвертый уравнительный бак 114, и пятый уравнительный бак 115, каждый из которых связан с соответствующей стадией сбрасывания давления.

Как только стадии 206-210 завершаются, адсорбентный слой может быть подвергнут обработке в одной или более стадиях отдувки и стадии продувки для дополнительного удаления загрязняющих примесей из адсорбентного слоя. В частности, эти дополнительные стадии могут снижать давление от около 10 бар (1,0 МПа, абсолютных) до около 2 бар (0,2 МПа, абсолютных). Стадия продувки может включать применение газообразного продукта, инертного газа, такого как азот, или газов из других источников, которые по существу не содержат загрязняющих примесей. Стадия продувки также может включать одну или более вытеснительных стадий, в которых используют газ, который более легко адсорбируется адсорбентным материалом, чем загрязняющие примеси, удаляемые из сырьевого потока. Адсорбентный слой также может быть нагрет во время этих стадий, чтобы стимулировать десорбцию загрязняющих примесей и дополнительно очистить адсорбентный слой с помощью термических процессов.

После того, как давление в адсорбентном слое снижено от приблизительно 43 бар (4,3 МПа, абсолютных) до приблизительно 10 бар (1,0 МПа, абсолютных) в этих пяти стадиях сбрасывания давления, оставшийся в адсорбентном слое газ, который включает загрязняющие примеси, десорбируют сбрасыванием давления в слое до около 2 бар (0,2 МПа, абсолютных) в трубопровод на утилизацию. На этой стадии регенерация адсорбентного слоя включает повторное повышение давления для приготовления адсорбентного слоя к следующей адсорбционной стадии. Это выполняется с использованием газа, сохраняемого в соответственных уравнительных баках 111-115 в последовательности, обратной порядку стадий 206-210 сбрасывания давления. Другими словами, газ при самом низком давлении в пятом уравнительном баке 115 используют во время первой стадии повторного повышения давления, 211, газ в чет- 6 026118 вертом уравнительном баке 114 используют во время второй стадии 212 повторного повышения давления. На третьей стадии 213 повторного повышения давления, четвертой стадии 214 повторного повышения давления и пятой стадии 215 повторного повышения давления давление повышают из третьего уравнительного бака 113, второго уравнительного бака 112 и первого уравнительного бака 111, соответственно. Адсорбентный слой затем подвергают повторному повышению давления до начального давления подачи путем открывания клапана из магистрального трубопровода для сырьевого потока в конечной стадии 216 повторного повышения давления. Затем еще один цикл может быть начат с адсорбционной стадии.

В определенных вариантах исполнения различные уравнительные резервуары, сопряженные с каждой уравнительной стадией, могут обеспечивать повышение давления внутри соответствующих уравнительных баков для каждого цикла. То есть повышение давления может продолжаться внутри различных уравнительных баков, если сборный узел адсорбентного слоя не уравнивает давление внутри баков в каждом цикле или между определенными циклами. Это повышение давления может регулироваться действием многочисленных циклов в одной последовательной конфигурации, пока давление не достигнет определенного порогового значения. Затем газ внутри уравнительного резервуара, имеющего самое высокое давление, может быть возвращен в процесс для повышения уровней производительности в пределах процесса. В частности, это может быть использовано для уменьшения сжатия газа, выводимого для сброса давления в уравнительных резервуарах. Кроме того, возвращенное давление может быть использовано для процессов ниже по потоку. Сопряженная последовательность уравнительных стадий может быть скорректирована для смещения каждой из стадий повторного повышения давления до более высокого давления в пределах последовательности, тогда как уравнительный резервуар, давление из которого было утилизировано, может быть использован как резервуар с наименьшим давлением в последовательности. Для этого процесса также могут быть применены другие вариации.

В качестве еще одного альтернативного варианта для управления давлением внутри уравнительных резервуаров, клапаны для сброса давления могут быть использованы и связаны с каждым из уравнительных резервуаров. В качестве одного примера, как показано на фиг. 1, каждый из уравнительных резервуаров 111-115, 121-125 и 131-135 содержит клапан для сброса давления в сообщении по текучей среде и связанный с трубопроводом 106. Как это может быть принято во внимание, трубопровод 106 может включать специализированный трубопровод для каждого уравнительного резервуара, один или более трубопроводов, распределенных среди уравнительных резервуаров, или же один общий трубопровод для уравнительных резервуаров. Эти клапаны для сброса давления могут быть задействованы после каждого цикла, как часть цикла, могут быть приведены в действие поэтапно после определенного числа циклов, или же могут срабатывать на основе порогового значения давления, рассчитанного по измеренному давлению, связанному с соответствующими уравнительными резервуарами 111-115, 121-125 и 131-135. Один пример применения этих клапанов для сброса давления в цикле описан ниже на фиг. 3.

Фиг. 3 представляет график зависимости давления в адсорбентном слое от времени в ходе одного примерного цикла с использованием клапанов для сброса давления. В этом графике 300 давление в адсорбентном слое 301 и давление в двух из уравнительных баков показаны как функция времени в течение цикла. В этом процессе стадии могут быть подобны стадиям, выполняемым на фиг. 2, но продолжительности сопряженных интервалов времени могут быть скорректированы для этого примерного цикла. Опять же со ссылкой на фиг. 1, цикл может включать пять стадий 301-305 сбрасывания давления и связанных с ними стадий 306-310 повторного повышения давления, которые могут быть сопряжены с уравнительными резервуарами 111-115 способом, подобным обсужденному выше. В частности, для этого графика 300, третья стадия 303 сбрасывания давления имеет давление в адсорбентном слое, которое снижается от около 30 бар (3 МПа, абсолютных) до около 23 бар (2,3 МПа, абсолютных). Для этой стадии также давление внутри уравнительного резервуара 113 повышается от около 15 бар (1,5 МПа, абсолютных) до около 23 бар (2,3 МПа, абсолютных), как показано характеристикой 313. Подобным образом, во время пятой стадии 305 сбрасывания давления давление в адсорбентном слое снижается от около 17 бар (1,7 МПа, абсолютных) до около 11 бар (1,1 МПа, абсолютных), тогда как давление внутри пятого уравнительного резервуара 115 повышается от около 1 бар (0,1 МПа, абсолютных) до около 11 бар (1,1 МПа, абсолютных), что показано характеристикой 315 пятого уравнительного резервуара.

После стадий выведения выхлопного потока (например, стадий продувки и одной или более стадий отдувки) адсорбентный слой подвергают повторному повышению давления в пятой стадии 306 повторного повышения давления с использованием газа, сохраняемого в уравнительном резервуаре 115, при котором давление в адсорбентном слое повышается от около 1 бар (0,1 МПа, абсолютных) до около 6 бар (0,6 МПа, абсолютных), тогда как давление в пятом уравнительном баке 115 снижается от около 11 бар (1,1 МПа, абсолютных) до около шести бар (0,6 МПа, абсолютных), что показано характеристикой 316 пятого уравнительного резервуара. Подобным образом, газ, сохраняемый в уравнительном резервуаре 113, используют во время третьей стадии 308 повторного повышения давления для увеличения давления в адсорбентном слое от около 11 бар (1,1 МПа, абсолютных) до около 17 бар (1,7 МПа, абсолютных), тогда как давление в третьем уравнительном баке 113 снижается от около 23 бар (2,3 МПа, абсолютных) до около 17 бар (1,7 МПа, абсолютных), что показано характеристикой 318 третьего уравнительного ре- 7 026118 зервуара. Из графика можно видеть, что давление в каждом уравнительном резервуаре не возвращается к его начальному давлению вследствие различных давлений в начале и в конце каждой стадии. Поэтому для поддержания работы в установившемся режиме давление должно быть сброшено до начального давления для каждого уравнительного резервуара.

Для сброса давления до начального давления дополнительные клапаны наряду с трубопроводами или трубами могут быть использованы, чтобы предотвратить продолжение повышения давления избыточного газа в каждом уравнительном резервуаре в конце каждого цикла. С привлечением фиг. 1, клапаны для сброса давления представляют собой клапаны, размещенные между уравнительными резервуарами 111-115 и трубопроводом 106. В пределах процесса клапаны для сброса давления могут быть использованы для снижения давления внутри уравнительных резервуаров от соответствующего давления уравнивания до начального давления для этой соответственной стадии.

В качестве одного примера, давление в конце первого повторного повышения давления в пятом уравнительном баке 115 составляет около 6 бар (0,6 МПа, абсолютных), которое может быть снижено до около 1 бар (0,1 МПа, абсолютных) на стадии 326. Подобным образом, давление в третьем уравнительном баке 113 в конце третьей стадии 308 повторного повышения давления может быть снижено от около 26 бар (2,6 МПа, абсолютных) до около 25 бар (2,5 МПа, абсолютных) на стадии 328 сброса давления. Стадии сброса давления, такие как стадии 326 и 328 сброса давления, могут быть выполнены непосредственно после стадии повторного повышения давления, во время последующих стадий в цикле, или во время последующего цикла, но перед применением уравнительного резервуара в последующем цикле. Газ из уравнительных резервуаров на стадиях сброса давления может быть собран в общем коллекторе, трубопроводе или другом устройстве, действующем при индивидуальных давлениях для каждой стадии. Газ может быть вовлечен в рециркуляцию обратно в сырьевой поток циклической адсорбционной системы, или он может быть использован для других целей внутри установки (например, в качестве газообразного топлива). Должно быть понятно, что контроль клапанов для подрегулировки давлений в уравнительном баке может быть встроен в систему управления работой сборного узла адсорбентного слоя, чтобы синхронизировать распределение времени с другими потоками, протекающими в пределах цикла.

Для минимизации дистанции между блоком адсорбентного слоя и уравнительными резервуарами один или более вариантов исполнения могут включать применение уравнительных резервуаров в качестве деталей несущих конструкций, как показано на фиг. 4. Блок 401 адсорбентного слоя опирается на поперечные балки 402, которые присоединены к уравнительным бакам 403. Квалифицированным специалистам в этой области технологии понятно, что размерные параметры уравнительных резервуаров должны быть рассчитаны на основе как конструкционных, так и обусловленным давлением нагрузок на уравнительные резервуары. То есть размер уравнительного резервуара может быть таким, чтобы он не только удовлетворял требованиям для несущей конструкции блока адсорбентного слоя, но и был способен удерживать заданное давление для процесса.

В еще одном варианте исполнения уравнительные резервуары могут включать многочисленные трубы, продольные оси которых ориентированы в вертикальном направлении. Один конец трубы может быть закрыт крышкой или другим подходящим запорным устройством. Закрытый конец трубы также может быть связан с фиксирующими крепежными деталями или изготовлен имеющим фиксирующие крепежные детали. Эти фиксирующие крепежные детали могут быть конфигурированы так, чтобы быть закрепленными на стеллаже или опорной плите оборудования.

В этом варианте исполнения один или более трубопроводов или труб 404 и сопряженные клапаны для каждого уравнительного бака соединены с адсорбентным слоем, чтобы свести к минимуму длину трубопроводов. В частности, в этом варианте исполнения трубопроводы 404 для блока 401 адсорбентного слоя сообщаются по текучей среде со слоем через один из концов адсорбентного слоя, который может быть любым из концов резервуара, в зависимости от конкретной конфигурации течения технологических потоков.

Фиг. 5А и 5В представляют трехмерные изображения сборного узла адсорбентного слоя, имеющего уравнительные резервуары в качестве деталей несущей конструкции для блока адсорбентного слоя. В частности, фиг. 5А представляет трехмерное изображение сборного узла 500 адсорбентного слоя. В этом изображении блок 502 адсорбентного слоя прочно присоединен к опорным деталям 505 и поддерживается поперечными балками 504. Поперечные балки 504 прочно прикреплены к уравнительным бакам 50ба50бе, и могут быть нежестко закреплены на опорной детали 505 и блоке 502 адсорбентного слоя. То есть опорные детали 505 могут быть размещены на поперечных балках 504 и конфигурированы так, чтобы блок 502 адсорбентного слоя мог смещаться с обеспечением гибкости для сокращения напряжений в трубопроводах (например, смещаться в боковом направлении внутри конструкции из уравнительных баков). Фиг. 5В представляет трехмерное изображение несущей конструкции без блока 502 адсорбентного слоя и опорной детали 505 адсорбентного слоя.

Могут быть предусмотрены разнообразные конфигурации поперечной балки, как показано на фиг. 5С и 5Ό. В частности, фиг. 5С включает изогнутую поперечную балку 508, которая подобна поперечным балкам из фиг. 5А и 5В. Эти изогнутые поперечные балки 508 используются для соединения уравнительных резервуаров друг с другом и для создания опорного основания для блока 502 адсорбентного слоя.

- 8 026118

Этот вариант исполнения также предусматривает другие разнообразные опорные детали 512 (подобные опорным деталям 505 на фиг. 5А), которые используются для опоры и/или крепления блока 502 адсорбентного слоя посредством поперечной балки 508 и уравнительных резервуаров. Эти опорные детали 512 могут быть приварены к блоку 502 адсорбентного слоя, конфигурированы для взаимозацепления с пазами, и/или другими пригодными устройствами, чтобы создавать опору для блока 502 адсорбентного слоя. Подобным образом, фиг. 5Ό включает прямолинейные сегментированные поперечные балки 510. Эти прямолинейные сегментированные поперечные балки 510 используются для соединения уравнительных резервуаров между собой и для создания опорного основания для блока 502 адсорбентного слоя. Этот вариант исполнения также имеет другие разнообразные опорные детали 514, которые используются для опоры блока 502 адсорбентного слоя любым подходящим способом, который может быть подобен опорным деталям 512 в фиг. 5С.

Фиг. 6 представляет изображение в виде сверху циклической адсорбционной системы 600, имеющей уравнительные резервуары 604а-604е как детали несущей конструкции для блока адсорбентного слоя. В этом изображении блок 602 адсорбентного слоя опирается на поперечные балки, присоединенные к уравнительным резервуарам 604а-604е. Уравнительные резервуары соединены с донной частью блока 602 адсорбентного слоя через соединительные трубопроводы 606а-606е, которые могут включать разнообразные трубы и клапаны. Клапаны и трубы, необходимые для регулирования течения разнообразных потоков через блок 602 адсорбентного слоя во время цикла, могут находиться как на верхней, так и на нижней части блока адсорбентного слоя, будучи размещенными, как показано в фиг. 6. При встраивании уравнительных резервуаров в детали несущей конструкции для блока адсорбентного слоя может быть сокращена занимаемая блоком адсорбентного слоя производственная площадь, приводя к компактному размещению на площадке для циклической адсорбционной системы. В этой циклической адсорбционной системе 600 текучие среды могут проходить через блок 602 адсорбентного слоя и из него через одну или более магистралей (например, трубопроводов или труб) по соответствующим трубопроводам, таким как трубопровод 608. Кроме того, другие трубопроводы, такие как трубопровод 610, могут быть использованы для создания протоков между различными блоками адсорбентных слоев и прочим оборудованием ниже по потоку и выше по потоку (не показано). Применение этой циклической адсорбционной системы 600 дополнительно разъясняется в фиг. 7.

Фиг. 7 представляет изображение в виде сверху циклической адсорбционной системы 700, имеющей шесть сборных узлов 701-706 адсорбентных слоев, причем каждый из сборных узлов 701-706 адсорбентных слоев поддерживается пятью уравнительными резервуарами, соответственно. Эти сборные узлы адсорбентных слоев могут включать отмеченные выше сборные узлы адсорбентных слоев в одном или более вариантах исполнения. В качестве одного примера, уравнительные резервуары 711-715 показаны поддерживающими сборный узел 701 адсорбентного слоя, тогда как другие уравнительные резервуары, связанные с другими сборными узлами 702-706 адсорбентных слоев, не маркированы для простоты. Трубопровод из каждого индивидуального сборного узла адсорбентного слоя соединен с одной или более обобщенными магистралями, которые размещены между рядами сборных узлов адсорбентных слоев. На одном и/или обоих концах циклической адсорбционной системы 700 предусмотрены одно или более внешних соединений с трубопроводной системой установки. Вся циклическая адсорбционная система в целом может быть смонтирована на стеллаже или передвижном модуле 720 для упрощения перевозки и монтажа.

Фиг. 8 представляет трехмерное изображение 800 циклической адсорбционной системы 700 из фиг. 7, с шестью блоками адсорбентных слоев, пятью уравнительными резервуарами на каждый блок, и соединительной трубопроводной системой. Эта конфигурация в общих чертах относится к блокам адсорбентных слоев, которые могут быть размещены в симметричной ориентации, как показано, или в несимметричной ориентации, и/или комбинации из многочисленных стеллажных ярусов.

Варианты исполнения данных способов могут быть дополнительно выгодно усовершенствованы для работы циклических адсорбционных систем. Например, традиционная циклическая адсорбционная система может быть реализована без использования уравнительных резервуаров с выполнением уравниваний от слоя к слою. В таком примере все адсорбентные слои взаимно соединены трубопроводами для обмена газами между слоями. То есть газ со стадии сбрасывания давления в одном адсорбентном слое используют для стадии повторного повышения давления в еще одном адсорбентном слое. Распределение времени циклов для каждого индивидуального адсорбентного слоя синхронизируют таким образом, чтобы стадия сбрасывания давления в первом адсорбентном слое происходила одновременно со стадией повторного повышения давления во втором адсорбентном слое. Дополнительная длина труб или трубопроводов, взаимно соединяющих адсорбентные слои, требует дополнительного времени для уравнительных стадий, происходящих в цикле. Для конфигурации, подобной описанному выше примерному варианту исполнения, требуются дополнительные 0,25 с для каждой уравнительной стадии при уравнивании от слоя к слою. Цикл в процессе для системы с уравниванием от слоя к слою может включать адсорбционную стадию, которая имеет интервал времени 3 с, стадию выдерживания в течение 0,25 с, стадию сбрасывания давления в течение 0,5 с, стадию выдерживания в течение 0,25 с, стадию сбрасывания давления в течение 0,5 с, стадию выдерживания в течение 0,25 с, стадию сбрасывания давления в течение

- 9 026118

0,5 с, стадию выдерживания в течение 0,25 с, стадию сбрасывания давления в течение 0,5 с, стадию выдерживания в течение 0,25 с, стадию сбрасывания давления в течение 0,5 с, стадию выдерживания в течение 0,25 с, стадию отдувки в течение 1,25 с, стадию выдерживания в течение 0,25 с, стадию продувки в течение 2 с, стадию выдерживания в течение 0,25 с, стадию повторного повышения давления в течение 0,5 с, стадию выдерживания в течение 0,25 с, стадию повторного повышения давления в течение 0,5 с, стадию выдерживания в течение 0,25 с, стадию повторного повышения давления в течение 0,5 с, стадию выдерживания в течение 0,25 с, стадию повторного повышения давления в течение 0,5 с, стадию выдерживания в течение 0,25 с, стадию повторного повышения давления в течение 0,5 с, стадию выдерживания в течение 0,25 с, и конечную стадию повторного повышения давления подачей сырьевого газа в течение 0,5 с. Общая продолжительность цикла требует 15 с. Однако для такой же последовательности стадий с использованием циклической адсорбционной системы 700 с соответствующими уравнительными резервуарами может быть использован интервал времени цикла 10,3 с, что сокращает продолжительность регенерации, связанной с циклом, как описано в предыдущем примере. Это преимущество дополнительно разъяснено на фиг. 9.

Фиг. 9 представляет график 900 давлений в адсорбентном слое в зависимости от времени в ходе выполнения цикла процесса для системы с использованием уравнительных резервуаров и системы с использованием уравнивания от слоя к слою. В этом графике 900 разнообразные стадии в процессе протекают согласно характеристике 902, связанной с системой, которая имеет уравнительные резервуары, и характеристике 904 для системы с использованием уравнивания от слоя к слою. Для обеих характеристик 902 и 904 адсорбентный слой подвергают обработке в адсорбционной стадии в течение 3 с. Во время технологического цикла из стадий (например, сбрасывания давления и повторного повышения давления) весь цикл в целом может быть выполнен в пределах 10,3 с для системы с использованием уравнительных резервуаров, как показано характеристикой 902. Система, предусматривающая уравнивания от слоя к слою, как показано характеристикой 904, требует 15 с для выполнения всего цикла. В результате этого количество времени, затрачиваемого на регенерацию адсорбентного слоя, оказывается на 4,7 с дольше для характеристики 904, предусматривающей уравнивания от слоя к слою, по сравнению с характеристикой 902, предусматривающей уравнительные резервуары. Результатом этого является то, что для системы с уравниваниями от слоя к слою требуются дополнительные адсорбентные слои для обеспечения непрерывного течения потоков сырья и продукта. Поэтому габариты, вес и стоимость оборудования будут более высокими, чем для циклической адсорбционной системы с уравнительными резервуарами.

Во время стадий сбрасывания давления для диапазонов 910-914 давления и стадии отдувки в диапазоне 915 давления, характеристика 902 показывает выполнение стадий в более коротком интервале времени, чем характеристика 904. Это сокращение интервала времени для характеристики 902 основывается, по меньшей мере частично, на применении уравнительных резервуаров, которые являются специализированными для адсорбентного слоя, тогда как характеристика 904 показывает использование переносов потоков от слоя к слою при выполнении цикла. Преимущества уравнительных резервуаров также показаны для стадий повторного повышения давления, которые проявляют характеристику 902, включающую более короткий интервал времени по сравнению с характеристикой 904 для повторного повышения давления, как показано диапазонами 920-925 давления.

Описанная выше циклическая адсорбционная система может быть встроена в установку для обработки таких сырьевых потоков, как природный газ. Преимущества уравнительных резервуаров могут быть дополнительно иллюстрированы в фиг. 10, которая представляет блок-схему системы 1000 для снижения содержания и/или удаления кислотного газа в газообразном сырьевом потоке с помощью системы короткоцикловой адсорбции при переменном давлении (КС-Р8А). Кислотный газ (например, СО₂ и Н₂8) может быть удален из сырьевого потока с использованием двухстадийного процесса с помощью КС-Р8А-системы 1000. В КС-Р8А-системе 1000 используют КС-Р8А-системы в последовательном соединении (например, каждая имеет один или более сборных узлов адсорбентных слоев, как отмечено выше), такие как первая КС-Р8А-система 1010 и вторая КС-Р8А-система 1020.

В этой системе 1000 снижают содержание кислотного газа и удаляют его из сырьевого потока, подводимого по трубопроводу 1001, с использованием первой КС-Р8Л-системы 1010, и очищенный продукт, содержащий главным образом метан и другие углеводороды, пропускают по трубопроводу 1002 через компрессор 1003, выводят и подвергают сжатию для продажи через трубопровод 1004. Небольшую часть потока очищенного продукта возвращают через клапан 1005 и связанный с ним трубопровод в КСР8А-систему 1010, чтобы подвести газ для продувки после стадии отдувки для дополнительной десорбции кислотного газа из адсорбентного слоя. Адсорбентный слой очищается в стадии продувки продуктом, которая позволяет вымыть кислотный газ до такой степени, которая требуется для пригодного к продаже потока продукта в трубопроводе 1004.

Поток, содержащий кислотный газ и остаточные углеводороды из первой КС-Р8А-системы 1010, может быть пропущен по трубопроводам 1006а и 1006Ь (которые здесь называются трубопроводом 1006) в компрессор 1007 и вторую КС-Р8А-систему 1020. Сжатый поток может быть направлен через трубопровод 1008 во вторую КС-Р8А-систему 1020 для удаления по меньшей мере части кислотного газа из

- 10 026118 углеводородов в потоке, прежде чем он будет выведен в поток отходов. Продукт, извлеченный из второй КС-РЗА-системы 1020, может быть пропущен через трубопровод 1011 в другое оборудование в пределах процесса для использования, например, в качестве газообразного топлива, или, альтернативно, может быть подвергнут сжатию и объединен с продуктом из первой КС-РЗА-системы 1010 для продажи.

Удаленные загрязняющие примеси, выведенные с помощью второй КС-РЗА-системы 1020, могут быть пропущены по трубопроводам 1021 и 1022 на утилизацию с сокращенной потерей ценных углеводородов. Обогащенный загрязняющими примесями поток в трубопроводах 1021 и 1022 может быть пропущен в компрессор 1023 и затем, по меньшей мере частично, может быть пропущен в трубопровод 1025 на утилизацию.

Во второй КС-РЗА-системе 1020 применяют иные серии стадий в цикле, нежели в обсужденных выше циклах. Благодаря меньшему давлению подачи во вторую КС-РЗА-систему 1020, используют только две стадии сбрасывания давления. Необязательно, газ из каждой из двух стадий сбрасывания давления может быть направлен в специализированные уравнительные резервуары, которые могут действовать подобно отмеченным выше уравнительным резервуарам. После стадий сбрасывания давления часть обогащенного кислотным газом потока может быть пропущена через вторую КС-РЗА-систему 1020 для улавливания газообразного углеводорода, оставшегося в адсорбентных слоях, во время стадии продувки. Текучая среда для этой стадии продувки может быть из любого источника, такого как часть потока кислотного газа из компрессора 1023 через трубопровод 1024, или же она может быть из еще одного источника (не показан). Газ, вытесненный во время стадии продувки, вовлекают в рециркуляцию из выпускного трубопровода 1026 и объединяют с продуктом второй КС-РЗА-системы 1020 для использования в процессах ниже по потоку или для продажи.

КС-РЗА-системы 1010 и 1020 могут работать с описанными выше циклами при использовании либо уравниваний от слоя к слою, либо уравнительных резервуаров. При применении способа с уравниваниями от слоя к слою циклическая адсорбционная система может действовать для получения следующих результатов, как показано в табл. 1.

Таблица 1

Пропускная способность	82600 ст.м^/час
Чистота	98,3%
Степень извлечения	99, 4%
Первая адсорбция при переменном давлении
Число слоев	10
Продолжительность цикла	15 секунд
Вторая адсорбция при переменном давлении
Число слоев	10
Продолжительность цикла	Ί,5 секунд

Однако, если в способе применяют уравнительные баки, система может работать с получением следующих результатов, как показано в табл. 2.

Таблица 2

Пропускная способность	200600 ст.ьХ/час
Чистота	98, 3%
Степень извлечения	99, 3%
Первая адсорбция при переменном давлении
Число слоев	16
Продолжительность цикла	10,3 секунд
Вторая адсорбция при переменном давлении
Число слоев	5
Продолжительность цикла	6,Ί секунд

Как отмечено в табл. 1 и 2, преимущества применения уравнительных резервуаров иллюстрированы сравнением общего числа адсорбентных слоев для обработки природного газа при данной величине расхода потока. В частности, для обработки природного газа с 12% кислотного газа по объему с производительностью 1000 МЗС'ТП (1180000 ст.м³/ч) требуются 286 адсорбентных слоев при использовании урав- 11 026118 ниваний от слоя к слою в вышеуказанном примере. Однако, при использовании настоящего изобретения, требуются 124 адсорбентных слоя, когда применяют уравнительные резервуары. Повышение производительности является результатом сокращения продолжительности регенерации, которое обеспечивается более быстрыми уравнительными стадиями. Как ожидается, с уменьшением числа необходимых адсорбентных слоев значительно снижаются вообще занимаемая производственная площадь, вес и стоимость циклических адсорбционных систем.

Для ясности, степень извлечения представляет собой отношение, полученное делением количества желательных газов в потоке продукта на количество тех же желательных газов в газообразном сырьевом потоке, и чистота продукта представляет собой отношение, полученное делением количества желательных газов на количество других газов в потоке продукта. В определенных вариантах исполнения поток продукта имеет свыше 98 об.% углеводородов, в расчете на общий объем потока продукта.

Одним дополнительным признаком уравнительных резервуаров является возможность регулирования производительности циклической адсорбционной системы изменением объема уравнительных резервуаров. В то время как при уравниваниях от слоя к слою объем, доступный для уравниваний, представляет собой просто свободный объем адсорбентного резервуара, не занятый адсорбентом или другими внутренними компонентами, который фиксирован конструкцией адсорбентного слоя, объем уравнительных резервуаров может быть скорректирован изменением габаритов уравнительных резервуаров. Этот признак обеспечивает большую технологическую гибкость в проектировании циклической адсорбционной системы. Например, для данного числа уравнительных стадий увеличение объема уравнительных резервуаров позволяет создавать большее общее падение давления во время сбрасывания давления. В одном примерном цикле, в котором адсорбентный резервуар продувают после стадий сбрасывания давления, необходимая величина массового расхода потока продувочного газа прямо пропорциональна давлению, при котором происходит продувка. Применением уравнительных резервуаров с увеличенными объемами давление продувки может быть снижено, и может быть сокращена общая величина массового расхода потока продувочного газа. В результате этого также может быть уменьшено вспомогательное сжатие, связанное с продувочным газом и рециркуляцией выходного продувочного газа, и поэтому может быть снижено потребление энергии, связанное с блоком адсорбентного слоя.

Фиг. 11 представляет график затрачиваемой на сжатие энергии в зависимости от объема уравнительного бака для одной примерной циклической адсорбционной системы, удаляющей около 12% кислотного газа из природного газа. Общая мощность может быть сокращена как минимум на 10% при увеличении объема всех уравнительных резервуаров в системе от 0,17 до 0,38 м³. Дополнительные усовершенствования могли бы быть сделаны увеличением объемов уравнительных резервуаров, если имеется в распоряжении достаточное пространство на стеллаже или модуле циклической адсорбционной системы. Можно было бы представить другие усовершенствования, такие как наличие уравнительных резервуаров с различными размерами для различных уравнительных стадий, или наличие уравнительных резервуаров с различными размерами для различных адсорбентных слоев. В дополнение, объем уравнительных резервуаров мог бы быть скорректирован во время работы с помощью баков с переменным объемом, таких как поршневые баки, или наличием многочисленных напорных резервуаров, которые могли бы быть изолированы клапанами, для регулирования общего объема, доступного для данного уравнительного бака.

В дополнение к вышеуказанному варианту исполнения, один или более вариантов исполнения могут иметь отношение к удалению или снижению содержания загрязняющих примесей, таких как СО₂, Н₂§, Ν₂, или тяжелые (С₂+) углеводороды, из углеводородсодержащих потоков, предпочтительно потоков природного газа, с использованием способов циклической адсорбции. Высокая степень извлечения углеводорода (метана) с высокой чистотой продукта обеспечивается комбинацией рациональных выборов адсорбентного материала, газотвердофазного контактора и цикла. При сравнении с традиционной циклической адсорбционной технологией для удаления СО2 из потоков природного газа преимущества настоящего изобретения включают меньшие потери углеводородов с СО2, меньшее общее потребление энергии и меньшие занимаемая производственная площадь и вес оборудования.

Кроме того, другие варианты исполнения могут включать циклические адсорбционные процессы, в которых используют повторно-цикловый режим, и относящиеся к нему установки и системы. Повторноцикловый режим обеспечивает высокую степень извлечения продукта и чистоту отделенных целевых газов, например, компонентов кислотного газа, таких как СО₂, Н₂§ и т.д. Степень извлечения продукта предпочтительно составляет более 70% компонента(ов) целевого газа, предпочтительно более 80% или более предпочтительно свыше 90%.

Чистота продукта предпочтительно составляет более 80% или более 90%, т.е. не более 10% целевого газа (если СО₂) остаются в основном продукте, предпочтительно не более 2% (если СО₂). Если целевой газ представляет собой Н₂§, то остаются не более 100 млн^-1 целевого газа (если Н₂§), предпочтительно не более 20 млн^-1, более предпочтительно не более 4 млн^-1. Весь извлеченный целевой газ или его часть могут быть использованы в качестве топлива или направлены на сожжение в факеле, или в вентиляционную систему, или на нагнетание для захоронения.

Повторно-цикловый режим преимущественно позволяет использовать базовую установку для полу- 12 026118 чения кондиционных продуктов для непосредственной продажи. Он также сокращает потери продукта в результате того, что поток отдувки из базовой установки обрабатывают как часть повторного цикла. Более того, требования спецификаций на продукт достигаются с использованием только ΡδΆ-циклов.

Кроме того, в других вариантах исполнения из природного газа удаляют столько кислотных газов Η₂δ и СО₂, насколько возможно. В некоторых примерах Η₂δ удаляют в стадии предварительной обработки, оставляющей главным образом СО₂, который должен быть удален. В других примерах удаляют только СО₂, оставляя Η₂δ для удаления в обработке ниже по потоку, в зависимости от предполагаемого конечного применения. Во всех разделениях природного газа метан представляет собой ценный компонент, и в циклических адсорбционных процессах действует как легкий компонент. Небольшие увеличения степени извлечения этого легкого компонента могут иметь результатом значительные улучшения экономических показателей процесса, а также служат для предотвращения нежелательной потери ресурса.

Соответственно этому, в одном или более вариантах исполнения газообразный сырьевой поток представляет собой углеводородсодержащий поток, имеющий >20 об.% углеводородов, в расчете на общий объем газообразного сырьевого потока. Этот углеводородсодержащий поток может включать >2 об.% СО₂, в расчете на общий объем газообразного сырьевого потока, и адсорбентный материал в адсорбентном слое имеет более высокую селективность к СО₂, по сравнению с углеводородами. Поток продукта может иметь свыше 98 об.% углеводородов, в расчете на общий объем потока продукта.

В других вариантах исполнения газообразный сырьевой поток представляет собой углеводородсодержащий поток, имеющий >20 об.% СО₂, в расчете на общий объем газообразного сырьевого потока. Углеводородсодержащий поток имеет >2 об.% Ν₂, в расчете на общий объем газообразного сырьевого потока, и адсорбентный материал имеет более высокую селективность к Ν₂, по сравнению с углеводородами.

В одном или более вариантах исполнения адсорбентный материал в слое адсорбента может иметь менее 30%, менее чем около 20%, менее чем около 15% или менее 10% своего открытого порового объема в порах с диаметрами более чем около 20 ангстрем (2 нм) и менее чем около 1 мкм.

Цикл с использованием резервуара для закачивания газа преимущественно не следует требованиям к последовательности от слоя к слою, иным, нежели непрерывность течения потоков в компрессоры и из них. Он также позволяет быстрее проводить отдувку, чем сокращает продолжительность цикла, например, так как на величину примерно 50%, или около 30%, или около 20%. В одном или более вариантах исполнения система трубопроводов от слоя к слою сокращается или устраняется, и магистрали могут быть использованы только для потоков сырья, продукта, выхлопа и рециркуляции. Результатом является то, что применение уравнительных баков вместо уравниваний от слоя к слою, и при приблизительно эквивалентной производительности (в отношении уровней чистоты и степени извлечения), может удвоить величину подачи сырья для данных габаритов стеллажа.

Представленные выше установки, системы и способы применимы в технологиях циклического адсорбционного разделения. Неограничивающие примеры циклических адсорбционных процессов включают адсорбцию при переменном давлении (ΡδΆ), вакуумную адсорбцию при переменном давлении (УР8А), адсорбцию при переменной температуре (ΤδΆ), адсорбцию при переменном парциальном давлении (ΡΡδΆ), короткоцикловую адсорбцию при переменном давлении (КСР8А), короткоцикловую адсорбцию при переменной температуре (КСТ8А), короткоцикловую адсорбцию при переменном парциальном давлении (ΚΕΡΡδΆ), а также комбинации этих процессов, такие как адсорбция при переменных давлении/температуре.

ΡδΆ-процессы основываются на том явлении, что газы более легко адсорбируются внутри пористой структуры или свободного объема адсорбентного материала, когда газ находится под давлением, т.е. чем выше давление газа, тем большее количество легко адсорбируемого газа поглощается. Когда давление снижается, адсорбированный компонент высвобождается, или десорбируется.

ΡδΆ-процессы могут быть использованы для разделения газов в газовых смесях, поскольку различные газы проявляют тенденцию к заполнению микропор адсорбента в различной степени. Если газовую смесь, такую как природный газ, пропускают под давлением через резервуар, содержащий полимерный или микропористый адсорбент, который является более селективным по отношению к диоксиду углерода, чем к метану, то по меньшей мере часть диоксида углерода может быть избирательно адсорбирована адсорбентом, и выходящий из резервуар газ обогащен метаном. Когда адсорбент достигает предела своей способности адсорбировать диоксид углерода, его регенерируют снижением давления, тем самым высвобождая адсорбированный диоксид углерода. Адсорбент затем обычно продувают и повторно повышают в нем давление, после чего он готов к еще одному адсорбционному циклу.

ΤδΆ-процессы основываются на том явлении, что газы при более низких температурах более легко адсорбируются внутри пористой структуры или свободного объема адсорбентного материала, сравнительно с более высокими температурами, т.е. когда температура адсорбента повышается, адсорбированный газ высвобождается, или десорбируется. В режиме циклического колебания температуры адсорбентного слоя ΤδΆ-процессы могут быть использованы для разделения газов в смеси, когда применяются с адсорбентом, который селективен к одному или более компонентам газовой смеси.

Способы, установки и системы для адсорбционного кинетического разделения, как описанные вы- 13 026118 ше, применимы для разработки и добычи углеводородов, таких как обработка газа и нефти. В частности, представленные способы, установки и системы применимы для быстрого, крупномасштабного, эффективного выделения многообразных целевых газов из газовых смесей.

Представленные способы, установки и системы могут быть использованы для получения продуктов из природного газа путем удаления загрязняющих примесей и тяжелых углеводородов, т.е. углеводородов, имеющих по меньшей мере два атома углерода. Представленные способы, установки и системы применимы для подготовки газообразных сырьевых потоков к использованию в производственных программах, включающих предусматривающие разделение варианты применения, такие как контроль точки росы, обессеривание/детоксикация, защита от коррозии и контроль коррозии, обезвоживание, теплотворная способность, кондиционирование и очистка. Примеры производственных программ, в которых предусмотрены один или более предусматривающие разделение варианты применения, включают производство газообразного топлива, газовых затворов, непитьевой воды, газовых оболочек, газа для контрольно-измерительных приборов, хладагента, инертного газа, и извлечения углеводородов. Примерные спецификации на продуктовый (или целевой) газ с условием не более чем включают (а) 2% по объему СО₂, 4 млн^-1 Н2§, (Ь) 50 млн^-1 СО2, 4 млн^-1 Н2§ или (с) 1,5% по объему СО2, 2 млн^-1 Н2§.

Представленные способы, установки и системы могут быть использованы для удаления кислотного газа из потоков углеводородов. Технология удаления кислотного газа становится все более важной, так как оставшиеся запасы газа проявляют более высокие концентрации кислотного газа, т.е. запасы сернистого нефтяного газа. Содержание кислотного газа в углеводородных сырьевых потоках варьирует в широких пределах, таких как от нескольких частей кислотного газа на миллион до 90% по объему кислотного газа. Неограничивающие примеры концентраций кислотного газа из примерных газовых месторождений включают концентрации по меньшей мере (а) 1% по объему Н₂§, 5% по объему СО₂, (Ь) 1% по объему Н₂§, 15% по объему СО₂, (с) 1% по объему Н₂§, 60% по объему СО₂, (6) 15% по объему Н₂§, 15% по объему СО₂, (е) 15% по объему Н₂§, 30% по объему СО₂.

Один или более из нижеследующих принципов А-О могут быть реализованы в представленных выше способах, установках и системах для получения желательного потока продукта, в то же время с сохранением высокой степени извлечения углеводородов.

Принцип А: применение одного или более кинетических циклических адсорбционных процессов, таких как циклическая адсорбция при переменном давлении (Р8А), циклическая адсорбция при переменной температуре (Т8А), кальцинация и циклическая адсорбция при переменном парциальном давлении, или адсорбция с вытеснительной продувкой (РР8А), в том числе комбинации этих процессов; каждый циклический адсорбционный процесс может быть использован в короткоцикловом режиме, таком как применение одной или более установок для короткоцикловой адсорбции при переменном давлении (КСР8А), с одной или более установками для короткоцикловой адсорбции при переменной температуре (КСТ8А), или с одной или более установками для короткоцикловой адсорбции при переменном парциальном давлении (КС-РР8А); примерные кинетические циклические адсорбционные процессы описаны в публикациях патентных заявок США № 2008/0282892, 2008/0282887, 2008/0282886, 2008/0282885 и 2008/0282884, каждая из которых включена здесь ссылкой во всей своей полноте;

принцип В: удаление кислотного газа с помощью КС-Р8А с использованием усовершенствованных циклов и продувок, как описано в патентной заявке США № 61/447848, поданной 1 марта 2011 г., которая включена здесь ссылкой во всей своей полноте;

принцип С: применение мезопористого наполнителя для сокращения количества захваченного метана в адсорбенте и повышения общей степени извлечения углеводородов, как описано в публикациях патентных заявок США № 2008/0282892, 2008/0282885, 2008/028286, каждая из которых включена здесь ссылкой во всей своей полноте. Невымываемое поровое пространство, присутствующее внутри стенки канала в адсорбенте, может быть определено по общему объему, занимаемому мезопорами и макропорами. Мезопоры определяются правилами ИЮПАК как поры с размерами в диапазоне величин от 20 до 500 ангстрем (2-50 нм). Макропоры определяются здесь как поры с размерами свыше 500 ангстрем (50 нм) и менее 1 мкм. Поскольку проточные каналы являются более крупными, чем 1 мкм по величине, они не рассматриваются как часть макропорового объема. Невымываемое поровое пространство определяется здесь как открытый поровый объем, занятый порами в абсорбенте, которые имеют диаметр между 20 ангстремами (2 нм) и 10000 ангстремами (1 мкм), деленный на общий объем контактора, который занят абсорбентным материалом, включая связанные мезопоры и макропоры в абсорбентной структуре. Невымываемое поровое пространство может быть сокращено заполнением мезопор и макропор между частицами для уменьшения открытого объема, в то же время обеспечивая быстрый транспорт газа через адсорбентный слой. Это заполнение невымываемого порового пространства, которое может быть названо заполнением мезопор, желательно для снижения до приемлемых уровней количества желательного продукта, теряемого во время стадии быстрой десорбции, а также для обеспечения высокой степени чистоты адсорбентного слоя после десорбции. Такое заполнение мезопор может быть выполнено разнообразными путями. Например, может быть использован полимерный наполнитель с быстрой диффузией Н₂§ и СО₂, такой как силиконовый каучук или полимер с собственной пористостью. В альтернативном варианте, для заполнения порового пространства мог бы быть применен пиролитический углерод, имеющий мезопори- 14 026118 стость и/или микропористость. Еще один дополнительный способ состоял бы в заполнении порового пространства инертными твердыми материалами с более мелкими размерами, или заполнением порового пространства пополняемой жидкостью, через которую быстро диффундируют желательные газы (такой как вода, растворители или масло). Поровое пространство внутри стенки адсорбента предпочтительно сокращают до величины менее чем около 40 об.% (% по объему), предпочтительно до менее чем 30% по объему, и более предпочтительно до менее чем 20% по объему, и еще более предпочтительно до менее чем 10% по объему, и наиболее предпочтительно до менее чем около 5% по объему открытого порового объема;

принцип И: выбор надлежащих адсорбентных материалов для обеспечения высокой селективности и сведения к минимуму адсорбции (и потерь) метана и других углеводородов, таких как один или более цеолитов, описанных в публикациях патентных заявок США № 2008/0282887 и 2009/0211441, каждая из которых включена здесь ссылкой во всей своей полноте.

Предпочтительные адсорбенты для удаления кислотных газов выбирают из группы, состоящей из мезопористых или микропористых материалов, имеющих или не имеющих функциональные группы для химических реакций с кислотными газами. Примеры материалов без функциональных групп включают катионные цеолиты и станносиликаты. Функционализированные материалы, которые химически реагируют с Н₂§ и СО₂, проявляют значительно повышенную селективность в отношении Н₂§ и СО₂ сравнительно с углеводородами. Кроме того, эти материалы не катализируют нежелательные реакции с углеводородами, которые происходили бы на кислотных цеолитах. Также являются предпочтительными функционализированные мезопористые адсорбенты, в которых их сродство к углеводородам дополнительно снижено по сравнению с нефункционализированными материалами с мелкими порами, такими как цеолиты.

В альтернативном варианте, адсорбция тяжелых углеводородов может быть подавлена кинетически с использованием мелкопористых функционализированных материалов, в которых диффузия тяжелых углеводородов является медленной по сравнению с Н₂§ и СО₂. Следует также позаботиться о сокращении конденсации углеводородов с числом атомов углерода, равным или превышающим 4 (т.е. С₄+углеводородов) на наружных поверхностях адсорбентов, селективных к Н₂§ и СО₂.

Неограничивающие примеры функциональных групп, пригодных для применения здесь, включают первичные, вторичные, третичные и другие непротоногенные основные группы, такие как амидины, гуанидины и бигуаниды. Кроме того, эти материалы могут быть функционализированы функциональными группами двух или более типов. Для достижения по существу полного удаления Н₂§ и СО₂ из потоков природного газа адсорбентный материал предпочтительно является селективным к Н₂§ и СО₂, но имеет низкую способность к поглощению как метана, так и более тяжелых углеводородов (С₂+). В одном или более вариантах исполнения предпочтительным является применение аминов, нанесенных на носитель на основе кремнезема, или другие носители, поскольку они имеют изотермы сильной адсорбции для частиц кислотных газов. Они также имеют высокие емкости для поглощения таких частиц, и, как следствие их высоких значений теплоты адсорбции, они проявляют относительно сильный температурный отклик (т.е. будучи достаточно нагретыми, они легко десорбируют Н₂§ и СО₂ и тем самым могут быть использованы без чрезмерных колебаний температуры). Предпочтительными являются адсорбенты, которые адсорбируют при температуре в диапазоне от 25 до 70°С и десорбируют в температурном диапазоне от 90 до 140°С. В системах, требующих различных адсорбентов для удаления СО₂ и Н₂§, может быть желательной слоистая структура слоя, включающего подходящий адсорбент для целевых частиц.

Для удаления СО2 из природного газа предпочтительно составление адсорбента со специфическим классом цеолитных материалов с 8-членными кольцами, который имеет кинетическую селективность. Кинетическая селективность цеолитных материалов с 8-членными кольцами этого класса позволяет СО2 быстро проходить в кристаллы цеолита, в то же время затрудняя транспорт метана таким образом, что можно избирательно отделять СО2 от смеси СО2 и метана. Для удаления СО2 из природного газа цеолитные материалы с 8-членными кольцами этого специфического класса предпочтительно имеют соотношение δί/Αί от около 1 до около 25. В других предпочтительных вариантах исполнения соотношение δί/Αί цеолитного материала составляет от 2 до около 1000, предпочтительно от около 10 до около 500, и более предпочтительно от около 50 до около 300. Следует отметить, что как используемый здесь, термин δί/Α1 определяется как молярное отношение оксида кремния к оксиду алюминия в структуре цеолита. Этот предпочтительный класс цеолитов с 8-членными кольцами, которые пригодны для применения здесь, позволяет СО₂ входить во внутреннюю пористую структуру через 8-членные окна таким образом, что отношение коэффициентов однокомпонентной диффузии СО₂ и метана (т.е. ИСО₂/ИСН₄) составляет более 10, предпочтительно более чем около 50, и более предпочтительно больше чем около 100, еще более предпочтительно свыше 200.

Во многих примерах азот также должен быть удален из природного газа или газа, связанного с добычей нефти, для получения высокой степени извлечения очищенного метанового продукта из азотсодержащего газа. Имеется очень немного сортов молекулярных сит в качестве сорбентов со значительной равновесной или кинетической селективностью для отделения азота от метана. Для отделения Ν₂ от природного газа также предпочтительно составление адсорбента с цеолитными материалами класса с 8- 15 026118 членными кольцами, который имеет кинетическую селективность. Кинетическая селективность цеолитных материалов с 8-членными кольцами этого класса позволяет Ν₂ быстро проходить в кристаллы цеолита, в то же время затрудняя транспорт метана таким образом, что можно избирательно отделять Ν₂ от смеси Ν₂ и метана. Для удаления Ν₂ из природного газа цеолитные материалы с 8-членными кольцами этого специфического класса имеют соотношение З1/А1 от около 2 до около 1000, предпочтительно от около 10 до около 500, и более предпочтительно от около 50 до около 300. Этот предпочтительный класс цеолитов с 8-членными кольцами, которые пригодны для применения здесь, позволяет Ν₂ входить во внутреннюю пористую структуру через 8-членные окна таким образом, что отношение коэффициентов однокомпонентной диффузии Ν₂ и метана (т.е. ΌΝ₂/ΌΟΗ₄) составляет более 5, предпочтительно более чем около 20, и более предпочтительно больше чем около 50, еще более предпочтительно свыше 100. Устойчивость к засорению в циклических адсорбционных процессах во время удаления Ν2 из природного газа является еще одним преимуществом, которое обеспечивают цеолитные материалы с 8-членными кольцами этого класса.

В одном предпочтительном варианте исполнения Н₂З селективно удаляют с помощью неводного сорбента, включающего основное непротоногенное азотистое соединение, нанесенное на носитель из макропористого, мезопористого или микропористого твердого материала. Непротоногенное азотистое соединение избирательно реагирует по меньшей мере с частью Н₂З в смеси сырьевого газа. Примеры пригодных пористых твердых носителей включают активированный уголь или твердые оксиды (в том числе смешанные оксиды), такие как оксид алюминия, оксид кремния, оксид кремния-алюминия, или кислотные или некислотные цеолиты. Основное непротоногенное азотистое соединение может быть просто физически сорбировано на материале носителя (например, пропиткой или связыванием с ним, или будучи привитым к нему химической реакцией с самим основанием, или прекурсором, или производным, в котором группа заместителя создает реакционный центр для взаимодействия с материалом носителя, чтобы зафиксировать частицы сорбента на носителе). Однако связывание не требуется для эффективного твердофазного материала сорбента. Материалы носителя, которые содержат реакционноспособные группы на поверхности, такие как силанольные группы, находящиеся на цеолитах и оксидах типа алюмосиликатов М41З с высоким содержанием кремнезема, способны реагировать с силоксановыми группами в таких соединениях, как триметоксисилилпропилдиметиламин. Непротоногенные азотистые соединения не вступают в хемосорбционные взаимодействия с СО₂ в отсутствие воды, хотя они подвергаются реакции с Н₂З. Это различие в химической реакционной способности используют для разделения Н₂З и СО₂. В качестве необходимого сорбента могут быть применены самые разнообразные основные азотсодержащие соединения. Если желательно, может быть использована комбинация таких соединений. Требование к желательной селективности в отношении адсорбции Н₂З состоит в том, чтобы азотсодержащие группы были непротоногенными, т.е. неспособными действовать в качестве донора протонов. Поэтому азотсодержащие группы не содержат кислотного, способного к диссоциации атома водорода, будучи такими, как азот в первичном или вторичном амине. Нет необходимости в том, чтобы все соединение было апротонным, но только нужно, чтобы азотсодержащие группы в соединении были непротоногенными. Непротоногенные азотные частицы не могут быть донорами Н+ (протона), что является предпосылкой образования карбаматов как пути реакции хемосорбции СО₂ в отсутствие воды; они являются ненуклеофильными в доминирующих реакционных условиях. Пригодные азотсодержащие соединения включают третичные амины, такие как триэтиламин, триэтаноламин (ТЕА), метилдиэтаноламин (ΜΌΕΑ), Ν-метилдиэтаноламин (СН₃^С₂Н₄ОН)₂), ^^№,№-тетракис-(2-гидроксиэтил)этилендиамин, а также непротоногенные азотсодержащие основания с циклическими, полициклическими и ациклическими структурами, такие как имины, гетероциклические имины и амины, амидины (карбоксамидины), такие как диметиламидин, гуанидины, триазабициклодецены, имидазолины и пиримидины. Также могут быть использованы такие соединения, как НН-диЩизший алкил)карбоксиамидины, где низший алкил предпочтительно представляет собой С1-С₆-алкил, Ν-метилтетрагидропиримидин (МТНР), 1,8диазабицикло[5.4.0]ундец-7-ен (ΌΒυ), 1,5,7-триазабицикло[4.4.0]дец-5-ен (ΤΒΌ), 7-метил-1,5,7триазабицикло[4.4.0]дец-5-ен (ΜΤΒΌ), 1,5-диазабицикло[4.3.0]нон-5-ен (ΌΒΝ), замещенные гуанидины формулы (^^^)(^^^)0=^^, где радикалы К¹, К², К³ и К⁴ предпочтительно представляют низший алкил (С1-С6), и К⁵ предпочтительно представляет Н или низший алкил (С1-С₆), такие как 1,1,3,3тетраметилгуанидин и бигуанид. В качестве заместителей в этих соединениях также могут быть применены другие группы, такие как высший алкил, циклоалкил, арил, алкенил и замещенный алкил, и прочие структуры.

Еще один класс материалов, которые способны удалять Н₂З и СО₂ из потоков природного газа, представляет собой катионные цеолиты. Селективность этих материалов к Н₂З и СО₂ зависит от структуры каркаса, выбора катиона и соотношения Зт/А1. В одном предпочтительном варианте исполнения соотношение З|/А1 для катионных материалов варьирует в диапазоне от 1 до 50, и более предпочтительно в диапазоне от 1 до 10. Примеры катионного цеолита включают цеолиты, молекулярные сита 4А, 5А и фожазиты (Υ и X). Предпочтительным является применение этих материалов для селективного удаления Н₂З и СО₂ после того, как сырьевой поток был дегидратирован.

Другие неограничивающие примеры предпочтительных селективных адсорбентных материалов для

- 16 026118 применения в вариантах исполнения здесь включают микропористые материалы, такие как цеолиты, А1Р0 (алюмофосфатные цеолиты), 8ЛРО (кремнеалюмофосфатные молекулярные сита), МОР (металлоорганические каркасы), ΖΙΡ (цеолитные имидазолятные каркасы, такие как ΖΙΡ-7, ΖΙΡ-8, ΖΙΡ-22, и т.д.), и углероды, а также мезопористые материалы, такие как амино-функционализированные МСМ-материалы. Для кислотных газов, таких как сероводород и диоксид углерода, которые обычно находятся в потоках природного газа, также предпочтителен такой адсорбент, как катионные цеолиты, аминофункционализированные мезопористые материалы, станносиликаты, углероды;

принцип Е: сбрасывание давления в одной или более КС-Р8А-установках в многочисленных стадиях до промежуточных давлений таким образом, что выхлопной поток кислотного газа может быть уловлен при более высоком среднем давлении, тем самым уменьшая сжатие, требуемое для нагнетания кислотного газа. Уровни давления для промежуточных стадий сбрасывания давления могут быть согласованы с давлениями между ступенями компрессора(ов) для кислотного газа для оптимизации общей системы сжатия;

принцип Р: применение выхлопных или рециркуляционных потоков для сведения к минимуму обработки и потерь углеводородов таким образом, чтобы использовать выхлопные потоки из одной или более КС-Р8А-установок в качестве газообразного топлива, вместо повторного нагнетания или выпуска наружу;

принцип С: применение многочисленных адсорбентных материалов в единственном слое для удаления следовых количеств первой загрязняющей примеси, такой как Н₂§, перед удалением второй загрязняющей примеси, такой как СО₂; такие сегментированные слои могут обеспечивать тщательное удаление кислотного газа до уровней частей на миллион (млн^-1) с помощью КС-Р8А-установок при минимальных величинах расхода продувочного потока;

принцип Н: применение сжатия подводимого сырьевого потока перед одной или более КС-Р8Аустановками для достижения желательной чистоты продукта;

принцип Ι: одновременное удаление некислотных газов как загрязняющих примесей, таких как меркаптаны, СО8 (сероокись углерода) и ВТЕХ (бензол, толуол, этилбензол, ксилолы); выбор способов и материалов для выполнения этого;

принцип ΐ: применение структурированных адсорбентов для газо-твердофазных контакторов, чтобы свести к минимуму падение давления по сравнению с традиционными насадочными слоями;

принцип К: выбор продолжительности цикла и стадий цикла на основе кинетических характеристик адсорбентного материала;

принцип Ь: применение способа и установки, в которых используются, помимо прочего оборудования, две КС-Р8А-установки в последовательном соединении, причем первая КС-Р8А-установка очищает сырьевой поток до желательного уровня чистоты продукта, и вторая КС-Р8А-установка очищает выхлопной поток из первой установки для улавливания метана и поддержания высокой степени извлечения углеводородов; применение этой последовательно соединенной конструкции может сократить необходимость в мезопористом наполнителе;

принцип М: применение контакторов с параллельными каналами, в которых контактирование газа с твердым материалом происходит в покрытых адсорбентом каналах с относительно малым диаметром. Эта структура контактора обеспечивает преимущества кинетических характеристик быстрой адсорбции благодаря минимизации сопротивления газовой пленки и высокой степени сообщения между газом и твердым материалом. Предпочтительная конструкция адсорбера создает резко выраженный адсорбционный фронт.

Является предпочтительным обеспечивать очень быструю кинетику взаимодействия газа с адсорбентом, т.е. поддерживать короткой длину, на протяжении которой целевое вещество (например, целевой газ) диффундирует для контакта со стенкой адсорбента, предпочтительно менее 1000 мкм, более предпочтительно менее 200 мкм, и наиболее предпочтительно менее 100 мкм. Благоприятные кинетические характеристики адсорбента могут быть реализованы, в то же время с ограничением падения давления в слое до приемлемых значений, использованием контакторов с параллельными каналами, в которых сырьевой и продувочный газы заключены в многочисленных очень узких (от 1000 до 30 мкм в диаметре) открытых каналах, которые облицованы адсорбентным материалом с эффективной толщиной.

Под эффективной толщиной авторы настоящего изобретения подразумевают диапазон от около 500-5 мкм для большинства вариантов применения. В наиболее предельной ситуации ламинарного течения газа очень узкие каналы ограничивают максимальную дистанцию диффузии для веществ в следовых количествах до величины не более половины диаметра канала. Даже при адсорбировании желательных веществ на передней кромке адсорбционного фронта, где их концентрация в газовой фазе достигает нулевого значения, резко выраженный адсорбционный фронт может поддерживаться применением таких конфигураций структурированного адсорбционного слоя с параллельными каналами малого диаметра. Такая конфигурация может быть в форме многочисленных независимых параллельных каналов, или в форме очень широких, очень коротких каналов, что может быть достигнуто применением конструкции со спиральной намоткой;

принцип Ν: устройство для быстрого нагревания и охлаждения структуры адсорбентного слоя, что- 17 026118 бы адсорбция могла происходить при более низкой температуре, и десорбция при более высокой температуре. Тогда адсорбционная стадия происходит при высоком давлении, и стадия десорбции при более высокой температуре необязательно может иметь место при пониженном давлении, чтобы повысить адсорбционно-десорбционную способность адсорбента. В зависимости от свойств адсорбента, может быть желательным использование архитектуры слоя, пригодной для схемы либо внешнего регулирования температуры, либо внутреннего регулирования температуры.

Под внутренним регулированием температуры авторы настоящего изобретения подразумевают применение нагревающей и охлаждающей текучей среды, либо газообразной, либо жидкостной, предпочтительно жидкостной, которая может циркулировать через те же покрытые адсорбентом каналы, которые используются для течения газообразного сырьевого потока. Внутреннее регулирование температуры требует, чтобы текучая среда для регулирования температуры не оказывала вредного воздействия на адсорбентный материал, и чтобы текучая среда для регулирования температуры могла быть легко отделена от ранее адсорбированных веществ (Н₂З и СО₂) после стадии нагревания. Кроме того, для внутреннего регулирования температуры падение давления вдоль каждого из параллельных каналов в структурированном слое во время стадии адсорбции из газообразного сырьевого потока предпочтительно является достаточно высоким для очистки каждого канала (или единственного канала в случае конструкции со спиральной намоткой) от текучей среды для регулирования температуры. В дополнение, в конструкции внутреннего регулирования температуры потоком текучей среды предпочтительно используют адсорбент, который не сильно адсорбирует текучую среду для регулирования температуры, чтобы Н2З и СО₂ могли быть эффективно адсорбированы даже в присутствии текучей среды для регулирования температуры.

Неограничивающие примеры таких адсорбентов включают аминофункционализированные микропористые и мезопористые адсорбенты. Неограничивающим примером такой системы было бы применение аминов, нанесенных на водостойкий носитель, с использованием горячей и холодной воды (жидкости под давлением или применяемой в виде пара для нагревания) для нагревания и охлаждения. В то время как жидкая вода может оставаться внутри стенок адсорбента во время адсорбционной стадии, то если толщина стенки адсорбента поддерживается малой (менее 1000 микрон (1000 мкм), предпочтительно менее 200 мкм и наиболее предпочтительно менее 100 мкм), может быть возможной диффузия Н₂З и СО₂ через жидкую воду в масштабе времени менее 1 мин, более предпочтительно менее 10 с, чтобы быть поглощенными амином на носителе. После стадии десорбции Н₂З и СО₂ могут быть без труда отделены с использованием дистилляции или других способов, известных квалифицированным специалистам в этой области технологии.

Под внешним регулированием температуры авторы настоящего изобретения подразумевают структуру адсорбентного слоя, где текучая среда для нагревания и охлаждения не контактирует с каналами в адсорбенте, по которым протекает газ. Такая структура может быть похожей на кожухотрубный теплообменник, пластинчато-рамный теплообменник, или полые волокна с непроницаемым для текучей среды барьерным слоем на наружном поперечнике или на внутреннем поперечнике, или любые другие пригодные структуры. Для достижения быстрого нагревания и охлаждения дистанция, на которую теплота передается от текучей среды для регулирования температуры к адсорбентному слою, должна поддерживаться минимальной, в идеальном случае менее 10000 мкм, более предпочтительно менее 1000 мкм, наиболее предпочтительно менее 200 мкм.

Неограничивающим примером такой конструкции слоя с внешним регулированием температуры было бы применение полых волокон с непроницаемым для текучей среды барьерным слоем на наружном поперечнике, причем полые волокна состоят из матричной системы, смешанной из полимерных адсорбентов и адсорбентов на основе аминов на носителе. Подводимый сырьевой газ проходил бы через внутренний поперечник пористого волокна, чтобы адсорбироваться адсорбентом при более низких температурах, тогда как холодная текучая среда для регулирования температуры протекала бы поверх наружных поперечников волокон. Десорбция совершалась бы при пропускании горячей текучей среды для регулирования температуры, предпочтительно в противоточном направлении поверх наружного поперечника волокон, тем самым нагревая адсорбент. Цикл завершается заменой горячей текучей среды для регулирования температуры на холодную текучую среду, чтобы возвратить содержащее адсорбент волокно к желательной для адсорбции температуре.

В одном предпочтительном варианте исполнения величина теплового потока в системе была бы такой, чтобы во время нагревания и охлаждения был создан резкий температурный градиент в текучей среде для регулирования температуры таким образом, что теплосодержание системы могло быть рекуперировано внутри структуры адсорбентного слоя. Для такого неограничивающего примера с полым волокном размеры применимого наружного диаметра волокна составляют менее 20000 мкм, предпочтительно менее 2000 мкм, наиболее предпочтительно менее 1000 мкм. Применимые внутренние диаметры волокон (каналы для сырьевого газа) составляют менее 10000 мкм, предпочтительно менее 1000 мкм и наиболее предпочтительно менее 500 мкм, что надлежащим образом основывается на желательных продолжительностях циклов адсорбции и десорбции, концентрациях адсорбируемых из сырьевого потока веществ, и адсорбционно-десорбционной способности адсорбентного слоя для этих веществ.

- 18 026118

В некоторых вариантах исполнения предпочтительно поддерживать отношение неадсорбирующей термальной массы в адсорбентном слое к адсорбенту настолько малым, насколько возможно. Это отношение предпочтительно составляет менее 20, более предпочтительно менее 10, и наиболее предпочтительно менее 5. Этим путем теплосодержание системы, которая колеблется в каждом цикле, может поддерживаться на минимальном уровне;

принцип О: В качестве продувочного газа используют относительно малую долю потока, от около 0,01 до 5% по объему, общей подачи чистого газа, по существу не содержащего Н₂§ или СО₂. Неограничивающие примеры таких газов (т.е. чистых газов) включают метан и азот, течение которых поддерживают через параллельные каналы по направлению противотока относительно направления подачи сырья во время по меньшей мере части стадий десорбции в процессе. Предпочтительно, чтобы величина расхода потока этого чистого газа была достаточной для преодоления естественной диффузии десорбированных Н₂§ и СО₂ для сохранения продуктового конца адсорбционного канала в значительной мере чистом состоянии. То есть продувочный поток должен иметь величину расхода, достаточную для вымывания десорбированных СО₂ и Н₂§ из каналов и/или пор. Это такой поток противоточной продувки во время десорбции, который обеспечивает то, что в каждом последующем адсорбционном цикле не будет иметь места проскок целевых веществ, таких как Н₂§ или СО₂, в поток продукта. Дополнительной выгодой или целью чистой продувки является содействие десорбции загрязняющих примесей путем снижения парциального давления загрязняющих примесей в проточных каналах адсорбентного слоя. Это снижение парциального давления может быть использовано для вытеснения загрязняющих примесей из адсорбентного слоя.

Предпочтительными циклом и конструкцией слоя для практической реализации настоящего изобретения являются такие, где продуктовый конец каналов в адсорбенте (т.е. конец, противоположный концу, где поступают сырьевые газы) имеет низкую, или в идеальном случае нулевую концентрацию адсорбированных Н₂§ и СО₂. Этим путем, и с надлежащим образом структурированными каналами, как описано выше, Н₂§ и СО₂ тщательно удаляются из потока сырьевого газа. Расположенный ниже по потоку конец слоя может поддерживаться чистым, как описано, созданием слабого потока чистой текучей среды, по существу не содержащей Н₂§ и СО₂, по направлению противотока относительно направления подачи сырья, во время стадии(й) десорбции, или, более предпочтительно, во время всех стадий нагревания и охлаждения в цикле. Кроме того, предпочтительно, чтобы во время стадии адсорбции адсорбционная часть цикла была ограничена такой продолжительностью, что продвигающийся адсорбционный фронт в насыщаемом Н₂§ и СО₂ адсорбенте не достигает конца каналов, т.е. адсорбция должна останавливаться до проскока Н₂§ и/или СО₂, чтобы по существу чистая секция канала в адсорбенте оставалась по существу свободной от целевых веществ. При достаточно четких адсорбционных фронтах это позволяет использовать более 50% по объему адсорбента, более предпочтительно более 75% по объему, и наиболее предпочтительно более 85% по объему.

Представленные здесь способы, установки и системы применимы в крупномасштабных установках для обработки газа, таких как установки, которые обрабатывают более пяти миллионов стандартных кубических футов в день (Μδί'ΤΌ) (5900 ст.м³/ч) природного газа, или более 15 Μδί'ΤΌ (17700 ст.м³/ч) природного газа, или более 25 Μδί'ΤΌ (29500 ст.м³/ч) природного газа, или более 50 Μδί'ΤΌ (59000 ст.м³/ч) природного газа, или более 100 Μδί'ΤΌ (118000 ст.м³/ч) природного газа, или более 500 Μδί'ΤΌ (590000 ст.м³/ч) природного газа, или более одного миллиарда стандартных кубических футов в день (Βδί'ΤΌ) (1180000 ст.м³/ч) природного газа, или более двух Βδί'ΤΌ (2360000 ст.м³/ч) природного газа.

По сравнению с традиционной технологией, представленные способы, установки и системы требуют меньших капиталовложений, меньших эксплуатационных расходов и меньше физического пространства, тем самым обеспечивая возможность использования на морских промыслах и в отдаленных местах, таких как Арктические области. Представленные способы, установки и системы обеспечивают вышеуказанные преимущества, в то же время с достижением высокой степени извлечения сравнительно с традиционной технологией.

Дополнительные варианты 1-28 исполнения представлены в нижеследующих абзацах.

Способ удаления загрязняющих примесей из газовых сырьевых потоков на основе циклического адсорбционного процесса, включающий стадии, в которых:

a) пропускают газообразный сырьевой поток при давлении подачи через блок адсорбентного слоя, имеющий адсорбентный слой для отделения одной или более загрязняющих примесей от газообразного сырьевого потока с образованием потока продукта;

b) прерывают течение газообразного сырьевого потока;

c) выполняют многочисленные стадии сбрасывания давления, причем каждая стадия сбрасывания давления предусматривает пропускание части газа из блока адсорбентного слоя в один или более уравнительных резервуаров, которые специально предназначены для блока адсорбентного слоя, и стадия сбрасывания давления снижает давление внутри блока адсорбентного слоя;

й) выполняют многочисленные стадии повторного повышения давления, в которых каждая стадия повторного повышения давления включает пропускание части газа из одного или более уравнительных резервуаров, связанных с одной из многочисленных стадий сбрасывания давления, в блок адсорбентного

- 19 026118 слоя для повышения давления внутри блока адсорбентного слоя; и

е) повторяют стадии а)-й) в течение по меньшей мере одного дополнительного цикла. Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса дополнительно включающий стадию, в которой проводят продувку блока адсорбентного слоя после многочисленных стадий сбрасывания давления и перед многочисленными уравнительными стадиями.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, дополнительно включающий одну или более стадий отдувки для снижения давления в блоке адсорбентного слоя после многочисленных стадий сбрасывания давления и перед многочисленными уравнительными стадиями.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, в котором отношение, полученное делением величины давления внутри блока адсорбентного слоя в одной стадии сбрасывания давления на величину давления внутри блока адсорбентного слоя в последующей стадии сбрасывания давления, составляет менее чем около 0,98.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, в котором отношение, полученное делением величины давления внутри блока адсорбентного слоя в одной стадии повторного повышения давления на величину давления внутри блока адсорбентного слоя в предыдущей стадии повторного повышения давления, составляет менее чем около 0,98.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, в котором газообразный сырьевой поток представляет собой углеводородсодержащий поток, имеющий >20 об.% углеводородов, в расчете на общий объем газообразного сырьевого потока.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, в котором углеводородсодержащий поток имеет >2 об.% СО₂, в расчете на общий объем газообразного сырьевого потока, и адсорбентный материал имеет более высокую селективность к СО₂ по сравнению с углеводородами.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, в котором поток продукта имеет более 98 об.% углеводородов, в расчете на общий объем потока продукта.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, в котором газообразный сырьевой поток представляет собой углеводородсодержащий поток, имеющий >20 об.% СО₂, в расчете на общий объем содержащего газообразный материал потока.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, в котором углеводородсодержащий поток имеет >2 об.% Ν₂, в расчете на общий объем содержащего газообразный материал потока, и адсорбентный материал имеет более высокую селективность к Ν₂ по сравнению с углеводородами.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, в котором одна или более адсорбируемых загрязняющих примесей включает СО₂ или Н₂§.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, в котором цикл из стадий а)-й) выполняют в течение интервала времени менее чем около 60 с.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, в котором цикл из стадий а)-й) выполняют в течение интервала времени менее чем около 20 с.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, дополнительно включающий стадию, в которой пропускают газообразный сырьевой поток в коллектор, который распределяет газообразный сырьевой поток в один из многочисленных адсорбентных слоев в блоках адсорбентных слоев, причем каждый из адсорбентных слоев в блоках адсорбентных слоев действует с исполнением циклов независимо друг от друга.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, в котором стадии а)-й) представляют собой стадии в цикле одного или более из процесса циклической адсорбции при переменном давлении, процесса циклической адсорбции при переменной температуре, кальцинации, процесса адсорбции при переменном парциальном давлении, или адсорбции с вытеснительной продувкой, и комбинаций этих процессов.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, в котором газообразный сырьевой поток включает одну или более загрязняющих примесей из Н₂§ в диапазоне от около 0,001 объемного процента до около 70 об.%, в расчете на общий объем газообразного сырьевого потока.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, в котором адсорбентный материал в адсорбентном слое имеет менее чем около 20% своего открытого порового объема в порах с диаметрами более чем около 20 ангстрем (2 нм), и менее чем около 1 мкм.

Вышеуказанный способ на основе циклического адсорбционного процесса, дополнительно включающий стадию, в которой возвращают давление по меньшей мере из одного из уравнительных резервуаров после того, как уравнительный резервуар был использован в одной из многочисленных уравнительных стадий.

Сборный узел адсорбентного слоя, включающий:

корпус, имеющий внутреннюю область и конфигурированный для поддержания давления от 0 до 80 бар (0-8 МПа, абсолютных) внутри внутренней области;

адсорбентный слой, размещенный во внутренней области и имеющий многочисленные проточные каналы через адсорбентный слой, причем многочисленные проточные каналы имеют адсорбентный ма- 20 026118 териал, размещенный по меньшей мере на одной поверхности внутри многочисленных проточных каналов;

впускной трубопровод, размещенный рядом с адсорбентным слоем и конфигурированный для пропускания потока во внутреннюю область из места, наружного относительно корпуса;

выпускной трубопровод, размещенный рядом с адсорбентным слоем и конфигурированный для пропускания потока во внутреннюю область из места, наружного относительно корпуса; и многочисленные уравнительные резервуары в сообщении по текучей среде с внутренней областью и специализированные для адсорбентного слоя.

Вышеуказанный сборный узел адсорбентного слоя, в котором по меньшей мере один из многочисленных уравнительных резервуаров конфигурирован для поддержания корпуса и адсорбентного слоя.

Вышеуказанный сборный узел адсорбентного слоя, в котором каждый из многочисленных уравнительных резервуаров имеет клапан для сброса давления и конфигурирован для обмена текучими средами с трубопроводом в первом положении и для предотвращения течения текучей среды в трубопровод во втором положении.

Вышеуказанный сборный узел адсорбентного слоя, в котором каждый из многочисленных уравнительных резервуаров конфигурирован для обмена текучими средами с корпусом во время одной из многочисленных стадий повторного повышения давления и одной из многочисленных стадий сбрасывания давления в каждом цикле, и конфигурирован для предотвращения течения текучей среды в других стадиях повторного повышения давления и других стадиях сбрасывания давления в каждом цикле.

Вышеуказанный сборный узел адсорбентного слоя, в котором адсорбентный материал в адсорбентном слое имеет менее чем около 20% своего открытого порового объема в порах с диаметрами более чем около 20 ангстрем (2 нм), и менее чем около 1 мкм.

Циклическая адсорбционная система, включающая многочисленные сборные узлы адсорбентных слоев, причем каждый сборный узел адсорбентного слоя включает:

корпус, имеющий внутреннюю область и конфигурированный для поддержания давления от 0 до 80 бар (0-8 МПа, абсолютных) внутри внутренней области;

адсорбентный слой, размещенный во внутренней области и имеющий многочисленные проточные каналы через адсорбентный слой, причем многочисленные проточные каналы имеют адсорбентный материал, размещенный по меньшей мере на одной поверхности внутри многочисленных проточных каналов;

впускной трубопровод, размещенный примыкающим к адсорбентному слою и конфигурированный для пропускания потока во внутреннюю область из места, наружного относительно корпуса;

выпускной трубопровод, размещенный рядом с адсорбентным слоем и конфигурированный для пропускания потока во внутреннюю область из места, наружного относительно корпуса; и многочисленные уравнительные резервуары в сообщении по текучей среде с внутренней областью и специализированные для адсорбентного слоя.

Вышеуказанная циклическая адсорбционная система, в которой по меньшей мере один из многочисленных уравнительных резервуаров по меньшей мере для одного из каждого сборного узла адсорбентного слоя конфигурирован для поддержания корпуса и адсорбентного слоя.

Вышеуказанная циклическая адсорбционная система, в которой каждый из многочисленных уравнительных резервуаров имеет клапан для сброса давления и конфигурирован для обмена текучими средами с трубопроводом в первом положении и для предотвращения течения текучей среды в трубопровод во втором положении.

Вышеуказанная циклическая адсорбционная система, в которой по меньшей мере один из многочисленных сборных узлов адсорбентных слоев имеет каждый из многочисленных уравнительных резервуаров, конфигурированный для обмена текучими средами с корпусом во время одной из многочисленных стадий повторного повышения давления и одной из многочисленных стадий сбрасывания давления в каждом цикле, и конфигурирован для предотвращения течения текучей среды в других стадиях повторного повышения давления и других стадиях сбрасывания давления в каждом цикле.

Вышеуказанная циклическая адсорбционная система, в которой адсорбентный материал в адсорбентном слое имеет менее чем около 20% своего открытого порового объема в порах с диаметрами более чем около 20 ангстрем (2 нм) и менее чем около 1 мкм.

Вышеуказанная циклическая адсорбционная система, в которой каждый из многочисленных сборных узлов адсорбентных слоев конфигурирован для независимого использования многочисленных уравнительных резервуаров, связанных с этим сборным узлом адсорбентного слоя.

Принимая во внимание многочисленные возможные варианты исполнения, к которым могут быть применимыми принципы раскрытого изобретения, следует понимать, что иллюстративные варианты исполнения представляют собой только предпочтительные примеры изобретения, и не должны рассматриваться как ограничивающие область изобретения.

Claims (23)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ удаления загрязняющих примесей из газовых сырьевых потоков на основе циклического адсорбционного процесса, включающий стадии, в которых:

   a) пропускают газообразный сырьевой поток при давлении подачи через адсорбционный блок, содержащий слой адсорбента для отделения одной или более загрязняющих примесей от газообразного сырьевого потока с образованием потока продукта;

   b) прерывают течение газообразного сырьевого потока;

   c) выполняют множество стадий сбрасывания давления, причем на каждой стадии сбрасывания давления часть газа из адсорбционного блока отводят в один или более уравнительных резервуаров, связанных посредством текучей среды с указанным адсорбционным блоком, причём указанные один или более уравнительных резервуаров индивидуально предназначены для удерживания части газа, отведённой на каждой стадии сбрасывания давления;

   ά) выполняют множество стадий повторного повышения давления для повышения давления внутри слоя адсорбента, в которых каждая стадия повторного повышения давления включает впускание части газа из одного или более указанных уравнительных резервуаров в адсорбционный блок;

   е) повторяют стадии α)-ά) в течение по меньшей мере одного дополнительного цикла.
2. 2. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию, в которой проводят продувку слоя адсорбента после множества стадий сбрасывания давления и множества стадий повторного повышения давления.
3. 3. Способ по любому из пп.1, 2, дополнительно включающий одну или более стадий отдувки для снижения давления в слое адсорбента после множества стадий сбрасывания давления и множества стадий повторного повышения давления.
4. 4. Способ по любому из пп.1-3, в котором газообразный сырьевой поток представляет собой углеводородсодержащий поток, содержащий >20 об.% углеводородов в расчете на общий объем газообразного сырьевого потока.
5. 5. Способ по п.4, в котором указанный углеводородсодержащий поток содержит >2 об.% СО₂ в расчете на общий объем газообразного сырьевого потока и адсорбентный материал имеет более высокую селективность к СО₂ по сравнению с углеводородами.
6. 6. Способ по любому из пп.3, 4, в котором полученный поток продукта содержит более 98 об.% углеводородов, в расчете на общий объем потока продукта.
7. 7. Способ по любому из пп.1-3, в котором газообразный сырьевой поток представляет собой углеводородсодержащий поток, содержащий >20 об.% СО₂ в расчете на общий объем газообразного сырьевого потока.
8. 8. Способ по п.7, в котором указанный углеводородсодержащий поток содержит >2 об.% Ν₂ в расчете на общий объем газообразного сырьевого потока и адсорбентный материал имеет более высокую селективность к Ν2 по сравнению с углеводородами.
9. 9. Способ по любому из пп.1-6, в котором одна или более адсорбируемых загрязняющих примесей включает СО₂ или Н₂§.
10. 10. Способ по любому из пп.1-9, в котором цикл из стадий а)-ф выполняют в течение интервала времени менее чем около 60 с.
11. 11. Способ по любому из пп.1-9, в котором цикл из стадий а)-ф выполняют в течение интервала времени менее чем около 20 с.
12. 12. Способ по любому из пп.1-9, дополнительно включающий стадию, в которой пропускают газообразный сырьевой поток в коллектор, который распределяет исходный газообразный сырьевой поток в один из множества адсорбционных блоков, причем каждый из указанных адсорбционных блоков действует с исполнением циклов независимо друг от друга.
13. 13. Способ по любому из пп.1-12, в котором стадии α)-ά) представляют собой стадии в цикле одного или более из процесса циклической адсорбции при переменном давлении, процесса циклической адсорбции при переменной температуре, кальцинации, процесса адсорбции при переменном парциальном давлении или адсорбции с вытеснительной продувкой и комбинаций этих процессов.
14. 14. Способ по любому из пп.1-6, в котором исходный газообразный сырьевой поток содержит Н₂§ в диапазоне от около 0,001 до около 70 об.% в расчете на общий объем газообразного сырьевого потока.
15. 15. Способ по любому из пп.1-14, в котором адсорбентный материал в слое адсорбента содержит менее чем около 20 об.% открытых пор, имеющих диаметр более чем около 20 ангстрем (2 нм), и менее чем около 1 мкм.
16. 16. Способ по любому из пп.1-15, дополнительно включающий стадию, в которой восстанавливают давление по меньшей мере в одном из уравнительных резервуаров после того, как указанный уравнительный резервуар был использован в одной или более стадий повторного повышения давления.
17. 17. Сборный узел с адсорбционным блоком для осуществления способа по любому из пп.1-11 и 1416, включающий адсорбционный блок, состоящий из корпуса, имеющего внутреннюю область и конфигурированного для поддержания давления от 0 до

    - 22 026118

    80 бар (0-8 МПа, абсолютных) внутри внутренней области;

    слоя адсорбента, размещенного во внутренней области корпуса, со множеством проточных каналов, причем адсорбентный материал размещен по меньшей мере на одной внутренней поверхности указанного множества проточных каналов;

    впускного трубопровода, размещенного рядом со слоем адсорбента и конфигурированного для впускания исходного газообразного сырьевого потока во внутреннюю область корпуса;

    выпускного трубопровода, размещенного рядом со слоем адсорбента и конфигурированного для выпускания потока из внутренней области корпуса;

    множество уравнительных резервуаров, связанных посредством текучей среды с внутренней областью корпуса указанного адсорбционного блока.
18. 18. Сборный узел по п.17, в котором по меньшей мере один из множества уравнительных резервуаров конфигурирован для поддержания корпуса и адсорбентного слоя.
19. 19. Сборный узел по любому из пп.17, 18, в котором каждый из множества уравнительных резервуаров имеет клапан для сброса давления и конфигурирован для обмена текучими средами с адсорбционным блоком посредством трубопровода в первом положении и для прекращения течения текучей среды по трубопроводу из адсорбционного блока во втором положении.
20. 20. Сборный узел по любому из пп.17-19, в котором каждый из множества уравнительных резервуаров конфигурирован для обмена текучими средами с адсорбционным блоком во время одной из множества стадий повторного повышения давления и одной из множества стадий сбрасывания давления в каждом цикле и конфигурирован для предотвращения течения текучей среды в других стадиях повторного повышения давления и других стадиях сбрасывания давления в каждом цикле.
21. 21. Сборный узел по п.17, в котором адсорбентный материал в слое адсорбента содержит менее чем около 20 об.% открытых пор, имеющих диаметр более чем около 20 ангстрем (2 нм) и менее чем около 1 мкм.
22. 22. Циклическая адсорбционная система для осуществления способа по любому из пп.12, 13, включающая множество сборных узлов с адсорбционными блоками по любому из пп.17-21.
23. 23. Циклическая адсорбционная система по п.22, в которой каждый из множества сборных узлов с адсорбционными блоками конфигурирован для независимого использования множества уравнительных резервуаров, связанных с этим сборным узлом.