流体分离方法及其分离系统 本发明涉及一种从包含多种流体成分的进料流体物流中选择性分离多种流体成分中至少一种成分的方法和系统。更优选本发明涉及一种从包含多种气体成分的气体中选择性分离一种或多种气体成分的气体分离方法和系统,其中选择性分离是通过在流体物流中夹带的吸附剂进行的。
通常已知的气体分离方法包括例如(ⅰ)化学吸收,(ⅱ)低温分离,和(ⅲ)吸附。虽然这些方法已被广泛地应用,但每一种方法都有其优点和缺点。
化学吸收方法(ⅰ)已被用于除去硫化氢和二氧化碳气体,还一直试图采用这种方法进行废气脱硫。然而这种方法的缺点在于,在采用有机化合物作为吸收剂的情况下,存在处理废流体以及处理由于吸收剂分解产生的有害物质等问题,而且,在采用热的碱性水溶液作为吸收剂处理酸性气体的情况下,热能消耗大。
低温分离方法(ⅱ),已被用于例如空气的分离,以及天然气之类烃气体的分离。然而,这种方法的缺点在于,需要体积大和价格昂贵的冷冻设备。因此,低温分离方法的实际应用仅限于采用其它方法分离有困难的场合。
吸附方法(ⅲ)已被广泛地应用,因为这种方法简单,所以所用设备的尺寸可相对地从小到大。这种方法的已知设备类型包括固定床类型和流化床类型。
在吸附过程中,吸附到吸附剂上的气体量随压力的增加和温度的降低而增大,随压力的降低和温度的升高而减小。这种吸附方法就是利用这种现象,即在进行吸附步骤时,气体被吸附到吸附剂上,在解吸步骤,被吸附的气体从吸附剂上解吸下来。固定床类型的吸附分离设备,可通过安装改变压力和温度的装置以利用上述现象。然而,在吸附分离设备是常规流化床设备的情况下,流化地吸附剂颗粒在设备中循环,在吸附一解吸操作中很少利用压差。然而,施加很小的压力作为循环吸附剂颗粒的推动力,就能在解吸部分和吸附部分之间顺利地迁移吸附剂颗粒。由于这些原因,在常规流化床类型的设备中,吸附-解吸操作只利用温度差。在吸附分离设备是固定床类型的情况下,由于床的高度较大,会造成压力损失增加,所以为了提高处理能力,应将吸附剂床区增大,或者将整个设备放大。然而,可能使用的设备尺寸是有限的。此外,转换阀门尺寸的增大也是有限的。
在化学工业中,由于最近在单个设备中生产的化学产品产量的增加,有大量的气体需由气体分离处理。因此需要一种能处理大量气体的吸附方法。
在这些吸附过程中,动力消耗的类型主要是机械能和电能。而且,现有技术的移动床吸附方法与固定床和/或静止床方法相比,吸附剂颗粒的磨损率不符合要求。另外,这类方法的传热和传质差低,可能不符和要求。而且,这些方法可能需要投入总量过大的昂贵的吸附剂(特别是在开发比较新的先进的吸附剂的情况下)。这些因素和其它一些因素造成这类现有方法的运行费用高,不符和要求。
本发明的目的,是提供一种改进的从流体例如气体或液体进料物流的多种成分中分离至少一种成分的方法。为了简化起见,在下文中,本发明的说明书一般是关于选择性分离气流中多种气体成分中的至少一种成分;然而,要理解为,本发明同样适合从气体或液体优选从气体中成分的选择性分离。
本发明的另一个目的,是提供一种采用吸附剂粉末,从气流中选择性分离气体成分的方法和系统,这种方法和系统主要利用热能,特别是废热能。
本发明的另一个目的,是提供一种能减少选择性吸附材料投入量的方法和系统,本发明还提供一种改善传质和传热的方法和系统。本发明的另一个目的,是提供一种选择性的气体分离方法和系统,该方法和系统能降低这种方法和系统的操作费用。
本发明的另一个目的,是提供一种选择性的气体分离方法和系统,该方法和系统即可以以变温吸附(TSA)方法,也可以以变压吸附(PSA)方法,或以二者相结合的方法进行操作。本发明的另一个目的是提供一种选择性的气体分离方法和系统,该方法和系统能生产高纯度的气体,例如氧、氮和氩气等,该方法和系统还能从将要排入大气的废气中,选择性地除去不符合环境要求的成分。
本发明的一个方面,涉及一种选择性的分离方法和系统,其中的吸附剂粉末被夹带或悬浮在含有多种气体成分的进料气物流中,以从进料气物流中选择性地吸附至少一种气体成分。在本发明的另一个方面,这种选择性的分离方法和系统利用废热作为运行该方法和系统的能量。
在本发明中,术语“无负载的吸附剂”系指在其上未吸附任何气体的吸附剂,或气体已被完全或基本上完全从其中解吸下来的吸附剂。
本发明包括,从进料气体中选择性除去进料物流中存在的多种气体成分中至少一种成分的方法,该方法包括:
(a)提供在第一温度下的进料气物流;
(b)提供无负载的选择性吸附剂粉末,并将所述的吸附剂粉末,夹带在进料气物流中,形成悬浮在进料气物流中的吸附剂粉末混合物,所述的选择性吸附剂粉末适合从进料气物流中选择性吸附多种气体成分中的至少一种成分;
(c)使悬浮在进料气物流中的吸附剂混合物冷却到较低的第二温度,借此所述的选择性吸附剂粉末从进料气物流中吸附多种气体成分中的至少一种成分;
(d)从进料气物流中的冷却的吸附剂悬浮体中,分离吸附剂粉末,以产生:
(1)被分离的吸附剂粉末,在其上已经从进料气物流中吸附
了至少一种被选择性吸附的气体成分,和
(2)作为第一种气体产物,即已从其中选择性除去至少一种
被选择性吸附的气体成分的进料气物流;
(e)提供第二种气体物流,并将(d)(1)中分离的吸附剂粉末加入到第二种气体物流中;
(f)将第二种气体物流中的分离的吸附剂粉末加热到高于所述第二温度的第三温度,以从吸附剂粉末中解吸和释放至少一种被选择性吸附的气体成分,以产生:
(1)无负载的吸附剂粉末,和
(2)作为第二种气体产物,即其中包含至少一种从进料气物
流中选择性吸附/解吸的气体成分的第二种气体物流;和
(g)使(f)(1)中无负载的吸附剂粉末与(f)(2)的第二种气体产物分离。
一种采用PSA的类似的方法和系统,其中包括:
(a)提供进料气物流;
(b)提供无负载的选择性吸附剂粉末,将所述的吸附剂粉末夹带在进料气物流中,形成悬浮在进料气物流中的吸附剂粉末混合物,所述的选择性吸附剂粉末适合从进料气物流中选择性吸附多种气体成分中的至少一种成分;
(c)使悬浮在进料气物流中的吸附剂粉末混合物处在高压下,借此所述的选择性吸附剂粉末从进料气物流中选择性吸附多种气体成分中的至少一种成分;
(d)从进料气物流中的冷却的吸附剂悬浮体中,分离吸附剂粉末,以产生:
(1)被分离的吸附剂粉末,在其上已经从进料气物流中吸附
了至少一种被选择性吸附的气体成分,和
(2)作为第一种气体产物,即已从其中选择性除去至少一种
被选择性吸附的气体成分的进料气物流;
(e)提供第二种气体物流,将(d)(1)中分离的吸附剂粉末加入到第二种气体物流中;
(f)使第二种气体物流中被分离的吸附剂粉末处在减压下,以从吸附剂粉末中解吸和释放至少一种被选择性吸附的气体成分,以产生:
(1)无负载的吸附剂粉末,和
(2)作为第二种气体产物,即其中包含至少一种从进料气物
流中选择性吸附/解吸的气体成分的第二种气流;和
(g)使(f)(1)中无负载的吸附剂粉末与(f)(2)的第二种气体产物分离。
本发明的用于从进料气体中选择性除去进料气流中存在的多种气体成分中的至少一种成分的分离系统包括:
(a)第一个管道装置,提供在第一温度下的进料流体物流;
(b)分配装置,提供无负载的选择性吸附剂粉末并将其分配在第一个管道装置中,用于将所述的吸附剂粉末夹带在进料流体物流中,以形成悬浮在进料流体物流中的吸附剂粉末混合物,所述的选择性吸附剂粉末适合从进料流体物流中选择性吸附多种流体成分中的至少一种成分;
(c)冷却装置,将悬浮在进料流体物流中的吸附剂粉末混合物冷却到较低的第二温度,借此所述的选择性吸附剂粉末,可从进料流体物流中选择性吸附多种流体成分中的至少一种成分;
(d)第一个分离装置,从进料流体物流中的冷却的吸附剂悬浮体中,分离吸附剂粉末,以产生:
(1)被分离的吸附剂粉末,在其上已经从进料流体物流中吸
附了至少一种选择性吸附的流体成分,和
(2)作为第一种流体产物,即已从其中选择性除去至少一种
被选择性吸附的流体成分的进料流体物流;
(e)第二个管道装置,用于提供第二种流体物流;
(f)来自所述的第一个分离装置的第三个管道装置,用于将(d)(1)中被分离的吸附剂粉末加入到第二种流体物流中,使分离的吸附剂粉末夹带在第二种流体物流中;
(g)第四个管道装置,用于分配来自第一个分离装置(d)(2)的第一种流体产物;
(h)第一个加热装置,用于将第二种流体物流中的吸附剂粉末加热到高于所述第二温度的第三温度,以从吸附剂粉末中解吸和释放至少一种被选择性吸附的流体成分,以产生:
(1)无负载的吸附剂粉末,和
(2)作为第二种流体产物,即其中包含至少一种从进料流体
流中选择性吸附/解吸的流体成分的第二种流体物流;和
(i)第二个分离装置,用于使(h)(1)中无负载的吸附剂粉末,与(h)(2)中的第二种流体产物分离;
(j)第五个管道装置,用于分配来自第二个分离装置的第二种流体产物。
本发明的方法和系统,可从进料流体(气体或液体)物流中,分离至少一种流体,即气体或液体,本发明的方法和系统,即可以是单级的方法和系统,也可以是二个或多个分离设备的多级方法和系统。
通过下面的附图说明本发明,但本发明并不限于下面的附图,其中:
图1是根据本发明的从空气中分离氧的TSA方法和系统的示意图;
图2是按照本发明的从初始气体物流中选择性分离废气的PSA方法和系统的示意图;
图3是按照本发明的从初始气体物流中选择性分离产品气体的PSA方法和系统的示意图;
图4是按照本发明的从初始气体物流中选择性分离废气的增强PSA方法和系统的示意图;和
图5是本发明的从空气进料物流中选择性分离高纯度氧的多级方法和系统的示意图。
本发明方法的特征在于,采用夹带和悬浮在包含多种气体成分的进料气物流中的选择性吸附剂粉末。本方法以能在流动的进料气物流中夹带和悬浮的粉末形式利用选择性吸附剂。本方法一般以粉末形式使用选择性吸附剂,粉末的粒度(即直径)小于约500μm,一般小于约100μm,优选小于约10μm,更优选粒度为约1至约4μm。在进料气体中夹带和悬浮选择性吸附剂粉末,并在高于粉末夹带(流态)速度的气体输送速度下输送。气体和粉末的输送速度,一般为约5至约60fps(呎/秒),优选为约10至约30fps。
选择性吸附剂的这些小粒度的粉末颗粒,与在静止床或移动床方法中采用的粒度较大的颗粒(直径1-4mm)相比,改善了吸附剂的传热和传质,从而降低了操作费用,在某些情况下,在现有技术的方法中,这可能只占操作费用的一小部分。
本发明的方法和系统,可以利用现有设备的废热能,从而可将本发明方法和系统的操作费用降低到更低的水平。
此外,本发明的方法和系统,利用在进料气体中夹带和悬浮的吸附剂粉末和废热能,可呈现较快的温度响应,在连续在线稳定操作和生产产品时,本系统在设计和操作方面,具有更大的灵活性。本方法和系统还容许对每天生产每吨(TPD)产品使用少得多的吸附剂。例如,在CO2的TSA方法中,生产每TPD产品,本发明只使用约17至最多约45 lb(磅)吸附剂,比相应于PSA的现有技术常规方法和系统需要使用的吸附剂颗粒量低得多。本发明的CO2的TSA方法的操作,动力消耗也仅为相应于PSA的现有技术常规方法和系统所需的约三分之二,一般生产每TPD为约5.0kW。
在本发明的吸附剂粉末方法中,微米大小的吸附剂粉末颗粒惯性小,能随气流而移动,在很大程度上减轻了吸附剂的磨损问题。因此,设备或系统可在吸附剂投入量较低的情况下运行。由于需要的吸附剂投入量较低,而且系统的装置可连续运行,这意味设备的尺寸比现有技术的设备小。
本发明夹带吸附剂粉末TSA方法的温度的高低一般取决于许多因素,例如吸附剂的类型、产品的纯度和燃料气体的组成等,一般为约90°F至约700°F(30℃-371℃),更一般为约130°F至约700°F(54℃-371℃),可以为约250°F至约700°F(121℃-371℃)。在本发明相应的夹带吸附剂粉末的PSA方法中,用于吸附或加负载的高压,一般为约50至约500psia(磅/英寸2表压),优选为约150至约200psia,解吸或卸载压,可为约1至约46psia,优选为约1至约10psia。
在本发明的TSA夹带吸附剂粉末方法中,采用吸附剂粉末捕获气流中被选择的气体成分。将粉末夹带到进料气物流中并冷却气体混合物,以通过排除吸附的热量来强化吸附过程。使混合物通过分离器,例如旋流器或过滤器,以分离吸附剂粉末,现在在吸附剂粉末上吸附着所选气体成分。然后将该粉末夹带到产品气体的第二种气体物流中。在该物流中,将吸附剂粉末加热,以解吸和释放被吸附的气体成分。使被解吸过的粉末与产品气体分离,然后重新夹带被解吸的或无负载的吸附剂粉末返回到进料气物流中以进行重新吸附。
图1用示意图说明采用本发明夹带吸附剂粉末方法的理想化的TSA方法和系统。本方法和系统是用于说明从作为进料气体的空气流中,选择性分离高纯度氧的方法,氧的纯度至少约80%,优选纯度至少约90%。这个理想化的方法和系统主要包括二台鼓风机、二台加料器、二台旋流器或过滤器、二台热交换器(一台预冷却器和一台空气加热器)、一台悬浮体热交换器、一台气体加热器和一台空气冷却式热泵。对于高温吸附剂的应用,可采用空气冷却翅扇式热交换器代替空气冷却式热泵。空气加热器和预冷却器热交换器能使这种方法在环境温度或接近环境温度下,释放第一和第二种产品气物流,这能进一步降低该方法的能量消耗。虽然在图1中示出的是一个特定的理想化的系统,但对于采用特定吸附剂粉末的方法,通过改变方法的温度和/或取消不必要的热交换,来改进该系统是可能的。图1示出的方法和系统采用对氧有选择性的吸附剂粉末,用空气作为进料气体,纯化的氧气作为第二种气体产物,废气作为第一种气体产物。
在图1所示的方法和系统中,管线10中的进料空气物流的温度为约70°F(21℃),流量为约20至40fps,它通过鼓风机12经管线13进入该系统(a点),由通过空气加热器14的通道加热到约120°F(49℃)(b点)。然后,经管线17分配来自旋流器或过滤器分离器16的无负载吸附剂粉末(f点),并经管线17和进料器18进入热空气管线15,在空气物流中夹带或悬浮吸附剂粉末(c点)。使在空气物流中夹带的吸附剂粉末混合物,经管线19通过悬浮体热交换器20以除去吸附的热量和冷却吸附剂粉末(d点)。
然后使冷却的悬浮体经管线21通过空气冷却式热泵22,通过冷却到温度约-10°F(-23℃)以排除最后的热量(e点)。在该方法的这一阶段,空气物流中的大部分氧被夹带的吸附剂粉末所吸附。被冷却的悬浮体经管线23进入旋流器或过滤器分离器24,在其中使有负载的吸附剂粉末(已吸附氧气)与已从其中选择性吸附掉氧气的空气流即与废气产物分离。废气产物从分离器24经管线26进入预冷却器热交换器28,并作为废气产物经管线30从其中排出(g点),这时温度约70°F(21℃)。
通过管线32和鼓风机34(a′点)加入含氧约80%的,温度约80°F(27℃)的第二种气体物流,该气流经管线35通过预冷却器热交换器28(b′点),在其中与经管线26进入热交换器28的废气产物进行热交换而冷却。在分离器24中分离的有负载的吸附剂粉末经管线36进入进料器38,在此将有负载的吸附剂粉末引入并夹带在第二种气体物流中(c′点),其中从吸附剂粉末上解吸氧,并将混合物冷却到温度约20°F(-7℃)。
使在第二种气体物流中的吸附剂粉末悬浮体经管线40通过悬浮体热交换器20,在其中通过与进料气体和被夹带的吸附剂粉末的混合物热交换而被加热(d′点),所述的混合物是经管线19进入交换器20的。使在第二种气体物流中夹带的被加热的吸附剂粉末混合物,经管线41通过气体加热器42,在其中被进一步加热到温度约130°F(54℃)以进一步或最终从吸附剂粉末中除去氧气(e′点)。使被加热的混合物经管线43进入旋流器或过滤器分离器16,其中无负载的吸附剂粉末与被纯化的氧气产品分离。将被分离的纯化的氧气产品(一般氧气纯度为至少约80%)从分离器16经管线44通过空气加热器14的通道(g′点),在其中通过与进料空气物流热交换而冷却,进料空气物流是经管线13进入空气加热器14的。将纯化的氧气产物冷却到温度约80°F(27℃),经管线45作为产品排出。一部分产品气体从管线45经管线32排出以提供加入鼓风机34的第二种气体物流。
夹带吸附剂粉末的方法是有吸引力的,主要是因为它设计简单,能连续稳定地在线生产,主要采用热能而不是电力,吸附剂投入量低,响应快,操作适应性强,能将变压和变温结合起来,可采用多级,并具有多种应用。
在采用可以买到的吸附剂时,本方法的最佳应用是二氧化碳与氮的分离、生产干燥清洁的空气、和从废气中吸附污染空气的物质。在采用质量较好的吸附剂时,本方法可进行许多其它的分离。最佳工作温度和粉末/气体比例取决于分离和吸附剂的类型,在不同的情况下是不同的。最大的粉末/气体比例为约15,气体的速度应不低于吸附剂粉末的夹带速度,一般不低于约10fps,优选不低于约20fps。工作温度的范围取决于吸附剂的类型。某些有机吸附剂加热不得超过150-200°F(65-93℃),而无机吸附剂可被加热到高达700°F(371℃)。
夹带吸附剂粉末的方法,如果有有效的吸附剂可以使用,可被应用于许多类型的气体分离。在采用有效的吸附剂时,可用该方法生产高/低纯度的氧、氮、氩、二氧化碳和清洁干燥的空气。还可用它作为预纯化器,和作为工厂废气的处理设备。对于要求纯度非常高的应用,本方法可以多级的形式使用。采用合理的操作,本系统甚至还适合多种用途的分离。采用混合吸附剂,可用本方法从气体物流中选择几种气体成分。例如,在污染控制过程中,如果采用吸附剂混合物,可同时吸附包括二氧化碳、硫和氮的氧化物在内的几种气体成分。
图2示出本发明的一种方法和系统,采用PSA从初始进料气物流中吸附废气产物,以及生产除去废气的产品气体。将约70°F(21℃)的初始气体由压缩机110压缩,作为进入管线112的气体物流。将无负载的选择性吸附剂粉末作为进料从加料器/闸门式料斗114经管线116,分配在线112内的初始气流中,吸附剂粉末在其中被夹带和悬浮,并选择性吸附初始气流中存在的废气成分。然后使粉末经管线118进入旋流器或过滤器分离器120中,吸附废气的吸附剂粉末在其中与已从其中选择性除去废污染物质的产品气体分离。产品气体从分离器120经管线122进入回收加热器124,并通过管线126从其中进入能量回收透平128,然后作为纯化的产品气体经管线130排出,其温度约70°F(21℃)。
在分离器120中分离的已吸附废气成分的吸附剂粉末经管线132进入加料器/闸门式料斗134,经管线136进入在真空下的管线138内的低压的第二种气体物流中。有负载的吸附剂粉末在其中被夹带和悬浮,并从吸附剂粉末上解吸或卸载被吸附的废气。然后悬浮的混合物经管线140进入旋流器或过滤器分离器142,以将无负载的吸附剂粉末与废气成分分离。无负载的吸附剂粉末从分离器142经管线144进入加料器/闸门式料斗114中。被分离的废气借助于吸入式压缩机150,作为废气从分离器142经管线146和148排出,其温度为约70°F(21℃)。管线146中的一部分废气通过鼓风机152、管线154返回,在通过回收加热器124的通道之后,作为管线138中的第二种气体物流。该系统的特征在于,采用单个热交换器,即回收加热器124,以接受管线122中产品气体的热量。
图3示出与图2相同的PSA系统,但其中选择性的吸附剂粉末用于从初始气流中选择性吸附产品气体。由压缩机210将温度约70°F(21℃)的初始气体压缩,形成高压气流进入管线212中。无负载的选择性吸附剂粉末作为进料从加料器/闸门式料斗214经管线216分配进管线212内的初始气体物流中,吸附剂粉末在其中被夹带和悬浮,并选择性吸附初始气体物流中存在的废气成分,经管线218进入旋流器或过滤器分离器220,其中吸附产品气体的吸附剂粉末与已从其中选择性除去废气污染物质的废气分离。废气从分离器220经管线222进入回收加热器224,从其中通过管线226进入能量回收透平228,然后作为净化过的废气经管线230排出,温度约70°F(21℃)。
在分离器220中经分离的、已吸附废气成分的吸附剂粉末,经管线232进入加料器/闸门式料斗234中,经管线236在真空下分配在管线238内低压的第二种气体物流中,有负载的吸附剂粉末在其中被夹带和悬浮,并从吸附剂粉末中解吸或卸载被吸附的产品气体。然后经管线240将悬浮的混合物送入旋流器或过滤器分离器242,使无负载的吸附剂粉末与产品气体成分分离。无负载的吸附剂粉末从分离器242经管线244进入加料器/闸门式料斗214中。被分离的产品气体从分离器242经管线246和248,并借助于吸入式压缩机250,作为产品气体排出,温度约70°F(21℃)。管线246中一部分产品气体通过鼓风机252、管线254返回,在通过回收加热器224的通道之后,成为管线238内的第二种气体物流。该系统的特征在于,采用单个的热交换器,即回收加热器224,它接受线222内废气的热量。
图4示出经过强化的图2中采用PSA的方法和系统,以从初始进料气体物流中吸附废气产物。在图4中示出的是图2方法和系统的强化形式,其中采用循环产品气体的方法,以提高产品气体的浓度。对于相同的部分,采用与图2相同的编号。其强化部分包括,通过管线156循环管线126内的一部分产品气体,以与经管线111来自压缩机110的初始气体混合,通过鼓风机158进入管线118,在其中夹带无负载的吸附剂粉末。
图5示出本发明的多级方法和系统,用于从进料空气物流中分离高纯度的氧。为了清晰地说明多级方法和系统的状况,已将附图简化,并删去一些细节。进料空气物流经管线410通过鼓风机412和管线414进入冷却器416,在其中冷却并进入管线418。在管线418内,来自旋流分离器420的无负载的吸附剂粉末,经管线422进入线418,并被夹带和悬浮在冷却的进料空气中,以从其中吸附氧气。管线418将被夹带的吸附剂粉末和空气的悬浮混合物送入旋流分离器424中,吸附氧气的吸附剂粉末在其中与现约含14%的氧的空气分离。被分离的有负载的吸附剂粉末,从旋流器424经管线426进入管线428内已加热的第二种气体物流中,并从有负载的吸附剂粉末上解吸氧。将这种混合物经管线430送入旋流分离器420,以将纯化的氧气(约50%氧)与无负载的吸附剂粉末分离。
通过管线432,从分离器420输出纯度为50%的氧气,一部分纯化的氧气,经管线434通过鼓风机436和加热器438返回,送入管线428内加热的第二种气体物流中。纯化的氧气未返回的部分,经管线440,通过冷却器442进入管线444中,这里还通过管线448从旋流器446加入被分离的无负载的吸附剂粉末,并将其夹带在纯化的氧气物流中,以吸附其中的氧气。通过管线450将这种混合物送入旋流分离器452,这里有负载的吸附剂粉末和从其中已选择性地分离氧气的第二种气体(21%的氧)分离。通过管线454,将有负载的吸附剂从分离器452送入并夹带在管线456内加热的第三种气体物流中,在其中从吸附剂粉末上解吸氧气。将混合物经管线458送入分离器446,无负载的吸附剂和高纯度的氧气(90%)在其中分离。
从分离器446中排出作为产品气体的高纯度的氧气。一部分产品气体,从管线460,经管线462,通过鼓风机464和加热器466返回,进入管线456内加热的第三种气体物流中。在分离器452中,与有负载的吸附剂粉末分离的含量为21%的氧气,经管线468返回到线410中,为本方法和系统提供一部分进料气体。在分离器424中与有负载的吸附剂粉末分离的含量为14%的氧气,是经管线470传送,其中的一部分经管线472供给加热器474,并在其中加热,以提供管线476内的第三种加热的气体物流,其余的部分被冷却,成为管线478中的第五种气体物流。
经管线482,从旋流分离器480加入有负载的吸附剂粉末,并夹带在管线476内的加热的第四种气体物流中,以吸附其中的氧气。这种混合物经管线484进入旋流分离器486,以将无负载的吸附剂与提高纯度的氧气(21%的氧)分离。提高纯度的氧气物流,经管线488返回,与初始气体物流中引入的空气混合。来自分离器486的无负载的吸附剂,经管线490返回,并用管线478内冷却的第五种气体物流夹带,以吸附其中的氧气。将这种混合物送入旋流分离器480中,以分离废气(7%的氧)和有负载的吸附剂粉末。废气经管线494从该系统中排出,如上所述,来自旋流分离器480的有负载的吸附剂,经管线482进入管线476内加热的第四种气体物流中。可利用图5所示的这类多级的系统设备和分离器,提高产品气体的纯度和回收率。
可采用本发明的方法和系统,进行各种流体和/或气体的分离和纯化,其中包括,但并不限于在化工厂、造纸厂、水和污水处理厂、污染控制设施和电厂中在从饮用水中除去杂质和烃类、化学试剂纯化、混合化学试剂分离、和一切其它水/污水处理方面的分离,其中包括离子交换在内。在污染控制中,包含几种污染空气物质的废气,由一种吸附剂净化可能是不可能的。例如,含有不同浓度CO2、SOx、NOx和臭氧的废气,可能需要本发明的方法和系统所采用的选择性的吸附剂粉末包括以适宜比例混合的几种吸附剂粉末的混合物,以对废气进行有效的分离和净化。
下面是一些可采用本发明的方法和系统,进行分离和/或纯化过程的实施例。
高纯度氧和氮的生产
氧的选择性吸附剂是这类操作最好的吸附剂。对于有机吸附剂,该方法热侧和冷侧的典型工作温度分别为130和-10°F(54和-23℃)。在本方法热的一侧,将生产纯度约80%的氧,而冷的一侧则将纯度约87%的氮排入环境。较高的冷侧压力和较低的冷侧温度会提高吸附剂的负载,但同时会降低吸附的选择性。在线的操作控制能保持达到最佳生产状态。
低纯度氧及高纯度氮和氩的生产
氮的选择性吸附剂是这类方法最好的吸附剂粉末。该方法冷、热侧的典型工作温度分别为约10°F和300°F(-12℃和149℃)。在冷侧生产纯度约30%的低浓度氧。热侧生产纯度92%的氮,这些氮气被释放到环境中。对于氩的生产,推荐采用相同类型的吸附剂,并采用变压和变温相组合的方法。这将使粉末的负载随选择性的降低而增加。因此,会选择性吸附氧和氮并将它们转移到工厂热的一侧。冷的一例是产品氩。可以采用多级,使所有的氧气和氮气与氩分离。
二氧化碳的生产
CO2的选择性吸附剂是这类方法最好的吸附剂粉末。该方法冷、热侧的典型工作温度分别为约70°F和500°F(21℃和260℃)。进料物流是在冷的一侧,包含约12-30%的二氧化碳。产品在该方法热的一侧,二氧化碳的浓度高达约92%。
TSA粉末方法作为预净化装置的应用
这类设备会将空气中的水和二氧化碳减少到允许限度。例如,空气中的水含量为约12000ppm,可被降低到约0.2ppm。另一方面,空气中二氧化碳的含量为约350ppm,可被降低到约0.2ppm。选择性的吸附剂是13X,冷侧温度为70°F(21℃),热侧温度为700°F(371℃),冷侧的压力为90psia。
清洁的干燥空气的生产
此类型装置可将空气中的水分从约1450-8540ppm降低到允许的0.5-20ppm的限值。所选吸附剂为13X,在高压下其冷侧温度为70°F(21℃),热侧温度为300°F(149℃)。
空气污染控制
(从废气中除去CO2、SOx和Nox)
在将废气释放到大气中以前,这种类型的设备能从其中除去一切污染物质。这会有助于防止地球变暖,而且还会减少酸雨和空气污染。将吸附剂粉末夹带于废气中,使其通过空气冷却的热交换器。在旋流器中分离这些粉末,将其夹带进第二种物流中进行解吸。选择的吸附剂是13X,在大气压下冷侧的温度为70°F(21℃),热侧为700°F(371℃)。已经证明该方法是可行的,CO2浓度从11%降低到0.34%,SOx从2024ppm降到1.9ppm,NOx从483ppm降到0.2ppm,与环境保护局(EPA)的标准相符。被释放的气体主要含95.6%的氮和4.1%的氧和氩。这些污染物质可能被鼓泡池中的石灰所捕获。
关于对本发明的上述说明,本领域的技术人员应当理解,可在不偏离本发明实质的情况下,对本发明进行一些改进。因此本发明的范围不限于所示的和所说明的具体实施方案。